CURSO DE PROTEÇÃO ATMOSFÉRICA-SENGE 2011

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Curso de Proteção Contra Descargas Atmosféricas Eng. Roberto R. Simões de Freire. M.Sc CURSO DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

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CURSO DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

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ASPECTOS GERAIS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

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ASPECTOS GERAIS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

O fenômeno não é específico de dias de chuva, Já foram documentadas incidências de raios em:

Tempestades de neve; Tempestades de areia e até mesmo em dias de céu limpo.

A ação do vento tem participação direta no processo.

O fenômeno tem origem na:•Separação de cargas elétricas na atmosfera que geram fortes

campos elétricos.•O aparecimento de um forte campo elétrico, que por sua vez,

origina uma diferença de potencial entre a nuvem e a terra.

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ASPECTOS GERAIS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

• Se o gradiente elétrico ultrapassar a rigidez dielétrica do ar,

acontecerá a descarga atmosférica.

• A suportabilidade do ar varia de acordo com fatores como

pressão, temperatura e umidade relativa do ar, tendo por

exemplo:

Valor de aproximadamente 30 kV/cm em dias de condições

normais de temperatura, pressão e tempo seco.

E valor próximo a 10 kV/cm em dias com alta umidade

(FONSECA, 1987).

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ASPECTOS GERAIS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Comparando sua origem e seu destino, é possível classificar as descargas atmosféricas em quatro tipos:

Descargas internas na nuvem;

Descargas entre nuvens;

Descargas que dissipam na atmosfera;

Descargas que atingem a terra.

Metade das descargas atmosféricas são internas nas nuvens.

As blindagens são feitas para proteger contra descargas que

incidem sobre a terra.

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ASPECTOS GERAIS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

O fenômeno do raio não ocorre em somente uma única descarga,

mas sim em várias etapas.

Após a primeira descarga, conhecida como Líder Saltador, por

avançar em degraus de tamanhos variados, entre uma faixa de 3 a

200 metros, com média de 50 metros.

Quando o líder saltador atinge a terra, uma descarga de retorno,

volta pelo mesmo caminho da descarga piloto em direção a

nuvem.

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ASPECTOS GERAIS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICASQuando a descarga de retorno se dissipa, a diferença de

potencial entre a terra e a nuvem pode continuar suficientemente elevada para que ocorram outras descargas em seqüência.

Estas descargas aproveitam-se do caminho ionizado deixado pela descarga piloto, apresentando uma velocidade maior que a primeira descarga.

Geralmente, os líderes diretos, nome dado as descargas subseqüentes ao líder saltador, percorre um caminho com poucas ramificações.

No intervalo de cada um destes líderes diretos sempre haverá a descarga de retorno à nuvem.

Na figura 1 abaixo, é apresentada a seqüência de uma descarga elétrica, com o líder saltador e demais líderes diretos e o tempo médio de duração de cada fase..

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ASPECTOS GERAIS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Figura 1 - Seqüência de uma descarga atmosférica

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ASPECTOS GERAIS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Classificando pela direção e polaridade elétrica do líder,

existem no total quatro tipos de descargas atmosféricas.

Líderes descendentes de polaridade negativa são os mais

comuns,;

Os líderes ascendentes, que se iniciam na terra, são raros e

tem um maior índice de ocorrência em estruturas de grande altura,

como arranha-céus e montanhas.

Quanto à polaridade, estudos demonstram um percentual

acima de 90% para raios com polaridade negativa .

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ASPECTOS GERAIS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Figura 2 – Tipos de Descargas em relação à Polaridade e Direção

Na figura 2 estão apresentados os quatro tipos de descarga atmosférica.

O valor do nível ceráunico é fornecido através de instituições oficiais, como instalações aeronáuticas, serviços de meteorologia e outras instituições relacionadas. Quando não se há informações atuais do índice de alguma organização, é utilizado o mapa de curvas isoceráunicas apresentado na NBR 5419. O mapa de curvas é mostrado na

figura 7.

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Um dos parâmetros fundamentais para classificação da estrutura é a probabilidade da edificação ser atingida por descargas atmosféricas.

A freqüência média anual previsível de descargas atmosférica sobre uma estrutura pode ser calculada, conforme a NBR-5419, pela seguinte equação:

Nd = Ng*Ae*10-6

Onde:Nd – Freqüência média anual previsível de descargas;Ng – Densidade de descarga atmosférica para a terra por quilômetro quadrado por ano de uma região;Ae – Área de exposição.

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

O Nível Ceraúnico (Td) consiste no número de dias de

trovoada em uma região por ano.

Este índice é variável e influenciado pelas características

climáticas e do relevo da região.

O valor do nível ceráunico é fornecido através de

instituições oficiais, como instalações aeronáuticas, serviços de

meteorologia e outras instituições relacionadas.

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Quando não se há informações atuais do índice de alguma

organização, é utilizado o mapa de curvas isoceráunicas

apresentado na NBR 5419.

O mapa de curvas é mostrado na figura 3.

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Figura 3 – Mapa Isoceraúnico do Brasil (NBR-5419)

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

A partir no nível ceraúnico é possível montar uma equação que calcula a densidade de descarga atmosférica para a terra por quilômetro quadrado por ano de uma região(Ng).

