LEVANTAMENTO DE ESTRUTURAS QUE NECESSITAM DE SPDA

Universidade de Brasília – UnB Departamento de Faculdade de Tecnologia – FT Engenharia Elétrica – ENE

Projeto Final de Graduação em

Engenharia Elétrica

LEVANTAMENTO DE ESTRUTURAS QUE NECESSITAM DE SPDA NA UnB E ANÁLISE DE SEUS EFETIVOS SISTEMAS DE

PROTEÇÃO

Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé

Brasília – DF, dezembro de 2003.


– ii –

Projeto Final de Graduação em

Engenharia Elétrica


PROTEÇÃO

Por: Fernando Nominato Coutinho

Cássio Alexandre Altoé

Orientador: Professor Alcides Leandro da Silva



– iii –


PROTEÇÃO

Por: Fernando Nominato Coutinho


Banca Examinadora:

______________________________________ Alcides Leandro da Silva, Mestre (UnB) (Orientador) ______________________________________ Francisco Damasceno Freitas, Doutor (UnB) ______________________________________ Mauro Moura Severino, Mestre (UnB)


UnB/FT/EnE

Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – iv – 98/04960

DEDICATÓRIA

Dedico ao meu saudoso padrasto Roberto, a minha querida mãe Valdivina e a meu

inestimável irmão Francisco, os quais sempre acreditaram e me apoiaram.

Fernando Nominato Coutinho

Dedico à minha querida família, meu pai Nemésio, minha mãe Nair e meu irmão

Andrey, pelo amor e carinho incondicional.


UnB/FT/EnE

Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – v – 98/04960

AGRADECIMENTO

Agradeço a Deus, a toda minha família pelo apoio e incentivo, aos amigos Cássio

Altoé, Pablo de Carvalho, José Vicente, Paulo Rasi e Reginaldo Elias pelo apoio e ajuda,

aos professores com quem tive a oportunidade de convívio, ao professor Carlos Tadeu, e

em especial ao Professor Alcides Leandro pela orientação e oportunidade.

Fernando Nominato Coutinho

Agradeço primeiramente a Deus, pelo dom da vida, a meus pais Nemésio e Nair,

meu irmão Andrey, que tanto desejaram que esse momento se concretizasse. Ao Fernando

pela amizade e confiança nesse projeto, ao professor Alcides Leandro pelo apoio e

motivação durante esse período de trabalho e ao professor Carlos Tadeu. Por fim, a todos

os meus grandes amigos que torceram pelo sucesso de mais um passo importante na minha

vida.


UnB/FT/EnE

Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – vi – 98/04960

“Por momentos um cúmulus compacto,

de bordas acobreado-escuras, negreja no horizonte.

Deste ponto sopra, logo depois, uma viração,

cuja velocidade cresce rápida,

em ventanias fortes.

........................................

A temperatura cai em minutos e,

minutos depois, os tufões sacodem

violentamente a terra.

....................................................

Fulguram relâmpagos; estrugem trovoadas nos

céus já de todo bruscos e um aguaceiro torrencial

desce logo sobre aquelas vastas planícies.”

(Euclides da Cunha descrevendo a tempestade, uma das mais

espalhafatosas manifestações da natureza,

objeto de estudo de filósofos e cientistas

desde a antiguidade.)

UnB/FT/EnE

Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – vii – 98/04960

RESUMO

Este trabalho trata de um fenômeno muito comum, que a muitos encanta pela

imponência e beleza ímpares e a outros amedronta pela sua fatalidade e alto poder de

destruição, o raio.

Visando uma melhor compreensão dos assuntos abordados no texto, introduziram-

se vários conceitos e explicações acerca desse fenômeno, como sua formação, descargas

atmosféricas, locais de maior ocorrência, dentre outros.

O objetivo maior desse trabalho é mostrar a importância da implementação correta

de sistemas de proteção contras descargas atmosféricas, sua eficácia quanto à proteção de

edificações, e analisar a real situação desses sistemas implementados no campus da

Universidade de Brasília – UnB. Será apresentado também um modelo de projeto de SPDA

que foi realizado em conjunto com a universidade, no projeto do novo prédio da Facce, que

brevemente será construído no campus.

UnB/FT/EnE

Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – viii – 98/04960

SUMÁRIO

RESUMO...............................................................................................................................vii

SUMÁRIO............................................................................................................................viii

LISTA DE FIGURAS............................................................................................................. x

LISTA DE TABELAS...........................................................................................................xi

1 – INTRODUÇÃO................................................................................................................. 1

2 – METODOLOGIA............................................................................................................. 3

3 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................................... 4

3.1 – ORIGEM HISTÓRICA................................................................................................. 4

3.2 – FORMAÇÃO DO RAIO................................................................................................ 6

3.2.1 – Formação de Cargas nas Nuvens ................................................................... 6

3.2.2 – Formação do Raio............................................................................................ 7

3.3 – EFEITO PLASMA ..................................................................................................... 10

3.4 – DESCARGA ELÉTRICA NUVEM/TERRA .................................................................. 13

3.4.1 – Precursor ........................................................................................................ 13

3.4.2 – Último Salto.................................................................................................... 16

3.4.3 – Descarga ......................................................................................................... 16

3.5 – INCIDÊNCIA DE RAIOS ............................................................................................ 17

4 – EQUIPAMENTOS DE PROTEÇÃO............................................................................ 18

4.1 – PÁRA-RAIO: PRINCIPAIS FUNÇÕES......................................................................... 18

4.2 – MÉTODO DE NÍVEL DE PROTEÇÃO ........................................................................ 21

4.3 – AVALIAÇÃO DO RISCO DE EXPOSIÇÃO .................................................................. 22

4.4 – AVALIAÇÃO GERAL DE RISCO ............................................................................... 24

5 – FORMAS DE ELABORAÇÃO ..................................................................................... 27

5.1 – SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS .......................... 27

UnB/FT/EnE

Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – ix – 98/04960

5.2 – NÍVEIS DE PROTEÇÃO............................................................................................. 29

5.3 – SISTEMA DE PROTEÇÃO – MÉTODO DE FRANKLIN ............................................... 29

5.4 – SISTEMA DE PROTEÇÃO – MÉTODO ELETROGEOMÉTRICO OU ESFERA ROLANTE

......................................................................................................................................... 31

5.5 – SISTEMA DE PROTEÇÃO – MÉTODO DA GAIOLA DE FARADAY............................. 32

5.6 – CAPTORES RADIOATIVOS....................................................................................... 34

6 – ANÁLISE DE EDIFICAÇÕES ..................................................................................... 40

7 – MODELO IMPLEMENTADO..................................................................................... 44

8 – CONCLUSÕES ............................................................................................................... 50

9 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 52

ANEXO .................................................................................................................................... 54

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Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – x – 98/04960

LISTA DE FIGURAS

Figura 3.1: Nuvem carregada eletricamente..................................................................... 7

Figura 3.2: Descarga elétrica entre a nuvem e a terra. .................................................... 9

Figura 3.3: Precursor ou piloto descendente – Ponto de impacto na descarga à terra.

..................................................................................................................................... 14

Figura 3.4: Descarga descendente, com piloto ascendente (à direita) para um ramo

lateral da descarga..................................................................................................... 15

Figura 4.1: Neutralização pelo poder das pontas. .......................................................... 19

Figura 4.2: Caminho em busca da neutralidade............................................................. 19

Figura 4.3: Mapa isocerâunico do Brasil. ....................................................................... 22

Figura 4.4: Mapa isocerâunico dos estados de Goiás e Distrito Federal. ..................... 23

Figura 4.4: Delimitação da área de exposição equivalente (Ae).................................... 24

Figura 5.1: Cone de proteção pelo método de Franklin................................................. 30

Figura 5.2: Exemplo do modelo da esfera rolante.......................................................... 32

Figura 5.3: Zoom da captação. ......................................................................................... 32

Figura 5.4: Sistema de proteção completo. ..................................................................... 34

Figura 5.5: Captor radioativo (1)..................................................................................... 38



Figura 6.1: Localização no Campus................................................................................. 40

Figura 6.2: Localização dos pára-raios na FT. ............................................................... 41

Figura 6.3: Área efetiva de proteção na FT (1)............................................................... 41

Figura 6.4: Área efetiva de proteção na FT (2)............................................................... 42

Figura 6.5: Localização do IDA. ...................................................................................... 43

Figura 7.1: Gráfico da resistividade no terreno próximo ao prédio de Sismologia..... 45

Figura 7.2: Gráfico da resistividade no terreno perto das piscinas no CO.................. 46

UnB/FT/EnE

Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – xi – 98/04960

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1: Principais constantes dielétricas. ................................................................. 12

Tabela 3.2: Correntes de descarga mínimas interceptadas nos quatro níveis de

proteção normalizados. ............................................................................................. 15

Tabela 4.1: Fator de ponderação A, em função do tipo de ocupação. .......................... 25

Tabela 4.2: Fator B, em função do material da construção e da cobertura................ 25

Tabela 4.3: Fator de ponderação C, em função do conteúdo. ....................................... 26

Tabela 4.4:Fator de ponderação D, em função da Localização. ................................... 26

Tabela 4.5: Fator de ponderação E, em função da Topografia..................................... 26

Tabela 5.1: Ângulo de proteção do método de Franklin................................................ 30

Tabela 5.2: Raio de proteção do Modelo Eletrogeométrico. ......................................... 31

Tabela 5.3: Dimensões da malha de proteção pelo Método de Faraday. ..................... 33

Tabela 7.1: Dados referentes ao cálculo da Resistividade perto do prédio da

Sismologia................................................................................................................... 44

Tabela 7.2: Dados referentes ao cálculo da Resistividade perto das piscinas do CO.. 45

UnB/FT/EnE

Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – 1 – 98/04960

1 – INTRODUÇÃO

O raio é um fenômeno natural que sempre impôs temor aos homens, tanto pelo

ruído do trovão como pelos incêndios e destruições que causa. Foi longo o caminho

percorrido para se descobrir a natureza elétrica das descargas atmosféricas e para se chegar

a regras confiáveis de proteção para propriedades, aparelhos, equipamentos, objetos,

animais e, principalmente, para as pessoas.

Como há muita coisa desconhecida sobre os raios, embora a eficiência dos

sistemas de proteção venha sendo melhorada ano após ano, não se chegou ainda a uma

proteção completa, ou 100% eficiente.

A decisão de proteger uma estrutura contra os raios pode ser uma exigência legal

(no Brasil, são os códigos de obras municipais), uma precaução do proprietário para evitar

prejuízos ou ainda uma exigência das companhias de seguro, já que os raios são causas de

danos físicos e incêndios.

As normas devem fornecer subsídios para os legisladores, proprietários e agentes

de seguros decidirem quanto à necessidade de proteção.

Este trabalho tem como objetivos levar ao conhecimento de todos, em especial,

engenheiros eletricistas e interessados no assunto, algumas orientações técnicas e práticas

de implantação de Sistemas de Proteção Contra Descargas Atmosféricas, SPDA, baseado

nesse estudo. Foi usada uma linguagem acessível para facilitar o entendimento de leigos e

pessoas com poucos conhecimentos na área elétrica.

As orientações aqui contidas foram embasadas nas Normas Técnicas NBR –

5419/2001.

