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SISTEMA DE DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO SUBSISTEMA NORMAS E ESTUDOS DE MATERIAIS E EQUIPAMENTOS DE DISTRIBUIÇÃO CÓDIGO TÍTULO FOLHA I-313.0003 TRAÇÕES E FLECHAS DE CABOS CONDUTORES APROVAÇÃO: RES. DD 524/96 - 06/11/96 MANUAL DE PROCEDIMENTOS 01/83 1. FINALIDADE Apresentar os procedimentos adotados para obtenção das trações e flechas dos cabos condutores utilizados no Sistema de Distribuição da Celesc. 2. ÂMBITO DE APLICAÇÃO Aplica-se aos Departamentos da Diretoria de Distribuição e Agências Regionais. 3. ASPECTOS LEGAIS Relatório Técnico de Distribuição - RTD-26 - Trações e Flechas de Cabos Condutores, elaborada pelo Comitê de Distribuição - CODI. 4. CONCEITOS BÁSICOS Não há. 5. PROCEDIMENTOS GERAIS 5.1. Considerações Iniciais Com o objetivo de dinamizar a obtenção dos valores de trações de montagem e flechas máximas de condutores novos adotados pela Celesc, no que se refere a distribuição de energia, o Departamento de Desenvolvimento de Sistema de Distribuição - DPSD, através da Divisão de Normas e Estudos de Materiais da Distribuição - DVNE, desenvolveu um programa de computador

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SISTEMA DE DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO

SUBSISTEMA NORMAS E ESTUDOS DE MATERIAIS E EQUIPAMENTOS DE DISTRIBUIÇÃO

CÓDIGO TÍTULO FOLHA

I-313.0003 TRAÇÕES E FLECHAS DE CABOS CONDUTORES

APROVAÇÃO: RES. DD 524/96 - 06/11/96

MANUAL DE PROCEDIMENTOS

01/83

1. FINALIDADE

Apresentar os procedimentos adotados para obtenção das trações e flechas dos cabos condutoresutilizados no Sistema de Distribuição da Celesc.

2. ÂMBITO DE APLICAÇÃO

Aplica-se aos Departamentos da Diretoria de Distribuição e Agências Regionais.

3. ASPECTOS LEGAIS

Relatório Técnico de Distribuição - RTD-26 - Trações e Flechas de Cabos Condutores, elaboradapelo Comitê de Distribuição - CODI.

4. CONCEITOS BÁSICOS

Não há.

5. PROCEDIMENTOS GERAIS

5.1. Considerações Iniciais

Com o objetivo de dinamizar a obtenção dos valores de trações de montagem e flechasmáximas de condutores novos adotados pela Celesc, no que se refere a distribuição de energia,o Departamento de Desenvolvimento de Sistema de Distribuição - DPSD, através da Divisão deNormas e Estudos de Materiais da Distribuição - DVNE, desenvolveu um programa decomputador

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chamado TRAFLEMA, em linguagem Fortran, o qual calcula as trações de montagem, osvalores de flechas e as trações máximas para as situações para vento máximo.

5.2. Resumo da Teoria

5.2.1. Um determinado condutor tracionado entre 2 suportes, adquire um valor de flechas no meiodo vão, o qual pode ser com precisão aceitável, representado pela equação:

P x (l)²f = -------- (1)

8 x T

Onde:

P = peso do condutor (daN/m)l = comprimento do vão entre suportes (m)T = esforço de tração (daN)f = flecha no meio do vão (m)

O comprimento do condutor L (m), pode ser determinado pela equação:

8 x (f)²L = l + -------- (2)

3 x l

5.2.2. Influência do Vento

O vento soprando lateralmente sobre os condutores e sobre os suportes exerce uma pressãosobre os mesmos. As forças resultantes geram solicitações tanto nos condutores como nossuportes, o que faz, conseqüentemente, com que os projetos levem em consideração estasforças.A pressão do vento sobre superfícies circulares, segundo norma brasileira, é dada pelaequação:

Pv = 4,71 x (10)-3 x (V)² x Cv [daN/m²] (3)

Onde:

V = velocidade máxima do vento para a região considerada, em km/h

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Cv = coeficiente de efetividade da pressão do vento, o qual considera-se como sendo igual a 1.

