UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELETRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ALEXANDRE HOLANDA SILVA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELETRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ALEXANDRE HOLANDA SILVA AVALIAÇÃO DA EXPOSIÇÃO À DESCARGAS ATMOSFÉRICAS DE UMA TORRE DE DESTILAÇÃO DE UMA REFINARIA DE PETRÓLEO UTILIZANDO ELEMENTOS FINITOS FORTALEZA 2014

ALEXANDRE HOLANDA SILVA AVALIAÇÃO DA EXPOSIÇÃO À DESCARGAS ATMOSFÉRICAS DE UMA TORRE DE DESTILAÇÃO DE UMA REFINARIA DE PETRÓLEO UTILIZANDO ELEMENTOS FINITOS Monografia apresentada ao Curso de Engenharia Elétrica do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial à obtenção do grau de Graduado em Engenharia Elétrica. Orientador: Prof. Dr. Ricardo Silva Thé Pontes Coorientador: M.Sc. Ednardo Moreira Rodrigues FORTALEZA 2014

ALEXANDRE HOLANDA SILVA AVALIAÇÃO DA EXPOSIÇÃO À DESCARGAS ATMOSFÉRICAS DE UMA TORRE DE DESTILAÇÃO DE UMA REFINARIA DE PETRÓLEO UTILIZANDO ELEMENTOS FINITOS Monografia apresentada ao Curso de Engenharia Elétrica do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial à obtenção do grau de Graduado em Engenharia Elétrica. Aprovada em: / /. BANCA EXAMINADORA Prof. Dr. Ricardo Silva Thé Pontes (Orientador) Universidade Federal do Ceará (UFC) M.Sc. Ednardo Moreira Rodrigues (Coorientador) Universidade Federal do Ceará (UFC) Prof. M.Sc. Alexandre Rocha Filgueiras Universidade Federal do Ceará (UFC)

À Deus. Aos meus pais, Eudemberg e Magda. À minha irmã, Aline. Aos meus amigos.

AGRADECIMENTO Assim, agradeço primeiramente à Deus, por conceder a dádiva da vida, a paciência, disposição e prover todos os recursos necessários para o termino deste importante passo na vida. Agradeço também meus pais, Eudemberg Silva e Magda Holanda, que desde sempre me proporcionaram uma educação de qualidade, sacrificando-se diversas vezes para que eu pudesse chegar onde estou agora. E a minha irmã, Aline Holanda, que sempre convivi por todos estes longos anos. Agradeço ao Prof. Dr. Ricardo Silva Thé Pontes pela oportunidade de desenvolver este trabalho, além do conhecimento transmitido por este ao longo da minha formação acadêmica. Um agradecimento especial ao meu co-orientador Ednardo Rodrigues, peça fundamental para o desenvolvimento deste trabalho, por toda a paciência e atenção na condução do trabalho e cedendo a autoria das Figuras 3 e 4 utilizadas neste trabalho. Não podendo esquecer-se de agradecer ao Laboratório de Eficiência Energética Em Sistemas Motrizes (LAMOTRIZ) e ao Centro Nacional de Processamento de Alto Desempenho (CENAPAD), por me fornecer os recursos e espaço necessário para o desenvolvimento completo deste trabalho. Agradeço aos amigos que fiz durante estes anos de faculdade, que me ajudaram bastante durante os estudos, durante as noites que passamos finalizando projetos, dentre vários outros auxílios. Em especial aos meus amigos, companheiros de trabalho e de faculdade, Diego Osterno e Alexandre Teixeira e a minha namorada e companheira, Aline Guerreiro..

RESUMO Este trabalho realiza uma análise do sistema de proteção contra descarga atmosférica de uma torre de destilação numa refinaria de petróleo. Inicialmente é realizado um estudo sobre descargas atmosféricas, mostrando o circuito elétrico global, seus aspectos, os tipos de descargas atmosféricas, descrevendo os passos de como ocorremas descargas. Também é realizado um estudo sobre sistemas de proteção contra descargas atmosféricas descrevendo seus três subsistemas: sistema captor, o sistema de descida e o sistema de aterramento, além de descrever os métodos de Faraday, Franklin e o modelo Eletrogeométrico. Durante este estudo foi apresentado os diversos aspectos abordados na NBR 5419 que regulamenta o sistema de proteção contra descarga atmosférica. O trabalho foi desenvolvido a partir de simulações computacionais utilizando o método dos elementos finitos através do software COMSOL. Nas simulações foram verificadas as condições de incidência de descarga atmosférica na torre, o comportamento da torre durante a descarga atmosférica, a influência da resistência de aterramento e a influência do efeito pelicular. Palavras-chave: Descarga Atmosférica. SPDA. Refinaria. MEF. COMSOL.

ABSTRACT This work performs an analysis of the lightning protection system of a distillation tower in an oil refinery. Initially, a study about lightning was carried out, showing the global circuit, its aspects, the kind of lightings, describing how these discharges occur. Also is performed a study about lightning protection systems describing its three subsystems is also performed: captor system, the down conductors system and the grounding system, and describe the Faraday s methods, Franklin s methods and Electric Geometric Model. During the study was showed the various aspects covered in the NBR 5419 that regulating the lightning protection system. The work was developed from computer simulations using the finite element method using the COMSOL software. This work was developed from computer simulations using the finite element method using the COMSOL software. In the simulations, the conditions of incidence of lightning strikes the tower, the tower's response during lightning discharge, the influence of grounding resistance and the influence of the skin effect were observed. Keywords: Lightning. LPS. Oil Refinary. FEM. COMSOL.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 Foto da Refinaria Landulpho Alves (RLAM) da Petrobras.... 14 Figura 2 Forma de onda de uma descarga atmosférica... 20 Figura 3 Representação do Circuito Elétrico Global... 21 Figura 4 Circuito elétrico global equivalente.... 22 Figura 5 Representação do processo colisional indutivo.... 24 Figura 6 Representação do processo colisional termoelétrico... 24 Figura 7 Ilustração dos diversos tipos de descargas existentes.... 28 Figura 8 Exemplo de área exposição equivalente.... 33 Figura 9 Ilustração de captores não naturais.... 36 Figura 10 Comprimento mínimo dos eletrodos de aterramento... 40 Figura 11 Representação esquemática do método das esferas rolantes... 46 Figura 12 - Avaliação do SPDA pelo método das esferas rolantes... 46 Figura 13 Ilustração da configuração de um SPDA tipo Franklin.... 47 Figura 14 Proteção pelo método da gaiola de Faraday... 49 Figura 15 Elementos Finitos Típicos... 51 Figura 16 Torre de destilação simulada... 53 Figura 17 Detalhe da torre de destilação... 54 Figura 18 Potencial Elétrico obtido na simulação... 58 Figura 19 Campo elétrico obtido na simulação... 59 Figura 20 Gráfico do potencial elétrico x altura... 60 Figura 21 Potencial elétrico com escala de 5MV... 61 Figura 22 Detalhe potencial elétrico na região próxima a torre... 61 Figura 23 Gráfico do campo elétrico x altura... 62 Figura 24 Detalhe campo elétrico na região próxima a torre... 63 Figura 25 Forma de onda da tensão para Vo = 5,4426V... 64 Figura 26 Resultado da transformada de Fourier... 70 Figura 27 Resultado da transformada de Fourier sem componente continua... 71 Figura 28 Gráfico densidade de corrente x espessura (Efeito pelicular)... 72 Figura 29 Efeito pelicular na torre de destilação... 72

