SPDA E AS INFLUÊNCIAS CLIMÁTICAS

FACULDADE DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA

GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

MANOEL HIGOR ALVES DOS SANTOS

SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS E AS

INFLUÊNCIAS CLIMÁTICAS

SALVADOR-BA

2007

SPDA - NBR-5419/2005

ÁREA 1_FTE – 2007 ENGENHARIA ELÉTRICA

i




Monografia apresentada ao curso de Engenharia Elétrica com Ênfase em Eletrônica da ÁREA1_FTE, como requisito para obtenção parcial do grau de Bacharel em Engenharia Elétrica com Ênfase em Eletrônica.

Orientador: Julio César Xavier Chiaradia

Especialista, ÁREA 1_FTE

SALVADOR-BA

2007

SPDA - NBR-5419/2005


i




Monografia apresentada ao curso de Engenharia Elétrica com Ênfase em Eletrônica da ÁREA1_FTE, como requisito para obtenção parcial do grau de Bacharel em Engenharia Elétrica com Ênfase em Eletrônica.

BANCA EXAMINADORA

________________________________________________

Julio César Xavier Chiaradia, Profº Faculdade ÁREA 1_FTE

________________________________________________

Waslon Terllizzie Araújo Lopes, Profº Faculdade ÁREA 1_FTE

________________________________________________

Lazaro Edmilson Brito, Profº Faculdade ÁREA 1_FTE

SALVADOR-BA

2007

SPDA - NBR-5419/2005


ii

Dedicatória

À minha família, aos meus amigos.

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iii

Agradecimentos

Agradeço primeiramente ao nosso “Grande Pai” que estais no céu, o qual me deu forças

nos momentos de fraqueza, paciência nas horas angustiantes, coragem para superar os medos e

determinação para alcançar este triunfo, pois sem a ajuda divina sabemos que seria impossível ou

talvez improvável transpor os obstáculos da vida.

Agradeço a minha mãe que me trouxe para este mundo de incertezas e com seu jeitinho de

mãe zelosa educou-me, me ensinou a ser uma pessoa melhor e sempre batalhou muito para que

um dia eu criasse asas e pudesse voar em busca dos meus objetivos de vida.

Ao meu falecido pai que sempre quis ter um filho graduado e um dia profetizou a minha

vitória.

A toda minha família que sempre me apoiou e me ajudou nas horas e nos momentos mais

difíceis.

Aos amigos e colegas que me incentivaram e compreenderam os momentos de ausência

nas horas em que deveríamos estar desfrutando das coisas boas da vida, mas eu estava me

dedicando aos estudos.

Agradeço a todos os meus colegas de trabalho que me ensinaram muito, tiraram minhas

duvidas, me apoiaram, contribuíram e continuam contribuindo cada dia para que eu me torne um

grande profissional.

Agradeço aos mestres que nos ensinarão muito mais do que as leis da física, cálculos

matemáticos ou como falar nosso idioma, mas nos ensinarão a ser grandes profissionais e

contribuirão para o nosso crescimento pessoal e profissional.

Ao meu orientador Prof. Julio Xavier pelo seu apoio, incentivo, compreensão e paciência

para realização desta obra.

A todos aqueles que de forma direta ou indireta contribuirão para o meu sucesso e

crescimento profissional, e a todos que cruzarão em nossos caminhos durante essa trajetória e de

alguma forma nos deixarão algo, pois “Aqueles que passam por nós não vão sóis, não nos deixam

sóis, deixam um pouco de si e levam um pouco de nós”.

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iv

“QUE VOCÊ SEJA ALEGRE, mesmo quando vier a chorar.

QUE VOCÊ SEJA SEMPRE JOVEM, mesmo quando o tempo passar.

QUE VOCÊ TENHA ESPERANÇA, mesmo quando o sol não nascer.

QUE VOCÊ AME SEUS ÍNTIMOS, mesmo quando sofrer frustrações.

QUE VOCÊ JAMAIS DEIXE DE SONHAR, mesmo quando vier a fracassar.

“ISSO É SER FELIZ.”

Augusto Cury

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v

Resumo

Esta pesquisa tem como um dos objetivos compreender o fenômeno das descargas

atmosféricas, assim como os métodos, as ferramentas e os empecilhos para se dimensionar um

sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) baseado na norma NBR-5419/2005,

proporcionando assim maior segurança para o ser humano e para as estruturas a serem protegidas,

evitando danos e contribuindo para uma maior qualidade das instalações elétricas. Será abordada

também uma análise sobre a influência das mudanças climáticas e da poluição nas grandes áreas

metropolitanas sobre a implantação de um SPDA, sendo que esta influência se dar basicamente

através da mudança dos índices cerâunicos. Serão abordados como provavelmente se dar esta

mudança, quais suas causas, suas conseqüências e o que se pode fazer para evitar os prováveis

erros causados pela utilização de um índice cerâunico que não corresponde à realidade de uma

determinada região onde será implantado o SPDA.

Palavras-chave: SPDA. Pára-raios. Mudanças Climáticas.

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vi

Abstract

This researches has like one of the objectives understand the phenomenon of the

lightning, as well as the method, the tools and the problems to itself size up a lightning protection

system (LPS) based in the norm NBR-5419/2005, providing like this bigger security for the

human and for the structures that will be protected, avoiding damages and contributing for a

bigger quality of the electric systems. It will be approached also an analyzes about the influence

of the climatic changes and of the pollution in the big areas metropolitans about the implantation

of a LPS, being that this influence give basically through a change in the yearly number of

flashes to ground. They will be approached as probably give this change, which their causes,

their consequences and what can be done for avoid the probable errors caused by the utilization

of an yearly number of flashes to ground that does not correspond to the reality of a determined

region where will be implanted the LPS.

Key-words: LPS. Lightning rod. Climatic Changes.

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vii

Lista de Figuras Figura 1.1 - Benjamin Franklin (1706-1790) [4]. ............................................................................ 4

Figura 2.1 – Classificação ilustrativa dos diversos tipos de descargas atmosféricas existentes na

natureza [6]. ............................................................................................................................. 7

Figura 2.2 – Descarga solo-nuvem através do pára-raios [7]. ......................................................... 9

Figura 2.3 - Campo eletromagnético gerado pela passagem de corrente [3]. ............................... 10

Figura 3. 1 - Delimitação da área de exposição equivalente (Ae) - Estrutura vista de planta [8]. 15

Figura 3. 2 - Mapa de curvas isocerâunicas – Brasil [8]. .............................................................. 16

Figura 4.1 – Conceito da distância R (raio da esfera fictícia) [8]. ................................................. 21

Figura 4.2 – Volume de proteção do captor h < R [8]. .................................................................. 23

Figura 4.3 – Volume de proteção por um condutor horizontal suspenso. ..................................... 23

Figura 4.4 – Parâmetros e volumes de proteção do SPDA [8]. ..................................................... 25

Figura 4.5 – Malha do método Faraday sobre a estrutura [9]. ....................................................... 27

Figura 5.1 - Custo da proteção em função do tempo de tomada da decisão [1]. ........................... 30

Figura 5.2 - Laço formado por um condutor de descida [8]. ......................................................... 34

Figura 5.3 - Proximidade do SPDA com as instalações – Valor do coeficiente Kc numa

configuração unidimensional [8]. .......................................................................................... 35


configuração bidimensional [8]. ............................................................................................ 36


configuração tridimensional [8]. ........................................................................................... 36

Figura 5.6 - Comprimento mínimo dos eletrodos de aterramento em função dos níveis e da

resistividade do solo [8]. ........................................................................................................ 40

Figura 5.7 - Método Wenner [1]. ................................................................................................... 41

Figura 5.8 - Tensão de passo [10].................................................................................................. 42

Figura 6.1 – Mapa de curvas isocerâunicas – Região Sudeste ...................................................... 44

Figura 7.1 – Fixação dos terminais aéreos no telhado [16]. .......................................................... 52

Figura 7.2 - Fixação do cabo e terminal aéreo em alvenaria [16]. ................................................ 53

Figura 7.3 – Conexão e solda da haste de aterramento [16]. ......................................................... 53

Figura 7.4 - Fixação do cabo e terminal aéreo na telha [16]. ........................................................ 54

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viii

Figura 7.5 – Utilização do pilar metálico como descida natural [16]............................................ 55

Figura 7.6 – Junção entre subsistema de descida e subsistema de aterramento [16]. ................... 56

Figura 7.7 – Caixa de inspeção tipo solo com tampa reforçada [16]. ........................................... 57

Figura 7.8 – Vala para implantação da malha de aterramento [16]. .............................................. 57

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ix

Lista de Tabelas Tabela 2.1 – Principais constantes dielétricas [7]............................................................................ 8

Tabela 3.1 - Nível de proteção e a eficiência de um SPDA [1, 5]. ................................................ 12

Tabela 3.2 - Fator A: Tipo de ocupação da estrutura [8]. .............................................................. 13

Tabela 3.3 - Fator B: Tipo de construção da estrutura [8]. ............................................................ 13

Tabela 3.4 - Fator C: Conteúdo da estrutura e efeitos indiretos das descargas atmosféricas [8]. . 13

Tabela 3.5 - Fator D: Localização da estrutura [8]. ....................................................................... 14

Tabela 3.6 - Fator E: Topografia da região [8]. ............................................................................. 14

Tabela 3.7 - Exemplo de classificação das estruturas [8]. ............................................................. 18

Tabela 4.1 - Posicionamento do captor conforme o nível de proteção [8]. ................................... 22

Tabela 4.2 - Distância R em função da corrente (Imáx.) [8]. ........................................................... 22

Tabela 4.3 - Posicionamento de captores conforme o nível de proteção [8]. ................................ 24

Tabela 4.4 – Distância entre os condutores da malha no método de Faraday [1]. ........................ 26

Tabela 4.5 - Dimensões da malha do método Faraday [1]. ........................................................... 27

Tabela 5.1 - Espessuras mínimas dos componentes do SPDA [8]. ............................................... 32

Tabela 5.2 - Seções mínimas dos materiais do SPDA [8]. ............................................................ 32

Tabela 5.3 – Espaçamento médio dos condutores de descida não naturais conforme o nível de

proteção [8]. ........................................................................................................................... 33

Tabela 5.4 – Proximidade do SPDA com as instalações - Valores do coeficiente Ki [8]. ............ 35

Tabela 5.5 – Proximidade do SPDA com as instalações - Valores do coeficiente Km [8]. .......... 35

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x

Lista de Abreviaturas e Siglas

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

CEMIG Companhia Energética de Minas Gerais

CFC Clorofluorcarbonos

CIGRÈ Conferencia Internacional das Grandes Redes

EUA Estados Unidos da América

INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais

IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change (Painel Intergovernamental

para as Mudanças Climáticas)

LPS Lightning Protection System

RINDAT Rede Integrada de Detecção de Descargas Atmosféricas

SPDA Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas

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xi

Lista de Símbolos

A Área Transversal do Condutor

Ae Área de Exposição Equivalente

cm Centímetro

Co Menor Custo de Implantação

Cm Maior Custo de Implantação

f.e.m. Força Eletromotriz

H Altura da Estrutura

h Altura do Captor

IK Corrente Resultante da Tensão de Passo

J Joules

Kc Coeficiente de Proximidade Kc (Ver Figura 5. 3, 5.4 e 5.5)

Ki Coeficiente de Proximidade Ki (Ver Tabela 5. 4)

Km Coeficiente de Proximidade Km (Ver Tabela 5. 5)

Imáx. Valor de Crista máximo do Primeiro Raio Negativo, em kA

L Comprimento da Estrutura

l Comprimento do Condutor de Descida

m Metros

mm Milímetros

Nc Freqüência Média Anual Admissível de Danos por Descargas Atmosféricas

Nd Freqüência Média Anual Previsível de Descargas Atmosféricas

Ng Densidade de Descargas Atmosféricas que Atingem a Terra

Nn Quantidade de raios entre nuvens

V Volt

Vpasso Tensão de Passo

Rb Raio da Circunferência que Forma a Base do Cone do Volume de Proteção

R Distância R

R, R0, R1 e R2 Resistência Elétrica do Solo

RF Resistência de Contato do Pé

Rk Resistência das Pernas

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xii

S Distância de Separação do Condutor de Descida

Td Número Médio de Dias de Trovoada por Ano

W Largura da Estrutura

α Ângulo de Proteção para o Método Franklin

ρ Resistividade do Solo

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xiii

Sumário 1. Introdução ................................................................................................................................ 1

1.1. Justificativa ...................................................................................................................... 2 1.2. Histórico .......................................................................................................................... 3

2. Fundamentação Teórica ........................................................................................................... 6 2.1. Formação dos Raios ........................................................................................................ 6 2.2. Poder das pontas .............................................................................................................. 8 2.3. Efeito Corona ................................................................................................................... 9 2.4. Tensão Induzida ............................................................................................................. 10

3. Níveis de Proteção ................................................................................................................. 12 3.1. A Escolha do Nível de Proteção .................................................................................... 17

4. Métodos de Proteção ............................................................................................................. 20 4.1. Modelo Eletrogeométrico .............................................................................................. 20

4.1.1. Determinação do Volume de Proteção .................................................................. 22 4.2. Método de Franklin ....................................................................................................... 24

4.2.1. Determinação do Volume de Proteção .................................................................. 25 4.3. Método da Gaiola de Faraday ........................................................................................ 26 4.4. A Escolha do Método .................................................................................................... 27

5. Subsistemas do SPDA ........................................................................................................... 29 5.1. Subsistema Captor ......................................................................................................... 30

5.1.1. Captores Naturais .................................................................................................. 31 5.2. Subsistema de Descidas ................................................................................................. 32 5.3. Subsistema de Aterramento ........................................................................................... 37

5.3.1. Resistividade do Solo ............................................................................................ 39 5.3.2. Tensões de Passo ................................................................................................... 41

6. As Influências Climáticas e a Incidência de Trovoadas ........................................................ 43 6.1. Mapas Isocerâunicos...................................................................................................... 43 6.2. Aquecimento Global e suas Influências ........................................................................ 45

6.2.1. Efeito Estufa .......................................................................................................... 46 6.3. A Poluição e a Influência nas Descargas Atmosféricas ................................................ 47 6.4. As Mudanças nos Índices Cerâunicos ........................................................................... 47 6.5. Conseqüências Para o Dimensionamento de um SPDA ................................................ 48 6.6. Soluções e Alternativas Propostas ................................................................................. 49

7. Projeto Ilustrativo .................................................................................................................. 50 7.1. Premissas do Projeto ...................................................................................................... 50

7.1.1. Memorial de Cálculo ............................................................................................. 51 7.1.2. Parâmetros do projeto ............................................................................................ 52

7.2. Descrição dos Serviços Para Implantação do SPDA ..................................................... 54 7.3. Testes e Verificações ..................................................................................................... 58 7.4. Documentação Conforme Construído (“As Built”) ....................................................... 58 7.5. Normas da ABNT e Normas Internas............................................................................ 58 7.6. Considerações Finais ..................................................................................................... 59

8. Conclusão .............................................................................................................................. 60 9. Recomendações ..................................................................................................................... 62

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xiv

Referências Bibliográficas ............................................................................................................. 63 Anexos ........................................................................................................................................... 65

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1

Capítulo 1

1. Introdução

As descargas atmosféricas são fenômenos da natureza imprevisíveis e aleatórios que

ocorrem quando a energia acumulada em uma nuvem atinge um valor suficiente para romper a

rigidez dielétrica do ar. Essas descargas podem ocorrer da nuvem para o solo, do solo para a

nuvem ou ocorrer na própria atmosfera sem haver contato com o solo. Quando uma descarga

atmosférica envolve o solo, chama-se raio, o qual pode ser definido simplesmente como um

curto-circuito entre a nuvem e a terra. Como conseqüência dessa descarga pode-se citar o

estrondo causado pela violenta expansão do ar, que é o trovão.

