INCIDÊNCIA DE RAIOS EM PRÉDIOS

jun, 2009

Edição 50, Março de 2010

Por Antônio R. Panicali

Uma metodologia para avaliação de riscos em estruturas complexas

Parte I – Avaliação de riscos em uma refinaria de grande porte

A norma brasileira de proteção contra descargas atmosféricas, a ABNT NBR 5419, tanto na sua forma vigente quanto na sua nova redação a ser votada em breve, define a proteção contra raios em termos estatísticos, isto é, com base em uma avaliação dos riscos dos diversos tipos de danos que possam resultar da incidência direta ou indireta de raios em uma instalação.

A tabela a seguir, por exemplo, reproduz os níveis de riscos aceitáveis, sugeridos pela recente IEC 62305-2 para diferentes tipos de situações:

Valores típicos de riscos* toleráveis, Rt

* Medida das perdas (pessoas e bens) anuais prováveis, relativas ao valor (pessoas e bens) do objeto a ser protegido.

Tais riscos resultam de uma combinação complexa de fatores a serem levados em conta:

• Probabilidade de incidência direta ou indireta de raios na instalação que, por sua vez, depende de outros parâmetros: densidade anual média de raios e topografia da região, presença de edificações, estruturas ou árvores próximas, além, é claro, da configuração da instalação a ser protegida propriamente dita.

• Tipo de ocupação da instalação: residências, escritórios, escola, hospitais, etc.

• Tipo de construção: concreto armado, estrutura de aço, teto de palha, etc.

• Tipo de serviço prestado: serviços de água e esgoto, etc.

• Risco de danos ao meio ambiente: explosões, incêndios, liberação de gases tóxicos, etc.

Este trabalho apresenta uma metodologia para a determinação da probabilidade de incidência de raios, mesmo em edificações complexas, tais como refinarias e outras instalações industriais.

Além de estimar a probabilidade de incidência de raios na instalação como um todo, a metodologia apresentada permite obter os histogramas (distribuições estatísticas) das intensidades das descargas em cada parte do prédio, bordas, cantos, centro, etc., permitindo uma avaliação da agressividade eletromagnética em cada ambiente da edificação independentemente de sua complexidade.

Tais informações constituem-se em importantes ferramentas de projeto, possibilitando um melhor planejamento da ocupação das instalações, alocando equipamentos mais sensíveis nas partes mais protegidas ou, então, caso isso não seja conveniente, planejar a instalação de blindagens e proteções adequadas que, se incorporadas já nas etapas inicias de uma construção, reduzem significativamente seu custo. Permite ainda, como no caso da refinaria analisada neste trabalho, avaliar os riscos associados às operações envolvendo pessoal exposto à incidência direta ou indireta de raios.

Na Parte B deste trabalho, será apresentada a aplicação deste método para o estudo da distribuição dos raios incidentes em prédios convencionais, o desempenho estatístico de diferentes localizações de pararraios e exemplos de tensões induzidas em diversas localizações dentro dos prédios.

Incidência de raios em estruturas complexas

Tanto a NBR 5419 quanto a IEC 62305 baseiam o cálculo da incidência anual média de raios em uma edificação, Nt [raios/ano] na densidade de raios na região, Ng [raios/ano . km2] e na área equivalente de captação da estrutura Aeq [m2].

Ou seja:

Nt = Ng . Aeq . 10-6 [raios/ano]

Para estruturas simples como a mostrada na Figura 1, Aeq resulta da soma de três parcelas: a área projetada da edificação, as áreas laterais rebatidas para o plano horizontal mais os setores circulares correspondentes à incidência nos cantos da estrutura (Figura 2).

Figura 1 – Edificação simples sobre terreno plano.

 

Figura 2 – Área equivalente de captação da estrutura Aeq [m²] para uma edificação simples sobre terreno plano.

Nt calculado pela fórmula acima permite estimar o número total de incidências na edificação, mas não fornece dados quanto à distribuição estatística das intensidades nos vários locais atingidos. Além disso, para situações mais complexas como refinarias, complexos industriais, ou mesmo de prédios na presença de outras edificações, o cálculo de Aeq torna-se bastante difícil além de não permitir a identificação do número e intensidade das descargas incidentes em cada área.

