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Scientia et Technica Ao XII, No 32, Diciembre de 2006. UTP. ISSN 0122-1701 165

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

PROTECCIN EXTERNA DE EDIFICACIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS

RESUMENEl presente documento tiene como objetivo mostrar el diseo de un sistema parala proteccin de edificaciones contra descargas atmosfricas. Para laimplementacin de esta metodologa se emplea como caso de estudio el edificiodel programa de ing. Elctrica.

PALABRAS CLAVES: Sistema de proteccin contra descargas atmosfricas,puesta a tierra.

ABSTRACTThis document has as objective to show the development of the IEC62305 norm

to protect buildings against lighting. For implementation of this methodology isused like case of study the electrical engineering building.

KEYWORDS:Lighting protection system, ground.

MARCELO ARBELAEZ G.Ingeniero ElectricistaProfesorUniversidad Tecnolgica de [email protected]

JORGE HUMBERTO SANZ A.Ingeniero ElectricistaProfesor AsociadoUniversidad Tecnolgica de [email protected]

1. INTRODUCCIN

Las descargas atmosfricas son eventos naturales sobrelos cuales el hombre no tiene ninguna potestad yrepresentan un factor que pone en riesgo la seguridad delos seres vivos y el adecuado funcionamiento de losdispositivos, equipos y sistemas elctricos y electrnicos.

Cada pas ha buscado solucionar el problema de laproteccin contra rayos. Como producto de esto, se hadiseado normas como la IEC62305 de carcterinternacional y NTC4552 para el caso colombiano quecontaron con las experiencias de diferentes instituciones.

En el caso de nuestra regin, poco se ha trabajado estatemtica en los grupos de investigacin lo que ha dejadoa este importante un rea como un tema de la ingenieraelctrica de poca aplicacin donde las proteccionesimplementadas brindan una proteccin muy pobre oninguna, se hace necesario exponer la forma deimplementar las normas existentes para el diseo desistemas apropiados para la proteccin contra rayos.

Con el diseo del sistema de proteccin contra descargas

atmosfricas del edificio del programa de IngenieraElctrica, se pretende mostrar en detalle la aplicacin delos conceptos bsicos de proteccin.

2 SISTEMA INTEGRAL DE PROTECCINCONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS (LPS)

El objetivo fundamental del sistema de proteccin contradescargas atmosfricas es el de brindar resguardo a unaestructura contra daos fsicos y lesiones a los seres vivosdebido a los voltajes de toque y a los voltajes de paso.

El sistema de proteccin se divide en dos partesfundamentales: El sistema de proteccin externo, y elsistema de proteccin interno.

Proteccin Interna

LPS

Protecc in ExternaGua de Seguridad

PersonalSistema d e A larma

Captura Bajantes Puesta a Tierra

Figura 1. Elementos de un Sistema Integral de proteccin.

2.1 Sistema de Proteccin Externo

Este sistema previene las peligrosas chispas que sepueden producir en el momento de una descarga y ponenen riesgo la integridad de personas, animales y equipos.

Los propsitos de construir un sistema de proteccinexterno son:

1. Interceptar una descarga atmosfrica directa sobre laestructura.

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 sepueden producir en el momento de una descarga y ponenen riesgo la integridad de personas, animales y equipos

en la parte interna de la estructura.


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Las chispas pueden ocurrir entre el LPS y otroscomponentes como:

Instalaciones metlicas.

Sistemas Elctricos.

Partes externas conductivas y lneas conectadasa las estructura.

3. METODOLOGA DE IMPLEMENTACIN DEUN LPS

Evaluacin del Riesgo

Definicin de la Clase deProteccin

Posicionamiento del LPS

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 elsistema de proteccin (LPL) debe ser integral, es decir, sinecesita o no de todos sus elementos. Para realizar unavaloracin del riesgo, se tienen en cuenta factores de tipoestructural, ambiental, influencias de estructurasadyacentes, servicios adicionales y cuatro categoras de

prdidas: Prdidas Humanas, Prdidas de ServiciosEsenciales, Prdidas de Herencia Cultural y Prdidaseconmicas.Con esta informacin, elIEC lightning Risk

Assessment realiza los clculos correspondientes paraencontrar el factor de riesgo y el nivel de proteccinrequerido.

3.2 Definicin de la Clase de Proteccin

Para cada nivel de proteccin (LPL) se tiene una clasecomo se muestra en la siguiente tabla.

LPL Clase de LPSI III IIIII IIIIV IV

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

3.3 Posicionamiento del LPS

Existen varios mtodos sugeridos por diferentes normaspara determinar las reas donde debe ser protegida laestructura. Se emplear el mtodo de la esfera rodantesiguerdo por [1] para posicionar el sistema de

proteccin. El radio que debe tener la esfera depende dela clase del sistema de proteccin. La siguiente tablamuestra la relacin.

Clase deLPS

Radio (m)

I 20II 30III 45IV 60

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

LPS.

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

Figura 3 Posicionamiento del sistema de proteccin externo.

3.4 Construccin

Diferentes materiales y componentes pueden formar partedel sistema de proteccin externo. Los llamadoscomponentes naturales son elementos que por suconstitucin fsica pueden ser usados para formar talsistema. La norma IEC62305 presenta pautas para la

eleccin del material ms adecuado para construir elsistema.

4. EJEMPLO DE APLICACIN

Como ejemplo, se aplicarn las normas internacionalesde proteccin contra descargas atmosfricas al edificiodel programa de ingeniera Elctrica de la UniversidadTecnolgica de Pereira.

Los planos empleados para el anlisis fueronsuministrados por la oficina de planeacin de estauniversidad.


