Scientia et Technica Ao XII, No 32, Diciembre de 2006. UTP. ISSN 0122-1701

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PROTECCIN EXTERNA DE EDIFICACIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICASRESUMEN El presente documento tiene como objetivo mostrar el diseo de un sistema para la proteccin de edificaciones contra descargas atmosfricas. Para la implementacin de esta metodologa se emplea como caso de estudio el edificio del programa de ing. Elctrica. PALABRAS CLAVES: Sistema de proteccin contra descargas atmosfricas, puesta a tierra. ABSTRACT This document has as objective to show the development of the IEC62305 norm to protect buildings against lighting. For implementation of this methodology is used like case of study the electrical engineering building. KEYWORDS: Lighting protection system, ground. MARCELO ARBELAEZ G. Ingeniero Electricista Profesor Universidad Tecnolgica de Pereira marte@utp.edu.co JORGE HUMBERTO SANZ A. Ingeniero Electricista Profesor Asociado Universidad Tecnolgica de Pereira jsanz@utp.edu.co

1. INTRODUCCIN Las descargas atmosfricas son eventos naturales sobre los cuales el hombre no tiene ninguna potestad y representan un factor que pone en riesgo la seguridad de los seres vivos y el adecuado funcionamiento de los dispositivos, equipos y sistemas elctricos y electrnicos. Cada pas ha buscado solucionar el problema de la proteccin contra rayos. Como producto de esto, se ha diseado normas como la IEC62305 de carcter internacional y NTC4552 para el caso colombiano que contaron con las experiencias de diferentes instituciones. En el caso de nuestra regin, poco se ha trabajado esta temtica en los grupos de investigacin lo que ha dejado a este importante un rea como un tema de la ingeniera elctrica de poca aplicacin donde las protecciones implementadas brindan una proteccin muy pobre o ninguna, se hace necesario exponer la forma de implementar las normas existentes para el diseo de sistemas apropiados para la proteccin contra rayos. Con el diseo del sistema de proteccin contra descargas atmosfricas del edificio del programa de Ingeniera Elctrica, se pretende mostrar en detalle la aplicacin de los conceptos bsicos de proteccin. 2 SISTEMA INTEGRAL DE PROTECCIN CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS (LPS) El objetivo fundamental del sistema de proteccin contra descargas atmosfricas es el de brindar resguardo a una estructura contra daos fsicos y lesiones a los seres vivos debido a los voltajes de toque y a los voltajes de paso.

El sistema de proteccin se divide en dos partes fundamentales: El sistema de proteccin externo, y el sistema de proteccin interno.

LPSGua de Seg urid ad Perso nal

Pro teccin Intern a

Pro tecci n Externa

Sis tema d e A larma

Captura

Bajantes

Pu es ta a Tierra

Figura 1. Elementos de un Sistema Integral de proteccin.

2.1 Sistema de Proteccin Externo Este sistema previene las peligrosas chispas que se pueden producir en el momento de una descarga y ponen en riesgo la integridad de personas, animales y equipos. Los propsitos de construir un sistema de proteccin externo son: 1. Interceptar una descarga atmosfrica directa sobre la estructura. 2. Conducir a corriente en forma segura hacia tierra. 3. Dispersar la corriente de la descarga en la tierra. 2.2 Sistema de proteccin Interno Este sistema previene las peligrosas chispas que se pueden producir en el momento de una descarga y ponen en riesgo la integridad de personas, animales y equipos en la parte interna de la estructura.

Fecha de Recepcin: 10 Agosto de 2006 Fecha de Aceptacin: 30 Noviembre de 2006

166 Las chispas pueden ocurrir entre el LPS y otros componentes como: Instalaciones metlicas. Sistemas Elctricos. Partes externas conductivas y lneas conectadas a las estructura. 3. METODOLOGA DE IMPLEMENTACIN DE UN LPSEvaluacin del Riesgo

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3.3 Posicionamiento del LPS Existen varios mtodos sugeridos por diferentes normas para determinar las reas donde debe ser protegida la estructura. Se emplear el mtodo de la esfera rodante siguerdo por [1] para posicionar el sistema de proteccin. El radio que debe tener la esfera depende de la clase del sistema de proteccin. La siguiente tabla muestra la relacin. Clase de LPS I II III IV Radio (m) 20 30 45 60

Definicin de la Clase de Proteccin

Tabla 2. Relacin entre el nivel de proteccin y la clase del LPS.