Outro objetivo deste trabalho é torná-lo capaz de compreender que, ao contrário da

crença popular, os pára-raios têm como função principal “parar os raios”, ou seja, impedir

que estes ocorram. Não sendo isso possível, prevalece a função secundária dos pára-raios,

que é propiciar um caminho seguro para as cargas elétricas.

UnB/FT/EnE


Ressalta-se que a linha de pesquisa e exploração deste trabalho foi realizada em

função da visível precariedade e descaso com respeito ao aterramento das edificações do

Campus da UnB. Foi realizado em projeto conjunto à construção do novo prédio da Facce

(Faculdade de Administração, Ciências Contábeis e Econômicas), que serviu de laboratório

de pesquisa e implementação, onde foram realizados projetos de aterramento e cálculo de

SPDA.

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2 – METODOLOGIA

Visando a melhoria, conforto e segurança da população em geral e de nossa

instituição de ensino, foi proposto um levantamento de quais edificações dentro do campus

da universidade necessitam de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas e

respectiva análise a respeito do funcionamento dos sistemas já implementados.

Foram avaliados os sistemas de proteção de edificações distintas, escolhidas

levando-se em conta o tamanho, funcionalidade e idade do projeto, sendo elas o moderno

edifício do IDA – Complexo de Artes, o SG – 11, onde funcionam os laboratórios do

Departamento de Engenharia Elétrica, e a Faculdade de Tecnologia – FT.

Com o uso de equipamentos como terrômetro digital, analógico, resistivímetro,

terrômetro alicate e intenso levantamento visual, foi possível analisar e acompanhar o

posicionamento de pára-raios, existência de malhas de aterramento, descidas de cabos

condutores, localização de hastes de aterramento, sua interconexão com a malha de

aterramento, utilização de captores e estruturas do próprio edifício em questão, como

descidas naturais.

Foi levantada também a questão da manutenção desses sistemas de proteção,

como a inspeção de caixas de vistoria e constatação de sua existência ou não, amarração de

condutores às hastes e malha do sistema, existência de pára-raios radioativos ainda

integrados ao sistema, bem como o cumprimento as condições de segurança previstas em

Norma para descida de condutores e implementação do SPDA.

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3 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

3.1 – ORIGEM HISTÓRICA Benjamin Franklin (1706 – 1790), escritor, inventor, cientista, diplomata e

patriota norte-americano. Seus contemporâneos o chamavam de “apóstolo dos tempos

modernos” e de “mentor imortal”. Foi um dos homens mais conhecidos e admirados do

mundo, na segunda metade do século XVIII.

Sua vida e seu pensamento foram, porém, tão complexos e marcada, por aparentes

contradições, que alguns de seus mais perspicazes intérpretes não souberam apreciá-los em

suas verdadeiras dimensões. Benjamin Franklin serviu de diversos modos a seu povo e foi

decisivo o papel que representou para que se transformassem as 13 colônias inglesas da

América nos atuais Estados Unidos da América. Nasceu em Boston e foi o décimo quinto

de 17 irmãos. Aprendeu a ler sozinho. Seu pai, que o desejava pastor protestante, mandou-

o para a escola aos oito anos, na impossibilidade, porém, de continuar a pagar-lhe os

estudos, dois anos depois o levou a trabalhar em sua companhia. Franklin foi aprendiz na

tipografia de propriedade de um dos irmãos. Aprendeu logo o ofício. Pediu emprestados

alguns livros aos amigos de seu irmão e leu Pilgrim’s Progress (“A Marcha do Peregrino”),

de Bunyan, as Vidas Paralelas de Plutarco, Ensaios sobre o Pensamento Humano, de

Locke. Estudava bastante e escrevia ensaios e poesias. Quis escrever alguma coisa para o

seminário de seu irmão James, mas temendo que este não gostasse do que elaborava,

disfarçou a letra e assinou o artigo com o pseudônimo Silence Dogood. À noite, passou o

artigo por baixo da porta da oficina.

James o encontrou no dia, e considerou-o muito bom. Publicou-o, bem como os

seguintes que iam chegando, mas quando soube que o autor era Benjamin, negou-se a

continuar os aceitando.

Aos 17 anos Benjamin fugiu para Nova York. Encontrou, finalmente trabalho na

Filadélfia. Era tão bom impressor que o governador da Pensilvânia ofereceu-se para ajudá-

lo a instalar uma oficina própria. Sugeriu-lhe que fosse à Inglaterra comprar o material e

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prometeu-lhe mandar uma carta de crédito. O governador não cumpriu a promessa e

Franklin desembarcou em Londres com pouco dinheiro.

Empregou-se a partir de então numa tipografia e permaneceu vários meses na

Inglaterra, onde fez numerosos amigos.

Ao regressar à Filadélfia trabalhou arduamente e, em pouco tempo, tornou-se

proprietário de uma tipografia e de um periódico, a que chamou de Pensylvania Gazette,

mais tarde transformando no Saturday Evening Post. Escreveu e imprimiu o Almanaque do

Pobre Ricardo, que continha anedotas e provérbios ainda hoje lembrados, tais como

“Deita-te cedo, levanta-te cedo e serás rico, sábio e sadio”. O jornal e o almanaque

vendiam-se tão bem que Franklin montou tipografias em outras colônias.

Aos 47 anos fizera tamanha fortuna que se retirou dos negócios. Criou em

Filadélfia um corpo de bombeiros. Fundou a primeira biblioteca circulante dos EUA. Uma

academia que mais tarde se transformou na Universidade da Pensilvânia. Organizou um

clube de leitura e debates de Filosofia, e ajudou a fundar o Hospital da Pensilvânia. Nunca

deixou de estudar, aprendeu vários idiomas e a tocar diversos instrumentos. Gostava das

ciências, principalmente da Eletricidade.

Em 1752, fazendo voar, para divertimento de seu filho, um papagaio de seda e

metal, durante uma tempestade, registrou que sentiu pequenas descargas elétricas

intermitentes pelo seu corpo. Já o pesquisador russo G. W. Richman não teve a mesma

sorte, pois, ao repetir a experiência de Franklin, morreu fulminado pelo raio que caiu em

sua pipa. Franklin inventou então o pára-raios a fim de proteger as casas. Suas obras sobre

a eletricidade foram publicadas nas colônias e na Europa, e a mais importante delas foi

Experiments and Observations on Eletricity (“Experiências e Observações sobre

Eletricidade”). Criou alguns termos técnicos que ainda hoje são usados, como bateria e

condensador. Em 1751, participou da Assembléia-Geral que ajudou a governar a

Pensilvânia e, em 1753, assumiu a direção dos Correios de todas as colônias.

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3.2 – FORMAÇÃO DO RAIO

A formação de cargas nas nuvens, e a sua conseqüente descarga a terra, é um

fenômeno normal e natural que vem acompanhando o cotidiano desde os primórdios da

Humanidade.

Para algumas civilizações primitivas, o raio era uma dádiva dos deuses, pois com

ele quase sempre vem as chuvas e a abundância na lavoura. Para outras civilizações, era

considerado como um castigo, e a pessoa que morria num acidente de raio provavelmente

havia irritado os deuses, e o castigo era merecido. Havia também civilizações que

glorificavam o defunto atingido por um raio, pois ele havia sido escolhido entre tantos

seres humanos, com direito a funeral com honras especiais.

3.2.1 – Formação de Cargas nas Nuvens

Esse fenômeno ainda não é totalmente conhecido pela comunidade científica, mas

existem várias teorias a respeito.

Primeiramente considera-se que a Terra possui cargas negativas em excesso e,

portanto, ela é considerada como referencial negativo.

As correntes de ar ascendentes carregam consigo grande quantidade de umidade.

Esta por sua vez, ao encontrar temperaturas mais baixas em regiões mais altas, se

condensa, e forma várias gotículas de água suspensas na atmosfera. Essas gotículas vão se

agrupando até formarem gotas maiores. Nessas gotas são induzidas cargas positivas na

parte inferior da gota e cargas negativas na sua parte superior, já que nosso referencial, a

Terra, é negativo. Quando essas gotas atingem um tamanho de aproximadamente cinco

mm de diâmetro, tornam-se instáveis e se fragmentam em gotículas menores, distribuindo-

se assim os íons positivos na parte inferior e os íons negativos na parte superior.

Esses íons positivos chocam-se com várias gotículas de água carregadas pelas

correntes de ar ascendentes. Assim, essa gota neutra entrega elétrons ao íon positivo que se

neutraliza e a gota ascendente se torna positiva. Devido à elevada energia cinética com que

essas gotas se movimentam para cima, elas conseguem chegar até a parte superior das

nuvens. Já os íons negativos, como possuem menor energia cinética do que os íons

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positivos, ficam aglomerados na parte inferior das nuvens. Tem-se que aproximadamente

95% das nuvens ficam carregadas dessa maneira.

Muitas nuvens por serem muito grandes e extensas podem formar várias ilhas de

cargas elétricas, podendo se fragmentar em:

• Nuvens menores com cargas positivas e negativas

• Nuvens com cargas positivas

• Nuvens com cargas negativas

• Nuvens com cargas positivas e negativas não equilibradas

Agora que já se conhece melhor como se formam as cargas nas nuvens, pode-se

visualizar o processo de descarga e formação do raio.

3.2.2 – Formação do Raio

Como já foi visto acima, a parte inferior da nuvem está carregada negativamente,

por isso, é fácil supor que ela induza a concentração de cargas positivas no solo, que

ocupam uma área correspondente ao tamanho da nuvem. Pensando nisso como uma

sombra de cargas positivas que acompanha o movimento da nuvem arrastada pelo vento.

Figura 3.1: Nuvem carregada eletricamente.

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Neste deslocamento, as cargas positivas induzidas vão escalando árvores, prédios,

pessoas, pontes, morros, pára-raios, carros. A diferença de potencial que se forma entre a

nuvem e a terra varia de 10 a 1.000.000 kV, sendo que a altura média da nuvem varia de

300 a 5.000 metros.

Para baixas diferenças de potencial, o ar é um dos melhores isolantes entre os que

existem, contudo, a altas diferenças de potencial, até mesmo o ar começa a conduzir

eletricidade. Assim sendo, entenderemos o ar como um "dielétrico", pois na verdade não

existe um isolante elétrico (algo que nunca conduza eletricidade), todos os materiais

podem ser isolantes ou condutores (uns melhores que outros) tudo dependendo da tensão

elétrica aplicada.

Dielétricos são substâncias nas quais os elétrons estão fortemente ligados aos

núcleos dos átomos, isto é, não existem cargas livres na estrutura interna destes materiais.

Suponhamos que um campo elétrico seja aplicado a um corpo isolante, colocando-o entre

dois pólos eletrizados e de sinais opostos (no caso em questão, o chão e as nuvens). Nessas

condições, uma força elétrica atuará sobre todos os elétrons do isolante, o ar, tendendo a

arrancá-los dos seus átomos.

Sendo o campo aplicado suficientemente intenso, os elétrons serão arrancados e

tornar-se-ão elétrons livres, criando-se assim um grande número de íons no ar, alguns

positivos e outros negativos.

Devido aos íons presentes no ar, ele se torna condutor de eletricidade, permitindo

assim o surgimento da corrente elétrica (no caso em questão, dos raios). Processos

semelhantes podem ocorrer em qualquer outro isolante, dependendo apenas do valor do

campo elétrico aplicado.

