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SISTEMAS DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS APLICADOS NA CONSTRUÇÃO CIVIL
Edson dos Santos Xavier1
Edgarde Gonsalves Cerqueira2
RESUMO: Neste artigo constam as definições, métodos, sistemas e normas
para instalação de Proteção contra Descargas Atmosféricas, utilizada na
construção civil. Apresenta também em especial o sistema estrutural com a
utilização de uma Barra Adicional (Re-Bar) entre as armaduras de concreto
para escoamento para o solo da corrente elétrica produzida pela descarga
atmosférica. São apresentados ainda alguns ensaios realizados no Brasil e no
mundo que comprovam o não rompimento do concreto quando da passagem
da corrente elétrica com o uso das armaduras de concreto como parte
integrante do Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA).
Palavras-chave: Descargas Atmosféricas; Barra Adicional; Corrente Elétrica
1 INTRODUÇÃO
Uma descarga atmosférica é um fenômeno natural que desde o princípio da
humanidade causa medo e danos
A descarga atmosférica causa danos e pode provocar a morte, pois injeta
correntes da ordem de centenas de quiloamperes no objeto atingido que, caso não
sejam contidas, provocam prejuízos e acidentes, tais como:
Seqüelas e mortes em seres humanos causados tanto pela incidência
direta, como indireta das descargas atmosféricas.
Danos em florestas e campos;
1 Concluinte do Curso de Engenharia Civil - Universidade Católica do Salvador. e-mail: [email protected] – Autor
2 Engenheiro Civil e de Segurança no Trabalho com Especialização em Metodologia do Ensino superior e Professor do Curso de Engenharia Civil da Universidade Católica do Salvador. e-mail: [email protected] - Orientador
Danos em edificações;
Danos em instalações de transmissão e distribuição de energia elétrica;.
Interferências em sistemas de telecomunicações e de dados.
Acidentes em aviões, embarcações, plataformas de petróleo e antenas.
Interrupções de fornecimento de energia elétrica.
Segundo Creder (2000), as descargas atmosféricas ou raio, são fenômenos
naturais de danosas conseqüências, resultante do acúmulo de cargas elétricas em
uma nuvem e a conseqüente condução para o solo terrestre ou sobre qualquer
estrutura que ofereça condições favoráveis à dissipação. Mamede (1997) destaca
que ao longo dos anos várias teorias foram desenvolvidas para explicar o fenômeno
das descargas atmosféricas. Os estudos indicam que a única forma de proteção
para evitar ou minimizar os danos e perigos relacionados ao fenômeno é dissipar
para a terra a corrente com segurança para as instalações e os seres humanos.
O primeiro cientista a estudar o fenômeno foi Benjamim Franklin (1752), que
concluiu que as descargas atmosféricas eram constituídas de corrente elétrica. A
conclusão dos estudos indicou que estas correntes poderiam ser direcionadas com
segurança para a terra, através de uma ponta metálica instalada, por exemplo, em
cima de uma casa. Com base na teoria do poder das pontas, a ponta metálica
atrairia os raios para si e a edificação estaria protegida contra as descargas. Com
esta teoria Benjamim Franklin (1752) construiu um dispositivo de condução das
descargas atmosféricas para o solo que denominou “pára-raios”. As cargas elétricas,
produzidas pelas descargas atmosféricas, em vez de irromperem de um ponto
qualquer do solo, seriam conduzidas até as pontas do Pára-Raios e delas para a
terra através de um cabo de excelente condutividade elétrica (cabo de cobre),
permitindo desta forma, que as descargas sejam efetuadas através deste,
propiciando a proteção da construção dentro de determinado raio de atuação
(MAMEDE, 1997).
Apesar do uso de Pára-Raios pontos de edificações têm sido atingidos por
descargas atmosféricas as quais não haviam caído na ponta metálica, sendo assim,
reformulou-se a teoria e concluiu-se que a ponta metálica seria o caminho mais
provável mas não o único para conduzir o raio. Mais estudos foram desenvolvidos
para assegurar que o raio seja conduzido até o solo com segurança e assim,
iniciaram-se estudos para definir a região até onde a ponta metálica teria influência e
2
foram definidos ângulos de proteção em função da exposição da edificação, bem
como os riscos materiais e humanos envolvidos.
O comportamento das descargas atmosféricas continua sendo de difícil
previsão e daí a necessidade de maiores estudos sobre sistemas de proteção contra
descargas atmosféricas, que impeçam ou reduzam as possibilidades de prejuízos,
acidentes e danos nas edificações.
Os sistemas de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) vêm sendo
desenvolvidos no decorrer dos últimos anos, contudo deve ser destacado que ainda,
não se conseguiu uma proteção completa ou totalmente efetiva para as descargas
atmosféricas. A fim de evitar falsas expectativas sobre os sistemas de proteção, é
bom tornar claro que a descarga atmosférica (raio) é um fenômeno da natureza
absolutamente imprevisível e aleatório, tanto em relação às características elétricas
(intensidade de corrente, tempo de duração, etc.), como em relação aos efeitos
destruidores decorrentes de sua incidência sobre as edificações. Nada em termos
práticos pode ser feito para se impedir a "queda" de uma descarga em determinada
região. Não existe "atração" a longas distâncias, sendo os sistemas prioritariamente
receptores. Assim sendo, as soluções internacionalmente aplicadas buscam tão
somente minimizar os efeitos destruidores a partir da colocação de pontos
preferenciais de captação e condução segura da descarga para a terra (Leon, 1991).