A equação fornecida pela NBR 5419 é a seguinte:

Ng =0,04 *Td1,25

Onde:Ng – Número de raios por quilômetro quadrado por ano;Td – Nível Ceraúnico (Número de dias de trovoada por ano).

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

A Área de Exposição(Ae), conforme NBR-5419, através da

relação entre o perímetro da estrutura e uma distância

correspondente a altura da mesma, conforme visto na figura 4.

Sendo assim, a área de exposição, em metros quadrados, de uma

estrutura pela equação abaixo:

Ae= L*W+ 2*L*H+2*W*H+*H

Onde:L =comprimento da estrutura;W = largura da estrutura;H = altura da estrutura.

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Figura 4 – Área de Exposição (NBR-5419)

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

A Área de Exposição(Ae), conforme NFPA-780 sofre

variação conforme a relação ente a altura da estrutura (H) e a

largura (W) e o comprimento(L), ver figuras na figura 5 á 7.

Onde:L =comprimento da estrutura;W = largura da estrutura;H = altura da estrutura.

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Figura 5 – Estrutura Retangular-Área de Exposição H≤W+L (NFPA-780)

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Figura 8– Área de Exposição com elevação proeminente Configuração Alternativa H1≥H2 (NFPA-780)

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Figura 6 – Área de Exposição com elevação proeminente Configuração com H≥W+L (NFPA-780)

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Exercício Determinar a área de exposição(Ae) , o número de

descargas ano por quilômetro quadrado e o número previsível de descargas/ano em um sistema de proteção com os seguintes dados.

Estrutura Retangular: L=100m W=20m H= 10mTd= Numero de dias de trovoada por ano= 37

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Exercício PropostoSolução:

Dados: Estrutura Retangular: L=100m W=20m H= 10mTd= Numero de dias de trovoada por ano= 37

Passo 1:

Ng =0,04 *Td1,25

Ng(37)=3,65 descargas por km²/ano Ae= L*W+ 2*L*H+2*W*H+*H² Ae= 4.716m²Nd= Ng*Ae*10-6

Nd= 16,2*10-3 descargas por ano

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Na seqüência, é calculada a avaliação geral do risco, que corresponde à utilização de fatores de ponderação específicos da estrutura. A probabilidade de risco é representada na equação a seguir:

N`d=A*B*C*D*E*Nd

Onde:Fator A – Corresponde ao tipo de ocupação de estrutura; Fator B – Tipo de construção; Fator C – Conteúdo da estrutura e efeitos indiretos das descargas atmosféricas; Fator D – Localização da estrutura.Fator E – Correspondente a topografia da região.Nd – Freqüência média anual previsível de descargas;

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

O resultado obtido é comparado com as probabilidades de risco máxima e mínima, conforme NBR-5419, e determinada a necessidade , ou não, da utilização de SPDA.

Quadro 1 – Risco de incidênciax utilização (NBR-5419)

RISCO DE INCIDÊNCIA POR ANO UTILIZAÇÃO DE SPDA

N´d ≥ 10-3 OBRIGATÓRIO

10-3> N´d ≥ 10-5 OPCIONAL

N´d < 10-5 DISPENSÁVEL

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICASExercício

Determinar se há necessidade de instalação de sistema de proteção atmosférica em uma edificação que tem os seguintes os seguintes dados.

Estrutura Retangular: L=100m W=20m H= 10mTd= Numero de dias de trovoada por ano= 37Hotel, construído em alvenaria , cercado por edificações de

maior porte, ao nível do mar.

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Exercício PropostoSolução:

Dados: Estrutura Retangular: L=100m W=20m H= 10mTd= Numero de dias de trovoada por ano= 37

Passo 1:

Ng =0,04 *Td1,25

Ng(37)=3,65 descargas por km²/ano Ae= L*W+ 2*L*H+2*W*H+*H Ae= 4.431m2Nd= Ng*Ae*10-6

Nd= 16,2*10-3 descargas por ano

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃOExercício PropostoSolução: Passo 2:

N’d =Nd*fator A*fatorB*fator C*fator D*fator ETabelas B1 a B5Fator A= 1,2 Fator B= 1,0 Fator C= 0,3 Fator D= 0,4 Fator E= 1,7N’d= 16,2*10-3 *1,2*1*0,3*0,4*1,7N’d= 0,0039 = 3,9*10-3 N’d> 10-3 Obrigatório Sistema de proteção

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Quando necessária a instalação de uma estrutura de proteção

(SPDA).

Os projetos de SPDA terão objetivo de que os elementos de

blindagem sejam atingidos pela descarga.

Como a incidência de um raio é determinado por equações

probabilísticas uma estrutura do SPDA tem chance de falhar.

Portanto, ao iniciar um projeto de blindagem(SPDA) deve se determinar

o nível de proteção solicitado pela estrutura a ser protegida.

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

As blindagens são classificadas conforme sua probabilidade de

falha, que variam conforme o grau de segurança necessário para uma

construção.

A NBR 5419 prevê quatro níveis de proteção, que são

classificados conforme algumas características: tipo de ocupação da estrutura; natureza de sua construção; valor de seu conteúdo ou efeitos indiretos como explosões e pânico das pessoas; localização da estrutura; altura da estrutura..

