- GB2 Engenharia

ATERRAMENTO
Sistema de
aterramento e
proteção contra raios
utilizando ferragens
do concreto armado
Galeno Lemos Gomes,
da Galeno Gomes Engenharia Consultoria e Treinamento
A
O grande número de ferros das
fundações e das estruturas prémoldadas provê aterramento
eficiente e gaiola de Faraday,
que protege e atenua campos
eletromagnéticos internos,
diminui forças eletromotrizes
induzidas nos circuitos da
instalação e minimiza
interferências prejudiciais a
pessoas e equipamentos. Este
artigo descreve a técnica, seus
conceitos e os cuidados
necessários, com exemplos
de casos reais.
primeira utilização conhecida Centrais Elétricas possui desde 1965 di- (ANSI-C2)-NEC incluiu pela pridas armaduras (ferragens) do retrizes para a utilização das armaduras meira vez especificações para eletrodos
concreto armado no aterramen- das fundações como eletrodos de aterra- de aterramento embutidos nas funto data da Segunda Guerra Mundial, mento. Em 1979 foi publicada a norma dações. Também o “Green Book”
mais precisamente de 1941, em um sis- alemã (caderno 35 da VDE) sobre a in- (ANSI/IEEE Standard 142-1982), que
tema idealizado pelo engenheiro Herb clusão do sistema de aterramento nas trata especificamente de aterramento,
Ufer para os depósitos de bombas da fundações dos edifícios residenciais. ressalta em várias seções as vantagens
base aérea Davis Monthan, em Tucson, Em fins da década de 70, as recomen- de se utilizarem as armaduras do conno Arizona, EUA. Os objetivos desse dações americanas incluíram sistemas creto das fundações como eletrodos de
sistema eram proteger contra descargas de aterramento com condutores embu- aterramento.
Podemos então dizer que os aterraatmosféricas e eletricidade estática, esta tidos em concreto, sendo que em 1978
última causada por vento e tempestades o “National Electrical Safety Code” mentos utilizando as armaduras das funde areia. Anos mais
tarde, Ufer reinspecionou as instalações e concluiu que eletrodos de
aterramento utilizando
armaduras do concreto
promoviam uma menor e
mais consistente resistência de aterramento
que as próprias hastes,
especialmente em regiões com valores altos
de resistividade. Devido
a esta antiga utilização,
o uso das armaduras
e/ou cabos e hastes
inseridos nas fundações
e baldrames de concreto
é freqüentemente chamado de “aterramento
Ufer.”
Fig. 1 – Microohmímetro microprocessado em ligação Kelvin, utilizado para efetuar medições da
A União Alemã das resistência elétrica de contato (o exemplo da foto é o modelo MPK 254, da Megabrás)
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Fig. 2 – Conexão de cabo de aterramento de 50 mm2 com
armadura de baldrame, utilizando solda exotérmica
dações como eletrodos de aterramento,
e a proteção contra descargas atmosféricas pelo método gaiola de Faraday utilizando as estruturas metálicas (telhas
e/ou seus suportes metálicos) e as armaduras do concreto, são prática
mundialmente consagradas há aproximadamente 65 anos. Isso foi inclusive
reconhecido por importantes normas e
recomendações publicadas ao longo
desse período, como as normas brasileiras NBR 5419 e NBR 5410, a norma internacional IEC 61024-1-2 e os
documentos estrangeiros ASE 4022,
ANSI/IEEE std.142, BS 6651, entre
outros. As vantagens, descritas não só
nas publicações mencionadas mas também resumidas a seguir, encorajam cada
vez mais essa prática, tanto em edificações novas quanto nas já existentes.
Fig. 3 – Barra de equalização local (BEL) interligada ao
baldrame
Vantagens da utilização das
armaduras do concreto
Fundações
Uma vez que o concreto sob o nível
do solo mantém sempre um certo grau
de umidade, seu valor de resistividade é
baixo, geralmente muito menor do que
o valor da resistividade do próprio solo
onde está sendo construída a edificação
ou estrutura. Os valores típicos do concreto nessas condições variam de 30 a
500 Ωm.
