Resiliência de equipamentos e plantas, em números — Condições de projeto por infraestrutura e por ameaça

Plant and Equipment Resilience, by the Numbers — Design Conditions by Infrastructure and Hazard

Um equipamento não funciona apenas nas condições impressas em sua placa de identificação. A tensão de alimentação pode sair do valor nominal por períodos curtos, um terremoto acelera o piso, a pressão do vento atua nas superfícies externas e a carga de neve atua nos telhados. Do lado do equipamento, cada uma dessas condições externas vira uma grandeza física diferente: o desvio de tensão vira o tempo que uma fonte consegue sustentar sua saída e o torque que um motor consegue entregar; a aceleração vira carga nos chumbadores; a velocidade do vento vira pressão na face; e a profundidade da neve vira carga.

O que importa, então, não é o nome do desastre, e sim qual grandeza atua sobre o quê. Este artigo começa pela alimentação elétrica e pela entrada de energia, presentes em qualquer planta, e depois trata de terremotos, tufões e neve, com foco nos fenômenos e em suas consequências.

Pontos-chave deste artigo

SeçãoO que esta seção explica
Desvio de tensão e tolerância dos equipamentosNo mesmo afundamento de tensão, a fonte de 24 V, os motores, as máquinas de solda e o HVAC param de formas diferentes
Classe de fornecimento e risco do lado da plantaNos Estados Unidos, na Europa, no Japão e no Brasil, a mesma carga muda onde a tensão cai e até onde chega uma interrupção
Aceleração sísmica e carga nos chumbadoresConverter valores indicativos de intensidade em força horizontal; a aceleração traciona os chumbadores
Velocidade do vento de tufão e pressão do ventoConverter a velocidade do vento em carga de vento, usando um painel externo como exemplo
Profundidade da neve e carga de neveConverter a profundidade em carga para baixo, usando a cobertura de uma marquise como exemplo

Desvio de tensão e tolerância dos equipamentos

Mesmo que a placa de um painel de controle diga 200 V, a tensão real pode se afastar do nominal. Uma queda curta chama-se afundamento de tensão; uma interrupção curta, interrupção momentânea; uma subida curta, elevação momentânea. A frequência com que ocorrem depende da região e da rede. Do lado do equipamento, a primeira coisa a verificar é a qual tensão o desvio se refere: à entrada CA, aos 24 V de controle ou aos terminais do motor.

Nessa verificação, lembre que o “±10%” da placa não significa que a tensão da instalação fique sempre dentro dessa faixa. A faixa admissível, a faixa garantida pelo fabricante e a margem de projeto são três números diferentes. Além disso, o mesmo ±10% se refere a tensões diferentes na entrada de 200 V CA, nos 24 V de controle e nos terminais do motor. Por isso, mesmo com a entrada CA dentro da tolerância, o CLP (PLC) para quando a fonte estabilizada esgota o tempo em que consegue sustentar a tensão de saída.

O mesmo desvio de tensão para cada equipamento em condições diferentes. Os 24 V de controle, os motores, as máquinas de solda e a climatização (HVAC) olham cada um para uma tensão diferente, e cada um afeta os demais de um jeito próprio. A tabela abaixo resume essas diferenças.

EquipamentoTensão que importaO que falha primeiroEfeito nos demais equipamentos
CLP / controle (24 V)A saída da fonte estabilizada e o tempo em que ela consegue sustentá-laOs 24 V caem e a CPU, os sensores e a rede de campo param. Os contatores costumam desarmar antes do CLPPequeno como carga
MotorTensão nos terminais; o barramento CC nos acionamentos com inversorO torque é aproximadamente proporcional ao quadrado da tensão. Com tensão baixa, a corrente sobe para a mesma carga, levando a superaquecimento ou travamentoA corrente de partida derruba a tensão ao redor
Máquina de soldaTensão nos terminais durante o pulsoO arco fica instável. Máquinas com inversor param por subtensão do barramento CCCostuma ser uma das principais causas de afundamentos dentro da planta
HVACTerminais do compressor e contatorUm afundamento desarma o contator, e a repartida derruba a tensão de novo. Se o HVAC de processo para, o processo paraA partida do compressor causa afundamentos

Uma observação sobre a linha do CLP: fontes estabilizadas de faixa ampla aceitam entradas CA de 85 V a 264 V. Por isso, “o CLP aguenta se a CA ficar em ±10%” confunde a entrada CA com a saída de 24 V. Se o CLP continua funcionando, quem decide é quantos milissegundos a saída de 24 V consegue ser sustentada. As máquinas de solda e o HVAC, por outro lado, não apenas sofrem com as quedas de tensão: também as causam. Em inversores e servoacionamentos, observe a tensão do barramento CC, como nos motores.

