República Bolivariana de VenezuelaVicerrectorado AcadémicoUniversidad “Fermín Toro”

Facultad de Ingeniería

Integrantes:Corazón MonasteriosYusmeri DuranPROF: ING. Andres Soto

Sistemas de descargas

atmosféricas para el Torre Sears, U.S.A

INTRODUCCIÓN

Las descargas atmosféricas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas eléctricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas. A consecuencia de ello, pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metálicas, y entre conductores que conectan dos zonas aisladas. Pero, aún sin la descarga, una nube cargada electrostáticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente debajo de ella. 

La descarga conocida como rayo, es la igualación violenta de cargas de un campo eléctrico que se ha creado entre una nube y la tierra o, entre nubes. Los rayos que nos interesan por su efecto, son los de nube a tierra, y en éstos se pueden encontrar 4 tipos: 2 iniciados en las nubes, y 2 iniciados en tierra, ya que pueden ser positivos o negativos. Los más comunes, siendo el 90 % de los rayos detectados, son de una nube negativa hacia tierra.

SEARS

En 1969, Sears era la empresa minorista, Sears contrato a Skidmore, Owings and Merrill (SOM) para producir una estructura que se convertiría en uno de los edificios de oficinas más altos del mundo. El equipo del arquitecto Bruce Graham y el ingeniero Fazlur Khan diseñaron el edificio como 9 "tubos" cuadrados, cada uno, esencialmente un edificio separado cada uno, Todos, los 9 tubos se alzarian hasta el piso número 50 del edificio. En ese piso, los tubos noroeste y sudoeste terminan, y los otros 7 continúan subiendo. En el piso número 66, los tubos noreste y sudoeste terminan. En el 90, los tubos norte, este, y sur. Los tubos que quedan (centro y oeste) siguen hasta el 108.Como Sears, continuaba teniendo optimistas planes de crecimiento, la altura propuesta para la torre avanzó hasta más de 100 pisos y sobrepaso la altura del incompleto World Trade Center en Nueva York que se convertiría en el edificio más alto del mundo. Restringido en altura por un límite impuesto por la Federal Aviation Administration (FAA) para proteger el tráfico aéreo, la torre sears fue financiada por la compañía. Se le agregaron 2 antenas para permitir la difusión de televisión y radio. Sears y la ciudad de Chicago aprobaron el diseño, y el primer steel fue puesto en abril de 1971. La estructura fue completada en mayo de 1973. La construcción costo aproximadamente $150 millones de dólares de esa época, que serían el equivalente a $950 millones de dólares en el 2005. En comparación el Taipei 101, construido en Taiwán en el 2004, costo alrededor del equivalente a $1.76 billiones de dólares del 2005.

DATOS DEL TAIPÉI 101

Ubicación: Chicago, Illinois, EUA Construcción: 1970-1974 Altura: Antena: 527 m (1720 pies),Techo: 442 m (1450 pies),Último Piso: 412 m (1355 pies) Cantidad de Pisos: 110 Area de Piso: 4.56 millones de pies cuadrados (418,064 m² ) Elevadores: 104 Arquitecto: Skidmore, Owings & Merrill.. Por: Andres Pineda VillaVizar, para Arquitectura y construccion en ARQHYS.com

CLIMA EN TAIPÉI

El clima en Chicago se define como clima continental y por consiguiente es muy variado, ya que en verano se pueden registrar temperaturas máximas entre 25 y 30 °C, y mínimas desde 10 hasta 15 °C. En invierno las temperaturas máximas abarcan desde los -15° hasta los 0 °C y las mínimas desde los -25 °C hasta los -10 °C. El lago sólo atempera el clima levemente. Las precipitaciones máximas se concentran en los meses de primavera y verano, siendo agosto el mes más húmedo en general; aunque las precipitaciones están repartidas a lo largo de todo el año. Las nevadas o ventiscas son frecuentes durante finales del otoño, y el invierno y pueden ser muy intensas, al encontrarse en pleno subcontinente norteamericano, y cerca de las tierras de Canadá.Debido a lo llano de la zona, se ha de guardar el agua de lluvia en cisternas que funcionan como depósitos subterráneos de forma temporal, en un sistema conocido como TARP (Tunnel and Reservoir Program) que cuenta con 168 km. de túneles, a una profundidad de entre 90 y 100 metros, con un diámetro de entre 3 y 11 metros, con capacidad para un millón de m3. cada uno.

