Rascacielos el reto de la protección contra descargas atmosféricas

Los ingenieros enfrentan actualmente el desafío de construir, proyectar y desarrollar edificios de gran altura. Además, deben armonizar tres aspectos: la tecnología, el confort y la seguridad. Todo ello con el fin de mantener a la vanguardia arquitectónica a la Ciudad de México

Por José Ordoñez López

México sigue creciendo y, con él, sus ciudades. A la par, la industria de la construcción continúa desenvolviéndose en un país que ha marcado su propio crecimiento económico y como buen ejemplo de estar a la vanguardia en el mundo tratamos de alcanzar el cielo, aunque estamos algo lejos de las alturas ya conquistadas sobre todo en Medio Oriente.

De igual forma, la Ciudad de México se ha proclamado como la principal metrópoli en América Latina, y por ello es que se están construyendo, proyectando y desarrollando rascacielos, los cuales albergarán los corporativos más destacados de la región. Entre los más importantes, en los que se han involucrado renombradas empresas constructoras, están la Torre KOI en Monterrey, la Torre Mitikah y la Torre Reforma, en la CDMX.

A nivel global, las tres edificaciones que alcanzan alturas impresionantes y se encuentran en operación son el Burj Khalifa en Dubái, la Torre Shanghái en China y Abraj Al Bait en Arabia Saudita, con 830, 632 y 601 metros de altura, respectivamente.

Ante este reto, surge el cuestionamiento acerca de lo que pueden hacer arquitectos, ingenieros civiles y profesionales del sector eléctrico pues, sin duda alguna, la distribución eléctrica es el corazón que da vida a los distintos servicios que permiten el funcionamiento de estas edificaciones.

Protección integral
Existen múltiples aspectos para abordar el tema de la seguridad integral en una construcción de gran altura; algunos son normativos, prácticos, otros casi místicos o empíricos, que pueden someterse a debate. El objetivo siempre es el mismo: ¿cómo garantizar la protección integral del inmueble, personas y equipos?

En lo que se refiere a los aspectos normativos, las siguientes normas nacionales, internacionales y de producto de país de origen tratan la solución de la protección en rascacielos de maneras muy disimiles:

NMX-J-549-ANCE 2005
En el capítulo 4, sección 4.3.2.3, titulado “Número y ubicación de terminales”, se enumeran una serie de recomendaciones. De entrada, señala que existen elementos de la estructura del inmueble que, por ser metálicos y estar encima de los objetos a proteger, deben ser considerados en el diseño como terminales aéreas naturales para interceptar la corriente del rayo. Pese a no haber sido diseñados para tal fin deberán cumplir con las siguientes condiciones:

• Ser eléctricamente continuos en todas sus partes
• No tener revestimientos de material aislante
• Estar sólidamente conectados al sistema de puesta a tierra
• Cumplir las especificaciones indicadas en la sección seis de materiales

La probabilidad y número de impactos sobre las terminales aéreas es mayor debido a su altura, aumentando también la posibilidad de interponerse en la trayectoria de rayos de menor intensidad. Por lo tanto, es recomendable que la altura de las terminales esté limitada a tres metros por encima del objeto a proteger, verificando en todo momento la cobertura de protección en el diseño.

Por ello, actualmente se cuenta con tres métodos básicos, soportados normativamente en base al IEC 62305 y la NMX-J-549-ANCE 2005:

• Método de la esfera rodante
• Método del ángulo
• Método de la malla

Lo anterior, tomando en cuenta las siguientes recomendaciones: cuando la altura del edificio exceda los 60 metros, las terminales aéreas en el nivel de techo deberán calcularse con un nivel uno de protección. Adicionalmente, se instalarán conductores horizontales anillos equipotenciales (tema no muy aceptado por los arquitectos), lo que asegura la adecuada conexión con la estructura y la cimentación.

En el mercado existen soluciones disponibles que utilizan materiales como el acero galvanizado y permiten incorporar la puesta a tierra en la cimentación, sin provocar efectos como el par galvánico y la conocida corrosión, que implica insertar cobre en contacto con el acero de la estructura.

Cuando la edificación es de acero estructural eléctricamente continuo (aspecto muy común en edificaciones de gran altura), no resulta necesario instalar los conductores horizontales mencionados en la norma (anillos equipotenciales con función de terminal área horizontal), sino que es suficiente con asegurar la conexión entre los cimientos de la estructura y el sistema de puesta a tierra (SPT).

IEC 62305-3
Internacionalmente, esta norma regula y recomienda los criterios de protección a las estructuras en base a la equipotencialidad de todos los elementos metálicos, utilizados como una pantalla electromagnética, con el fin de proteger los equipos eléctricos e informáticos. Para esta consideración puede consultarse el IEC62305-2 Anexo B y la IEC 62305-4, que aborda la protección interior de todas las señales eléctricas de voz y datos mediante supresores de sobretensión.

Igualmente, en la sección 5.2.4.2.3 del estándar IEC 62305-3, titulado “Realización de una estructura apantallada”, se cita que un sistema de captura en el techo (toda estructura con dimensión superior a un metro) deberá interconectarse para formar una malla a la cuál esté conectado el dispositivo de captura.

Un elemento importante está relacionado en la sección 5.3 “Conductores de bajada”, en el que se menciona que la elección del número de bajantes y su posición debe considerarse para repartir la corriente de descarga, lo que permite conducir descargas laterales e, incluso, comportarse como una jaula de Faraday para lograr la compensación de perturbaciones electromagnéticas en el interior de la estructura.