A figura abaixo mostra, para uma mesma forma de onda de tensão, o número exato em que o HVAC, o motor, a máquina de solda e os 24 V param.

Forma de onda de um afundamento de tensão com os números em que quatro cargas desarmam. O HVAC cai em 0.82, o torque do motor em 0.52, os 24 V quando o hold-up se esgota; o pulso de solda também causa afundamentos. Aqui a tensão está no meio da queda, o HVAC está desligado e o pulso de solda continua.
No mesmo afundamento, o HVAC desarma primeiro quando a tensão cruza seu limiar, enquanto o pulso de solda é, ele próprio, uma causa da queda de tensão ao redor.
💡 Dica

Depois de verificar a tolerância da entrada CA, verifique em separado por quanto tempo os 24 V podem ser sustentados. Se um contator desarma antes, as saídas se perdem mesmo com o CLP em funcionamento.

⚠️ Armadilha comum

Ler o ±10% da placa como um único valor de suportabilidade comum a tudo no painel. Como cada equipamento olha para uma tensão diferente, uns atravessam o evento e outros param.

Classe de fornecimento e risco do lado da planta

A classe de tensão em que a planta recebe energia muda duas coisas: até onde uma interrupção se espalha e em que ponto as cargas internas derrubam a tensão. Os nomes das classes e as tensões típicas variam por região; a conversão usada do lado do equipamento, porém, é a mesma em toda parte: da classe para onde a tensão cai e até onde chega a interrupção. Lembre que o nome da classe é uma faixa de tensão, não uma garantia de que os equipamentos continuarão funcionando.

Antes de ler a tabela, dois termos: barramento é um trecho em que os painéis estão ligados na mesma tensão, e lado secundário é o lado de menor tensão de um transformador. A tabela abaixo pode ser trocada por região; a região aberta primeiro acompanha o idioma deste artigo.

A frequência é 60 Hz, a mesma dos Estados Unidos. A baixa tensão é 220/380 V em algumas regiões e 127/220 V em outras. A média tensão típica é 13.8 kV ou 23 kV, e a alta tensão, 69 kV ou 138 kV; os nomes das classes seguem o uso IEC, próximo do europeu. É a posição do transformador — do lado da concessionária ou dentro do site — que muda a corrente vista pela rede e o alcance de uma interrupção.

FornecimentoTensão típicaPosição do transformadorO que muda primeiro do lado do equipamento
Baixa tensão220/380 V ou 127/220 VNo poste, ou transformador pequeno no siteA queda de tensão na fiação interna é grande. As perturbações de solda chegam fácil aos 24 V vizinhos e à rede. Uma interrupção abrange tudo o que divide o transformador
Média tensão13.8 kV ou 23 kVNo siteA corrente do lado da rede é pequena. Ainda assim, ficam as partidas e a solda no lado de baixa do transformador. Se uma falta interna não puder ser eliminada dentro, a planta inteira para
Alta tensão69 kV ou 138 kVNo site (plantas grandes)A perturbação de tensão para a rede é pequena. Mas, se o fornecimento cai, a área afetada é ampla e a recomposição costuma demorar

Para o mesmo pulso de solda, a classe de fornecimento muda onde circula a corrente grande. A tabela a seguir é uma referência para cerca de 30 kW em trifásico de 380 V; não é valor para seleção de equipamentos.

FornecimentoCorrente no secundárioCorrente aprox. na rede24 V vizinhos
Baixa tensãoCerca de 46 ACerca de 46 A (igual ao interno)Tendem a cair num barramento compartilhado, e a perturbação também chega à rede
Média tensãoCerca de 46 A (secundário)Cerca de 1.3 A (13.8 kV, trifásico)Caem no barramento do secundário, mas a rede quase não percebe
Alta tensãoCerca de 46 A (secundário)Cerca de 0.13 A (138 kV, trifásico)No secundário, igual à média tensão; mas uma interrupção abrange área ampla

Nota: As correntes do lado da rede são referências para cerca de 30 kW em trifásico naquela tensão. Não incluem a resistência da fiação nem a impedância do transformador. Para Portugal (50 Hz, 400 V), consulte a tabela da Europa.

Em todas as regiões, subir a classe de fornecimento reduz a corrente vista pela rede. Ficam, porém, a solda e as partidas de motor no secundário do transformador.