1.1 Normatização
A implantação e manutenção de sistemas de proteção são normatizadas
internacionalmente pela IEC (International Eletrotecnical Comission) e em cada país
por entidades próprias como a ABNT (Brasil), NFPA (Estados Unidos) e BSI
(Inglaterra). Somente os projetos elaborados com base em disposições destas
normas podem assegurar uma instalação eficiente e confiável. Entretanto, esta
eficiência nunca atingirá os 100 % estando, mesmo estas instalações, sujeitas à
falhas de proteção. Os danos mais comuns são a destruição de pequenos trechos
do revestimento das fachadas de edifícios ou de quinas da edificação ou ainda de
trechos de telhados. Os sistemas visam a proteção da estrutura das edificações
contra as descargas que a atinjam de forma direta, tendo a NBR-5419 da ABNT
como norma básica. É de fundamental importância que após a instalação haja uma
3
manutenção periódica anual para garantir a confiabilidade do sistema. São também
recomendadas vistorias preventivas após reformas que possam alterar o sistema e
toda vez que a edificação for atingida por descarga direta.
Segundo Alves (1999), as normas que regulamentariam a instalação do
Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA), ficaram adormecidas
por aproximadamente 20 (vinte) anos, e somente em 1993 a Associação Brasileira
de Normas Técnicas (ABNT), atualizou as mesmas que passaram a compor a NBR-
5419 (já nesta versão permitia o uso das armaduras do concreto como parte
integrante do Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas). A versão de
2001 e de 2005, atualmente em revisão, mas ainda em vigor, no parágrafo 5.1.2.5.5,
especificam: “Para edificações de concreto armado existentes, poderá ser
implantado um SPDA com descidas externas ou, opcionalmente, poderão ser
utilizadas como descidas as armaduras do concreto. Neste último caso, devem ser
realizados testes de continuidade e estes testes devem resultar em resistências
medidas inferiores a 1 Ω”.Esta última versão, válida a partir de 29 de agosto de
2005, possui ainda o anexo E, normativo, sobre o ensaio de continuidade de
armaduras que descreve em detalhes o ensaio para verificação da continuidade
elétrica das armaduras de concreto para que estas possam ser utilizadas como parte
integrante do sistema de proteção. A norma brasileira teve como referência a norma
da Internacional Eletrical Comission (IEC) de número 61024. O sistema de proteção
contra descargas atmosféricas que não obedeça à norma técnica NBR 5419/93, da
ABNT, que é o único documento aceito pelo código de defesa do consumidor, não
deverá ser levado a sério
A norma internacional, IEC 62305, parte 3 de 2006, atualmente em vigor, e
que está sendo seguida como texto na revisão da correspondente norma brasileira
acima referida, no parágrafo 4.3 , estabelece as condições para que o conjunto das
armaduras do concreto armado possa ser utilizado como integrante do sistema de
proteção contra descargas atmosféricas. Essa norma estabelece duas condições,
independentes, para esta utilização:
- que as armaduras da edificação sejam construídas visando essa utilização ou;
- que em ensaio nas armaduras seja obtido o valor de 0,2 Ω como admissível para a
medida de resistência ohmica de contato das armaduras entre os níveis inferiores e
superiores da edificação.
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O valor de 0,2 Ω recomendado pela IEC é obtido por única medição entre os anéis
superior (unindo todos os captores da periferia da cobertura) e o anel de
aterramento, unindo todas as descidas ao nível do solo, ao passo que o valor de 1 Ω
especificado pela NBR 5419/2005 é obtido pela medição (são recomendadas várias
medições) entre a parte superior de um pilar e a parte inferior do mesmo pilar ou de
um outro pilar. Isto explica a diferença entre os valores especificados pelas duas
normas. Note-se ainda que os anéis recomendados pela IEC podem ser a viga que
une as partes superiores dos pilares e a viga baldrame que interliga as partes
inferiores dos pilares.
Além destas normas já citadas, a alemã DIN/VDE 0100 e a americana
National Electrical Safety Code de 1993 também permitem a utilização das ferragens
como parte integrante do sistema de proteção. Após atualização da norma NBR
5419, surgiram novas técnicas de instalação para proteção contra descargas
atmosféricas, sendo as mais comuns a com utilização das armaduras do concreto e
a com uma Barra Adicional (RE-BAR), envolvida entre as armaduras do concreto,
como meio condutor de escoamento da descarga atmosférica até o solo. O correto
dimensionamento de uma instalação de proteção contra descargas atmosféricas
proporciona um elevado grau de segurança às construções em geral e independente
do meio adotado, devem ser seguidas as recomendações básicas recomendadas e
constantes da NBR 5419/2005.
2 FINALIDADE DA ESTRUTURA DO SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA
DESCARGAS ATMOSFERICAS
A estrutura do Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas tem a
finalidade de dissipar para solo as correntes dos raios, que são recebidas pelos
captores, que é a parte mais elevada do SPDA, destinada a receber a descarga pelo
efeito das pontas, podendo ser de uma ou de várias pontas, em geral fabricado em
latão ou bronze cromado. A condução das correntes é feita através das barras de
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escoamento, parte do SPDA destinada a conduzir a corrente para o solo, as quais
podem ser de cobre, alumínio ou aço galvanizado.
3 MÉTODOS PARA INSTALAÇÃO DE SPDA
Os métodos são divididos em três:
Método Franklin
Método Gaiola de Faraday ou Malha
Método da Esfera Rolante ou Eletrogeométrico
É de fundamental importância conhecer os três tipos de métodos na hora da
elaboração de um projeto de SPDA para determinar qual se encaixa na proteção
adequada da edificação.
