Bezpieczna instalacja piorunochronna

Elementy zewnętrznej instalacji piorunochronnej powinny przejąć i odprowadzić do ziemi prąd wyładowania piorunowego bez szkody dla chronionego obiektu i w sposób bezpieczny dla przebywających w nim ludzi.

Instalację zewnętrzną należy wykonać zgodnie z zasadami określonymi w normach ochrony odgromowej obiektów budowlanych oraz ochrony przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym (tabela 1).

Zwody poziome niskie na dachach płaskich

Zwody na dachach i – w przypadku obiektów wysokich – na ścianach powinny wytrzymać przepływ prądu piorunowego. Zwodami mogą być przewodzące elementy konstrukcyjne obiektu, tak zwane zwody naturalne, lub przewody umieszczone tylko w celach ochrony odgromowej, tak zwane zwody sztuczne. W drugim z wymienionych przypadków, zwody mogą być złożone z dowolnej kombinacji prętów, rozpiętych przewodów lub sieci tworzonej z przewodów. Dokładne informacje o elementach przewodzących, które mogą być wykorzystane jako zwody, przedstawiono w normach PN-86/E-05003/01 oraz PN-IEC 61024-1.
Początkowo zalecano mocowanie zwodów niskich w sposób trwały w odległości minimum 2 cm od dachu niepalnego bądź trudno zapalnego. W normie PN IEC-61024-1 nie została określona minimalna odległość przewodu od powierzchni dachu. Przewody mogą być ułożone bezpośrednio na powierzchni dachu bądź w niewielkiej od niego odległości. Takie ułożenie możliwe jest tylko w przypadku, jeśli przepływ prądu piorunowego w przewodach nie spowoduje termicznego uszkodzenie pokrycia dachowego.

Do oceny przyrostu temperatury, jaki nastąpi przy przepływie prądu piorunowego o kształcie 10/350 i różnych amplitudach (zależnie od przyjętego poziomu ochrony) można wykorzystać dane zestawione w tabeli 2.

Zwody poziome niskie powinny tworzyć na dachu obiektu siatkę, a wymiary pojedynczego oka siatki w zależności od poziomu ochrony odgromowej i związanej z tym efektywności ochrony zestawiono w tabeli 3.
Należy zwrócić uwagę na siatkę o wymiarach oka 5m x 5m, którą powinno się stosować w przypadku pierwszego poziomu ochrony – we wcześniejszych zaleceniach (PN-89/E-05003/03) siatka o takich wymiarach była wymagana tylko w przypadku ochrony odgromowej zbiorników naziemnych.

W tabeli 3 przedstawiono również (pola zacienione) wartości określone w wycofanej normie PN- 86/E-05003/02

Na dachach o niewielkiej powierzchni siatkę zwodów można tworzyć metodą naprężania przewodów, zaś w przypadku dachów rozległych do mocowania siatki zwodów należy wykorzystywać odpowiednie wsporniki odstępowe oraz złączki i uchwyty. Zastosowane wsporniki powinny zapewnić łatwość, szybkość oraz niezawodność montażu.

Obecnie do pokrywania dachów płaskich lub o niewielkim nachyleniu wykorzystywane są różnorodne materiały, których estetyczne i trwałe połączenie ze zwodami instalacji odgromowej może być bardzo kłopotliwe. W takich przypadkach do tworzenia siatki zwodów wykorzystuje się różnorodne elementy do połączenia przewodów oraz wsporniki. Przykłady różnorodnych wsporników zwodów przedstawione zostały na rysunku 1.

Na dachach płaskich lub dachach o niewielkim (dochodzącym do 5 %) spadku, na których zastosowano pokrycia z tworzyw sztucznych można również stosować wsporniki przedstawione na rysunku 1.
Na rozległych dachach płaskich wykonanych z materiałów, do których nie powinno się nic wkręcać lub wbijać, można stosować wsporniki układane na dachu bądź mocowane do jego powierzchni przy pomocy materiału, z którego wykonano pokrycie dachowe.
Zazwyczaj są one mocowane do powierzchni dachu w następujący sposób:

• wsporniki należy ustawić na dachu w odpowiednich miejscach i, jeśli jest to niezbędne, połączyć przewodami tworząc wymaganą siatkę zwodów,
• z materiału, którym pokryty jest dach, „paski” o długości i szerokości odpowiedniej dla danego wspornika,
• wykorzystując technikę łączenia odpowiednią dla danego tworzywa (np. zgrzewanie, klejenie) połączyć wsporniki z powierzchnią dachu (Fot. 1).

