Protección contra daños físicos a estructuras y lesiones a los seres vivos

TEMA 2 PROTECCIÓN CONTRA DAÑOS FÍSICOS A
ESTRUCTURAS Y LESIONES A LOS SERES VIVOS INTRODUCCIÓN Esta
parte trata sobre la protección de una edificación
y sus alrededores, contra el daño físico y las
lesiones a los seres vivos. El siguiente diagrama muestra de
manera sintetizada las diferentes medidas de protección y
los elementos necesarios para lograrlas, aspectos sobre los que
profundizaremos en el presente tema. Diagrama 2.1 Medidas de
protección contra daños físicos y peligros
para la vida. Donde: La medida de protección principal y
más efectiva para la protección de estructuras
contra el daño físico es el Sistema de
Protección contra Rayos (LPS). Las medidas de
protección principales contra las lesiones a los seres
vivos son el Control de las tensiones de paso y de contacto.
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MANTENIMIENTOS DE SISTEMAS DE PROTECCIÓN CONTRA EL
RAYO.

2.1 SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA RAYOS (LPS).
GENERALIDADES. LPS: Lightning Protection System. Sistema de
Protección Contra Rayos El Sistema de Protección
Contra Rayos es el sistema completo usado para reducir los
daños físicos y a los seres vivos debido a las
descargas de rayo en una estructura. Clases del LPS Se definen 4
Clases de LPS (I, II, III y IV) determinadas por las
características de la estructura a proteger y por el nivel
de protección contra rayos (LPL) correspondiente. Se
seleccionan de acuerdo con el Análisis de Riesgo. Nivel de
Protección contra al Rayo (LPL) Clasificación de
las medidas de protección en función de su eficacia
y de acuerdo con los parámetros más relevantes de
la corriente del rayo. Se establecen 4 niveles (I, II, III y IV).
LPL: Lightning Protection Level. Nivel de Protección
Contra Rayos COMPOSICIÓN DEL LPS LPS Externo LPS Interno
2.1.1 DEPENDENCIA DE ALGUNOS DATOS DE ACUERDO AL NIVEL DE
PROTECCIÓN DATOS QUE DEPENDEN DE LA CLASE DEL LPS
Parámetros del rayo. Radio de la esfera rodante,
ángulo de protección y dimensiones de la malla.
Distancias entre conductores de bajada y entre anillos
conductores. Distancia de separación para evitar chispas
peligrosas. Longitud mínima de los electrodos de tierra.
DATOS QUE NO DEPENDEN DE LA CLASE DEL LPS Unión
equipotencial. Espesor mínimo de las chapas o de las
tuberías metálicas en los sistemas de captura.
Materiales del LPS y condiciones de uso. Materiales,
configuración y dimensiones mínimas de los
elementos de captura, conductores de bajada y puesta a tierra.
Dimensiones mínimas de los conductores de conexión.
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RAYO.

2.1.2 LPS EN ESTRUCTURAS NUEVAS Y EN ESTRUCTURAS EXISTENTES El
LPS integrado a una nueva estructura, permite: Considerar el tipo
y la localización del LPS en el diseño inicial.
Aprovechamiento de las partes conductoras de la estructura.
Facilidad de construcción. Mejoramiento del aspecto
estético. Mayor efectividad de la protección.
Minimizar costos y esfuerzos. El LPS añadido a una
estructura existente, trae consigo: Mayores costos y esfuerzo
para asegurar la conformidad con la norma. Adaptación del
tipo y la localización del LPS a las
características de la estructura. 2.2 LPS EXTERNO
FUNCIONES Y COMPOSICIÓN Interceptar las descargas directas
de rayo a la estructura, incluyendo las descargas laterales,
mediante un SISTEMA DE CAPTURA. Conducir de manera segura la
corriente del rayo desde el punto de impacto hasta tierra
mediante un SISTEMA DE DERIVADORES. Dispersar la corriente del
rayo en el terreno sin causar daños térmicos o
mecánicos ni chispas peligrosas que puedan iniciar fuego o
explosión mediante un SISTEMA DE PUESTA A TIERRA. Figura
2.1 Composición de un LPS Externo. Página 3 de 38
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Por tanto, protege a las instalaciones de los posibles incendios
o daños estructurales provocados por el impacto directo
del rayo y de las consecuencias de la corriente activa del mismo.