Para contornar essas limitações, foi desenvolvida e vem sendo utilizada já há alguns anos uma metodologia com base em simulação estatística – Método de Monte Carlo –, aplicável a qualquer tipo de estrutura, independentemente de sua complexidade e que permite calcular não só o número total de raios como a distribuição estatística (histogramas) das intensidades das descargas incidentes em cada área de interesse isoladamente. Tal método tem por base as seguintes informações:

– Ng [raios/ano . km2], a densidade anual média de raios na região em estudo. Estas informações podem ser obtidas, seja de forma aproximada pela metodologia descrita na NBR 5419, seja de forma mais rigorosa, a partir dos dados coletados pela rede de sensores de raios distribuídos por boa parte do País e disponíveis em centros de pesquisas, como o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe) e o Instituto Tecnológico Simepar.

– Densidades de probabilidade das correntes de pico das descargas positivas e negativas; adotaram-se as distribuições obtidas dos estudos de Berger [CIGRE (Electra nº 41 ou 69)], conforme mostradas na Figura 3, obtida a partir dos dados publicados na IEC 62305-2.

Figura 3 – Distribuição das frequências cumulativas das correntes de pico para raios negativos (descarga inicial) e raios positivos, conforme dados da IEC 62305-2.

Figura 4 – Ilustração do método de Monte Carlo, combinado com o Modelo Eletrogeométrico (MEG).

– O Modelo Eletrogeométrico (MEG) trata do método recomendado na ABNT NBR 5419, bem como na IEC-62305 para determinação do ponto mais provável de incidência de uma descarga. Baseia-se na ideia de que o líder descendente de uma descarga atmosférica proveniente das nuvens carregadas cria em torno de sua extremidade inferior uma esfera de influência que depende da corrente de pico que será produzida quando o raio descarregar-se para o solo.

O raio em metros dessa esfera é dado pela equação:

Req = 10 . Ipico0,67 [m]

Em que:

Ipico em kA é a corrente de pico da descarga.

Ainda conforme o MEG, o ponto mais provável de onde partirá o líder ascendente que fechará o circuito de descarga do raio para o solo é aquele que for tocado primeiro pela esfera – Figura 4. Por exemplo, para Ipico = 500 A, tem-se Req = 10 m; portanto, segundo o MEG, é possível que uma descarga de baixa intensidade venha a atingir um ponto relativamente próximo da base de uma estrutura muito alta. No

entanto, para uma descarga de 200 kA, teremos Req = 348 m, indicando que uma descarga dessa intensidade possa ser “atraída” por estruturas relativamente distantes.

Com base nas informações anteriores, foi possível elaborar um modelo computacional onde a geometria da estrutura a ser estudada é decomposta em elementos básicos, cilindros ou paralelepípedos; o número desses elementos dependerá do grau da complexidade e do grau de detalhamento desejado no estudo. As Figuras 5 e 6 mostram, respectivamente, uma visão simplificada de uma fábrica real e a discretisação correspondente juntamente com algumas esferas do MEG.

Figura 5 – Layout simplificado de uma fábrica, analisada pelo método descrito nesse trabalho.

 

Figura 6 – Decomposição da fábrica em elementos cilíndricos e algumas esferas do MEG correspondente

Uma vez concluído o modelo pelo conjunto dos cilindros ou paralelepípedos equivalentes, o programa define uma área de estudo Aest que, de modo a incluir o efeito de descargas distantes, mas de grande intensidade, se estende até 500 m além dos limites da estrutura e gera sobre essa área um conjunto de posições aleatórias uniformemente distribuídas sobre ela mesma; a cada um desses pontos corresponderá ao ponto de partida de um raio cuja trajetória será, por hipótese, puramente vertical. Assim sendo, serão gerados Nraios sendo:

Nraios = Ng . T . Aest

em que:

T = número de anos a ser simulado pelo programa.

Seguindo a orientação da IEC 62305, 10% desses “raios” serão considerados positivos e 90% negativos e a cada um é atribuída uma corrente de pico de valor aleatório, conforme as funções e densidades descritas anteriormente. Estudos recentes parecem indicar proporções diferentes entre raios positivos e negativos para o Brasil: se necessário tais alterações poderão ser facilmente incorporadas ao software. Finalmente o programa calcula e registra qual dos cilindros ou paralelepípedos equivalentes será tocado primeiro por cada um desses pseudorraios, gerando o histograma de incidência correspondente. O programa fornece ainda para cada cilindro ou paralelepípedo equivalente o intervalo médio de anos entre descargas, assim como o número médio de anos para que seja atingido por uma descarga de intensidade superior a um dado valor.

