Protección de Edificaciones Daños físicos a estructuras y amenazas a la vida. Guillermo Aponte M. Medellín, Julio de 2009

Transcripción

1 Protección de Edificaciones Daños físicos a estructuras y amenazas a la vida Guillermo Aponte M. Medellín, Julio de 2009

2 NTC 4552 Parte 3: daños físicos a estructuras y amenazas a la vida Esta parte de la norma esta relacionada con la protección de una estructura contra daños físicos y la protección contra lesiones a seres vivos debido a tensiones de paso y de contacto.

3 NTC 4552 Parte 3: daños físicos a estructuras y amenazas a la vida Sistema de protección contra rayos SIPRA. Sistema de protección externo SPE Sistema de protección interno. Mantenimiento e inspección del SIPRA. Medidas de protección contra tensiones de contacto y de paso.

5 Sistema Integral de Protección Contra Rayos SIPRA Sistema Integral usado para reducir los daños físicos que pueden ser causados por el rayo a un ser vivo o a una estructura. Consiste en sistemas de protección externa e interna, además de medidas de seguridad y protección personal contra rayos.

6 SIPRA

7

9 Sistema de protección externa Está compuesto por un sistema de puntas de captación (pararrayos tipo bayoneta), un sistema de conductores bajantes y un sistema de puesta a tierra.

10 Sistema de protección externa

11 Protección externa

12 Tipos de protección externa Existen dos tipos de protección externa, uno aislado eléctricamente de la estructura y otro unido directamente a la misma. La decisión de qué tipo de sistema se debe utilizar depende del riesgo de efectos térmicos o explosivos en el punto de impacto del rayo y del tipo de elementos almacenados en la estructura. Algunos ejemplos típicos para usar una protección aislada son en estructuras con paredes combustibles y en áreas con peligro de explosión.

13 Sistema de captación (Interceptación)

14 Captación Bayonetas (incluyendo mástiles autosoportados) Cables colgantes. Mallas captadoras. Si están en la estructura, deben ubicarse en las esquinas, puntos expuestos sobresalientes y bordes, con una altura saliente no menor a 0.25 m.

15 Bayonetas

16 Bayonetas

17 Bayonetas Barra de elevación A A Cable No 2 Base Conector Abrazadera Cable

18 Bayonetas Punta Hacia el interior del edificio Altura Longitud total Alfajía Punta Muros Alfajía Posición del anillo sobre la alfajía Vacío CORTE Hacia el exterior del edificio PLANTA

19 Bayonetas Punta Altura Longitud total Punta Conducor en forma de anillo

20 Mástiles

21 Mástiles autosoportados

22 Mástiles autosoportados

23 Mástiles autosoportados y cable 1. Mástil 2. Estructura Protegida 3. Área protegida sobre plano de referencia 4. Cable horizontal aéreo s1, s2 separación de distancias de acuerdo con el numeral 6.3

24 Mástiles autosoportados y cable

25 Método del enmallado

26 Mallas captadoras SPT (1) B(1) ENLACE ENTRE ANILLOS P(1) P(4) ANILLO (1) ANILLO (2) P (2) P(3) ENLACE ENTRE ANILLOS B(2) SPT (2)

27 Método del enmallado 0,25 m 0,25 m 2,00 m 2,00 m 2,00 m Radio de curvatura mayor a 0,2 m 2,00 m CONVENCIONES Grapa de cobre Elemento captador en forma de anillo

28 Método del enmallado Conductor de sección transversal 33,62 mm² Tornillo golozo galvanizado de 1/4" x 1" Chazo plástico de 1"

29 Dimensiones del enmallado para diferentes niveles de protección Nivel de Protección Malla [m] I 5*5 II 10*10 III 15*15 IV 20*20

30 Ubicación de la captación Método de la esfera rodante. Método de ángulo de protección. Método de enmallado (para superficies planas como techos y terrazas).