Considerando o vento atuando perpendicularmente em relação ao comprimento do condutortemos a seguinte situação:

Onde:

Fv = força devido a pressão do vento (daN)P = peso próprio do condutor (daN/m)Fr = força resultante (daN/m)d = diâmetro do condutor (mm)

A força resultante sobre o condutor, provoca o seu deslocamento lateral, causando umaumento nas forças de tração.A força devido a pressão do vento pode ser determinada pela fórmula:

Fv = Pv x d (4)

A força resultante será:

Fr = [(P)² + (Fv)²]1/2 (5)

5.2.3. Influência da Temperatura

Com relação a temperatura, os condutores sofrem a influência do ambiente, a exposiçãocontínua ao sol e o efeito joule provocado pela corrente elétrica. Uma variação datemperatura, positiva ou negativa, provoca dilatação ou contração do condutor devido ao seucoeficiente de dilatação térmica.Estando os condutores presos aos suportes, a variação do comprimento é acompanhada de

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uma variação de tração, sendo que tal variação obedece a lei de Hooke.

Considerando o exposto conclui-se, pelo desenvolvimento das equações, que a equação demudança de estado devido a variação de temperatura é a seguinte:

ExSx(P)²x(l)² ExSx(P)²x(1)²(T2)3 + (T2)² x [---------------- + ExSxCtx(t2 - t1) - T1] = --------------------(6)

24x(T1)² 24

Onde:

T1 e T2 = trações horizontais nos estados 1 e 2, em daNE = módulo de elasticidade, em daN/mm²S = seção do condutor, em mm²Ct = coeficiente de dilatação térmica do condutor, em 1/ºCt1 e t2 = temperaturas nos estados 1 e 2, em ºC

5.2.4. Influência Simultânea do Vento e da Temperatura

Ventos fortes podem ocorrer simultaneamente com a presença de temperaturas bastantebaixas, conseqüentemente os efeitos são cumulativos. Isso significa dizer que haverá umaumento no valor da tração provocado pela ação do vento e um aumento provocado peladiminuição da temperatura.Desenvolvendo as equações envolvidas, conclui-se que a equação de mudança de estadodevido a influência simultânea é a seguinte:

ExSx(P1)2x(l)2 ExSx(P2)2x(1)2

(T2)3 + (T2)2 [------------------ + Ex SxCtx(t2 - t1) - T1] =---------------724 x (T1)2 24

Comparando com o anterior, verifica-se que elas diferem apenas nos valores dos pesos doscondutores , onde um deles é o peso resultante, o qual leva em consideração a carga de vento.

5.3. Condições de Cálculo

Na elaboração do programa TRAFLEMA, levou-se em consideração as seguintes condiçõesiniciais:

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5.3.1. Rede Urbana

Temperatura: 0ºC a 50ºC, intervalos de 5ºCVãos: 5 m a 200 m, intervalos de 5 mCabo básico: menor cabo da série padronizadaParâmetro de cálculo:

estado básico 1 - temperatura: 0ºCvelocidade do vento: 0 km/htração máxima: 1/7 da tração de ruptura do cabo básico

estado básico 2 - temperatura: 15ºCvelocidade do vento: 60 km/htração máxima: 1/5 da tração de ruptura do cabo básico

Considerando as limitações dos terrenos urbanos e o projeto de iluminação pública, os vãosmáximos das redes urbanas devem ser de 80 metros, embora as tabelas sejam elaboradas paracondições especiais com vãos de até 200 metros.

