O documento discute sistemas de proteção contra raios, incluindo seus componentes, tipos e métodos de dimensionamento. É apresentada a norma NBR 5419-3 e discutidos os sistemas de proteção externo e interno, assim como os subsistemas de captação, descidas, anéis de cintamento e aterramento. Três métodos de dimensionamento são descritos: Método Franklin, Gaiola de Faraday e Esfera Rolante.
1. Prote¸c˜ao contra descargas atmosf´ericas Parte 3: Danos f´ısicos a
estruturas e perigos `a vida
Talianna Neves, Airton Lucas, Paulo Victor,
Jobson Gomes, Daniel Simi˜ao, Thiago dos Santos e Henrique Vidal
Colegiado de Engenharia El´etrica
Mar¸co de 2016
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2. Sum´ario
1 Introdu¸c˜ao
2 Princ´ıpio de Funcionamento
3 Componentes de um Sistema de Prote¸c˜ao
4 Sistema de Capta¸c˜ao
5 Tipos de SDPA
M´etodo de Franklin
M´etodo da esfera Rolante
Prote¸c˜ao de Instala¸c˜oes Especiais
6 Conclus˜ao
7 Referˆencias
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3. Introdu¸c˜ao
NBR 5419-3
Esta parte da NBR 5419-3 (2013) trata da prote¸c˜ao, no interior e ao redor de uma
estrutura, contra danos f´ısicos e contra les˜oes a seres vivos devido `as tens˜oes de toque e
passo.
Considera-se que a principal e mais eficaz medida de prote¸c˜ao contra danos f´ısicos ´e o
SPDA - sistema de prote¸c˜ao contra descargas atmosf´ericas. Geralmente, o SPDA ´e
composto por dois sistemas de prote¸c˜ao: sistema externo e sistema interno.
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4. Introdu¸c˜ao
NBR 5419-3
Qual a primeira imagem que vem a cabe¸ca?
(a) Aplica¸c˜ao do princ´ıpio de funcionamento (b) Exemplo real de atua¸c˜ao
Figura 1: Para-raios atuando com eficiˆencia
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5. Introdu¸c˜ao
Compreendendo os raios
Os raios podem ir tanto de cima para baixo – no sentido da nuvem para a terra – quanto
de baixo para cima – no sentido da terra para a nuvem. Contudo, ´e mais comum eles
virem do c´eu.
Figura 2: Conceito do sistema preventivo de raios
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6. Princ´ıpio de Funcionamento
As descargas el´etricas das nuvens de tempestades se dirigem para o solo;
Um campo el´etrico que sai do para-raios intercepta a carga e completa um circuito;
O resultado ´e uma grande carga de eletricidade, chamada de raio;
O para-raios dissipa esta carga ao lev´a-la para o solo.
Figura 3: Conceito do sistema preventivo de raios
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7. Princ´ıpio de Funcionamento
Fun¸c˜oes do SPDA
Neutralizar, pelo poder de atra¸c˜ao das pontas, o crescimento do gradiente de
potencial el´etrico entre o solo e as nuvens, por meio do permanente escoamento de
cargas el´etricas do meio ambiente para a terra;
Oferecer `a descarga el´etrica que for cair em suas proximidades um caminho
preferencial, reduzindo os riscos de sua incidˆencia sobre as estruturas;
Um para-raios corretamente instalados reduz significativamente os perigos e os riscos
de danos, pois captar´a os raios que iriam cair nas proximidades de sua instala¸c˜ao.
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8. Aplica¸c˜ao da Norma
Onde esta norma ´e aplic´avel?
Manuten¸c˜ao de um SPDA para estruturas sem
limita¸c˜ao de altura;
Estabelecimento de medidas para prote¸c˜ao contra
les˜oes a seres vivos causadas pelas tens˜oes de passo e
toque provenientes das descargas atmosf´ericas;
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9. Aplica¸c˜ao da Norma
Onde esta norma N˜AO ´e aplic´avel?
