Desde 1980 hasta hoy se ha avanzado mucho a nivel internacional, en el tema de la protección contra descargas atmosféricas, las normas actuales, correctamente interpretadas y aplicadas, suministran para estructuras ordinarias, un nivel de seguridad aceptable a la luz del estado actual de la técnica.

Sin embargo los sistemas son mas y mas sensibles a efectos electromagnéticos, que incluyen las descargas atmosféricas, y en consecuencia el tema de los sistemas de protección aumenta su importancia.

Hasta hoy no se conocen formas de evitar la formación de descargas atmosféricas, y es necesario tener presente que en los limites de gastos justificados por los beneficios que se consiguen, no se puede garantizar la seguridad absoluta.

Un sistema de protección proyectado e instalado según las normas no puede asegurar la protección absoluta de las estructuras, de las personas, de las cosas. Sin embargo la correcta aplicación de las normas reducirá significativamente el riesgo de daños provocados por el rayo en la estructura, aun si no puede evitar que en circunstancias excepcionales se presenten daños.

El tipo y ubicación del sistema de protección debe ser considerado desde el inicio del proyecto de la estructura, permitiendo así aprovechar mejor las partes metálicas de la estructura, simplificar el proyecto y realización, aumentando la eficiencia, reduciendo los costos y las dificultades constructivas, y cuidando la estética general.

La disponibilidad de un área idónea, y el correcto uso de las armaduras de hierro, para realizar los dispersores, pueden resultar imposibles una vez iniciadas las operaciones de construcción de la estructura, el proyecto del dispersor puede tener influencia en el proyecto de fundaciones, siempre es mas económico pensar y proyectar correctamente antes.

El trabajo se basa en la Norma CEItaliano 81-4; de 1996 y V1 de 1998 Protezione delle strutture contro i fulmini - Valutazione del rischio dovuto al fulmine, y otras relativas a estos temas.

Cuando se habla de un sistema de protección contra rayos se puede distinguir una instalación de protección externa, formada por captadores, bajadas y dispersor (ninguno de estos elementos puede faltar), y una instalación interna, con medidas aptas a reducir los efectos de la corriente del rayo dentro de la estructura (conexiones equipotenciales, limitadores de sobretension SPD, etc).

Se habla de una resistencia de tierra equivalente, relación entre el valor de pico de la tensión total de tierra del dispersor y la corriente drenada a tierra (el valor medido a frecuencia industrial, es generalmente distinto del que se presenta con un impulso)

El rayo es un fenómeno que tiene varias componentes aleatorias, se habla entonces de frecuencia de descargas, probabilidad de daños, riesgo debido al rayo.

El rayo puede causar daños según sean las características de la estructura:

• tipo de construcción.
• contenido y destino
• servicios que entran a la estructura
• medidas para contener el riesgo

Los daños implican riesgos de distinto tipo:

• (1) perdida de vidas humanas
• (2) perdida inaceptable de servicios públicos esenciales
• (3) perdida de un patrimonio cultural insustituible
• (4) perdidas económicas.

Para los casos (1) a (3) se define un riesgo máximo tolerable Ra que el proyectista compara con el riesgo R calculado en base a los datos de la instalación y protección eventualmente realizada, para el caso (4) se puede hacer una comparación económica.

Se evalúa con la siguiente formula:

donde F es frecuencia de daño (numero medio anual de rayos que producen daño) y delta es el factor que tiene en cuenta el monto del daño.

Para F muy pequeño es valido:

El riesgo se evalúa a partir de componentes.

Los componentes H, A, D son generados por descargas directas sobre la estructura.

• H tensiones de contacto y paso en el exterior de la estructura.
• A incendios en el interior de la estructura.
• D sobretensiones en instalaciones internas y externas.

Los componentes M son generados por descargas a tierra próximas a la estructura, que inducen por acople inductivo, mientras que los componentes G, C son generados por descargas a tierra, causa de sobretensiones en líneas externas, y que se transmiten por ellas.

• M sobretensiones en instalaciones internas
• C incendios en el interior de la estructura
• G sobretensiones en instalaciones internas

A partir de estos valores se determinan los distintos riesgos:

• por el tipo de descarga: directa Rd = H + A + D, indirecta Ri = M + C + G
• con referencia a la causa: tensiones de paso y de contacto Rt = H, incendio Rf = A + C, sobretensiones en instalaciones internas Ro = D + M + G

Cada componente de riesgo esta dada por el producto F (frecuencia de daño) delta (daño medio correspondiente)

• H = Ft * deltat
• A = Fa * deltaf
• D = Fd * delta0
• M = Fm * delta0
• C = Fc * deltaf
• G = Fg * delta0

Las frecuencias de daño son:

• Ft = Nd * Pt
• Fa = Nd * Pa * Pf
• Fd = Nd * Pd
• Fm = Nm * Pm
• Fc = Pf * suma para todas las líneas (Nck * Pck)
• Fg = suma para todas las líneas (Ngk * Pgk)

Siendo Nd numero de descargas directas sobre la estructura, Nm descargas a tierra próximas a la estructura que inducen inductivamente, NC descargas directas sobre línea externa, Ng descargas indirectas sobre línea externa.

