Protección de EdificacionesDaños físicos a estructuras y amenazas a la vida

Guillermo Aponte M.Medellín, Julio de 2009

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.

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NTC 4552 Parte 3: daños físicos a estructuras y amenazas a la vida

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– 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.

NTC 4552 Parte 3: daños físicos a estructuras y amenazas a la vida

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– 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.

NTC 4552 Parte 3: daños físicos a estructuras y amenazas a la vida

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.

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Sistema Integral de Protección Contra Rayos SIPRA

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SIPRA

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– 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.

NTC 4552 Parte 3: daños físicos a estructuras y amenazas a la vida

Está compuesto por un sistema de puntas de captación (pararrayos tipo bayoneta), un sistema de conductores

bajantes y un sistema de puesta a tierra.

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Sistema de protección externa

Sistema de protección externa

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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.

Tipos de protección externa

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Sistema de captación (Interceptación)

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Captación

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– Bayonetas (incluyendo mástiles autosoportados)– Cables colgantes.– Mallas captadoras.

Si están en la estructura, deben ubicarse en las esquinas, puntos expuestos sobresalientes ybordes, con una altura saliente no menor a 0.25 m.

Bayonetas

Bayonetas

AA

Barra deelevación

Base Conector

Abrazadera

Cable

Cable No 2

Bayonetas

Posición del anillo sobre la alfajía

Punta

CORTE

Vacío

MurosAlfajía

Alfajía

Hacia el exterior del edificio

Hacia el interior del edificio

Punta

PLANTA

Longitud total

Altura

Bayonetas

Conducor en forma de anillo

Punta

Altura

Longitud total

Punta

Bayonetas

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Mástiles

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Mástiles autosoportados

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Mástiles autosoportados

Mástiles autosoportados y cable

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1. Mástil2. Estructura Protegida3. Área protegida sobre plano de referencia4. Cable horizontal aéreos1, s2 separación de distancias de acuerdo con el numeral

6.3

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Mástiles autosoportados y cable

Método del enmallado

SPT (2)B(2)

SPT (1)

P (2)

ANILLO (1)

P(3)

P(1) P(4)

ANILLO (2)

B(1)

ENLACE ENTRE ANILLOS

ENLACE ENTRE ANILLOS

Mallas captadoras

0,25 m

0,25 m

2,00 m2,00 m 2,00 m

Radio de curvatura mayor a 0,2 m

2,00 m

Grapa de cobre

Elemento captador en forma de anillo

CONVENCIONES

Método del enmallado

Tornillo golozo galvanizado de 1/4" x 1"

Chazo plástico de 1"

Conductor de sección transversal 33,62 mm²

Método del enmallado

Dimensiones del enmallado para diferentes niveles de protección

Nivel de Protección Malla [m]I 5*5II 10*10III 15*15IV 20*20

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Ubicación de la captación

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– Método de la esfera rodante. – Método de ángulo de protección.– Método de enmallado (para superficies

planas como techos y terrazas).

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Distancia de rompimiento

+ + + + +

Método de la esfera rodante

Método de la esfera rodante

OBJETO PROTECTOR

rs

Objeto a protegerÁrea de cubrimiento del objeto protector

Método de la esfera rodante

rs

rs

rs

rs

OBJETOS PROTECTORES

Método de la esfera rodante

Radio de la esfera, según la norma NTC 4552-1

Método de la esfera rodante

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Método de la Esfera Rodante

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Método de la esfera rodante

Método de la esfera rodante

P(1) P(2)

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Método de la esfera rodante

10.61

P(1)

DISTANCIA CRÍTICA 1 DISTANCIA CRÍTICA 2

11.91

P(3)

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Método de la esfera rodante

Curvas de protección

Conductor en forma de anillo

Nivel de la cubierta

Conductor en forma de anillo

Elevación del muro (antepecho)

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Método de la esfera rodante

) Hg(Rs Rs = L 22 −− ) Hf(Rs Rs 22 −−−

Método electrogeométrico

Nivel de Protección Radio de la esfera (rsc)[m]

Nivel I 35

Nivel II 40

Nivel III 50

Nivel IV 55

Valores máximos del radio de la esfera rodante según el Nivel de Protección

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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.

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Método del Ángulo de Protección

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Método del ángulo de protección

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Método del ángulo de protección

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Uso de una varilla del sistema de captación

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Captación mediante varias varillas

Protección por los costados (>55m)

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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.

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Construcción

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Captación para la protección de una chimenea

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.

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Construcción

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Captación sobre un techo

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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.

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.

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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.

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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.

