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SISTEMAS DE PROTEÇÃO

A proteção contra descargas atmosféricas em edifícios históricos representa um desafio pra os projetistas e instaladores. Muitas vezes, critérios de instalação aceitáveis em outras circunstâncias, como condutores de descida externos, conflitam com o imperativo de preservar a fachada e demais aspectos arquitetônicos da edificação. Este artigo examina um caso real e descreve as soluções adotadas.

A proteção contra descargas atmosféricas em edifícios históricos representa um desafio pra os projetistas e instaladores. Muitas vezes, critérios de instalação aceitáveis em outras circunstâncias, como condutores de descida externos, conflitam com o imperativo de preservar a fachada e demais aspectos arquitetônicos da edificação. Este artigo examina um caso real e descreve as soluções adotadas.

 

O edifício “Alte Fleiwa”, objeto deste artigo, foi inaugurado em 1923 como unidades de processamento de carne e hoje é um dos poucos edifícios históricos  industriais da cidade de Oldenburg, na Alemanha. Após sua desativação há alguns anos, com a mudança das atividades produtivas para os arredores da cidade, o complexo de edifícios da antiga planta industrial, em parte tombado pelo patrimônio histórico, ficou abandonado. A arquitetura mais marcante, e um dos edifícios mais altos da cidade, é a antiga torre da caixa d água, com 38m de altura (figura 1). Ela pertencia, em conjunto com a casa das caldeiras e casa de máquinas, à antiga central de utilidades, a partir da qual a fábrica era provida de energia elétrica, água quente, vapor e refrigeração.

                Futuramente, esse complexo de edifícios será utilizado como centro de conferências e exposições de empresa EWE AG, que opera nas áreas de energia, telecomunicações e tecnologia da Informação.

 

torre.JPG

(vista parcial do edifício principal e da torre da caix a d'agua)

 

 

Gerenciamento de risco e determinação do nível de proteção  contra raios

                Em função da classificação do edifício como local de afluência de publico, com salas para mais de 200 pessoas, o departamento municipal de obras exigiu a instalação de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) conforme normas DIN EM 62305 (IEC 62305). De acordo com a legislação local, tais edifícios devem ser providos de um SPDA que incorpore a proteção de instalações técnicas. Já as diretrizes da associação das seguradoras alemãs VdS 2010 - “Proteção contra descargas atmosféricas  e contra surtos visando riscos de acidentes “recomendam a adoção do nível de proteção III para locais de afluência de publico.

                (N. da R.: No Brasil, no âmbito ABNT, as normas pertinentes ao tema deste artigo são a NBR 5419 e a NBR 5410. Note-se que a norma alemã e européia DIN EM 62305 esta harmonizada com a edição 2006 da norma internacional IEC 62305, que é também a documento base para revisão da NBR 5419).

                Para determinar mais exatamente o nível de proteção a ser adotado, foi elaborada uma análise de risco por meio desenvolvido conforme as normas DIN e IEC citadas. Os seguintes critérios foram contemplados:

·         dimensões do edifício principal (47 m de comprimento, 24 m de largura, 14 m de altura);

·         dimensões da torre anexa (8 m de comprimento, 8 m de largura, 38,5 m de altura);

·         densidade de descargas atmosféricas para terra N8=1,66 por Km/2ano, incluindo um coeficiente de segurança de 25% para a cidade em questão, conforme o Suplemento n°1 da norma;

·         localização: o edifício esta localizado em zona urbana com vários edifícios menores ao seu redor;

·         linhas subterrâneas que penetram no edifício:

- duas linhas de energia em BT dispostas em bandejas distintas;

- uma linha de telecomunicações; e

- uma linha de dados.

·         proteção contra incêndio: existência de sistema automático de detecção de incêndio; e

·         utilização do edifício: centro de conferencias e exposições, com previsão de numero de visitantes entre 100 e 1000 pessoas.

Os seguintes fatores de risco foram considerados na análise:

·         perda de prestação de serviços para o publico;

·         perda irreparável de bens culturais; e

·         perdas econômicas.

A análise de risco concluiu que a instalação de um SPDA com nível de proteção IV é suficiente. Em razão da elevada segurança e, especialmente, para redução das distancias de separação através da diminuição das dimensões da malha e pela maior quantidade de condutores de descida, com exceção da proteção de pessoas no terraço da torre, foi planejado e instalado um SPDA com nível de proteção III. O maior risco resultou da utilização do edifício como local de afluência de publico com possibilidade de perda de vidas humanas considerando o número de visitantes entre 100 e 1000 pessoas.