31 Distancia de rompimiento

32 Método de la esfera rodante

34 Método de la esfera rodante OBJETO PROTECTOR Objeto a proteger Área de cubrimiento del objeto protector rs

35 Método de la esfera rodante rs OBJETOS PROTECTORES rs rs rs

36 Método de la esfera rodante Radio de la esfera, según la norma NTC

37 Método de la Esfera Rodante

40 Método de la esfera rodante P(1) P(2)

41 Método de la esfera rodante P(1) P(3) DISTANCIA CRÍTICA 1 DISTANCIA CRÍTICA

42 Método de la esfera rodante Conductor en forma de anillo Conductor en forma de anillo Curvas de protección Elevación del muro (antepecho) Nivel de la cubierta

43 Método electrogeométrico L= Rs 2 2 (Rs Hg ) Rs (Rs Hf ) 2 2

44 Valores máximos del radio de la esfera rodante según el Nivel de Protección Nivel de Protección Radio de la esfera (r sc )[m] Nivel I 35 Nivel II 40 Nivel III 50 Nivel IV 55

45 Método del Ángulo de Protección El método del ángulo de protección es una simplificación del método de la esfera rodante, en donde para una altura relativa dada, existe un ángulo de protección de la terminal de captación la cual puede determinarse mediante la siguiente figura.

46 Método del ángulo de protección

47 Método del ángulo de protección

48 Uso de una varilla del sistema de captación

49 Captación mediante varias varillas

50 Protección por los costados (>55m)

51 Construcción Los sistemas de captación no aislados usados para proteger una estructura pueden ser instalados como sigue: Si el techo está hecho de materiales no combustibles los elementos del sistema de captación pueden ser instalados sobre la superficie del techo.

52 Captación para la protección de una chimenea

53 Construcción Si el techo está hecho de material de fácil combustión, es necesario considerar cierta precaución con respecto a la dista entre los elementos conductores del sistema de captación y el techo. Para techos cubiertos de paja donde no tiene estructuras de acero se considera adecuada una distancia no menor a 0,12 m. Para otros materiales combustibles se debe considerar una distancia menor no inferior a 0,10 m.

54 Captación sobre un techo

55 Construcción Las partes fácilmente combustibles de las estructuras no deben permanecer en contacto directo con ninguna parte de las componentes del sistema de protección externo y no debe estar debajo de ninguna lámina metálica que pueda ser perforada por un rayo (véase el numeral 5.2.4). También se debe tener cuidado con láminas menos combustibles como las de madera.

56 Componentes naturales Las siguientes partes de la estructura podrían ser consideradas como parte natural del sistema de captación: a) Cobertizos metálicos que cumplan las siguientes condiciones: - Continuidad eléctrica garantizada y durable entre sus partes (ejemplo: soldadura, grapas o abrazaderas metálicas, atornilladas, etc). - Espesor suficiente para soportar el impacto directo de acuerdo con la Tabla 4. - No esté revestido por un material aislante.

57 Componentes naturales b) Componentes metálicos del material del techo (acero de refuerzo interconectado) debajo de superficie no metálica. c) Partes metálicas tales como ornamentación, rieles, tuberías metálicas, etc., con secciones transversales no menores a las especificadas para los componentes del sistema de captación. d) Tuberías metálicas y tanques sobre el techo que tengan un espesor de acuerdo con la Tabla 5.

58 Componentes naturales e) Tuberías metálicas y tanques que transportan elementos combustibles o mezclas explosivas, siempre y cuando estén construidas con materiales de espesores no menores a los valores apropiados dados en la Tabla 4 y que el incremento de temperatura de la superficie interna en el punto de impacto no constituya peligro de explosión. Si no se cumplen las condiciones de espesor, los tubos y tanques deben ser integrados dentro de la estructura a ser protegida.