Posicionamiento del LPS

Una vez se ha definido el radio de la esfera, esta se debe rodar en todas las direcciones por toda la estructura como se muestra en la figura.

Construccin

Figura 2 Diagrama metodolgico.

3.1 Evaluacin del factor de Riesgo El objetivo de evaluar el factor de riesgo es establecer el nivel de proteccin contra rayos de una estructura y si el sistema de proteccin (LPL) debe ser integral, es decir, si necesita o no de todos sus elementos. Para realizar una valoracin del riesgo, se tienen en cuenta factores de tipo estructural, ambiental, influencias de estructuras adyacentes, servicios adicionales y cuatro categoras de prdidas: Prdidas Humanas, Prdidas de Servicios Esenciales, Prdidas de Herencia Cultural y Prdidas econmicas. Con esta informacin, el IEC lightning Risk Assessment realiza los clculos correspondientes para encontrar el factor de riesgo y el nivel de proteccin requerido. 3.2 Definicin de la Clase de Proteccin Para cada nivel de proteccin (LPL) se tiene una clase como se muestra en la siguiente tabla. LPL I II III IV Clase de LPS I II III IV

Figura 3 Posicionamiento del sistema de proteccin externo.

3.4 Construccin Diferentes materiales y componentes pueden formar parte del sistema de proteccin externo. Los llamados componentes naturales son elementos que por su constitucin fsica pueden ser usados para formar tal sistema. La norma IEC62305 presenta pautas para la eleccin del material ms adecuado para construir el sistema. 4. EJEMPLO DE APLICACIN Como ejemplo, se aplicarn las normas internacionales de proteccin contra descargas atmosfricas al edificio del programa de ingeniera Elctrica de la Universidad Tecnolgica de Pereira. Los planos empleados para el anlisis fueron suministrados por la oficina de planeacin de esta universidad.

Tabla 1. Relacin entre el nivel de proteccin y la clase del LPS.

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Figura 4. Fachada norte del Edificio de Ingeniera Elctrica.

4.1 Seleccin del Nivel de Proteccin Para determinar el nivel de proteccin es necesario realizar una evaluacin del riesgo. La informacin de las siguientes tablas se emplea para tal fin. Magnitud Longitud Ancho Altura del Plano del Techo Altura del Punto ms Alto rea Valor 57.22 32.58 7.4 11,3 1864,23 Unidad m m m m mFigura 5. Das tormentosos en Pereira.

Perdida de Vidas Humanas Riesgos Especiales a la Vida Perdidas de vida por Fuego Perdidas de vida por Sobrevoltaje

Valor Bajo nivel de pnico Educativo Bajo

Tabla 7. Categora de Prdidas Humanas.

Tabla 3. Dimensiones del Edificio de Ingeniera Elctrica.

Concepto Riesgo de Fuego o Dao Fsico Efectividad del Apantallamiento Instalacin Elctrica Interior

Valor Bajo Promedio No Apantallada

Perdida de Servicios Esenciales Perdidas de Servicio por Fuego Perdidas de Servicio por sobrevoltaje

Valor No existe No existe

Tabla 8. Categora de Perdida de Servicios Esenciales

Tabla 4.Atributos del Edificio de Ingeniera Elctrica.

Perdida Culturales Perdidas culturales por fuegoTabla 9. Categora de Prdidas Culturales.

Valor Ninguna

Concepto Tipo de Servicio Tipo de Cable Externo Transformadores de Aislamiento Nmero de Servicios Tipo de Cable InternoTabla 5. Servicios de la Estructura.

Valor Areo No Apantallado Ninguno 3 No apantallado

Perdida de Vidas Humanas Riesgos Econmicos Especiales Perdidas Econmicas por Fuego Perdidas Econmicas por sobrevoltaje Factor de Perdidas Toque-Paso Riesgo Tolerable de Perdidas Econmicas

Valor Ninguno Educativo Educativo Interno-Externo 1 en 1000

Concepto Edificios de los Alrededores Localizacin Nivel cerunicoTabla 6. Influencias Ambientales

Valor Similares en Altura Urbana 130 das/ao

Tabla 10. Categora de Prdidas Econmicas.