El LPS Externo puede ser: NO AISLADO: Generalmente está
unido a la estructura a proteger. AISLADO: Se conecta
únicamente a los elementos estructurales y a la red de
unión equipotencial a nivel del terreno. Se usa cuando los
efectos térmicos y de explosión en el punto de
impacto o en los conductores que llevan la corriente del rayo,
pueden causar daño a la estructura y su contenido.
Ejemplos de estructuras donde se aplica el LPS Externo Aislado:
Con cubierta combustible. Con paredes combustibles. En
áreas con riesgo de incendio o explosión. Donde se
prevean cambios en la estructura, el contenido o el uso, que
impliquen modificaciones al LPS. USO DE COMPONENTES NATURALES
Como parte del LPS pueden usarse los componentes naturales hechos
de materiales conductores que siempre se mantengan en o sobre la
estructura y no serán modificados (ejemplo: acero de
refuerzo interconectado, acero estructural, etc.)
Características generales de los componentes naturales:
Tienen que soportar los efectos electromagnéticos de la
corriente del rayo y los esfuerzos accidentales predecibles sin
ser dañados. Estarán fabricados de los materiales
listados en la tabla 3 IEC 62305-3 o de otros materiales con
características mecánicas, eléctricas y
químicas equivalentes. Pueden usarse componentes no
metálicos para las fijaciones. Los materiales se
seleccionan teniendo en cuenta la posibilidad de corrosión
de la estructura a proteger o del LPS. Las configuraciones y las
áreas mínimas de sección transversal de los
conductores y puntas captadoras y conductores de bajada se dan en
Tablas (Ver IEC 62305-3). Página 4 de 38
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2.2.1 SISTEMA DE CAPTURA Es el conjunto de todos los elementos o
partes metálicas sobre las que el rayo puede impactar.
Estas pueden estar emplazadas por encima o a un lado de la
edificación que debe ser protegida. Con una correcta
ubicación de estos elementos o partes metálicas que
componen el sistema de captura se disminuye considerablemente la
probabilidad de penetración de la corriente del rayo en la
estructura. Clasificación de los elementos de captura:
Pararrayos convencionales o pasivos Early Streamer Emisión
(ESE) o Pararrayos de Dispositivo de Cebado (PDC) Sistema de
Transferencia de Carga (STC) Terminales con emisión
láser 2.2.1.1 CAPTADORES CONVENCIONALES O PASIVOS Son
elementos metálicos, cuyo principio de acción esta
basado en la emisión natural que se presenta en dichos
elementos ante la presencia de un campo eléctrico de
elevada magnitud, sin que medie ningún otro dispositivo.
Comúnmente reciben el nombre de sistemas Franklin. Los
dispositivos de intercepción de la descarga de rayo del
tipo pasivo se clasifican como se muestra en la siguiente figura:
PUNTA FRANKLIN Provoca una excitación atmosférica
por encima de cualquier otro punto de la estructura a proteger,
para aumentar la probabilidad de que la descarga incida en su
punta. MALLA FARADAY Recepción del rayo a través de
una malla que apantalla la estructura a proteger y que puede
combinarse con puntas. HILO TENDIDO Formado por uno o varios
conductores aéreos situados sobre la estructura a
proteger. Figura 2.2 Tipos de captadores pasivos. Página 5
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2.2.1.1.1 MÉTODOS PARA LA UBICACIÓN DE LOS
CAPTADORES PASIVOS Los métodos para la ubicación de
los sistemas pasivos son los siguientes: Método de la
esfera rodante Método del ángulo de
protección Método de la malla MÉTODO DE LA
ESFERA RODANTE (Válido para todos los casos) Consiste en
hacer rodar una esfera, de radio R, sobre la estructura a
proteger, considerándose como protegidos aquellos puntos
que se encuentran en la zona definida por la superficie de la
esfera y la superficie exterior de dicha estructura. Los puntos
en que la esfera toca a las diferentes partes de la estructura y
el suelo son susceptibles de ser alcanzadas por las descargas.