A figura abaixo mostra que, mesmo com nomes de classe diferentes por região, o mecanismo é o mesmo. De cima para baixo: na tensão de utilização, o afundamento chega até a rede; com transformador no site, a corrente na rede é pequena; na classe mais alta, uma interrupção abrange área ampla. E os 24 V caem em todas as classes.

Três classes de fornecimento comparadas linha a linha: até onde os afundamentos viajam e até onde as interrupções chegam. Os nomes mudam por região, mas o mecanismo é o mesmo e os 24 V caem em todas as classes. Neste quadro, as três diferenças estão na tela.
De cima para baixo: na tensão de utilização o afundamento chega à rede, com recebimento no site a corrente na rede é pequena e, na classe mais alta, o alcance da interrupção é amplo. Os 24 V caem em todas as classes.

Por outro lado, com uma única linha de entrada, uma falta nessa linha para a planta inteira. Mesmo com duas linhas, se dividirem o mesmo trajeto, podem cair juntas. E, se uma falta interna não puder ser eliminada por um disjuntor interno, o de montante abre primeiro e a planta inteira para. Procedimentos de instalação ficam fora deste artigo.

Definidas a classe e as linhas, o passo seguinte é a proteção e o posicionamento dos equipamentos que sustentam a tensão (no-break/UPS). A capacidade necessária depende de sustentar só os 24 V ou o processo inteiro.

💡 Dica

Subir a classe de fornecimento reduz a perturbação do lado da rede. Trate os 24 V e a solda do secundário como uma condição à parte, que permanece.

⚠️ Armadilha comum

Supor que subir a classe de fornecimento faz os afundamentos sumirem. A corrente do lado da rede diminui, mas as partidas e a solda no secundário permanecem.

Aceleração sísmica e carga nos chumbadores

Quando um terremoto acelera o piso, a massa do equipamento não acompanha na hora. Multiplicar a aceleração pela massa dá uma força, chamada força de inércia. Com peso próprio W, aceleração da gravidade g e aceleração horizontal a, a força de inércia horizontal é F = (a/g) W. Assim, 0.3 g significa uma força horizontal de 0.3 vez o peso próprio, e 1 g, uma força igual a ele. Essa força traciona os chumbadores e a placa de base, ou tende a levantar os pés.

Essa aceleração não pode ser tirada diretamente da intensidade divulgada. A magnitude descreve o tamanho da fonte; a intensidade, o abalo em um local específico. O Japão usa a escala de intensidade sísmica da JMA, que vai de 0 a 7, com os níveis 5 e 6 divididos em inferior e superior. Fora do Japão, o abalo costuma ser informado na escala Mercalli modificada (MMI). Os cálculos de equipamento, porém, usam a aceleração horizontal em g. Não é raro um terremoto próximo de magnitude 5 produzir no local uma aceleração maior que um distante de magnitude 7.

A tabela abaixo é uma referência para o caso em que a aceleração horizontal atua integralmente sobre uma massa fixada ao piso. A intensidade JMA não é determinada só pela aceleração de pico, de modo que, dentro de um mesmo nível, a aceleração varia de local para local. Portanto, não são valores para seleção de equipamentos.

CasoMercalli modificadaIntensidade JMAExemplo de aceleração horizontalMúltiplo do peso próprio
A maioria das pessoas se assustaV–VI40.03–0.08 g0.03–0.08 vezes
Móveis podem tombarVII5 Upper0.15–0.25 g0.15–0.25 vezes
Difícil ficar em péVIII6 Lower0.25–0.3 g0.25–0.3 vezes
A maioria dos móveis soltos tombaIX6 Upper0.3–0.4 g0.3–0.4 vezes

Nota: A escala Mercalli modificada (MMI) é a escala de abalo usada nos Estados Unidos e em outros países. A intensidade JMA é a escala da agência meteorológica do Japão. A correspondência da tabela é aproximada.

Por exemplo, um painel com massa de 1 tonelada, no valor indicativo do nível 6 Lower (cerca de 0.3 g), recebe uma força horizontal de cerca de 3 kN (equivalente a cerca de 300 kg). Em pavimentos superiores ou sobre estruturas pouco rígidas, a aceleração pode superar a do nível do solo. Além disso, um centro de gravidade alto aumenta ainda mais a carga dos chumbadores do lado tracionado, na mesma aceleração.

Do lado da instalação, protender os parafusos faz as faces da junta absorverem em compressão a maior parte da flutuação do esforço externo.

