Los rayos son fenómenos estocásticos y difíciles de predecir, pero el cambio climático ha intensificado su frecuencia, aumentando el nivel ceraúnico en Colombia y en otros países de la zona intertropical. Esto significa que ahora caen más rayos por kilómetro cuadrado; por ejemplo, en Bogotá, el promedio anual ha pasado de 1 a 8 rayos por kilómetro cuadrado. En respuesta a este fenómeno, este artículo analiza, mediante el software de multifísica COMSOL, una edificación de tres pisos con un área construida de 1200 metros cuadrados, como se muestra en la primera ilustración. Además, se evaluarán los efectos de las tensiones de paso en el cuerpo humano utilizando ATP Draw, calculando la energía disipada durante un evento de este tipo. 🏢🌩️
¿Cuánta energía tiene un rayo y como afecta una edificación?
Un rayo es modelada como una fuente de corriente, históricamente se han registrado descargas atmosféricas de hasta 500 mil amperios, en la NTC 4552 se habla de la energía específica, en consecuencia, para un rayo clase I, se toma que este tiene una energía de 10 millones de Joules por Ohm. En otras palabras, la energía entregada por el rayo depende de la resistencia equivalente del material que sea impactado. Por ejemplo, si se impacta una estructura de concreto cuya resistividad es de 100 ohms por metro, disipará 10.000.000.000 de veces más energía que un objeto de las mismas dimensiones hecho de aluminio, que cuenta con una resistividad de 2.75×10^-8 Ohms*m.
La energía de un rayo en un material de alta resistividad como lo es el concreto puede hacer que el agua contenida en este se evapore de forma violenta, lo que puede generar grietas en el concreto y proyección del material, asimismo, las grandes cantidades de energía disipadas por materiales como madera, icopor y otros objetos inflamables son el inicio de un incendio. Además, si las tuberías de gas se encuentran mal equipotencializadas o hay una acumulación de gases inflables en la edificación, las chispas peligrosas son el inicio de una explosión. Para finalizar, los rayos generan tensiones de paso y de contacto que son peligrosos para las personas y animales que ocupan la estructura. En este artículo abordaremos en detalle estas últimas.
Tensiones de paso y de contacto en estructuras de concreto por impactos por rayo usando COMSOL
En primer lugar, se construyó la geometría del edificio, se asumió la resistividad del concreto de 100 Ohms*m y la resistividad del terreno de 50 Ohms*m. Segundo, se simuló un rayo de 200 mil amperios que impacta una de las esquinas de la edificación, los resultados se muestran en la ilustración 2, en la cual se representa con colores falsos, dando una escala de colores personalizada para cada piso.
Con el fin de apreciar el peor escenario se analizará con más detalle en la ilustración 3 las tensiones de paso que se generan en el piso 3, el cual, en su punto máximo, registra un potencial de 224 millones de voltios. En comparación, la línea de transmisión con mayor voltaje en Colombia ronda los 500 mil Voltios, en otras palabras, el punto máximo registra un potencial 448 veces mayor.
¿Como proteger un edificio de un rayo?
Tercero, se repite la simulación anterior agregando un bajante en aluminio de 8 mm de diámetro, embebido en la columna de concreto y 26 m de 2/0 AWG en cobre enterrados en el suelo, como se muestra en la ilustración 4. Para este caso el potencial eléctrico en el piso 3 se reduce a 368 voltios en el punto más alto, lo que representa una reducción de más de 600.000 con respecto al caso anterior, en conclusión un apropiado sistema de protección externa que garantice un adecuado flujo de la corriente del rayo evitando que este cruce por la estructura y una adecuada puesta a tierra que permita disipar la energía de forma segura, son la solución para proteger de forma segura a las personas.
Simulación en ATP Draw de la energía disipada por el cuerpo humano
Si una persona estuviera parada en el piso 3, cerca a la columna que recibe el impacto del rayo, experimentaría una tensión de paso en sus piernas del orden de 20 millones de voltios, asumiendo una forma de onda 10/350 us, se tiene una energía disipada del orden de 277 mil Joules lo que es el equivalente a una caída libre sin rozamiento de un cuerpo de 50 kg a una altura de 554 m, en comparación, el hecho de agregar 26 m de alambrón, y un bajante reduce la energía a 0.14 Joules, lo que es seguro hasta para niños y animales pequeños. Para finalizar en la ilustración 5 se muestra una comparación de estos hechos.
Si quieres saber cuanto cuesta el sistema de protección contra rayos de tu edificio no dudes en llamarnos, también puedes visitar nuestra calculadora en línea sobre cuanto cuesta un sistema de protección contra rayos en Colombia.
Los rayos no son algo que se deba ignorar, no dudes en llamarnos, agenda una consultoría con nuestro ingeniero Senior especialista en rayos y evalúa el riesgo y las medidas de mitigación necesarias para tu proyecto.
Andrés Rico Quevedo, Gerente General de instalaciones eléctricas.