Ver figura 2.3 y 2.4. La esfera rodante es un corolario del
método electrogeométrico. El cual fue concebido
para el diseño de la protección contra impacto
directo del rayo en líneas y torres de transmisión
(para la ubicación de los cables de guarda). Figura 2.3
Aplicación del método de la esfera rodante sobre
una maqueta. Página 6 de 38 DOCUMENTACIÓN
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PROTECCIÓN CONTRA EL RAYO.

Figura 2.4 Método de la esfera rodante. A pesar de ser un
método aproximado, es el más exacto hasta la
actualidad para la ubicación de los sistemas de captura
pasivos o convencionales. El radio R se define como: Resfera = 10
· (I )0.65 (2.1) Donde: I: Valor mínimo de la
corriente del rayo para cada nivel de protección (kA). R:
Valor del radio de la esfera rodante correspondiente a la
corriente minima del rayo para cada nivel de protección
(m). Tabla 2.1 Valores mínimos de la corriente del rayo y
radios de la esfera rodante para cada nivel de protección.
Criterio de Intercepción Nivel de protección I II
III IV Corriente pico mín. (I) [kA] 2,9 5,4 10,1 15,7
Radio de la esfera (R) [m] 20 30 45 60 Profundidad de
penetración Como se muestra en la figura 2.5, la
profundidad de penetración es la distancia p que penetra
la esfera por debajo del punto de contacto de la misma con un
grupo de puntas o cables tendidos. Para que una
configuración de captura pasiva garantice la
protección adecuada, la parte inferior de la esfera no
puede tocar la superficie a proteger, o lo que es lo mismo p <
x. Página 7 de 38 DOCUMENTACIÓN BÁSICA DEL
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2 2 Figura 2.5 Profundidad de penetración. Las expresiones
2.2 y 2.3 establecen la relación entre la profundidad de
penetración (p) y la distancia de separación entre
puntas o lados de una malla (d). La primera se utiliza para el
cálculo de p en función de d y R, y la segunda para
el cálculo de d en función de p y R. p = R – R – d
2 (2.2) d = 2 · 2 · R · p – p 2 (2.3) Donde:
p: Profundidad de penetración. R: Radio de la esfera
rodante. d: Distancia entre dos puntas o hilos paralelos. La
figura 2.6 a) y b) muestra las dos variantes más comunes,
reflejando como la distancia d puede ser la diagonal en caso de
un arreglo rectangular de puntas o la longitud del lado
más corto en caso de una malla. Página 8 de 38
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Figura 2.6 Arreglo de cuatro puntas (a) Arreglo en forma de malla
o cable tendido (b) La tabla que se muestra a continuación
muestra para diferentes separaciones la profundidad de
penetración por niveles de protección. Tabla 2.2
Profundidades de penetración para diferentes distancias de
separación entre puntas. Distancia entre PROFUNDIDAD DE
PENETRACIÓN (M) puntas (m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
14 15 16 17 18 19 20 I (20 m) 0,01 0,03 0,06 0,10 0,16 0,23 0,31
0,40 0,51 0,64 0,77 0,92 1,09 1,27 1,46 1,67 1,90 2,14 2,40 2,68
II (30 m) 0,00 0,02 0,04 0,07 0,10 0,15 0,20 0,27 0,34 0,42 0,51
0,61 0,71 0,83 0,95 1,09 1,23 1,38 1,54 1,72 III (45 m) 0,00 0,01
0,03 0,04 0,07 0,10 0,14 0,18 0,23 0,28 0,34 0,40 0,47 0,55 0,63
0,72 0,81 0,91 1,01 1,13 IV (60 m) 0,00 0,01 0,02 0,03 0,05 0,08
0,10 0,13 0,17 0,21 0,25 0,30 0,35 0,41 0,47 0,54 0,61 0,68 0,76
0,84 Página 9 de 38 DOCUMENTACIÓN BÁSICA DEL
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MÉTODO DEL ÁNGULO DE PROTECCIÓN
(Válido para edificaciones sencillas, limitada su
aplicación a la altura de los captadores) Los dispositivos