Nota 1
As prescri¸c˜oes contidas nesta parte da norma, n˜ao s˜ao direcionadas a prover prote¸c˜ao
contra falhas de sistemas el´etricos e eletrˆonicos devido a sobretens˜oes. Requisitos
espec´ıficos para tais casos s˜ao providos na ABNT NBR 5419-4.
Nota 2
Requisitos espec´ıficos para prote¸c˜ao contra descargas atmosf´ericas em turbinas e´olicas
s˜ao apresentados na IEC 61400-24 [9].
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10. SPDA Externo e Interno
SPDA Externo
A prote¸c˜ao contra raios diretos nas edifica¸c˜oes consiste basicamente na instala¸c˜ao de
condutores met´alicos envolvendo a edifica¸c˜ao, e ´e constitu´ıda pelos subsistemas de
capta¸c˜ao (que recebem a descarga), subsistema de descidas (conduzem a descarga at´e o
solo), subsistema de aterramento (dissipam a descarga no solo) e subsistema de
equipotencializa¸c˜ao (reduzem os riscos de centelhamento e suas consequˆencias).
Esse sistema implica a observa¸c˜ao de uso de materiais compat´ıveis com as fachadas das
edifica¸c˜oes, para minimizar impactos est´eticos muito marcantes.
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11. SPDA Externo e Interno
SPDA Externo
O SPDA Externo ´e destinado a:
Interceptar uma descarga atmosf´erica para a estrutura (por meio do subsistema de
descida);
Conduzir a corrente da descarga atmosf´erica para a terra de forma segura (por meio
do subsistema de descida);
Dispersar a corrente da descarga atmosf´erica na terra (por meio do subsistema de
aterramento).
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12. SPDA Externo e Interno
SPDA Interno
´E destinado a reduzir os riscos com centelhamentos perigosos dentro do volume de
prote¸c˜ao criado pelo SPDA externo utilizando liga¸c˜oes equipotenciais ou distˆancia de
seguran¸ca (isola¸c˜ao el´etrica) entre os componentes do SPDA externo e outros elementos
eletricamente condutores internos `a estrutura.
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13. Componentes de um Sistema de Prote¸c˜ao
Elementos
1 Capta¸c˜ao
2 Descidas
3 An´eis de cintamento
4 Aterramento
Figura 4: Alguns materiais utilizados: captor, haste e an´eis de cintamento
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14. Sistema de Capta¸c˜ao
Introdu¸c˜ao
A probabilidade de penetra¸c˜ao da corrente da descarga atmosf´erica na estrutura ´e
consideravelmente limitada pela presen¸ca de subsistema de capta¸c˜ao apropriadamente
instalados.
Subsistemas de capta¸c˜ao podem ser compostos por qualquer combina¸c˜ao dos seguintes
elementos:
Hastes ou pontas (incluindo mastros);
Condutores suspensos;
Condutores em malha.
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15. Sistema de Capta¸c˜ao
Subsistema de Descida
Com o prop´osito de reduzir a probabilidade de danos devido `a corrente da descarga
atmosf´erica fluindo pelo SPDA, os condutores de descida devem ser arranjados a fim de
proverem:
Diversos caminhos paralelos para a corrente el´etrica;
O menor comprimento poss´ıvel do caminho da corrente el´etrica;
A equipotencializa¸c˜ao com as partes condutoras de uma estrutura deve ser feita de
acordo com os requisitos de 6.2.
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16. Sistema de Capta¸c˜ao
An´eis de Cintamento
Os an´eis de cintamento assumem duas importantes fun¸c˜oes:
A primeira ´e equalizar os potenciais das descidas minimizando assim o campo
el´etrico dentro da edifica¸c˜ao;
A segunda ´e receber descargas laterais e distribu´ı-las pelas descidas.