Aterramento do SPDA

                O sistema de aterramento foi instalado utilizando um eletrodo de fundação em uma nova placa de fundação, e um eletrodo horizontal, em forma de anel instalado a distancia de 1 m do edifício existente. O novo sistema de aterramento foi conectado ao barramento de equipotencialização principal (BEP) do edifício  e, a partir de dois pontos distintos deste barramento, foi realizada uma conexão ao sistema de aterramento do edifício adjacente. A execução do sistema de aterramento corresponde a um aterramento tipo B conforme norma DIN EN62305-3 (IEC 62305). O comprimento mínimo L1 exigido para esta execução com nível de proteção III e IV é de 5 m > l1 (l1 = raio de círculo equivalente do edifício) está atendido.

                Na área da entrada principal da torre foram previstos eletrodos adicionais para redução do gradiente de potencial e minimização das tensões de passo. Foram instalados nesta área outros três condutores, adicionalmente ao eletrodo de aterramento em anel, distantes 3 m entre si e enterrados de forma escalonada cada um 0,5 m mais profundo que o anterior.

                Tosas as partes enterradas e as derivações para conexão ao eletrodo de aterramento são de aço inoxidável V4A conforme DIN 1.4571.

                SPDA para o edifício principal

                No edifício principal foi instalado um sistema de proteção contra descargas atmosféricas com nível de proteção III com condutores em malha de dimensão máxima de 15 m. Elementos que são projetados para fora da malha ou que excedam determinadas dimensões estão conectados diretamente à malha ou protegidos por subsistemas captores suplementares seguindo o método do ângulo de proteção (método Franklin).

                Em todos os objetos condutivos com risco de introduzir correntes de raio no edifício foram utilizados captores independentes conforme DIN EM 62305-3 (IEC 62305-3). As descidas foram instaladas com distância de 15 m +- 20% entre si, observando-se as distancias de separação e conectadas à malha de aterramento através de caixas de inspeção.

                Telhado Metálico  como captor manual

                Da mesma forma, o SPDA da torre foi dimensionado para nível de proteção III, com exceção de pessoas no terraço. Na torre, o telhado de cobre existente foi utilizado como captor natural conforme norma DIN EM 62305-3 (IEC 62305-3).

                Havendo incidência direta de raio no telhado metálico, pode ocorrer fusão e perfuração do metal no ponto de impacto devido ao alto valor da corrente de raio e da pequena espessura do metal {< 5mm para o cobre conforme tabela 3 da norma}. Isto pode causar infiltração de água ou representar riscos de incêndio. Não obstante, os requisitos relativos à proteção contra incêndio podem ser considerados satisfeitos, pois a estrutura do madeiramento do telhado atende aos requisitos da classe de material de construção B2 para materiais combustíveis normais, conforme norma DIN 4102-1. Por outro lado, se os materiais sob o telhado fossem facilmente combustíveis (classe de material) de construção B3),uma perfuração no ponto de impacto não seria adicionais, não se pode excluir a possibilidade de perfuração da cobertura metálica, mesmo considerando-se a conexão correta dos elementos de descida na cobertura metálica e que a mesma tenha sido executada de forma adequada. Perfurações na cobertura poderiam ser evitadas, por exemplo, através de:

·         Captores adicionais montados na cobertura (captores tipo haste).

·         Substituição da cobertura metálica existente por placas de cobre com espessura mínima de 5mm. Com o aumento de peso devido à utilização de placas mais grossas, seria necessário também uma troca ou reforço do madeiramento no telhado.

Na determinação do comprimento das hastes dos captores adicionais conforme a primeira sugestão, deve-se considerar a fecha p da esfera rolante. No nível de proteção III, o comprimento mínimo do captor tipo haste necessário é calculado para uma distancia máxima d= 6 m na extremidade inferior das oito arestas da cobertura, conforme segue:

               

Figura

 

Figura 2

Figura 3

Onde:

p - flecha da esfera rolante em m;

r - raio da esfera rolante de m (para nível de proteção III =45m); e

d - distancia entre captores tipo haste em m.

O comprimento final da haste do captor deve ser igual ou maior que  fecha p d esfera rolante calculada. Neste caso, foi determinado um comprimento de 0,20m. Os captores tipo haste devem ser montados em cada uma das oito arestas em um ângulo de 90° em relação à cobertura ate o centro da cúpula (figura 2). Como as arestas convergem para o centro da cúpula, o comprimento das hastes pode ser gradativamente reduzido em função da diminuição da distancia d para o centro da cobertura.