Y las probabilidades de interés son que un rayo provoque Pt una tensión peligrosa, Pa descarga peligrosa, Pf inicie incendio, Pd sobretension peligrosa, Pm sobretension por acople inductivo, Pc descarga debida a línea externa, Pg sobretension debida a línea externa.

Se deben considerar las n líneas externas que penetran, a la estructura, pero teniendo en cuenta que líneas con igual recorrido se cuentan como solo una.

Los valores de frecuencia de fulminación, se determinan a partir de Nt densidad de descargas y las áreas involucradas para cada tipo de descarga.

• Nd = Nt * Ad
• Nm = Nt * Am
• Nc = Nt * Ac
• Ng = Nt * Ag

Se observan que se alcanzan valores de 7, siendo característico un valor de 4 o 5, aunque en ciertos lugares se presenta 1 o menos aun.

Las áreas de recolección se determinan a partir de la geometría de la estructura a proteger S que puede ser una parte de la construcción C.

• Ad es el área en planta de la estructura, a la que se suma un área perimetral que esta dada por tres veces la altura (cuando la estructura esta en zona plana y aislada), si esta en la cima de un promontorio este valor se multiplica por 2, rodeada de estructuras mas bajas se aplica un factor 0.5 y rodeada de estructuras iguales o mayores se aplica 0.25, a este factor se lo llama coeficiente ambiental C.
• Am es el área que rodea la estructura (excluida el área Ad) donde un rayo a tierra puede causar un campo magnético que influencia las instalaciones internas de la estructura, la distancia considerada es de 500 m (para una obra puntual seria un circulo de 500 m de radio)
• Ac esta definida por la longitud de la línea que puede capturar el rayo, depende de la geometría y si se trata de cable enterrado de la resistividad del suelo
• Ag análogamente el rayo puede inducir sobretensiones.

Las formulas que se pueden aplicar son:

• impacto directo en la línea aérea: Ac = 6 * h * L / 1000000
• cable enterrado: Ac = 2 * raíz(rho) * L / 1000000
• impacto indirecto en la línea aérea: Ag = 2000 * L / 1000000
• cable enterrado: Ag = 2 * rho * L / 1000000

Siendo h altura en m de los conductores sobre el suelo, L longitud en m hasta el primer nodo de la red, o 1000 m máximo.

Las probabilidades de daño dependen de muchos factores, entre los cuales características del terreno que rodea la estructura, características de la estructura, características de las instalaciones, y medidas de protección adoptadas.

Las probabilidades P correspondientes a una estructura protegida se dan a partir de p para estructura no protegida y un factor k de reducción por las medidas de protección adoptadas (si no las hay k = 1)

Probabilidad de que el rayo provoque una tensión peligrosa Pt = k1 * pt

El valor de pt depende de la resistividad superficial del suelo

El valor de k depende de las medidas de protección

El valor E es la eficiencia de la instalación de protección (LPS) cuando ausente E = 0. Y se mide comparando Rd (riesgo por fulminación directa) con Ra (riesgo admisible)

Probabilidad parcial ps dependiente de características de la estructura

Probabilidad parcial pi dependiente de características de instalaciones internas y pe de instalaciones externas, con cables apantallados o con canal metálico continuo de sección S en mm2 conectado a tierra en ambos extremos.

Definidos estos valores se puede calcular:

Probabilidad de que un rayo directo en la estructura provoque una descarga peligrosa:

Probabilidad de que un rayo directo en la estructura provoque una sobretension peligrosa:

Probabilidad de que un rayo al suelo en proximidad de la estructura provoque una sobretension peligrosa:

Probabilidad de que un rayo sobre la línea provoque una descarga peligrosa:

Probabilidad de que un rayo en proximidad de la línea induzca una descarga peligrosa:

Probabilidad de que una descarga peligrosa inicie un incendio o una explosion

Pf depende de la estructura y de su contenido

Daño medio delta que se presenta por efecto del rayo, depende del numero de personas y de su tiempo de permanencia, del tipo e importancia del servicio publico, del valor de los bienes involucrados.

