INCIDÊNCIA DE RAIOS EM PRÉDIOS

[Anderson Collodel]

INCIDÊNCIA DE RAIOS EM PRÉDIOS
Por Antônio R. Panicali - 13 de junho de 2009

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 indicação da necessidade de se instalar
proteções adequadas. Fonte: osetoreletrico