Przykładowe rozwiązania złączek wykorzystywanych do połączeń przy tworzeniu siatki zwodów na dachach obiektów budowlanych przedstawiono na rysunku 2, w przypadku rozległych dachów należy uwzględnić zmiany długości drutu powstałe na skutek zmian temperatury. Ogólna zależność określająca przyrost długości drutu ΔL wynosi przy wzroście temperatury ΔT:

gdzie: L – długość drutu, α – temperaturowy współczynnik rozszerzalności liniowej.

Wartości temperaturowych współczynników rozszerzalności liniowej dla różnych materiałów i przyrosty długości przy zmianach temperatury zestawiono w tabeli 4.
W celu uniknięcia niebezpiecznych naprężeń wywołanych przez zmiany temperatury, należy zastosować elastyczne elementy łączące przewody pomiędzy sobą lub z przewodzącymi elementami konstrukcji dachu (fotografia 2).

Zwody pionowe

Na dachach obiektów budowlanych urządzenia wymagające ochrony przed bezpośrednim działaniem prądu piorunowego występują coraz częściej. Elementy urządzenia piorunochronnego zapewniające taką ochronę powinny:

• stworzyć odpowiednie przestrzenie chronione dla urządzeń i instalacji na dachu obiektu,
• wyeliminować możliwość powstawania przeskoków iskrowych pomiędzy instalacjami,
• wyeliminować różnice potencjałów pomiędzy poszczególnymi instalacjami na dachu i wewnątrz obiektu,

Powyższe wymagania można spełnić przez zastosowanie odpowiednio dobranych układów zwodów pionowych lub poziomych. Przykładowe zasady tworzenia przestrzeni chronionych przez pojedynczy zwód bądź układ dwu zwodów pionowych przedstawiono na rysunku 3.

Przestrzenie chronione

Określając obszar przestrzeni chronionej tworzony przez pojedynczy zwód bądź kilka zwodów należy uwzględnić wymagania dotyczące kątów ochronnych oraz odstępów bezpiecznych uniemożliwiających powstawanie przeskoków iskrowych pomiędzy chronionymi urządzeniami a zwodami, elementami instalacji piorunochronnej lub konstrukcji obiektu wykorzystywanymi do celów ochrony odgromowej.

Odstępy bezpieczne

Dokładne wyznaczenie odstępów bezpiecznych jest zadaniem bardzo trudnym i w normie ochrony odgromowej PN-IEC 61024-1 przyjęto określać minimalne wartości odstępów bezpiecznych za pomocą prostych zależności:

Wartości współczynników:
k_i – 0,1 , 0,075, i 0,05 odpowiednio dla I, II oraz II i IV poziomu ochrony,
k_m – 1 w powietrzu i 0,5 w dielektryku stałym,
k_c – uzależniony od rozpływu prądu w obiekcie, L – jest długością mierzoną wzdłuż przewodu odpro wadzającego od punktu rozpatrywanego zbliżenia do punktu najbliższego połączenia wyrównawczego.

W przypadku typowych dachów wartości współczynników kc są uzależnione od wymiarów obiektu oraz ilości przewodów odprowadzających.

Kąty ochronne

Zalecenia norm ochrony odgromowej uzależniają wartości kątów ochronnych od poziomów ochrony wymaganych dla danego obiektu oraz wysokości zwodów (tabela 5).

Układ przestrzenny	Kąty ochronne

W pewnych przypadkach wyznaczając przestrzeń chronioną tworzoną przez pojedynczy zwód pionowy należy uwzględnić więcej niż jeden kąt ochronny. W przykładzie przedstawionym na rysunku 4 do wyznaczania przestrzeni chronionej tworzonej przez zwód umieszczony na dachu obiektu budowlanego należy przyjąć:
kąt α₁ na dachu obiektu – wartość kąta uzależniona od wysokości zwodu liczonej od powierzchni dachu,
kąt α₂ obok obiektu – dobrany z uwzględnieniem sumy wysokości obiektu i zwodu.
W układzie dwu zwodów do określania przestrzeni chronionej między zwodami należy wyznaczyć tzw. strzałką ugięcia p (rys. 5).