Como as descargas atmosféricas não podem ser evitadas, apenas minimizados os seus

efeitos, os sistemas de detecção e de proteção contra descargas atmosféricas são de fundamental

importância para a proteção de diversos tipos de estruturas, construções ou instalações. Os

sistemas de proteção são mais utilizados do que os sistemas de detecção por serem

economicamente mais viáveis e por haver uma maior exploração de sua tecnologia há alguns

anos, por outro lado, os sistemas de detecção de descargas atmosféricas são tecnologias mais

recentes e apresentam um custo de implantação mais elevado.

No Brasil os sistemas de detecção de descargas atmosféricas estão mais restritos as

regiões sudeste, centro oeste e parte da região sul. Por estas regiões apresentarem um índice

cerâunico (indica o número de dias de trovoadas ocorridas por ano em uma localidade) mais

elevado, fica claro que é economicamente mais viável para as companhias de distribuição e

geração de energia implantar esses sistemas, pois obteriam retorno no seu investimento em pouco

tempo, já que os prejuízos causados por essas descargas são elevados. Esse sistema de detecção

pertence à Rede Integrada de Detecção de Descargas Atmosféricas (RINDAT) que possui uma

rede de sensores centrais que permitem detectar em tempo real descargas atmosféricas entre a

nuvem e o solo em aproximadamente um terço do território nacional.

Um dos objetivos desta pesquisa é tentar provar a existência de dois problemas em

algumas regiões para se implantar um Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas

(SPDA), um deles são as mudanças climáticas ocorridas nos últimos anos e o outro a poluição

nas grandes áreas metropolitanas. Todos os dois fatos influenciariam em uma mudança nos

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2

índices cerâunicos em caráter local ou global. Como a avaliação para identificar se uma

determinada estrutura requer ou não um SPDA depende deste índice, essas mudanças

influenciaram nos cálculos e conseqüentemente no resultado obtido, o que indicaria que a

estrutura não necessitaria de um SPDA quando na verdade existiria a necessidade.

Neste capítulo será abordada a justificativa para a pesquisa, além de um breve histórico

sobre os SPDA. No capítulo 2 será apresentada a fundamentação teórica com alguns conceitos

básicos sobre os raios. O capítulo 3 aborda os níveis de proteção do SPDA, suas definições,

aplicações e como deve ser feita a escolha do método mais adequado para determinada estrutura.

Já no capítulo 4 serão expostos os métodos de proteção e no capítulo 5 os subsistemas do SPDA.

O capítulo 6 apresenta a análise sobre as influências climáticas e da poluição das grandes áreas

metropolitanas sobre a implantação de um SPDA, enquanto que o capítulo 7 apresenta um

exemplo ilustrativo como estudo de caso de um projeto de um SPDA. No capítulo 8 a pesquisa é

concluída e no capítulo 9 apresenta algumas recomendações baseadas nos resultados obtidos.

1.1. Justificativa

Os SPDA são indispensáveis em construções de quase todos os tipos, sendo mais

empregadas nas áreas industriais e comercias. Em algumas regiões existem leis que determinam

que as novas instalações devam ser construídas com os sistemas de proteção contra descargas

atmosféricas e as instalações que não possuem devem se adequar para atender as exigências da

lei.

Além de ser um tema muito importante para os profissionais e para os estudantes de

engenharia elétrica, a abordagem desse tema tem grande importância para que o autor venha

adquirir maior conhecimento sobre os SPDA, colocando em prática os conhecimentos adquiridos

durante os cinco anos do curso de graduação em engenharia elétrica. Assim como, realizar uma

análise das influências climáticas nos sistemas de proteção que é um fato novo, pouco estudado,

mas de grande importância para todos aqueles que utilizam ou trabalham de forma direta ou

indireta com SPDA.

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3

1.2. Histórico

O fenômeno das descargas atmosféricas causa transtornos desde os primórdios da

humanidade, no entanto sempre foram símbolos de poder e adoração para varias culturas. Há

cerca de 2200 A.C., quando o Deus do tempo, na Babilônia, era representado nas gravuras

segurando três raios em cada mão; na Mesopotâmia, em 900 anos A.C., o mesmo Deus do tempo,

aí denominado Tesshub, aparece em gravuras segurando o seu símbolo do poder: três raios na

mão esquerda [1].

Como as antigas culturas não tinham conhecimento sobre os fenômenos naturais,

costumavam atribuir nomes às entidades que elas acreditavam comandar tais fenômenos.

Existiram milhares de entidades para explicar o mesmo fenômeno em várias partes do mundo.

Hoje conhecemos essas entidades como deuses. Entre esses muitos deuses, encontramos na

mitologia nórdica, o deus Thor. Acreditava-se que Thor cruzava os céus numa carruagem puxada

por dois bodes e quando agitava furioso, o seu martelo, produziam-se raios e trovões. A palavra

trovão, Thor-don em norueguês, significa “o rugido de Thor”. Já na mitologia grega, o deus dos

raios e trovões é Zeus. Em várias estátuas ele é representado brandindo o raio com que trovejava

[2].

Em algumas culturas acreditavam que os deuses utilizavam os raios para castigar os maus

ou os pecadores, em outras os deuses dos raios eram representados por monstros horrendos como

as grandes serpentes de algumas tribos da América do Norte, aves que ao bater as asas causavam

ventanias e o ruído dos trovões, entre outros.

Ao longo da história da humanidade pode-se encontrar vários relatos sobre os raios. Por

exemplo, na Bíblia tem-se a seguinte referência: “O fogo veio dos céus e os queimou. Dessa

forma eles morreram diante de Deus”. Cientistas, curiosos, inventores e grandes sábios sempre

buscaram soluções para se protegerem dos raios, no entanto, sabe-se que alguns dos costumes e

das invenções inusitadas não tinham embasamento científico, ou seja, não eram eficazes para

proteger as pessoas das descargas atmosféricas. O guarda-chuva pára-raios e o chapéu pára-raios

são algumas dessas invenções, ambas com um fio de cobre que ia arrastando pelo chão,

supostamente protegendo o seu portador contra os perigos dos raios.

Somente no século XVII, foram iniciadas pesquisas tentando obter informações sobre as

características elétricas dos raios. Nos EUA e na Europa, foram realizadas experiências para

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4

demonstrar o caráter elétrico dos raios, mostrando a possibilidade de captação das descargas

atmosféricas [3].

A fim de provar que os raios são descargas elétricas da natureza, o americano, cientista e

inventor Benjamin Franklin (Figura 1. 1) foi precursor de uma famosa experiência ao obter

faíscas entre um fio metálico de uma pipa que ele fez voar durante uma tempestade e objetos

metálicos aterrados, com base neste experimento Franklin inventou o pára-raios. Em seus escritos

Franklin relata que tinha conhecimento sobre os perigos e os métodos alternativos para se provar

o caráter elétrico dos raios, embora atualmente tenha sido questionado se o famoso cientista

realizou realmente a sua experiência como relata, pois desta forma seria fatal.

Figura 1. 1 - Benjamin Franklin (1706-1790) [4].

A partir de então os estudos sobre sistemas de proteção contra descargas atmosféricas

passaram a ser mais explorados e aprofundados. Atualmente existem três métodos para se

implantar um SPDA: o método Franklin (em homenagem ao inventor do pára raios), o modelo

Eletrogeométrico e o método de Faraday. Sendo que, a utilização de um dos métodos acima

definirá o nível de proteção do sistema.

Os SPDA são de fundamental importância para estabelecer a segurança das estruturas,

bem como a qualidade de suas instalações elétricas. Com isto, torna-se imprescindível que um

profissional de engenharia elétrica tenha um mínimo de conhecimento sobre seu

dimensionamento, funcionamento e manutenção, pois os sistemas de proteção contra descargas

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5

atmosféricas são indispensáveis para diversos tipos de estruturas. Exceto para algumas estruturas

que necessitam de uma análise mais elaborada para se verificar a real necessidade de implantação

de um SPDA, o que será visto nos próximos capítulos.

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6

Capítulo 2

2. Fundamentação Teórica

Como visto no capítulo 1, os fenômenos das descargas atmosféricas sempre foram frutos

de muitas lendas, mistérios, pesquisas e investigações, porém ao longo de todos esses anos de

estudo muitos fatos e fenômenos relacionados às descargas atmosféricas ainda não são

plenamente conhecidos pelo homem. O homem já conseguiu desenvolver sistemas com alta

tecnologia capazes de localizar e até prever as descargas atmosféricas embora, necessitem

aprimorar ainda mais os seus conhecimentos com o intuito de conseguirem sistemas ainda mais

eficientes na proteção, localização e detecção de descargas atmosféricas.

2.1. Formação dos Raios

Para se entender melhor os sistemas de detecção e proteção contra descargas atmosféricas

é necessário, primeiramente, entender sobre a formação das descargas atmosféricas. O tipo de

descarga atmosférica mais estudada devido ao seu caráter destrutivo é o raio, que são descargas

atmosféricas ocorridas entre a nuvem e o solo. Além das descargas nuvem-solo, elas podem

ocorrer da nuvem para qualquer ponto da atmosfera (descargas no ar), do solo para a nuvem, no

interior da nuvem ou entre nuvens. A Figura 2. 1 ilustra os diversos tipos de descargas

atmosféricas existentes na natureza.

A descarga atmosférica entre nuvens é a que apresenta uma maior probabilidade de

ocorrer, principalmente nas proximidades do equador que representam 80-90% das descargas, já

em outras latitudes esse percentual é reduzido para 50-60%. Essa relação pode ser definida pela

Equação 2. 1:

λ3cos16,216,4/ ⋅+=gn NN (2.1)

Onde Nn é a quantidade de raios entre nuvens, Ng é a quantidade de raios à terra e λ é a

latitude [1].

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Figura 2. 1 – Classificação ilustrativa dos diversos tipos de descargas atmosféricas existentes na natureza [6].

(a) nuvem-solo negativa, (b) nuvem-solo positiva, (c) solo-nuvem negativa, (d) solo-nuvem positiva,

(e) intranuvem, (f) descarga para o ar, (g) entre nuvens.

A nuvem típica que se forma durante uma tempestade, a qual é responsável pelas

descargas atmosféricas, trovões e raios, é uma nuvem composta por cristais de gelo, gotas d’água,

flocos de neve, gotas de água bastante resfriadas e granizo. Essas nuvens são conhecidas por

cúmulo-nimbo.

Existem algumas teorias para se explicar o fenômeno das descargas atmosféricas, entre

essas, as mais aceitas pelos especialistas afirmam que, durante uma tempestade, correntes

ascendentes de ar úmido formam gotas, as quais irão aumentar de tamanho, ao passo que uma

gota se choque com a outra, até que a ação da gravidade faça-as precipitarem. Considerando-se a

superfície da terra predominantemente negativa, estas gotas, por indução ficam carregadas

positivamente na parte inferior e negativamente na parte superior. As gotas grandes encontram-

se, em sua queda, com as gotas pequenas em ascensão, fornecendo lhes cargas positivas e

recebendo negativa; assim, a parte superior da nuvem torna-se positiva e a inferior negativa [5].

Este acúmulo de cargas negativas na parte inferior da nuvem gera um acúmulo de cargas

positivas no solo, logo se origina uma diferença de potencial entre a nuvem e o solo que pode

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8

chegar até 100 MV durante uma tempestade. À medida que esta diferença de potencial aumenta o

campo elétrico também aumenta, até que a rigidez dielétrica do ar seja rompida e a descarga

alcance o solo.

A rigidez dielétrica pode ser definida como a resistência de um determinado material à

condução dos elétrons, ou seja, os materiais apresentam uma característica que tende a dificultar

o deslocamento dos elétrons, esta característica é a constante dielétrica dos materiais. Na Tabela

2. 1 estão dispostas as principais constantes dielétricas dos materiais, sendo a constante do ar

adotada como referência, que possui o valor igual à unidade com um campo de ruptura de 30

kV/cm.

A ruptura do dielétrico (neste caso o ar) é precedida pela formação de um líder

descendente e um líder ascendente, os quais serão abordados na seção 4.1.

Tabela 2. 1 – Principais constantes dielétricas [7].