A figura abaixo mostra a relação: quanto maior a aceleração, maior a carga nos chumbadores do lado tracionado. A seleção do diâmetro do chumbador não é tratada.

Um painel sobre um piso que acelera, visto de frente, com a força de inércia e a tração nos chumbadores. Mostra como a aceleração vezes a massa traciona os chumbadores. Aqui o piso acelera para a direita e o parafuso da direita engrossa, entrando em tração.
Quando a aceleração aumenta, a carga nos chumbadores do lado tracionado aumenta.
⚠️ Armadilha comum

Escolher os chumbadores só pelo nível de intensidade. No mesmo nível, a forma de onda da aceleração, a massa e a altura do centro de gravidade mudam a carga nos chumbadores.

Velocidade do vento de tufão e pressão do vento

O que atua em painéis externos, estruturas e coberturas de transportadores não é a velocidade do vento em si, e sim a pressão nas suas faces. Como a pressão é aproximadamente proporcional ao quadrado da velocidade, dobrar a velocidade quadruplica, mais ou menos, a carga por face. Um mapa de trajetórias não substitui essa pressão.

Como exemplo, tome um painel externo de 0.8 m de largura e 2.0 m de altura; a área exposta ao vento é 1.6 m². A pressão dinâmica q — a pressão calculada a partir da velocidade do vento — vale 0.6 v² (em N/m², com v em m/s) para uma densidade do ar de cerca de 1.2 kg/m³. A carga horizontal de vento é essa pressão dinâmica vezes a área, com coeficiente de força 1: uma referência, não um valor para seleção de equipamentos.

CasoVelocidade do ventoPressão dinâmicaCarga horizontal de vento
Perto do limiar de tufão18 m/sCerca de 190 N/m²Cerca de 0.3 kN (equivalente a cerca de 30 kg)
Zona de ventos violentos25 m/sCerca de 380 N/m²Cerca de 0.6 kN (equivalente a cerca de 60 kg)
Velocidade em dobro (pressão quadruplicada)36 m/sCerca de 780 N/m²Cerca de 1.2 kN (equivalente a cerca de 130 kg)
Tufão forte40 m/sCerca de 960 N/m²Cerca de 1.5 kN (equivalente a cerca de 160 kg)

Nota: Coeficiente de força 1; sem acréscimo pela altura acima do solo. 1 kN é aproximadamente uma força equivalente a 100 kg. O limiar de tufão segue a definição da JMA (vento máximo de cerca de 17 m/s ou mais); a zona de ventos violentos corresponde a vento médio de 25 m/s ou mais; e tufão forte, a vento máximo de 33 m/s ou mais e menor que 44 m/s.

Para esse painel, um tufão forte (40 m/s) aplica uma força horizontal de cerca de 1.5 kN (equivalente a cerca de 160 kg). Altura, rajadas e outro coeficiente de força mudam o valor, mesmo com a mesma velocidade.

A figura abaixo mostra a pressão na face do painel e a força horizontal crescendo com a velocidade do vento; a velocidade atual, a pressão dinâmica e a força horizontal (kN e equivalente em kg) mudam em números. Ela também mostra onde a velocidade atual cai nas categorias de tufão da JMA e na escala de furacões (SSHWS). A JMA usa médias de 10 minutos e a escala de furacões, de 1 minuto, então as categorias não coincidem na mesma velocidade. A resistência do invólucro varia por equipamento; nem a tabela nem a figura substituem um valor admissível.

Velocidade do vento, pressão dinâmica e força horizontal em um painel externo, visto de frente. A pressão cresce com o quadrado da velocidade; a força aparece em kN e em equivalente em kg. Aqui o vento alcança a face do painel, com Strong typhoon e Cat 1 hurricane na tela.
Quando a velocidade do vento sobe, a pressão dinâmica cresce com o quadrado, e a força horizontal (kN e equivalente em kg) cresce junto. A categoria de tufão e de furacão da velocidade atual também muda.

Profundidade da neve e carga de neve

Nunca defina a carga de uma cobertura só pela profundidade da neve. A neve ganha peso ao absorver chuva e, com a mudança do tempo, pode derreter e se adensar antes de neve nova cair por cima, terminando mais pesada do que parece. Claraboias e estruturas de apoio também podem ficar sem capacidade sob um acúmulo local antes de a carga média da cobertura ficar crítica. A neve, além disso, é uma condição com fortes diferenças regionais.