59 Espesor mínimo de cobertizos y tuberías Clase de SIPRA I a IV Material Espesor a (mm) Espesor b (mm) Plomo Acero (inoxidable galvanizado) Titanio Cobre Aluminio Zinc a previene perforaciones, puntos calientes o ignición. b sólo para láminas metálicas si no es importante prevenir perforaciones, puntos calientes o ignición. Tabla 4,

60 Material, configuración y mínima área Material Configuración Mínima área cuadriculada 8) (mm 2 ) Comentarios Cinta sólida 2 mm min. de espesor Cobre Alambre 7) Trenzado 8 mm de diámetro 1,7 mm min. de diámetro por hilo Alambre 3),4) 16 mm de diámetro Cobre recubierto de plata 1) Cinta sólida Alambre Trenzado Tabla 5. 2 mm min. de espesor 8 mm de diámetro 1,7 mm min. de diámetro por hilo

61 Conductores bajantes Protección Interna Protección Externa Guía de Seguridad Personal Sistema de Alarma Interceptación Bajantes Sistema de Puesta a Tierra

62 Bajantes

63 Bajantes PUNTAS CONVENCIONALES DE FRANKLIN m

64 Bajantes Existencia de varios caminos paralelos para la corriente. Longitud minima para los caminos. Equipotencialización de las partes conductoras de la estructura.

65 Bajante con conexión a la canal

66 Distancia de separación promedio para conductores bajantes Tipo de nivel de protección Distancia típica promedio [m] I 10 II 10 III 15 IV 20 Tabla Nº 6.

67 Construcción La longitud de los bajantes debe ser la menor posible, evitando la formación de lazos o curvaturas en su trayectoria y en el caso que éstas últimas sean inevitables, su ángulo interior no debe ser menor de 90º y su radio de curvatura no menor a 200 mm.

68 Construcción de los bajantes

69 Unión de una bajante a la tubería de desagüe

70 Elementos adicionales ANILLO Conector Masa metálica Soldadura exotérmica Conector Soldadura exotérmica

71 Elementos adicionales 1) Radiador/calentador metálico 2) Caldera 3) Barrajes de equipotencial 4) Sistema de Puesta a tierra 5) Conexión al SPT o conductor bajante

72 Estructura con viga voladiza d distancia actual >s s distancia de separación de acuerdo con el numeral 6.3 l longitud para evaluación de la distancia de separación s

73 Componentes naturales Las siguientes partes de la estructura pueden ser consideradas como conductores bajantes naturales: a) Elementos metálicos que garanticen que: - La continuidad eléctrica entre sus partes sea durable (ejemplo: soldadura, grapas o abrazaderas metálicas, atornilladas, etc.) - Sus especificaciones sean al menos iguales a la Tabla 5. Tuberías que lleven mezclas fácilmente combustibles o explosivas, no deben ser consideradas como bajantes naturales, si contienen juntas o uniones no equipotencializadas apropiadamente.

74 Componentes naturales b) Un elemento que puede ser considerado es el acero del concreto reforzado, siempre y cuando se garantice una unión sólida entre todas las interconexiones y que se garantice que los esfuerzos mecánicos que se ejerzan por las corrientes de rayo no provoquen ruptura del concreto. c) Los marcos metálicos de la estructura.

75 Componentes naturales d) Los elementos de fachada, de perfiles o rieles metálicos garantizando que: - Sus dimensiones cumplan con los requisitos para los conductores bajantes y que para láminas metálicas o tuberías metálicas su espesor no sea inferior a 0,5 mm. - Su continuidad eléctrica en dirección vertical cumpla con los requisitos del numeral 5.5.2

76 Uniones de prueba Se puede instalar una unión de prueba en las conexiones a tierra de cada bajante, excepto para bajantes naturales combinadas con los electrodos de tierra de los cimientos. Las uniones deben ser capaces de desconectarse y conectarse fácilmente para propósitos de medición. En uso normal deberán garantizar la conexión eléctrica.

77 Unión de prueba en los bajantes Grapa de cobre Rarura en alfajía y/o muro con radio de curvatura de 0,2 m Conductor en forma de anillo Grapa de cobre Grapas de cobre cada 1.2 m Cable de Cu desnudo de sección transversal 33,62 mm ² (2 AWG) 7 hilos Grapas de cobre cada 1.2 m Junta de medición del STP (conectores tipo perro) Abrazaderas cada metro 2,00 Ducto de PVC rígido de 1/2 " 0,30 Codo en PVC rígido de 1/2 " con radio de curvatura de 0,2 m TERRENO

78 Mínimo espesor para cobertizos metálicos o tuberías en sistemas de captación Clase de SIPRA Material Espesor a (mm) Espesor b (mm) I a IV Plomo Acero (inoxidable galvanizado) Titanio Cobre Aluminio Zinc a previene perforaciones, puntos calientes o ignición. b sólo para láminas metálicas si no es importante prevenir perforaciones, puntos calientes o ignición.