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17. Sistema de Capta¸c˜ao
Aterramento
Quando se tratar da dispers˜ao da corrente da descarga atmosf´erica (comportamento em
alta frequˆencia) para a terra, o m´etodo mais importante de minimizar qualquer
sobretens˜ao potencialmente perigosa ´e estudar e aprimorar a geometria e as dimens˜oes do
subsistema de aterramento.
Deve-se obter a menor resistˆencia de aterramento poss´ıvel, compat´ıvel com o arranjo do
eletrodo, a topologia e a resistividade do solo no local.
Recebe as correntes el´etricas das descidas e as dissipam no solo. Quanto a malha de
aterramento, o modo mais pr´atico, consiste em colocar uma haste de aterramento tipo
”Copperweid”(alta camada = 250u) em cada descida e cabo de cobre nu #50mm2
a 50
cm de profundidade, conectado as hastes.
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18. Sistema de Capta¸c˜ao
Aterramento
Algumas medidas a cerca do aterramento:
N˜ao devem surgir diferen¸cas de potencial entre equipamentos ou partes de um
mesmo equipamento;
N˜ao devem surgir no solo diferen¸cas de potencial que causem tens˜oes de passo
perigosas `as pessoas;
N˜ao devem surgir entre as partes met´alicas e o solo diferen¸cas de potencial que
causem tens˜oes de toque ou descargas laterais `as pessoas.
Para que estas condi¸c˜oes sejam atendidas deve-se equalizar os referenciais de
potencial das diferentes entradas (for¸ca e telefone, por exemplo) de modo que n˜ao
surjam diferen¸cas de potencial perigosas aos equipamentos.
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19. Classifica¸c˜ao do SPDA
Quando se instala um SPDA externo, caso das edifica¸c˜oes prontas, ´e necess´ario o
projetista ficar atento aos detalhes arquitetˆonicos para escolher os melhores locais para
posicionar os condutores de descida e an´eis de cintamento horizontal.
Figura 5: Tabela de classifica¸c˜ao
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20. Sistemas de Capta¸c˜ao de Raios
No sistema de capta¸c˜ao de Raios, est´a considerado tudo o que existe sobre a edifica¸c˜ao
que possa atrair uma descarga el´etrica, e tudo aquilo que dever´a ser instalado para assim
compor um sistema de capta¸c˜ao.
De acordo com a norma, existem dois sistemas b´asicos de capta¸c˜ao, que s˜ao os captores
do tipo Franklin montados com mastros e o sistema de gaiola de Faraday, que ´e
composto de uma malha de capta¸c˜ao que pode ser executada com cabos de cabo nu,
cabos de alum´ınio ou fitas de alum´ınio, sobre a edifica¸c˜ao.
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21. Tipos de SPDA
Atualmente existem trˆes m´etodos de dimensionamento:
M´etodo Franklin;
M´etodo Gaiola de Faraday;
M´etodo da Esfera Rolante, Eletrogeom´etrico ou Esfera Fict´ıcia.
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22. M´etodo de Franklin
O m´etodo Franklin, devido `as suas limita¸c˜oes impostas pela Norma passa a ser cada vez
menos usado em edif´ıcios sendo ideal para edifica¸c˜oes de pequeno porte. Segundo a
norma vigente, os para-raios do tipo Franklin s˜ao instalados para proteger o volume de
um cone, onde o captor fica no v´ertice e ˆangulo entre a geratriz e o centro do cone,
variando de acordo com o n´ıvel de prote¸c˜ao e a altura da edifica¸c˜ao (NBR 5419:2005).
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23. M´etodo Gaiola de Faraday
O m´etodo consiste:
Instalar um sistema de captores formado por condutores horizontais;
Condutores horizontais interligados em forma de malha;
Distribuir a corrente de maneira uniforme por toda a superf´ıcie;
Quanto menor for a distˆancia entre os condutores da malha, melhor ser´a a prote¸c˜ao
obtida (NBR 5419-3, 2013)
Figura 6: Esquema do sistema de prote¸c˜ao tipo gaiola de Faraday
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24. Gaiola de Faraday
´E formada por um captor, cabos de cobre no formato de uma malha, suportes
isoladores e tubos de prote¸c˜ao para os condutores de descida at´e o solo;
O m´odulo da malha dever´a constituir um anel fechado, com o comprimento n˜ao
superior ao dobro da sua largura.
