1. República Bolivariana de Venezuela
Vicerrectorado Académico
Universidad “Fermín Toro”
Facultad de Ingeniería
Sistemas de descargas
atmosféricas para el
Torre Sears, U.S.A
Integrantes:
Corazón Monasterios
Yusmeri Duran
PROF: ING. Andres Soto

2. 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.

3. SEARS
En 1969, Sears era la empresa minorista, Sears contrato a Skidmore, Owings and Merrill
(SOM) para producir una estructura que se convertiría en uno de los edificios de oficinas
más altos del mundo. El equipo del arquitecto Bruce Graham y el ingeniero Fazlur Khan
diseñaron el edificio como 9 "tubos" cuadrados, cada uno, esencialmente un edificio
separado cada uno, Todos, los 9 tubos se alzarian hasta el piso número 50 del edificio. En
ese piso, los tubos noroeste y sudoeste terminan, y los otros 7 continúan subiendo. En el
piso número 66, los tubos noreste y sudoeste terminan. En el 90, los tubos norte, este, y
sur. Los tubos que quedan (centro y oeste) siguen hasta el 108.
Como Sears, continuaba teniendo optimistas planes de crecimiento, la altura propuesta
para la torre avanzó hasta más de 100 pisos y sobrepaso la altura del incompleto World
Trade Center en Nueva York que se convertiría en el edificio más alto del mundo.
Restringido en altura por un límite impuesto por la Federal Aviation Administration (FAA)
para proteger el tráfico aéreo, la torre sears fue financiada por la compañía. Se le
agregaron 2 antenas para permitir la difusión de televisión y radio. Sears y la ciudad de
Chicago aprobaron el diseño, y el primer steel fue puesto en abril de 1971. La estructura
fue completada en mayo de 1973. La construcción costo aproximadamente $150 millones
de dólares de esa época, que serían el equivalente a $950 millones de dólares en el 2005.
En comparación el Taipei 101, construido en Taiwán en el 2004, costo alrededor del
equivalente a $1.76 billiones de dólares del 2005.

4. DATOS DEL TAIPÉI
101
Ubicación: Chicago, Illinois, EUA
Construcción: 1970-1974
Altura: Antena: 527 m (1720 pies),Techo: 442 m
(1450 pies),Último Piso: 412 m (1355 pies)
Cantidad de Pisos: 110
Area de Piso: 4.56 millones de pies cuadrados
(418,064 m² )
Elevadores: 104
Arquitecto: Skidmore, Owings &
Merrill.. Por: Andres Pineda VillaVizar,
para Arquitectura y construccion en
ARQHYS.com

5. El clima en Chicago se define como clima continental y por consiguiente es muy variado,
ya que en verano se pueden registrar temperaturas máximas entre 25 y 30 C, y mínimas
desde 10 hasta 15 C. En invierno las temperaturas máximas abarcan desde los -15 hasta
los 0 C y las mínimas desde los -25 C hasta los -10 C. El lago sólo atempera el clima
levemente. Las precipitaciones máximas se concentran en los meses de primavera y
verano, siendo agosto el mes más húmedo en general; aunque las precipitaciones están
repartidas a lo largo de todo el año. Las nevadas o ventiscas son frecuentes durante
finales del otoño, y el invierno y pueden ser muy intensas, al encontrarse en pleno
subcontinente norteamericano, y cerca de las tierras de Canadá.
Debido a lo llano de la zona, se ha de guardar el agua de lluvia en cisternas que funcionan
como depósitos subterráneos de forma temporal, en un sistema conocido como TARP
(Tunnel and Reservoir Program) que cuenta con 168 km. de túneles, a una profundidad de
entre 90 y 100 metros, con un diámetro de entre 3 y 11 metros, con capacidad para un
millón de m3. cada uno.

6. SISTEMAS DE PROTECCIÓN
PARA DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS
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.

7. CONDUCTORES AÉREOS DE TIERRA
(CABLES DE TIERRA)
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.

8. TUBOS PROTECTORES
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.

9. APANTALLAMIENTO
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.

10. La separación necesaria entre los conductores de tierra y los de
CENTRO DEL VANO
SEPARACIÓN EN EL
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.

11. 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

12. CONDUCTORES DE CONTRA
PESO O CONTRA ANTENA
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.

13. IMÁGENES TORRE
SEARS

18. CÁLCULO ÍNDICE DE RIESGO EN ESTRUCTURA A
EVALUAR PARA EL TORRE SEARS, U.S.A
El término Índice de Riesgo es comúnmente asociado a la
estimación de la probabilidad de ocurrencia de algún
evento no deseado, sin embargo definiré este mismo en
el ámbito Pokerístico, a la capacidad o pre-disposición
que tenemos en determinado momento para asumir
algún tipo de riesgo a la hora de realizar o igualar una
apuesta y que sin lugar a dudas juega un papel clave en
la toma de decisiones.