O método Franklin é composto por um captor com quatro pontas montado
sobre um mastro, cuja altura deve ser calculada conforme as dimensões da
edificação, podendo ser colocado um ou mais captores para uma proteção mais
abrangente. Consiste na colocação de hastes verticais sobre a edificação ou
próximos desta, de modo que a edificação fique dentro do cone de proteção
projetado pela ponta do Pára-Raios. Devido às limitações impostas pela norma NBR
5419/2005, a abertura do cone foi substancialmente reduzida e por esse motivo o
método Franklin passa a ser cada vez menos usado em grandes edifícios, contudo é
indicado para edificações de pequeno porte ou para proteger estruturas específicas
no alto de prédios, tais como antenas de TV ou parabólicas, placas de aquecimento
solar e letreiros luminosos. A proteção baseia-se na rotação da tangente de um
triângulo em torno de um eixo (geratriz), cujo ângulo de abertura é pré-determinado,
variando em função do nível de proteção e altura da edificação.
O método Gaiola de Faraday ou malha, consiste no lançamento de cabos
sobre a cobertura da edificação, modulados com fechamentos de acordo com o nível
de proteção exigido para edificação. Esse método funciona como blindagem
eletrostática, uma tentativa de reduzir os campos elétricos dentro da edificação. As
suas vantagens são:
- Melhor eficiência e proteção
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- Menor impacto estético
- Minimiza o campo elétrico dentro da edificação
- Sistema consagrado internacionalmente
- Menor manutenção preventiva
As Gaiolas de Faraday são constituídas de isoladores simples, isoladores de
reforço, isoladores de quina, prensa-cabos, e principalmente dos isoladores tipo
captor aéreo, para que possam receber e dissipar as ondas eletromagnéticas de
uma descarga atmosférica.
O método da esfera rolante ou eletrogeométrico é datado da década de 80 e
constituiu-se de uma evolução do método Franklin. Muito usado para proteção de
linhas de transmissão e distribuição de energia elétrica, o método foi simplificado
para ser aplicado em edificações, servindo tanto para dimensionar o SPDA quanto
para checar a proteção com relação às edificações vizinhas, desníveis e estruturas
específicas, tais como antenas, placas e painéis, normalmente colocados nos topos
das edificações. O raio da esfera é adotado em função do nível de proteção
selecionado em cada edificação. Este método é somente de cálculo e
dimensionamento que, ao contrário do Franklin e da Gaiola de Faraday, não existe
fisicamente, pois os métodos Franklin e Faraday são sistemas compostos de
materiais (cabos e mastros) instalados nas fachadas das edificações. Para confirmar
se esses materiais estão corretamente posicionados e dimensionados, é utilizado o
método da esfera rolante, que consiste em fazer rolar uma esfera fictícia, com raio
pré-dimensionado em todos os sentidos e direções sobre o topo e fachadas da
edificação, com o objetivo de fazer com que os mastros do Franklin ou cabos do
Gaiola de Faraday, impeçam que a esfera toque a edificação.
O que determina o método a ser usado, são as medidas da edificação e o seu
uso. Por exemplo: para edificações pequenas como guaritas, caixas d’água baixas,
casas residenciais baixas e pequenas, pode ser usado o método Franklin ou
Eletrogeométrico, pois são muito próximos do solo. Para edificações altas ou
extensas horizontalmente como prédios ou galpões o mais indicado é o método
Gaiola de Faraday, tanto pelos custos, quanto pela estética e manutenção.
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4 SISTEMAS DE INSTALAÇÃO DE SPDA
Os sistemas são classificados em:
- Externo ou convencional, com condutores de descida visíveis (Figura 1);
- Estrutural utilizando as armaduras do concreto como condutores de descida;
-Estrutural utilizando uma Barra Adicional (RE-BAR, Reforcing Bar), entre as
armaduras do concreto (Figura 2).
O sistema externo ou convencional consiste em uma instalação aparente de
cabos de cobre nú de 50 mm², preferencialmente nas quinas principais e ao longo
das fachadas das edificações, o que interfere na estética do prédio, e também se
constitui em custo alto devido ao cabo de cobre e aos componentes para fixação dos
mesmos, sem falar nos furtos destes materiais. Em edifícios que já estejam com as
fachadas prontas é a única solução, porém, para diminuir o impacto estético, ao
invés de cabos de cobre nú poderão ser usadas barras chatas de alumínio nas
descidas e anéis horizontais, mesmo assim o custo ainda é bastante alto em relação
ao outro sistema (ALVES, 1999).
No sistema estrutural através do uso das armaduras do concreto como meio
de escoamento da corrente elétrica produzida pelas descargas para o solo, existem
diversos problemas a serem contornados. O grande problema é garantir a
continuidade vertical das armaduras já que não existe essa preocupação durante o
processo da construção civil, uma vez que não é necessária, estruturalmente
falando. Uma descontinuidade das armaduras pode resultar na formação de uma
pilha galvânica o que levaria à corrosão da armadura. Para sanar este problema
seria necessário a contratação de um profissional especializado em solda
exotérmica durante a execução de toda armadura, interligando uma nas outras
gerando um custo adicional na edificação. Mesmo com estes cuidados os
problemas de descontinuidade não são eliminados 100% podendo ainda ocorrerem,
problemas como redução da seção, deslocamento de pilares e uso de alvenaria
estrutural. Outro problema a ser contornado é convencer os calculistas estruturais a
usarem a própria estrutura sem ter que assumir uma responsabilidade solidária com
a estrutura. Portanto, este sistema pode não garantir a continuidade vertical e
horizontal das armaduras pois para isso , é mister ter mão de obra especializada
durante a sua execução elevando os custos. Apesar de todas recomendações
8
existentes em normas quanto à utilização das armaduras do concreto das
edificações como parte integrante do SPDA, cabe observar que este assunto ainda
possui alguns aspectos polêmicos, tais como:
- o concreto é poroso e o processo de corrosão das armaduras (ferragens), na
maioria das obras, começa a se manifestar com poucos anos de vida;
- O recobrimento dos pilares, na maioria das vezes, não consegue proteger a
armadura contra agentes agressivos;
- A norma do concreto armado não exige nenhum tipo de amarração entre as
armaduras de pilares/pilares e pilares/lajes, ficando a critério do armador que esta
executando tal serviço;
- A tecnologia de estruturas e fundações civis tem sofrido muitas inovações, e
é comum encontrar blocos de fundação sem ferragens e sem vigas baldrames,
sendo que a cada momento novas tecnologias vão sendo importadas;
- As estruturas de concreto protendido ou com cabos engraxados não
possuem obrigatoriamente continuidade elétrica
Numa obra civil existem tantos problemas que podem interferir na
continuidade das armaduras, por estes motivos este sistema não é totalmente
confiável (FILHO, 1997).