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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 necesariorealizar una evaluacin del riesgo. La informacin de lassiguientes tablas se emplea para tal fin.

Magnitud Valor UnidadLongitud 57.22 m

Ancho 32.58 mAltura del Plano del Techo 7.4 mAltura del Punto ms Alto 11,3 mrea 1864,23 m

Tabla 3. Dimensiones del Edificio de Ingeniera Elctrica.

Concepto ValorRiesgo de Fuego o Dao Fsico BajoEfectividad del Apantallamiento PromedioInstalacin Elctrica Interior No Apantallada

Tabla 4.Atributos del Edificio de Ingeniera Elctrica.

Concepto ValorTipo de Servicio AreoTipo de Cable Externo No ApantalladoTransformadores deAislamiento

Ninguno

Nmero de Servicios 3Tipo de Cable Interno No apantallado

Tabla 5. Servicios de la Estructura.

Concepto ValorEdificios de los Alrededores Similares en Altura

Localizacin UrbanaNivel cerunico 130 das/ao

Tabla 6. Influencias Ambientales

El nivel cerunico representa el nmero de dastormentosos por ao. Para el caso de Pereira la siguientetabla suministrada por el IDEAM permite encontrar estenivel.

Figura 5. Das tormentosos en Pereira.

Perdida de Vidas Humanas ValorRiesgos Especiales a la Vida Bajo nivel de pnicoPerdidas de vida por Fuego EducativoPerdidas de vida por

SobrevoltajeBajo

Tabla 7. Categora de Prdidas Humanas.

Perdida de Servicios Esenciales ValorPerdidas de Servicio por Fuego No existePerdidas de Servicio porsobrevoltaje

No existe

Tabla 8. Categora de Perdida de Servicios Esenciales

Perdida Culturales ValorPerdidas culturales por fuego Ninguna

Tabla 9. Categora de Prdidas Culturales.

Perdida de Vidas Humanas ValorRiesgos Econmicos Especiales NingunoPerdidas Econmicas por Fuego EducativoPerdidas Econmicas porsobrevoltaje

Educativo

Factor de Perdidas Toque-Paso Interno-ExternoRiesgo Tolerable de PerdidasEconmicas

1 en 1000

Tabla 10. Categora de Prdidas Econmicas.

Con esta informacin, y teniendo en cuenta las categorasde perdida que tiene una edificacin que presta unservicio educativo, se calculan los riesgos.

Categora de PerdidasRiesgos

TolerablesRiesgos

CalculadosPerdidas Humanas 51 10 72.8 10 Perdidas de ServiciosEsenciales

31 10 0

Perdidas Culturales 31 10 0Perdidas Econmicas 31 10 52.59 10

Tabla 11. Riesgos Calculados.


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Del anlisis de riesgos previamente realizado, se obtieneque para la proteccin de la estructura se necesita unnivel de proteccin I.

4.2 Posicionamiento del sistema de Proteccin

Aplicando el mtodo de la esfera rodante, con un radio de20m para una clase de proteccin I y con base en ladisposicin del techo, se encuentra que todas las aristasde 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 delsistema de proteccin no necesitan aislamiento fsico, esdecir, el sistema de proteccin no es aislado.

4.4 Material Constructivo

De los materiales propuestos por [2], el cobre presenta lasmejores caractersticas elctricas, mecnicas. Por lo tantoel sistema de proteccin areo consta de una malla querecorre las aristas del techo con conductores de cobre decalibre 1/0 de 8mm de dimetro. Un conductor de lasmismas caractersticas ubicado en el alern del techo,rodea la estructura y une la malla con los bajantesestableciendo equipotencialidad.

Para el nivel de aislamiento obtenido, la distancia entrelos conductores indicada por [2] para el sistema de

bajantes es de 10m. Aprovechando las caractersticasestructurales de la edificacin; las bajantes se ubican enlas 4 esquinas y puntos intermedios del edificio.

Concepto ValorPosicionamiento Aristas del TechoTipo de Sistema No AsiladoMaterial Constructivo Cobre Desnudo 1/0Separacin Bajantes 10 mLongitud Bajantes 5.5 m

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

Estructuras metlicas como escaleras, rejas u otras se

conectan al sistema de bajantes para brindar una ruta deconduccin en caso de una descarga.

La figura 4 muestra la disposicin del sistema deproteccin externo.

Figura 6. Disposicin del sistema de proteccin externo.

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Los contornos pronunciados de las edificaciones, segnel mtodo de esfera rodante, son las superficies ms

propensas a recibir descargas atmosfricas. Este conceptodebe ser tenido en cuenta en el momento de construir lasedificaciones disminuyendo el riesgo de prdidashumanas y econmicas.

Por sus caractersticas constructivas, un sistema deproteccin contra descargas atmosfricas es viableeconmicamente si se tienen en cuenta los perjuicios que

podra causar un rayo.

Nuestra regin tiene uno de los niveles cerunicos msaltos, 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 depuesta a tierra efectivo que permita disipar las descargasatmosfricas. Esto hace que el sistema de puesta a tierrase convierta en la parte ms importante de la proteccinde edificaciones y sea la nica parte del sistema completode proteccin contra rayos que es tenida en cuenta en lanormatividad.

Metodologas como las presentadas en este artculodeberan 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 ContraRayos, 1999.

[2] IEC62305, Protection Against Lighting, 2005.

[3] RETIE, Reglamento Tcnico de InstalacionesElctricas, 2005.

[4] TORRES, H. Evaluacin de Normas Tcnicas deProteccin Contra Rayos. UNAL, 2000.

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