O uso das ferragens da fundação
também diminui as variações de tensão
durante a dissipação das correntes associadas às descargas atmosféricas para o
solo, com conseqüente diminuição das
diferenças de potencial de passo e de
toque, além reduzir a impedância do sis-
Fig. 4 – Placas metálicas interligadas às ferragens dos
pré-moldados para interligar estruturas, com pontos de
acesso para futuras medições de continuidade elétrica
tema de aterramento e facilitar muito o
cumprimento dos preceitos de eqüipotencialização das instalações elétricas
(freqüência industrial), em concordância com a NBR 5410/04.
Pilares, vigas e lajes
Com o uso das armações do concreto destes elementos, diminuem-se os
campos eletromagnéticos internos à edificação, reduzindo as forças eletromotrizes induzidas nos circuitos ali
existentes, e, em conseqüência, as interferências prejudiciais a pessoas e
equipamentos eletrônicos sensíveis, como os de tecnologia da informação
(ETIs). Além disso, conceitos ultrapassados, como sistemas de aterramento independentes e seccionamento para
medição da resistência de aterramento,
Fig. 5 – Interligações feitas com solda exotérmica entre as
diversas estruturas pré-moldadas, para garantir a
continuidade elétrica e formar a gaiola de Faraday.
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ATERRAMENTO
Fig. 6 – Armaduras das fundações
preparadas para a interligação das
ferragens dos pilares
passam a não existir quando aplicado o
método da gaiola de Faraday utilizando
as armaduras dos pilares, vigas e fundações para a composição do sistema de
proteção contra descargas atmosféricas
diretas.
Cuidados e restrições
Como premissa básica inicial para
se utilizarem as armaduras do concreto
para os fins citados, deve-se garantir
continuidade elétrica entre os pontos
extremos da armadura, de modo que
possa ser comprovado, por meio de
medições com instrumento adequado,
um valor de resistência de contato
elétrico menor ou no máximo igual a 1
Ω. Cabe observar que essa medição
deve ser realizada com instrumento
adequado, sendo vedada, pelas normas
vigentes, a utilização multímetros
convencionais. Deve-se, portanto, utilizar um miliohmímetro ou microohmímetro de quatro
terminais (configuração Kelvin), como
o da figura 1. As escalas do instrumento devem ter valor
de corrente injetada
que atenda à exigência expressa no item
E2 do Anexo E da
NBR 5419/05, qual
seja, o de se fazer
circular uma cor- Fig. 7 – A gaiola de Faraday é formada pela enorme
quantidade de ferragens das estruturas pré-moldadas
rente, com valor de
no mínimo 1 A ou
superior, entre os pontos extremos da tos por cabos de cobre deve ser execuarmadura sob ensaio. O processo de tada com o uso de solda exotérmica
medição está descrito na íntegra nesse (figura 2) ou solda elétrica com eletrodos específicos. Na figura 3 são vistas
anexo E2 da NBR 5419/05.
Caso seja necessária a execução de barras de equalização locais (BEL) essolda entre as armaduras para garantir trategicamente localizadas, cujo aterraa continuidade, deve-ser utilizar solda mento é feito diretamente dos eletrodos
elétrica com cordão duplo de no míni- horizontais inseridos nos baldrames.
mo 3 mm de diâmetro e 50 mm com- Cabe alertar que não deve ser utilizada
solda exotérmica dos ferros para a
primento.
O recobrimento (proteção) das ar- construção estrutural das armaduras.
Quando utilizadas para fins de
maduras eventualmente expostas durante a instalação deve ser feito com equalização e/ou aterramento em instaconcreto de, no mínimo, 25 mm de es- lações de baixa tensão, as armaduras
pessura. As armaduras não deverão do concreto não podem substituir os
ficar sob hipótese nenhuma em contato condutores de proteção (PE) sob
com o solo, para evitar corrosão. hipótese nenhuma.