O sistema estrutural por meio do uso de uma Barra Adicional (RE-BAR,
Reforcing Bar), consiste em uma barra vertical de aço galvanizado a fogo 3/8” x
20m, amarrada `as armaduras verticais dos pilares por meios de conectores
metálicos ou solda exotérmica, da fundação até a cobertura. Tem como concepção
garantir a continuidade elétrica para conduzir as correntes transmitidas pelas
descargas atmosféricas até o solo, e fazer com que as demais armaduras ajudem a
dissipar estas correntes, aumentando a eficiência e a proteção contra os raios. Por
ser um sistema que mantém a continuidade elétrica do topo da edificação até o solo
é mais confiável, pois apresenta-se como o melhor meio de escoamento da
descarga atmosférica para o solo, além de ser fácil de fiscalizar e executar
apresenta custos bem menores que os demais sistemas normatizados, por esses
motivos e para garantir a execução de projeto de SPDA da forma mais confiável este
é o Sistema de proteção contra Descargas Atmosféricas ideal para ser usado na
construção civil (ALVES, 1999).
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Figura 1 – Prédio com instalação de SPDA através do sistema convencional.
Fonte: Creder, 2000
5 HISTÓRICO DO SPDA COM A UTILIZAÇÃO DO SISTEMA ESTRUTURAL
A primeira utilização conhecida das armaduras (ferragens) do concreto
armado como parte integrante do Sistema de Proteção contra Descargas
Atmosféricas, data da segunda Guerra Mundial, mais precisamente de 1941, em um
sistema idealizado pelo engenheiro Herb Ufer para proteção dos depósitos de
bombas da base aérea, em Tucson, no Arizona, EUA. Os objetivos desse sistema
era proteger contra descargas atmosféricas e eletricidade estática, esta última
causada por vento e tempestade de areia. Anos mais tarde, Ufer reinspecionou as
instalações e concluiu que o sistema de proteção contra descargas atmosféricas
utilizando as armaduras do concreto promoviam uma menor e mais consistente
resistência de aterramento que as próprias hastes metálicas, especialmente em
regiões de solos com valores altos de resistividade. Devido a esta antiga utilização,
10
o uso das armaduras do concreto ou barras adicionais inseridas nas armaduras do
concreto é freqüentemente chamada de sistema estrutural ou Ufer (LEON, 1994).
A União Alemã das Centrais Elétricas possui desde 1965 diretrizes para
utilização das armaduras do concreto como parte integrante do SPDA. Em 1979 foi
publicada a norma alemã (caderno 35 da VDE) sobre a inclusão do sistema de
aterramento nas fundações dos edifícios residenciais. Em fins da década de 70 as
recomendações americanas incluíram sistemas de aterramento com condutores
embutidos no concreto, sendo que em 1978 o “National Electrical Safety Code”
(ANSI–C2)-NEC incluiu pela primeira vez especificações para eletrodos de
aterramento embutido nas fundações. Também a (ANSI/IEEE Standard 142-1982),
que trata especificamente de aterramento, ressalta em várias seções as vantagens
de se utilizarem as armaduras do concreto como parte integrante do SPDA. Portanto
desde a década de 60 vem se operando uma evolução nos conceitos e na prática do
Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas, resultando em uma integração
das armaduras do concreto ou uma barra adicional inserida entre as mesmas como
meio de escoamento da descarga atmosférica para o solo. Pode-se então dizer que
a utilização das armaduras do concreto como parte integrante do SPDA, é uma
prática mundialmente consagrada há aproximadamente 68 anos (considerando a
experiência pioneira de Ufer). Isso foi reconhecido por importantes normas e
recomendações publicadas ao longo desse período, como as normas brasileiras
NBR 5419 e NBR 5410, a norma internacional IEC 61024-1-2 e os documentos
estrangeiros ASE 4022, ANSI/IEEE std, 142 BS 6651, entre outros. Portanto, a
utilização das armaduras do concreto das edificações ou de uma barra adicional
entre elas, como elementos naturais para aterramento de instalações de baixa
tensão e de sistemas de proteção de estruturas e edificações contra descargas
atmosféricas, vem a ser uma técnica recomendada pelas normas brasileiras (NBR
5410/2004 e NBR 5419/2005) e de outros países. As vantagens, descritas não só
nas publicações mencionadas, mas também resumidas a seguir, encorajam cada
vez mais essa prática, tanto em edificações novas quanto nas existentes (LEON,
1994).
11
5.1 Vantagens da Utilização das Armaduras do Concreto ou de uma Barra
Adicional entre as Armaduras
Como concreto fica abaixo do nível do solo mantém sempre um certo grau de
umidade e por isso o seu valor de resistividade é baixo, geralmente muito menor do
que o valor da resistência do próprio solo onde está sendo construída a edificação
ou estrutura.Os valores típicos do concreto variam nessas condições de 30 a
500Ωm. O uso das armaduras diminui as variações de tensão durante a dissipação
das correntes associadas às descargas atmosféricas para o solo, com conseqüente
diminuição das diferenças de potencial de passo e de toque, além de reduzir a
impedância do sistema de aterramento e facilitar muito o cumprimento dos preceitos
de equipotencialização das instalações elétricas, em concordância com a NBR
5410/2004 (LEON, 1994).