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Componentes naturales

Clase deSIPRA Material Espesor a

(mm)Espesor b

(mm)

I a IV

Plomo - 2.0Acero (inoxidablegalvanizado) 4 0.5

Titanio 4 0.5Cobre 5 0.5Aluminio 7 0.65Zinc - 0.7

a previene perforaciones, puntos calientes o ignición.b sólo para láminas metálicas si no es importante prevenir perforaciones, puntos calientes o ignición.

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Espesor mínimo de cobertizos y tuberías

Tabla 4,

Material ConfiguraciónMínima área

cuadriculada8)

(mm2)Comentarios

Cobre

Cinta sólida 2 mm min. de espesor

Alambre 7) 8 mm de diámetroTrenzado 1,7 mm min. de

diámetro por hiloAlambre 3),4) 16 mm de diámetro

Cobre recubiertode plata 1)

Cinta sólida 2 mm min. de espesor

Alambre 8 mm de diámetroTrenzado 1,7 mm min. de

diámetro por hilo

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Material, configuración y mínima área…

Tabla 5.

Conductores bajantes

Protección Interna

Protección Externa

Sistema de Alarma

Bajantes Sistema de Puesta a Tierra

Guía de Seguridad Personal

Interceptación

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Bajantes

PUNTAS CONVENCIONALESDE FRANKLIN

5 m

45°

45°

Bajantes

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– Existencia de varios caminos paralelos para la corriente.

– Longitud minima para los caminos.– Equipotencialización de las partes

conductoras de la estructura.

Bajantes

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Bajante con conexión a la canal

Tipo de nivel de protección

Distancia típica promedio [m]

I 10

II 10

III 15

IV 20

Tabla Nº 6.

Distancia de separación promedio para conductores bajantes

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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.

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Construcción

Construcción de los bajantes

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Unión de una bajante a la tubería de desagüe

ANILLO

Conector

Conector

Soldadura exotérmica

Soldadura exotérmica

Masa metálica

Elementos adicionales

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Elementos adicionales

1) Radiador/calentador metálico2) Caldera3) Barrajes de equipotencial4) Sistema de Puesta a tierra5) Conexión al SPT o conductor

bajante

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Estructura con viga voladiza

d distancia actual >ss distancia de

separación de acuerdo con el numeral 6.3

l longitud para evaluación de la distancia de separación s

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.

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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.

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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

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Componentes naturales

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.

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Uniones de prueba

TERRENO

0,30

Grapas de cobre cada 1.2 m

Junta de medición del STP (conectores tipo perro)

Cable de Cu desnudo de sección transversal 33,62 mm ² (2 AWG) 7 hilos

Grapas de cobre cada 1.2 m

Ducto de PVC rígido de 1/2 "

Abrazaderas cada metro

Grapa de cobre

Grapa de cobre

radio de curvatura de 0,2 m Conductor en forma de anillo

Rarura en alfajía y/o muro con

2,00

con radio de curvatura de 0,2 mCodo en PVC rígido de 1/2 "

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Unión de prueba en los bajantes

Clase de SIPRA Material Espesor a (mm) Espesor b (mm)

I a IV

Plomo - 2.0Acero (inoxidable galvanizado) 4 0.5

Titanio 4 0.5Cobre 5 0.5Aluminio 7 0.65Zinc - 0.7

a previene perforaciones, puntos calientes o ignición.b sólo para láminas metálicas si no es importante prevenir perforaciones, puntos calientes o ignición.

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Mínimo espesor para cobertizos metálicos o tuberías en sistemas de

captación

Puesta a tierra

Protección Interna

Protección Externa

Sistema de Alarma

Bajantes Sistema de Puesta a Tierra

Guía de Seguridad Personal

Interceptación

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V - V = TENSIÓN DE PASO

V V1 2

1 2

I

CORRIENTE DISIPADA EN LA TIERRA

I

V - V = TENSIÓN DE TOQUE43

TOQUE PASO

V4

V3

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).

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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.

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Sistema de puesta a tierra

Pararrayos

Líneaprincipalde tierra

TuberiaEléctrodos

Resistencia

Bobinade

choque

Neutro

Otros sistemas

Sistemas decomunicación

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Puesta a tierra

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.

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Medidas de protección contra tensiones de paso

ρ[Ω]m ZI [Ω]Impedancia de puesta a tierra convencional en relación con el tipo de SIPRA Z [Ω]

I II III-IV≤100 8 4 4 4200 13 6 6 6500 16 10 10 10

1000 22 10 15 202000 28 10 15 403000 35 10 15 60

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Valores convencionales de impedancia de puesta a tierra z y zi en función de

la resistividad del suelo

Tabla A.1

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Arreglos de sistemas de puesta a tierra

Para los sistemas de puesta a tierra, aplican dos tipos básicos de configuración:

Configuración Tipo A o radialPara 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.