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Os quatro níveis são listados abaixo :

Nível I- onde a falha do SPDA pode gerar danos às estruturas

adjacentes, risco de explosão, perda de patrimônio risco de

contaminação do meio ambiente;

Nível II- onde o risco de falha é de acidentes com pessoas, de

perda de patrimônio cultural, ou perda de dados importantes;

Nível III- é o risco de falha para estruturas de uso comum;

Nível IV- onde não há um grande fluxo de pessoas.

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

O Nível I é utilizado para ambientes como indústrias petroquímicas,

postos de combustível e usinas.

O Nível II nesta classe são ordenadas as edificações como hospitais,

museus, escolas e bancos;

O Nível III é utilizado em residências e indústrias menores;

O Nível IV utiliza-se em construções como armazéns e depósitos.

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

A partir do valor ponderado do risco anual de

descarga atmosférica e o nível de proteção requisitado para

estrutura é possível obter a eficiência necessária da

blindagem e o nível de proteção correspondente através

das curvas demonstradas na figura 7.

.

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Figura 7 – Eficiência do Sistema de Proteção (NBR-5419)

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Dos valores verificados através das curvas demonstradas na figura 7 pode-se montar o quadro abaixo.

Nível de Proteção Característica Eficiência

I Nível máximo de proteção 98% a 95%

II Nível médio de proteção 95% a 90%

III Nível moderado de proteção 90% a 80%

IV Nível normal de proteção Abaixo de 80%

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Exercício Determinar nível de proteção requerido e a eficiência

obtida para uma instalação de sistema de proteção atmosférica que tem os seguintes os seguintes dados.

Estrutura Retangular: L=100m W=20m H= 10mTd= Numero de dias de trovoada por ano= 37Hotel, construído em alvenaria , cercado por edificações de

maior porte, ao nível do mar.

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Exercício PropostoSolução:

Dados: Estrutura Retangular: L=100m W=20m H= 10mTd= Numero de dias de trovoada por ano= 37

Passo 1:

Ng =0,04 *Td1,25

Ng(37)=3,65 descargas por km²/ano Ae= L*W+ 2*L*H+2*W*H+*H Ae= 4.431m2Nd= Ng*Ae*10-6

Nd= 16,2*10-3 descargas por ano

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃOExercício PropostoSolução: Passo 2:

N’d =Nd*fator A*fatorB*fator C*fator D*fator ETabelas B1 a B5Fator A= 1,2 Fator B= 1,0 Fator C= 0,3 Fator D= 0,4 Fator E= 1,7N’d= 16,2*10-3 *1,2*1*0,3*0,4*1,7N’d= 0,0039 = 3,9*10-3 N’d> 10-3 Obrigatório Sistema de proteção

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Exercício PropostoSolução: Passo 3:

Nível de proteção requerido II( escola,museus,etc)Eficiência necessária:Figura B3 Nd= 16,2*10-3= 1,62*10-2

N’d= 3,9*10-3

Nível de proteção= IIEficiência=96% Acima do requerido para Nível II

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ELEMENTOS DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

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ELEMENTOS DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

O projeto de blindagem praticamente consiste no dimensionamento dos captores.

A otimização da proteção contra descargas atmosféricas

baseia-se em distribuir corretamente os captores na área a ser

protegida.

Os captores podem ser subdivididos em:

captores tipo haste vertical;

e captores tipo cabo horizontal.

Sistemas de proteção contra descargas podem conter

somente um dos tipos dos captores ou conter ambos.

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ELEMENTOS DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

O captor vertical é constituído de uma ponta captora e um mastro e é feito de aço ou cobre.

Captores horizontais consistem basicamente em cabos nus que envolvem a superfície a ser protegida.

A utilização dos captores varia com características da construção, como altura, área efetiva, e nível de proteção necessário.

Os projetos para dimensionamento dos captores será visto mais adiante.

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ELEMENTOS DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

O condutor de descida é responsável por fazer a conexão entre o captor e o aterramento.

A NBR-5419 prevê a utilização de dois tipos de condutores de descida, naturais e não-naturais.

Os condutores de descida naturais são os elementos que

compõe a estrutura da construção, como as armações metálicas

de concreto armado.

A Norma exige que nesse caso, pelo menos metade dos

cruzamentos de barras verticais e horizontais seja conectada,

amarrando com arame ou soldado.

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ELEMENTOS DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Ainda para o concreto armado a NBR-5410 também recomenda o aterramento utilizando também as ferragens de fundação do prédio, obtendo uma resistência menor e também assegurando a equalização dos potenciais.

No caso de concreto pré-formado, devido seu processo de fabricação, as barras que formam sua ferragem são bem conectadas, garantindo uma boa condutividade elétrica.

O único tipo de concreto que a Norma não permite a utilização como condutor de descida é o concreto protendido, devido ao seu processo de fabricação.

Neste tipo de estrutura, o concreto é colocado sobre a malha metálica tensionada, ocorrendo um afrouxamento da malha quando o concreto se solidifica.