Com o uso das armaduras dos pilares, vigas e lajes, diminuem-se os campos
eletromagnéticos internos a edificação, reduzindo as forças eletromotrizes induzidas
nos circuitos ali existentes, e, em conseqüência, as interferências prejudiciais as
pessoas e equipamentos eletrônicos. Além disso, o conceito do sistema
convencional ultrapassado, com aterramentos independentes e seccionamento para
medição da resistência de aterramento, passam a não existir quando se utiliza o
sistema estrutural através das armaduras do concreto ou de uma barra adicional
entre elas. A utilização do sistema estrutural resultará em maior eficiência técnica
como também econômica, tendo como subproduto a atenuação dos campos
eletromagnéticos internamente, atuando como blindagem. Existem edificações que
sua infra-estrutura é toda constituída de perfis metálicos, nestes casos, todos os
conceitos aqui descritos podem e devem ser aplicados, deste modo tirando proveito
das vantagens técnicas oferecidas por esse tipo de sistema (LEON, 1994).
12
Figura 2 - Prédio com instalação de SPDA através do sistema estrutural com a
Barra Adicional entre as armaduras do concreto armado.
Fonte: Creder, 2000
5.2 Restrições e Cuidados No Uso Das Armaduras
Um dos cuidados essencial e de maior importância na utilização do Sistema
Estrutural por meio das armaduras do concreto ou de uma barra adicional entre as
mesmas é de garantir a continuidade elétrica entre os pontos extremos no caso das
armaduras, de modo que possa ser comprovada por meio de medições com
instrumento adequado, tem que ter um valor de resistência de contato elétrico menor
ou igual a 1Ω . Na barra adicional inserida entre as armaduras esta continuidade
elétrica é constante. Cabe observar que a medição deve ser feita com instrumento
13
adequado, sendo vedada, pelas normas vigentes, a utilização de multímetros e
alicates amperímetros convencionais. Deve-se, portanto, utilizar um miliohmímetro
ou microohmímetro de quatro terminais. As escalas do instrumento devem ter valor
de corrente injetada que atenda à exigência expressa no item E2 do anexo E da
NBR 5419/2005, a qual seja, o de circular uma corrente, com valor de no mínimo 1 A
ou superior, entre os pontos extremos da armadura sob ensaio.Caso seja necessário
a execução de solda entre as armaduras para garantir a continuidade, deve-se
utilizar solda elétrica.
Recobrimento das armaduras eventualmente expostas durante a instalação
deve ser feito com concreto de no mínimo 25 mm de espessura, as armaduras não
deverão ficar, em hipótese nenhuma, em contato com o solo, para evitar a corrosão.
Imersas no concreto elas estão protegidas por ausência de eletrólito e de aeração
(KINDERMANN, 1995).
Outro cuidado que deve ser tomado é com as eventuais descargas
atmosféricas laterais que devem ser captadas e conduzidas a terra através do
sistema estrutural. Para isso devem ser instalados captores específicos
convenientemente localizados e interligados às armaduras, evitando a quebra da
alvenaria de acabamento lateral da edificação. Uma observação muito importante é
que não é permitida a utilização das armaduras componentes de estruturas pré-
moldadas protendidas como parte integrante de Sistema de Proteção Contra
Descargas Atmosféricas (KINDERMANN, 1995).
Ao longo do tempo os sistemas adotados foram alterando-se em função das
novas teorias e também devido às falhas que eram constatadas nas proteções das
edificações existentes, especialmente à medida que as mesmas foram se tornando
cada vez maiores e mais altas. Recentemente, verificou-se que estruturas muito alta
estavam sujeitas a descargas atmosféricas laterais, o que não era compatível com o
sistema convencional. E assim, nas últimas décadas operou-se uma evolução nos
conceitos e na prática de instalação do SPDA, principalmente no sistema estrutural
que é a utilização das armaduras do concreto ou de uma barra adicional entre as
armaduras como parte integrante (LEITE; LEITE, 1997).
A utilização das armaduras do concreto ou da barra adicional entre as
mesmas levantaram duvidas para alguns usuários menos atualizados, na visão
relativa aos danos elétricos causados no concreto na passagem da corrente elétrica
gerada pela descarga atmosférica, ou seja, poderá ocorrer o rompimento ou não do
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concreto? Referente a esta duvida foram realizados ensaios na Universidade de São
Paulo e apresentados no Brasil e em outros países que demonstraram que não
houve rompimento do concreto. Os ensaios resumidos a seguir foram desenvolvidos
na Universidade de São Paulo (USP).
5.3 Ensaios Realizados com a Utilização das Armaduras
O ensaio realizado em laboratório da IEE-USP no início dos anos 90 e
apresentado no 20º ICLP em Interlaken, na Suíça, e demonstrou a dificuldade de
reproduzir os parâmetros da descarga atmosférica em laboratório. Com as correntes
utilizadas, de até 100 KA, 4/10 µs, verificou-se que não houve o destacamento do
concreto em relação ao ferro, e não se notou movimentação que provocassem o
rompimento do concreto, nos casos onde as ferragens foram interligadas com arame
torcido. Nos casos onde as armaduras não estavam interligadas e havia uma
distância de alguns milímetros entre os ferros, houve a explosão do concreto; com
uma resistência de 10 Ω, houve passagem de corrente de até 60 KA com a mesma
forma de onda. Outros ensaios foram realizados e foram medidas as forças de
destacamento do ferro, comparando os resultados com as armaduras de colunas de
concreto similares que não sofreram os ensaios. Não foram verificadas diferenças
significativas nos esforços medidos.
