Correntes e tensões induzidas interna e externamente em prédios atingidos por raios – Parte 3

Trazemos nessa edição a terceira e última parte do artigo do professor Antônio R. Panicali, da Proelco, e colaboradores* sobre correntes e tensões induzidas interna e externamente em prédios atingidos por raios. O trabalho foi originalmente apresentado no evento ENIE-2018.

Efeitos das ferragens dos tetos e contrapisos nas tensões internas

A figura 13 mostra alguns exemplos de ferragens comumente usadas como reforço de contra pisos e, como indicado, algumas dessas estruturas não apresentam continuidade elétrica com as demais ferragens estruturais. Como veremos, quando devidamente conectadas, tais estruturas podem reduzir significativamente as tensões nas instalações internas em edificações atingidas por raios.

A figura 14 mostra a configuração das ferragens estruturais de uma pequena edificação, 18m x 18m x 21m, assim como a localização de um loop condutor, conectado às ferragens estruturais em uma ponta e eletricamente aberto (na realidade, terminado por um resistor de 20kOhm) na outra.

Como descrito na seção anterior, o canal do raio foi simulado por resistores e indutores distribuídos ao longo do mesmo.

Foram consideradas duas formas de onda das correntes das descargas atingindo o prédio, correspondendo a um impulso positivo e a um subsequente negativo, ambos descritos pela equação e parâmetros mostrados na figura 15, correspondendo ao nível 1 de proteção.

As figuras 16 a 21 mostram os efeitos de diferentes configurações estruturais de contra pisos, nas tensões induzidas no loop de teste, com a edificação atingida por uma descarga positiva e por uma subsequente negativa. Algumas características são comuns a todos os casos analisados:

• a subsequente negativa, por conter um espectro mais amplo, chegando até frequências mais altas, foi capaz de excitar modos de ressonância próprios do loop;
• tensões induzidas pelas descargas positivas, embora envolvendo correntes de pico bem maiores (ver figura 15), resultaram, em todos os casos, em tensões induzidas significativamente menores, evidenciando a predominância do acoplamento indutivo dependente, não do pico de corrente em si, mas sim de sua derivada temporal.

Outras conclusões relevantes são:

• importância da continuidade entre ferragens de contrapiso e ferragens estruturais; sem essa continuidade o efeito de blindagem é praticamente nulo;
• ferragens de contrapiso ortogonais ao circuito a ser protegido têm efeito de blindagem reduzido;
• importância do paralelismo entre ferragens do contrapiso e circuitos a serem protegidos.  No caso geral, isso indica, como melhor solução, o uso de contrapisos na forma de malhas (figura 22);

• em cada andar, o efeito de blindagem com a presença de ferragens de contrapiso abaixo e acima dos circuitos a serem protegidos;
• em todos os casos, os andares superiores tendem a ser mais agressivos, do ponto de vista da indução de espúrios nas instalações elétricas internas.

Tensões entre SPDA externo e ferragens estruturais

Nessa seção são analisados os comportamentos de edificações dotadas de SPDAs externos. Os detalhes de modelagem foram os mesmos já descritos na seções anteriores.

A figura 23 ilustra as configurações das ferragens estruturais de prédios com 10 e 20 pavimentos, respectivamente com 30m e 60m de altura total. Apenas as ferragens externas foram consideradas uma vez que a tendência das correntes injetadas pelos raios na estrutura é de circularem na periferia dos condutores.

Foram analisadas duas configurações de captores: anel simples na borda superior do prédio e captores em malha (figuras 24 e 25).

Para cada combinação de altura e tipo de captores, foram consideradas a incidência de dois tipos de descargas: primeira descarga e descarga subsequente, cujos parâmetros estão mostrados na figura 26.

Nas figuras 27 a 30 as diversas formas de onda de tensão entre captores de ferragens estruturais no topo dos prédios, para diversas configurações ferragens x captores e diferentes formas de onda.

Como indicado, praticamente em todos os casos analisados, as simulações feitas indicam o surgimento de tensões extremamente elevadas, acima 1MV de pico! O caráter oscilatório dessas tensões aumenta  consideravelmente a possibilidade de surgimento de centelhamentos entre SPDAs e ferragens estruturais, verificados na prática, como ilustrado nas figuras 31 e 32.

Conclui-se desses estudos que:

• o uso de ferragens, preferencialmente em malha, nos tetos/contrapisos,  pode reduzir significativamente tais efeitos, se conectadas às ferragens estruturais;
• de forma análoga, o uso de prumadas metálicas, interligando os andares, eletrodutos e bandejas metálicas, assim como reticulados metálicos nos pisos, podem reduzir significativamente as tensões nas cablagens;
• portanto, quando permitido pela Norma aplicável, o uso da estrutura metálica do edifício como parte do SPDA é um procedimento recomendado em termos de segurança, aspectos econômicos e estéticos;
• o impacto relativo dos efeitos eletromagnéticos deverá ser avaliado mediante uma análise de risco, levando-se em conta fatores relevantes, tais como: localização (Ng, topografia, vizinhança), ocupação e finalidade etc.

• Antônio R. Panicali, Proelco; C.F. Barbosa            , CPqD;  J.C.O.Silva, APTEMC; e N.V.B Alves, Termotécnica