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ELEMENTOS DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Já no caso dos condutores de descida não-naturais, são utilizados cabos de cobre, alumínio ou aço, ou barras metálicas quando não há possibilidade de utilizar um condutor natural ou deseja-se assegurar a descida do sistema de proteção. Quando não há utilização de elementos de descida naturais, isto é, o SPDA está isolado da estrutura, a Norma exige no mínimo um condutor de descida por haste captadora.

A NBR-5419 ainda estabelece que o número de condutores de descida de ser em função do perímetro pela distância dos condutores, no caso de SPDA não isolado.

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ELEMENTOS DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

A NBR-5419 ainda estabelece que o número de condutores de descida de ser em função do perímetro pela distância dos condutores, no caso de SPDA não isolado:

N=P/DOnde:N – Número de condutores de descida;P – Perímetro da estrutura [m];D – Distância entre condutores de descida.

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Os valores de distância entre os condutores descida conforme o nível de proteção, conforme NBR-5419, estão indicados o quadro abaixo.

Nível de Proteção Espaçamento em metros

I 10

II 15

III 20

IV 25

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ELEMENTOS DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Outras exigências feitas pela norma sobre condutores de descida não-naturais são listadas abaixo:

Interligar os condutores de descida com condutores

horizontais e com a própria estrutura no caso da utilização

de condutores de descida naturais a cada 20 metros de

altura da estrutura;

Para parede de matéria combustível, os condutores de

descida devem apresentar um espaçamento mínimo de 10

cm, que deve ser obtida com a utilização de espaçadores.

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ELEMENTOS DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Os espaçadores devem ficar a uma distância entre eles de

2 metros;

Para aberturas em geral a distância mínima é de 50 cm;

Todas as emendas dos condutores de descida devem ser

soldados;

Os condutores de descida não devem ser submetidos a

esforços mecânicos, e devem ser protegidos até uma altura

mínima de 2,5 m de altura do solo por eletroduto rígido.

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ELEMENTOS DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

As ligações equipotenciais são utilizadas para que não haja

diferença de potencial no prédio, como o próprio nome diz.

Elas são conectadas aos condutores de descida em intervalos

de no máximo 20 metros;

No subsolo, ou próximo ao quadro geral de entrada de baixa

tensão;

Os condutores de ligação eqüipotencial devem ser

conectados a barra de ligação eqüipotencial principal(LEP) da

edificação;

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ELEMENTOS DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

As barras secundárias de ligação eqüipotencial devem ser

conectadas a armaduras do concreto ao nível correspondente,

mesmo que estas não sejam utilizadas como componentes naturais;

Em estruturas providas de SPDA isolados, a ligação

eqüipotencial deve ser efetuada somente ao nível do solo.

Os condutores de descida não-naturais também devem ser

interligados por ligações equipotenciais(anel), especial mente no

nível superior da estrutura.

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ELEMENTOS DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

O sistema de aterramento do SPDA é responsável pela dispersão da descarga atmosférica na terra, podendo ser instalado na forma de hastes na horizontal ou verticalmente.

A resistência total deste tipo de sistema, conforme a NBR-5419, deve ser inferior a 10 ohms para prédios em geral e de 1 ohm para estruturas com risco de explosão.

O comprimento mínimo total dos eletrodos de aterramento em estruturas de nível II a nível IV deve ser de 5 metros;

Em edificações nível I de proteção, o comprimento dos eletrodos varia de acordo a resistividade do solo, de acordo a figura 8 .

A medição da resistividade do solo e do aterramento deve ser feita utilizando três métodos: método de Wenner, método de Shlumberger e o método dos três pontos.

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CLASSIFICAÇÃO DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Figura 8 – Comprimento total dos eletrodos de aterramento (NBR-5419)

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ELEMENTOS DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Os dimensionamentos das hastes e dos cabos devem seguir

as exigências mínimas da Norma.

Para eletrodos radiais, deve-se utilizar no mínimo dois

eletrodos. De comprimento mínimo (Le) conforme apresentado na

figura 8.

Para eletrodos verticais, o comprimento da haste deve ser de

pelo menos metade deste valor( 0,5*Le).

Para eletrodos em anel ligado a uma haste, o raio da área

envolvida deve ser maior que o comprimento da haste.

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ELEMENTOS DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Se o raio for menor do que o comprimento da haste

deve-se acrescentar eletrodos, ou verticais ou horizontais.

Isto é:Se Rm≥ Le ; Lh= Le- Lv ou Lv = (Le- Rm) /2

Onde:Le é o comprimento da haste;Rm é o raio médio do condutor em anel;Lh é o comprimento de eletrodos horizontais a acrescentar;Lv é o comprimento de eletrodos verticais a acrescentar.

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ELEMENTOS DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Outras regras a serem cumpridas de acordo com a Norma:

Eletrodos verticais serão distribuídos uniformemente na área

da estrutura;

Os eletrodos devem estar enterrados a uma profundidade

mínima 50 cm;

e devem estar a uma distância mínima de 1 metro das

fundações da estrutura;

As fundações da construção podem ser utilizadas como

eletrodo, desde que sejam amarradas na metade dos seus

cruzamentos

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ELEMENTOS DO SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

As estruturas que compõem um sistema de blindagem podem ser feitos de diferentes materiais metálicos, como visto em norma.

O Quadro 3 demonstra as seções mínimas de diferentes materiais para cada uma das estruturas de um SPDA.