 

Incidência de raios em uma refinaria

De tempos em tempos, as refinarias passam por processos de manutenção denominados genericamente “paradas”, as quais podem ser totais ou parciais. São processos de alta complexidade, que exigem um planejamento antecipado minucioso diante de implicações decorrentes da interrupção de produção durante períodos que podem se estender por alguns meses; exigem assim uma logística coordenada em âmbito nacional visto poder afetar o fornecimento de combustíveis de grande parte do País.

Durante uma parada total e, dependendo do tamanho da refinaria, milhares de operários, estranhos à operação normal da instalação, são trazidos para executar tarefas minuciosamente programadas com antecedência, sendo a maioria delas executadas ao ar livre ou sobre estruturas sujeitas aos efeitos de descargas atmosféricas diretas ou indiretas. Dessa maneira, faz parte desse planejamento a avaliação dos riscos decorrentes dessa exposição, de forma a se saber antecipadamente a necessidade ou não de paralisação dos trabalhos caso ocorram tempestades com raios.

Para o planejamento da parada da refinaria de Araucária PR em 2004/5, lançou-se mão da metodologia descrita anteriormente. As Figuras 7 e 8 mostram trechos dos equipamentos da refinaria e alguns dos cilindros usados em seu modelo. Os círculos vermelhos na Figura 9 indicam, em planta, os centros dos 361 cilindros usados na representação completa dos equipamentos da refinaria; cada um desses cilindros teve suas dimensões obtidas a partir da documentação de projeto, de medições feitas em uma maquete em escala e posterior confirmação por inspeções em campo. O modelo foi complementado pela inclusão de 19 cilindros adicionais, cada um correspondendo a uma altura de 2 m, dispostos de tal forma a cobrir as áreas do piso da refinaria onde seriam executadas diversas atividades e estão indicados por círculos amarelos na Figura 9.

Figura 7 – Visão parcial da refinaria.

 

Figura 8 – Cilindros equivalentes ao trecho da refinaria mostrado na Figura 7.

 

Figura 9 – Planta da refinaria – círculos vermelhos indicam centros dos cilindros equivalentes aos vários equipamentos; círculos amarelos correspondem às áreas expostas do terreno.

A refinaria em questão estava situada em uma região com Ng = 5 raios/ano . km2. Foram simulados 672.000 raios correspondentes a 100.000 anos de observação; a necessidade de se adotar períodos de simulação suficientemente longos decorre da necessidade de se estudar riscos de vida da ordem de 10-5, conforme exigência da norma.

A Figura 10 mostra o número de descargas durante o período simulado, incidentes em cada um dos 19 cilindros que simulam as áreas de possível presença de artífices junto ao solo: como ilustrado, algumas áreas como a 362 encontram-se bastante protegidas pelos altos equipamentos em sua proximidade. Outras áreas como a 368 estão sujeitas a um número relativamente grande de descargas. Finalmente, a Figura 11 mostra, como exemplo, o histograma das intensidades das descargas que atingiram a área 368.

Figura 10 – Número total de raios incidentes em cada um dos cilindros correspondentes às áreas de trabalho: período de observação simulado T=105 anos.

 

Figura 11 – Histograma das correntes de pico dos raios incidentes no cilindro #368, durante o período de observação simulado T=105 anos.

Tais dados, combinados com detalhes da malha de aterramento do local (resistividade do solo e configuração dos eletrodos de aterramento), possibilitam avaliar os riscos decorrentes de tensões de passo e de toque para os artífices naquela área, determinando a necessidade ou não de interrupção dos serviços em caso de ocorrência de tempestades.

Conclusões

A metodologia apresentada combina a técnica estatística do método de Monte Carlo com o Modelo Eletrogeométrico para permitir a determinação da distribuição estatística de raios em estruturas ou edificações de qualquer grau de complexidade. Permite obter os histogramas das incidências de raios em qualquer parte das instalações sendo estudadas.

Tais dados permitem um melhor planejamento da ocupação das edificações, seja adequação dos equipamentos ao grau de agressividade de cada local, seja pela indicaç

ão da necessidade de se instalar proteções adequadas.

CONTINUA NA PRÓXIMA EDIÇÃO

 


 

Antônio R. Panicali é engenheiro eletricista responsável da Proelco Consultoria & Treinamento e professor livre-docente do Departamento

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