19. INDICE DE RIESGO:
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.

20. INDICE DE RIESGO A:
USO AL QUE SE DESTINA LA ESTRUCTURA VALOR DEL
ÍNDICE A
Casas y otras construcciones de tamaño similar. 2
Casas y otras construcciones de tamaño similar con antenas 4
exteriores.
Industrias, talleres y laboratorios. 6
Edificios de oficina, hoteles, edificios de apartamentos. 7
Lugares de reunión, como iglesias, auditorios, teatros,
museos, salas de exposición, tiendas por departamentos, 8
oficinas de correos, estaciones, aeropuertos y estadios.
Escuelas, hospitales, guarderías infantiles y ancianatos. 10

21. INDICE DE RIESGO B:
TIPO DE CONSTRUCCIÓN VALOR DEL
ÍNDICE B
Estructura de acero con techo no metálico. 1
Concreto forzado con techo no metálico 2
Ladrillo, concreto liso o albañilería, con techo no metálico de 4
material incombustible.
Estructura de acero o concreto armado con techo metálico. 5
Estructura de madera o con revestimiento de madera con 7
techo no metálico de material incombustible.
Ladrillo, concreto liso, albañilería, estructura de madera con 8
techo metálico.
Cualquier construcción con techo de material combustible. 10

22. INDICE DE RIESGO C:
CONTENIDO O TIPO DEL INMUEBLE VALOR DEL
ÍNDICE C
Inmuebles residenciales oficinas, industrias y talleres con 2
contenido de poco valor, no vulnerable al fuego.
Construcciones industriales o agrícolas que contienen 5
material vulnerable al fuego.
Plantas y subestaciones eléctricas y de gas, centrales 6
telefónicas y estaciones de radio y televisión.
Plantas industriales importantes, monumentos y edificios 8
históricos, museos, galerías de arte y construcciones que
contengan objetos de especial valor.
Escuelas, hospitales, guarderías y lugares de reunión. 10

23. INDICE DE RIESGO D:
GRADO DE AISLAMIENTO VALOR DEL
ÍNDICE D
Inmuebles localizados en un área de inmuebles o árboles 2
de la misma altura, en una gran ciudad o bosque.
Inmuebles localizados en un área con pocos inmuebles de 5
la misma altura.
Inmueble completamente aislado que excede al menos 10
dos veces la altura de las estructuras o árboles vecinos.

24. INDICE DE RIESGO E:
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

25. INDICE DE RIESGO F:
ALTURA DE LA ESTRUCTURA VALOR DEL
ÍNDICE F
Hasta 9 m. 2
de 9 m a 15 m. 4
de 15 m a 18 m. 5
de 18 m a 24 m. 8
de 24 m a 30 m. 11
de 30 m a 38 m. 16
de 38 m a 46 m. 22
de 46 m a 53 m. 30

26. INDICE DE RIESGO G:
NÚMERO DE DÍAS DE TORMENTAS VALOR DEL
POR AÑO ÍNDICE G
Hasta 3. 2
de 3 a 6. 5
de 6 a 9. 8
de 9 a 12. 11
de 12 a 15. 14
de 15 a 18. 17
de 18 a 21. 20
más de 21. 21

27. 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 .

28. SISTEMA DE DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS PARA LA TORRE SEARS
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 de Sears se vea afectada.
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 La Torre Sears.

29. 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

30. CONSIDERACIONES
DEL SISTEMA
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 de la Torre Sears.

31. Cable de cobre Pararrayo Cable de cobre
Spat insertado en el suelo

32. Luego de haber realizado un estudio bastante detallado, considerando las características
del terreno e igualmente de la edificación a proteger como lo es la torre Sears, se obtuvo
como resultado un índice de riesgo bastante elevado, el cual nos indica la utilización
obligatoria de un sistema puesta a tierra que nos garantice la protección de posibles
descargas atmosféricas, las cuales son inclementes e impredecibles presentes en dicha
zona.
No obstante, analizando la probabilidad de ocurrencias de dichas descargas en la
localidad, se establece partiendo del tipo de clima de Chicago en donde se encuentra
nuestra estructura a proteger (Torre Sears). Es por ello que se planteo implementar un
sistema de protección relativamente sencillo y de uso común como lo es el pararrayo. Este
pararrayo estará situado en el punto mas elevado (techo)de la edificación.
Gracias a este sistema de protección, el cual puede considerarse sencillo pero bastante
eficaz, es posible proteger la Torre Sears de descargas atmosféricas, de tal manera evitar
graves danos que representan grandes perdidas materiales representados en costos
monetarios, y lo menos indeseado como lo es perdidas humanas.