SISTEMAS DE PROTECCIÓN PARA

DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Los métodos para proteger los sistemas de transmisión contra las interrupciones debidas a descargas atmosféricas son: •  Conductores aéreos de tierra. • Tubos de expulsión.Se persiguen dos objetivos: protección contra largas interrupciones, reducción del número de interrupciones momentáneas causadas por descargas atmosféricas. Ambos objetivos no son siempre compatibles, de modo que en algunos casos la protección contra daños debe realizarse a expensas del número de interrupciones y viceversa.Los conductores de tierra y tubos de expulsión proporcionan la protección contra daños y la reducción de las descargas a tierra; pero ambos ocasionan un considerable aumento en el coste de la línea.

CONDUCTORES AÉREOS DE TIERRA (CABLES DE TIERRA)

Hoy día se está de acuerdo en que, para que la protección con cables de tierra sea efectiva, es necesario que estos cables apantallen a todos los conductores de la línea, que la resistencia de puesta a tierra sea baja, que el aislamiento sea relativamente elevado y que, en general, la distancia entre los cables de tierra y los de línea sea algo mayor de la que se acostumbraba hace algunos años.

TUBOS PROTECTORES

Son considerados como equivalentes al cable de tierra para protección contra daños e interrupciones, con tal que se instalen en todas las estructuras de apoyo de la línea. Los tubos, han sido experimentados durante pocos años; se ha obtenido un excelente resultado. Se han aplicado en pocos casos para tensiones superiores a 110 kv, y se ha restringido su uso en que la intensidad de corto circuito es especialmente elevada. No se han construido estos tubos para las tensiones más altas, siendo especialmente convenientes para protección a tensiones menos elevada. La ventaja de la protección con tubos se apreciaría si se efectuase un serio intento de reducir las descargas a tierra en una línea, hasta una cifra determinada; una línea de 44 kv. Estudiada para 5 descargas anuales, por ejemplo, resultaría en distancias, estructura y aislamiento parecida a una línea de 110 kv.En líneas de 26 kv. Se ha aplicado con éxito el sistema de equipar uno de los conductores con tubos de protección, usándolo para apantallar a los demás conductores.

APANTALLAMIENTO

La posición relativa de los conductores de tierra y de la línea para obtener el apantallamiento completo ha sido motivo de algunas discusiones. Algunos especialistas han sugerido que los conductores exteriores quedasen dentro de una línea que, pasando por el cable de tierra, forme un ángulo de 20º con la vertical. Los conductores interiores, situados entre dos cables de tierra, quedan protegidos aun en el caso de que los conductores de tierra resulten muy distantes. La experiencia en el tipo representado en la figura 5 demuestra que el apantallamiento es completo dentro de una zona limitada por líneas pasando por los cables de tierra con una inclinación de uno (vertical) por dos (horizontales). Este tipo de apantallamiento parece ser el único que ofrece posibilidades de conseguir protección completa, es decir, líneas a prueba de rayo en tensiones relativamente bajas.

