UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
DOUGLAS CAETANO DOS SANTOS
AUTOMATIZAÇÃO DO CÁLCULO E DA ANÁLISE DE RISCO DA NORMA ABNT NBR 5419:2015
Porto Alegre
2017
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SPDA SEGUNDO A NBR 5419, Manuais, Projetos, Pesquisas de Engenharia Elétrica
Memorial descritivo modelo de SPDA com calculos e outros itens minimos
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
2020
1 / 82
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
DOUGLAS CAETANO DOS SANTOS
AUTOMATIZAÇÃO DO CÁLCULO E DA ANÁLISE DE RISCO DA NORMA ABNT NBR 5419:
Porto Alegre 2017
DOUGLAS CAETANO DOS SANTOS
AUTOMATIZAÇÃO DO CÁLCULO E DA ANÁLISE DE RISCO DA NORMA ABNT NBR 5419:
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial para a obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Elétrica na Universidade Federal do Rio Grande do Sul Orientador: Prof. Me. Igor Pasa Wiltuschnig Porto Alegre 2017
Dedico este trabalho aos meus pais, João e Ivani, e aos meus irmãos, Guilherme e João Vitor.
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais, João e Ivani, pelo suporte fundamental que me deram e seguem dando ao longo dessa jornada, de forma incondicional. Ao meu irmão, Guilherme, pelo companheirismo e pelas longas conversas sobre a vida, o universo e tudo o mais. Aos meus diversos amigos, pelo apoio técnico e moral nas horas difíceis e por me ajudarem a curtir a vida nas fáceis. Ao meu chefe e amigo Felipe Damasio, pela compreensão e pelo suporte ao longo desse período em que estivemos trabalhando juntos. Ao Prof. Me. Igor Pasa Wiltuschnig, pela ideia e pelo suporte ao longo do desenvolvimento desse projeto. Aos professores do Departamento de Engenharia Elétrica, pelo esforço e pela dedicação em fornecer um ensino de qualidade, mesmo quando as condições não eram propícias a isso.
RESUMO
A norma ABNT NBR 5419, que trata da proteção contra descargas atmosféricas, recebeu uma grande atualização no ano de 2015. Em especial, a análise de risco de perdas devido a descargas atmosféricas recebeu a maior ampliação nessa atualização, passando a compor uma das quatro partes dessa versão. O novo método de análise passou a considerar dezenas de novos parâmetros da estrutura, dentre os quais as próprias medidas de proteção. Ainda mais, o número de cálculos e os novos conceitos envolvidos, como o de categorização de perdas e danos, tornaram esse método muito mais completo e preciso que o anterior, porém ao custo do aumento de sua complexidade e extensão. Para um iniciante no assunto, o estudo dessa parte da norma pode ser extenuante, uma vez que, para aplicá-la na prática e obter os valores de risco à mão, é necessário tê-la estudado por completo devido à ligação entre os cálculos e entre os conceitos envolvidos. Em sala de aula, por exemplo, o ensino da norma fica muito prejudicado, pois normalmente não há tempo disponível para uma apresentação adequada do conteúdo. Buscando facilitar esse estudo, desenvolveu-se um programa computacional de cunho didático que automatize os cálculos e a análise de risco desse método. Essa automatização permite que o usuário possa obter os resultados dessa análise durante seu estudo. Todos os valores envolvidos na obtenção do valor de risco final, incluindo os cálculos intermediários, são apresentados em um relatório interativo. Assim, o estudo da norma pode ser acompanhado da observação prática do passo a passo do procedimento, bem como é possível realizar experimentos práticos que auxiliem na assimilação dos conceitos aprendidos. No exemplo da sala de aula, professor e alunos podem dar mais atenção à interpretação da norma do que aos cálculos propriamente ditos. Palavras-chave: Engenharia elétrica. Descargas atmosféricas. ABNT NBR 5419:2015. Gerenciamento de risco. Automatização.