LISTA DE TABELAS Tabela 1 Requisitos para o posicionamento dos Captores por Nível de Proteção. 37 Tabela 2 Seções mínimas dos condutores de descida... 38 Tabela 3 Espaçamento médio dos condutores de descida não naturais... 38 Tabela 4 Nível de Proteção no Modelo Eletrogeométrico... 47 Tabela 5 Nível de Proteção no Método Franklin... 48 Tabela 6 Nível de proteção no Método de Faraday... 49 Tabela 7 Resultados das simulações estáticas em escala real e resistência de aterramento Rat = 10Ω.... 65 Tabela 8 Resultados das simulações estáticas para torre em escala reduzida e com resistência de aterramento Rat = 10Ω.... 66 Tabela 9 Valores obtidos na simulação estacionária para Rat = 5Ω.... 68 Tabela 10 Valores obtidos na simulação estacionária para Rat = 10Ω.... 69 Tabela 11 Valores obtidos na simulação estacionária para Rat = 50Ω.... 69 Tabela 12 Valores obtidos na simulação estacionária para Rat = 100Ω.... 69

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS CENAPAD ELAT INPE LAMOTRIZ MEG PETROBRAS REDUC REPLAN RLAM SPDA Centro Nacional de Processamento de Alto Desempenho Grupo de Atividade Atmosférica Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais Laboratório de Eficiência Energética em sistemas Motrizes Modelo Eletrogeométrico Petróleo Brasileiro S.A. Refinaria Duque de Caixias Refinaria de Paulínia Refinaria Landulpho Alves Sistema De Proteção Contra Descargas Atmosféricas

SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO... 12 1.1 Contextualização... 12 1.2 Objetivos... 17 1.3 Estrutura do Trabalho... 17 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA SOBRE DESCARGA ATMOSFÉRICA... 19 2.1. A descarga Atmosférica... 19 2.2. O Circuito Elétrico Global... 20 2.3. A Eletrificação de Nuvens... 22 3. SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGA ATMOSFERICA... 31 3.1. Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas... 31 3.1.1. Os Níveis de Proteções... 32 3.1.2. Sistema de Captores... 35 3.1.3. Sistema de Descida... 37 3.1.4. SistemadeAterramento... 39 3.1.5 Inspeções... 41 3.1.6 Estruturas Especiais... 42 3.2. Métodos de Proteção contra Descargas Atmosféricas... 44 3.2.1. Modelo Eletrogeométrico... 44 3.2.2. Método Franklin... 47 3.2.3. Método da Gaiola de Faraday... 48 4. MÉTODO DE SIMULAÇÃO... 50 4.1. Métodos dos Elementos Finitos... 50 4.2. O software COMSOL... 52 4.3. Simulações Realizadas... 52 4.4. Transferência de Calor... 55 4.5. Efeito Pelicular... 55 5. RESULTADOS... 57 5.1. Simulação Eletrostática... 57 5.2. Simulação de Incidência... 63 5.3. Simulação em regime estacionário... 68 5.4. Simulação no domínio da frequência... 69 6. CONCLUSÕES... 74

REFERÊNCIAS... 76 APÊNDICE A VALORES OBTIDOS NA SIMULAÇÃO O TEMPO PARA A TORRE REDUZIDA E SEM RESISTÊNCIA DE ATERRAMENTO... 79 APÊNDICE B COMPARAÇÃO ENTRE OS VALORES CALCULADOS E SIMULADOS... 84 APÊNDICE C ERRO ABSOLUTO E ERRO RELATIVO... 88 APÊNDICE D VALORES OBTIDOS A PARTIR DO CALCULO PARA TORRE SEM REDUÇÃO COM RESISTÊNCIA DE ATERRAMENTO DE 10Ω.. 92

12 1. INTRODUÇÃO Este capítulo tem por finalidade de apresentar a contextualização do assunto abordado no presente trabalho, bem como os objetivos almejados e a estrutura que o trabalho é apresentado. 1.1 Contextualização A descarga atmosférica, também conhecida como raio, é um dos fenômenos naturais mais notáveis ao redor do mundo. A descarga atmosférica pode ser definida como uma intensa descarga elétrica que ocorre na atmosfera. Trata-se de um fenômeno complexo, que se expressa através do fluxo de uma corrente impulsiva de alta intensidade e curta duração, cujo percurso de alguns quilômetros parte da nuvem e em alguns casos atinge a superfície terrestre (VISACRO, 2005). Este é um fenômeno natural com elevado poder destrutivo, em parte devido à potência dissipada pelo percurso da corrente sobre o corpo atingido e ao elevado valor da carga transferida em uma descarga atmosférica, que normalmente apresenta valores acima de 1,0 C. Com isso, a descarga atmosférica representa um risco tanto para humanos, como para instalações sejam elétricas ou estruturais (VISACRO, 2005; MAMEDE, 2012). No Brasil, o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) realiza o acompanhamento dessas atividades, através do Grupo de Eletricidade Atmosférica (ELAT). O ELAT foi criado oficialmente em 1995 e tem sua origem nas pesquisas científicas e tecnológicas em eletricidade atmosférica desenvolvidas no INPE desde 1979 na área de Ciências Espaciais e Atmosféricas (ELAT/INPE, 2014a). Cerca de 50 milhões de raios caem todo ano no Brasil. Durante o período entre 2000 e 2012, foram registradas 1.601 mortes causadas por descargas atmosféricas. Em 2012, foram registradas 113 vítimas e, em 2001, foram registradas 193 vítimas de raio (ELAT/INPE, 2014b). Nos Estados Unidos, o National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) através do National Weather Service (NWS) divulga as estatísticas dos impactos causados pelos fenômenos naturais. Em 2012, houve 28 mortes por raios no EUA, onde cerca de 80% das vítimas estavam em áreas abertas ou embaixo de