Material Captor Condutor de Descida

(Estruturas até 20 m)

Ligação

Equipotencial

Eletrodo de

Aterramento

Cobre 35 mm² 12 mm² 16 mm² 50 mm²

Alumínio 70 mm² 25 mm² 25 mm² -

Aço 50 mm² 50 mm² 50 mm² 50 mm²

Quadro 3 – Seções Mínimas (NBR-5419)

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

A Norma NBR-5419, considera três métodos de proteção:

Método Faraday;

Método Franklin;

e Modelo da Esfera Rolante.

Os dois primeiros métodos são baseados nos métodos tradicionais

de projeto de blindagem como o modelo de ângulos fixos.

O método da esfera rolante é baseado no modelo

eletrogeométrico, que é o método mais complexo em seu cálculo,

levando em conta características da descarga elétrica.

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de FranklinConsiste na aplicação direta do método dos ângulos fixos. O

volume de proteção é representado por um cone, cujo ângulo na vertical é determinado pela norma.

O ângulo varia com o nível de proteção e a altura da estrutura a proteger.

É recomendado utilizar o método de Franklin para edificações que apresentem pouca área, de forma que possa ser utilizado poucos captores.

Em casos de área horizontal muito grande, pode ocorrer a necessidade de instalação de muitas hastes, ou cabos, que pode tornar o projeto oneroso..

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Franklin(continuação)

Ainda no século XIII, Benjamin Franklin comprovou o caráter

elétrico do raio, recomendando o uso de hastes metálicas colocadas

no topo de estruturas para protegê-las da incidência direta de

descargas.

Somente dois séculos depois houve a criação do primeiro

modelo teórico de blindagem.

O método de ângulos fixos consiste na utilização de ângulos

verticais para determinar o número, posição e comprimento de

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Franklin(continuação)

Os ângulos aplicados são escolhidos a partir de

características da estrutura, como, grau de exposição, a área a ser

protegida e a importância da estrutura.

Neste método as características da descarga atmosférica

não são consideradas. Dois ângulos são considerados para o estudo, chamados de

α e β.

O ângulo β é formado pela distância entre a extremidade

da estrutura e o centro do captor.

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Franklin(continuação)

Enquanto o ângulo α corresponde a distância entre o centro

do captor e a metade da distância entre dois captores.

Os valores de ângulos típicos de α são de aproximadamente

45º, enquanto para β o valor varia entre 30º e 45º (IEEE, 1996).

As figuras 9,10, 11 e 12 apresentam blindagens constituídas

por hastes e cabos, respectivamente, utilizando o método de

ângulos fixos (IEEE, 1996).

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Franklin(continuação)

Figura 9 – Método dos Ângulos Fixos para Hastes

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Franklin(continuação)

Figura 10 – Método dos Ângulos Fixos para Hastes

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Franklin(continuação)

Figura 11 – Método dos Ângulos Fixos para Cabos

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Franklin(continuação)

Figura 12 – Método dos Ângulos Fixos para Cabos

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Franklin(continuação)

Pelas figuras, vemos que o cálculo da área protegida

consiste em equações trigonométricas simples, que levam em conta:

a distância do captor à margem da estrutura (X);

a altura da estrutura (D), a distância entre captores (X);

e a altura de instalação do captor em relação a estrutura (Y).É recomendado utilizar o método de Franklin em edificações

que apresentem pouca área, de forma a utilizar poucos captores. Em casos de área horizontal de grande dimensões, ocorrerá a

necessidade de instalação de muitas hastes ou cabos, o que torna o projeto oneroso.

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

O Quadro 4 apresenta os ângulos recomendados pela NBR-5419 para cada nível de proteção.

Quadro 4 – Ângulos de Proteção x Níveis de Proteção (NBR-5419)

Nível de

Proteção

Altura da Edificação (m)

20 30 45 60 Maior que

60

I 25º NR NR NR NR

II 35º 25º NR NR NR

III 45º 35º 25º NR NR

IV 55º 45º 35º 25º NR

NR – Não Recomendado

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Franklin(continuação) O cálculo de um projeto de blindagem pelo método

de Franklin é simples. A partir do ângulo obtido no Quadro 6 e multiplicando com a

altura do captor, é calculado o raio de base do cone. A partir de então, deve-se verificar se a estrutura está

totalmente preenchida pelo cone de proteção. A equação do raio de base do cone é obtida a partir de uma

equação trigonométrica simples:

Onde:Rp – Raio da base do cone de proteção [m];Hc – Altura do captor [m];α – Ângulo de Proteção com a vertical.

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

A figura 13 mostra um exemplo onde a estrutura está inserida no círculo da base do cone, porém suas extremidades superiores não estão contidas na região de proteção.

Figura 13 – Método Franklin

Área nãoProtegida

a

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

A figura 14 mostra um exemplo onde a estrutura está protegida e permite a proteção do nível inferior ao da instalação.

Figura 14 – Método Franklin(NFPA-780)

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Exercício

Detalhar um sistema de proteção atmosférica pelo método de Faraday para uma estrutura de se que tem os seguintes os seguintes dados.

Estrutura Retangular: L=100m W=20m H= 10mTd= Numero de dias de trovoada por ano= 37Hotel, construído em alvenaria , cercado por edificações de

maior porte, ao nível do mar.