ABSTRACT
The ABNT NBR 5419 standard, which deals with lightning protection, has received a big revision in 2015. In special, the analysis of risk of losses due to lightning has received the biggest expansion in this revision, becoming one of four parts of this version. The new analysis method now considers dozens of new structure parameters, among which the protection measures themselves. Even more, the number of calculations and the new concepts involved, like losses and damages categorization, have made this method more complete and precise than its predecessor, but at the cost of increasing its complexity and extension. For a newbie in the subject the study of this standard's part may be extenuating, as, to be possible to apply it in practice and get the results by hand, it is necessary to have studied it completely due to the connection between the several calculations and between the involved concepts. In classroom, for example, the teaching of the standard is strongly degraded, because normally there is not enough time for an adequate presentation of the contents. Seeking to facilitate this studying process, a didactic computational program was developed that automates the risk calculations and analysis of this method. This automation allows the user to obtain the analysis results during his or her studies. All values involved in obtaining the final risk value, including the intermediate calculations, are presented in an interactive report. That way, the study of the standard can be followed by the practical observation of the procedure's steps, as well as being possible to make practical experiments that help in the assimilation of the learned concepts. In the classroom example, teacher and students can give more attention to the standard's interpretation than to the calculations themselves. Keywords: Electrical engineering. Lightning. ABNT NBR 5419:2015. Risk assessment. Automation.
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Fator 𝐶𝐷 de localização da estrutura. .................................................................... 62 Tabela 2 – Fator 𝐶𝐼 de instalação da linha. .............................................................................. 62 Tabela 3 – Fator 𝐶𝑇 de tipo de linha. ....................................................................................... 62 Tabela 4 – Fator 𝐶𝐸 ambiental de linha. .................................................................................. 62 Tabela 5 – Probabilidade 𝑃𝑇𝐴 de dano a seres vivos devido a uma descarga na estrutura conforme medidas de proteção adicionais. ...................................................................... 63 Tabela 6 – Probabilidade 𝑃𝐵 de dano físico à estrutura devido a uma descarga na estrutura. ........................................................................................................................... 63 Tabela 7 – Probabilidade 𝑃𝑇𝑈 de dano a seres vivos devido a uma descarga em uma linha conforme medidas de proteção adicionais. ...................................................................... 63 Tabela 8 – Probabilidade 𝑃𝐸𝐵 de dano na existência de DPS conforme o nível de proteção projetado. .......................................................................................................................... 64 Tabela 9 – Probabilidade 𝑃𝑆𝑃𝐷 de dano na existência de DPS coordenado conforme o nível de proteção projetado. ..................................................................................................... 64 Tabela 10 – Probabilidade 𝑃𝐿𝐷 de dano devido a descarga na linha conforme as características da linha e dos equipamentos a ela ligados. .............................................. 64 Tabela 11 – Probabilidade 𝑃𝐿𝐼 de dano devido a descarga próxima à linha conforme as características da linha e dos equipamentos a ela ligados. .............................................. 64 Tabela 12 – Fatores 𝐶𝐿𝐷 e 𝐶𝐿𝐼 de blindagem, aterramento e isolamento da linha para descargas na linha e próximas a ela. ................................................................................. 65 Tabela 13 – Fator 𝐾𝑆 3 de fiação interna.................................................................................. 67 Tabela 14 – Valores típicos de perda 𝐿𝑇, 𝐿𝐹 e 𝐿𝑂 para perdas de vida humana (L1). ........... 68 Tabela 15 – Valores típicos de perda 𝐿𝐹 e 𝐿𝑂 para perdas de serviço ao público (L2). .......... 68 Tabela 16 – Valores típicos de perda 𝐿𝐹 para perdas de patrimônio cultural (L3). ................ 69 Tabela 17 – Valores típicos de perda 𝐿𝑇, 𝐿𝐹 e 𝐿𝑂 para perdas de valor econômico (L4)....... 69 Tabela 18 – Fator de redução 𝑟𝑡 de tipo de superfície do solo ou piso. .................................. 70 Tabela 19 – Fator de redução 𝑟𝑝 de medidas de prevenção de incêndio. .............................. 70 Tabela 20 – Fator de redução 𝑟𝑓 de risco de incêndio ou explosão na estrutura. .................. 70 Tabela 21 – Fator de aumento ℎ𝑧 de perigos especiais. .......................................................... 71