13 árvores, segundo informações do NWS (NOAA/NWS, 2014a). O prejuízo estimado causado pelas descargas atmosféricas foi de US$48,34 Milhões (NOAA/NWS, 2014b). Para uma refinaria, a descarga atmosférica apresenta um perigo eminente, pois o centelhamento causado pela queda do raio, a indução de corrente em estruturas metálicas ou o aquecimento causado pela passagem da corrente direta ou induzida podem gerar um principio de incêndio. Existem relatos de incêndio em refinaria como o ocorrido na refinaria venezuelana de Guaraguao, em Puerto La Cruz, estado de Anzoátegui, que foi causado por um raio que caiu em frente ao terreno da refinaria (PEIXE, 2014; PRESSE, 2014). No Brasil, a Petróleo Brasileiro S.A. (PETROBRAS) também já teve ocorrências de eventos similares na década de 80, com incêndio em tanque de teto fixo em Vitória, e na década de 90, com incêndios em tanques de tetos fixos nas refinarias de Duque de Caxias (REDUC) no estado do Rio de Janeiro e na Refinaria de Paulínia (REPLAN), no estado de São Paulo, além de um acidente fatal na REPLAN. Na década de 2000, houve acidente fatal na faixa de gasodutos Campinas. Na refinaria de petróleo ocorre o processo de refino em escala industrial. O refino do petróleo constitui a separação do petróleo, via processos físico-químicos, em frações de derivados, que são processados em unidade de separação e conversão até os produtos finais (SZKLO; ULLER, 2008). O petróleo pode ser definido como uma mistura de hidrocarbonetos de ocorrência natural, geralmente no estado líquido, contendo ainda compostos de enxofre, nitrogênio, oxigênio, metais e outros elementos. Em seu estado natural, o petróleo não pode ser aproveitado em forma pratica para outros fins que não o fornecimento de energia via combustão. Para melhor aproveitamento do petróleo faz-se necessário o refino do mesmo (BRASIL; ARAÚJO; SOUSA, 2011). Assim, em uma refinaria de petróleo há forte presença de hidrocarbonetos, proveniente dos processos de refino. Quando estes estão na forma de fumos ou vapores orgânicos formam, dependendo da concentração, uma atmosfera explosiva, onde um centelhamento pode iniciar um incêndio. Esse risco é constante em um ambiente de refinaria e é agravado, principalmente, quando há vazamentos de hidrocarbonetos.

14 Dentre os diversos processos de refino destaca-se a destilação do petróleo. A destilação é um processo físico de separação dos componentes de uma mistura, cujo princípio é a diferença dos pontos de ebulição dos seus componentes individuais, obtendo como resultado outras misturas de diferentes composições. A unidade de destilação é a primeira etapa do processamento de petróleo em uma refinaria. Nela o petróleo é separado em misturas complexas de componentes, chamadas cortes ou frações de petróleo (BRASIL; ARAÚJO; SOUSA, 2011). Em uma refinaria é comum a presença de estruturas metálicas aterradas de altura elevada, conforme mostrado na Figura 1. Na unidade de destilação destaca-se a torre de destilação que é o principal equipamento desta unidade e é nela que ocorre o processo de destilação. A torre de destilação pode chegar a medir mais de 50 m de altura. A chaminé do forno é outra estrutura que apresenta elevada estatura. Figura 1 Foto da Refinaria Landulpho Alves (RLAM) da Petrobras. Fonte: Cintra (2010). Chaminés e Torres se destacam no perfil da refinaria, tanques de armazenamento (de branco à direita) também apresentam risco de incêndio. Os tanques de armazenamento apresentam-se como outro ponto perigos quando há incidência de raios são os tanques de armazenamento. Este risco ocorre tanto em tanques de teto fixo, como em tanques de teto móvel. A incidência de um raio pode iniciar um incêndio.

15 Em tanques de teto fixo, no espaço entre o nível do liquido e o teto, podese formar a mistura inflamável de ar e hidrocarboneto, restando apenas uma ignição para iniciar um incêndio. Nos tanques de teto móvel, utilizado para armazenar produtos mais voláteis, o teto do tanque acompanha o nível do líquido reduzindo a possibilidade de aparecimento desse espaço, porém pode haver falhas. Em uma refinaria, a descarga atmosférica não é danosa somente pelo risco de iniciar um incêndio. Há o risco de dano pessoal a trabalhadores atingido por descargas diretas ou indiretas. Para reduzir o risco, além da observação do tempo, algumas refinarias usam um sistema de detecção de descargas atmosféricas. Sempre que há risco incidência de raios, os trabalhadores são retirados das áreas abertas. Para proteger e minimizar os efeitos provocados pelas descargas atmosféricas foi desenvolvido o sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA). O SPDA tem como objetivo básico evitar a incidência direta de raios na estrutura protegida, criando pontos preferenciais de incidência para as descargas que eventualmente atingiriam a estrutura na ausência do sistema. Além de captar a eventual descarga, o SPDA deve ser capaz de direcionar o fluxo da corrente associada diretamente para o solo, seguindo percurso definido pelos condutores do sistema de proteção (VISACRO FILHO, 2005). O SPDA é constituído de três partes: o sistema de captores, que são responsáveis pelo contato direto com a descarga atmosférica; o sistema de condutores de descida, que permitem a continuidade elétrica entre captores e o sistema de aterramento; e o sistema de aterramento, que é responsável pela dispersão das correntes elétricas no solo (MAMEDE FILHO, 2012). A NBR 5419 Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas é a norma brasileira que regulamenta os sistemas de proteções contra descargas atmosféricas. A versão em vigor é de 2005, porém há uma revisão desta norma em andamento. Essa norma tem como base a norma européia IEC 61024. Segundo a NBR 5419.2005, no projeto dos captores, podem-se utilizar o método Franklin e/ou modelo eletrogeométrico e/ou método Faraday. O método Franklin utiliza o captador conhecido como pára-raios. Ele baseia-se na propriedade do poder das pontas. Essa propriedade traduz que a tendência das cargas elétricas se concentrarem nas extremidades do corpo, fazendo com que o campo elétrico seja maior nas pontas (VISACRO, 2005).