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Exercício PropostoSolução:

Dados: Estrutura Retangular: L=100m W=20m H= 10mTd= Numero de dias de trovoada por ano= 37

Passo 1:

Ng =0,04 *Td1,25

Ng(37)=3,65 descargas por km²/ano Ae= L*W+ 2*L*H+2*W*H+*H Ae= 4.431m2Nd= Ng*Ae*10-6

Nd= 16,2*10-3 descargas por ano

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃOExercício PropostoSolução: Passo 2:

N’d =Nd*fator A*fatorB*fator C*fator D*fator ETabelas B1 a B5Fator A= 1,2 Fator B= 1,0 Fator C= 0,3 Fator D= 0,4 Fator E= 1,7N’d= 16,2*10-3 *1,2*1*0,3*0,4*1,7N’d= 0,0039 = 3,9*10-3 N’d> 10-3 Obrigatório Sistema de proteção

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃOExercício PropostoSolução: Passo 3:

Nível de proteção requerido II( escola,museus,etc) tabela 1 da NBR4191ou Quadro 4 desta apostila

ɑ=35 cos 35= 0,820 ß=45 cos 45= 0,707

Altura do Captor(Hc)= 3 metros

Raio de proteção(Rp)= 3 *0,82=2,46metros

Distância máx. entre captores= 2,46*2= 4,92 m

Distância máx. dos captores a borda da estrutura=0,707*3=2,1m

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Exercício PropostoSolução: Passo 4:

Distância máx. entre captores= 2,46*2= 4,92 m

Distância máx. dos captores a borda da estrutura=0,707*3=2,1m

Número de captores:

Na largura(W)= (20-4,2)/4,92= 3,2 => 4 captores

4 captores=> Distancia lateral efetiva= 3,92m

No comprimento(L)= (100-4,2)/4,92= 19,5 => 20 captores

20 captores=> Distancia lateral efetiva= 4,79m

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Exercício PropostoSolução: Passo 5:Distância máx. condutores de descidas

Na largura(W)= 3,92m

No comprimento= 4,79m

Simplificação: anel na cobertura e condutores a cada 5 metrosAterramento: Hastes a cada condutor descida (5 metros)

Anel no contorno da edificação , kigando as hastes e 1m das

fundações ( cabo de Cu seção # 50mm²)

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de FaradayBaseado na teoria da Gaiola de Faraday, que considera que

dentro de uma estrutura metálica, o campo eletromagnético será nulo, quando a estrutura for submetida a uma corrente elétrica. Consiste em envolver toda a estrutura com captores, seguindo as regras de distanciamento mínimo.

Este método é normalmente utilizado em estruturas de grande área e pouca altura. Porém, a norma obriga a utilização deste método para edifícios acima de 60 metros.

A abertura da malha está ligado diretamente com o nível de proteção da blindagem..

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Faraday ( cont...)

Os valores das dimensões das malhas, recomendadas pela NBR-5419

, conforme o nível de proteção são os indicados no quadro abaixo.

Nível de Proteção Dimensão da Malha (m)

I 5 x 10

II 10 x 15

III 10 x 15

IV 20 x 30

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Faraday ( cont...)

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Exercício Detalhar um sistema de proteção atmosférica pelo método

de Faraday para uma estrutura de se que tem os seguintes os seguintes dados.

Estrutura Retangular: L=100m W=20m H= 10mTd= Numero de dias de trovoada por ano= 37Hotel, construído em alvenaria , cercado por edificações de

maior porte, ao nível do mar.

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃOExercício PropostoSolução:

Dados: Estrutura Retangular: L=100m W=20m H= 10mTd= Numero de dias de trovoada por ano= 37

Passo 1:

Ng =0,04 *Td1,25

Ng(37)=3,65 descargas por km²/ano Ae= L*W+ 2*L*H+2*W*H+*H Ae= 4.431m2Nd= Ng*Ae*10-6

Nd= 16,2*10-3 descargas por ano

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃOExercício PropostoSolução: Passo 2:

N’d =Nd*fator A*fatorB*fator C*fator D*fator ETabelas B1 a B5Fator A= 1,2 Fator B= 1,0 Fator C= 0,3 Fator D= 0,4 Fator E= 1,7N’d= 16,2*10-3 *1,2*1*0,3*0,4*1,7N’d= 0,0039 = 3,9*10-3 N’d> 10-3 Obrigatório Sistema de proteção

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃOExercício PropostoSolução: Passo 3:

Nível de proteção requerido II( escola,museus,etc) tabela 1 da NBR=5419 ou Quadro 5 desta apostila

malha 10x20mDistância máx. entre captores

Na largura(W)= ((20-1,2)/10)+1= 2,78 => 3 cabos

No comprimento(L)= ((100-1,2)/20)+1= 5,94 => 6 cabosAltura de Instalação do Cabo= 0,2 metros

Distância máx. dos captores da borda da estrutura=0,6m(mini

captor vertical)

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Exercício PropostoSolução: Passo 4:Dmáx. condutores de descidas 15 metros (tabela 2-NBR-5419)D efetivo: Na largura(W)= 9,4m

No comprimento= 15m

01 Captor vertical(0,6m) a cada condutor descida

Anel no contorno da edificação , ligando as hastes e 1m das

fundações ( cabo de Cu seção # 50mm²)

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Eletrogeométrico (Esfera Rolante)

No início dos anos 50, a alta taxa de desligamento das

primeiras linhas de transmissão de 345 kV devido a incidência de

raios, influenciou a pesquisa de novos métodos de proteção contra

este fenômeno.