Também não se deve permitir a cirImersas no concreto, elas estarão protegidas por ausência de eletrólito e
de aeração.
A interligação
das armaduras aos
sistemas de aterramento compos-
Fig. 8 – Ligação do microohomímetro ao ponto 8 indicado
na figura 9, para medição da continuidade elétrica do
conjunto
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Fig. 9 – Esquema de medição nos pilares da usina a gás
(neste caso, ponto 8 em série com 7–6–5–4–3–2–1)
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permitida a utilização das armaduras componentes
de estruturas prémoldadas protendidas como componentes de sistemas de proteção
contra descargas
atmosféricas.
Execução do
sistema
Como foi dito
acima, devem-se
prever, durante o
projeto das estruturas pré-moldadas, pontos acessíveis, interligados
com as demais armaduras constituintes dessas estruturas. Esses pontos devem ser disFig. 10 – Geradores de 925 kW a gás da usina citada, com
ponibilizados exaterramento interligado às armaduras da suas bases
ternamente aos diversos componenculação de correntes de defeito (curto- tes pré-moldados, possibilitando que
circuito) com duração elevada pelas ar- estes sejam interligados (normalmente
maduras, pois isso pode causar danos por solda exotérmica) após sua montagem final, de modo a formar uma
às próprias ferragens e ao concreto.
Em estruturas pré-moldadas, as ar- gaiola de Faraday. Normalmente esses
maduras podem ser também utilizadas pontos acessíveis são constituídos por
como descidas naturais e aterramento, placas metálicas específicas ou condudesde que tomados os seguintes cuida- tores de cobre, para que as interligações entre pilares, vigas e armaduras
dos:
• prever essa utilização já no projeto das fundações possam ser feitas dudas estruturas, possibilitando, assim, rante a construção (figuras 4, 5 e 6).
Nota: devem ser deixados também
que sejam deixadas placas específicas
ou condutores de cobre acessíveis para pontos de acesso, estrategicamente esas devidas interligações entre os pi- colhidos, destinados à execução de fulares e vigas, após a montagem. Essas turas medições de continuidade elétriinterligações devem preferencialmente ca (ver figura 4), como determinado no
ser feitas com solda exotérmica (ver Anexo E da NBR 5419/05.
Após a montagem das estruturas,
figuras 4 e 5); e
• durante a montagem das estruturas devem ser executadas as mencionadas
pré-moldadas, providenciar as neces- medições de continuidade elétrica dessárias interligações das armaduras das critas na NBR 5419/05. Devem ser
fundações (cálices) com as armaduras feitas várias medições, basicamente
dos pré-moldados (placas ou cabos de conforme o esquema ilustrado nas ficobre citados), de modo a garantir a guras 8 e 9. Como dito acima, o valor
continuidade elétrica entre captores e medido tem de ser menor ou, no máxidescidas naturais e os cálices. Este é mo, igual a 1 Ω.
um ponto de extrema importância,
que no entanto costuma ser posto em Exemplo
Em uma usina de geração elétrica a
segundo plano ou mesmo esquecido.
Por fim, cabe ressaltar que não é biogás (figura 8), após a montagem,
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EM ABRIL, 2007
ATERRAMENTO
mΩ. [Nota: os
valores de continuidade elétrica
obtidos na prática, por meio de
medições, normalmente são bem
menores do que
o valor máximo
de 1 Ω permitido
pela NBR 5419/
05, mesmo em
Fig. 11 – Abrigo ferroviário (house) com sistema de captação
edificações
com
via armaduras e malha de referência de sinal (MRS)
interligada com as ferragens do piso, para gerar
diversos pavium plano de referência de terra o mais equalizado possível,
mentos.]
para os ETIs
Para o aterramento dos geforam medidos os valores de resistên- radores da usina a gás citada foram uticia de contato listados abaixo — o pon- lizadas as armaduras das bases como
to de referência fixo é o número 8 eletrodos de aterramento complementares à malha de dissipação (figura
(N.8) da figura 9:
• N.8 em série com os pontos de in- 10), pois o concreto enterrado possuía
um valor de resistividade bem menor
terligação 1–2–3–4–5–6–7: 2,89 mΩ;
• N.8 em série com os pontos do que a resistividade do local da instalação.