É importante ressaltar que não é necessário que o gradiente de tensão seja superior

à rigidez dielétrica de toda a coluna de ar que separa a nuvem do solo. O ar entre eles não é

homogêneo, pois contém várias impurezas, umidade e ar ionizado, que estão em constante

agitação. Assim, essa coluna de ar fica muito “enfraquecida”, e um campo elétrico menor

já é suficiente para que o raio consiga perfurar o ar e descarregar na terra.

Primeiramente, pelo principio das “Cargas nas Pontas”, pequenos canais de ar

ionizado, com alta concentração de cargas, vão se formando à procura de caminhos de

menor resistência, ou seja, tenta se aproximar das cargas positivas do solo. O mesmo

acontece no solo, ou seja, cargas positivas se acumulam no topo de árvores, edifícios,

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torres, devido á “sombra elétrica” da nuvem, buscando caminhos de menor resistência para

se aproximar das cargas negativas da nuvem.

Em um condutor elétrico (aqui, o pára-raios) eletrizado as cargas elétricas tendem

a se concentrar nas suas pontas. Em virtude disso, o campo elétrico próximo a essas

regiões do condutor é muito mais intenso que nas demais regiões. Disso resulta um

aumento na força de repulsão elétrica entre as cargas. Isso faz com que as cargas elétricas

se "empurrem" até que alguma delas "caia fora da ponta". Por esse motivo as cargas

elétricas podem, com maior facilidade, escoar para fora do condutor e, se deslocam

livremente pelo meio ambiente (no caso em questão, o ar).

A descarga elétrica se dá quando esses dois canais se aproximam e a resistência

do ar é vencida.

Essa descarga provoca mais ionizações no ar ao longo de seu percurso, e a região

entre a nuvem e o solo passa a conduzir mais facilmente a corrente elétrica. Quando a

ponta do líder chega a alguns metros (entre 20 m e 50 m) do solo, uma descarga, chamada

"descarga de conexão", inicia-se de algum local do solo fechando o circuito (caminho),

formando um "fio condutor" que liga a terra à nuvem.

Figura 3.2: Descarga elétrica entre a nuvem e a terra.

O processo ilustrado acima ocorre tão rapidamente que na maioria dos casos o

olho humano não consegue distinguir suas etapas.

Tem-se então que o Raio Piloto é formado, descarregando parte da carga da nuvem para o

solo numa velocidade de aproximadamente 1.500 km/s. Após essa descarga, forma-se entre

a nuvem e a terra um canal de ar ionizado de baixíssima resistência elétrica, ou seja, a

nuvem está “curto-circuitada” a terra. Nesse momento, ocorre a descarga principal, ou

descarga de retorno, que vai da terra para a nuvem a uma velocidade de 30.000 km/s.

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Nesse raio principal, as correntes chegam a alcançar valores que variam de 2.000

a 200.000 Ampères. Ainda é possível que ocorra uma terceira descarga de curta duração

com correntes de 100 a 1.000 Ampères.

A associação dessas três descargas é que forma o conhecido Raio. Existe também

o raio de múltiplas descargas, que ocorre quando nuvens grandes necessitam de várias

descargas para se descarregarem.

A maioria dos raios ocorre entre as nuvens, ou seja, paralelamente à superfície da

terra. Próximo à Linha do Equador, da totalidade de raios de uma tempestade, a maioria

ocorre entre nuvens. À medida que a latitude aumenta, essa tendência diminui. [5]

3.3 – EFEITO PLASMA

Primeiramente, deve-se observar e entender algumas propriedades macroscópicas

dos condutores que estão intimamente relacionados com a emissão de elétrons em

superfícies metálicas.

As cargas tendem a se acumular nas pontas de um corpo condutor com uma alta

densidade de carga resultante neste ponto, isso se dá devido ao efeito das pontas. Se o raio

de curvatura destes pontos é suficientemente pequeno, uma pequena descarga ocorrerá

devido à ionização do ar pelo alto campo elétrico.

A razão pela qual as cargas tendem a se acumular nas pontas é que as cargas na

superfície do material “tentam” deixar o material o máximo possível. As pontas estão em

maior contato com o meio envolvente, neste caso o ar, e por isso as cargas se concentram

em maior número nessas pontas.

Podemos ilustrar esse princípio através do seguinte experimento:

Primeiramente pegamos uma esfera pequena de raio a1 e carga Q1 e outra esfera de

raio a2 e carga Q2 tal que a1< a2. Assim quando conectarmos uma esfera a outra por um fio

condutor, teremos que ambas as esferas estarão sob o mesmo potencial. Teremos então que

o potencial no espaço livre externo a cada esfera é dado pelas equações:

22

2

01

1

01 4

14

1 VaQ

aQV ===

πεπε

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Que se chega em:

2

1

2

1

aa

QQ

=

Onde se assume que o campo no fio condutor praticamente não influencia o

experimento, e que a distribuição de cargas nas esferas é uniforme.

Agora tem-se que a densidade de carga ρs está relacionada com a carga total e a

área da superfície por:

21

11 4 a

Qs π

ρ = e 22

22 4 a

Qs π

ρ =

Assim chega-se em:

1

2

2

1

2

2

1

2

1

aa

aa

QQ

s

s =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρρ

Como ε0.Еn = ρs, tem-se então por fim que:

1

2

2

1

aa

n

n =ΕΕ

Assim, pode-se ver que o campo elétrico na esfera menor será a2/a1 vezes maiores

que o campo da esfera maior, provando dessa maneira que as cargas tendem a se

concentrar nas pontas, pois o campo elétrico tem maior intensidade nas vizinhanças desses

pontos.

O efeito corona é o resultado de um alto campo elétrico próximo de pontas em

condutores carregados, onde é rompida a constante dielétrica do meio nas vizinhanças

deste ponto provocando uma descarga. Se pegar um material e aproximar uma ponta de um

referencial como o terra e aumentar gradativamente seu potencial, percebe-se que o campo

elétrico ao redor da ponta aumentará expressivamente e ele começará a se descarregar.

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Tem-se então que o meio envolvente, neste caso o ar, começará a se ionizar

(formação do plasma), pois cargas de sinal oposto às acumuladas na ponta de nosso

material estarão sendo induzidas no nosso referencial, o terra. Assim, as cargas entre os

dois pontos começarão a se rearranjar induzidas pelo alto campo elétrico, com o intuito de

minimizar a resistência entre esses pontos. Assim se diz que o meio está se ionizando, e

quando essa resistência é vencida pelo campo elétrico, ocorre a descarga elétrica.

Abaixo se apresenta uma tabela com algumas constantes dielétricas mais utilizadas:

Material Constante Dielétrica Campo de Ruptura V/cm Ar 1 3 x 104 Óleo 2,3 1,5 x 105

Papel 3 2 x 105

Porcelana 7 2 x 105 Vidro 6 3 x 105 Parafina 2 3 x 105 Quartzo (fundido) 4 4 x 105 Polietileno 2,6 5 x 105 Mica 6 2 x 106

Tabela 3.1: Principais constantes dielétricas.

Essa descarga é caracterizada por uma baixa corrente e um alto potencial. Se o

potencial aumenta enormemente, uma descarga completa pode se desencadear, e um meio

ionizado contínuo é formado nas proximidades do ponto de polaridade oposta. O resultado

é uma rápida descarga do ponto inicialmente carregado.

O arco voltaico é justamente essa descarga que ocorre num meio gasoso como o

ar, caracterizado por altas correntes, da ordem de milhares de ampères e baixos potenciais.

Um arco voltaico pode ser considerado como um curto-circuito. Exceto pelas altas

correntes e baixos potenciais, o mecanismo de ionização do ar (plasma) nos arcos voltaicos

é o mesmo do efeito corona.

A superfície da Terra, definida como referencial, é carregada negativamente. Essa

carga é induzida pelo campo elétrico que existe entre o topo da atmosfera e a superfície da

Terra. Essa diferença de potencial é da ordem de 400.000 Volts, com um campo elétrico de

aproximadamente 100V/m próximo ao solo. A razão pela qual nós não tomamos choque

devido a esse campo, é que o corpo humano é relativamente um bom condutor. Assim, a

diferença de potencial induzida entre as extremidades do corpo humano, pés e cabeça, é

bem menor do que a de uma coluna de ar de mesma proporção. Numa tempestade, as

cargas na base de uma nuvem são tão altas que o potencial pode subir para 100.000.000

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Volts! Isso gera um campo elétrico muito maior do que os 400.000 Volts que tínhamos

inicialmente.

A grande quantidade de cargas negativas na base da nuvem carregada induzirá

uma grande quantidade de cargas positivas na superfície da Terra. O ar nessas condições

de tempestades se ioniza facilmente e essa grande quantidade irá desencadear um

gigantesco arco voltaico entre a nuvem e a Terra.

3.4 – DESCARGA ELÉTRICA NUVEM/TERRA

3.4.1 – Precursor

Quando o potencial de uma nuvem carregada relativamente a terra ultrapassa

determinado valor, atinge-se uma ruptura do dielétrico formado pelo ar circundante, que

origina um piloto descendente, ou seja, um canal condutor ionizado, que caminha por

saltos sucessivos em direção a terra. Esta descrição tornou-se possível por meio de técnica

fotográfica adequada, que revela uma linha quebrada descendente de trechos retilíneos com

orientações aleatórias. A orientação de cada novo trecho depende das heterogeneidades no

entorno da "cabeça" de cada trecho precedente, como mostram as Figuras 3.3 e 3.4.

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Figura 3.3: Precursor ou piloto descendente – Ponto de impacto na descarga a terra.

O comprimento de cada salto R é função da carga da nuvem que origina essa

descarga, e foi determinado a partir da análise de fotos de muitas descargas. A tabela 3.2

mostra esses valores para as correntes de descarga mínimas interceptadas nos quatro níveis

de proteção normalizados. Os valores da porcentagem de raios captados, também

apresentados, resultaram de investigação feita em 1945, de 2721 descargas ocorridas no

Hemisfério Norte. Eventualmente, no Brasil esses valores de porcentagem de raios

captados para cada nível de proteção poderão ser diferentes.

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Comprimento de cada salto R para as correntes de descarga mínimas interceptadas nos

quatro níveis de proteção normalizados.

Nível de Proteção Corrente do Raio (kA) Comprimento do Salto % Raios Captados

I 3,7 20 m -98

II 6,1 30 m -80

III 10,6 45 m -70

IV 16,5 60 m -60 Tabela 3.2: Correntes de descarga mínimas interceptadas nos quatro níveis de proteção normalizados (vide seção 5.2).

Como os raios avançam por saltos com direções aleatórias e comprimentos de

dezenas ou algumas centenas de metros, o ponto de impacto só é definido no último salto.

Assim, raios com corrente maior são mais facilmente captados porque "vêem" de mais

longe o captor que será seu ponto de impacto. Essa característica deu origem ao modelo

eletrogeométrico.

Figura 3.4: Descarga descendente, com piloto ascendente (à direita) para um ramo lateral da descarga.

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3.4.2 – Último Salto

O último salto fecha o circuito condutor entre a nuvem e um ponto ligado à terra

atingido, que funciona como captor da descarga, dando origem à descarga entre a nuvem e

a terra. Por vezes ocorrem, num espaço muito curto de tempo, descargas sucessivas através

do mesmo canal condutor.