5.3.2. Rede Rural Leve

Temperatura: 0ºC a 50ºC, intervalos de 5ºCVãos: 20 m a 800 m, intervalos de 20 mCabo básico: menor cabo da série padronizadaParâmetros de cálculo:

estado básico 1 - temperatura: 20ºCvelocidade do vento: 0 km/htração máxima: 1/5 da tração de ruptura do cabo básico

estado básico 2 - temperatura: 15ºCvelocidade do vento: 80 km/htração máxima: 2/5 da tração de ruptura do cabo básico

5.3.3. Rede Rural Média

Temperatura: -5ºC a 50ºC, intervalos de 5ºCVãos: 20 m a 800 m, intervalos de 20 mCabo básico: menor cabo da série padronizadaParâmetro de Cálculo:

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estado básico 1 - temperatura: 20ºCvelocidade do vento: 0 km/htração máxima: 1/5 da tração de ruptura do cabo básico

estado básico 2 - temperatura: 15ºCvelocidade do vento: 100 km/htração máxima: 2/5 da tração de ruptura do cabo básico

5.4. Considerações Gerais Sobre o Programa

5.4.1. O programa TRAFLEMA foi desenvolvido com o objetivo de solucionar as equações demudança de estado, para um cabo escolhido como básico, e condições iniciais préestabelecidas.

5.4.2. Para os demais cabos da série padronizada, a partir dos valores calculados para o cabo básico,o programa calcula as trações horizontais de montagem.

5.4.3. Internamente, conforme o tipo de rede, o programa seleciona as condições iniciais, estados 1 e2, calculando as trações para ambos, escolhendo o pior caso.

5.4.4. Como resultado o programa apresenta as flechas do cabo básico, e as trações horizontais demontagem dos demais cabos da série.Junto a estas são apresentadas as trações máximas, que são as trações de montagem a 15?Ccom vento máximo.

5.4.5. Os elementos de entrada para o programa são os dados dos condutores e o tipo de rede:

Cabo básico - CABODemais condutores - CONDTipo de rede - REDE e KRDDiâmetro do cabo básico em mm - DCSeção do cabo básico em mm - SCPeso do cabo básico em daN/m - PCMódulo de elasticidade final em daN/mm? - ETração de ruptura do cabo básico em daN - TRCoeficiente de dilatação térmica em 1/(?C) - ALFANúmero de condutores - NCPeso dos condutores em daN/m - PXDiâmetro dos condutores em mm - DX

As variáveis, CABO, COND e REDE são alfanuméricas, estando disponíveis para elas 20

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posições, ou seja, estas devem ser definidas em 20 letras ou menos.A variável NC é igual a zero para o cabo básico ou um número que represente a quantidade decondutores em estudo.A variável KRD representa também o tipo de rede, cujos valores adquiridos devem obedecer atabela:

Tipo de Rede Urbana Rural

Leve Média

Valor de KRD 1 2 3

5.4.6. A entrada dos dados deve ser feita através do terminal de vídeo IBM, estando inseridas noprograma todas as instruções, inclusive as de formato.

5.5. Cálculo das Trações e Flechas para Vãos Contínuos

Nos itens anteriores foram considerados os condutores fixados em seus suportes, de maneirarígida, não sofrendo estes qualquer deformação.No entanto, os condutores de uma rede, são estendidos para posterior tensionamento eamarração, sendo necessário que os mesmos sejam suspensos provisoriamente por meio dedispositivos que apresentem um mínimo de resistência ao atrito (roldanas).Considerando este fato, uma seção de tensionamento de uma rede, composta por n vãos emsérie, pode ser considerada como um todo, para fins de cálculo das trações e flechas, desde queas expressões reflitam esta condição.Para que isso ocorra, as flechas dos cabos devem ser calculadas em função da tração de um vãoequivalente, o qual recebe o nome de vão regulador e que será constante para todos os vãos daseção.A equação usada para calcular o vão regulador pode ser a apresentada abaixo, que apesar deaproximada, em redes de distribuição apresenta boa precisão:

l reg = l med + 2/3 (l máx. - l med. ) (8)

Onde:

l reg = vão regulador (m)l med = vão médio (m)l máx. = vão máximo (m)

Calculado o vão regulador, pesquisa-se nas tabelas de trações e flechas, os valores adquiridospor este para as diversas temperaturas. Pode-se calcular as flechas correspondentes aos demaisvãos pela equação (1).