de intercepción se posicionan de manera que toda la
estructura a proteger esté situada en el interior del
volumen formado por la superficie de referencia y la superficie
generada por una línea que pasando por el extremo del
dispositivo captador, gire formando un ángulo con
éste. Ver figuras 2.7 y 2.8. Figura 2.7 Cono de
protección. Figura 2.8 Datos adicionales acerca del
método del cono de protección. Página 10 de
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Origen del método El método del ángulo de
protección se deriva del método de la esfera
rodante como se muestra en la figura 2.9. Se define como el
ángulo para el cual la recta que lo forma (recta de color
rojo en la figura 2.9) genera dos áreas de igual valor al
cortar al circulo de radio R (radio de la esfera rodante), ver en
la figura 2.9 las áreas sombreadas en rojo. Para cada
nivel de protección existen diferentes ángulos de
protección en dependencia de la altura de la punta, el
gráfico 2.1 muestra unas curvas a escala que relacionan el
ángulo de protección para una altura determinada,
con el nivel de protección. Figura 2.9 Origen del
método del ángulo de protección.
Gráfico 2.1 Ángulo de protección
según la altura y el nivel de protección.
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MÉTODO DE LA MALLA (Para empleo en superficies planas)
Consiste en establecer una malla rectangular de conductores
posicionados en los bordes, por encima y en la línea del
caballete de la cubierta, no debiendo sobresalir ninguna
instalación metálica fuera del volumen protegido
por ésta. Ver figura 2.10 y tabla 2.3. a) b) Figura 2.10
Malla sobre cubierta plana (a). Profundidad de penetración
en una malla (b). Tabla 2.3 Dimensiones de una malla según
el nivel de protección. Nivel de protección contra
rayo (LPL) I II III IV Dimensión máxima de la malla
(m) 5 x 5 10 x 10 15 x 15 20 x 20 RESUMEN DE LOS TRES
MÉTODOS La figura 2.11 resume los parámetros
principales de los tres métodos de ubicación de los
captadores pasivos. Figura 2.11 Resume de los parámetros
principales de los tres métodos. Página 12 de 38
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2.2.1.1.2 CAPTADORES EN LOS LATERALES DE ESTRUCTURAS ALTAS Se
utilizan para proteger la parte superior de las estructuras
mayores de 60m de altura y los equipos instalados en ésta,
donde pueden ocurrir descargas en los laterales, especialmente en
las puntas, esquinas y bordes de las superficies. Se plantea en
estos casos que el 20 % superior de la altura de la estructura
debe llevar protección. Figura 2.12 Captadores en los
laterales de estructuras altas. 2.2.1.2 CAPTADORES NATURALES Se
consideran captadores naturales a: Las planchas metálicas
que cubren la estructura. Los componentes metálicos de
construcción (cercha, acero de refuerzo interconectado,
etc.) por debajo de una cubierta no metálica, si
ésta puede excluirse de la estructura a proteger. Las
partes metálicas (ornamentos, pretiles, tuberías,
revestimientos de parapetos, etc). Tabla 6 (IEC 62305-3). Las
tuberías metálicas y tanques en la cubierta. Las
tuberías metálicas y tanques que llevan mezclas
fácilmente combustible o explosivas. Página 13 de
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Si se garantiza: Continuidad eléctrica duradera entre las
diferentes partes. (Ej.: por medio de abrazaderas, soldadura,
corrugación, tornillos, costura o fijación con
pernos). Espesor = t o t´ de la Tabla 3 (IEC 62305-3), en
dependencia de la necesidad o no de tomar precauciones contra la