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

2.2. Poder das pontas

O poder das pontas pode ser descrito da seguinte maneira: as cargas tendem a se

posicionar do lado mais externo do condutor quando este é eletrizado; quando estas cargas

encontram uma área pequena e que tenham maior contato com o meio externo (as pontas) elas

tendem a se acumular no local, aumentando significativamente a densidade de cargas. Como

conseqüência, o campo elétrico próximo dessa região será bem maior do que nas outras regiões,

tornando as cargas mais instáveis nesta região devido ao aumento da força de repulsão entre as

cargas do condutor e as cargas do meio. Logo, a região estará tão densa que não suportará mais

SPDA - NBR-5419/2005


9

cargas e as cargas que forem chegando irão empurrar as cargas que estão nas extremidades para

fora do condutor que fluirão livremente para o meio.

Os pára-raios são baseados no poder das pontas, sendo propostos por Benjamin Franklin

no século XVII como será abordado na seção 4.2. Seu funcionamento pode ser observado na

Figura 2. 2, onde o pára-raios realiza a sua função, que é captar as descargas e prover um

caminho, juntamente com os outros subsistemas do SPDA, do solo à nuvem ou da nuvem ao solo

sem que esta cause danos às estruturas.

Figura 2. 2 – Descarga solo-nuvem através do pára-raios [7].

2.3. Efeito Corona

O efeito corona é resultado de um campo elétrico próximo das extremidades em

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

pontos provocando uma descarga. Se pegar um material e aproximar a ponta de um referencial

como o fio terra e aumentar gradativamente o seu potencial, percebe-se que o campo elétrico ao

redor da ponta aumentará expressivamente e este começara a se descarregar [7].

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10

2.4. Tensão Induzida

Um dos grandes problemas a serem solucionados pelos projetistas de um SPDA são as

tensões induzidas, que causam grandes transtornos e prejuízos nos sistemas elétricos e de

telecomunicações. A tensão induzida, espécie de indução eletromagnética, pode ser explicada

através da lei da indução de Faraday, a qual afirma que será induzida uma força eletromotriz

(f.e.m.) em um condutor quando o número de linhas de campo magnético que atravessa o

condutor estiver variando, o que conseqüentemente terá uma corrente induzida como pode ser

observado na Figura 2. 3.

Figura 2. 3 - Campo eletromagnético gerado pela passagem de corrente [3].

Como no caso das descargas atmosféricas as correntes atingem valores muito elevados,

conseqüentemente as induções eletromagnéticas provocadas também serão grandes, chegando a

atingir centenas de metros a partir do ponto de impacto da descarga. Este fenômeno ocorre

sempre que uma descarga atmosférica atinge o solo ou uma edificação, protegida, ou não [3].

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11

Conforme a NBR-5419/2005 o melhor método para se evitar as induções

eletromagnéticas é o método da gaiola de Faraday (ver seção 4.3), o qual minimiza os efeitos

danosos das induções geradas pelas descargas atmosféricas através da blindagem eletrostática do

volume a proteger. Porém deve ser evitada a instalação de condutores em paralelo muito próximo

dos condutores do SPDA, pois estes poderão gerar tensões induzidas nos condutores adjacentes

através do campo gerado pela passagem da corrente elétrica, ver Figura 2. 3.

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12

Capítulo 3

3. Níveis de Proteção

O grau de eficiência requerido de um SPDA em determinadas aplicações, e/ou a

probabilidade que esta estrutura tem de ser atingida por uma descarga atmosférica são os

parâmetros que define o nível de proteção de um SPDA. Uma vez seguidos os critérios da norma

NBR-5419/2005 para cada um dos níveis de proteção, e obedecidos os dimensionamentos

recomendados para as distâncias e para os materiais, são as seguintes as eficiências globais

teóricas esperadas para cada nível de proteção [1]:

Tabela 3.1 - Nível de proteção e a eficiência de um SPDA [1, 5].

Nível de proteção Riscos Eficiência I Risco muito elevado 98% II Risco elevado 95% III Risco normal 90% IV Baixo risco 80%

Estruturas contendo explosivos ou materiais inflamáveis, tais como tanques de

armazenamento de combustíveis, requerem um nível mais alto de proteção, ou seja, requerem a

maior eficiência possível para o SPDA. Maiores detalhes sobre a determinação da proteção

desses tipos de estruturas estão disponíveis no Anexo A da NBR-5419/2005. Todavia, outros

tipos de estruturas, necessitam de uma avaliação prévia para se determinar se existe necessidade

de instalação de um SPDA. Porém, em locais de grande afluência de público, em estruturas

isoladas com altura superior a 25 m e áreas com alta densidade de descargas atmosféricas são

alguns dos casos em que, é clara a necessidade de um SPDA sem precisar de avaliação previa.

Neste capítulo será abordado o método normalizado pela NBR-5419/2005 para determinar

se uma estrutura necessita ou não de um SPDA e como determinar o nível de proteção para o

SPDA que atuará em uma determinada estrutura. Para chegar até este objetivo, serão necessários

alguns fatores e parâmetros como a área de exposição equivalente da estrutura (Ae), a densidade

de descargas atmosféricas para a terra (Ng) e a probabilidade anualmente de queda de raios sobre

uma estrutura (Nd). Além dos fatores de ponderação indicados nas Tabelas 3.2 a 3.6.

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Tabela 3. 2 - Fator A: Tipo de ocupação da estrutura [8].

Tipo de Ocupação Fator A

Casas e outras estruturas de porte equivalente 0,3

Casas e outras estruturas de porte equivalente com antena externa (1) 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

(1) Para requisitos para instalação de antenas, ver Anexo A da NBR-5419/2005

Tabela 3. 3 - Fator B: Tipo de construção da estrutura [8].

Tipo de Construção Fator B

Estrutura de aço revestida, com cobertura não-metálica (1) 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

(1) Estruturas de metal aparente que sejam contínuas até o nível do solo estão excluídas desta tabela, porque requerem apenas um subsistema de aterramento.

Tabela 3. 4 - Fator C: Conteúdo da estrutura e efeitos indiretos das descargas atmosféricas [8].

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 (1) 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

1) Instalação de alto valor ou materiais vulneráveis a incêndios e às suas conseqüências.

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Tabela 3. 5 - Fator D: Localização da estrutura [8].

Localização Fator D

Estrutura localizada 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 3. 6 - Fator E: Topografia da região [8].

Topografia Fator E

Planície 0,3

Elevações moderadas, colinas 1,0

Montanhas entre 300 m e 900 m 1,3

Montanhas acima de 900 m 1,7

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, conforme a Figura 3. 1. Sendo L o

comprimento da estrutura, W a largura e H a altura, pode-se determinar Ae através da Equação

3.1:

2e H HW2 HL2 W L A ⋅+⋅⋅+⋅⋅+⋅= π [m2] (3.1)

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Figura 3. 1 - Delimitação da área de exposição equivalente (Ae) - Estrutura vista de planta [8].

Para se determinar a densidade de descargas atmosféricas para a terra (Ng), que é o

número de raios para a terra por quilômetros quadrados por ano, pode-se utilizar a Equação 3.2,

onde Td é o índice cerâunico (número médio de dias de trovoada por ano), obtido de mapas

isocerâunicos conforme o exemplo do mapa isocerâunico do Brasil na Figura 3. 2.

1,25dg T . 0,04 N = km2/ano][por (3.2)

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Figura 3. 2 - Mapa de curvas isocerâunicas – Brasil [8].

A freqüência média anual admissível de danos por descargas atmosféricas (Nc) em uma

determinada estrutura apresenta valores adotados internacionalmente para riscos maiores que 10-3

por ano, os quais são considerados inaceitáveis. Já para riscos menores do que 10-5 por ano são

considerados aceitáveis.

Então, de posse dos valores de Ae, Ng e dos valores de Nc como referência, determina-se a

freqüência média anual previsível (Nd) de descargas atmosféricas sobre uma estrutura, que é dada

pela Equação 3.3:

-6egd 10 . A . N N =

][raios/ano (3.3)

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

podem atingir uma estrutura, o passo seguinte é a aplicação dos fatores de ponderação indicados

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nas Tabelas 3.2 a 3.6. Multiplica-se o valor de Nd pelos fatores pertinentes e compara-se o

resultado com a freqüência admissível de danos Nc, conforme o seguinte critério:

i) se Nd ≥ 10-3, a estrutura requer um SPDA;

ii) se 10-3 > Nd > 10-5, a conveniência de um SPDA deve ser decidida por acordo entre projetista e

usuário;

iii) se Nd ≤ 10-5, a estrutura dispensa um SPDA [8].

O método aqui apresentado destina-se a orientar uma avaliação que, em certos casos, pode

ser difícil. Se o resultado obtido for consideravelmente menor que 10-5 e não houver outros

fatores preponderantes, a estrutura dispensa proteção. Se o resultado obtido for maior que 10-5,

por exemplo, 10-4, devem existir razões bem fundamentadas para não instalar um SPDA [8].

3.1. A Escolha do Nível de Proteção

A escolha do nível de proteção adequado deve ser baseada nas características e

necessidades da estrutura a ser protegida, por exemplo, se a estrutura tem uma grande afluência

de pessoas ou não, se abriga produtos ou materiais inflamáveis, se na instalação funcionam

serviços que não podem ser interrompidos, tais como hospitais e prisões. Esses níveis são

designados da seguinte maneira:

Nível I - Destinado às estruturas nas quais uma falha do sistema de proteção pode causar

danos às estruturas vizinhas ou ao meio ambiente [1].

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 a

estrutura ou seu conteúdo; incluem-se também aqueles casos de estruturas com grande

aglomeração de público, havendo, portanto, risco de pânico [1].

Nível III - Destinados às estruturas de uso comum, como residências, escritórios, fábricas

(excluindo aquelas com áreas classificadas) e outras [1].

Nível IV - Destinados às estruturas construídas de material não inflamável, com pouco

acesso de pessoas, e com conteúdo não inflamável [1].

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A Tabela 3. 7 apresenta exemplos de classificação dos níveis de proteção, levando em

consideração o tipo das estruturas e os efeitos das descargas atmosféricas.

Tabela 3. 7 - Exemplo de classificação das estruturas [8].

Classificação da estrutura

Tipo da estrutura Efeitos das descargas atmosféricas Nível de proteção

Estruturas comuns (1)

Residências

Perfuração da isolação de instalações elétricas, incêndio, e danos materiais Danos normalmente limitados a objetos no ponto de impacto ou no caminho do raio

III

Fazendas, estabelecimentos agropecuários

Risco direto de incêndio e tensões de passo perigosas Risco indireto devido à interrupção de energia e risco de vida para animais devido à perda de controles eletrônicos, ventilação, suprimento de alimentação e outros

III ou IV (2)

Teatros, escolas, lojas de departamentos, áreas esportivas e igrejas

Danos às instalações elétricas (por exemplo: iluminação) e possibilidade de pânico Falha do sistema de alarme contra incêndio, causando atraso no socorro

II

Bancos, companhias de seguro, companhias comerciais, e outros

Como acima, além de efeitos indiretos com a perda de comunicações, falhas dos computadores e perda de dados

II

Hospitais, casa de repouso e prisões

Como para escolas, além de efeitos indiretos para pessoas em tratamento intensivo e dificuldade de resgate de pessoas imobilizadas

II

Indústrias Efeitos indiretos conforme o conteúdo das estruturas, variando de danos pequenos a prejuízos inaceitáveis e perda de produção

III

Museus e locais arqueológicos

Perda de patrimônio cultural insubstituível II

Estruturas com risco confinado

Estações de telecomunicação, usinas elétricas Indústrias

Interrupção inaceitável de serviços públicos por breve ou longo período de tempo. Risco indireto para as imediações devido aos incêndios, e outros com risco de incêndio

I

Estruturas com risco para os arredores

Refinarias, postos de combustível, fábricas de fogos, fábricas de munição

Risco de incêndio e explosão para a instalação e seus arredores

I

Estruturas com risco para o meio ambiente

Indústrias químicas, usinas nucleares, laboratórios bioquímicos

Risco de incêndio e falhas de operação, com conseqüências perigosas para o local e para o meio ambiente

I

1) ETI (equipamentos de tecnologia da informação) podem ser instalados em todos os tipos de estruturas, inclusive estruturas comuns. É impraticável a proteção total contra danos causados pelos raios dentro destas estruturas; não obstante, devem ser tomadas medidas (conforme a NBR 5410) de modo a limitar os prejuízos a níveis aceitáveis

2) Estruturas de madeira: nível III; outras estruturas nível IV. Estruturas contendo produtos agrícolas potencialmente combustíveis (pós de grãos) sujeitos a explosão são considerados com risco para arredores.

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Como será visto nos próximos capítulos, existem casos em que não há necessidade de se

realizar uma análise nem fazer cálculos para chegar à conclusão de que a estrutura necessita do

nível mais alto de proteção devido ao seu risco eminente. Existem algumas localidades, em que a

legislação obriga o uso de SPDA para determinados tipos de estruturas, porém se nesses casos for

constatado através de cálculos ou análises técnicas que a estrutura não necessita de proteção,

deverá ser adotado o nível de menor eficiência (Nível IV) a esta estrutura.

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20

Capítulo 4

4. Métodos de Proteção

Os métodos de proteção são maneiras diferentes de se captar as descargas atmosféricas,

visto que, os subsistemas de descida e aterramento são os mesmos. A NBR-5419/2005 reconhece

três métodos de captação das descargas atmosféricas: Modelo Eletrogeométrico, Método de

Franklin e o método da Gaiola de Faraday.

Basicamente existem dois princípios para se captar os raios, onde um deles é utilizado

pelos métodos Franklin e Eletrogeométrico. Este método utiliza-se de condutores suspensos ou

hastes metálicas verticais denominadas de terminais aéreos (pára-raios), já o outro princípio

utilizado pelo método Faraday, dispõe de condutores horizontais não-suspensos que formam uma

malha apoiada na estrutura, como apresentado na Figura 4. 5.