Os métodos de ângulo de proteção mostravam-se ineficientes

para este tipo de construção.

Fora percebido que somente as características da blindagem e

da estrutura não eram suficientes.

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Eletrogeométrico (Esfera Rolante)

A partir de então a descarga elétrica passou a ser estudada

com maior intensidade, e suas características foram consideradas

como variáveis dos projetos de proteção.

Um dos primeiros modelos eletrogeométricos de grande

importância para o estudo de blindagens foi o modelo de Whitehead

(1973), que consistia em um modelo teórico de um sistema de

transmissão sujeito a descargas diretas.

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Eletrogeométrico (Esfera Rolante)

Este método considera um decaimento em forma parabólica,

que em ensaios realizados, mostrou ser a melhor forma de

representar a área de proteção de um captor.

A projeção lateral da blindagem pelo método da esfera

rolante não será mais triangular, como no método de Franklin.

A figura 15 mostra a área de proteção do método da esfera

rolante

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Eletrogeométrico (Esfera Rolante)

Figura 15 – Método Eletrogeométrico(Esfera Rolante)

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Eletrogeométrico (Esfera Rolante)

Neste método a blindagem visa proteger descargas

atmosféricas com valores de corrente igual ou maior do que o

calculado(Imáx).

Valores menores são considerados inofensivos a estrutura à

proteger, podendo com isso atravessar a blindagem e atingir a

construção.

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Eletrogeométrico (Esfera Rolante)No modelo eletrogeométrico a distância crítica( 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.

.

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Eletrogeométrico (Esfera Rolante)

A NBR-5419 prevê a seguinte fórmula para o cálculo da distância crítica(R).

R = 2 . Imáx. + 30 (1 – e –Imáx )Onde:

R= distância crítica em metros;I máx. = valor de crista máximo do primeiro raio negativo, em kA.

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Eletrogeométrico (Esfera Rolante)

No caso da NBR-5419 a distância crítica é determinada pelo

nível de proteção requerido pela estrutura, conforme indicado na

tabela C1, ver reprodução abaixo.

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Eletrogeométrico (Esfera Rolante)

Através da distância crítica(R) pode se determinar a

corrente máxima(Imáx) para cada nível de proteção requerido pela

estrutura, conforme indicado na tabela C2, ver reprodução abaixo.

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Eletrogeométrico (Esfera Rolante)A determinação geométrica da distância crítica(R) para R> H,

onde H representa a altura do captor acima do solo é obtida conforme indicado na figura abaixo.

Nesta figura a área protegida pelo captor está indicada pelo cone hachurado.

.

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Eletrogeométrico (Esfera Rolante)A determinação geométrica da distância crítica(R) para R<H,

onde H representa a altura do captor acima do solo é obtida conforme indicado na figura abaixo.

Nesta figura a área protegida pelo captor está indicada pelo cone hachurado.

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃOMétodo de Eletrogeométrico (Esfera Rolante)

Na condição R<H deve-se atentar para as seguintes

características:

Nesta configuração todo o ponto acima do valor de R torna-

se um ponto de atração para a descarga, ou seja age como

captor.

A extremidade superior é formada uma semi esfera que

determina uma zona de atração para o captor, ou seja há

maior probabilidade de incidência neste do que em estruturas

externas adjacentes.

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Eletrogeométrico (Esfera Rolante)

No modelo eletrogeométrico a distância de proteção (d) entre dois captores pode ser expressa seguinte fórmula.

d =( h1*(2R-h1))1/2 - ( h2*(2R-h2))1/2

Onde: R= distância crítica em metros;

h1 = altura do captor mais elevado, em metros. h2 = altura do captor mais baixo, em metros.

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Método de Eletrogeométrico (Esfera Rolante)

Utilizando na fórmula anterior o valor de h2 como zero, podemos determinar a máxima distância de proteção entre dois captores.

d =( (2Rh1-h12))1/2

D =2*dOnde: R= distância crítica em metros;

h1 = altura de instalação do captor, em metros.D= distância máxima de proteção de entre dois captores, em

metros

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Exercício Detalhar um sistema de proteção atmosférica pelo método

de Eletrogeométrico para uma estrutura de se que tem os seguintes os seguintes dados.

Estrutura Retangular: L=100m W=20m H= 10mTd= Numero de dias de trovoada por ano= 37Hotel, construído em alvenaria , cercado por edificações de

maior porte, ao nível do mar.