Wartość p, w zależności od wysokości zwodów pionowych h odległości między nimi d i promienia kuli R, określa zależność:

Promień kuli R jest uzależniony od poziomu ochrony i wynosi R = 20 m, 30 m, 45 m i 60 m co odpowiada odpowiednio I, II, III i IV poziomowi ochrony. Typowym rozwiązaniem jest mocowanie zwodów pionowych do betonowych podstaw, a następnie ich połączenie do elementów instalacji piorunochronnej (fotografia 3).

Zapewnienie stabilności zwodów pionowych wymaga uwzględnienia zagrożeń stwarzanych przez podmuchy wiatru, a do wstępnego doboru wymiarów i ciężaru podstaw betonowych można skorzystać z danych przedstawionych w tabeli 6.

Jeśli zastosowanie pojedynczego zwodu bądź układu zwodów pionowych o wysokości do 3 m nie zapewni wymaganej przestrzeni chronionej lub jest trudne do realizacji, to należy rozważyć możliwość zastosowania zwodów wyższych. Wymagają one bardziej rozbudowanych i cięższych podstaw, a często także dodatkowych odciągów. Przykład takiego rozwiązania przedstawiono na fotografii 4.

Przedstawiony system odciągów oraz zastosowana podstawa umożliwiają mocowanie zwodów o wysokości dochodzącej do 8 m.
Innym rozwiązaniem, zapewniającym zwiększenie stabilności zwodu pionowego oraz nie wymaga rozbudowanych ciężkich podstaw, jest zastosowanie zwodów pionowych mocowanych do chronionych obiektów.

Takie zwody mogą być mocowane zarówno do nadbudówek dachowych jak i do poszczególnych urządzeń. W skład najczęściej stosowanych układów wchodzą:

• pionowego zwodu mocowanego do betonowej podstawy oraz, wykorzystując izolacyjne elementy dystansujące, do chronionych obiektów,
• pionowego zwodu mocowanego przy pomocy elementów dystansujących tylko do chronionego obiektu,
• pionowego zwodu dołączonego do izolacyjnej rury, która jest mocowana do chronionego obiektu.

W ostatnim z przedstawionych przypadków od zwodu odchodzi przewód odprowadzający. Bezpieczny odstęp pomiędzy tym przewodem a chronionym obiektem zapewniają właściwie dobrane izolacyjne elementy dystansujące.
Przykładowe rozwiązania zwodów pionowych mocowanych do urządzeń lub elementów konstrukcyjnych przedstawione zostały na zdjęciu.
Poprawnie wykonane mocowanie zwiększa stabilność układu i umożliwia wyniesienie zwodu na wysokość 3-4 m ponad chroniony obiekt.

Podsumowanie

Przedstawione sposoby łączenia przewodów tworzących siatkę zwodów poziomych umożliwiają stworzenie trwałej i estetycznej instalacji piorunochronnej na rozległych dachach płaskich niezależnie od materiału, jakim pokryte są dachy.
Obecnie coraz częściej stawiane są wymagania niedopuszczenia do bezpośredniego oddziaływania prądu piorunowego na urządzenia i eliminacja możliwości wnikania prądu piorunowego do obiektu. Spełnienie takich wymagań można osiągnąć stosując układy zwodów pionowych, które powinny zapewnić odpowiednią przestrzeń chronioną i znajdować się z bezpiecznej odległości od chronionego urządzenia.

LITERATURA
1. Hasse P., Wiesinger J.: Handbuch für Blitzschutz und Erdung. Pfl aum Verlag München 1993.
2. Katalog firmy DEHN+SOHNE
3. PN-EN 62305-1:2006 (oryg.), Ochrona odgromowa – Część 1: Wymagania ogólne.
4. PN-EN 62305-3:2006 (oryg.), Ochrona odgromowa – Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów budowlanych i zagrożenie życia.
5. PN-EN 62305-4:2006 (U), Ochrona odgromowa – Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach budowlanych.
6. Wettingfeld J.: Fangeinrichtung für kleineren Dachaufbauten Verband Deutscher Blitzschutzfi rmen E.V.