Os métodos Franklin e Eletrogeométrico diferem quanto ao modelo matemático utilizado:

o método Franklin é baseado apenas em observações, enquanto que o método Eletrogeométrico

utiliza um modelamento estudado e comprovado nas linhas de transmissão e subestações. A

tendência mundial é o desaparecimento do método Franklin, mantido em algumas normas apenas

para facilitar uma evolução gradual para o método Eletrogeométrico; alguns países já não mais

utilizam o método Franklin (notadamente, Estados Unidos e Dinamarca) [1].

4.1. Modelo Eletrogeométrico

Também conhecido como método da esfera rolante ou fictícia é bastante indicado para

estruturas com formas arquitetônicas complexas ou com grandes alturas, sendo baseados em

estudos realizados a partir da medição dos parâmetros dos raios, de registros fotográficos, em

técnicas de simulação, ensaios de laboratórios e modelagem matemática. Inicialmente, este

método surgiu com a necessidade de um modelo para se aplicar às linhas de transmissão, sendo

depois adaptado para atender as estruturas.

Nas descargas nuvem-solo negativa, que são as mais perigosas, o raio é precedido por um

canal ionizado descendente (líder), que se desloca no espaço em saltos sucessivos de algumas

SPDA - NBR-5419/2005


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dezenas de metros. À medida que avança, o líder induz na superfície da terra uma carga elétrica

crescente de sinal contrário. Com a aproximação do líder, o campo elétrico na terra torna-se

suficientemente intenso para dar origem a um líder ascendente (receptor), que parte em direção

ao primeiro. O encontro de ambos estabelece o caminho da corrente do raio (corrente de retorno),

que então se descarrega através do canal ionizado [8]. Esse encontro entre o líder descendente e o

líder ascendente ocorrerá quando a diferença de potencial entre a nuvem e a terra, ou entre a

nuvem e um objeto aterrado atingir um nível suficientemente alto para romper a rigidez dielétrica

do ar.

A esfera fictícia, pela qual também é conhecido o modelo Eletrogeométrico, representa

uma esfera de centro na extremidade do líder descendente e raio igual ao comprimento de todos

os saltos antes do ultimo, onde sua superfície representa o lugar geométrico dos pontos a serem

atingidos pela descarga atmosférica. A distância R (ver Figura 4. 1) pode ser definida como o

comprimento do último trecho a ser vencido pelo líder descendente, sendo que esse comprimento

será igual ao raio da semi-esfera fictícia que simulam os pontos a serem atingidos pela descarga.

Figura 4. 1 – Conceito da distância R (raio da esfera fictícia) [8].

Conforme a NBR-5419/2005, a distância R entre o ponto de partida do líder ascendente e

a extremidade do líder descendente é o parâmetro utilizado para posicionar os captores segundo o

modelo Eletrogeométrico. Seu valor é dado pela Equação 4.1.

SPDA - NBR-5419/2005


22

( ).1302 .máxI

máx eIR −−+⋅= (4.1)

R – dado em metros;

Imáx. - o valor de crista máximo do primeiro raio negativo, em kA [8].

Podem ser visualizados na Tabela 4. 1 os valores de R em função do nível de proteção

exigido. Já a Tabela 4. 2 apresenta os valores de crista da corrente do raio (Imáx) conforme o

comprimento R.

Tabela 4. 1 - Posicionamento do captor conforme o nível de proteção [8].

Nível de proteção R (m) I 20 II 30 III 45 IV 60

Tabela 4. 2 - Distância R em função da corrente (Imáx.) [8].

Nível de proteção Distância R Valor de crista de Imáx. (m) (kA) I 20 3,7 II 30 6,1 III 45 10,6 IV 60 16,5

4.1.1. Determinação do Volume de Proteção

O procedimento para se determinar o volume a ser protegido por um captor com h < R

pode ser acompanhado através da Figura 4. 2, sendo h a altura do captor e R o raio da esfera

fictícia. Inicialmente, traça-se uma reta paralela ao plano do solo com altura R, em seguida traça-

se um arco de circunferência com o centro no topo do captor com raio igual a R, encontrando a

intersecção entre a reta e o arco de circunferência denominado de ponto P. Logo após, com o

centro em P e com o mesmo raio R traça-se um arco de circunferência passando pelo topo do

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captor até o solo. Então, como existe uma simetria, basta girar a figura em 360º que se obterá o

volume de proteção delimitado pela área A para um captor com h < R. Para se determinar o

volume de proteção por um captor com altura maior que o raio de atração ver o Anexo C da

NBR-5419/2005.

Figura 4. 2 – Volume de proteção do captor h < R [8].

Ao invés de uma haste vertical for utilizado um condutor horizontal suspenso, basta

replicar o arco de circunferência com centro em P para o lado oposto de maneira simétrica e

deslocar a figura na direção perpendicular ao plano de terra e paralelo ao condutor que se obterá o

volume de proteção em forma de uma tenda conforme a Figura 4. 3. Em ambos os casos a

estrutura a ser protegida deverá estar locada dentro do volume de proteção para não ser atingida

por uma descarga atmosférica.

CONDUTOR HORIZONTAL SUSPENSO

Figura 4. 3 – Volume de proteção por um condutor horizontal suspenso.

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4.2. Método de Franklin

Também conhecido como método do ângulo de proteção, consiste em se determinar o

volume de proteção propiciado por um cone, cujo ângulo de geratriz com a vertical varia segundo

o nível de proteção desejado e para uma determinada altura de construção [5]. Na Tabela 4. 3

pode se obter o ângulo de proteção contra as descargas atmosféricas para diversas alturas de

construção.

Este método foi proposto por Benjamin Franklin quando pela primeira vez foi colocada

uma ponta metálica com contato com a terra de 2,5 a 3 m acima de uma casa, na qual ele

acreditava que ela deveria descarregar silenciosamente a nuvem antes que ocorresse o raio (o que

se sabe atualmente que não é verdade) ou conduzir a descarga atmosférica para a terra, sem que a

estrutura sofresse danos. Esta segunda hipótese estava certa, sendo até os dias de hoje a base do

sistema de proteção pelo método do ângulo de proteção.

Tabela 4. 3 - Posicionamento de captores conforme o nível de proteção [8].

Ângulo de proteção (α) - método Franklin, em função da altura do captor (h) (ver Nota 1) e do nível de proteção Largura do

módulo da malha

(ver Nota 2) (m)

Nível de proteção h (m)

0 - 20 m 21 m - 30 m 31 m - 45 m 46 m - 60 m > 60 m R (m)

I 20 25º 1) 1) 1) 2) 5

II 30 35º 25º 1) 1) 2) 10 III 45 45º 35º 25º 1) 2) 10

IV 60 55º 45º 35º 25º 2) 20

R = raio da esfera rolante 1) Aplicam-se somente os métodos Eletrogeométrico, malha ou gaiola de Faraday. 2) Aplica-se somente o método da gaiola de Faraday. NOTAS 1 Para escolha do nível de proteção, a altura é em relação ao solo e, para verificação da área protegida, é em relação ao plano horizontal a ser protegido 2 O módulo da malha deverá constituir um anel fechado, com o comprimento não superior ao dobro da sua largura.

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4.2.1. Determinação do Volume de Proteção

O volume de proteção do método Franklin é semelhante ao do modelo Eletrogeométrico,

sendo um cone com ângulo no vórtice igual ao ângulo de proteção para as hastes verticais e para

os condutores horizontais suspensos um volume semelhante ao da Figura 4. 3. Para saber se uma

estrutura está totalmente protegida por um captor no método Franklin deve-se verificar se toda a

estrutura está dentro do volume de proteção dos condutores horizontais suspensos ou das hastes

verticais.

Alguns parâmetros do SPDA podem ser observados através da Figura 4. 4, onde α é o

ângulo de proteção para o método Franklin, h a altura do captor e R o raio da esfera fictícia para

o método Eletrogeométrico. Considerando como Rb o raio da circunferência que forma a base do

cone do volume de proteção, para o caso de hastes verticais, pode-se definir a área protegida pela

haste através da Equação 4.2:

αtghRb ⋅= (4.2)

Figura 4. 4 – Parâmetros e volumes de proteção do SPDA [8].

Deve ser observado através da Figura 4. 4 que, quando for necessário avaliar se o teto de

uma edificação está sendo protegido pelo captor, a altura h deve ser considerada como a distância

entre a ponta da haste e o plano do teto. Caso seja considerada a distância entre a ponta da haste e

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o solo, a haste poderá está protegendo apenas a base da estrutura e deixando desprotegida parte

da estrutura, como as extremidades do teto.

4.3. Método da Gaiola de Faraday

Este método consiste em dispor por todos os lados do volume a ser protegido uma malha

de condutores fixados na estrutura, sendo baseado na teoria de Faraday, na qual o campo no

interior de uma gaiola formada por condutores que conduzem uma corrente qualquer é nulo,

independente do valor da corrente. No entanto, para que o campo seja nulo é necessário que a

corrente se distribua uniformemente por toda a gaiola, além do que o campo é nulo exatamente

no centro da gaiola, nas proximidades dos condutores haverá um campo que poderá gerar tensões

induzidas em outros condutores que estiverem em paralelo com os condutores da malha.

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

proteção desejado: quanto menor a distância entre os condutores da malha melhor será a proteção

obtida. Para obter os mesmos níveis de proteção do método Franklin, foi fixada pela norma

européia IEC-61024-I as distâncias mínimas com os respectivos níveis de proteção conforme a

Tabela 4. 4. Na Figura 4. 5 “A” representa a largura da malha, enquanto que “B” representa a

distancia entre os terminais aéreos.

A IEC-61024-I apenas fixou as medidas da largura da malha, no entanto é comum adotar

o comprimento como sendo igual a 1.5 a 2 vezes a largura. Com isso a NBR-5419/2005 fixou as

medidas do comprimento de acordo com a Tabela 4. 5.

Tabela 4. 4 – Distância entre os condutores da malha no método de Faraday [1].

Nível de Proteção Distancia (m) I 5 II 10 III 10 IV 20

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Tabela 4. 5 - Dimensões da malha do método Faraday [1].

Nível de proteção Largura máx. da malha

Comprimento da malha

I 5 <10 II 10 <20 III 10 <20 IV 20 <40

Figura 4. 5 – Malha do método Faraday sobre a estrutura [9].

4.4. A Escolha do Método

Está é uma das decisões mais importantes ao se dimensionar um SPDA, devem ser

levados em consideração diversos fatores como nível de proteção requerido, altura da estrutura,

viabilidade técnica e econômica, entre outros. Devendo atender todos estes parâmetros, mas

primeiramente atender as exigências normativas.

Ao comparar o método Eletrogeométrico com o método Franklin os autores do livro

Proteção Contra Descargas Atmosféricas, Duílio Leite e Carlos Leite, comprovam através de

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28

cálculos no capítulo 15 que o método Eletrogeométrico tem uma eficiência maior do que o

método Franklin, o que contribui ainda mais para o desaparecimento deste método.

No entanto, ao se fazer comparação entre o método da gaiola de Faraday e o método

Eletrogeométrico chega-se à conclusão de que na maioria dos casos o método Faraday apresenta

maiores vantagens quando empregado em uma mesma proteção que o método Eletrogeométrico.

Algumas dessas vantagens são melhor estética, menor geração de campos no interior das

estruturas, menor custo quando implementado em pequenas construções, porém para construções

maiores o método Eletrogeométrico apresenta-se mais econômico.

Recomenda-se a utilização, independente do método de proteção, de hastes verticais nas

junções e ao longo dos condutores da malha de proteção distanciadas por cerca de 5 a 8 m, o

comprimento mínimo das hastes verticais deve ser de 30 cm. Esta técnica deve ser empregada

para evitar a possibilidade dos condutores da malha serem danificados no ponto de impacto.

Deve-se ressaltar ainda que, partes metálicas existentes no teto como mastros, escadas,

beirais, antenas ou qualquer tipo de estrutura metálica deverão ser interligadas aos condutores do

SPDA mais próximos, desde que atendam as exigências da Tabela 5. 1 e da Tabela 5. 2. Caso não

atendam essas exigências, deverão estar sobre a proteção de quaisquer captores.

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29

Capítulo 5

5. Subsistemas do SPDA

Uma vez constatada a necessidade da proteção de uma dada estrutura e determinado o

nível de proteção a ser utilizado, temos algumas alternativas a serem analisadas e uma dada

seqüência de cálculos a serem executados para se obter, finalmente, o projeto mais adequado,

tanto do ponto de vista técnico quanto do estético e de custo [1].

O projetista de um SPDA tem três grandes desafios a serem vencidos, pois o projeto

deverá atender aos três pontos de vista citados anteriormente. Ou seja, do ponto de vista técnico o

SPDA deverá ser o mais eficiente possível protegendo toda a estrutura, as instalações no seu

aspecto físico, bem como as pessoas no interior da estrutura. Do ponto de vista estético o projeto

não deve comprometer muito a arquitetônica da estrutura e do ponto de vista econômico deve

apresentar o menor custo possível.

Para que o SPDA apresente eficiência, boa estética e baixo custo, necessário se faz que o

sistema de proteção seja planejado desde a fase de projeto da instalação a ser protegida, caso isso

não ocorra para manter a mesma eficiência o projetista terá que abrir mão dos outros dois pontos

de vista, pois quanto mais tarde começar a se pensar no sistema de proteção maior será o custo do

projeto e serão inevitáveis os prejuízos à estética da instalação. A relação de tempo e custo pode

ser expressa pelo gráfico de escala arbitrária da Figura 5. 1, onde Co é o menor custo (se o

planejamento da implantação do SPDA começar junto com o projeto) e Cm o maior custo (se o

planejamento da implantação do SPDA começar quando a estrutura já estiver pronta).

Esses conflitos entre eficiência, estética e custo podem ser evitados desde que seja

montada uma equipe para realizar o projeto de toda a instalação, na qual o engenheiro eletricista

responsável pelo sistema de proteção tenha contato direto com o engenheiro civil e o arquiteto da

instalação. Desta forma poderá ser prevista a utilização da estrutura civil no sistema de proteção,

conforme a NBR-5419/2005, reduzindo os custos e mantendo uma boa aparência estética da

instalação. Quanto maior for o uso dos componentes naturais tanto mais econômico, mais estético

e mais eficiente será o sistema de proteção [1].