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La separación necesaria entre los conductores de tierra y los de línea para asegurar que una descarga que haya alcanzado un conductor de tierra no salte a los conductores de línea, se denomina separación en el centro del vano. Esta separación es considerablemente inferior a la correspondiente a la plena tensión del rayo, gracias al potencial del mismo siglo inducido en los conductores aislados paralelos.El valor de esta tensión inducida y la consiguiente reducción de diferencia de potenciales, viene determinado por una serie de factores, entre los cuales figuran la distancia entre los conductores de servicio y los de tierra, la altura sobre el plano del terreno y la tensión en el cable de tierra. La tensión del cable de tierra aun sufre otra reducción gracias a una sucesión de ondas reflejadas, extraordinariamente rápidas, procedentes de las torres adyacentes. Esta reducción se realiza rápidamente en vanos cortos que en vanos largos.

PARARRAYOS

La aplicación de pararrayos en sistemas con el neutro conectado a tierra es algo más difícil que en los sistemas con neutro aislado. Los pararrayos normales que figuran catalogados por sus constructores para uso en sistemas con el neutro directamente unido a tierra, tiene señalada una tensión nominal eficaz máxima (tensión de ruptura) del 80 % de la tensión eficaz máxima entre fases del sistema. Esta tensión no debería ser rebasada en caso de tensiones anormales ocasionadas por la pérdida de la carga o por sobre velocidad de los generadores. Los defectos a tierra, en determinadas condiciones, pueden ocasionar tensiones excesivas para los pararrayos

CONDUCTORES DE CONTRA PESO O CONTRA ANTENA

Tratando de disminuir la resistencia de las tomas de tierra o de conseguir un efecto equivalente, requisito necesario para el buen funcionamiento de la protección por cables de tierra, se ha recurrido a tender largos trozos de cable, enterrados, unidos a los pies de las torres. Este dispositivo se ha adoptado en terrenos rocosos o arenosos donde las varillas, placas o estacas usuales de toma de tierra resultan poco eficaces. Los conductores mencionados han sido denominados de contrapeso. Como indica su nombre, además de la reducción de la resistencia, se espera obtener alguna ventaja de la capacidad a tierra de los conductores y conseguir una reducción en la diferencia de potencial entre los conductores de línea y de tierra, debido a la inducción mutua entre los conductores de línea y los de tierra con los de contrapeso. Se calcula que dos conductores enterrados, paralelos, tendidos de torre a torre, han de producir una protección equivalente a la conseguida con tomas en tierra de 10 ohm, aun en casos de terrenos de alta resistividad.

IMÁGENES TORRE SEARS

Tubos, «Edificio por separados»

CÁLCULO ÍNDICE DE RIESGO EN ESTRUCTURA A EVALUAR PARA EL TORRE SEARS, U.S.A

El término Índice de Riesgo es comúnmente asociado a la estimación de la probabilidad de ocurrencia de algún evento no deseado, sin embargo definiré este mismo en el ámbito Pokerístico, a la capacidad o pre-disposición que tenemos en determinado momento para asumir algún tipo de riesgo a la hora de realizar o igualar una apuesta y que sin lugar a dudas juega un papel clave en la toma de decisiones.

Ir = A + B + C + D + E + F + G Este índice debe ser interpretado de la forma siguiente

• 0 - 30: Sistema de protección opcional.

• 31- 60: Se recomienda una protección.

• Más de 60: La protección es indispensable.

INDICE DE RIESGO:

INDICE DE RIESGO A:

USO AL QUE SE DESTINA LA ESTRUCTURA VALOR DEL ÍNDICE A

Casas y otras construcciones de tamaño similar. 2

Casas y otras construcciones de tamaño similar con antenas exteriores.

4

Industrias, talleres y laboratorios. 6

Edificios de oficina, hoteles, edificios de apartamentos. 7

Lugares de reunión, como iglesias, auditorios, teatros, museos, salas de exposición, tiendas por departamentos, oficinas de correos, estaciones, aeropuertos y estadios.

8

Escuelas, hospitales, guarderías infantiles y ancianatos. 10

INDICE DE RIESGO B:

TIPO DE CONSTRUCCIÓN VALOR DEL ÍNDICE B

Estructura de acero con techo no metálico. 1

Concreto forzado con techo no metálico 2

Ladrillo, concreto liso o albañilería, con techo no metálico de material incombustible.