16 Com isso, o para-raio Franklin tende a receber a descarga atmosférica criando uma zona segura abaixo do mesmo. O volume de proteção é propiciado por um cone, cujo ângulo da geratriz com a vertical varia segundo o nível de proteção desejado e para uma determinada altura da construção (MAMEDE, 2012). O modelo eletrogeométrico (MEG) é um modelo de incidência. Este tipo de modelo permite definir o local de maior probabilidade de incidência das descargas descendentes. O MEG fundamenta-se no conceito do raio de atração. Este se constitui na distância estimada entre um canal ascendente e a estrutura terrestre, a partir da qual ocorrerá eventual fechamento do percurso pela conexão entre o canal descendente e o canal ascendente que se origina na estrutura terrestre (VISACRO FILHO, 2005). Segundo Mamede (2012), o modelo eletrogeométrico também é conhecido como método da esfera rolante. Já Visacro (2005) afirma que o Método das Esferas Rolantes constitui uma aplicação particular do Modelo Eletrogeométrico de Incidência. O método de Faraday é baseado nas experiências da gaiola de Faraday. Nesta, o campo eletromagnético é nulo no interior de uma estrutura metálica quando são percorridos por uma corrente elétrica de qualquer intensidade (MAMEDE, 2012). Na gaiola de Faraday, as descargas elétricas incidem sempre nas partes metálicas da gaiola (VISACRO, 2005). A implementação deste método requer a construção de uma gaiola condutora que envolva toda a estrutura, não admitindo que partes desta fiquem fora do envolto da gaiola. Assim, as descargas elétricas que atingirem a gaiola teriam seus fluxos de correntes conduzidos pelos condutores da gaiola e não pelas partes internas da estrutura (VISACRO, 2005). O estudo da descarga atmosférica é difícil tanto pela dificuldade de prever o ponto exato de incidência, como a dificuldade em medir os parâmetros do mesmo. Uma solução para estudar melhor o fenômeno é a simulação do mesmo. Entretanto, o equacionamento envolvido no fenômeno não é simples de ser solucionado analiticamente, seja pela dificuldade em escrever o equacionamento para a forma da estrutura, seja pela natureza das equações que envolvem cálculos eletromagnéticos. Assim, é muito empregado o uso de simulações computacionais envolvendo métodos numéricos para resolver os sistemas de equações envolvidos.

17 O método dos elementos finitos é um dos métodos numéricos comumente usados para solução de problemas aplicados ao eletromagnetismo. Este método foi desenvolvido inicialmente para analise estrutural, não sendo aplicados a problemas de eletromagnetismo até a década de 60. Este método consiste basicamente de quatro etapas: discretização do espaço de estudo em um número finito de elementos menores, obtenção da equação que rege cada elemento, união de todos os elementos em uma matriz e solução do sistema de equações obtidas. 1.2 Objetivos O presente trabalho possui os seguintes objetivos: a) Avaliar o Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas SPDA de uma torre de destilação de uma refinaria de petróleo b) Avaliar a geração de um líder ascendente através de simulação de elementos finitos sobre referida torre; c) Avaliar o comportamento da torre quando atingida por descarga atmosférica através de simulação de elementos finitos sobre referida torre. d) Avaliar o risco de explosão devido à incidência da descarga atmosférica 1.3 Estrutura do Trabalho O Capítulo 1 apresenta a contextualização dos assuntos abordados no trabalho, os objetivos e a estrutura do trabalho. No Capítulo 2, apresenta-se a fundamentação teórica sobre a descarga atmosférica, contextualizando com a importância do circuito global, o processo de eletrificação da nuvem, formação da descarga atmosférica, suas características e como são classificadas. No Capítulo 3, são revisados os sistemas de proteção contra descargas atmosféricas, descrevendo os níveis de proteção, o sistema captor, o sistema de descida, sistema de aterramento. Além de conter fundamentação sobre o modelo eletrogeométrico, o método Franklin e o método Faraday, que são os métodos de proteção contra descarga atmosférica. Durante o capitulo são mostrados os

18 aspectos regulamentados pela NBR 5419.2005, além de descrever sobre estruturas especiais que pertencem a um ambiente de refinaria previsto na norma. O Capítulo 4 descreve a metodologia de simulação utilizada com uso do método dos elementos finitos através do Software COMSOL Multiphysics. Também são descritas de maneira introdutória as simulações realizadas e as dimensões da torre de destilação. O Capítulo 5 apresenta os resultados das simulações realizadas. Foi realizada simulação eletrostática para avaliar a possibilidade de geração de líder ascendente na torre, simulação no domínio do tempo para verificar o comportamento da torre durante a incidência de uma descarga atmosférica e estimando a sua temperatura de aquecimento. Também foram realizadas algumas simulações estáticas, nesta parte foi mostrada a influência da resistência de aterramento. Por fim foi realizada simulação no domínio da frequência para analisar o efeito pelicular O Capítulo 6 finaliza o trabalho apresentando conclusões sobre avaliação do sistema de proteção contra descargas atmosféricas da torre de destilação estudada.

19 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA SOBRE DESCARGA ATMOSFÉRICA As descargas atmosféricas, também conhecidas como raios, são fenômenos que consistem em intensas descargas elétricas impulsivas que ocorrem na atmosfera (VISACRO, 2005). Os raios fazem parte de um sistema de grande escala denominado Circuito Elétrico Global (LIMA, 2005) o qual contém também, o processo de eletrificação das nuvens. A descarga atmosférica acontece em etapas e dependem de condições para acontecer. As descargas atmosféricas são classificadas de várias formas, de acordo com sua natureza ou trajeto. Estes tópicos serão abordados com mais detalhes nas Seções 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 e 2.5 respectivamente. 2.1. A descarga Atmosférica Romero (2007) define descargas atmosféricas como descargas elétricas de grande extensão e de grande intensidade que ocorrem devido ao acúmulo de cargas elétricas na atmosfera. Este fenômeno também é comumente chamado de raio. É um fenômeno natural que já era conhecido pelas civilizações mais primitivas, que inclusive as reverenciavam e geralmente estava associada a alguma figura divina, como o deus grego Zeus. As descargas atmosféricas apresentam valores de intensidade que vão de alguns poucos milhares a centenas de milhares de ampères. Os valores típicos de comprimento variam de alguns quilômetros até centenas de quilômetros. Em um raio que atinja o solo são transferidos em torno de 25 C de carga, dependendo do tipo de descarga (PINTO JUNIOR; PINTO, 2008). A descarga atmosférica possui uma forma de onda de corrente impulsiva, ilustrado pela Figura 2. A descarga dura, em média, 100 microssegundos, e atinge um valor típico de pico de a 30 ka e registro de até 70 ka (VISACRO, 2005), sendo que este valor é atingido após poucos microssegundos após o início da descarga. Logo após atingir o pico, a corrente decai de forma mais lentamente (PINTO JUNIOR; PINTO, 2008).