79 Puesta a tierra Protección Interna Protección Externa Guía de Seguridad Personal Sistema de Alarma Interceptación Bajantes Sistema de Puesta a Tierra

80 Puesta a tierra I V - V = TENSIÓN DE TOQUE 3 4 V - V = TENSIÓN DE PASO 1 2 V3 TOQUE I PASO V4 V V 1 2 CORRIENTE DISIPADA EN LA TIERRA

81 Sistema de puesta a tierra El sistema de puesta a tierra es usado para dispersar y disipar la corriente de rayo que viene por las bajantes reduciendo al mismo tiempo el peligro de tener tensiones de paso y de contacto peligrosas. La forma de la puesta a tierra y sus dimensiones son un criterio importante en su diseño. En términos generales para el sistema de protección externo se debe buscar un bajo valor de resistencia de puesta a tierra (si es posible valores menores a 10 Ω a baja frecuencia).

82 Sistema de puesta a tierra Para los sistemas de puesta a tierra de la protección contra rayos es recomendable que éstos estén integrados con todos los demás sistemas de puesta a tierra (comunicaciones, potencia) por medio de uniones que garanticen la equipotencialidad en todas las condiciones de operación.

83 Puesta a tierra Pararrayos Otros sistemas Línea principal de tierra Neutro Bobina de choque Sistemas de comunicación Resistencia Eléctrodos Tuberia

84 Medidas de protección contra tensiones de paso El riesgo es reducido a un nivel tolerable: a)si la probabilidad de personas próximas a la estructura, o la duración de su presencia fuera de la estructura y cerca de los conductores bajantes es bastante baja. b)si el sistema natural de conductores bajantes consiste en muchas columnas con marcos metálicos en la estructura o de gran cantidad de acero interconectado a la estructura, con continuidad eléctrica asegurada. c)si la resistividad de la capa superficial del suelo, a 3 m de un conductor bajante, no es inferior a 5000 Ωm.

85 Valores convencionales de impedancia de puesta a tierra z y z i en función de la resistividad del suelo ρ[ω]m Z I [Ω] Impedancia de puesta a tierra convencional en relación con el tipo de SIPRA Z [Ω] I II III-IV Tabla A.1

86 Arreglos de sistemas de puesta a tierra Para los sistemas de puesta a tierra, aplican dos tipos básicos de configuración: Configuración Tipo A o radial Para estructuras bajas (como casas), en estructuras existentes. Es una combinación de electrodos de puesta a tierra verticales (varillas) y horizontales (contrapesos) conectados a las bajantes.

87 Configuración tipo B Es preferido para sistemas de captación enmallados y para SIPRA con diferentes bajantes. Consiste en un anillo conductor externo a la estructura y en contacto con el suelo en por lo menos un 80 % de su longitud total, o a un electrodo de puesta a tierra de la cimentación, los cuales deben estar enmallados.

88 Materiales, dimensiones y conexiones del SIPRA

89 Uso Corrosión Material Al aire libre Enterrado En concreto Resistencia Acelerada por Destruida por reacción galvánica con: Cobre Sólido Trenzado Sólido Trenzado como cubierta Sólido Trenzado como cubierta Bueno en muchos ambientes Component es sulfúricos Materiales orgánicos - Acero galvanizado en caliente Sólido Trenzado Sólido Sólido Trenzado Aceptable en aire, en concreto y en suelos benignos Altas concentraci ones de cloruro Cobre Acero inoxidable Sólido Trenzado Sólido Trenzado Sólido Trenzado Bueno en muchos ambientes Altas concentraci ones de cloruro - Aluminio Sólido Inadecua-do Inadecua-do Aceptable en atmosferas con bajas concentracione s de cloruros y sulfuros Soluciones alcalinas Cobre Plomo Sólido Como Cubierta Sólido Como Cubierta Inadecua-do Sólidos Ácidos Cobre y acero inoxidable