4

Estructura de acero o concreto armado con techo metálico. 5

Estructura de madera o con revestimiento de madera con techo no metálico de material incombustible.

7

Ladrillo, concreto liso, albañilería, estructura de madera con techo metálico.

8

Cualquier construcción con techo de material combustible. 10

INDICE DE RIESGO C:

CONTENIDO O TIPO DEL INMUEBLE VALOR DEL ÍNDICE C

Inmuebles residenciales oficinas, industrias y talleres con contenido de poco valor, no vulnerable al fuego.

2

Construcciones industriales o agrícolas que contienen material vulnerable al fuego.

5

Plantas y subestaciones eléctricas y de gas, centrales telefónicas y estaciones de radio y televisión.

6

Plantas industriales importantes, monumentos y edificios históricos, museos, galerías de arte y construcciones que contengan objetos de especial valor.

8

Escuelas, hospitales, guarderías y lugares de reunión. 10

INDICE DE RIESGO D:

GRADO DE AISLAMIENTO VALOR DEL ÍNDICE D

Inmuebles localizados en un área de inmuebles o árboles de la misma altura, en una gran ciudad o bosque.

2

Inmuebles localizados en un área con pocos inmuebles de la misma altura.

5

Inmueble completamente aislado que excede al menos dos veces la altura de las estructuras o árboles vecinos.

10

INDICE DE RIESGO E:

TIPO DE TERRENO VALOR DEL ÍNDICE E

Llanura a cualquier altura sobre el nivel del mar. 2

Zona de colinas. 6

Zona montañosa entre 300 y 1000 m. 8

Zona montañosa por encima de 1000 m. 10

INDICE DE RIESGO F:

ALTURA DE LA ESTRUCTURA VALOR DEL ÍNDICE F

Hasta 9 m. 2

de 9 m a 15 m. 4

de 15 m a 18 m. 5

de 18 m a 24 m. 8

de 24 m a 30 m. 11

de 30 m a 38 m. 16

de 38 m a 46 m. 22

de 46 m a 53 m. 30

INDICE DE RIESGO G:

NÚMERO DE DÍAS DE TORMENTAS POR AÑO

VALOR DEL ÍNDICE G

Hasta 3. 2

de 3 a 6. 5

de 6 a 9. 8

de 9 a 12. 11

de 12 a 15. 14

de 15 a 18. 17

de 18 a 21. 20

más de 21. 21

Según las tablas anteriormente expuestas se obtiene lo siguiente:

A =7 Para Edificios de oficina, edificios de apartamentos.

B =5 Para una Estructura de acero o concreto armado con techo metálico.

C =6 Para Plantas y subestaciones eléctricas, centrales telefónicas.

D =5 Inmuebles localizados en un área con pocos inmuebles de la misma altura.

E =8 Zona montañosa entre 300 y 1000 m.

F =30 Para una altura comprendida de 46m a 53m.

G =14 Para un numero de tormentas al año de mas de 21.

Ir =75. Más de 60: La protección es indispensable. Por lo calculado es condición necesaria instalar un sistema de protección con pararrayos.

SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS PARA LA TORRE

SEARS

Según los análisis y cálculos realizados se recomienda instalar un sistema de protección utilizando un pararrayos. Esto para prevenir y evitar de que en presencia de una tormenta eléctrica la estructura de Sears se vea afectada. Como buenos ingenieros hay que tener en cuenta que siempre hay una primera vez por tanto no está demás la instalación de un pararrayos. Además de que según los cálculos realizados, en este caso el índice de riesgo, nos dan la alternativa de instalar un sistema de protección de pararrayos poco complejo, ya que como se dijo anteriormente este país cuenta con un clima muy árido en todo el año, más resaltante dependiendo del mes.El sistema más sencillo y más antiguo de pararrayos, es el que consiste en terminales aéreas de cobre, bronce o aluminio anodizado terminadas en punta, llamadas puntas Franklin, colocadas sobre las estructuras a proteger de los rayos. Este sistema es el escogido para la protección de La Torre Sears.