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P x (l)2

f = ----------8 x T

Onde:

f = flechas do vão regulador em questãoP = peso do condutorl = vão do condutorT = tração do vão regulador

Considerando que a tração é igual para todos os vãos temos:

P x (l1)2 P x (l2)2

---------- = ----------8 x (f1) 8 x (f2)

Portanto:

f2 = [(l2)2 / (l1)]2 x (f1) (9)

Através desta equação pode-se calcular o valor das flechas para todos os vãos, bastando paraisso saber a flecha de um deles.

5.6. Variação do Módulo de Elasticidade

Nas equações apresentadas o módulo de elasticidade foi considerado constante, porém, narealidade o módulo de elasticidade varia. Nos cabos verifica-se nitidamente a existência de 2módulos de elasticidade, um módulo inicial, variável, existente enquanto o cabo não sofrertracionamentos consideráveis, e outro módulo final, constante, existente a partir do primeirotracionamento.A este fenômeno descrito, sobrepõe-se outro, o qual é conhecido por CREEP, que é definidocomo sendo o escoamento do material, que ocorre com o tempo, sob carga.Isso significa dizer que o cabo sofre uma elongação adicional e que também é conseqüência datração aplicada.Para valores elevados de tração a deformação ocorre em um período curto de tempo, enquantoque para valores baixos esta deformação ocorrerá num espaço de tempo consideravelmentemaior.A ocorrência destes fenômenos, cria na prática um problema para os projetistas, pois com oaumento dos valores de flechas, o qual é provocado por estes fenômenos, as distâncias de

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segurança podem ser comprometidas.A fim de evitar este problema, nos trabalhos de construção de rede, deve ser usada a técnicaconhecida como pré-tencionamento.

5.6.1. Pré-Tensionamento

Esta técnica consiste em manter os cabos sob tração igual ou levemente superior à traçãoadmitida como máxima admissível, para aquela situação, por um período deaproximadamente duas horas, o que é suficiente para provocar a deformação permanentemáxima.Neste caso o projetista deve usar o módulo de elasticidade final no cálculo das trações eflechas.

5.6.2. Cabos Padronizados

5.6.2.1. Rede Urbana

Cabo CA: 2; 1/0; 2/0; 3/0; 4/0; 266,8; 336,4; 397,5 MCM

Cabo Cu: 25; 35; 50; 70; 95; 120 mm2

5.6.2.2. Rede Rural

Cabo CAA: 4; 2; 1/0; 2/0; 3/0; 4/0; 266,8; 336,4; 397,5 MCM

Cabo de Aço CAZ: 4,8 mm

Cabo alumoweld CAW: 5,58 mm

6. DISPOSIÇÕES FINAIS

6.1. Acesso ao Programa no Terminal IBM

Para acessar o programa no terminal IBM, obedecer a seguinte seqüência:

USERID: DPER1PASSWORD: MMMMN

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Após o ENTER, digite X TFX FORTRAN para acessar a entrada de dados.Os principais comandos a serem utilizados neste processo são:

F - avança uma páginaB - volta à página anteriorFF = FILE - grava e sai da páginaSAVE - grava e permanece na páginaNn - avança o número n de linhas.

6.2. Listagem dos Dados

Com os dados já gravados, pode-se obter a listagem dos mesmos antes de submeter ao cálculodas trações e flechas, da seguinte forma:

a) teclar FLIST TFX * *, onde aparecerá a tela TFX FORTRAN A1;

b) indicar o nome da impressora, se houver mais de uma disponível, e teclar ENTER;

c) teclar PRINT e ENTER, para imprimir os dados deentrada.

Se teclar X, volta-se aos dados de entrada.

6.3. Execução do Cálculo das Tabelas de Tração e Flechas

Depois de imprimir os dados de entrada, em TFX FORTRAN A1 dar o comando SUBMETERpara executar o cálculo das tabelas de tração e flechas, preenchendo a tela:

Responsável: escrever o nome do responsávelPrograma: TRAFLEMATempo: 1ParâmetrosEntrada Fn: TFXFt: FORTRAN e teclar ENTER.