90 Dimensiones mínimas Material Configuraci ón Varilla [ mm] Conducto r Placa [mm] Comentarios Trenzado 3 Redondo sólido 3 Cinta sólida 3 Redondo sólido mm2 1,7 mm diámetro mín. de cada trenza 50 mm2 8 mm diámetro 50 mm2 2 mm espesor mín. Cobre Tubería 20 Placa sólida 500 x 500 2mm espesor mín. del muro Placa sólida 600 x mm espesor mín. 25 mm x 2 mm de sección Longitud mín. de la config. cuadriculada: 4,8 m

91 SIPRA-Protección Interna Protección Interna Protección Externa Guía de Seguridad Personal Sistema de Alarma Interceptación Bajantes Sistema de Puesta a Tierra

92 Sistema de protección interna Tiene como fin evitar la ocurrencia de chispas (descargas eléctricas) peligrosas dentro de la estructura, a causa de la circulación de la corriente del rayo en el SPE y en otras partes conductoras de la estructura.

93 Sistema de protección interna Las descargas eléctricas peligrosas entre diferentes partes de una instalación pueden ser evitadas con: Uniones equipotenciales. Aislamiento eléctrico.

94 Sistema Interno Uniones equipotenciales de: Partes metálicas de la estructura. Instalaciones metálicas. Partes conductoras externas y líneas de servicio conectadas a la estructura. Sistemas eléctricos y electrónicos internos. Uso de dispositivos de protección DPS.

95 Dimensiones mínimas de los conductores que conectan barras equipotenciales o a estas con el sistema de puesta a tierra Clase de SIPRA I a IV Material Sección Transversal mm 2 Cobre 14 Aluminio 22 Acero 50

96 Dimensiones mínimas de los conductores que conectan instalaciones internas metálicas a la barra equipotencial Clase de SIPRA I a IV Material Sección Transversal mm 2 Cobre 5 Aluminio 8 Acero 16

97 Tensión al impulso que deben soportar los equipos Nivel de tensión de operación de los equipos V Contadores BIL requerido en (kv) Tableros, interruptores, cables, etc. Electrodomé sticos, herramienta s portátiles Equipo electrónico Categoría IV Categoría III Categoría II Categoría I 120/240;120/ /440;277/

98 Sistema Interno Protección interna Pararrayos en baja tensión Varistores Cortapicos Optoacopladores Blindaje Sistema de puesta a tierra equipontencial Equipos (4552-4)

99 SIPRA- Sistema de Alarma

100 Sistemas de alarma Alarma Instalaciones BP Molino de Campo PAAS-UN Sensor Portátil til

101 Guía de Seguridad Personal Protección Interna Protección Externa Guía de Seguridad Personal Sistema de Alarma Interceptación Bajantes Sistema de Puesta a Tierra

102 Guía De Seguridad Personal

103 No se recomienda

108 RETIE Art.18. Protección contra rayos El diseño debe realizarse aplicando un método reconocido por normas técnicas internacionales como la IEC , de reconocimiento internacional o NTC 4552, las cuales se basan en el método electrogeométrico. Para efectos de este Reglamento, se considera que el comportamiento de todo terminal de captación debe tomarse como el de un terminal tipo Franklin.

109 Dispositivos no convencionales de protección contra rayos Han creado una gran controversia dentro de la comunidad académica internacional, hasta el momento solamente han sido aceptados por algunas normas nacionales ( francesa, española )

110 Dispositivos Pararrayos ionizante no ( convencionales Pulsar) α h RF α F P RP h Edificación Tierra

111 Dispositivos Pararrayos ionizante no (PREVECTRON) convencionales

112 Posición de la comunidad científica Los sistemas y medios de protección deben proteger físicamente a las personas, reducir el riesgo de fuego y evitar la degradación de los equipos y las interrupciones en la producción, a niveles tolerables. Para llenar estos requerimientos y evitar acciones legales, incluyendo demandas por pérdidas económicas, las normas de protección contra rayos deben estar basadas en principios científicos probados y argumentos técnicos incuestionables. ( CIGRE WG33.01, Comité ICLP)