Durante a tempestade, o campo elétrico na superfície da um captor origina, em

algum momento do avanço do piloto descendente para a terra, um piloto ascendente que

aumenta a eficácia do captor, fechando o circuito de descarga quando os dois pilotos se

encontram.

Assim, numa cobertura com telhas de fibrocimento, verifica-se que o raio sempre

acerta as peças metálicas da fixação das telhas, fazendo a descarga sobre a estrutura

metálica do telhado, em lugar de destruir as telhas.

Concluindo, a aproximação da descarga iminente origina pilotos ascendentes a

partir dos captores, afastando o ponto de fechamento do circuito de descarga do próprio

captor, e aumenta a sua eficácia. Esses pilotos ascendentes, dependendo das circunstâncias,

podem atingir metros ou até quilômetros de comprimento.

Assim, em prédios altos com fachadas envidraçadas, os raios podem incidir nas

estruturas condutoras de suporte dos vidros. Em fachadas normais não condutoras, em

edifícios altos, os raios podem incidir em elementos condutores de janelas ou varandas, ou

em captores específicos instalados para proteger o paramento, da destruição superficial

causada por uma descarga sobre a fachada, que acaba abrindo caminho até armaduras ou

outros condutores interiores.

3.4.3 – Descarga

A descarga, ou corrente de retorno, é a corrente de grande intensidade partindo da

terra que irá neutralizar parte da carga acumulada na nuvem. Se a carga transferida não for

suficiente, poderá, ato contínuo, processar-se uma nova descarga através do mesmo canal

condutor.

A descarga corresponde ao último trecho da figura 3.3, e desenvolve-se com

tempo crescente da terra para a nuvem, ao contrário do precursor, que se desenvolve com

tempo crescente da nuvem para a terra.

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3.5 – INCIDÊNCIA DE RAIOS

Um maior número de raios ocorre principalmente em locais mais altos, como

árvores isoladas, prédios, torres.

Um fato interessante é que o raio prefere terrenos mau condutores como os

graníticos e xistosos a terrenos bons condutores como os calcários. Isso se dá porque o

terreno mau condutor e a nuvem formam um grande capacitor. A enorme diferença de

potencial entre a nuvem e o solo provoca a ionização do ar e o aparecimento de um cheiro

adocicado indicando a presença de ozônio. A ionização do ar diminui a distância de

isolação entre a nuvem e o solo, havendo portanto, maior probabilidade do raio piloto furar

essa camada de ar, fazendo com que o raio caia nesse terreno isolante (mau condutor).

Como o terreno é isolante, não há condições de escoamento do raio, e esse tende a se

espalhar procurando caminhos de menor resistência. Em regiões onde há muita

precipitação com tempestades, a incidência de raios também é maior.

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4 – EQUIPAMENTOS DE PROTEÇÃO

4.1 – PÁRA-RAIO: PRINCIPAIS FUNÇÕES

Podem-se destacar duas funções principais dos pára-raios:

• Evitar que os raios ocorram;

• Levar a descarga atmosférica mais rápida possível para a neutralidade.

A função principal dos pára-raios é evitar que os raios ocorram. Para isso ele se

utiliza o poder das pontas.

Para explicar o poder das pontas, tem-se que em um condutor elétrico (por

exemplo, o pára-raios) eletrizado, as cargas elétricas tendem a se concentrar nas suas

pontas. Em virtude disso, o campo elétrico próximo a essas regiões do condutor é muito

mais intenso que nas demais regiões. Disso resulta um aumento na força de repulsão

elétrica entre as cargas. Isso faz com que as cargas elétricas se “empurrem” até que alguma

delas “caia fora da ponta”. Por esse motivo as cargas elétricas podem, com maior

facilidade, escoar para fora do condutor e, se deslocam livremente pelo meio ambiente (no

caso em questão, o ar).

Quando uma nuvem se aproxima de um pára-raios, ela induz cargas de sinal

contrário no solo que fica eletrizado. Se nessa região existir um pára-raios, este, também

ficará eletrizado, mas devido ao poder das pontas um maior número de cargas elétricas irá

se concentrar na ponta do pára-raios. E após uma certa concentração, as cargas começam a

serem ejetadas das pontas dos pára-raios, tornando-se, assim, íons e elétrons livres que

agora viajam pelo ar.

As nuvens atraem todas as cargas de sinal contrário que estiverem soltas no ar que

aos poucos vão neutralizando a própria nuvem como ilustrado na figura abaixo. Este

processo sendo lento, gradual e contínuo, as nuvens não concentram uma quantidade

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suficiente de carga, não sendo capazes de provocar os raios, pois são incapazes de tornar o

ar de isolante em condutor.

Figura 4.1: Neutralização pelo poder das pontas.

Na função secundária dos pára-raios, se os cúmulus-nimbus (nuvens de chuva)

chegarem muito rapidamente ou com uma quantidade de carga muito elevada, o processo

de descarga não é lento e gradual, mas se torna rápido o que aumenta muito a quantidade

de íons na ponta do pára-raios.

Considerando que os raios “são preguiçosos”, eles sempre procuram o caminho

mais fácil para chegar ao chão (neutralidade). Devido ao grande número de íons na ponta

do pára-raios, o líder desce por esse “caminho”, pois, assim, ele precisará criar um menor

número de íons para fechar o “circuito” e tornar o ar um condutor como mostra a figura a

seguir. Como os metais conduzem melhor a eletricidade, a descarga (raio) se completará

pelo pára-raios, sendo dispersada pelo solo através do aterramento.

Figura 4.2: Caminho em busca da neutralidade.

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Do ponto de vista da proteção contra os raios, um subsistema de aterramento

único integrado a estrutura é o mais recomendado para assegurar a dispersão da corrente de

descarga na terra sem causar sobre-tensões perigosas. O arranjo e as dimensões do

subsistema de aterramento são mais importantes que o próprio valor da resistência de

aterramento cujo valor recomendado para eletrodos não naturais é da ordem de 10 Ω.

Os eletrodos de aterramento podem ser do tipo:

• hastes verticais;

• condutores em anel;

• condutores horizontais radiais;

• aterramento natural pelas fundações (em geral armaduras de aço).

No caso de eletrodos não naturais devem ser instalados vários eletrodos

adequadamente distribuídos. O comprimento total dos eletrodos de aterramento varia

conforme o nível de proteção e a resistividade do solo.

Eletrodos de aterramento profundos são adequados para solos em que a

resistividade diminua com a profundidade.

Os eletrodos de aterramento naturais normalmente são as armaduras de aço das

estacas, dos blocos de fundação e das vigas. Todas devem ser firmemente amarradas com

arame recozido ou soldadas em cerca de 50% de seus cruzamentos. Em fundações de

alvenaria pode servir como eletrodo de aterramento, pela fundação, uma barra de aço da

construção, ou uma fita de aço, formando um anel em todo o perímetro da estrutura.

Arranjos composto de eletrodos radiais são indicados para solos com baixa

resistividade ( até 100 Ω.m ) e para pequenas estruturas ( com perímetro até 25 m).

Arranjo composto de eletrodos em anel ou embutidos nas fundações da estrutura é

obrigatório nas estruturas de perímetro superior a 25 m.

Os eletrodos de aterramento não naturais devem ser instalados externamente ao

volume a proteger, a uma distância da ordem de 1m das fundações da estrutura.

No caso de condutores em anel, os condutores horizontais radiais devem ser

instalados a uma profundidade mínima de 0,5 m.

Hastes verticais em paralelo devem ser espaçadas entre si por uma distância não

inferior ao seu comprimento.

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No projeto e execução do subsistema de aterramento, deve-se considerar que a

interligação de metais diferentes sem precauções adequadas, pode causar problemas graves

de corrosão eletrolítica.

4.2 – MÉTODO DE NÍVEL DE PROTEÇÃO

Primeiramente, deve-se verificar se uma edificação necessita de SPDA ou não.

Em muitos casos a necessidade é evidente, por exemplo:

• Locais de grande afluência de público;

• Locais que prestam serviços públicos essenciais;

• Áreas com alta densidade de descargas atmosféricas;

• Estruturas isoladas, ou com altura superior a 25 m;

• Estruturas de valor histórico ou cultural.

A seguir, será apresentado um método para determinar se um SPDA é, ou não

exigido, e qual o nível de proteção aplicável. Para isso alguns fatores não podem ser

avaliados e podem sobrepujar todas as demais considerações. Por exemplo, o fato de que

não deve haver qualquer risco de vida evitável, ou de que os ocupantes de uma estrutura

devem se sentir sempre seguros, pode determinar a necessidade de um SPDA, mesmo nos

casos em que a proteção seria normalmente dispensável. Nestas circunstâncias, deve

recomendar-se uma avaliação que considere o risco de exposição (isto é, o risco de a

estrutura ser atingida pelo raio), e ainda os seguintes fatores:

• O tipo de ocupação da estrutura;

• A natureza de sua construção;

• O valor de seu conteúdo, ou os efeitos indiretos;

• A localização da estrutura;

• A altura da estrutura.

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4.3 – AVALIAÇÃO DO RISCO DE EXPOSIÇÃO

A probabilidade de uma estrutura ser atingida ou um raio em um ano é o produto

da densidade de descargas atmosféricas para a terra pela área de exposição equivalente da

estrutura.

A densidade de descargas atmosféricas para a terra (Ng) é o número de raios para

a terra por quilômetros quadrados por ano. O valor de (Ng) para uma dada região pode ser

estimado pela equação:

25,104,0 TdNg ∗= [por km²/ano]

Onde Td é o número de dias de trovoadas por ano, obtido de mapas isocerâunicos.

Como exemplo de mapa isocerâunico, tem-se o mapa da figura a seguir fornecida

pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, INPE:

Figura 4.3: Mapa isocerâunico do Brasil.

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Como o mapa da figura anterior não revela dados regionais mais precisos, tem-se

o mapa isocerâunico dos estados de Goiás e Distrito Federal a seguir:

Figura 4.4: Mapa isocerâunico dos estados de Goiás e Distrito Federal.

A área de exposição equivalente (Ae) é a área, em metros quadrados, do plano da

estrutura prolongada em todas as direções, de modo a levar em conta sua altura. Os limites

da área de exposição equivalente estão afastados do perímetro da estrutura por uma

distância correspondente à altura da estrutura no ponto considerado. Assim, para uma

estrutura retangular simples de comprimento L, largura W e altura H, a área de exposição

equivalente tem um comprimento L+2H e uma largura W+2H, com quatro cantos

arredondados formados por segmentos de círculo de raio H, em metros. Então, conforme a

figura abaixo, temos:

222 HWHLHLWAe π+++= [m²]

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Figura 4.4: Delimitação da área de exposição equivalente (Ae) – Estrutura vista de Planta.

A freqüência média anual previsível Nd de descargas atmosféricas sobre uma

estrutura é dada por:

610−∗∗= AeNgNd [por ano]

Para a freqüência média anual admissível de danos Nc, valem os seguintes limites,

reconhecidos internacionalmente:

• Riscos maiores que 10-3 (isto é, 1 em 1000) por ano são consideráveis

inaceitáveis;

• Riscos menores que 10-5 (isto é, 1 em 100.000) por ano são, em geral,

considerados aceitáveis.