perforación o la consideración o no de los
problemas debido a la existencia de un punto caliente. Todas las
partes metálicas usadas como dispositivos de
captación del rayo, tienen que estar descubiertas o
desnudas, permitiéndose sólo un recubrimiento
superficial de pintura especial anticorrosiva, 1 mm de asfalto
ó 0,5 mm de PVC. 2.2.1.3 CONEXIONES A NIVEL Los elementos
de captura al igual que los conductores de bajada tienen que
interconectarse por medio de conductores a nivel de la cubierta
para brindar suficiente distribución de la corriente en
los conductores de bajada. 2.2.1.4 EJEMPLO DE LPS EXTERNO NO
AISLADO Usando una punta Franklin: Usando conductor horizontal:
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Usando dos mástiles aislados y el método del
ángulo de protección: Dos mástiles aislados
interconectados por un conductor horizontal: Página 15 de
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2.2.1.5 COMBUSTIBILIDAD DE LA CUBIERTA Los conductores de
cubierta y las conexiones a los captadores pueden fijarse a la
cubierta usando espaciadores conductores o aislantes. Aunque
también pueden posicionarse en la superficie de la
cubierta si ésta es de material no combustible. En
cubierta no combustible. Sobre la superficie de la misma. En
cubierta combustible. A cierta separación de la misma:
para paja sin barras de acero de sujeción = 0,15 m. para
otros materiales = 0,10 m. 2.2.2 SISTEMA DE DERIVAC IÓN La
instalación derivadora es la parte que se encarga de
conducir a tierra la corriente del rayo y está formada por
los conductores que se conectan desde el sistema de captura hasta
el sistema de puesta a tierra. Para reducir la probabilidad de
daños debido a la corriente de rayo circulando en el LPS,
los conductores de bajada se dispondrán de forma tal que
desde el punto de impacto hasta el terreno: Existan varias
trayectorias de corriente en paralelo. Las longitudes de dichas
trayectorias sean mínimas Se realice la unión
equipotencial a las partes conductoras de la estructura. Aspectos
de interés: Es una buena práctica la
conexión lateral de los conductores de bajada a nivel del
terreno y cada 10 á 20 m de altura. La geometría de
los conductores de bajada y de los conductores de anillo influye
en la distancia de separación. La cantidad de conductores
de bajada no será menor que dos y se distribuirán
alrededor del perímetro de la estructura, teniendo en
cuenta las restricciones arquitectónicas y
prácticas. Se prefiere la instalación de tantos
conductores de bajada como sea posible (a igual espaciamiento
alrededor de perímetro) y su interconexión mediante
conductores de anillo, para reducir la probabilidad de chispas
peligrosas y facilitar la protección de las instalaciones
internas. Esta condición se satisface en edificaciones de
acero estructural y de hormigón reforzado en las cuales el
acero interconectado es eléctricamente continuo. La
distribución será preferentemente con igual
espaciamiento y de forma que su separación media no sea
superior a los valores típicos dados en la siguiente
Tabla. Página 16 de 38 DOCUMENTACIÓN BÁSICA
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Tabla 2.4 Distancia entre conductores de bajada y entre
conductores de anillo de acuerdo al LPL. LPL Distancia media (m)
I II III IV 10 10 15 20 Se situarán, en la medida de lo
posible, en cada uno de los ángulos exteriores de la
estructura. Su trazado debe ser elegido de forma que evite la
proximidad a las conducciones eléctricas y su cruce.