20 Figura 2 Forma de onda de uma descarga atmosférica Fonte: IEC 62305-01. 2.2. O Circuito Elétrico Global O circuito elétrico global é um modelo utilizado para representar a estrutura elétrica da atmosfera como um todo (LIMA, 2005). A carga elétrica espacial positiva, contida na atmosfera, formada praticamente de íons e partículas de poeira eletrizados no ar, praticamente iguala a carga negativa da Terra, de aproximadamente -500.000C. Essas cargas que estão livres no ar descem através do campo elétrico da Terra, como se fossem uma corrente elétrica (VISACRO, 2005; HEILMANN et al., 2012). As cargas positivas que fluem em direção as cargas negativas da Terra na região de tempo bom deveriam ser neutralizadas em aproximadamente meia hora, assim o campo elétrico existente seria anulado. Entretanto, esse fluxo é contínuo e o campo elétrico não se extingue. A natureza continua desse fenômeno implica na existência de fontes geradoras de correntes. As nuvens de tempestades, com seus centros de cargas positivas e negativas, separados,funcionam como geradores do circuito elétrico global (VISACRO, 2005; HEILMANNet al.,2012). A identificação das nuvens de tempestades como geradores decorreu de duas constatações experimentais. Inicialmente, constatou-se que as tempestades transferem, predominantemente, cargas negativas das nuvens para o solo. Posteriormente, constatou-seque o período de máxima atividade de tempestades no

21 globo coincide com o período de máximo valor do campo elétrico na região de tempo bom (VISACRO, 2005). Assim, de forma simplificada, como ilustrado na Figura 3, podemos visualizar o planeta como composto por duas camadas condutoras, o solo e a ionosfera, que estão separadas por uma camada de baixa condutividade. Nesta camada encontra-se o ar, onde estão localizadas as nuvens de tempestades e a região de tempo bom, sem tempestades. Figura 3 Representação do Circuito Elétrico Global Fonte: O autor. Conforme mostrado na Figura 3, a corrente convencional parte do topo das nuvens, região carregada positivamente, para a ionosfera. Segue pelos caminhos de alta condutividade desta camada e desce ao solo pela região de tempo bom. Então, a corrente percorre o solo até a região abaixo da nuvem, denominada sombra da nuvem, e segue para a base negativa da nuvem por meio de convecção e descargas atmosféricas completando o circuito (HEILMANN et al., 2012). É possível estimar algumas grandezas associadas ao circuito elétrico global. Em todo globo, ocorrem, permanentemente, cerca de 2000 tempestades, cada uma gerando uma corrente média de 0,5A.. Assim, pode-se considerar uma corrente típica de 1kA no circuito global. Na região de tempo bom, o valor da resistência da coluna de ar tem a ordem de 200Ω.. Considerando uma oscilação da

22 corrente global entre 750A e 2kA, pode-se determinar a amplitude de tensão do circuito entre 150kV e 400kV, com valor médio de 280kV (VISACRO, 2005). Os valores das resistências equivalentes das regiões abaixo e acima da nuvem de tempestade não são bem conhecidos. Contudo, sabe-se que a resistência entre a região de topo da nuvem e a ionosfera constitui a maior impedância do circuito global. Estima-se que seu valor seja compreendido na faixa de 10 5 a 10 6 Ω (VISACRO, 2005). A Figura 4 representa o circuito elétrico global equivalente a um circuito elétrico comum. Figura 4 Circuito elétrico global equivalente. Fonte: O autor. Embora o modelo do circuito elétrico global seja amplamente aceito, ainda carece de medições que possam torná-lo mais representativo e preciso principalmente nas camadas acima das nuvens de tempestades (LIMA, 2005; VISACRO, 2005). 2.3. A Eletrificação de Nuvens As nuvens de tempestade Cumulonimbus são responsáveis pelas descargas atmosféricas. Estas são nuvens de grande porte, em forma de torre que se expandem lateralmente na parte superior, assumindo a forma de uma bigorna. A sua base pode situar-se entre 300 m e 3 km de altitude, geralmente é encontrada a

23 2 km acima do solo. Apresenta uma considerável extensão vertical, cujo topo atinge altura entre 9 km e 18 km, o diâmetro da base pode chegar a 30 km (POTIER et al., 2010; LIMA, 2005). Em toda sua extensão a nuvem é composta por regiões ionizadas eletricamente. Predominantemente, a base das nuvens apresenta cargas negativas, com espessura delimitada por faixas de altitudes, cujas temperaturas estão compreendidas entre -10 C e -20 C. As cargas positivas se encontram dispersas na região superior da nuvem, em volume mais amplo (VISACRO, 2005). Não há consenso quanto à explicação do processo de separação de cargas em tempestades. Acredita-se que esse fenômeno tenha origem em processos microfísicos e macrofísicos (VISACRO, 2005). No processo macrofísico, destaca-se a efeito gravitacional, onde se acredita que algum outro processo separe as cargas, deixando as partículas mais pesadas, como gotas de chuva e pedras de granizo, com cargas negativas, enquanto partículas mais leves, como gotículas de água e cristais de gelo, adquirem cargas positivas. Assim, pela ação da gravidade, as partículas mais pesadas são posicionadas na base da nuvem, enquanto as mais leves são levadas por correntes ascendentes de ar para a parte superior da nuvem (POTIER et al., 2010). Dentre os processos microfísicos o mais aceito é o colisional, que se baseia na colisão que ocorre entre partículas de tamanhos diferentes, onde há transferência de cargas durante a colisão. Pode-se dividir o processo colisional em dois tipos: o indutivo e o termoelétrico (LIMA, 2005). No processo indutivo, a pedra de granizo está polarizada sob influência do campo elétrico de tempo bom direcionado para baixo. Assim, o granizo apresentará predominância de cargas positivas na parte inferior e de cargas negativas na parte superior. Conforme mostra a Figura 5, a pedra de granizo polarizada colide com os cristais de gelo neutros que estão sendo arrastado pelas correntes de ar ascendentes. Essa colisão ocorre na parte inferior do granizo, com isso, a partícula ascendente assume carga positiva, enquanto o granizo apresenta acúmulo de cargas negativas (POTIER et al., 2010). O processo colisional indutivo apresenta inconsistência, pois estudos em laboratórios parecem indicar que o campo elétrico da região de tempo bom não tem intensidade suficiente para polarizar as pedras de granizo (POTIER et al., 2010). Assim, este processo passa a ser efetivo no estágio maduro da tempestade, após a