Otro aspecto importante de esta norma es que, si no es posible colocar conductores de bajada en un lado, o parte del edificio por razones prácticas o arquitectónicas, dichos elementos deben distribuirse en otras zonas como conductores de bajada compensadores.

En estructuras de gran altura, ya sean industriales o administrativas, la solución consiste en integrar los componentes de acero estructural o de hormigón armado como conductores de bajada, que pasarían a ser la jaula de Faraday antes mencionada. Esto origina que la impedancia total sea más baja y proporciona una protección más eficaz contra un rayo para las instalaciones interiores. Asimismo, disminuye las diferencias de potencial entre los elementos que conducen la corriente y las estructuras metálicas que, al estar puestas a tierra, tendrán el mismo potencial y eliminarán la aparición de chispas, aspecto también visto por la NFPA 780.

NFC 17-102
De procedencia francesa, esta norma es el elemento regulador del comportamiento de una tecnología (pararrayos de dispositivo de cebado PDC o Early Streamer) que sigue siendo muy controvertida al no estar considerada en la IEC 62305. Sin embargo, la aplicación de este producto en el campo de la protección ha sido utilizada en edificaciones de gran altura como el Burj Khalifa, Abraj Al Bait, Torre Shanghái, Torre de Televisión de Bangkok-Thailand, el Templo de Ayuttaya-Thailand, Torre HSBC de la CDMX y la Torre de TV Azteca.

Si bien se plantean dos bajantes por pararrayo, la implementación de cuatro bajantes y anillos en el último 20 por ciento de la altura de la estructura es una recomendación del uso de los conductores de bajada en esta norma.

Cada día más empresas de ingeniería en México adecuan la solución de PDC con la propuesta de usar la estructura como múltiples bajantes, así se puede complementar la solución y asumir las ventajas de la estructura como jaula de protección. Esto hace que, en el campo, de hasta dónde llega una u otra norma, esté la buena factura de la ingeniería.

La clave del éxito
Torre BBVA Bancomer, Torre Reforma, Reforma 509, la segunda etapa de Plaza Carso y el complejo de Grupo Danhos en Toreo se han convertido en las edificaciones con las más elevadas especificaciones técnicas que buscan un mayor confort, así como un compromiso con el medioambiente y el cliente final. Lo anterior, como  parte de dar cumplimiento a los requerimientos del Instituto Mexicano del Edificio Inteligente (IMEI).

Es importante ver todo esto como una solución integral, pues ¿de qué valen rascacielos con avanzada automatización en los servicios de clima, aire acondicionado, controles en el uso de elevadores y de la iluminación natural, si están a expensas de un posible daño por el impacto de una descarga atmosférica o una sobretensión transitoria? Vale la pena recordar que nada puede cambiar el curso de la naturaleza y parte del éxito es lograr interceptar, conducir y drenar de forma efectiva la formación natural del rayo, al tiempo de proteger los equipos sensibles y los procesos que cada día están regidos y supervisados por equipos electrónicos.

A continuación, se enlistan algunos elementos importantes para la protección de edificios de gran altura y elevado nivel de integración:

1. Diseño de sistema de puesta a tierra (SPT) integrado a la estructura de la edificación, la cual permite lograr una equipotencialidad de todos los elementos metálicos
2. SPT de baja impedancia que cumpla con los requerimientos normativos y garantice que cualquier elevación de potencial podrá ser conducida y drenada por medio de equipos de protección, como supresores de sobretensión transitoria
3. Diseño del sistema externo de protección mediante los métodos antes mencionados, lo cual permite una cobertura segura del inmueble y las vidas humanas como aspecto prioritario
4. Tomar medidas adecuadas para capturar y conducir impactos laterales, ya sea a través de elementos diseñados para este fin o bien garantizar la continuidad eléctrica de la estructura hasta el sistema de puesta a tierra, de forma tal que tenga una baja impedancia
5. Uso de supresores de sobretensión transitoria coordinados energéticamente, tanto en redes de energía como en las señales de comunicación y control, de forma que en cada escalón se haga el corte energético requerido para que el equipo final no sea dañado
6. Es importante que toda inversión sea protegida como patrimonio. Lo anterior es posible si toda señal de servicios llega en conductores de cobre (energía, comunicaciones que se transmitan y protejan con voz IP, datos dependiendo del protocolo de comunicación, video, etcétera)

Como enuncia el título de este artículo, los ingenieros enfrentan el desafío de lograr que todo desarrollo tecnológico aplicado en los rascacielos opere de forma eficiente, por lo que deben garantizar el confort y la seguridad a partir de los seis aspectos antes señalados. De esta manera, mantendrán a México a la vanguardia en edificaciones de gran altura y nivel de integración en Latinoamérica.
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José Ordoñez López
Ingeniero Eléctrico por la Universidad Tecnológica de la Habana “José Antonio Echeverría” (CUJAE), cursó una maestría en Ingeniería Eléctrica en CUJAE. Ha sido catedrático de la Universidad Politécnica de la Habana, la Universidad Panamericana, el ITESM Campus Ciudad de México y la Universidad La Salle. Ha laborado para diferentes empresas del sector como Fábrica de Transformadores Electrotécnica, Grupo AMESA, Grupo ENERTEC y DEHN Protection México.