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃOExercício PropostoSolução:

Dados: Estrutura Retangular: L=100m W=20m H= 10mTd= Numero de dias de trovoada por ano= 37

Passo 1:

Ng =0,04 *Td1,25

Ng(37)=3,65 descargas por km²/ano Ae= L*W+ 2*L*H+2*W*H+*H Ae= 4.431m2Nd= Ng*Ae*10-6

Nd= 16,2*10-3 descargas por ano

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DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃOExercício PropostoSolução: Passo 2:

N’d =Nd*fator A*fatorB*fator C*fator D*fator ETabelas B1 a B5Fator A= 1,2 Fator B= 1,0 Fator C= 0,3 Fator D= 0,4 Fator E= 1,7N’d= 16,2*10-3 *1,2*1*0,3*0,4*1,7N’d= 0,0039 = 3,9*10-3 N’d> 10-3 Obrigatório Sistema de proteção

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Exercício PropostoSolução: Passo 3:

Nível de proteção requerido II( escola,museus,etc) Da tabela 1 da NBR-5419 – R=30m

Da tabela C.2 da NBR-5419 – Imax=6,1kAUtilizando captor com altura de 0,6m, temos:

d =( (2Rh1-h12))1/2

h1=0,6m e R=30m => d=6m

Dmáx entre captores =2*d= 12 m

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Exercício PropostoSolução: Passo 4:Dmáx. condutores de descidas 15 metros (tabela 2-NBR-5419)D efetivo: Na largura(W)= 9,4m

No comprimento= 11m

01 Captor vertical(0,6m) a cada condutor descida

Anel na cobertura interligando os captores.

Aterramento:

Anel no contorno da edificação , ligando as hastes e 1m das

fundações ( cabo de Cu seção # 50mm²)

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Probabilidade de Descargas Atmosféricas

Uma das formas de expressar a distribuição de intensidades de

corrente é uma curva logarítmica normal, com valores de amplitude

média e desvio padrão representados como abaixo (POPOLANSKY,

1972):

Logo, a probabilidade de descargas iguais ou superiores a , é dada

pela função a seguir:

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Probabilidade de Descargas Atmosféricas

Adotando valores de I(50%) = 25 kA e I(16%) = 61 kA,

obtemos alguns valores de corrente da descarga e suas

respectivas probabilidades, demonstrados no quadro abaixo.I (kA) P (X)

2 99,80

5 97,00

10 83,00

20 60,00

50 25,00

100 8,00

200 1,00

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Probabilidade de Descargas Atmosféricas

Outra fórmula também utilizada para o cálculo da

probabilidade do raio exceder a corrente estimada, é mostrada

abaixo (ANDERSON, 1987):

Onde Io corresponde a amplitude média da corrente de

descargas atmosféricas.

A corrente média para incidência sobre condutores, estruturas

e mastros é de 31kA.

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Probabilidade de Descargas Atmosféricas

Utilizando a fórmula e I(50%) = 24 kA obtemos alguns

valores de corrente da descarga e suas respectivas probabilidades,

demonstrados no quadro abaixo.I(kA) P(x)(%)

2 99,925 99,1410 94,9920 75,7650 22,39

100 4,54200 0,78

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Probabilidade de Descargas Atmosféricas

Utilizando a fórmula e I(50%) = 24 kA para os valores de

Imax previstos na NBR-5419, teremos o quadro abaixo.

Nível de Proteção I(kA) P(x)(%)I 3,7 99,60II 6,1 98,56III 10,6 94,21IV 16,5 83,75

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃOProbabilidade de Falha do Sistema Descargas Atmosféricas

A falha do sistema de proteção pode ser calculda da seguinte forma.

Pfalha=1- P(Imax) (%)P’falha= Pfalha*Ng*Ae

Onde: P(Imax)= probabilidade de descarga com valor igual ou maior que Imax(kA) ;

Ng= número de descargas por quilômetro quadrado por ano;Ae= área de exposição em metro quadrado;Pfalha = probabilidade de Imax< Iadotado, em %. P’falha = probabilidade de falha do sistema, adimensional

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

ExercícioDeterminar a probabilidade de falha de um sistema de

proteção montado conforme o modelo eletrogeométrico com os seguintes dados.

Ae= 10.000m²Ng= 7,5 descargas por quilômetro quadrado/ano. Imáx= 6,1kAI(50%)=24kA

Solução:P(6,1)= 98,6 %Pfalha(6,1)=1- P(6,1)=100-98,6= 1,46%P’falha(6,1)= 1,46*7,5*10-2=0,109

1 falha a cada 9 anos

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Exercício PropostoDeterminar a probabilidade de falha de um sistema de

proteção montado conforme o modelo eletrogeométrico com os seguintes dados.

Estrutura Retangular: L=100m W=20m H= 10mTd= Numero de dias de trovoada por ano= 37 Imáx do sistema de proteção= 6,1kAI(50%)=31kA

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃOExercício PropostoSolução: P’ falha(6,1)= ?

Dados: Estrutura Retangular: L=100m W=20m H= 10mTd= Numero de dias de trovoada por ano= 37 Imáx do sistema de proteção= 6,1kAI(50%)=31kA

Passo 1:

Ng =0,04 *Td1,25

Ng(37)=3,65 Ae= L*W+ 2*L*H+2*W*H+*H Ae= 4.431m2

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EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

Exercício PropostoSolução: P’ falha(6,1)= ?

Passo 2:

P(6,1)= 98,6 % I(50%)=31kAPfalha(6,1)=1- P(6,1)=100-98,54= 1,46 %

P’falha(6,1)= 1,46*4,431*3,65*10-3=0,0236

1 falha a cada 42 anos