24 intensificação com campo elétrico na nuvem, não podendo ser responsável pela formação das cargas no início das tempestades (LIMA, 2005). Figura 5 Representação do processo colisional indutivo. Fonte: Lima (2005). O processo colisional termoelétrico é um modelo empírico no qual a polarização de cargas no granizo está relacionada com a temperatura do local onde ocorre a colisão entre o granizo e cristal de gelo. Esta temperatura é chamada de temperatura de inversão de carga e é estimada em -15 C (POTIER et al., 2010). Figura 6 Representação do processo colisional termoelétrico Fonte: Lima (2005). Conforme ilustrado na parte inferior da Figura 6, se a temperatura local for superior à temperatura de inversão, o granizo ficará carregado positivamente e o cristal de gelo ficará carregado negativamente. O cristal de gelo tenderá a subir,

25 deixando um centro de carga positiva na base da nuvem. Já no caso superior da Figura 6, a colisão ocorre em temperatura inferior à temperatura de inversão, então, o granizo fica carregado negativamente e o cristal de gelo carregado positivamente. Criando dois centros de cargas, um positivo e outro negativo, acima da temperatura de inversão (FARIAS, 1998). 2.4. Formação de Descargas Atmosféricas As cargas na base da nuvem são capazes de induzir cargas de sinal oposto no solo terrestre. Com isso, produz-se um campo elétrico na região entre o solo e a nuvem. O ar possui natureza isolante, funcionando como um dielétrico (VISACRO, 2005). Materiais dielétricos são aqueles que possuem átomos com seus elétrons fortemente ligados ao núcleo, assim não possuem características condutoras, ou seja, materiais isolantes. Caso sejam submetidos a um campo elétrico, uma força elétrica irá atrair os elétrons na tentativa de arrancá-los do átomo. Se o campo for muito forte, o material perderá sua capacidade isolante e se tornará condutor. O maior valor de campo elétrico aplicado a um isolante sem que ele perca essa propriedade é conhecido como rigidez dielétrica. A rigidez dielétrica do ar, em região de tempo bom, vale cerca de 3MV/m (SILVA, 2007), mas em condições de tempestade, este valor está entre 100kV/m e 400kV/m (COTTON, 1992; FERNANDES, 2010). A quebra da rigidez dielétrica ocorre, normalmente, nas extremidades de um corpo. Isso se deve a propriedade conhecida como poder das pontas. Esta propriedade diz que em um corpo eletricamente carregado, as cargas tendem a se acumular nas extremidades do corpo, ou seja, nas pontas. Uma consequência dessa propriedade é o aumento do campo elétrico que contribui para a quebra da rigidez dielétrica nessas extremidades. A quebra da rigidez dielétrica do ar constitui apenas o passo inicial da descarga atmosférica, sendo necessária uma sequência de eventos para concluir a ocorrência de uma descarga atmosférica. A descarga negativa nuvem-solo é comumente utilizada para descrever o desenvolvimento da descarga atmosférica. Uma nuvem com cargas elétricas

26 negativas na base induz cargas positivas no solo, gerando uma diferença de potencial muito grande, da ordem de centenas de megavolts. Internamente à nuvem, próxima a sua base, o campo elétrico, em alguns casos, atinge valor superior a rigidez dielétrica do ar iniciando o processo de descarga elétrica intensa, que constitui um canal de plasma ionizado de várias dezenas de metro de comprimento. Este canal possui características condutoras e acumula cargas negativas das regiões vizinhas. O acumulo de carga resulta na intensificação do campo elétrico que gera descargas semelhantes à inicial e configura uma longa coluna de plasma que tende para baixo, na região externa a nuvem (VISACRO, 2005). Em seguida, o canal tende a acumular novas cargas das regiões vizinhas e da base da nuvem. Devido ao poder das pontas, o campo elétrico na extremidade inferior da coluna fica intenso e pode gerar nova descarga. Esta com comprimento de 50m e sua direção segue para baixo, conforme orientação do campo elétrico local. Se permanecerem as condições, esse canal evolui em direção ao solo, a passos de 50m a cada 50ms. Este é o canal precursor de descarga. Em alguns casos, há ramificações neste canal (VISACRO, 2005). Potier et al. (2010) nomeia este canal como líder escalonado, que também pode ser chamado de líder descendente. À medida que o canal descendente carregado negativamente se aproxima do solo, há o aumento da indução de cargas positivas no solo. Assim, ao se aproximar da superfície, o campo no solo pode se tornar tão intenso que pode dar origem a descargas elétricas ascendentes. Estas podem ter extensão de dezenas de metros e seguem para cima de acordo com a direção do campo elétrico local, num processo semelhante ao descrito para o canal descendente, evoluindo por passos, através de descargas subsequentes (VISACRO, 2005). É nesta etapa que é gerado o canal ascendente. É comum o aparecimento de mais de um canal ascendente induzindo por um único canal descendente. São chamados canais concorrentes. Estes canais têm origem em diferentes pontos. Potier et al. (2010) nomeia o canal ascendente como líder ascendente. Caso o canal descendente e um canal ascendente atinjam uma distância crítica inferior a determinado limite, que varia de acordo com a carga acumulada,

27 pode ocorrer uma descarga que os interliga por meio de um salto final (VISACRO, 2005). A descarga atmosférica nuvem-solo, propriamente dita, ocorre quando os dois canais se conectam interligando nuvem e solo. Nela é estabelecida uma onda de corrente de alta intensidade, a corrente de retorno. O fluxo da corrente de descarga que passa pelo canal ionizado gera aquecimento intenso e um efeito luminoso, conhecido como relâmpago. Este aquecimento resulta na expansão e deslocamento do ar na região circunvizinha ao canal que gera uma onda sonora, conhecido como trovão (VISACRO, 2005). Após a primeira descarga de retorno, é comum a ocorrência de descargas subsequentes utilizando o mesmo canal gerado pelo líder escalonado. Este canal é chamado de líder contínuo e possui uma velocidade de propagação maior que a do líder escalonado. Essas novas descargas são alimentadas por outros centros de cargas negativas das nuvens e possuem cargas transportadas inferior a da primeira corrente de retorno. Em média, há três descargas subsequentes, entretanto há registros de raios com mais de vinte descargas subsequentes (POTIER et al., 2010). Para as descargas positivas, seguem de modo geral as mesmas etapas com algumas particularidades. Neste caso, o canal descendente é positivo e evolui a partir do centro de cargas positivas das nuvens e um canal ascendente negativo pode evoluir a partir do solo. Também possuem menor intensidade quando comparadas as descargas negativas (POTIER et al., 2010; VISACRO, 2005). 2.5. Classificação das Descargas Atmosféricas As descargas atmosféricas podem ser classificadas de diversas formas. Uma forma comum de classificar as descargas atmosféricas é pelo percurso da descarga, ou seja, pelo local de origem e destino. São quatro tipos de descargas quanto a estes critérios de classificação: intra-nuvem, entre nuvens, nuvem-ar, nuvem-solo (LIMA, 2005). A Figura 7 ilustra os diversos tipos de raios descritos a seguir.