Conclusão sobre a proteção da cobertura metálica

                As medidas propostas para evitar perfuração da cobertura metálica substituindo as placas metálicas e o madeiramento do telhado, ou protegendo contra incidências diretas de raios com a instalação de captores tipo haste adicionais, entram em conflito com os requisitos da proteção de monumentos históricos, que impedem que seja feita qualquer modificação externa na torre. Além disso, dependendo da medida de proteção a ser adotada, tais alterações são relativamente trabalhosas.

                Pela razoes acima expostas, será tolerada uma possível perfuração da cobertura por impacto direto de raio, mantendo-se a cobertura metálica existente apesar dos riscos de utilizá-la como captor manual. O proprietário e gestor da edificação foi informado desta decisão, previamente acordada com os peritos e com o departamento responsável pela conservação do patrimônio histórico.

  

 

Figura 4 - Áreas de proteção no terraço para nível III e IV - a proteção de pessoas sem medidas suplementares só esta garantida com nível IV

 

                Proteção de pessoas no terraço contra incidência direta de raios

 

Sem medidas de proteção adicionais, a proteção de pessoas no terraço da torre, considerando o raio de alcance das mãos, somente esta garantindo adotando-se o nível de proteção IV (figuras 3 e 4). Em vista disso, foi excepcionalmente adotado o nível de proteção IV, correspondente ao nível mínimo determinado pela analise de risco, ao invés de nível III.

                No nível de proteção III, a proteção de pessoas somente poderia ser realizada com a edição de captores horizontais sobre o terraço (nos vértices inferiores da cúpula, figura 5). Considerando a flecha da esfera rolante, o raio de alcance das mãos das pessoas e largura do terraço, são necessários comprimentos mínimos de 2,25 m para captores tipo haste a serem instalados abaixo dos vértices da cúpula.

                Conclusão sobre a proteção de pessoas no terraço

                As medidas apresentadas na figura 5 para a proteção de pessoas mediante captores nos vértices inferiores da cobertura não estão em sintonia com as exigências de proteção de edifícios históricos. Por isso, abriu-se mão destas medidas e excepcionalmente foi adotado nível de proteção IV neste caso, adequado segundo a análise de risco (figura 4). De forma complementar, devem ser colocados avisos nas saídas para o terraço, e no próprio terraço, com os dizeres: “Em caso de tempestade evite permanecer no terraço”.

                Descidas para a torre

Foram instaladas descidas nos quatro vértices da torre, distante 8 m entre si. O problema foi à observância das distancias de separação entre as descidas e outras partes condutivas e sistemas na torre e fora dela. Foram calculadas distancias de separação nos pontos de conexão das descidas da cobertura metálica da torre de s= 0,42 m para o ar e s= 0,84 n para materiais sólidos (vide tópico relativo ao cálculo das distancias de separação a seguir).

Descidas executadas com condutores nus deveriam ser instaladas sobre isoladores de fibra de vidro distantes da alvenaria da torre, para satisfazer as distancias de separação necessárias. Considerando o coeficiente de material km=0,7 para os isoladores de fibra de vidro, inferior ao do ar, seria necessária uma distancia mínima de 0,6m na parte superior da torre. Essa solução estaria em desacordo coma as exigências de proteção de edifícios  históricos pela alteração radical da fachada do edifício.

Por isso, as descidas foram executadas com cabos de alta tensão isolados (HVI tipo I, figura). Para utilização desses cabos, os seguintes pontos devem ser observados, principalmente:

·         distância de separação equivalente s=0,75 m para o ar e s= 1,5m para materiais sólidos;

·         diâmetro externo com isolação na cor preta= 20mm, com isolação na cor cinza = 23mm;

·         raio mínimo de curvatura = 20mm;

·         regulamentos específicos para o trecho das terminações;

·         distancia entre suportes de fixação depois do trecho terminal _< 1,0 m:

·         tais cabos podem ser instalados nas coberturas, sobre as paredes e embutidos

·         sob o reboco, dentro de concreto ou nas fachadas, porém não podem ser instalados enterrados no solo.

Devido ás distâncias de separação calculadas na torre s= 0,42m para o ar e s=0,84m para materiais sólidos situarem-se abaixo  da distância de separação equivalente de 0,75m para o ar e de 1,5m para materiais sólidos dos cabos HVI, a instalação destes cabos foi possível.

Surgiram dificuldades no trecho terminal dos cabos HVI. Por definição, este trecho está compreendido entre a extremidade do cabo e a face do conector PA montado sobre a isolação, e tem um comprimento aproximado de 1,5m (figura 7). O conector PA deve ser interligado, com um condutor de cobre de seção mínima 4mm² à equipotencialização ou a elementos construtivos aterrados do edifício livres das tensões do raio.

