MIGUEL ANGEL VALECILLOS M

CABUDARE ENERO 2013

Sistemas de descargas atmosféricas para el Taipéi 101

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.

El Taipéi 101 es un edificio de 101 pisos (5 pisos subterráneos y 101 por encima del suelo), ubicado en Taipéi (Taiwán). La aguja que corona sus 529 metros de altura lo convierte en el segundo rascacielos más alto del mundo. El Taipéi 101 tiene 101 pisos por encima de la altura del suelo (de allí su denominación), y 5 por debajo.El rascacielos ostenta las siguientes marcas:•Altura desde el suelo hasta el tope estructural: 502 metros (superó la marca que antes ostentaban las Torres gemelas Petronascon 452 metros). •Altura desde el suelo hasta la azotea: 448 metros (superó la marca que antes ostentaba la Torre Sears con 443 metros). •Altura desde el suelo hasta el último piso ocupado: 438 metros (superó la marca que antes ostentaba la Torre Sears). •Velocidad del ascensor: 16,83 metros/segundo.

Altura• Altura máxima 509,2 m •Azotea 449,2 m •Planta más alta 439,2 mDetalles técnicos •Número de plantas 101 sobre el suelo5 subterráneos •Área total 412,500 m² •Número de ascensores 61 •Coste US$ 1.700.000.000Compañías •Arquitecto C.Y. Lee• Constructora KTRT Joint Venture Samsung Engineering & Construction

El clima local de Taipéi está afectado en gran medida por el monzón asiático oriental. El trópico del Cáncer (23.5N) cruza la sección central que divide la isla en dos climas, el monzón tropical en el sur y el subtropical en el norte con clima templado que proporciona una diferenciación clara entre las distintas estaciones.

La temperatura alta y la humedad, la precipitación masiva y los ciclones tropicales en verano caracterizan el clima de Taipéi. Las variaciones de temperatura en Taipéi son suaves, la temperatura media anual ronda los 24°C en el sur y los 22°C en el norte. Taipéi goza de tiempo tibio todo el año. Las fluctuaciones más fuertes en las condiciones atmosféricas se producen durante la primavera y el invierno, mientras que durante el verano y el otoño el tiempo es relativamente estable.

Storm Frequency Tropical storms and Typhoons by month, for the period

1959-2005 (Northwest Pacific)Month Count Average

Jan 28 0.6Feb 15 0.3Mar 26 0.6Apr 39 0.8May 64 1.4Jun 96 2.0Jul 215 4.6Aug 312 6.6Sep 262 5.6Oct 219 4.7Nov 134 2.9Dec 75 1.6Annual 1484 31.6

Source: JTWC

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/62/E_equals_m_plus_c_square_at_Taipei101.jpg

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.

USO AL QUE SE DESTINA LA ESTRUCTURA VALOR DEL ÍNDICE A

Casas y otras construcciones de tamaño similar. 2Casas y otras construcciones de tamaño similar con antenas exteriores.

4

Industrias, talleres y laboratorios. 6Edificios 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

TIPO DE CONSTRUCCIÓN VALOR DEL ÍNDICE B

Estructura de acero con techo no metálico. 1Concreto forzado con techo no metálico 2Ladrillo, 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

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

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

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

ALTURA DE LA ESTRUCTURA VALOR DEL ÍNDICE F

Hasta 9 m. 2de 9 m a 15 m. 4de 15 m a 18 m. 5de 18 m a 24 m. 8de 24 m a 30 m. 11de 30 m a 38 m. 16de 38 m a 46 m. 22de 46 m a 53 m. 30

NÚMERO DE DÍAS DE TORMENTAS POR AÑO

VALOR DEL ÍNDICE G

Hasta 3. 2de 3 a 6. 5de 6 a 9. 8de 9 a 12. 11de 12 a 15. 14de 15 a 18. 17de 18 a 21. 20más 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.

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 del Taipéi 101 se vea afectada. Aunque es importante resaltar que en esta País las tormentas tropicales y los monzones predominan. Suena algo contradictorio pero 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 El Taipéi 101.

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

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 del Taipéi 101.

Pararrayo Cable de cobreCable de cobre

Spat insertado en el suelo