4.4 – AVALIAÇÃO GERAL DE RISCO

Depois de determinado o valor de Nd, que é o número provável de raios que

anualmente atingem uma estrutura, o passo seguinte é a aplicação dos fatores de

ponderação indicados nas tabelas de 4.1 a 4.5. Multiplica-se o valor de Nd pelos fatores

pertinentes e se compara o resultado com a freqüência admissível de danos Nc, conforme o

seguinte critério:

• Se Nc ≥ 10-3, a estrutura requer SPDA;

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• Se 10-3 > Nc > 10-5, a conveniência de um SPDA deve ser decidida por

acordo entre projetista e usuário;

• Se Nc ≤ 10-5, a estrutura dispensa um SPDA.

Os fatores de ponderação denotam a importância relativa do risco em cada caso.

Na tabela 4.1, o termo “efeitos indiretos” refere-se não apenas aos danos materiais sobre a

estrutura, mas também à interrupção de serviços essenciais de qualquer natureza,

principalmente em hospitais. Para estruturas destinadas a atividades múltiplas, deve ser

aplicado o fator de ponderação A correspondente ao caso mais severo.

Tipos de ocupação Fator A Casas e outras estruturas de porte equivalente 0,3 Casas e outras estruturas de porte equivalente com antena externa 0,7 Fábricas, oficinas e laboratórios. 1,0 Edifícios de escritórios, hotéis e apartamentos, e outros edifícios residenciais não incluídos abaixo

1,2

Locais de afluência de público (por exemplo: igrejas, pavilhões, teatros, museus, exposições, lojas de departamento, correios, estações e aeroportos, estádios de esportes)

1,3

Escolas, hospitais, creches e outras instituições, estruturas de múltiplas atividades

1,7

Tabela 4.1: Fator de ponderação A, em função do tipo de ocupação [1].

Material de construção Fator B Estrutura de aço revestida, com cobertura não-metálica 0,2 Estrutura de concreto armado, com cobertura não-metálica 0,4 Estrutura de aço revestida, ou de concreto armado, com cobertura metálica 0,8 Estrutura de alvenaria ou concreto simples, com qualquer cobertura, exceto metálica ou de palha

1,0

Estrutura de madeira, ou revestida de madeira, com qualquer cobertura, exceto metálica ou de palha

1,4

Estrutura de madeira, alvenaria ou concreto simples, com cobertura metálica 1,7 Qualquer estrutura com teto de palha 2,0

Tabela 4.2: Fator B, em função do material da construção e da cobertura [1].

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Conteúdo da Estrutura ou Efeitos Indiretos Fator C Residências comuns, edifícios de escritórios, fábricas e oficinas que não contenham objetos de valor ou particularmente suscetíveis a danos

0,3

Estruturas industriais e agrícolas contendo objetos particularmente suscetíveis a danos

0,8

Subestações de energia elétrica, usinas de gás, centrais telefônicas, estações de rádio

1,0

Indústrias estratégicas, monumentos antigos e prédios históricos, museus, galerias de arte e outras estruturas com objetos de valor especial

1,3

Escolas, hospitais, creches e outras instituições, locais de afluência de público 1,7 Tabela 4.3: Fator de ponderação C, em função do conteúdo [1].

Localização Fator D Estrutura localizadas em uma grande área contendo estruturas ou árvores da mesma altura ou mais altas (por exemplo: em grandes cidades ou em florestas)

0,4

Estrutura localizada em uma área contendo poucas estruturas ou árvores de altura similar

1,0

Estrutura completamente isolada, ou que ultrapassa, no mínimo, duas vezes a altura de estruturas, ou árvores próximas

2,0

Tabela 4.4: Fator de ponderação D, em função da Localização [1].

Topografia Fator E Planície 0,3 Elevações moderadas, colinas 1,0 Montanhas entre 300 e 900 m 1,3 Montanhas acima de 900 m 1,7

Tabela 4.5: Fator de ponderação E, em função da Topografia [1].

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5 – FORMAS DE ELABORAÇÃO

5.1 – SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

O SPDA (sistema de proteção contra descargas atmosféricas) é um sistema

completo destinado a proteger uma construção ou estrutura contra os efeitos das descargas

atmosféricas. Tradicionalmente tem sido designado por pára-raios.

O SPDA é formado de:

Captação:

• Têm como função receber as descargas que incidam sobre o topo da

edificação e distribuí-las pelas descidas;

• É composta por elementos metálicos, normalmente mastros ou condutores

metálicos devidamente dimensionados.

Descidas:

• Recebem as correntes distribuídas pela captação encaminhando-as o mais

rapidamente para o solo. Para edificações com altura superior a 20 metros

têm também a função de receber descargas laterais, assumindo neste caso

também a função de captação devendo os condutores ser corretamente

dimensionados para tal;

• No nível do solo as descidas deverão ser interligadas com cabo de cobre nu

com seção de 50 mm2 (no mínimo).

Anéis de Cintamento:

• Os anéis de cintamento assumem duas importantes funções;

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• A primeira é equalizar os potenciais das descidas minimizando assim o

campo elétrico dentro da edificação;

• A segunda é receber descargas laterais e distribuí-las pelas descidas. Neste

caso também deverão ser dimensionadas como captação;

• Sua instalação deverá ser executada a cada 20 metros de altura interligando

todas as descidas.

Aterramento:

• Recebe as correntes elétricas das descidas e as dissipam no solo;

• Tem também a função de equalizar os potenciais das descidas e os

potenciais no solo, devendo haver preocupação com locais de freqüência de

pessoas, minimizando as tensões de passo nestes locais.

• Para um bom dimensionamento da malha de aterramento é imprescindível a

execução de uma prospecção da resistividade de solo previamente.

Equalização de potenciais internos:

• A equalização dos potenciais de todas as estruturas e massas metálicas que

poderão provocar acidentes pessoais, faiscamentos ou explosões;

• No nível do solo e dos anéis de cintamento (cada 20 metros de altura),

deverão ser equalizados os aterramentos de aparelhos eletrônicos, de

elevadores (inclusive trilhos metálicos), tubulações metálicas de incêndio,

gás (inclusive o piso da casa de gás), água fria, água quente, recalque, etc.

• Para tal deverá ser definido, uma posição estratégica para instalação de uma

caixa de equalização de potenciais que deverá ser interligada à malha de

aterramento e interligando as diferentes prumadas metálicas já

mencionadas. Para prédios as diversas LEP’s, ligações equipotenciais

principais, devem ser interligadas através de uma prumada específica de

cabo de cobre com seção de 16 mm2;

• A ligação da caixa de equalização bem como as tubulações metálicas

poderão ser executadas com cabo de cobre de seção 16 mm2 antes da

execução do contra piso dos apartamentos localizados nos níveis dos anéis

de cintamento. A amarração das diferentes tubulações metálicas poderá ser

executada por fita perfurada estanhada (bimetálica) que possibilita a

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conexão com diferentes tipos de metais e diâmetros variados, diminuindo

também a indutância do condutor devido á sua superfície chata.

5.2 – NÍVEIS DE PROTEÇÃO

A NBR – 5410/2001 define quatro níveis de proteção, que podem ser relacionadas

resumidamente com as estruturas como descriminado a seguir:

Nível I: destinado às estruturas nas quais uma falha do sistema de proteção pode

causar danos às estruturas vizinhas ou ao meio ambiente. Como exemplo se tem depósitos

de explosivos, fábricas ou depósitos de produtos tóxicos ou radioativos, industrias com

áreas classificadas.

Nível II: destinados às estruturas cujos danos em caso de falha serão elevados ou

haverá destruição de bens insubstituíveis e/ou de valor histórico, mas, em qualquer caso, se

restringirão à própria estrutura e seu conteúdo; incluem-se também aqueles casos de

estruturas com grande aglomeração de público, havendo, portanto risco de pânico. Como

exemplo, museus, ginásios esportivos, etc.

Nível III: destinado às estruturas de uso comum, como residências, escritórios,

fábricas (que não sejam em áreas classificadas) e outras.

Nível IV: destinado às estruturas construídas de material não inflamável, com

pouco acesso de pessoas, e com conteúdo não inflamável. Como exemplo, depósito de

concreto armado, alvenaria ou estrutura metálica de produtos agrícolas não inflamáveis.

5.3 – SISTEMA DE PROTEÇÃO – MÉTODO DE FRANKLIN

É composto por um ou mais captores de quatro pontas, montado sobre mastro cuja

altura deve ser calculada conforme as dimensões da edificação, podendo haver vários em

um sistema de pára-raios.

Este método é baseado na proposta inicial de Franklin e tendo várias propostas de

alteração quanto ao ângulo de proteção.

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A sua abrangência de proteção é formada pelo cone formado em torno do eixo

vertical de um triangulo retângulo com a hipotenusa, mostrado na figura a seguir:

Figura 5.1: Cone de proteção pelo método de Franklin.

O ângulo de proteção, de acordo com o nível de segurança, é mostrado na tabela a

seguir:

Altura da estrutura a ser protegida Nível de

proteção 0 a 20 m 21 a 30 m 31 a 45 m 46 a 60 m I 25° Não se aplica Não se aplica Não se aplica II 35° 25° Não se aplica Não se aplica III 45° 35º 25° Não se aplica IV 55° 45° 35° 25°

Tabela 5.1: Ângulo de proteção do método de Franklin.

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5.4 – SISTEMA DE PROTEÇÃO – MÉTODO ELETROGEOMÉTRICO OU ESFERA ROLANTE

É baseado em estudos feitos a partir de registros fotográficos, da medição dos

parâmetros dos raios, dos ensaios em laboratórios de alta tensão, do emprego das técnicas

de simulação e modelagem matemática.

Surgiu inicialmente para as linhas de transmissão e foi depois simplificado para

aplicação às estruturas.

No modelo eletrogeométrico, supõe-se que o líder descendente caminha na direção

vertical em direção a terra em degraus dentro de uma esfera cujo raio depende da carga da

nuvem ou da corrente do raio e será desviado de uma trajetória por algum objeto aterrado.

A descarga se dará no ponto em que a esfera tocar esse objeto ou na terra, aquele

que ocorrer primeiro.

O raio da esfera é denominado distância de atração ou distância de disrupção.

Para aplicação às estruturas são admitidas algumas hipóteses simplificadoras

relacionadas a seguir:

• Somente são consideradas as descargas negativas iniciadas nas nuvens;

• O líder descendente é vertical e sem ramificações;

• As descargas se dão em uma esfera de raio igual à distância de atração;

• A descarga final se dá para o objeto aterrado mais próximo, independente de

sua massa ou condições de aterramento;

• As hastes verticais e os condutores horizontais têm o mesmo poder de

atração;

• A probabilidade de ser atingida a terra ou uma estrutura aterrada é a mesma.

Embora essas hipóteses se afastem um pouco da realidade, o modelo continua

válido se seguidos às orientações da norma.

A NBR 5419/2001 fixa os seguintes valores para os raios de atração em

correspondência aos níveis de proteção:

Nível de Proteção I II III IV

Raio da esfera (m) 20 30 45 60 Tabela 5.2: Raio de proteção do Modelo Eletrogeométrico.

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A figura a seguir mostra um exemplo de aplicação do modelo eletrogeométrico:

Figura 5.2: Exemplo do modelo da esfera rolante.

Figura 5.3: Zoom da captação.

5.5 – SISTEMA DE PROTEÇÃO – MÉTODO DA GAIOLA DE FARADAY

Este método é o mais usado na Europa, é baseado na teoria de Faraday, segundo a

qual o campo no interior de uma gaiola é nulo, mesmo quando passa por seus condutores

uma corrente de valor elevado.