9–10–11: 2,46 mΩ;
• N.8 em série com 1–2–3–4–5–6–7–
Estudos de casos
20–19–18: 2,91 mΩ;
• N.8 com barra de aterramento exterAbrigo (house) ferroviário
na: 2,34 mΩ; e
Nos abrigos ferroviários, onde
• N.8 com um ponto do SPDA externo
geralmente se necessita de um plano de
no telhado: 2,95 mΩ.
Outras configurações e posiciona- referência para os ETIs e de uma dissimentos do microohmímetro foram em- pação eficiente das correntes associapregados, com o objetivo de obter das às descargas atmosféricas, também
certeza absoluta quanto à perfeita con- é possível aplicar a técnica de utilizatinuidade elétrica dos diversos setores ção das ferragens das colunas e lajes
interligados. Em todos os casos, foram para formar uma gaiola de Faraday e as
medidos valores menores do que 2,95 armaduras das fundações como aterra-
mento, conforme pode ser basicamente
visto na figura 11, que mostra uma
haste de captação do caso-exemplo.
No caso aqui referido, uma malha
de referência de sinal (MRS) foi devidamente projetada e instalada, com o
objetivo de obter um plano de referência de terra o mais constante possível
para os equipamentos sensíveis. A
MRS foi embutida no piso, para evitar
roubo e vandalismo. Cabe observar
que, quando se utilizam ferros específicos (dedicados) para captação das correntes dos raios, esses ferros devem ser
instalados na periferia das colunas e interligados com os demais ferros estruturais constituintes desta.
Centro de processamento de dados
Em CPDs é ainda mais justificado
obter-se uma referência de sinal constante, o que normalmente é realizado
com uma MRS convenientemente dimensionada para equalizar freqüências
em uma larga faixa. A malha deve ser
interligada à barra de equalização local
(BEL), e esta ser interligada às armaduras das fundações dos pilares (de
preferência nos pilares centrais), que
no caso aqui relatado são utilizadas como eletrodos de aterramento complementares.
A figura 13 mostra não só a interligação da BEL às armaduras do pilar
como também ao aterramento de dissipação formado por fita de cobre nu de
50 x 1 mm2. Os neutros dos transformadores separadores instalados no am-
ATERRAMENTO
to dos condutores
utilizados são de
suma importância
para a obtenção
de uma baixa impedância, sobretudo quando se almeja um sistema
eficiente para dissipação de sinais
impulsivos.
Em se tratando
de aterramentos,
cabe observar que,
para ondas impulsivas de corrente
Fig. 12 – Abrigo (house) ferroviário semipronto — na parte
(descarga de resuperior, instalam-se fitas de cobre para captação
torno de um raio),
e sob o ponto de
biente onde se encontram os ETIs são vista da dissipação, na primeira fase da
também vistos interligados à BEL, por onda irá predominar a impedância de
impulso, na segunda fase a indutância
meio de cabos isolados de 25 mm2.
A MRS, vista nas figuras 13 e 14, e, na terceira fase (cauda da onda), a
deve ser projetada de maneira que as resistência.
Com base na figura 15, podemos
diferenças de potencial entre vários de
seus pontos sejam minimizadas para dizer que, na prática, para tais tipos de
uma larga faixa de freqüência de opera- aterramento, devemos procurar obter
ção e possíveis interferências, que vão baixos valores de indutância e resistêndesde corrente contínua até freqüências cia, e valores elevados de condutância
de 30 MHz. Isso pode ser obtido pela e capacitância. Isso é basicamente conaplicação da teoria de comunicação de seguido modificando-se o formato, o
ondas conduzidas, segundo a qual não comprimento e a configuração dos
existirão diferenças de potencial signi- condutores de aterramento — por
ficativas ao logo de um condutor cujo exemplo com a utilização de fita de cocomprimento for menor do que 1/20 do bre nu de comprimento convenientecomprimento de onda da freqüência que mente dimensionado.