Cuando no se pueda evitar un cruce, la conducción debe
ubicarse en el interior de un blindaje metálico que se
prolongue 1 m a cada lado del cruce. El blindaje deberá
unirse al bajante. No se instalarán en canalones
aún cuando éstos estuvieran recubiertos por un
material aislante. Los efectos de la humedad producen una
corrosión intensa del conductor de bajada. Se recomienda
posicionarlos tal que se garantice la distancia de
separación entre éstos y cualesquiera puertas y
ventanas. Se instalarán de forma tal que, en la medida de
lo posible, formen una continuación directa de los
elementos de captura. Se ha de evitar el remonte de cornisas o
elevaciones. Se preverán lugares de paso lo más
directos posible para los conductores. Se admite un remonte
máximo de 40 cm para vencer una elevación con una
pendiente menor o igual a 45°. Se instalarán rectos y
verticales tal que ofrezcan la trayectoria más corta y
directa a tierra. Se evitará la formación de lazos,
pero si esto no es posible, la distancia de separación d,
medida a través del espacio entre los dos puntos del
conductor y la longitud l del conductor entre esos dos puntos
cumplirá que d > l/20. Figura 2.13 Trazado en
acodamientos y cornisas. Página 17 de 38
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2.2.2.1 BAJANTES NATURALES Se consideran bajantes naturales a:
Las instalaciones metálicas, si se garantiza que: – Es
duradera la continuidad eléctrica entre las partes
conductoras. – Sus dimensiones son al menos las especificadas.
Las tuberías que trasportan mezclas combustibles o
explosivas no se consideran componentes naturales de conductores
de bajada si la junta en los acoplamientos de brida no es
metálica o si los lados de la brida no están
adecuadamente unidos. Metal de refuerzo del hormigón con
continuidad eléctrica. – Hormigón reforzado
prefabricado: Establecer los puntos de interconexión entre
los elementos de refuerzo. Que contenga conexiones conductoras
entre los puntos de interconexión. Las partes individuales
tienen que conectarse en el lugar durante el ensamblaje. –
Hormigón reforzado pretensado: Debe prestarse
atención al riesgo de consecuencias mecánicas
inaceptables debido a la corriente del rayo o como resultado de
la conexión al LPS. Armazón interconectada del
acero de la estructura. En este caso y en el anterior no son
necesarios los conductores de anillo. Elementos de fachada, las
barras de perfil y las construcciones metálicas de
fachadas, si se garantiza que: – Sus dimensiones están
conforme a los requerimientos para los conductores de bajada y
que los espesores de las planchas o tuberías
metálicas son mayores que 0,5 mm. – Existe continuidad
eléctrica en la dirección vertical. a) b) Figura
2.14 Conexión a tierra de la tubería del
canalón de lluvia y equipotencialidad de la chapa
metálica (a). Conexión al sistema de puesta a
tierra (b). Página 18 de 38 DOCUMENTACIÓN
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2.2.2.2 COMBUSTIBILIDAD DE LA PARED En pared no combustible.
Sobre la superficie de la misma. En pared combustible. Sobre la
superficie de la misma, si la elevación de temperatura del
conductor debido al paso de la corriente del rayo no es peligrosa
para el material de la pared. En pared altamente combustible:
Separación = 0,1 m, si la elevación de temperatura
del conductor es peligrosa. Los accesorios de montaje pueden
estar en contacto con la pared. Cuando esta distancia no pueda
garantizarse, se usará una sección transversal del
conductor mayor que 100 mm2. 2.2.2.3 FIJACIONES Se colocan para
evitar que los conductores de rompan o aflojen debido a las
fuerzas electrodinámicas de la corriente del rayo o las
mecánicas accidentales (ej. vibraciones, deslizamiento de
nieve, dilatación térmica, etc.). Espaciamiento:
Cada 1 m desde el suelo hasta 20 m y cada 0,5 m desde 20 m en
adelante (para conductores trenzados y planos). Cada 1 m a
cualquier altura (para conductores redondos sólidos).
Figura 2.15 Ejemplos de fijaciones para los bajantes. 2.2.2.4
FUNDA DE PROTECCIÓN Los conductores de bajada deben estar
protegidos contra eventuales choques mecánicos mediante un
tubo de protección hasta una altura de 2 m a partir del
suelo. Página 19 de 38 DOCUMENTACIÓN BÁSICA
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