Ensaio para comparação experimental de emendas em armaduras para
colunas de concreto armado utilizadas como descida para proteção contra
descargas atmosféricas foi apresentado no GROUND 2004 em Belo Horizonte e
uma parte dele foi utilizada para outro trabalho apresentado no 28° ICLP realizado
em Kanazawa, Japão em 2006. Neste ensaio comparam-se diversos tipos de
emendas possíveis de serem realizadas em ferragens através de realização de
ensaios e verificações. Basicamente 4 tipos de emendas foram estudadas: a
amarração das ferragens através de arame (a mais comum); a solda elétrica; a solda
exotérmica e a utilização de luvas especificas para emendas de ferragens.
Inicialmente foram medidas as resistências elétricas de cada emenda. Cada corpo
de prova foi instalado em uma caixa de madeira e esta foi preenchida com concreto
de forma a simular pequenas colunas de concreto. Estas colunas de concreto foram
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radiografadas e as resistências elétricas medidas novamente. Correntes elétricas
impulsivas e pulsos de corrente contínua foram passados pelas ferragens sendo que
após as aplicações, foram realizadas radiografias e medições de resistências
elétricas. Os objetivos principais deste ensaio foram: comparar o comportamento
das diversas emendas de ferragens em relação à condução de descargas
atmosféricas e estimar valores da impedância das ferragens a serem utilizadas
como parte integrante do sistema de proteção. Além disto, uma coluna de concreto
nos mesmos moldes das anteriores foi feita de forma que as ferragens não foram
emendadas, ficando espaçadas cerca de 5 milímetros uma da outra. Esta coluna foi
também radiografada e passaram-se correntes elétricas impulsivas pelas ferragens.
Neste caso verificou-se que a passagem dos pulsos de corrente uniu as ferragens,
não sendo constatadas trincas ou quebras na coluna.
A norma brasileira descreve as condições em que as armaduras podem, ou
melhor, devem preferencialmente ser utilizadas como sistema de proteção. Estas
condições referem-se às emendas das ferragens; das dimensões e formas do
material utilizado; das interligações com as colunas das estruturas; das interligações
com as barras e/ou terminais de ligações equipotenciais e das avaliações e testes
de continuidade.
Um recente ensaio de campo foi realizado em quatro edifícios no bairro da
Mooca – São Paulo, cada um com 25 lajes acima do piso térreo. Com injeção de
corrente de 100 A entre dois pontos afastados, no piso térreo, e três pontos também
afastados na cobertura e caixa de água, não houve necessidade de mais que 14 a
16 volts de tensão elétrica aos terminais do transformador colocado no térreo. O
cabo de injeção de corrente, com 100 A, apresentava uma queda de tensão de 11,7
volts. Daí se concluiu que a queda de tensão nas armaduras apresentava valores de
forma que a impedância ultrapassou 0,05 Ω.Cabe salientar que a potência elétrica
dissipada por uma corrente elétrica de 100 A sobre uma resistência de 0,05 Ω é
apenas 500 W, ou seja, um quarto da potencia de um ferro de passar roupa. O seu
efeito para aquecer as armaduras de um edifício é insignificante.
Diversos ensaios de continuidade de armaduras são realizados
freqüentemente com bons resultados, acima foram citados apenas três ensaios.
Com este texto referente a ensaios busca-se ressaltar que a utilização das
armaduras do concreto como parte integrante do sistema de proteção contra
descargas atmosféricas é considerada segura, respeitados os parâmetros aqui
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apresentados, e esta universalmente aceita por mais de quarenta anos em todo
mundo. “O texto acima citado foi redigido em 2007, pelos membros do Comitê
Brasileiro de Eletricidade (COBEL) e pela Associação Brasileira de Engenharia e
Consultoria Estrutural (ABECE), que estuda a norma de proteção de estruturas
contra descargas atmosféricas e a revisa periodicamente”.
6 A UTILIZAÇÃO DA BARRA ADICIONAL ENTRE AS ARMADURAS DO
CONCRETO ARMADO
O desenvolvimento do trabalho foi baseado na metodologia de pesquisa
bibliográfica, a partir do material sobre Sistemas de Proteção contra Descargas
Atmosféricas aplicados na Construção Civil que se constitui de livros e artigos
especializados.
Nesta fase foram colhidos dados e informações para a construção de um sistema de
escoamento da descarga atmosférica para o solo nas edificações que garantisse
uma confiança em termos de continuidade do topo até a fundação da edificação,
fosse fácil de executar e fiscalizar e apresentasse um custo menor que os demais
sistemas normatizados.
A abordagem utilizada é avaliação do passo a passo da instalação do
Sistema Estrutural por meio da Barra Adicional entre as armaduras do concreto
armado para escoamento da corrente elétrica por uma descarga atmosférica, com
rapidez e segurança para o solo, com um custo baixo para construção civil.
A barra adicional entre armadura do concreto armado como meio condutor da
corrente elétrica para o solo é chamada de RE-Bar (Reforcing Bar) e tem como
missão garantir a continuidade vertical da estrutura. É feita de uma barra de aço
galvanizada a fogo de 3/8 “x 20 m de comprimento e deve ser amarrada com as
lajes, do mesmo modo que os vergalhões normais do pilar. Para juntar as barras
adicionais, uma com as outras recomenda-se transpasse de 20 cm, com a utilização
de três clipes de aço de aperto. A RE-Bar não possui função estrutural, mas tem
ligações com a estrutura para permitir a condutibilidade de cima até embaixo da
edificação. Ela garante a equalização ao levar a corrente elétrica até a fundação do
edifício com mais rapidez, eficiência e segurança.Equalização é a interligação das
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malhas de aterramento e tubulações metálicas com o sistema de SPDA. A
distribuição e equalização dos potenciais é uma das vantagens práticas da utilização
da barra adicional. Pelo sistema convencional que é externo, a norma exige, em
edifícios, espaçamento médio de 20m entre as descidas dos cabos(normalmente se
coloca uma em cada canto do prédio) e anéis horizontais de interligação a cada 20m
de altura do edifício, sendo o primeiro deles próximo ao solo.Com o sistema
estrutural por meio da RE-Bar, além da eliminação do impacto estético na fachada,
obtêm-se mais descidas e anéis de interligação, situados bem próximos uns dos
outros, já que cada pilar funciona como uma descida, assim como as lajes ou vigas
atuam como anéis. Desse modo, em intervalos muito menores (uma laje a cada
3m ,aproximadamente) o sistema se equaliza e oferece mais pontos de aterramento
(ALVES,1999).