No trecho terminal do cabo HVI não pode haver partes metálicas no interior de um cilindro teórico de comprimento aproximado de 1,5m, cujo raio R ao redor do cabo corresponda no mínimo á distância de separação s

 

Figura 6.

 

Cabo HVI com cabeçote e conectores PA e de aterramento.

 

 

 

Calculada para esta área. Da mesma forma, as abraçadeiras e elementos de fixação no trecho terminal do cabo HVI não podem conter partes metálicas.

Pelo fato de o cilindro virtual corresponde à distância de separação calculada de s = 0,84m (para materiais sólidos) ocupar um volume que ultrapassa a espessura da parede, projetando-se para o interior da torre, a proibição de presença de partes metálicas é valida tanto para a área externa como para a parede em si e uma parte da área interna do 7º andar da torre (figuras 8 e 9). As tubulações metálicas de águas pluviais desta área foram trocadas por tubulações não-metálicas. O mesmo vale para as tubulações de extração de fumaça e calor montadas acima do terraço do 7º andar, adjacentes ao trecho terminal dos cabos HVI, que foram construídas com tubos cerâmicos.

Na parte inferior, os cabos HVI foram conectados diretamente ao sistema de aterramento através de caixas de inspeção ou, na lateral do prédio principal, ao subsistema captor com condutores em malha (figura 10). Neste caso, não são necessárias terminações, pois as distâncias de separação calculadas nesta área são inferiores a s = 0,175m para o ar ou s= 0,35m para materiais sólidos. Alternativamente, deve-se considerar um volume de proteção semi-esférico ao redor do condutor com um raio de 0,5 m. Para distancias de separação maiores, teria sido necessária a utilização de cabos pré- fabricados HVI do tipo II ou III, com duas terminações.

Alternativa para cabos HVI na alvenaria externa da torre

Em função de seu diâmetro de 20mm, os cabos com isolação preta instalados na parte externa da alvenaria, especialmente na parte inferior, são bem visíveis. Em alternativa, teria sido possível instalar cabos HVI com isolação cinza com diâmetro de 23mm. A isolação cinza também pode ser pintada com tinta própria para superfícies de PVC (para adequação à tonalidade da alvenaria externa). Em seguida, foram verificadas as opções possíveis para o método de instalação das descidas.

Figura 8 - Terminação do Cabo HVI na cobertura da torre 7° piso (vista lateral). Atenção: os valores indicados para a distância de separação s ou para raio R do cilíndrico são validos somente ara o caso descrito neste artigo

Instalação de cabos HVI na torre

                Esta possibilidade foi descartada em função das vigas de concreto, que se projetam para o interior da torre, aproximadamente 5 cm além da face interna da alvenaria. As desvantagens desta solução foram especificamente os aspectos arquitetônicos e as dificuldades para a instalação dos cabos HVI observando raios de curvatura 200 mm.

                Instalação de cabos HVI nos espaços vazios do edifício

                Esta opção foi igualmente descartada, pois as vigas de concreto projetam-se para os espaços vazios do revestimento da alvenaria, fazendo com que eles não sejam contínuos. Outro problema seria a necessidade de fixar os cabos com distancias de fixação < 1 m no interior dos espaços vazios, por exemplo, com guias  de cabo de aço.

                Instalação de condutores nus diretamente sobre a alvenaria

Somente seria possível a instalação de condutores nus diretamente sobre a parte externa da alvenaria com  uma redução correspondente das distancias de separação para s < 0,11 m para materiais sólidos (espessura do revestimento da alvenaria até as vigas de concreto). Isto poderia se realizado provendo-se níveis suplementares de equipotencialização da torre.

Níveis suplementares de equipotencialização

Para cada nível (ou plano) suplementar de equipotencialização deve ser criada uma equipotencialização de proteção descargas atmosféricas completa, compreendendo todos os cabos e fios de energia e de telecomunicações, assim como todas as demais partes condutivas. Para isso, devem ser utilizados DPS classe I, para linhas elétricas, capazes de suportar correntes de descargas atmosféricas ou DI para linhas de sinal, ou combinações adequadas de DPS classe I e II ou D1 e C2. Além disso, em cada um desses níveis, todos os condutores de descida do SPDA devem se ligados à equipotencialização pelo caminho mais curto.

Através das medidas citadas, as distancias de separação das descidas do sistema de proteção contra descargas atmosféricas  podem ser reduzidas de tal forma, que seria possível a instalação de condutores nus diretamente sobre a parte externa da alvenaria da torre. Mas esta alternativa conduz simultaneamente à introdução de corrente parciais de descarga no interior do edifício.