28 Figura 7 Ilustração dos diversos tipos de descargas existentes. Fonte: Romero (2007). a) Nuvem-solo descendente negativa; b) Nuvem-solo descendente positiva; c) Nuvem-solo ascendente negativa; d) Nuvem-solo ascendente positiva; e) intranuvem; f) Nuvem-ar; g) Entre nuvens. As descargas intra-nuvem ocorrem internamente às nuvens, através de canais que interligam seus centros de cargas de sinais diferentes, portanto não atingem o solo. Este tipo de descarga está ilustrado na Figura 7e. As descargas intra-nuvens são as mais frequentes, devido à capacidade isolante do ar diminuir com a altura e devido às regiões de cargas opostas dentro da nuvem estarem mais próximas. Elas representam cerca de 70% do número total de descargas atmosféricas (POTIER et al., 2010). Estes tipos de descargas são comumente vistos como clarões e costumam serem as primeiras a acontecer nas tempestades (LIMA, 2005). Seus efeitos são poucos evidentes na superfície terrestre, pois se manifestam através de ondas eletromagnéticas irradiadas que atingem a superfície do solo com intensidade moderada (VISACRO, 2005). Já as descargas entre nuvens, ilustrada na Figura 7g, ocorrem através da constituição de um canal de conexão entre centros de cargas negativas e positivas

29 de nuvens diferentes. Este tipo de descarga, assim como a descarga intra-nuvem, não desperta interesse para projetistas de estruturas imóveis, entretanto há registro deste tipo de descarga que em seu percurso atingiu as estruturas de aviões. (VISACRO, 2005). Também há descargas que partem da nuvem, porém não atingem outra nuvem ou o solo. Essas são as descargas nuvem-ar (LIMA, 2005) ou descargas entre nuvem e estratosfera (POTIER et al., 2010). Elas estão representadas na Figura 7f. Segundo Visacro (2005), tais descargas possuem um percurso muito longo, conectando o topo da nuvem à estratosfera. Segundo Lima (2005), bolsões de carga que se formam na atmosfera em torno das nuvens de tempestades seriam responsáveis por esse tipo de descarga. Um observador em solo tem muita dificuldade em identificar este tipo de descarga, pois o efeito visual fica atenuado pelo próprio corpo da nuvem, e os campos gerados por esses fenômenos chegam à superfície da terra com menor intensidade. Entretanto, a descarga para a estratosfera exerce um papel importante no circuito elétrico global (VISACRO, 2005). O quarto tipo seria a descarga nuvem-solo. Esta ocorre, conforme o nome sugere, entre a nuvem e o solo. Segundo Visacro (2005), este tipo é o que desperta maior interesse, pois o fluxo de corrente de retorno pelo canal de descarga é capaz de determinar condições severas de risco para a vida e para a sociedade na superfície terrestre. Segundo Romero (2007), cerca de 30% do total das descargas atmosféricas são do tipo nuvem-solo e estas são caracterizadas pelo alto caráter destrutivo. As descargas atmosféricas nuvem-solo podem ser classificadas como positivas ou negativas, dependendo da polaridade da carga transferida da nuvem para o solo, ou como ascendente ou descendente, dependendo da origem do canal precursor. Os raios duram em média um quarto de segundo, porém há registros de raios com duração de um décimo de segundo a dois segundos. Seu comprimento pode variar de mil metros a algumas dezenas de quilômetros. As Figuras 7a, 7b, 7c e 7d representam todos os tipos de descargas nuvem solo (POTIER et al., 2010; VISACRO, 2005). As descargas negativas são as mais comuns, representam cerca de 90% das descargas nuvem-solo, e transferem cargas negativas da nuvem para o solo. O raio de polaridade negativa é formado em várias etapas. Normalmente, devido ao

30 processo de formação da descarga, cerca 80% das descargas negativas são seguidas de novas descargas negativas (POTIER et al., 2010). As descargas positivas são menos comuns, representam cerca de 10% das descargas nuvem-solo, e pode-se dizer que os elétrons são transportados do solo para a nuvem (POTIER et al., 2010). Este tipo de descarga normalmente ocorre quando a parte superior positiva da nuvem fica deslocada da base negativa e são mais frequentes na presença de objetos altos posicionados sobre elevação. (VISACRO, 2005). A descarga descendente é originada quando o canal precursor é originado na nuvem e evolui de forma descendente até se aproximar do solo quando ocorre o fechamento deste canal próximo ao solo.já a descarga ascendente é menos comum e tem seu canal precursor originado no solo e evolui de forma ascendente até se aproximar da nuvem quando ocorre o fechamento deste canal próximo a nuvem (VISACRO, 2005). Um aspecto interessante, que permite classificar as descargas quanto ao sentido do canal visualmente, é o sentido de abertura das ramificações do canal de descargas. O raio descendente apresenta ramificações na direção do solo, já o raio ascendente apresenta ramificações na direção da nuvem (VISACRO, 2005).