Para asegurarnos de una buena conexión y de una baja impedancia, se colocaran por lo menos dos terminales en la edificación, en este caso en el mástil que excede al techo en 60 metros, cada una debe tener una trayectoria distinta a tierra, y estas trayectorias deben estar cuando más a 30 m de separadas entre sí. Dichas trayectorias se realizaran apoyándose en la estructura de acero que cubre a la edificación.De acuerdo con el estándar NFPA 780 (Estándar para la instalación de sistemas de protección contra rayos), existen dos clases de materiales: los materiales clase I se utilizan para la protección de estructuras que no exceden de 23 m de altura, y, los materiales clase II, las estructuras que si exceden dicha altura. Por esa razón se utilizarán los materiales de clase II.

Clase I Clase II

Terminales Aéreas, diá (mm)

 9,5 Cobre, 12,7 Aluminio 12,7 Cobre

Conductor principal, peso 278 g/m Cu, 141 g/m Al 558 g/m Cu, 283 g/m Al

Calibre 29 mm2 Cu, 50 mm2 Al 58 mm2 Cu, 97 mm2 Al

tamaño mínimo de alambre

17 AWG Cu, 14 AWG Al 15 AWG Cu, 13 AWG Al

CONSIDERACIONES DEL SISTEMA

Los tamaños de los conductores a utilizar son: 29 ó 32  hilos calibre 17 (65,6 cm) de cobre para conductores de uniones, 28 hilos calibre 14 o más grueso de cobre  para conductores principales. Al respecto de la trayectoria, la NOM dice que cualquier parte metálica no conductora de corriente a una distancia menor de 1,8 m del cable de los pararrayos debe tener puentes de unión a éste para igualar potenciales y prevenir arqueos.Por otra parte, este sistema contempla la utilización de electrodos gruesos por lo menos 20 cm de diámetros, instalados en el fondo del más en los alrededores de la isla artificial donde está construido el hotel, deben ser por lo menos dos varillas espaciadas a mas de 3 metros, por tratarse de un suelo arenoso. Deben ser de cobre para evitar la corrosión.Los cables serán guiados desde el pararrayo hasta los electrodos, a través de un tubo de conducción unido a la misma estructura externa del hotel y luego cuando llegan al final se envían al fondo del mar mediante la utilización de pesas acondicionadas para proteger el cable y no corroerlo, estas pueden ser fabricadas de hormigón (material de la estructura interna de la Torre Sears.

Pararrayo Cable de cobreCable de cobre

Spat insertado en el suelo

CONCLUSIONES

Luego de haber realizado un estudio bastante detallado, considerando las características del terreno e igualmente de la edificación a proteger como lo es la torre Sears, se obtuvo como resultado un índice de riesgo bastante elevado, el cual nos indica la utilización obligatoria de un sistema puesta a tierra que nos garantice la protección de posibles descargas atmosféricas, las cuales son inclementes e impredecibles presentes en dicha zona.No obstante, analizando la probabilidad de ocurrencias de dichas descargas en la localidad, se establece partiendo del tipo de clima de Chicago en donde se encuentra nuestra estructura a proteger (Torre Sears). Es por ello que se planteo implementar un sistema de protección relativamente sencillo y de uso común como lo es el pararrayo. Este pararrayo estará situado en el punto mas elevado (techo)de la edificación.

Gracias a este sistema de protección, el cual puede considerarse sencillo pero bastante eficaz, es posible proteger la Torre Sears de descargas atmosféricas, de tal manera evitar graves danos que representan grandes perdidas materiales representados en costos monetarios, y lo menos indeseado como lo es perdidas humanas.