Outro problema ocasionado com a demora da tomada da decisão de se implantar um

SPDA e o seu conseqüente aumenta de custo é o fato da empresa Contratada para implantar o

SPDA - NBR-5419/2005


30

sistema ter que buscar soluções para não aumentar os custos de execução da instalação, o que

poderá interferir na eficiência do SPDA, além do aumento do tempo estimado para execução da

obra.

CUSTO

TEMPO

Co

Cm

Figura 5. 1 - Custo da proteção em função do tempo de tomada da decisão [1].

Independente do nível de proteção ou do método adotado um SPDA possui três

subsistemas de componentes:

Subsistema captor;

Subsistema de descida;

Subsistema de aterramento.

Esses subsistemas serão abordados a seguir, citando tópicos como características,

composição, construção e dimensionamento baseados na norma NBR-5419/2005.

5.1. Subsistema Captor

Pode ser definido como a parte do SPDA externo destinado a interceptar as descargas

atmosféricas, ou seja, tem a função de receber os raios, reduzindo ao mínimo a probabilidade da

estrutura ser atingida. A depender do método de proteção adotado os captores poderão ser hastes

(Método Franklin ou Modelo Eletrogeométrico), condutores horizontais que percorrem todo o

perímetro da construção formando malhas ou anéis (Gaiola de Faraday), além de captores

SPDA - NBR-5419/2005


31

naturais, tais como mastros, tubos e tanques metálicos, postes, entre outros elementos condutores

salientes nas coberturas.

Os elementos condutores expostos devem ser analisados para certificar se as suas

características são compatíveis com os critérios estabelecidos para elementos captores. Elementos

condutores expostos que não possam suportar o impacto direto do raio devem ser colocados

dentro da zona de proteção de captores específicos, integrados ao SPDA [8].

No dimensionamento deve ser considerado que o captor sofrerá grandes esforços no ponto

de impacto, devendo o captor ser construído com um material que apresente alto ponto de fusão e

alta resistência mecânica. Além de suportar os esforços eletromecânicos conseqüentes das

descargas atmosféricas e a corrosão oriunda dos agentes atmosféricos.

5.1.1. Captores Naturais

Captores naturais são todos os elementos pertencentes à estrutura que sejam condutores e

estejam expostos, os quais do ponto de vista físico possam ser atingidos por descargas

atmosféricas. Estes elementos devem ser considerados como parte do SPDA. Segundo a NBR-

5419/2005 um elemento condutor exposto para ser considerado como captor natural deverá

satisfazer as seguintes condições:

i) a espessura do elemento metálico não deve ser inferior a 0,5 mm ou conforme indicado na

Tabela 5. 1, quando for necessário prevenir contra perfurações ou pontos quentes no volume a

proteger;

ii) a espessura do elemento metálico pode ser inferior a 2,5 mm, quando não for importante

prevenir contra perfurações ou ignição de materiais combustíveis no volume a proteger;

iii) o elemento metálico não deve ser revestido de material isolante (não se considera isolante

uma camada de pintura de proteção, ou 0,5 mm de asfalto, ou 1 mm de PVC);

iv) a continuidade elétrica entre as diversas partes deve ser executada de modo que assegure

durabilidade;

v) os elementos não-metálicos acima ou sobre o elemento metálico podem ser excluídos do

volume a proteger (em telhas de fibrocimento, o impacto do raio ocorre habitualmente sobre os

elementos metálicos de fixação).

SPDA - NBR-5419/2005


32

Tabela 5. 1 - Espessuras mínimas dos componentes do SPDA [8].

Dimensões em milímetros Material Captores Descidas Aterramento

NPQ NPF PPF Aço galvanizado a quente 4 2,5 0,5 0,5 4

Cobre 5 2,5 0,5 0,5 0,5 Alumínio 7 2,5 0,5 0,5 - Aço Inox 4 2,5 0,5 0,5 5

NPQ – não gera ponto quente; NPF – não perfura; PPF - pode perfurar.

Tabela 5. 2 - Seções mínimas dos materiais do SPDA [8].

Material Captor e anéis intermediários

mm2

Descidas (para estruturas de altura até

20m) mm2

Descidas (para estruturas de altura

superior a 20m) mm2

Eletrodo de aterramento

mm2

Cobre 35 16 35 50

Alumínio 70 25 70 -

Aço galvanizado a quente ou embutido em concreto

50 50 50 80

5.2. Subsistema de Descidas

Depois da descarga atmosférica ser interceptada pelos captores tem-se a necessidade de

um caminho para a corrente até o subsistema de aterramento que apresente baixa resistência, alta

capacidade térmica para suportar o calor gerado pela passagem da corrente, resistência mecânica

para suportar os esforços eletromecânicos e suportabilidade a corrosão. Este caminho é

denominado de subsistema de descida.

Um subsistema de descida eficiente deve reduzir ao mínimo a ocorrência de campos

eletromagnéticos perigosos no interior do volume a ser protegido, assim como a probabilidade de

descargas laterais.

Estruturas metálicas de torres, postes e mastros, assim como as armaduras de aço

interligadas de postes de concreto, constituem descidas naturais até a base das mesmas,

dispensando a necessidade de condutores de descida paralelos ao longo da sua extensão [8]. Além

de pilares metálicos da estrutura, elementos da fachada como perfis e suportes metálicos, desde

SPDA - NBR-5419/2005


33

que suas seções sejam no mínimo iguais às especificadas para condutores de descidas conforme

Tabela 5. 1, também poderão ser utilizados como condutores de descida naturais.

Os condutores de descida devem ser dispostos de modo que a corrente percorra diversos

condutores em paralelo e o comprimento desses condutores seja o menor possível, a fim de

diminuir o risco de centelhamento perigoso. De acordo com a NBR-5419/2005 o espaçamento

entre as estruturas metálicas do volume a ser protegido e os condutores do subsistema de descida

deve ser superior a 2 m. Deverão ser previstas também as seguintes quantidades mínimas de

condutores de descida, conforme o tipo de subsistema captor:

i) um ou mais mastros separados - um condutor de descida para cada mastro (não condutor);

ii) um ou mais condutores horizontais separados - um condutor de descida na extremidade de

cada condutor horizontal;

ii) rede de condutores - um condutor de descida para cada estrutura de suporte (não condutora).

Tabela 5. 3 – Espaçamento médio dos condutores de descida não naturais conforme o nível de proteção [8].

Nível de Proteção Espaçamento médio (m)

I 10

II 15

III 20

IV 25

A Tabela 5. 3 apresenta o espaçamento médio dos condutores de descida não naturais que

deverão ser distribuídos de forma uniforme ao longo do perímetro do volume a ser protegido,

sendo que seus espaçamentos não devem ser superiores aos espaçamentos médios indicados nesta

tabela conforme os níveis de proteção. Deverão ser instaladas duas descidas, caso o número

mínimo de condutores for menor que dois.

Devem ser evitada a instalação de condutores de descida não naturais, muito próximo de

portas, janelas ou outras aberturas, respeitando uma distância mínima de 0,5 m e fixados a cada 1

m de percurso.

Condutores horizontais devem interligar os condutores de descidas ao longo do volume a

proteger, formando anéis. O anel de aterramento, o mais importante, deve ser o primeiro e na

impossibilidade deste, um anel no máximo a 4 m acima do nível do solo e outros a cada 20 m de

altura.

SPDA - NBR-5419/2005


34

Deve-se prover o trajeto mais curto e direto para a terra através de condutores de descida

retilíneos e verticais. Devem ser evitados os laços de acordo com a Figura 5. 2, porém em

situações que isto seja inevitável deve-se obedecer a certas restrições em relação a distancia de

separação (s) entre os condutores e o comprimento (l) entre esses dois pontos para se evitar que

centelhamentos perigosos venham ocorrer. A distância de separação (s) entre os condutores do

SPDA e as instalações metálicas, massas, e condutores do sistema elétricos de potência e de sinal,

deve ser aumentada com relação à distância de segurança d:

ds ≥

)(mlk

kkd

m

ci ⋅⋅=

(5.1)

Onde:

Ki - depende do nível de proteção escolhido (Ver Tabela 5. 4); kc - depende da configuração dimensional (Ver Figura 5. 3, 5.4 e 5.5); km - depende do material de separação (Ver Tabela 5. 5); l(m) - é o comprimento do condutor de descida, em metros, compreendido entre o

ponto em que se considera a proximidade e o ponto mais próximo da ligação eqüipotencial.

S = distância de separação l = comprimento do condutor

Figura 5. 2 - Laço formado por um condutor de descida [8].

SPDA - NBR-5419/2005


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Tabela 5. 4 – Proximidade do SPDA com as instalações - Valores do coeficiente Ki [8].

Nível de proteção Ki I 0,1 II 0, 075

III – IV 0,05

Tabela 5. 5 – Proximidade do SPDA com as instalações - Valores do coeficiente Km [8].

Material Km Ar 1

Sólido 0,5

S = distância de separação l = comprimento do condutor de descida

Figura 5. 3 - Proximidade do SPDA com as instalações – Valor do coeficiente Kc numa configuração unidimensional [8].

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36


Figura 5. 4 - Proximidade do SPDA com as instalações – Valor do coeficiente Kc numa configuração bidimensional [8].


Figura 5. 5 - Proximidade do SPDA com as instalações – Valor do coeficiente Kc numa configuração tridimensional [8].

Cada condutor de descida (com exceção das descidas naturais ou embutidas) deve ser

provido de uma conexão de medição, instalada próxima do ponto de ligação ao eletrodo de

SPDA - NBR-5419/2005


37

aterramento. A conexão deve ser desmontável por meio de ferramenta, para efeito de medições

elétricas, mas deve permanecer normalmente fechada [8].

5.3. Subsistema de Aterramento

O subsistema de aterramento é o coração do SPDA, ele tem a função de dissipar no solo

as correntes das descargas atmosféricas recebidas através do subsistema de descida sem causar

tensões de passo perigosas, mantendo baixa a queda de tensão na resistência de terra. Se o

aterramento for mal dimensionado todo o trabalho do subsistema captor e do subsistema de

descida será em vão, pois a corrente não fluirá para ao solo através dos eletrodos de aterramento e

buscará caminhos mais fáceis para chegar até o solo, o que poderá causar danos às instalações a

serem protegidas, além de riscos de vida aos ocupantes das instalações.

Para assegurar a dispersão da corrente de descarga atmosférica na terra sem causar

sobretensões perigosas, o arranjo e as dimensões do subsistema de aterramento são mais

importantes que o próprio valor da resistência de aterramento. Entretanto, recomenda-se, para o

caso de eletrodos não naturais, uma resistência de aproximadamente 10 Ω, como forma de

reduzir os gradientes de potencial no solo e a probabilidade de centelhamento perigoso. No caso

de solo rochoso ou de alta resistividade, poderá não ser possível atingir valores próximos dos

sugeridos. Nestes casos a solução adotada deverá ser tecnicamente justificada no projeto [8].

No subsistema de aterramento os condutores são denominados de eletrodos, os quais são

os elementos responsáveis pela dissipação da corrente na terra. Podem ser utilizados de diferentes

modos, tais como: condutores em anel, hastes verticais ou inclinadas, condutores horizontais

radiais ou aterramento natural pelas fundações. As armaduras de aço embutidas nas fundações

das estruturas devem ser utilizadas como eletrodos naturais desde que satisfaçam algumas

condições, como descritas na NBR-5419/2005. Algumas dessas restrições são as seguintes:

i) as armaduras de aço das estacas, dos blocos de fundação e das vigas baldrame devem ser

firmemente amarradas com arame recozido em cerca de 50% de seus cruzamentos ou soldadas.

As barras horizontais devem ser sobrepostas por no mínimo 20 vezes o seu diâmetro, e

firmemente amarradas com arame recozido ou soldadas;

ii) em fundação de alvenaria pode servir como eletrodo de aterramento, pela fundação, uma barra

de aço de construção, com diâmetro mínimo de 8 mm, ou uma fita de aço de 25 mm x 4 mm,

SPDA - NBR-5419/2005


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disposta com a largura na posição vertical, formando um anel em todo o perímetro da estrutura. A

camada de concreto que envolve estes eletrodos deve ter uma espessura mínima de 5 cm;

iii) as armaduras de aço das fundações devem ser interligadas com as armaduras de aço dos

pilares da estrutura, utilizados como condutores de descida naturais, de modo a assegurar

continuidade elétrica equivalente [8].

Basicamente existem dois tipos de arranjo para os subsistemas de aterramento, o arranjo

“A” e o arranjo “B”:

O arranjo “A” é composto de eletrodos radiais (verticais, horizontais ou inclinados), sendo

indicado para solos de baixa resistividade (até de 100 Ω. m) e para pequenas estruturas (com

perímetro até 25 m). Cada condutor de descida deve ser conectado, no mínimo, a um eletrodo

distinto. Devem ser instalados, no mínimo, dois eletrodos que não devem ter comprimento

inferior ao estabelecido na Figura 5. 6, assim determinado:

a) l 1 - para eletrodos horizontais radiais;

b) 0,5 l 1 - para eletrodos verticais (ou inclinados).

O arranjo “B” é composto de eletrodos em anel ou embutidos nas fundações da estrutura e

é obrigatório nas estruturas de perímetro superior a 25 m [8].

Assim como no subsistema de descida os condutores do subsistema de aterramento devem

apresentar baixa resistência, alta capacidade térmica para suportar o calor gerado pela passagem

da corrente, resistência mecânica para suportar os esforços eletromecânicos, além de

suportabilidade a corrosão causada pelos agentes agressivos do solo.

Os eletrodos de aterramento podem ser de cobre, aço galvanizado a quente ou aço

inoxidável, não sendo permitido o uso de alumínio. È possível, ainda, usar o aço revestido de

cobre (comercialmente denominado de “copperweld”) ou, em casos especiais, cobre revestido de

chumbo. O fator que determina o material a ser usado é a agressividade do solo; em geral, o

cobre apresenta uma boa suportabilidade a maioria dos solos mas, em alguns casos, o zinco e o

chumbo são os mais indicados [1].