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25. M´etodo da Esfera Rolante
O m´etodo da Esfera Rolante ´e o mais recente dos trˆes acima mencionados e consiste em
fazer rolar uma esfera , por toda a edifica¸c˜ao. Esta esfera ter´a um raio definido em
fun¸c˜ao do N´ıvel de Prote¸c˜ao, Os locais onde a esfera tocar a edifica¸c˜ao s˜ao os locais mais
expostos a descargas. Resumindo poderemos dizer que os locais onde a esfera toca, o
raio tamb´em pode tocar , devendo estes serem protegidos por elementos met´alicos
(captores Franklin ou condutores met´alicos).
Figura 7: Valores m´aximos dos raios da esfera rolante, tamanho da malha e ˆangulo de prote¸c˜ao
correspondentes a classe do SPDA
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26. M´etodo da Esfera Rolante
Para valores de H (m) acima dos valores finais de cada curva (classes I a IV) s˜ao
aplic´aveis apenas os m´etodos da esfera rolante e das malhas;
H ´e a altura do captor acima do plano de referˆencia da ´area a ser protegida;
O ˆangulo n˜ao ser´a alterado para valores de H abaixo de 2m.
Figura 8: Valores m´aximos dos raios da esfera rolante, tamanho da malha e ˆangulo de prote¸c˜ao
correspondentes a classe do SPDA
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27. M´etodo da Esfera Rolante
Figura 9: Posicionamento do subsistema de capta¸c˜ao utilizando o m´etodo da esfera rolante
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28. Prote¸c˜ao de Instala¸c˜oes Especiais
´Areas Esportivas:
As ´areas esportivas, camping, piscinas, est´adios etc. devem ser protegidas. A
solu¸c˜ao mais simples ´e a prote¸c˜ao por meio de terminais em mastros de banheira, ou
torre de holofotes ou reservat´orios de ´agua.
O n´umero de terminais depende do caso espec´ıfico (natureza, importˆancia, ´area).
Figura 10: Donbass Arena - Ucrˆania
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29. Prote¸c˜ao de Instala¸c˜oes Especiais
Igrejas:
S˜ao muito sujeitas ´as descargas atmosf´ericas, por causa da sua altura e das massas
met´alicas (sino) existentes nas torres;
A torre do sino deve ser dotada de um captor, ao qual deve ser ligado ´a massa dos
sinos, carrilh˜oes ou rel´ogios que existam;
Se no alto existirem est´atuas ou cruz, tamb´em estas devem ter um captor; se forem
met´alicas, elas mesmas devem participar do sistema.
Figura 11: Bas´ılica de S˜ao Pedro - Vaticano
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30. Conclus˜ao
N˜ao h´a uma prote¸c˜ao 100% segura, mas sim a utiliza¸c˜ao de dispositivos de prote¸c˜ao que
diminuam os riscos e a probabilidade de danos aos equipamentos e instala¸c˜oes e/ou
estruturas f´ısicas ao serem atingidas. ´E imprescind´ıvel a divulga¸c˜ao e difus˜ao dos
conhecimentos capazes de subsidiar a defini¸c˜ao e a ado¸c˜ao de pr´aticas eficientes para
minimizar os efeitos destrutivos das descargas.
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32. Referˆencias I
ASSOCIAC¸ ˜AO BRASILEIRA DE NORMAS T´ECNICAS. Prote¸c˜ao contra
descargas atmosf´ericas Parte 3: Danos f´ısicos a estruturas e perigos `a vida. Rio de
Janeiro, 2013. 61 p.
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