Para que o campo seja nulo, na verdade, é preciso que a corrente se distribua

uniformemente por toda a superfície. O campo será nulo, na realidade, no centro da gaiola,

mas nas proximidades dos condutores haverá sempre um campo que poderá dar tensões

induzidas em condutores das instalações elétricas que estejam paralelos aos condutores da

malha.

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A proteção máxima no caso do método de Faraday é obtida quando a estrutura é

envolvida por uma caixa metálica de paredes soldadas e de espessura suficiente para

suportar o efeito térmico do raio no ponto de impacto.

Como esta solução raramente pode ser adotada, o método de Faraday consiste em

instalar um sistema de captores formado por condutores horizontais interligados em forma

de malha.

A distancia entre os condutores ou a abertura da malha está relacionada com o nível

de proteção desejado. Quanto menor à distância entre os condutores da malha, melhor será

a proteção obtida.

A NBR 5419/2001 fixas as dimensões básicas da malha para cada nível de

segurança, mostrado na tabela a seguir:

Nível de proteção Largura máxima da malha (m) Comprimento da malha (m)

I 5 < 10

II 10 < 20

III 10 < 20

IV 20 < 40 Tabela 5.3: Dimensões da malha de proteção pelo Método de Faraday.

A figura a seguir mostra um sistema de proteção de acordo com a norma:

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Figura 5.4: Sistema de proteção completo.

5.6 – CAPTORES RADIOATIVOS

A fabricação de pára-raios radioativos no Brasil foi autorizada de 1970 até 1989,

porque a literatura técnica da época indicava que os captores radioativos tinham uma

eficiência maior que os convencionais. Porém, novos estudos no Brasil e no exterior,

demonstraram que o desempenho dos pára-raios radioativos não era superior aos

convencionais na proteção dos edifícios, não se justificando, assim, o uso de fontes

radioativas.

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Em 1989, a Comissão Nacional de Energia Nuclear, CNEN, através da Resolução

nº 4/89, em anexo, suspendeu a autorização para a fabricação e instalação deste tipo de

captor.

Contudo, a decisão da CNEN só teve efeito sobre a fabricação e a instalação de

dispositivos novos. A decisão sobre a substituição dos pára-raios já instalados dependia das

autoridades municipais competentes para expedir as normas de edificação em cada cidade.

Na cidade do Rio de Janeiro, por exemplo, a Prefeitura, por meio do Decreto

Municipal nº 16.204, determinou que todos os pára-raios radioativos sejam substituídos e

que os sistemas de proteção contra as descargas atmosféricas fossem adequados à norma

NBR-5419 da Associação Brasileira de Normas Técnicas. Quando substituído, um pára-

raios radioativo passa a ser rejeito radioativo e deve ser enviado à CNEN. Embora o risco

de irradiação seja pequeno, há o risco de contaminação por contato, sendo necessário

seguir corretamente as instruções fornecidas pelo Instituto de Engenharia Nuclear, IEN.

Este material emite partículas alfa e radiação gama de baixa energia, com curto alcance no

ar.

A substituição é responsabilidade do proprietário da edificação e essa deve ser

preferencialmente feita por um profissional experiente, porque, em geral, os pára-raios

estão em locais de difícil acesso e há riscos de queda. Além disso, para que o prédio fique

adequadamente protegido contra raios, é necessário verificar se o aterramento da instalação

está adequado e se o número de captores é suficiente para o tamanho e a altura do prédio.

O ideal é contratar uma empresa especializada em instalações elétricas. Os cuidados

que devem ser tomados em relação à radiação e à contaminação estão descritos a seguir,

fornecido pelo IEN. Há instruções sobre como fazer a embalagem, o transporte e a entrega

do material à CNEN.

As fontes radioativas têm a forma de fitas metálicas fixadas nos discos e poucos

centímetros de comprimento por 1 a 2 cm de largura. O material radioativo dessas fontes é,

em sua maioria, o radionuclídeo amerício-241.

A proibição da utilização dos pára-raios radioativos, de acordo com a resolução do

CNEN 04/89, segue os argumentos e os cuidados com a retirada e envio dos captores

radioativos:

• A maior eficácia de Pára-raios Radioativos em relação aos convencionais

não está tecnicamente comprovada, contrariando assim o princípio da

justificação, qual seja: “Qualquer atividade envolvendo radiação ou

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exposição deve ser justificada em relação a outras alternativas a produzir

um benefício líquido positivo para a sociedade”;

• Pára-raios radioativos em bom estado de conservação podem permanecer

instalados, sob o ponto de vista de radioproteção, até que venham a ser

substituídos por dispositivos convencionais;

• Os pára-raios radioativos não oferecem risco de radiação externa para

pessoas, uma vez que contém pequenas quantidades de material radioativo

afixado aos mesmos;

• No caso de desativação de tais dispositivos e com o objetivo de evitar a

dispersão de radioisótopos no meio ambiente, os mesmos devem ser

entregues à CNEN.

O manuseio e acondicionamento de pára-raios radioativos:

• Utilizar, conforme apropriado, uma ou mais embalagens metálicas robustas

com capacidade mínima de 38 litros e com sistema de fechamento que

garanta a vedação da embalagem durante todo o transporte;

• Ter disponíveis luvas, saco plástico, fita adesiva, um rótulo com os dizeres

“Material Radioativo”, material absorvedor de choque (isopor fragmentado

ou jornal, por exemplo);

• Colocar, uniformemente, uma camada de material absorvedor de choque no

fundo da embalagem;

• Colocar o saco plástico no interior da embalagem;

• Abrir o saco plástico e utilizar a parte superior do mesmo (em excesso) para

revestir as bordas da embalagem;

• Calçar as luvas;

• Colocar a haste do pára-raios no interior da embalagem;

• Retirar as luvas do seguinte modo:

o Descalçar parcialmente os dedos de ambas as mãos;

o Retirar uma luva e colocá-la no interior do saco plástico;

o Introduzir dois dedos da mão descalçada entre a luva e a pele da mão

calçada;

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o Deslocar com os dedos a luva, até que haja condições de removê-la

totalmente. (Nunca colocar a mão sem luva em contato com a parte

externa de uma luva que manipulou material radioativo);

o Segurar a luva pela parte interna e colocá-la no interior do saco

plástico;

• Retirar a parte superior do saco colocada sobre as bordas da embalagem e

fechar o mesmo utilizando fita para amarrá-lo;

• Manter o dispositivo, contido no saco, no centro da embalagem e preencher

os espaços vazios com o material absorvedor de choque (o material

absorvedor de choque deverá também ser distribuído no espaço entre a

tampa da embalagem e a parte superior do saco fechado);

• Afixar o rótulo com os dizeres "Material Radioativo" no interior do

embalado em local visível quando da abertura do mesmo;

• Fechar o embalado.

Os documentos que acompanham o transporte de embalado contendo pára-raios

radioativos são:

• Certificado de Aprovação especial para Embalado e Transporte de pára-

raios contendo Am-241;

• Declaração de Expedidor do Material Radioativo;

• Ficha de Emergência;

• Envelope de transporte.

Completar o preenchimento dos documentos de transporte em anexo com os dados

pertinentes à instituição;

O embalado selecionado para o transporte de pára-raios é o exceptivo, não

requerendo sinalização externa específica e pode ser realizado por qualquer meio de

transporte (exceto correios).

Enviar para CNEN, o comprovante de depósito bancário, referente ao número de

captores a serem entregues.

Bater o protocolo de entrega em 02 (duas) vias:

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• 1A Via cliente;

• 2A Via CNEN.

Ligar para a divisão de radioproteção e marcar hora e entrega do(s) captor(es).

Levar envelope de transporte contendo:

• Ficha de emergência;

• Certificado de Aprovação especial para Embalado e Transporte de pára-

raios contendo Am-241;

• Declaração de Expedidor do Material Radioativo.

Entregar na CNEN o certificado para despacho e declaração do expedidor (ambos

assinados).

Pegar recibo comprovando a entrega do(s) captor(es) e as cópias dos protocolos

(ambas assinadas).

Marcar dia e horário para apanhar os tambores.

As figuras a seguir são exemplos de captores radioativos:

Figura 5.5: Captor radioativo (1).

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6 – ANÁLISE DE EDIFICAÇÕES

Foram avaliados os sistemas de proteção do edifício do IDA – Complexo de

Artes, do SG – 11 e da Faculdade de Tecnologia – FT.

Figura 6.1: Localização no Campus.

Na Faculdade de Tecnologia, o estudo foi realizado no pára-raios que está

localizado sobre o departamento de engenharia mecânica. A estrutura de suporte do pára-

raios consiste numa torre de 20 metros de altura. A altura total do sistema é de 28 metros a

partir do chão do departamento referenciado.

Verificou-se através do método eletrogeométrico a área de proteção efetiva para

os níveis I e II que a estrutura analisada oferece.

A figura a seguir mostra a localização dos pára-raios:

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Figura 6.2: Localização dos pára-raios na FT.

Nas figuras a seguir são mostrados as respectivas áreas de proteção:

Figura 6.3: Área efetiva de proteção na FT (1).

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Figura 6.4: Área efetiva de proteção na FT (2).

Com esta análise, verifica-se a ineficácia da proteção para o prédio da Faculdade

de Tecnologia.

Foram feitas medidas da resistência no ponto de aterramento do pára-raio que

revelou mais ainda a ineficiência da proteção. Usando um terrômetro analógico e um

digital, encontraram-se os seguintes valores:

• Terrômetro analógico: 24 Ω

• Terrômetro digital: 33 Ω

Estes valores são altos para um sistema eficiente de proteção, e foram feitos em

época de chuva, ou seja, estes valores ficam ainda piores na época seca, pois a umidade do

solo abaixa a resistência da terra.

Foram realizadas medições no IDA, Instituto de Artes, pois apesar de ser o

edifício mais novo no campus, não possui sistema de SPDA implantado.

As medições foram realizadas nos seguintes pontos indicados na figura abaixo:

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Figura 6.5: Localização do IDA

Foi utilizado como referência de aterramento os pilares da própria estrutura de

aço, já que o edifício não possui SPDA implementado.

Foram realizadas medições nos pontos 1, 2 e 3. No ponto 1 os valores encontrados

para a resistência foram:

• Terrômetro analógico: 28 Ω

• Terrômetro digital: 35 Ω

Nos pontos 2 e 3 não foi possível realizar as medições de resistência ôhmica, pois

havia muito ruído no terreno. Esse ruído se deve pela presença de circuitos subterrâneos de

alimentação de iluminação pública que atravessam as proximidades, acusando o aparelho

uma tensão entre as hastes de medição da ordem de 70 volts.

No SG – 11 foi verificado a existência de um sistema já implementado de

aterramento em malha e seu sistema de proteção contra raios. Foram realizadas medições

no terreno e a resistência média colhida foi da ordem de 0,13 Ω. Esse valor é considerado

pela Norma como excepcional.

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7 – MODELO IMPLEMENTADO

Para a análise do solo, tendo em vista que o equipamento para essa análise não

chegou em tempo hábil, foi conseguido com o professor Carlos Tadeu, do departamento de

Geologia da UnB, dados de medições da resistividade de alguns pontos da UnB.