As barras Re-Bar devem ficar com suas extremidades expostas na cobertura
do prédio, de modo que atuem como captores (parte do SPDA externo destinado a
interceptar as descargas atmosféricas). Uma vez que a descarga atmosférica ocorra
sobre as extremidades, a corrente elétrica será conduzida para as demais barras
adicionais, onde ocorrerá sua distribuição e dissipação para o solo (Alves, 1999).
Acerca de aspectos gerais sobre a instalação da Barra Adicional (RE-BAR),
foi realizada visita técnica, para aquisição de maiores conhecimentos e detalhes, a
uma obra de uma edificação na Rua Ubaldo Osório, loteamento Itaigara, quadra
B11, lote 01, Salvador/Bahia tendo como responsabilidade técnica pela instalação
do SPDA, por meio de utilização da RE-BAR, a Empresa HS Engenharia de
Instalações Ltda.
A partir da compreensão de todo o conteúdo foram descritas as conclusões
numa análise detalhada dos resultados obtidos na pesquisa e de todo contexto que
envolve a teoria com o que foi visto na obra visitada e constatado na explicação
fornecida pelo Engenheiro Projetista Saul José Pereira, responsável pela Empresa
HS.
Segue passo a passo a maneira correta de instalação de um Sistema de
Proteção contra Descargas Atmosféricas através da utilização da Barra Adicional
(RE-BAR), entre as armaduras do concreto armado, de acordo com a Empresa HS
Engenharia Ltda.
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Passo 1 - Elaboração do Projeto
. O projeto vai definir os critérios técnicos levando em importância o projeto
estrutural, o projeto arquitetônico e os projetos de instalações. Este dever ser bem
claro e detalhado de modo a facilitar a execução durante a concretagem e os
arremates finais (captação e equalização);
Passo 2 - Levantamento do Material Necessário para Instalação
Passo 3 - Instalação das Barras Adicionais
A instalação das barras adicionais dentro das fundações deve ser o mais
profundo possível, acerca de 20 cm afastado do solo, sem atingi-lo, pois a acidez
pode corroer a barra mesmo sendo galvanizada a fogo após garantir a continuidade
com três clipes ou conectores galvanizados;
No nível do solo (viga baldrame) deve ser instalada uma barra adicional
horizontalmente interligando todas as barras adicionais instaladas nos pilares
verticalmente. Assim, fica evidenciado o aterramento em anel, prescrito nas normas
NBR 5410 e NBR 5419;
A instalação das barras adicionais de aço liso galvanizada a fogo dentro de
todos os pilares da edificação, desde a fundação até o ponto mais alto, estes será o
sistema de descidas. Estas barras devem ser fixadas na parte interna dos estribos
do pilar, correndo paralelas às demais armaduras sendo que nos pilares externos
(de fachada) as barras são instaladas na face mais externa do pilar, de modo a
receber as descargas laterais que só atingem esses pilares. E nos pilares internos a
instalação é feita em qualquer face, porém sempre dentro dos estribos, sem invadir
o cobrimento e nunca no centro (núcleo) do pilar;
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No cruzamento das armaduras verticais dos pilares com as armaduras
horizontais das vigas, lajes e blocos - as barras devem ser interligadas por ferro
comum (sobra de outros ferros da obra) em forma de L com 20 cm x 20 cm,
amarradas com arame recozido comum. Estas amarrações devem ser repetidas em
todas as lajes, com todos os pilares que pertencem ao corpo do prédio.
Na última laje, alguns pilares param, outros continuam e outros irão formar.
Sendo assim, os pilares que param são interligados com as barras adicionais com
os pilares que continuam para os níveis superiores. Essa interligação é feita na
horizontal, dentro da laje e vigas e todas as emendas das barras serão feitas com
clipes ou conectores galvanizados;
Instalação das barras adicionais nos últimos níveis do topo do prédio. A
Captação deve ser interligada horizontalmente com as barras adicionais que
estiverem aflorando no topo do prédio. Essa captação se divide em dois tipos:
Captação por fora – Nos locais onde existe acesso de pessoa, a barras
devem ser direcionada para o lado de fora do parapeito/platibanda, reduzindo assim
os riscos de acidentes pessoais pelo contato direto com o SPDA, neste caso as
barras são interligadas na horizontal, pelo lado de fora do parapeito
(Pingadeira/soleira/algerosa) com cabo de cobre nu bitola 35 mm² ou barra chata de
alumínio.
A captação por cima – Nos locais onde não existe acesso de pessoas, as
barras devem ser interligadas por cima dos parapeitos (telhado de cobertura, casas
de máquinas, tampa de caixa d’água etc.) e são interligadas com cabo de cobre nu
bitola 35 mm², na horizontal. Neste caso não é necessário o uso da barra chata de
alumínio, pois como os cabos vão ficar por cima dos parapeitos não tem problemas
estéticos, pois são áreas onde somente o pessoal de manutenção tem acesso.