O uso de condutores em forma de fise deseja equalizar.
ta (figura 16) nos sistemas de aterramento aumenta a capacitância, reUso de condutores em forma de fita
A configuração dos sistemas de ater- duzindo concomitantemente a indutânramento, seu comprimento e o forma- cia e, conseqüentemente, a impedância
Fig. 13 – CPD com BEL, MRS e armaduras da fundação do pilar interligados
(componentes do sistema de aterramento utilizado)
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Fig. 14 – Malha de referência de sinal em um CPD
final do condutor. Quando as fitas estiverem enterradas, como é o caso dos
aterramentos de um SPDA, a condutância pode ser aumentada efetuando-se o tratamento do solo com produtos não-lixiviáveis, normalmente à
base de bentonita. Esses materiais devem obrigatoriamente ter um valor
bastante baixo de resistividade, para
que possam atuar no volume de influência do eletrodo de aterramento,
principalmente próximo à superfície
Fig. 15 – Circuito equivalente aproximado de um condutor
horizontal de aterramento
de contato deste como o solo, diminuindo-lhe a impedância.
Edificações com
estrutura metálica
Vimos aqui anteriormente que se
deve preparar a estrutura, isto é, executar o projeto prevendo a utilização das
armaduras do concreto da edificação
como descidas naturais e as das fundações como parte do sistema de aterramento. Esse procedimento não só re-
sultará em maior eficiência técnica como também econômica, tendo como
“subproduto” a atenuação dos campos
eletromagnéticos internamente, atuando como blindagem (a qual pode, em
certos casos, ser aumentada com a utilização de outros materiais, tais como
telas e/ou chapas metálicas convenientemente especificadas e instaladas nas
paredes, pisos e tetos).
Existem, porém, edificações cuja
infra-estrutura básica é toda constituí-
Fig. 16 – Uso de fitas de cobre nu em
sistemas de aterramento
da de perfis metálicos, como por exemplo a mostrada na figura 17. Nesses casos, com muito mais razão, todos os
conceitos aqui descritos podem e devem ser aplicados, desse modo tirando
proveito das vantagens técnicas oferecidas por esse tipo de gaiola de Faraday natural.
É preciso tomar cuidados especiais
para que eventuais descargas atmosféricas laterais possam ser captadas e
conduzidas à terra pelas estruturas
metálicas. Para isso, devem ser instalados captores específicos convenientemente localizados e interligados às estruturas, evitando a quebra da alvenaria
de acabamento lateral da edificação.
Uma observação importantíssima deve ser feita,
mesmo neste caso
em que praticamente toda a estrutura da edificação
é metálica: em hipótese nenhuma
pode ser eliminado
o condutor de proteção (PE), o qual Fig. 17 – Exemplo utilização de estrutura totalmente
deve ser passado metálica como descidas naturais e para atenuação dos
junto com as fases campos eletromagnéticos externos
dos diversos circuitos. Jamais a estrutura metálica fonte de alimentação da instalação.
Conforme determina a norma de instadeve ser usada como condutor PE.
Também é terminantemente vedado lações de baixa tensão, deve-se passar
o aproveitamento da estrutura me- um condutor de cobre específico para a
tálica da edificação como neutro de função de neutro, com isolação na cor
tomadas ou função similar. O neutro azul.
do sistema de distribuição de baixa tensão deve ser ligado ao aterramento soTrabalho apresentado no Enie 2006 – XI
mente na origem da instalação, junto Encontro
Nacional de Instalações Elétricas (6 a
com o aterramento do transformador 8 de junho de 2006, São Paulo, SP).