SPDA - NBR-5419/2005


39

5.3.1. Resistividade do Solo

A característica do solo que vai determinar a sua resistência em baixas freqüências ou a

sua impedância sob impulso é a resistividade, que pode ser definida como a resistência entre

faces opostas de um cubo de aresta unitária construído com material retirado do local [1].

No entanto, a determinação da resistividade do solo através deste método é bastante

complexa, pois requer uma amostra homogênea do solo com as mesmas características

encontradas no local. Ou seja, deve-se reproduzir no cubo as mesmas propriedades, tais como:

densidade, índice de vazios (relação entre o volume de vazios e o solo) e o grau de saturação

(relação entre o volume de água e o volume de vazios). Com isso, para se facilitar o processo, o

método Wenner foi padronizado pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) como

procedimento de medição para se determinar à resistividade do solo de uma área.

A resistividade pode ser dada a partir da Equação 5.2:

l

AR=ρ

(5.2)

Onde,

R – resistência elétrica do solo;

ρ – resistividade do solo;

A - área da secção transversal do condutor;

l – comprimento do condutor.

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40

Figura 5. 6 - Comprimento mínimo dos eletrodos de aterramento em função dos níveis e da resistividade do solo [8].

A Figura 5. 7 ilustra o procedimento através do método Wenner para se determinar a

resistividade. Deve-se dispor de um terrômetro de quatro terminais, onde dois são de tensão e

dois são de corrente, e cravar quatro hastes alinhadas e separadas por uma distancia (a) entre cada

haste. Com a medição da tensão e da corrente o terrômetro calcula a resistência R a partir da

razão entre a tensão e a corrente. Fornecida a resistência R, pode-se obter a resistividade pela

Equação 5.3:

Ra ⋅⋅⋅= πρ 2 (5.3)

Quando a distância “a” for pequena, a resistividade corresponde às primeiras camadas do

terreno; à medida que a distância entre as hastes vai sendo aumentada, vão sendo incluídas as

camadas inferiores. Para efeito de padronização do método, são usadas distâncias de 2, 4, 8, 16,

32, 64 e 128 metros e serão realizadas medições em varias direções do terreno [1]. De posse

desses resultados determina-se a estratificação do solo de 2 a 4 camadas com suas respectivas

profundidades e resistividades h1-ρ1, h2-ρ2, h3-ρ3, h4-ρ4. Logo, obtém-se a resistividade aparente

que representará o solo no cálculo da resistência de terra ou dos eletrodos individuais.

SPDA - NBR-5419/2005


41

Figura 5. 7 - Método Wenner [1].

A fim de reduzir a resistência de terra de um eletrodo podem ser empregados vários

métodos, os quais são mais indicados para solos que apresentam alta resistividade, pois quanto

maior for a resistividade do local, maior será a redução da resistência. Entre eles, podem-se citar

métodos como o uso de hastes profundas, tratamentos químicos, eletrodos em paralelo, sal para

melhorar a condutividade do solo, tratamento com bentonita, eletrodos em poços de concretos,

entre outros.

Eletrodos de aterramento profundos são adequados para solos em que a resistividade

diminua com a profundidade e onde as camadas de baixa resistividade ocorram a profundidades

maiores do que aquelas em que normalmente são cravadas as hastes de aterramento [8].

5.3.2. Tensões de Passo

A tensão de passo pode ser definida como a diferença de potencial (Vpasso), a qual um

individuo é submetido entre suas pernas afastadas por uma distância qualquer. Na Figura 5. 8 a

corrente I representa uma corrente conseqüente de uma descarga atmosférica, enquanto que IK é a

corrente que passa pelo corpo do individuo através das pernas, R0, R1 e R2 são resistências do

solo onde indicado, RF é a resistência de contato do pé, Rk é a resistência das pernas e Vpasso é o

potencial de passo. No circuito esquemático da mesma figura pode-se observar que quanto menor

SPDA - NBR-5419/2005


42

for os valores de R0, R1 e R2, menor será a corrente IK e conseqüentemente menos perigoso para

os indivíduos ou animais sujeitos a tensão de passo. Ou seja, para se evitar o risco de tensões

perigosas de passo, basta dimensionar um subsistema de aterramento eficiente que reduza ao

máximo as resistências do solo.

Figura 5. 8 - Tensão de passo [10].

Como tensão de passo admissível adota-se uma tensão que irá dissipar uma energia

inferior a 40 J (Joules), no corpo de uma pessoa que se encontra com os pés afastados por uma

distância de 1 metro.

Os eletrodos verticais são os tipos construtivos de um sistema de aterramento que

apresenta um maior risco quanto à tensão de passo. Por outro lado os sistemas de aterramento em

forma de malha são os que apresentam os menores riscos.

Os subsistemas de aterramento com arranjo “A” requerem cuidados quanto às tensões de

passo, caso o local apresente risco para pessoas ou animais. As tensões de passo podem ser

reduzidas aumentando-se a profundidade dos eletrodos horizontais, ou a profundidade do topo

dos eletrodos verticais.

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43

Capítulo 6

6. As Influências Climáticas e a Incidência de Trovoadas

Como visto no capítulo 2 a formação das descargas atmosféricas está diretamente ligada à

ocorrência de chuvas. Logo, quanto mais favoráveis forem as condições climáticas para a

ocorrência de chuvas, conseqüentemente, se terá uma maior incidência de trovoadas. Lembrando

que, o número de dias de trovoadas que ocorrem por ano em uma dada localidade é o seu índice

cerâunico, esse parâmetro vem sendo usado há muitos anos pelos meteorologistas para se

caracterizar a atividade relativa às descargas atmosféricas em uma localidade; unindo-se em um

mapa as localidades de mesmo índice cerâunico, tem-se o mapa isocerâunico [1]; como visto na

Figura 3. 2.

6.1. Mapas Isocerâunicos

Os mapas isocerâunicos têm grande importância, pois os índices cerâunicos obtidos

através destes mapas são utilizados no método da NBR-5419/2005 para determinar se uma

estrutura necessita ou não de um SPDA. Pode-se imaginar os transtornos que a utilização de um

índice cerâunico equivocado pode causar para uma determinada estrutura a ser protegida por um

SPDA, talvez esta estrutura nem seja protegida, pois os cálculos podem indicar que a estrutura

não necessita de proteção quando na verdade ela necessita.

A Figura 6. 1 apresenta o mapa de curvas isocerâunicas da região sudeste, o qual tem seu

período de observação entre 1971 e 1995. Ao analisar este mapa pode-se constatar que o índice

de dias de trovoada por ano varia entre 30 a 110 dias, já no mapa de curvas isocerâunicas do

Brasil pode-se observar uma maior variabilidade devido ao Brasil ser um país continental e

apresentar uma serie de características topográficas, e climáticas diferentes.

Na região nordeste e no litoral o número médio de dias de trovoada por ano está em torno

de 5 dias, já em alguns pontos da Amazônia e da região Centro-Oeste ocorrem em média 140 dias

por ano de trovoadas. Esses índices de ocorrência de trovoadas estão diretamente relacionados

com o tipo de clima, relevo, vegetação, entre outros fatores da localidade, pois tais fatores

SPDA - NBR-5419/2005


44

influenciam a ocorrência de descargas atmosféricas. Por exemplo, o estado de Minas Gerais

apresenta índice cerâunico alto devido ao solo da região ser muito rico em minério, já a

Amazônia apresenta índice cerâunico muito alto devido à umidade predominante na região, o que

faz variar o dielétrico do ar, facilitando com isso a ocorrência de descargas atmosféricas.

As regiões que apresentam índice cerâunico entre 1 e 5 são consideradas como regiões

com nível cerâunico muito baixo, enquanto que as regiões com índice cerâunico entre 140 e 250

são consideradas como regiões com nível cerâunico muito alto.

Figura 6. 1 – Mapa de curvas isocerâunicas – Região Sudeste

(Período de observação 1971 a 1995) [8].

Para a técnica da proteção contra os raios, mais importante do que saber o número de dias

de trovoadas por ano é conhecer a densidade em raios por km2 por ano. Se este parâmetro for

conhecido, será fácil calcular a probabilidade de caírem raios, por ano, em uma dada área [1].

Para se elaborar um mapa com a densidade em raios por km2 por ano é necessária a coleta dos

SPDA - NBR-5419/2005


45

dados de cada localidade, ou seja, sensores especializados em detectar radiações eletromagnéticas

emitidas pelos raios registram a ocorrência em um dispositivo contador, este processo pode ser

realizado pelos contadores CIGRÈ (Conferencia Internacional das Grandes Redes).

O raio de atuação de um contador é da ordem de 20 km e, para se obter um mapa com as

densidades de um país grande como o Brasil, será necessário uma quantidade enorme de

contadores. A Companhia Energética de Minas Gerais (CEMIG) fez esta determinação no estado

de Minas [1].

6.2. Aquecimento Global e suas Influências

A locução aquecimento global refere-se ao aumento da temperatura média dos oceanos e

do ar perto da superfície da Terra que se tem verificado nas décadas mais recentes e à

possibilidade da sua continuação durante o corrente século [12]. Este polêmico fenômeno, o qual

tem sido muito divulgado, estudado e criticado ultimamente vem provocando alterações no clima

de todo o planeta, segundo o Intergovernmental Panel on Climate Change - IPCC - (Painel

Intergovernamental para as Mudanças Climáticas) em seu relatório mais recente.

Durante séculos a combinação adequada dos agentes climáticos vem propiciando

condições favoráveis para a preservação da vida na Terra e para a manutenção das condições

climáticas, porém as ações antropogênicas têm alterado essas condições devido ao consumismo,

as emissões de gases do efeito estufa, o aumento da poluição e a devastação da flora em todo o

mundo. A destruição da camada de ozônio e o efeito estufa são os fenômenos que mais ameaçam

o clima atualmente.

Espera-se, no entanto, que, devido ao aumento da temperatura nas camadas atmosféricas

próximas à superfície, esta irá reter mais vapor d’água, o que poderá provocar uma “aceleração”

do ciclo hidrológico, possivelmente aumentando a ocorrência de extremos como tempestades

severas [13].

O relatório do IPCC indica que o Sul do Brasil tem tendência de aumento de chuva. Isto

foi confirmado após comparar dados relativos a precipitação nos períodos de 1901-2005 e 1979-

2005, o que ficou constatado que nos últimos 26 anos a incidência de chuvas aumentou

significativamente. Constatou também o aumento na freqüência de chuvas intensas (acima de 10

mm) entre 1961-2000.

SPDA - NBR-5419/2005


46

As projeções para o século XXI expostas pelo INPE (Instituto Nacional de Pesquisas

Espaciais) em seu relatório sobre Tendências das Variações Climáticas para o Brasil no Século

XX e Balanços Hídricos para Cenários Climáticos para o Século XXI apontam tópicos como:

Sul do Brasil e oeste da Amazônia terão aumento na freqüência de chuvas intensas

até 2100;

A região Sudeste poderá ter aumento de temperatura de 3-6 ºC, além do aumento

das chuvas na forma de chuvas intensas e irregulares no século XXI;

Na região Sul poderá ocorrer até 2100 mais eventos intensos de chuva, aumento na

freqüência de noites quentes, altas temperaturas, etc.

6.2.1. Efeito Estufa

É um fenômeno ocasionado pela concentração de gases (como dióxido de carbono, óxido

nitroso, metano e os clorofluorcarbonos (CFC) - estes últimos resíduos de produtos

industrializados) na atmosfera, formando uma camada que permite a passagem dos raios solares e

que absorve grande parte do calor emitido pela superfície da Terra [14].

A temperatura da Terra tem sido mantida por volta de 15ºC pela ação do efeito estufa

natural, o que possibilita a existência de vida no planeta. Porém com uma maior emissão dos

gases do efeito estufa ocorrerá uma intensificação desse efeito, ocasionando aumento da

temperatura do planeta, e conseqüentemente, diversas mudanças climáticas como o aumento da

incidência de chuvas e tempestades. Segundo o relatório do IPCC, grande parte do aquecimento

observado durante os últimos 50 anos se deve muito provavelmente a um aumento do efeito

estufa.

O aquecimento global pelo aumento das temperaturas médias altas é uma das

conseqüências mais prováveis do aumento das concentrações de gases de efeito estufa na

atmosfera, o que pode provocar novos padrões de clima com repercussões nos regimes de vento,

chuva e circulação geral dos oceanos [12].

SPDA - NBR-5419/2005


47

6.3. A Poluição e a Influência nas Descargas Atmosféricas

A qualidade do ar é produto da interação de um complexo conjunto de fatores dentre os

quais destacam-se a magnitude das emissões das fontes móveis (veículos), das estacionárias

industriais e das fontes área (queimadas, postos de gasolina, etc.), a topografia e as condições

meteorológicas da região [15].

O aumento da densidade demográfica nas grandes áreas metropolitanas e a facilidade de

adquirir bens como automóveis tem causado mudanças significativas no clima dessas regiões.

Uma das principais mudanças ocorridas nessas áreas é a elevação da temperatura, com isto, a

atmosfera apresenta maior densidade de vapores d’água, condição a qual é extremamente

favorável a incidência de chuvas mais intensas. Pode-se entender essas chuvas mais intensas

como sendo tempestades, o que resulta em mais trovoadas, mais descargas atmosféricas, mais

raios, etc. Contudo, os sistemas de proteção contra descargas atmosféricas seriam mais

requisitados.

6.4. As Mudanças nos Índices Cerâunicos

Após analisar a questão da poluição nas grandes regiões metropolitanas e os dados dos

relatórios do INPE e do IPCC sobre as mudanças climáticas pode-se afirmar que esses fatores

influenciam na incidência das trovoadas e, conseqüentemente, ocorrerá um número maior de

descargas atmosféricas.

A poluição nas grandes áreas metropolitana teria como conseqüência um aumento no

índice cerâunico local, o que certamente difere dos índices encontrados nos mapas isocerâunicos

encontrados nas literaturas, pois estes mapas foram elaborados a mais de 10 anos. Por exemplo, o

mapa isocerâunico da região Sudeste que tem seu período de observação entre 1971 e 1995.