6.4. Impressão das Tabelas

Teclar PA2 até aparecer a tela TFX FORTRAN A1, e então teclar PF3 para sair da tela. Aoaparecer a tela Ready..., teclar o nome da impressora, se necessário, e teclar SPDU paraverificar as tabelas calculadas. O comando PRINT imprime as tabelas.

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7. ANEXOS

7.1. Exemplos de Cálculo

7.2. Tabelas de Trações e Flechas dos Cabos Padronizados para Rede Urbana

Flechas e trações de montagem dos cabos de alumínio - CA

Flechas e trações de montagem dos cabos de cobre - CU

7.3. Tabelas de Trações e Flechas dos Cabos Padronizados para Rede Rural Leve

Flechas e trações de montagem dos cabos de alumínio com alma de aço - CAA

Flechas e trações de montagem do cabo de aço MR 4,8 mm, 3 fios de 2,25 mm - CAZ

Flechas e trações de montagem do cabo de aço MR 4,8 mm (3/16" HS), 7 fios de 1,57 mm - AZ

Flechas e trações de montagem do cabo de aço revestido de alumínio, 3 fios de 2,59 mm - CAW

7.4. Tabelas de Trações e Flechas dos Cabos Padronizados para Rede Rural Média

Flechas e trações de montagem dos condutores de alumínio com alma de aço - CAA

Flechas e trações de montagem do cabo de aço MR 4,8 mm, 3 fios de 2,25 mm - CAZ

Flechas e trações de montagem do cabo de aço MR 4,8 mm (3/16" HS), 7 fios de 1,57 mm -CAZ

Flechas e trações de montagem do cabo de aço revestido de alumínio, 3 fios de 2,59 mm - CAW

Nota:

O conjunto das tabelas acima mencionadas pode ser obtido junto ao DPSD/DVNE ou extraídasvia terminal IBM conforme indicações anteriores.

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7.1. Exemplos de Cálculo

Para maior compreensão da metodologia de cálculo adotada, será apresentado a seguir umexemplo de cálculo de tração e flechas de um condutor para determinado vão e temperatura.

7.1.1. Dados para o Cálculo:

Condutor (cabo básico): cabo de alumínio CAA 4 AWGTipo de rede: rural leveDiâmetro: 6,35 mmSeção: 24,66 mm2

Peso: 0,085 daN/mMódulo de elasticidade final: 7900 daN/mm2

Tração de ruptura: 812 daNCoeficiente de dilatação: 19,2 x (10)-6 / ºCParâmetros de cálculo:

estado 1 - temperatura (t1): 20ºCvelocidade do vento: 0 km/htração máxima (T): 1/5 x TR = 162 daN

estado 2 - temperatura (t2): 15ºCvelocidade do vento: 80 km/htração máxima (T): 2/5 TR = 324 daN

7.1.2. As condições de cálculo apresentadas querem dizer que a 20ºC, sem vento, a tração demontagem pode ser no máximo 162 daN. Com esta condição, também deve ser satisfeita acondição a 15ºC, com vento de 80 km/h, onde a tração de montagem deve ser no máximo 324daN.Partindo da hipótese do estado 1, pode-se calcular através das equações (1), (6) e (7), as flechase as trações nos outros estados, inclusive o estado básico 2, a fim de verificar se é mantido ovalor da tração máxima.

7.1.3. Caso 1

Para exemplificar, consideramos inicialmente um vão de 200 m.Pela hipótese do estado básico 1, a tração de montagem a 20ºC é 162 daN, sem vento.Para calcular a respectiva flecha, aplica-se então a equação 1:

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P x (l)2

f = --------8 x T

Onde:

T = 162 daNl = 200 mP = 0,085 daN/m

Portanto:

0,085 x (200)2

f = -------------- = 2,62 m (*)8 x 162

(*) - Este valor pode ser confirmado na tabela de flechas do cabo CAA 4 AWG.

Para se calcular a tração de montagem deste cabo, a uma temperatura de 0ºC, sem vento,aplica-se a equação (6).