LISTA DE SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas DPS Dispositivo de Proteção contra Surtos ELAT Grupo de Eletricidade Atmosférica INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais MPS Medidas de Proteção contra Surtos NBR Norma Brasileira NP Nível de Proteção SPDA Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas VBA Visual Basic for Applications ZPR Zona de Proteção contra Raios
1 INTRODUÇÃO
A Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) publicou, em 2015, uma nova revisão da sua norma ABNT NBR 5419, que trata da proteção de estruturas contra descargas atmosféricas. A ampliação da abrangência da norma fez com que esta fosse estendida de quarenta e duas páginas na versão anterior de 2005 para trezentos e nove páginas na versão atual, as quais foram divididas em quatro partes. A análise de risco de perdas por descargas atmosféricas, em especial, que representava apenas dez por cento do conteúdo da norma, passou a integrar uma parte exclusiva dentre as quatro da nova versão, sendo responsável por um terço de todo o seu conteúdo. Essa ampliação da análise de risco fez ampliar, por consequência, sua complexidade, como reconhecido por Sueta (2015a). A análise de risco da versão de 2005 era realizada com base em três cálculos e em menos de dez parâmetros de entrada, e se limitava a determinar a necessidade ou não de um Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) e seu nível de proteção (ABNT, 2005, p. 29 - 36 ). A nova versão, no entanto, apresenta um método que define cerca de trinta equações e considera cerca de cinquenta parâmetros de entrada. O SPDA deixa de ser a única medida de proteção e se junta a outras apresentadas nas demais partes da norma. Além disso, as medidas de proteção aplicáveis passaram a fazer parte dos parâmetros de entrada, tornando os cálculos iterativos. Foi essa iteração que permitiu determinar não somente a necessidade de proteção, como na versão anterior, mas também quais medidas de proteção aplicar (ABNT, 2015b). A ampliação da análise de risco e de sua complexidade fizeram aumentar, também, a dificuldade de compreensão do método de determinação da necessidade de medidas de proteção. No âmbito acadêmico, por exemplo, o ensino desse conteúdo pode ficar prejudicado, pois o tempo normalmente disponível em aula exige que o assunto seja muito resumido, não recebendo a devida atenção. Ademais, mesmo livros didáticos na área de instalações elétricas, como Mamede Filho (2017), não conseguiram expressar o método de análise de risco de maneira mais didática, limitando-se a reproduzi-lo conforme a norma. Buscando facilitar o estudo e o entendimento da norma, portanto, desenvolveu-se, neste trabalho, um programa computacional cujo objetivo é automatizar os cálculos e a análise de risco apresentados, relatando os passos intermediários de cada cálculo. Essa automatização permite que o usuário possa obter os resultados dessa análise durante seu
estudo sem a necessidade de compreender, previamente, todo o método envolvido. Ao mesmo tempo, espera-se que a experimentação prática através da observação da influência das entradas (características da estrutura) sobre as saídas (riscos), paralelamente à leitura da norma, auxilie a compreensão dos conceitos envolvidos. No exemplo acadêmico já citado, professor e alunos poderão dar mais atenção à interpretação dos conhecimentos contidos na norma do que aos cálculos propriamente ditos. O programa foi desenvolvido utilizando-se o software Microsoft Excel, através da construção de planilhas e do uso de código VBA ( Visual Basic for Applications ). O relatório final gerado pelo programa apresenta os valores obtidos nas tabelas da norma a partir das entradas do usuário, as variáveis intermediárias e os riscos finais. Os valores nesse relatório podem ser modificados pelo usuário, e o relatório pode ser impresso ou exportado para um novo arquivo independente do programa. Um estudo detalhado da parte de gerenciamento de risco da norma foi realizado para balizar o desenvolvimento desse programa. A análise de risco é apresentada utilizando uma abordagem ligeiramente diferente da usada na norma, em uma tentativa de tornar mais didática a apresentação dos conceitos. No capítulo 2 deste relatório, uma introdução da norma ABNT NBR 5419: 2015 é realizada, e as diferenças da análise de risco entre as duas versões são descritas. No capítulo 3 , a parte de Gerenciamento de Risco da norma é apresentada, explicando quais são os cálculos envolvidos e detalhando a análise de risco conforme o novo método. No capítulo 4 , é apresentado o programa desenvolvido, descrevendo como o mesmo foi construído e quais as decisões de projeto tomadas ao longo de seu desenvolvimento. Por fim, no capítulo 5 , os estudos de caso dados como exemplo na norma são utilizados para demonstrar o uso do programa.