Con esta informacin, y teniendo en cuenta las categoras de perdida que tiene una edificacin que presta un servicio educativo, se calculan los riesgos. Categora de Perdidas Perdidas Humanas Perdidas de Servicios Esenciales Perdidas Culturales Perdidas EconmicasTabla 11. Riesgos Calculados.

El nivel cerunico representa el nmero de das tormentosos por ao. Para el caso de Pereira la siguiente tabla suministrada por el IDEAM permite encontrar este nivel.

Riesgos Tolerables 1 10 5

Riesgos Calculados 2.8 10 7 0 0

1 10 3 1 10 1 10 33

2.59 10 5

168 Del anlisis de riesgos previamente realizado, se obtiene que para la proteccin de la estructura se necesita un nivel de proteccin I. 4.2 Posicionamiento del sistema de Proteccin Aplicando el mtodo de la esfera rodante, con un radio de 20m para una clase de proteccin I y con base en la disposicin del techo, se encuentra que todas las aristas de esta estructura deben ser protegidas contra rayos. 4.3 Tipo de Sistema El techo de esta edificacin est construido en concreto (no es inflamable). Debido a esto el los conductores del sistema de proteccin no necesitan aislamiento fsico, es decir, el sistema de proteccin no es aislado. 4.4 Material Constructivo De los materiales propuestos por [2], el cobre presenta las mejores caractersticas elctricas, mecnicas. Por lo tanto el sistema de proteccin areo consta de una malla que recorre las aristas del techo con conductores de cobre de calibre 1/0 de 8mm de dimetro. Un conductor de las mismas caractersticas ubicado en el alern del techo, rodea la estructura y une la malla con los bajantes estableciendo equipotencialidad. Para el nivel de aislamiento obtenido, la distancia entre los conductores indicada por [2] para el sistema de bajantes es de 10m. Aprovechando las caractersticas estructurales de la edificacin; las bajantes se ubican en las 4 esquinas y puntos intermedios del edificio. Concepto Posicionamiento Tipo de Sistema Material Constructivo Separacin Bajantes Longitud Bajantes Valor Aristas del Techo No Asilado Cobre Desnudo 1/0 10 m 5.5 m

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5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Los contornos pronunciados de las edificaciones, segn el mtodo de esfera rodante, son las superficies ms propensas a recibir descargas atmosfricas. Este concepto debe ser tenido en cuenta en el momento de construir las edificaciones disminuyendo el riesgo de prdidas humanas y econmicas. Por sus caractersticas constructivas, un sistema de proteccin contra descargas atmosfricas es viable econmicamente si se tienen en cuenta los perjuicios que podra causar un rayo. Nuestra regin tiene uno de los niveles cerunicos ms altos, comparado con otras regiones del pas, lo que justifica que se realicen inversiones para minimizar el riesgo de daos por descargas atmosfricas. El diseo presentado no sera funcional sin un sistema de puesta a tierra efectivo que permita disipar las descargas atmosfricas. Esto hace que el sistema de puesta a tierra se convierta en la parte ms importante de la proteccin de edificaciones y sea la nica parte del sistema completo de proteccin contra rayos que es tenida en cuenta en la normatividad. Metodologas como las presentadas en este artculo deberan ser tenidas en cuenta en [3] con el objetivo de brindar an ms proteccin a los seres vivos, equipos y estructuras. 6. BIBLIOGRAFA [1] NTC 4550, Norma Tcnica de Proteccin Contra Rayos, 1999. IEC62305, Protection Against Lighting, 2005.

[2]

Tabla 12. Diseo para el edificio del programa de Ing. Elctrica.

[3]

RETIE, Reglamento Tcnico de Instalaciones Elctricas, 2005. TORRES, H. Evaluacin de Normas Tcnicas de Proteccin Contra Rayos. UNAL, 2000.

Estructuras metlicas como escaleras, rejas u otras se conectan al sistema de bajantes para brindar una ruta de conduccin en caso de una descarga. La figura 4 muestra la disposicin del sistema de proteccin externo.

[4]

Figura 6. Disposicin del sistema de proteccin externo.