Em função dos novos problemas resultantes desta opção para proteção contra surtos e das eventuais falhas resultantes de TI, não forma instalados condutores nus nem adotados níveis suplementares de equipotencialização.

Fig. 9 - Terminação do cabo HVI na cobertura da torre no 7° piso (vista superior)

Calculo das distancias de separação

Com a observância das distâncias de separação, estão excluídos centelhamentos entre os SPDA e outras partes condutivas interna e externamente à edificação. Os maiores riscos de ocorrência de centelhamento perigoso estão localizados, no caso em questão, na cobertura do edifício principal e nas paredes da torre.

Fig. 10 Conexão do condutor HVI com o subsistema captor e a descida no edifício principal

Os cálculos para determinação das distancias de separação foram realizados com auxilio de um software comercial, conforme o modelo malhas (Node Potencial Analysis) baseado na norma DIN EM 62305-3 (IEC 62305-3). Para tanto, foram considerados, entre outros, os seguintes parâmetros:

·         Dimensões do edifício principal e da torre;

·         Equipotencialização realizada na cota do sistema de aterramento (-1,0m);

·         Nível de proteção III; e

·         Coeficiente de isolação Km=0,5 para materiais sólidos.

Os resultados dos cálculos das distancias de separação para o edifício principal estão mostrados na figura 11. O software utilizado (Dehn Distance Tool) possibilita a visualização dos valores em todos os pontos do edifício. No calculo das distancias de separação para torre, pode-se considerar que a corrente de raio será distribuída uniformemente sobre a cobertura metálica (baixa impedância pontos de interligação com o cabo HVI da cobertura) a partir do ponto de incidência e, assim, será distribuída uniformemente para as decidas da torre. Para considerar esse fenômeno, o calculo das distancias de separação simulou a cobertura metálica da torre na forma de um subsistema captor com malha de 2 m (figura 12).

                Equipotencialização do SPDA e proteção contra surtos

No piso térreo do edifício foi instalada uma equipotencialização para o sistema de proteção contra descargas atmosféricas conforme norma DIN EM 62305-3 (IEC 62305-3), abrangendo todas as partes condutivas (massas), através de conexões diretas ao barramento de equipotencialização principal (BEP), ou por meio de DPS classe I nas linhas de energia, dimensionados para suportar correntes de descargas atmosférica , classe DI para linhas de sinal. No intuito de assegura simultaneamente e equipotencialização do SPDA e a proteção contra surtos foram instaladas combinações de DPS classe I e II e D1 e C2.

                A proteção contra surtos foi executada conforme normas DIN VDE 0100 (NBR 5410) e DIN VDE 0845 (IEC 61643-21). Para tal, foram adicionados DPS classe II para os sistemas de energia e classe C2 para os sistemas de energia e classe C2 para os sistemas de telecomunicações em todos os quadros de distribuição e em outros pontos de risco (por exemplo, na instalação de extração de fumaça e calor da torre).

Fig. 11 Distâncias de separação no edifício principal em vista 3D - Cotas em cm para materiais sólidos ( Km = 0,5). Para ar (km = 1), os valores devem ser divididos por dois. Nota: Para melhor visualização, o desenho foi simplificado, e não indica todos os valores calculados com o software

                Partes da instalação e dispositivos expostos a alto risco como, por exemplo, o servidor, foram suplementarmente protegidos nos pontos de instalação.

Conclusão

                Na instalação de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas em um edifício histórico devem ser observados, além dos requisitos normativos, os interesses e exigências dos órgãos de proteção do patrimônio histórico. Freqüentemente surgem contradições entre a necessidade de um SPDA com subsistemas captores e descidas externas, e visíveis e, por outro lado, os critérios arquitetônicos do patrimônio histórico com relação à preservação da fachada do edifício. Portanto, é especialmente importante uma discussão que contemple todos os pontos de vista e um consenso, na fase de projeto, entre proprietário e usuários, projetistas, peritos e autoridades do patrimônio histórico. Somente assim, pode-se harmonizar a solução Ideal para a proteção contra descargas atmosféricas  do edifício. Neste contexto, e inevitável fazer concessões nos critérios de segurança máxima, desde que sejam aceitáveis a permitidos pelas normas pertinentes. Este procedimento é comumente adotado na prática.

Fig. 12 - Vista superior da cobertura da torre com as distâncias de separação - Cotas em cm para materiais sólidos (Km = 0,5). Para ar (km = 1), os valores deverão ser divididos por dois. Nota: A distribuição homogênea das correntes de descarga na cobertura metálica da torre foi simulada adotando um subsistema captor com malha estreita.

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