31 3. SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGA ATMOSFERICA O sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) tem como finalidade proteger as construções, os equipamentos e os indivíduos de descargas atmosféricas, além de minimizar seus efeitos. O SPDA é apresentado na seção 3.1 e nesta seção são descritos o sistema de captores, o sistema de descida e o sistema de aterramento, além do conceito de nível de proteção, orientações sobre inspeções no SPDA e sobre estruturas especiais presentes em refinarias. A NBR 5419 é uma norma brasileira que regulamenta os sistemas de proteções contra descargas atmosféricas. Ela é apresentada dentro das seções presentes neste capítulo. Na seção 3.2 são apresentados os métodos de proteção contra descargas atmosféricas aceitos na norma, que são o modelo eletrogeométrico, o método de Faraday e o método de Franklin. 3.1. Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas As descargas atmosféricas causam sérias perturbações nas redes elétricas, causam danos a quaisquer tipos de construções, como edificações, estruturas diversas, tanques, entre outros. Além dos riscos de morte que as pessoas e os animais ficam submetidos. Para proteger e minimizar os efeitos provocados pelas descargas atmosféricas foi desenvolvido o sistema de proteção contra descargas atmosféricas SPDA (MAMEDE, 2012). O SPDA tem como objetivo básico evitar a incidência direta de raios na estrutura protegida, criando pontos preferenciais de incidência para as descargas que eventualmente atingiriam a estrutura na ausência do sistema. Além de captar a eventual descarga, o SPDA deve ser capaz de direcionar o fluxo da corrente diretamente para o solo, segundo percurso definido pelos condutores do sistema de proteção (VISACRO, 2005). O principio básico do sistema de proteção consiste na criação de pontos de destaque na estrutura, que possuem maior probabilidade de gerarem o líder ascendente quando um líder descendente se aproxima da estrutura. Tais pontos conectados diretamente ao solo devem constituir o caminho de menor impedância para a corrente de descarga, evitando fluxo de corrente pelas partes da estrutura (VISACRO, 2005).

32 O SPDA é constituído de três partes: o sistema de captores, que são responsáveis pelo contato direto com a descarga atmosférica; o sistema de descida, que permitem a continuidade elétrica entre captores e o sistema de aterramento; e o sistema de aterramento, que é responsável pela dispersão das correntes elétricas no solo. (MAMEDE FILHO, 2012). A NBR 5419 é uma norma brasileira que regulamenta os sistemas de proteções contra descargas atmosféricas. Atualmente, a versão de 2005 está em vigor, porém há revisão da norma em andamento. Essa norma tem como base a norma européia IEC 61024. Segundo a NBR5419.2005, no projeto dos captores, podem-se utilizar o método Franklin e/ou modelo eletrogeométrico e/ou método Faraday (ABNT, 2005). A norma européia IEC 61024, a qual a norma brasileira foi baseada, ganhou nova forma em 2006, onde foi completamente atualizada, recebendo nova nomenclatura, passado a se chamar IEC 62305. Esta norma é dividida em quatro volumes, sendo eles: princípios gerais, gerenciamento de risco, danos físicos, proteção de sistemas elétricos e eletrônicos no interior de estruturas protegidas (POTIER, 2005). 3.1.1. Os Níveis de Proteções O ponto de partida para um projeto de SPDA é a avaliação da necessidade do sistema e a seleção do nível de proteção. Segundo Silva (2012), o nível de proteção é uma classificação de SPDA que mostra sua eficiência e expressa a probabilidade com a qual ele protege um volume contra os efeitos das descargas atmosféricas. A NBR 5419.2005 apresenta, em seu anexo B, um método para calcular a frequência média anual previsível de descargas atmosféricas, que é tomado como base para avaliar o risco de incidência de raios e a necessidade da instalação do SPDA. Entretanto alguns locais evidenciam a necessidade do sistema de proteção, como, por exemplo, locais com estruturas especiais com risco inerentes de explosão, locais de grande afluência de público, locais que prestam serviços públicos essenciais, estruturas de valor histórico ou cultural, entre outros (POTIER et al., 2005).

33 A frequência média anual previsível é dada pela Equação (1): =..10 (1) Onde, N g é a densidade de descargas atmosféricas para a terra e A e é a área de exposição equivalente da estrutura. Sendo que N g representa o número de raios para a terra por quilômetros quadrados por ano. Seu valor pode ser encontrado pela Equação 2: =0,04., (2) Onde, Td é o número de dias de trovoada por ano, obtido de mapas isocerâunicos. Esses valores também podem ser encontrados no site do ELAT/INPE, na seção Ranking. A área de exposição equivalente (A e ), expressa pela Equação 3, é a área, em metros quadrados, do plano da estrutura prolongada em todas as direções, de modo a levar em conta sua altura. Os limites da área de exposição equivalente estão afastados do perímetro da estrutura por uma distância correspondente à altura da estrutura no ponto considerado. Assim, para uma estrutura retangular simples de comprimento L, largura W e altura H, a área equivalente pode ser dada pela formula abaixo, conforme exemplificado na Figura 8. =+2+2+ (3) Figura 8 Exemplo de área exposição equivalente. Fonte: NBR 5419.2005

34 Ao resultado final de N d, pode-se multiplicar a ele outros fatores de ponderação, que estão descritos na NBR 5419.2005, dependendo do tipo de ocupação e de construção da estrutura, do seu conteúdo, da localização ou da topografia da região. Assim obtêm-se o N dc. Ao final do cálculo, considera-se que se o valor de N dc for inferior a 10-5, a estrutura não requer a instalação de um SPDA, caso N dc seja superior a 10-3 faz-se necessário a instalação de um SPDA. Caso o valor de N dc fique entre 10-3 e 10-5, a conveniência de um SPDA deve ser justificada tecnicamente e decidida em acordo entre projetista e usuário (ABNT, 2005). Tendo em vista que na instalação de um sistema de pára-raios há sempre a possibilidade de falha fazendo com que a estrutura protegida seja atingida pela descarga atmosférica. Depois de avaliado a necessidade de um SPDA, devemos definir seu nível de proteção. Alguns locais ou estruturas apresentam maiores danos/prejuízos quando atingidos por um raio, como por exemplo, uma refinaria apresenta grande risco de incêndio, quando num prédio de alvenaria esse risco é menor. Em outras palavras, uma refinaria exige um nível de proteção maior se comparado a um prédio. A NBR 5419.2005 separa em quatro índices de nível de proteção, onde Mamede (2005), de forma genérica, os descreve resumidamente como se segue: a) Nível I: é o nível mais seguro quanto à perda de patrimônio. Referemse às estruturas protegidas, cuja falha no sistema de pára-raios pode provocar danos às estruturas adjacentes, tais como as indústrias petroquímicas, de materiais explosivos, etc; b) Nível II: refere-se às construções protegidas, cujas falhas no sistema de pára-raios podem causar perdas de bens de estimável valor ou provocar pânico aos presentes, porém sem nenhuma consequência para as construções adjacentes. Enquadram-se neste nível os museus, teatros, estádios, companhias comerciais comuns, etc; c) Nível III: refere-se às construções de uso comum, tais como os prédios residenciais, lojas de departamento e indústrias de manufaturados; d) Nível IV: refere-se às construções onde não é rotineira a presença de pessoas. Essas construções são feitas de material não inflamável, sendo o produto armazenado nelas de material não combustível, tais como armazéns de concreto para produtos de construção.