Os locais da realização destas medidas foram o terreno entre o prédio da

Sismologia e a L3 Norte e o terreno perto das piscinas no Centro Olímpico da UnB.

Os dados colhidos no terreno entre o prédio da Sismologia e a L3 Norte estão

mostrados na tabela a seguir:

resistividade: ρ = 2 . π . a . R a (m) R (Ohm) ρ (Ohm.m)

1 38,9 244 1,5 32,1 302 2 29,2 367 3 21,2 399 4 18,2 457 6 18,4 693 8 18,55 932

12 14,6 1100 16 11,5 1156 24 9,075 1368 32 5,545 1114 48 5,05 1522

Tabela 7.1: Dados referentes ao cálculo da Resistividade perto do prédio da Sismologia.

Com estes dados, foi gerado um gráfico mostrando a variação da resistividade

com a distância, mostrado na figura a seguir:

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100

1000

10000

1 10 100

a (m)

resi

stiv

idad

e (O

hm.m

)

Figura 7.1: Gráfico da resistividade no terreno próximo ao prédio de Sismologia.

Os dados colhidos no terreno perto das piscinas no Centro Olímpico da UnB estão

mostrados na tabela a seguir:

resistividade: ρ = 2 . π . a . R a (m) R (Ohm) ρ (Ohm.m)

1 162 1017 1,5 123 1159 2 86,5 1086 3 43,7 823 4 25,1 631 6 12,9 486 8 8,6 432 12 7,29 549 16 6,915 695 24 7,615 1148 32 7,79 1565 48 4,545 1370

Tabela 7.2: Dados referentes ao cálculo da Resistividade perto das piscinas do CO.

Foi gerado um gráfico mostrando a variação da resistividade com a distância,

mostrado na figura a seguir:

UnB/FT/EnE


100

1000

10000

1 10 100

a (m)

resi

stiv

idad

e (O

hm.m

)

Figura 7.2: Gráfico da resistividade no terreno perto das piscinas no CO.

Como se verifica nos dois gráficos, as duas curvas são muito diferentes, fato este

podendo ser explicado por terem sido feitas em épocas distintas do ano. Podem ter sido

feitas uma na estação chuvosa e a outra na estação de seca. Assim, isso demonstra que não

se pode levar em consideração, para efeito de dimensionamento das hastes de aterramento,

dados colhidos em locais próximos ao local de estudo.

A seguir, como exemplo, o Memorial Descritivo e Especificações do Sistema de

Proteção contra Descargas Atmosféricas SPDA da Facce (o projeto encontra-se em anexo):

A execução das instalações componentes do SPDA será feita de acordo com o

projeto específico em obediência à norma NBR 5419/ABNT que rege o assunto.

O sistema de proteção projetado é baseado no método dos condutores em malha

ou gaiola (método Faraday) e seus componentes estão abaixo descritos.

Componentes do SPDA

Captação

• Os elementos metálicos de sustentação da cobertura (treliças, terças,

caibros, etc.), bem como o próprio telhado metálico, atuarão no sistema

como elementos de captação. Para assegurar a continuidade elétrica, em

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cada um dos 4 blocos de edificação (A, B, C e D) tais elementos deverão

estar rigidamente interligados; a ligação deve ser assegurada, também,

entre os elementos de cobertura de tais blocos vizinhos, mesmo que haja

necessidade de conectá-los em vários pontos (no máximo 4 –quatro)

através de uma cordoalha de cobre nu de 50 mm², soldando-se nas 2

extremidades às partes metálicas de cada bloco e deixando-se uma folga de

20 cm para compensar eventuais deslocamentos em conseqüência de

dilatação térmica. O elemento utilizado para a conexão será um cordão de

solda exotérmica.

Condutores de Descida

• Em cada pilar, nos pontos de descida indicados em planta por setas

descendentes será embutida antes da concretagem uma cordoalha de cobre

nu de 16 mm², aflorando 0,50 m na extremidade superior (para ligação à

estrutura metálica da cobertura) e 1,50 m na extremidade inferior (para

ligação anel de aterramento).

• Haverá, nos 4 blocos um total de 73 (setenta e três) descidas.

Condutores de Aterramento

• Haverá um anel circundante em cada um dos 4 blocos e todos os anéis

serão interligados, conforme mostrado em planta. Os condutores de

aterramento serão cordoalhas de cobre nu de 50 mm², instalados a 1,00 m

das fundações estruturais.

• Nos pontos indicados em planta, ao longo da malha de aterramento, serão

fincados eletrodos verticais constituídos por hastes com núcleo de aço e

cobertura de cobre (hastes Copperweld) de ø 5/g”x3,00 m, no total de 36

(trinta e seis).

• A profundidade dos anéis de aterramento será de 0,50 m.

• Para acesso ao sistema de aterramento haverá caixas subterrâneas (CA)

com tampas amovíveis, de 250 x 250 x 600 mm, conforme detalhamento

feito em planta. Estão previstas 49 (cinqüenta e nove) dessas caixas. Em

todas elas haverá uma cordoalha de cobre nu de 25 mm² interligando as

ferragens das fundações (vigas baldrames) à malha de aterramento.

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Outros Componentes do Sistema

• Próximo a cada Quadro de Distribuição (QD) haverá um Quadro de

Aterramento (QA), com um barramento de LEP (ligação equipotencial

principal), cujas dimensões e ligações estão indicadas em planta de

detalhes. A bitola dos condutores de equipotencialidade a serem ligadas à

barra de terra de cada QD é de 16 mm² (condutores com isolação

termoplástica de PVC de cor verde). Ao QDG (Quadro de Distribuição

Geral), a ser instalado no bloco B, a bitola desses condutores será de 4x35

mm² . Total de QA: 10 (dez).

• No topo do castelo-d’água será montado um pára-raio Franklin de 2,9 m

de altura, com 2 descidas externas, diametralmente opostas, de bitola

25 mm² , protegidas até a altura de 2,5 m acima do solo por um tubo de

PVC rígido de 50 mm de diâmetro. Estas descidas serão ligadas a um anel

de aterramento a 1,00 m da estrutura do castelo, constituído por uma

cordoalha de cobre nu de 50 mm². Esta ligação será feita em caixas de

aterramento (CA) referidas no item 3.3.

• As malhas de aterramento do castelo-d’água e dos blocos A, B, C e D

serão interligadas por cordoalhas de cobre nu de 50mm²; os pontos de

conexão serão localizados em caixas de aterramento CA.

• Em cada descida externa do pára-raios do castelo-d’água haverá uma caixa

de inspeção com conector de medição, desmontável por meio de

ferramenta. Esta caixa será dotada de tampa aparafusada, montada a 1,30

m de altura do solo (ver detalhe em planta).

• Serão instalados protetores contra descargas atmosféricas (proteção de 1°

nível) e protetores contra surtos de tensão (proteção de 2° nível) nos

seguintes locais:

Na entrada, QD/Bombas (casa de bombas do castelo d’água),

QDG (bloco B) e QGBT (quadro geral de Baixa Tensão, na

subestação transformadora) – protetor contra descargas

atmosféricas de 60 kVA, nível de proteção ≤ 4 kV (referência

FLASHTRAB PLT 60-400/341, fabricante Phoenix Contact ou

similar) no total de 4 (quatro) medidores (entre as 3 fases e o terra

e entre o neutro e o terra).

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Na entrada dos QD-20 e QD-21 (laboratório de Informática) –

protetor contra surtos de 20 kVA, nível de proteção ≤ 0,9 kV

(referência VALVETRAB VAL-MS 230 VF/341, fabricante

Phoenix Contact ou similar, no total de 4 unidades (entre as 3 fases

e o terra e entre o neutro e o terra).

No topo do castelo-d’água, junto à haste da luz de obstáculos, para

proteção dos condutores vivos – protetor contra surtos de 20kVA,

nível de proteção ≤ 0,9 kV (referência VALVETRAB VAL-MS

230 VF, fabricante Phoenix Contact ou similar), monocanal, a ser

instalado entre a fase e o terra.

Prescrições Complementares

• A tubulação metálica de incêndio será conectada à malha de aterramento

junto ao castelo-d’água (de onde vai) e no ponto mais próximo de sua

entrada no perímetro das edificações (blocos A, B, C e D).

• Também serão aterrados, através de conexão ao condutor de

equipotencialidade ou barra de aterramento, os seguintes componentes:

Rede de eletrocalhas e perfilados metálicos dos circuitos elétricos

internos das edificações.

Rede de eletrocalhas do sistema de cabeamento estruturado.

Carcaças dos aparelhos de ar condicionado central e de janela.

Carcaças das bombas d’água

Partes metálicas dos quadros de distribuição (QD), quadros de

aterramento (QA), racks, etc.

• As barras de neutro e de terra serão conectadas apenas no QGBT

(subestação) QDG (bloco B, térreo).

• O sistema de aterramento das instalações telefônicas será interligado ao

sistema de aterramento das instalações elétricas e SPDA por uma

cordoalha de cobre nu de 50 mm² em uma caixa de aterramento CA

visitável.

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8 – CONCLUSÕES

Conclui-se desse trabalho que o sistema de proteção contra descargas atmosféricas

é um elemento fundamental na segurança de edificações e indispensável sua correta

implementação e manutenção.

O que foi visto no levantamento da maioria dos sistemas de aterramento dentro do

campus da UnB é lastimável:

• Ausência das caixas de inspeção na malha de aterramento evitando assim a

manutenção periódica do sistema;

• Cabos de descida de pára-raios soltos e à mostra sem a devida proteção

prevista em norma;

• Fios de aterramento de computadores soltos ou rompidos, muitas vezes

remendados e expostos ao tempo, em locais de grande risco de choque

mecânico provocando a sua ruptura;

• Presença de pára-raios do tipo radioativo ainda instalados em edifícios da

universidade, tendo em vista sua proibição desde 1989;

• Ausência de SPDA em edificações novas como o IDA, Instituto de Artes;

• O mau dimensionamento dos sistemas de SPDA e malhas de aterramento

das edificações do campus salvo exceções como o SG – 11;

• A não equalização dos sistemas de aterramento dentro de uma mesma

edificação gerando uma considerável diferença de potencial entre dois

pontos de terra distintos;

Fica importante ressaltar que esses pontos negativos foram observados mais de

uma vez em uma mesma edificação evidenciando ainda mais a necessidade de se tomar as

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devidas providências. Segue-se em anexo, fotos da pesquisa de campo e dos problemas

encontrados nas instalações estudadas.

Algumas sugestões foram idealizadas pelos autores deste trabalho:

• A implementação de um SPDA misto utilizando o método

eletrogeométrico e a gaiola de Faraday na Faculdade de Tecnologia;

• A utilização da própria estrutura metálica do IDA e suas fundações como

captores e dispersores de descargas atmosféricas promovendo assim uma

economia de custo de hastes e captores, já que esses não seriam

necessários;

• A interligação das hastes de aterramento no ICC a fim de equalizar sua

malha de aterramento e melhorando a sua eficiência;

• Implementação de SPDA no ICC pelo método da gaiola de Faraday,

devido a suas dimensões horizontais;

Este projeto teve como grande aliado, o projeto conjunto com a Ceplan na

realização do projeto de construção do novo prédio da Facce, tendo servido este, como

laboratório de pesquisa e experimentação.

Lamenta-se que o projeto não tenha seguido as diretrizes iniciais devido à

burocratização do processo de aquisição de equipamentos.