7900x24,66x(0,085)2x(200)2

(T2)3 + (T2)2 [---------------------------------- + 7900 x 24,66 x 19,2 x (10)-6 x (0 - 20) - 162] =24x(162)2

+ 7900 x 24,66 x 19,2 x (10)-6 x (0 - 20) - 162] =

7900 x 24,66 x(0,085)2 x (200)2

= ---------------------------------------24

(T2)3 - 147,42 x (T2)2 - 2 345 885 = 0

Resolvendo a equação pelo método das tentativas, temos T2 = 204 daN, desprezando as casasdecimais.

Para calcular o valor da tração máxima a 15ºC, com vento máximo, usa-se a equação (7).

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7900 x 24,66 x (0.085)2 x (200)2

(T2)3 + (T2)2 [---------------------------------------+ 7900 x 24,66 x 19,2 x (10)-6 x (15 - 20) - 162] =24 x (162)2

7900 x 24,66 x (P2)2 x (200)2

= -----------------------------------24

O valor de P2 é obtido a partir das equações (4) e (5)

Fv = 4,71 x (10)-3 x (80)2 x 6,35 x (10)-3 = 0,191 daN/m

P2 = FR = [(0,191)2 + (0,085)2]½ = 0,209 daN/m

Portanto:

(T2)3 - 91,31 x (T2)2 - 14 182 784 = 0

Resolvendo a equação tem-se T2 = 277 daN.

Nota:

Para calcular o valor da flecha do cabo, em qualquer uma das situações, usa-se a equação (1).

7.1.4. Caso 2

Considerando o vão como sendo 400 m, observar-se-á uma alteração nos cálculos.Como mencionado anteriormente, o estado básico 1 fixa a 20?C, a tração de montagem em 162daN.Partindo dessa hipótese inicial para calcular a tração máxima, a 15?C, com vento máximo, usa-se a equação (7):

7900 x 24,66 x (0,085)2 x (400)2

(T2)3 + (T2)2 x[--------------------------------------- + 7900 x 24,66 x 19,2 x (10)-6 x (15 - 20) - 162] =24 x (162)2

7900 x 24,66 x (0,209)2 x (400)2

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= ----------------------------------------24

Portanto:

(T2)3 + 176,85 x (T2)2 - 56 731 136 = 0

Resolvendo esta equação temos T2 = 333,5 daN.No entanto, o estado 2 define que a 15ºC, com vento máximo (no caso de rede rural deve ser 80km/h), o valor máximo da tração deve ser 2/5 da TR, ou seja 324 daN.Isso significa dizer que a hipótese inicial passa a ser o estado 2 e a partir desse calcula-se asdemais trações. Portanto, o valor de 162 daN para 20?C, sem vento, deve ser recalculado a partirdo estado 2.

7900 x 24,66 x (0,209)2 x (400)(T2)3 + (T2)2 x [------------------------------------- + 7900 x 24,66 x 19,2 x (10)-6 x (20 - 15) - 324] =

24 x (324)2

7900 x 24,66 x (0,085)2 x (400)2

= ----------------------------------------24

Nota:

Como pode-se observar T1 passa a ser 324 daN,P1 = 0,209 daN/m e t1 = 15?C, conseqüentementeP2 = 0,085 daN/m e t2 = 20?C.

Portanto:

(T2)3 + 235,12 x (T2)2 - 9 883 541 = 0

Resolvendo a equação temos T2 = 158,5 daN.

Nota:

Este valor calculado manualmente difere um pouco do valor apresentado na tabela anexa, caboCAA 4 AWG, rede rural leve, tendo em vista que o computador faz o arredondamento apenasdos valores finais, enquanto que aqui todos os valores são arredondados em cada etapa.

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7.2. Tabelas de Trações e Flechas dos Cabos Padronizados para Rede Urbana

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7.3. Tabelas de Trações e Flechas dos Cabos padronizados para rede Rural Leve

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7.4. Tabela de Trações e Flechas dos Cabos Padronizados para Rede Rural Média

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