2.1 DIFERENÇAS NO CÁLCULO E NA ANÁLISE DE RISCO ENTRE AS VERSÕES DE 2005 E 2015
A análise de risco descrita na versão de 2005 inclui apenas a realização de três cálculos para determinar a necessidade de proteção de uma estrutura. Esses cálculos se baseiam na densidade de descargas atmosféricas para a terra por quilômetro quadrado e por ano, nas dimensões da estrutura e em cinco fatores, a saber, o tipo de ocupação da estrutura, seu tipo de construção, seu conteúdo, sua localização e a topografia da região (ABNT, 2005, p. 29-34). Obtido o valor de risco final, compara-se o mesmo a dois limites para determinar a necessidade de um SPDA para a estrutura: se estiver abaixo do limite inferior, não há a necessidade de um projeto de SPDA; se estiver acima do limite superior, há a necessidade desse projeto; e, se estiver entre os dois limites, a necessidade do projeto fica a cargo do projetista, conforme análise técnica (ABNT, 2005, p. 32). Após definir a necessidade de um SPDA, o nível de proteção a ser aplicado é determinado de forma discricionária com base em uma tabela de exemplos de estruturas e seus respectivos níveis de proteção, fornecida pela norma (ABNT, 2005, p. 35). Não há previsão, na versão de 2005, de Medidas de Proteção contra Surtos (MPS), pois esta não considera os efeitos eletromagnéticos das descargas atmosféricas. A partir da versão de 2015, a análise de risco passa a depender de uma série de cálculos e parâmetros que vão muito além dos fatores definidos na versão anterior. A análise passa a considerar não somente o número de descargas atmosféricas a que a estrutura está submetida, mas também os danos causados por essas descargas e as perdas consequentes a esses danos (ABNT, 2015b, p. 24). Outra novidade é que as medidas de proteção a serem aplicadas, bem como seu nível de proteção, passam a fazer parte dos cálculos do risco total. Isso torna os cálculos iterativos, ou seja, a busca pela redução de risco exige que os cálculos sejam refeitos a cada alteração realizada nas medidas de proteção a serem aplicadas. Apesar do trabalho extra, essa iteração permite que o projetista defina de forma objetiva quais medidas e qual nível de proteção aplicar na estrutura. O risco obtido através desses cálculos é comparado a um valor de risco tolerável. Se o risco estiver acima do limite, novas medidas de proteção precisam ser aplicadas, e, se estiver abaixo do limite, as medidas de proteção já aplicadas são suficientes para proteger a estrutura
alvo (ABNT, 2015b, p. 20). Isso elimina a indefinição existente na versão anterior quando o valor de risco estava entre os dois limites especificados. Além disso, a norma se preocupa em definir diferentes tipos de perda que podem ocorrer na estrutura. Valores de risco devem ser calculados para cada tipo de perda, os quais são comparados a limites de risco tolerável definidos igualmente por tipo de perda (ABNT, 2015b, p. 14-15). Dado que uma estrutura possivelmente não tenha características homogêneas em toda a sua extensão, a norma inclui a possibilidade de sua divisão em zonas com características semelhantes. Com isso, medidas de proteção específicas podem ser aplicadas em cada zona, reduzindo o custo total do projeto ao mesmo tempo em que mantém a proteção necessária ou desejada (ABNT, 2015b, p. 28). Por fim, é especificado um método para análise de custo-benefício das medidas de proteção, o qual pode ser usado quando houver interesse em evitar perdas significativas de valor econômico. Essa análise, no entanto, não é obrigatória, e fica a critério do projetista e do proprietário da estrutura fazê-la ou não, justificando-se quando o risco de perdas for maior que o custo de se aplicar e manter medidas de proteção que possam reduzi-lo (ABNT, 2015b, p. 21).