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.

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Configuración tipo B

Materiales, dimensiones y conexiones del SIPRA

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Material

Uso Corrosión

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

Componentes sulfúricos Materiales orgánicos

-

Acero galvanizado en caliente

Sólido Trenzado Sólido

Sólido Trenzado

Aceptable en aire, en concreto y en suelos benignos

Altas concentraciones de cloruro

Cobre

Acero inoxidable

Sólido Trenzado

Sólido Trenzado

Sólido Trenzado

Bueno en muchos ambientes

Altas concentraciones de cloruro

-

Aluminio Sólido Inadecua-do Inadecua-do

Aceptable en atmosferas con bajas concentraciones de cloruros y sulfuros

Soluciones alcalinas

Cobre

Plomo Sólido Como Cubierta

Sólido Como Cubierta

Inadecua-do Sólidos Ácidos

Cobre y acero inoxidable

Material Configuración

Dimensiones mínimas

ComentariosVarilla[∅ mm]

Conductor

Placa[mm]

Cobre

Trenzado 3 50 mm2 1,7 mm diámetro mín. decada trenza

Redondo sólido 3 50 mm2 8 mm diámetro

Cinta sólida 3 50 mm2 2 mm espesor mín.

Redondo sólido 15

Tubería 20

Placa sólida 500 x 500

2mm espesor mín. del muro

Placa sólida 600 x 600 2 mm espesor mín.

25 mm x 2 mm de secciónLongitud mín. de la config.cuadriculada: 4,8 m

SIPRA-Protección Interna

Protección Interna

Protección Externa

Sistema de Alarma

Bajantes Sistema de Puesta a Tierra

Guía de Seguridad Personal

Interceptación

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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.

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Sistema de protección interna

Las descargas eléctricas peligrosas entre diferentes partes de una instalación pueden ser evitadas con:

– Uniones equipotenciales.– Aislamiento eléctrico.

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Sistema de protección interna

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.

Sistema Interno

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Clase de SIPRA Material Sección Transversal mm2

I a IVCobre 14

Aluminio 22Acero 50

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Dimensiones mínimas de los conductores que conectan barras equipotenciales o a estas con el sistema de puesta a tierra

Clase de SIPRA Material Sección Transversal mm2

I a IVCobre 5

Aluminio 8Acero 16

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Dimensiones mínimas de los conductores que conectan instalaciones internas

metálicas a la barra equipotencial

Nivel de tensión de

operación de los equipos V

BIL requerido en (kV)

ContadoresTableros,

interruptores, cables, etc.

Electrodomésticos,

herramientas portátiles

Equipo electrónico

Categoría IV Categoría III Categoría II Categoría I120/240;120/208 4 2.5 1.5 0.8254/440;277/480 6 4 2.5 1.5

Tensión al impulso que deben soportar los equipos

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Protección interna

Pararrayos en baja tensión

Optoacopladores

Sistema de puesta a tierra equipontencial

Blindaje

Equipos (4552-4)

VaristoresCortapicos

Sistema Interno

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SIPRA- Sistema de Alarma

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Alarma Instalaciones BPAlarma Instalaciones BP

SensorSensor PortPortáátiltilMolino de Campo PAASMolino de Campo PAAS--UNUN

Sistemas de alarma

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Guía de Seguridad Personal

Protección Interna

Protección Externa

Sistema de Alarma

Bajantes Sistema de Puesta a Tierra

Guía de Seguridad Personal

Interceptación

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Guía De Seguridad Personal

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No se recomienda

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No se recomienda

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No se recomienda

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No se recomienda

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No se recomienda

El diseño debe realizarse aplicando un método reconocido por normas técnicas internacionales como la IEC 62305-3, de reconocimiento internacional o NTC 4552, las cuales se basan en el método electro-geométrico.

Para efectos de este Reglamento, se considera que el comportamiento de todo terminal de captación debe tomarse como el de un terminal tipo Franklin.

RETIE Art.18. Protección contra rayos

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Han creado una gran controversia dentro de la comunidad académica internacional, hasta el momento solamente han sido aceptados por algunas normas nacionales ( francesa, española…)

Dispositivos no convencionales de protección contra rayos

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Pararrayos ionizante ( Pulsar)

h´

hRF RP

F P

Tierra

Edificación

α

α

Dispositivos no convencionales

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Pararrayos ionizante (PREVECTRON)Dispositivos no convencionales

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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)

Posición de la comunidad científica

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