Passo 4 - Equalização dos Potenciais
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Equalização de potenciais do Sistema de Proteção contra Descargas
Atmosféricas é a interligação de todas as massas metálicas (aterramentos,
tubulações metálicas, armaduras, elevadores, e todas as prumadas metálicas etc.),
e deve ser executado no nível do solo e a cada 20 m de altura, sendo interligados na
caixa de equalização do sistema.
Equalização de potenciais deve ser feita no nível mais baixo da edificação
(subsolo), com a instalação da caixa de equalização (20cmx20cm) num pilar o mais
eqüidistante possível do DG (quadro da concessionária telefônica) e do QDG
(quadro da concessionária de energia elétrica) e interligar a caixa a qualquer
armadura do pilar, remover das quinas dos pilares a cobrimento de concreto até
achar as armaduras até encontrar a ferragem para fazer a intermediação.
Conectar os aterramentos telefônicos, elétricos, massas metálicas, prumadas
de incêndio, recalque, tubos de gás, tubulações metálicas, guias de elevadores na
caixa de equalização de potenciais com cabo de cobre isolado bitola 16 mm². Essa
conexão deve ser feita na haste mais próxima de cada um dos aterramentos,
lembrando que caso existam outros aterramentos, o procedimento é o mesmo.
Para tubulação de incêndio e recalque é recomendável que essas sejam
aterradas no subsolo com uma haste e depois interligadas na caixa de equalização.
Após todas essas estruturas aterradas, esse conjunto deve ser interligado com a
ferragem da laje, no ponto mais próximo da central evitando assim a possibilidade
de centelhamento e possível explosão. A caixa de equalização deve ser instalada de
preferência no hall do andar (embutida na parede a 20 cm do piso), interligada por
fita perfurada niquelada na ferragem da laje mais próxima e na carcaça metálica do
QDC (quadro de distribuição de circuitos) do apartamento mais próximo.
Se os circuitos elétricos possuem fio-terra não é necessário interligar os outros
QDC´s do andar visto já estarem equalizados por este, caso contrário, todos os QDC
´s devem ser levados a caixa de equalização, por cabo de cobre encapado bitola 16
mm², passando por baixo do contrapiso ou barroteamento ou por cima do forro de
gesso do andar.
As demais massas (prumadas de incêndio, recalque, tubulações de água
quente e de gás, guias dos elevadores e contrapesos etc.) podem ser ligadas
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diretamente nas ferragens das lajes com fita perfurada niquelada ou na caixa de
equalização, dependendo da distância.
Passo 5 - Realização de Testes
Testes de continuidade elétrica entre os pontos extremos das barras interligadas,
utilizando um instrumento de medição microohmimetro. O valor de resistência de
contato elétrico deve ser menor ou igual a 1(um) ohm (unidade de resistência
elétrica). Para os fins citados com este valor de resistência se consegue garantir a
continuidade elétrica do sistema de proteção contra descarga atmosférica com uso
das barras adicionais RE-BAR.
É de fundamental importância que após a instalação haja uma manutenção
periódica anual do SPDA, a fim de se garantir a confiabilidade do sistema. São
também recomendadas vistorias preventivas após reformas que possam alterar o
sistema e toda vez que a edificação for atingida por uma descarga atmosférica.
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O Sistema de Proteção contra a Descarga Atmosférica é uma proteção para
minimizar os efeitos destruidores dessas descargas.
Assim sendo, as soluções internacionalmente aplicadas buscam tão somente
minimizar os efeitos destruidores a partir da colocação de pontos preferenciais de
captação e condução segura da descarga para terra.
Conclui-se que ainda não foi conseguida uma proteção completa ou totalmente
efetiva para as descargas atmosféricas, mesmo com toda tecnologia empregada em
tais sistemas ainda não se conseguiu cem por cento de eficiência, o que deve fazer
com que não nos descuidemos, de forma alguma, de tomar certos cuidados numa
tempestade com descargas atmosféricas.
A fim de evitar falsas expectativas sobre o sistema de proteção é esclarecido
que: a descarga atmosférica é um fenômeno da natureza absolutamente
imprevisível e aleatório, tanto em relação as suas características elétricas
(intensidade de corrente, tempo de duração etc.), como em relação aos efeitos
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destruidores decorrentes de sua incidência sobre as edificações. Em termos práticos
nada pode ser feito para se impedir a queda de um raio em determinada região.
Em termos gerais sobre Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas
ainda é necessário ampliar os estudos, despertar a curiosidade de estender as
pesquisas para que os danos causados não sejam minimizados e sim sanados
totalmente.
Com essa pesquisa observa-se que, quando projeta-se, planeja-se e constrói-se
de acordo com as normas, consegue-se reduzir de forma significativa os riscos e
que muitas vezes soluções simples podem evitar altos custos.
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REFERÊNCIAS
ALVES, Normando V. B. Instalações elétricas 2. ed. São Paulo: Sertec, 1999
ALVES, Normando V. B. Sistema de proteção contra descargas atmosféricas. . Belo Horizonte, 1999. (Apostila)
ASSOCIAÇÃO Brasileira de Normas Técnicas - ABNT. NBR 5419/01. Proteçãode Estruturas contra Descargas Atmosféricas. Rio de Janeiro, 2001
______. NBR 5410/05 – Segurança em Eletricidade, Rio de Janeiro, 2005
CREDER, H. Instalações elétricas. 14. ed. Rio de Janeiro. LTC, 2000.
FILHO, J. M. Instalações elétricas industriais. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 1997.
KINDERMANN, G. Descargas atmosféricas. 6. ed. Porto Alegre: Sagra,1995.
LEITE, D.M.; LEITE, C.M. Proteção contra descargas atmosféricas. São Paulo: Oficina de Mydia, 1997,
PROTEÇÃO de estruturas contra descargas atmosféricas, n, 34 São Paulo, PINI, 1999.
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