Ressalta-se, então, a grande oportunidade de enriquecimento de cunho prático e

teórico obtido durante as pesquisas e ensaios para execução deste trabalho. Deseja-se que

este projeto soe como referência para o meio técnico-profissional e meio acadêmico, em

futuras e complementares pesquisas e aprofundamentos daqueles que porventura se

interessem pelo assunto.

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9 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] ABNT: NBR 5419 (2001): Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas;

[2] ABNT: NBR 5410 (1997): Instalações elétricas de baixa tensão;

[3] Kindermann, Geraldo; Campagnolo, Jorge Mário. Aterramento Elétrico.

Florianópolis: Edição do autor; 5ª ed., 2002;

[4] Kindermann, Geraldo. Curto-circuito. Florianópolis, Edição do autor, 2ª ed., 2002;

[5] Kindermann, Geraldo. Descargas Atmosféricas. Florianópolis, Edição do autor, 3ª

ed., 2002;

[6] Kindermann, Geraldo. Choque Elétrico. Porto Alegre: Sagra DC Luzzatto, 22ª ed.,

2000;

[7] Mamede, João F. Instalações Elétricas Industriais. Rio de Janeiro: Editora LTC;

[8] Cotrim, Ademaro A. M. B. Instalações elétricas. São Paulo: Prentice Hall, 4ª ed.,

2003;

[9] Creder, H. Instalações Elétricas. Rio de Janeiro: Editora LTC, 12ª ed., 1991;

[10] Leite, D. M.; Leite, C. M. Proteção contra Descargas Atmosféricas. São Paulo:

MM editora, 1993;

[11] Tagg, G. F. Earth Resistances. London: George Newnes Limited, 1964;

[12] Sunde, E. D. Earth Condution Effects in Transmission Systems. New York: Dover

Publications, Inc, 1968;

[13] Miranda, A. P. R. Malhas de aterramento em solos estratificados. São Paulo:

Publicação interna, 1986;

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[14] Medeiros Fº, S. Fundamentos de Medidas Elétricas. Rio de Janeiro: Editora

Guanabara Dois, 1981;

[15] Gentil, V. Corrosão. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois, 1982.

[16] Plonus, Martin A. Applied Electromagnetics. Northwestern University: McGraw-

Hill, 1978.

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ANEXO

Resolução n. º 04

De 19 de Abril de 1989

Transcrição da resolução n. º 04, de 19.04.89, da comissão nacional de energia nuclear

- dou de 09.05.89

Controle do meio ambiente - Utilização de material radioativo em pára-raios -

Proibição

A Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN), usando das atribuições que

lhe confere o artigo 1º, Inciso I, da Lei n. º 6.189 de 16 de Dezembro de 1974, o artigo

141 do Decreto n. º 51.726, de 19 de Fevereiro de 1963, e o artigo 21, inciso I e V do

Decreto n. º 75.569, de 07 de Abril de 1975, por decisão de sua Comissão Deliberativa,

na 534 sessão realizada em 19 de Abril de 1989.

Considerando que o comércio de substâncias radioativas constitui monopólio da

União, instituído pela Lei nº 4.118, de 27 de agosto de 1962, artigo I, inciso II, In fine;

Considerando que esse monopólio é exercido pela CNEN na qualidade de órgão superior

de orientação, planejamento, supervisão e fiscalização;

Considerando que compete a CNEN baixar normas gerais sobre substâncias

radioativas;

Considerando que a CNEN cabe, ainda, registrar as pessoas que utilizam

substâncias radiativas, bem como receber e depositar rejeitos radioativos;

Considerando a proliferação do uso de substâncias radioativas em pára-raios;

Considerando que não está tecnicamente comprovada a maior eficácia de pára-raios

radioativos em relação aos convencionais e que, portanto o "princípio da justificação"

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previsto na Norma CNEN-NE-3.01 - "Diretrizes Básicas de Radioproteção" não está

demonstrado;

Considerando a necessidade de dar destino adequado ao material radioativos do

pára-raios desativados,

Resolve:

1 - Suspender, a partir da vigência desta Resolução, a concessão de autorização

para utilização de material radioativo em pára-raios.

2 - O material radioativo remanescente dos pára-raios desativados deve ser

imediatamente recolhido a CNEN.

3 - Esta Resolução entra em vigor na data de sua publicação.

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Norma Regulamentadora

22 de dezembro de 1997NR – 10

Objetivo

10.1. Esta Norma Regulamentadora - NR fixa as condições mínimas exigíveis para garantir

a segurança dos empregados que trabalham em instalações, em suas diversas etapas,

incluindo projeto, execução, operação, manutenção, reforma e ampliação e, ainda, a

segurança de usuários e terceiros.

Abrangência

10.1.1. As prestações aqui estabelecidas abrangem todos os que trabalham em eletricidade,

e qualquer das fases de geração, transmissão, distribuição e consumo de energia elétrica.

Exigência

10.1.2. Nas instalações e serviços em eletricidade, devem ser observadas no projeto,

execução, operação, manutenção, reforma e ampliação, as normas técnicas oficiais

estabelecidas pelos órgãos competentes e, na falta destas, as normas internacionais

vigentes.

10.2. Instalações

10.2.1. Proteção Contra o Risco de Contato

10.2.1.1. Todas as partes das instalações elétricas devem ser projetadas e executadas de

moda que seja possível prevenir, por meios seguros de choque elétrico e todos os outros

tipos de acidentes.

10.2.1.2. As partes de instalações elétricas a serem operadas, ajustadas ou examinadas,

devem ser dispostas de modo a permitir um espaço suficiente para trabalho seguro.

Aterramento

10.2.1.4. Toda instalação ou peça condutora que não faça parte dos círculos elétricos, mas

que, eventualmente, possa ficar sob tensão, deve ser aterrada, desde que esteja em

10.2.1.5. O aterramento das instalações elétricas deve ser executado, obedecido o disposto

no subitem 10.1.2.

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Chuveiros/Piscinas

10.2.1.7. As instalações elétricas que estejam em contato direto ou indireto com a água e

que possam permitir fuga de corrente devem ser projetadas e executadas, considerando-se

as prescrições previstas no subitem 10.1.2. em especial quanto à blindagem, estanqueidade,

isolamento e aterramento.

Circuito Aterrado

10.3.2.5.2. Para garantir a ausência de tensão no circuito elétrico, durante todo o tempo

necessário para o desenvolvimento destes serviços, os dispositivos de comando devem

estar sinalizados e bloqueados, bem com o circuito elétrico aterrado, considerando-se as

prescrições previstas no subitem 10.3.1.1.

Proteções contra surtos

10.2.2.2. As instalações elétricas sujeitas a maior risco de incêndio e explosão devem ser

projetadas e executadas com dispositivos automáticos de proteção contra sobrecorrente e

sobretensão, além de outras complementares, de acordo com as prescrições previstas no

subitem 10.1.2.

Acumulo de Energia

10.2.2.4. As partes das instalações elétricas sujeitas a acumulação de eletricidade estática

devem ser aterradas, seguindo-se as prescrições previstas no subitem 10.1.2.

Pára-raios

10.2.3.5. Todas as edificações devem ser protegidas contra descargas elétricas

atmosféricas, seguindo as prescrições do subitem 10.1.2. e, em especial, as prescrições

referentes à localização, condições de ligação à terra e zona de atuação dos pára-raios.

Laudo Técnico

10.3.2.7.1. Deve ser fornecido um laudo técnico ao final de trabalhos de execução, reforma

ou ampliação de instalações elétricas, elaborado por profissional devidamente qualificado e

que deverá ser apresentado, pela empresa, sempre que solicitado pelas autoridades

competentes.

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Responsabilidades

10.4.2. Responsabilidade

10.4.2.1. Todo responsável pelas instalações elétricas e os profissionais qualificados e

autorizados a trabalhar em instalações elétricas devem zelar pelo cumprimento desta

Norma Regulamentadora.

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Fotos das Irregularidades Encontradas

Ausência de caixas de inspeção e cabos rompidos.

Passagens de cabos por fora da estrutura, emendas mal feitas e cabos rompidos.

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Cabos passando pela calçada sem nenhuma proteção e emendas rompidas.

Conector solto da haste e descida do cabo do pára-raios sem a devida proteção.

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Todas as Curvas Isocerâunicas

ACRE

RIO BRANCO

LEGENDA

DIVISA DE ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO

60

6080

80

Acre

ALAGOAS

MACEIÓ

LEGENDADIVISA DO ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO

510

20

Alagoas

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AMAPÁ

MACAPÁ

LEGENDA

NÍVEL CERÁUNICO

CAPITAL DO ESTADO

4060

80100

120

140

DIVISA DE ESTADO

Amapá

LEGENDADIVISA DE ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO

140140120

1008060 120

140

120100 8060

40

80

60

10080

AMAZONAS

MANAUS10080

40

100

60

Amazonas

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201

0

30

406080

51

020

LEGENDA

DIVISA DO ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO

SALVADOR

BAHIA

30

Bahia

LEGENDA

DIVISA DO ESTADO

NÍVEL CERÁUNICO

CAPITAL DO ESTADO

20

60

40

30

CEARÁ

FORTALEZA

40

60

Ceará

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ESPÍRITO SANTO

30

VITÓRIA

30

20

LEGENDA


Espírito Santo

Goiás/Distrito Federal

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40

2030

40

10080

100

80

60

MARANHÃO

60

60

40

140

30

SÃO LUIS

LEGENDA


Maranhão

10203040

60

10

20

30

80

40

2030

LEGENDA


BELO HORIZONTE

MINAS GERAIS2

0

40

30

30

60 30

20

30

30

2020

Minas Gerais

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6080100120140

140

60

80 10

0

120

120

LEGENDA


CUIABÁ

MATO GROSSO

Mato Grosso

100

80

60

12010080

120100

60

80

BELÉM

140

80100

120

4060

120140

60

PARÁ

10080

LEGENDA


Pará

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20

60

4030

105

PARAIBA

JOÃO PESSOA

LEGENDA


Paraíba

40

60

40

80 CURITIBA

PARANÁ

60

LEGENDA


Paraná

UnB/FT/EnE


20

40

30

10

5

PERNAMBUCO

RECIFE20

LEGENDA


Pernambuco

60

40

3020

203

0

40

PIAUÍ

TEREZINA

30

LEGENDA


Piauí

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20

6040 30

RIO GRANDE DO NORTE

NATAL

LEGENDA


Rio Grande do Norte

20

30

40

PORTO ALEGRE

RIO GRANDE DO SUL

60

40

LEGENDA


Rio Grande do Sul

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20RIO DE JANEIRO

RIO DE JANEIRO

3020

30

LEGENDA


Rio de Janeiro

80

60

80

PORTO VELHO

RONDÔNIA

LEGENDA


Rondônia

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40

60

40BOA VISTA

RORAIMA

LEGENDA


Roraima

Santa Catarina

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20

10

5

SERGIPE

ARACAJU

LEGENDA


Sergipe

30

80

40

SÃO PAULO

30

SÃO PAULO

60

20

8060

40 30 20 30

LEGENDA


São Paulo

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TOCANTINS140

12010080

80

120100

PALMAS

80

6040

LEGENDA


Tocantins

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Documents

LEVANTAMENTO DE ESTRUTURAS QUE NECESSITAM DE SPDA