Como exemplo, tome a cobertura de uma marquise externa de 2.0 m × 2.0 m; a área é 4.0 m². Fixamos a carga unitária de neve no valor usual com a lei japonesa de normas de edificação: 20 N/m² por centímetro de profundidade, ou seja, 2 kN/m³. A carga de neve é a força vertical por unidade de área, e a carga da cobertura inteira, esse valor vezes a área. Ambas são referências, não valores para seleção de equipamentos.

CasoProfundidade da neveCarga de neveCarga da cobertura inteira
30 cm de neve0.3 m0.6 kN/m²Cerca de 2.4 kN (equivalente a cerca de 240 kg)
60 cm de neve0.6 m1.2 kN/m²Cerca de 4.8 kN (equivalente a cerca de 490 kg)
1 m, comum em regiões de muita neve1.0 m2.0 kN/m²Cerca de 8 kN (equivalente a cerca de 800 kg)
O mesmo 1 m, encharcado1.0 m4.0 kN/m²Cerca de 16 kN (equivalente a cerca de 1 600 kg)

Nota: A carga unitária é 20 N/m² por centímetro de profundidade (2 kN/m³). Só a última linha dobra a carga unitária, como referência para neve encharcada. 1 kN é aproximadamente uma força equivalente a 100 kg.

Para essa cobertura de 2 m de lado, 1 m de neve aplica uma força para baixo de cerca de 8 kN (equivalente a cerca de 800 kg). A última linha mostra que, na mesma profundidade, a neve encharcada pesa mais.

A figura abaixo mostra a carga nos montantes crescendo com a profundidade — e, quando chove sobre a neve acumulada, a densidade subindo e a força nos montantes crescendo mais, na mesma profundidade. O dimensionamento dos perfis não é tratado.

Corte da cobertura de uma marquise, com a profundidade da neve e a força para baixo nos montantes. Explica como a chuva sobre a neve eleva a densidade e a carga na mesma profundidade. Aqui chove sobre a neve e as setas dos montantes descem até o meio, ainda sem chegar à viga.
Quando chove sobre a neve já acumulada, a carga nos montantes aumenta mesmo com a profundidade igual.

Resumo

Na tensão, separe os pontos observados — a entrada CA, os 24 V de controle — e verifique o desvio e o tempo de sustentação (hold-up) de cada um. O fornecimento, seja qual for o nome da classe na sua região, define onde a tensão cai e até onde chega uma interrupção. No terremoto, a aceleração vira carga nos chumbadores; no vento, a velocidade vira pressão na face; na neve, a profundidade vira carga. O que o projeto usa são os valores depois dessas conversões. Espessuras de chapa ou diâmetros de chumbador recomendados, e julgamentos baseados só em onde os eventos já ocorreram, ficam fora deste artigo.

Perguntas frequentes

Q1. O CLP aguenta ±10% da tensão nominal?

A. A faixa de placa da entrada CA e o tempo em que a saída de 24 V pode ser sustentada são coisas diferentes. Com uma fonte de faixa ampla, a saída pode cair primeiro com a entrada CA ainda presente. E os contatores podem abrir antes disso ainda.

Q2. Subir a classe de fornecimento elimina os afundamentos?

A. A corrente do lado da rede fica menor, mas as partidas e a solda no secundário permanecem. Já no recebimento em tensão de utilização, o mesmo pulso chega à rede com mais facilidade.

Q3. Intensidade e aceleração são a mesma coisa?

A. Não. Intensidade é uma escala do abalo em um local, não uma força. O que atua nos chumbadores é a aceleração vezes a massa. E, dentro de um mesmo nível de intensidade, a aceleração tem faixa ampla.

Q4. Se a velocidade do vento dobra, o que acontece com a pressão do vento?

A. A pressão em uma face fica cerca de quatro vezes maior, porque a pressão é proporcional ao quadrado da velocidade. Na tabela da seção de tufões, 18 m/s e 36 m/s formam esse par. Para o painel externo de 0.8 m de largura e 2.0 m de altura, isso dá o equivalente a cerca de 30 kg em 18 m/s e a cerca de 130 kg em 36 m/s.

Q5. Sabendo a profundidade da neve, a carga está definida?

A. A profundidade sozinha não define; multiplicada pela carga unitária, vira força para baixo. Para a cobertura de 2 m de lado, 1 m de neve equivale a cerca de 800 kg, e o mesmo 1 m de neve encharcada, a cerca de 1 600 kg. Acúmulos locais também podem superar a capacidade de um perfil antes da carga média.

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