Já o aquecimento global e as mudanças climáticas influenciariam na mudança dos índices

cerâunicos de uma forma mais global. O que já pode ser constatado atualmente, pois em algumas

regiões a incidência de chuvas mais intensas, temporais e tempestades já é uma realidade, sendo

que o relatório do IPCC afirma que a ocorrência de fenômenos extremos, como as tempestades,

irá aumentar de maneira acentuada até o ano 2100.

SPDA - NBR-5419/2005


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6.5. Conseqüências Para o Dimensionamento de um SPDA

Sabendo dessa mudança no índice cerâunico, seja a nível local ou global, se forem

utilizados os índices cerâunicos obtidos de mapas isocerâunicos elaborados há mais de 10 anos,

pode correr o risco de utilizar um índice cerâunico que não corresponde a realidade atual.

Conseqüentemente, ao avaliar se uma determinada estrutura requer um SPDA, os cálculos

poderão indicar que a estrutura não requer ou deixar a critério do projetista e do usuário da

estrutura a decisão de implantar ou não o SPDA.

No Anexo III encontra-se uma tabela com os dados de uma simulação feita pelo autor, na

qual se simula uma mudança no índice cerâunico de uma localidade, aplicando-se os cálculos

sobre uma estrutura fictícia. Para a estrutura fictícia foram adotadas como dimensões 30 m, 10 m

e 4 m de comprimento, largura e altura, respectivamente. Logo, a área de exposição equivalente

será Ae = 670,24 m2. Os fatores de ponderação adotados foram A = 1,0; B = 0,4; C = 0,8; D = 1,0

e E = 1,0; conforme Tabelas 3.2 a 3.6.

O método adotado na simulação foi realizar uma variação no índice cerâunico de 1 a 50 e

observar as conseqüências para o cálculo utilizado pelo método da NBR-5419/2005.

Inicialmente, ao se alterar o índice cerâunico de 1 para 2 observou a mudança no critério, ou seja,

com Td = 1 os cálculos indicam que a estrutura dispensa um SPDA, já com Td = 2 os cálculos

indicam que a conveniência de um SPDA deve ser decidida por acordo entre projetista e usuário,

conforme o método da NBR-5419/2005. Prosseguindo com a simulação até Td = 45 manteve-se o

mesmo critério indicado por Td = 2. Mas a partir de Td = 46 os cálculos passaram a indicar que a

estrutura requer um SPDA.

Logo, pode-se concluir que a mudança em apenas uma unidade do número médio de dias

de trovoada por ano, índice cerâunico, pode acarretar em uma não implantação de um SPDA para

proteger determinada estrutura quando utilizado apenas este cálculo da NBR-5419/2005 para

verificar se a estrutura requer ou não um SPDA.

SPDA - NBR-5419/2005


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6.6. Soluções e Alternativas Propostas

Então, imagina-se a abrangência que certa mudança no índice cerâunico de uma

determinada localidade pode ter no cálculo utilizado por este método, seja devido às mudanças

climáticas causadas pelo aquecimento global ou pela poluição das grandes áreas metropolitanas.

Cabe então ao projetista juntamente com o usuário identificar outros pontos que indiquem a real

necessidade de proteção da estrutura. Como por exemplo, estruturas que tenham risco de incêndio

e falhas de operação, com conseqüências perigosas para o local e para o meio ambiente ou

quaisquer outros pontos que indiquem que a estrutura requer um SPDA sem a necessidade de

aplicação do cálculo, desde que esteja de acordo com a NBR-5419/2005.

SPDA - NBR-5419/2005


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Capítulo 7

7. Projeto Ilustrativo

Neste capítulo será apresentado como exemplo ilustrativo um projeto de um SPDA, onde

serão abordados os principais tópicos citados nos capítulos anteriores como escolha do nível e

método de proteção, subsistemas captor, de descida e aterramento, entre outros. Com a finalidade

de adquirir um maior entendimento e clareza sobre o tema, além de observar na prática o

conhecimento adquirido. Sendo que neste projeto não foi considerada nenhuma influência

climática.

Este projeto foi desenvolvido pela empresa WG Projetos LTDA, uma empresa com mais

de 10 anos de mercado e com uma vasta bagagem na área de projetos multidisciplinar. Sendo o

projeto destinado à instalação do Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas em suas

diversas áreas da unidade da FERBASA, localizada na estrada de Santiago s/n, central, Pojuca-

BA.

7.1. Premissas do Projeto

Como o nível de proteção de um SPDA pode ser definido pelo grau de eficiência

requerido e/ou pela probabilidade que esta estrutura tem de ser atingida por uma descarga

atmosférica, deve-se partir desse principio para definir o nível de proteção. Em princípio será

necessário estabelecer os fatores de ponderação indicados nas Tabelas 3.2 a 3.6, sabendo que a

estrutura a ser protegida é uma fabrica ou indústria, isso lhe atribui o valor de 1,0, como fator de

ponderação “A”. Sendo que, predominantemente, a estrutura é formada por aço revestido ou de

concreto armado com cobertura metálica, logo o fator de ponderação “B” será igual a 0,8. A

estrutura está localizada em uma área com elevações moderadas (ou colinas) contendo poucas

estruturas ou árvores de altura similar, abrigando objetos particularmente suscetíveis a danos.

Sendo assim, para os fatores de ponderação C, D e E serão adotados os seguintes valores: 0,8;

1,0; e 1,0, respectivamente.

SPDA - NBR-5419/2005


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7.1.1. Memorial de Cálculo

Para cálculo da área de exposição equivalente (Ae) foram adotados L = 177 m, W = 40 m

e H = 20 m então, obtém-se Ae através da Equação 3.1:

232 1002,17202040220177240177 mAe ×=×+××+××+×= π (7.1)

Ao analisar o mapa isocerâunico do Brasil (Ver Figura 3. 2) observa-se que a área da

Bahia onde se encontra a estrutura a ser protegida tem um número médio de dias de trovoada por

ano (Td) igual a 10. Então, com o auxilio da Equação 3.2 pode-se encontrar o valor da densidade

de descargas atmosféricas para a terra (Ng):

71,010 0,04 N 1,25g =×= anokmraios // 2 (7.2)

Então, tendo os valores de Ae e Ng, determina-se a freqüência média anual previsível de

descargas atmosféricas sobre uma estrutura (Nd), que é dada pela Equação 3.3:

3-63d 101,1210 1002,170,71 N −×=×××= anoraios/ (7.3)

Depois de determinado o valor de Nd o passo seguinte é a aplicação dos fatores de

ponderação, multiplica-se o valor de Nd pelos fatores pertinentes e compara-se o resultado com a

freqüência admissível de danos Nc:

33d 1073,70,10,18,08,00,1)101,12( N −− ×=××××××= anoraios/ (7.4)

Com este resultado conclui-se que a estrutura requer um SPDA, pois o valor de Nd

ponderado é maior do que o valor de referência (Nc = 10-3) de acordo com o método da NBR-

5419/2005.

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7.1.2. Parâmetros do projeto

O próximo passo é a escolha do nível de proteção adequado, que deve ser baseado nas

características e necessidades da estrutura a ser protegida. Como a estrutura em questão é uma

indústria e os efeitos indiretos causados por uma descarga atmosférica podem variar desde

pequenos danos a prejuízos inaceitáveis e a perda de produção, o nível de proteção adotado será o

nível III, conforme Tabela 3. 7. Este nível de proteção possui uma eficiência de 90%, sendo

destinado às estruturas de uso comum que apresentem um risco normal a serem atingidas por uma

descarga atmosférica, como por exemplo: residências, escritórios, fábricas ou indústrias

(excluindo aquelas com áreas classificadas).

O sistema proposto utiliza-se o método da gaiola de Faraday, por apresentar uma melhor

estética, menor geração de campos no interior das estruturas e menor custo. A malha de captação

será composta por cabos de cobre nu com bitola de #35 mm² e captores a cada 5,0 m com 60 cm

de altura. O subsistema de descida será formado de cabos de cobre nu com bitolas de #35 mm² ou

#16 mm², dependendo da altura da edificação (Ver Tabela 5. 2). A NBR-5419/2005 recomenda a

utilização de terminais aéreos com no mínimo 30 cm de altura, espaçados por 5 m a 8 m (ver

Figura 7. 1 e Figura 7. 2).

Figura 7. 1 – Fixação dos terminais aéreos no telhado [16].

SPDA - NBR-5419/2005


53

Figura 7. 2 - Fixação do cabo e terminal aéreo em alvenaria [16].

Como a gaiola de Faraday foi o método adotado, a largura máxima da malha deverá ser de 10 m e

o comprimento menor que 20 m, conforme a Tabela 4. 5. Já para as descidas o espaçamento

médio dos condutores de descida não naturais conforme o nível de proteção deverá ser de 20 m

(ver Tabela 5. 3).

Para o subsistema de aterramento deverá ser implantado o arranjo “B”, definido pela

NBR-5419/2005, que é composto de eletrodos em anel ou embutidos nas fundações da estrutura,

sendo de uso obrigatório nas estruturas de perímetro superior a 25 m. Foram adotados cabos de

cobre nu com bitola de #35 mm2 para a malha de aterramento, os quais deverão ser interligados as

hastes tipo copperweld através de solda exotérmica (ver Figura 7. 3).

Figura 7. 3 – Conexão e solda da haste de aterramento [16].

SPDA - NBR-5419/2005


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7.2. Descrição dos Serviços Para Implantação do SPDA

Para implantação do sistema de proteção contra descargas atmosféricas estão previstas as

seguintes atividades:

Lançamento de malha de proteção na cobertura da edificação com terminais aéreos de

captação e suas fixações;

Lançamento de malha de aterramento em diversas edificações, as quais deveram ser

interligadas à malha de captação, às caixas de inspeção e a malha geral de aterramento.

Para fixação dos cabos em todas as malhas superiores serão utilizadas presilhas de latão,

já nas fixações a serem executadas nas coberturas deverá ser utilizada massa de calafetar tipo

sikaflex para recomposição da vedação da cobertura ou qualquer outro tipo de selante à base de

silicone ou poliuretano, conforme Figura 7. 2 e Figura 7. 4.

Figura 7. 4 - Fixação do cabo e terminal aéreo na telha [16].

Para as descidas de cabos que farão a interligação entre a malha superior, anel inferior e

malha geral foram consideradas em projeto as seguintes condições:

Descidas em Edificações com estrutura metálica – As descidas, as malhas de captação e

os anéis inferiores serão interligados à estrutura metálica através de conectores, e

interligada à malha de terra existente com solda exotérmica;

SPDA - NBR-5419/2005


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Descidas em edificações com estrutura em alvenaria – Na malha de captação as descidas

serão interligadas através de cabos de bitola #16mm² ou #35mm², que descerão através de

suportes-guia, com isolador até eletroduto de PVC, conforme Figura 7. 6 (sem a caixa de

inspeção), no anel inferior serão conectados com solda exotérmica;

Descidas em edificações com estrutura em alvenaria e caixas de inspeção suspensa – Na

malha de captação as descidas serão interligadas através de cabos de bitola #16mm² ou

#35mm², que descerão através de suportes-guia, com isolador até eletroduto de PVC com

caixa de inspeção suspensa, já no anel inferior a conexão se dará através de solda

exotérmica (ver Figura 7. 6).

As descidas em estruturas de alvenaria deverão sempre aproveitar os pilares como

caminho para instalação dos acessórios e cabos, evitando sempre a transposição de janelas e

orifícios destinados à instalação de aparelhos de ar condicionado, exaustores e ou aparelhos

elétricos. Esses condutores devem ser instalados a uma distancia mínima de 0,5 m e fixados a

cada 1 m de percurso segundo a NBR-5419/2005.

Figura 7. 5 – Utilização do pilar metálico como descida natural [16].

SPDA - NBR-5419/2005


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Os anéis inferiores que serão interligados a malha geral de aterramento serão compostos

de cabos de cobre nu #35 mm², com conexões através de soldas exotérmicas e fincamento de

hastes de aterramento com poços de visita, conforme a Figura 7. 7. Todos os anéis inferiores

deverão ser conectados à malha de aterramento em pelo menos dois pontos distintos, utilizando

conexão exotérmica em seus pontos extremos.

Para maiores detalhes das conexões entre as hastes de aterramento, os condutores de

descida e os condutores da malha de aterramento através de solda exotérmica (ver Figura 7. 3).

Será necessário em todos os trechos da implantação de malha de aterramento, a abertura de valas

para lançamento dos cabos, conforme Figura 7. 8.

Figura 7. 6 – Junção entre subsistema de descida e subsistema de aterramento [16].

Para inspeção do subsistema de aterramento serão instaladas caixas de visita no solo com

tampa de ferro fundido, conforme detalhado na Figura 7. 7. Nestas caixas serão instalados

conectores que permitem a desconexão da malha de aterramento permitido possíveis medições.

Sempre que instalados em passeios de concreto ou asfalto, as caixas deverão ser instaladas

seguindo o alinhamento do piso, evitando sempre declividades, ou proximidade de caixas de

inspeção de esgoto, de redes elétricas ou telefônicas, bueiros e afins.

SPDA - NBR-5419/2005


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ATERRAMENTO

Figura 7. 7 – Caixa de inspeção tipo solo com tampa reforçada [16].

Figura 7. 8 – Vala para implantação da malha de aterramento [16].

Deverão ser instalados nas torres existentes e nas estruturas metálicas de equipamentos

extensões de cabos que serão interligados à malha de aterramento a ser implantada. A

interligação das torres com a malha de aterramento deverá ser feita utilizando conector de

pressão, cabo de #35mm² e solda exotérmica.

SPDA - NBR-5419/2005


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7.3. Testes e Verificações

Deverão ser realizados testes durante a implantação do SPDA e após a sua conclusão,

objetivando comprovar a eficiência do sistema e detectar possíveis falhas do projeto ou da

implantação. Os testes e verificações deverão atender os seguintes tópicos:

Testar os cabos e descidas quanto à continuidade;

Verificar se a resistência de aterramento está de acordo com a NBR-5419/2005;

Todos os testes deverão ser registrados por escrito, sendo aprovado após a sua análise,

deverão ser arquivados em duas vias;

Todos os conectores deverão ser reapertados.