• deltat debido a tensiones de paso y contacto
• deltaf incendio o explosión
• delta0 debido a sobretensiones en las instalaciones internas

Riesgo de tipo 1, con perdida de vidas humanas

siendo n numero de víctimas, nprima numero máximo de personas previsible en la estructura, t tiempo anual de presencia en horas.

Coeficiente de reducción en presencia de medidas para reducir el riesgo de incendio

Factor de incremento del daño medio en presencia de peligros particulares

Se puede presentar pánico reducido en hoteles (menos de 100), escuelas, locales públicos (menos de 250), museos (menos de 1500 m2), iglesias, inmuebles de actividad productiva, inmuebles de uso civil, inmuebles de actividad comercial (menos de 1500 m2), edificios agrícolas.

Dificultad de escape en cárceles, hospitales, inmuebles de oficinas, edificios de altura (mas de 60 m).

Pánico en hoteles (mas de 100), locales públicos (mas de 250), inmuebles de actividad comercial y museos (mas de 1500 m2), refinerías, depósitos y fabricas de combustibles.

Explosión en depósitos y fabricas de municiones.

Contaminación en instalaciones químicas, Laboratorios e instalaciones nucleares, y Laboratorios e instalaciones bioquímicas

Riesgo de tipo 2, con perdida inaceptable de servicio publico

siendo n numero medio de usuarios no servidos, nu numero total de usuarios servidos, t tiempo anual de perdida de servicio en horas.

Riesgo de tipo 3, con perdida de patrimonio cultural insustituible

Siendo ci capital asegurado de los posibles bienes, ct valor de todos los bienes presentes en la estructura.

Un valor típico es deltaf = 0.5 para museos y galerías, debiendo considerarse los factores kf

Riesgo de tipo 4, con perdida económica

Siendo cm valor medio de posibles perdidas por causa del riesgo, cv valor total de la estructura y actividades correspondientes.

Se debe iniciar con las caracteristicas de densidad de descargas:

Caracteristicas de la edificacion, areas involucradas (areas de recoleccion):

Coeficiente ambiental de la construccion según este rodeado o no de otras construcciones, y según sea el terreno que rodea.

Probabilidad

pt de que el rayo provoque una tension peligrosa, y que depende de la resistividad del suelo

ps Probabilidad parcial dependiente de características de la estructura

pi Probabilidad parcial dependiente de características de instalaciones internas

pe de instalaciones externas

Factores k para considerar las medidas de proteccion

Daños medios

Riesgo de tipo 1, con perdida de vidas humanas

deltat debido a tensiones de paso y contacto

deltaf incendio o explosión

delta0 debido a sobretensiones en las instalaciones internas

kf Coeficiente de reducción en presencia de medidas para reducir el riesgo de incendio

r Factor de incremento del daño medio en presencia de peligros particulares

Riesgo de tipo 2, con perdida inaceptable de servicio publico

deltat debido a tensiones de paso y contacto

delta0 debido a sobretensiones en las instalaciones internas

Riesgo de tipo 3, con perdida de patrimonio cultural insustituible

deltaf = 0.5 para museos y galerías

Riesgo de tipo 4, con perdida económica

deltat debido a tensiones de paso y contacto

deltaf incendio o explosión

delta0 debido a sobretensiones en las instalaciones internas

Entonces se determinan para cada tipo de riesgo los componentes

El paso siguiente es determinar los riesgos resultantes y los totales, que se comparan con los valores admisibles, riesgos tolerables.

Es así que finalmente se tienen todos los elementos para evaluar los riesgos para cada situación:

• Rd = H + A + D para descarga: directa
• Ri = M + C + G indirecta
• Rt = H para tensiones de paso y de contacto
• Rf = A + C, incendio
• Ro = D + M + G sobretensiones en instalaciones internas

Y obtener los riesgos totales:

• R = Rd + Ri

Estos resultados se deben comparar con los valores admisibles, riesgos tolerables Ra para distintos tipos de daños:

Se debe lograr que R < Ra, para cada tipo de daño.

Al comparar el riesgo tolerable con los riesgos calculados se presentan situaciones aceptables o que deben resolverse tomando medidas de mejora, que según el caso se sugieren:

1. protección no requerida
2. LPS sistema de protección contra rayos
3. SPD limitador de sobretension o transformador de aislacion en instalaciones externas
4. aislacion del suelo
5. SPD limitador de sobretension o transformador de aislacion en aparatos
6. Medidas antiincendio
7. cambio de características de las instalaciones internas
8. cambio de características de las instalaciones externas

Algunas medidas son en alternativa o complementarias de otras, el orden en el que se indican es en general el que se respeta como importancia.