7.4. Documentação Conforme Construído (“As Built”)

A montadora deverá executar a montagem de acordo com o projeto, em caso de desvio,

deverá comunicar à supervisão da empresa por escrito, e registrar em projeto as modificações

para posterior “as built”.

É reservado ao cliente (empresa) durante a execução dos serviços o direito de introduzir

alterações e/ou revisões no projeto, mediante comunicação por escrito, obrigando a contratada a

respeitar este direito e cumprir a determinação, mesmo que decorram como conseqüência

modificações de serviços em andamento ou já realizados.

7.5. Normas da ABNT e Normas Internas

Todos os serviços deverão ser realizados conforme as normas da ABNT, NBR-5410,

NBR-5419, entre outras. A contratada deverá respeitar todas as normas de segurança da

FERBASA, bem como providenciar todos os equipamentos de proteção individual (EPI) básicos

e especiais quando necessários antes do início dos serviços, assim como solicitar as Permissões

para Trabalhar (PT), conforme norma interna da empresa.

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7.6. Considerações Finais

No Anexo I pode ser visualizada a planta com a distribuição da malha de captação, os

terminais aéreos e os condutores de descida. Já no Anexo II pode-se visualizar a planta com o

subsistema de aterramento a ser implantado. O SPDA descrito acima, desde sua fase de projeto a

sua fase de execução, pode ser considerado como bem sucedido por atender as normas da ABNT,

além de atender as normas internas e as necessidades do cliente.

SPDA - NBR-5419/2005


60

Capítulo 8

8. Conclusão

A partir de uma análise significativa desta pesquisa sobre os sistemas de proteção contra

descargas atmosféricas, pode-se verificar com clareza a importância deste sistema na preservação

das estruturas protegidas, nas vidas e nos equipamentos abrigados por esta estrutura. Porém, foi

verificado também que não são todos os tipos de estruturas que necessitam de um SPDA, o que

deve ser analisado de forma individual para cada tipo de estrutura, objetivando a confirmação se

a estrutura necessita ou não de um SPDA, em caso afirmativo deverá ser definido através desta

análise o nível e o método de proteção a ser adotado.

Ao longo desses meses de pesquisa e estudos o autor procurou sempre aumentar o seu

nível de conhecimento sobre o SPDA, sua estrutura, dimensionamento e os princípios de

funcionamento. Objetivo o qual foi alcançado, porém ficou claro também que o assunto é muito

vasto e necessita-se de uma exploração maior para se alcançar o domínio deste tema.

Tendo sempre como base à norma NBR-5419/2005 foram abordados os subsistemas de

um SPDA (captor, descida e aterramento) detalhando os principais parâmetros e características

que devem possuir seus componentes. Pôde-se chegar a conclusão de que as estruturas metálicas

podem e devem ser utilizadas como parte dos subsistemas de descidas, desde que atendam as

exigências normativas, o que tornará o projeto de um SPDA mais econômico e apresentará uma

melhor aparência estética.

Entre os métodos de proteção foi feita uma comparação orientando como deve ser feita a

escolha do método, a qual deve satisfazer a necessidade do nível de proteção exigido para a

estrutura a ser protegida. Comparou-se o método Franklin com o Eletrogeométrico e conclui-se

que o método Eletrogeométrico apresenta uma maior eficiência, o que deve contribuir para o

desaparecimento do método Franklin. O método Eletrogeométrico é mais indicado do que o

método Faraday em construções maiores (exceto as estruturas que apresentam altura maior que

60 m) por ser mais econômico nessas condições, porém a utilização do método Faraday é mais

indicado de uma maneira geral por este apresentar uma melhor estética, menor geração de

campos no interior das estruturas e menor custo quando implementado em pequenas construções.

SPDA - NBR-5419/2005


61

Foram apresentados dados relativos às mudanças climáticas e à poluição nas grandes

áreas metropolitanas, as quais são responsáveis por uma mudança significativa no índice

cerâunico. Esta mudança pode acarretar na não implantação de um SPDA quando forem

utilizados os mapas isocerâunicos encontrados nas literaturas e na norma, que não correspondem

exatamente ao índice atual, por estes mapas terem sido elaborados a mais de 10 anos e o clima

em todo o mundo ter sofrido muitas mudanças nos últimos anos. Uma das soluções para este

problema seria instalar um sistema de detecção de descargas atmosféricas na localidade, o qual

teria dados suficientes para definir o índice cerâunico local.

Deve ser ressaltado que essas mudanças climáticas não influenciam na escolha do método

ou do nível de proteção, apenas influenciam no método da NBR-5419/2005 utilizado para

verificar se a estrutura requer ou não um SPDA, pois este método depende do índice cerâunico.

Já a escolha do método e do nível de proteção depende de alguns fatores da estrutura como tipo

de ocupação, tipo de construção, conteúdo, localização e topografia.

Pode-se concluir que os objetivos propostos foram alcançados, além de ter ficado claro,

através desta pesquisa, a importância de um SPDA para as estruturas, para os habitantes ou

usuários das estruturas, assim como para os equipamentos abrigados por estas estruturas.

Principalmente em áreas com alto índice cerâunico, pois com um SPDA instalado pode-se evitar

a ocorrência de muitos danos, transtornos, prejuízos e até o risco de morte, desde que seja

rigorosamente projetado, instalado e passe por manutenção periodicamente de acordo com a

norma NBR-5419/2005.

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62

Capítulo 9

9. Recomendações

Apesar dos resultados obtidos através da simulação da mudança do índice cerâunico, dos

dados do relatório do INPE e do relatório do IPCC indicarem uma mudança climática e

conseqüentemente uma mudança no número médio de dias de trovoada por ano, deve-se

prevalecer o uso dos índices cerâunicos indicados pelas literaturas e pela norma. Pois, devido à

dificuldade de fontes de pesquisa e por este ser um fato novo, existem pontos que necessitam de

um maior aprofundamento e embasamento teórico. Ou seja, este fato requer muitas pesquisas e

debates para definir a real influência da mudança dos índices cerâunicos. Além do que, as

mudanças climáticas apontadas pelo relatório do IPCC estarem ocorrendo gradativamente e ainda

estarem longe do seu auge.

Outra recomendação seria o uso de uma rede detectores de descargas atmosféricas, como

a implantada pela CEMIG no estado de Minas Gerais, em áreas onde houvesse a necessidade de

verificar se o índice cerâunico local corresponde ao indicado na norma e nas literaturas.

Lembrando que esta solução tem um custo elevado, mas evita grandes prejuízos como relatado

anteriormente, por exemplo, quando aplicados nas linhas de transmissão. Logo, seria necessária

uma análise de viabilidade técnica e econômica para verificar se o uso de um sistema de detecção

de descargas atmosféricas se aplica ou não.

SPDA - NBR-5419/2005


63

Referências Bibliográficas [1] LEITE, D.M.; LEITE, C.M. Proteção contra descargas atmosféricas. 5. ed. São Paulo:

Officina de Mydia, 2001.

[2] UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO. Apresenta informações sobre raios. Disponível em: <http://www.nea.fe.usp.br> Acessado em: 02 jun. 2007.

[3] BENITEZ, Carlos Zaidan Maluf. Sistemas de Proteção Contra Descargas Atmosféricas Conforme Norma NBR-5419/2005. Salvador: 2006. Monografia apresentada ao curso de engenharia elétrica, ÁREA 1, 2005.

[4] WIKIPÉDIA. Apresenta informações sobre raios. Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/P%C3%A1ra-raios> Acessado em: 05 jun. 2007.

[5] CREDER, Hélio. Instalações Elétricas. 14. ed. São Paulo: LTC, 2000.

[6] SHIGA, Alberto Akio. Avaliação de custos decorrentes de descargas atmosféricas em sistemas de distribuição de energia. São Paulo: 2007. Dissertação de mestrado – Programa Interunidade de Pós-Graduação em Energia. Universidade de São Paulo, 2007.

[7] COUTINHO, F. N. e ALTOÉ C. A. Levantamento de Estruturas que Necessitam de SPDA na UNB e Análise de seus Efetivos Sistemas de Proteção. Brasília, DF: 2003. Projeto final de graduação em engenharia elétrica, Universidade de Brasília, 2003.

[8] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – ABNT. NBR-5419: Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas. Rio de Janeiro, 2005.

[9] NATIONAL FIRE PROTECTION ASSOCIATION – NFPA. NFPA 780: Standard for the

Installation of Lightning Protection Systems. USA, 2000. [10] TUMA, Eduardo Tannus. Proposta de um Novo Modelo para Análise dos

Comportamentos Transitório e Estacionário de Sistemas de Aterramento, Usando-se o método FDTD. Belém-PA: 2005. Monografia apresentada ao curso de pós-graduação em engenharia elétrica, Campus Universitário do Guamá, Belém-PA, 2005.

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64

[11] REDE INTEGRADA NACIONAL DE DETECÇÃO DE DESCARGAS

ATMOSFÉRICAS - RINDAT, Apresenta informações sobre raios. Disponível em: <http://www.rindat.com.br>. Acessado em: 10 nov. 2007.

[12] WIKIPÉDIA. Apresenta informações sobre Aquecimento Global. Disponível em:

<http://pt.wikipedia.org/wiki/Aquecimento_global> Acessado em: 20 nov. 2007. [13] NOBRE, Carlos A. Mudanças climáticas globais: possíveis impactos nos ecossistemas

do país. Amazonas: 2001. CPTEC / INPE. [14] AMBIENTE BRASIL. Apresenta informações sobre Efeito Estufa. Disponível em:

<http://www.ambientebrasil.com.br> Acessado em: 08 dez. 2007. [15] MINISTÉRIO DAS RELAÇÕES EXTERIORES - MRE. Apresenta informações sobre

Poluição Atmosférica. Disponível em: <http://www.mre.gov.br/CDBRASIL/ITAMARATY/WEB/port/meioamb/mamburb/poluar/apresent.htm> Acessado em: 08 dez. 2007.

[16] WG Projetos LTDA. Unidade da Ferbasa em Pojuca: Sistema de Proteção Contra

Descargas Atmosféricas: plantas diversas, memorial de cálculo e descritivo. Salvador, 2007.

[17] INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS – INPE, Relatório sobre:

Tendências das Variações Climáticas para o Brasil no Século XX e Balanços Hídricos para Cenários Climáticos para o Século XXI. Disponível em: <http://www.inpe.br>. Acessado em: 20 nov. 2007.

[18] CHIARADIA, Júlio César Xavier. Notas de aula sobre SPDA. Salvador, 2007.

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65

Anexos Anexo I – Planta baixa com subsistema captor e subsistema de descida [16].

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66

Anexo II - Planta baixa com subsistema de aterramento [16].

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67

Anexo III

Simulação da Mudança do Índice Cerâunico

L W H Ae Td* Ng Nd Nd.A.B.C.D.E Critério 30 10 4 670,24 1 0,040 2,681E-05 8,579E-06 iii 30 10 4 670,24 2 0,095 6,376E-05 2,040E-05 ii 30 10 4 670,24 3 0,158 1,059E-04 3,387E-05 ii 30 10 4 670,24 4 0,226 1,517E-04 4,853E-05 ii 30 10 4 670,24 5 0,299 2,004E-04 6,414E-05 ii 30 10 4 670,24 21 1,798 1,205E-03 3,857E-04 ii 30 10 4 670,24 22 1,906 1,277E-03 4,088E-04 ii 30 10 4 670,24 23 2,015 1,350E-03 4,321E-04 ii 30 10 4 670,24 24 2,125 1,424E-03 4,557E-04 ii 30 10 4 670,24 25 2,236 1,499E-03 4,796E-04 ii 30 10 4 670,24 26 2,348 1,574E-03 5,037E-04 ii 30 10 4 670,24 27 2,462 1,650E-03 5,280E-04 ii 30 10 4 670,24 28 2,576 1,727E-03 5,526E-04 ii 30 10 4 670,24 29 2,692 1,804E-03 5,773E-04 ii 30 10 4 670,24 30 2,808 1,882E-03 6,023E-04 ii 30 10 4 670,24 31 2,926 1,961E-03 6,275E-04 ii 30 10 4 670,24 32 3,044 2,040E-03 6,529E-04 ii 30 10 4 670,24 33 3,164 2,120E-03 6,786E-04 ii 30 10 4 670,24 34 3,284 2,201E-03 7,044E-04 ii 30 10 4 670,24 35 3,405 2,282E-03 7,303E-04 ii 30 10 4 670,24 36 3,527 2,364E-03 7,565E-04 ii 30 10 4 670,24 37 3,650 2,446E-03 7,829E-04 ii 30 10 4 670,24 38 3,774 2,529E-03 8,094E-04 ii 30 10 4 670,24 39 3,898 2,613E-03 8,361E-04 ii 30 10 4 670,24 40 4,024 2,697E-03 8,630E-04 ii 30 10 4 670,24 41 4,150 2,781E-03 8,901E-04 ii 30 10 4 670,24 42 4,277 2,867E-03 9,173E-04 ii 30 10 4 670,24 43 4,404 2,952E-03 9,447E-04 ii 30 10 4 670,24 44 4,533 3,038E-03 9,722E-04 ii 30 10 4 670,24 45 4,662 3,125E-03 9,999E-04 ii 30 10 4 670,24 46 4,792 3,212E-03 1,028E-03 i 30 10 4 670,24 47 4,922 3,299E-03 1,056E-03 i 30 10 4 670,24 48 5,054 3,387E-03 1,084E-03 i 30 10 4 670,24 49 5,186 3,476E-03 1,112E-03 i 30 10 4 670,24 50 5,318 3,565E-03 1,141E-03 i

Critérios i) Estrutura requer um SPDA;

ii) A conveniência de um SPDA deve ser decidida por acordo entre projetista e usuário; iii) A estrutura dispensa um SPDA.

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SPDA E AS INFLUÊNCIAS CLIMÁTICAS