Проектирование молниезащиты зданий и сооружений

Методика проектирования

Проектирование молниезащиты зданий и сооружений реализу­ется в три этапа. На первом (подготовительном) этапе собирают следующие сведения о защищаемом объекте (здание, сооружение, наружная установка или склад): назначение (производственное, сельскохозяйственное, общественное, жилое, зрелищное или памятник истории, архитекторы и культуры); размер (длина, ширина, высота и конфигурация); местонахождение; наличие помеще­ний, которые согласно ПУЭ [15] относятся к зонам классов по взрыво- или пожароопасности; степень его огнестойкости по СНиП 2.01.02-85: тип кровли (металлическая или неметаллическая) и ее уклон; тип его фундамента (железобетонный, металлический или бетонный) и влажность грунта у фундамента; ввод электропи­тания (кабельный или ЛЭП).

На втором этапе определяют категорию по молниезащите конкретного объекта, соответствующие требования по ее устройству и вычисляют зоны защиты стержневых или тросовых молниеотводов. Его выполняют в следующей последовательности.

1. Находят по табл. 8.1 категории по молниезащите объекта и тип зоны защиты в зависимости от назначения здания или сооружения, его местонахождения и среднегодовой продолжительности гроз nч, ч . в этой местности. При использовании стержневых и тросовых молниеотводов еще учитывают ожидаемое количество N поражений молнией объекта в год. Значение N вычисляют по фор­мулам:

для сосредоточенных зданий и сооружений (дымовые трубы,

вышки, башни)

(8.1)

для зданий и сооружений прямоугольной формы

(8.2)

где h - наибольшая высота здания или сооружения, м;

S, L - соответственно ширина и длина здания или сооружения, м (для зданий и сооружений сложной конфигурации в качестве S и L рассматривается ширина и длина наименьшего прямоугольника, в который может быть вписано здание или сооружение в плане); n -

- 98 -

Таблица 8.1. Категории молниезащиты объектов в зависимости от их назначения и местоположения (извлечение из РД 34.21.122-87 [19])

N		Местона­	Тип зоны	Кате­
пп		хождения	защиты	гория
			при испо­	молни
	Здания и сооружения		льзовании	еза
			стержневых	щиты
			и тросовых
			молние-
			отводов
	Здания и сооружения или их части,	На	Зона А	I
	помещения которых согласно ПУЭ от­	всей
	носятся к зонам классов B-I и B-II	террито­
		рии РФ
	То же классов B-Ia, B-Iб и В-IIа	В мест-	При N>1 -	II
		ностях с	зона А;
		nч = 10ч	при N£1
		в год и	зона Б
		более
	Наружные установки, создающие сог­	На	Зона Б	II
	ласно ПУЭ зону класса В-Iг	всей
		террито­
		рии РФ
	Здания ВЦ, в том числе расположен­	В мест-	Зона Б	II
	ные в городской застройке	ностях с
		nч = 20ч
		в год и
		более
	Здания и сооружения или их части, помещения которых согласно ПУЭ от­носятся к классам П-I,П-II и П-IIa	В мест-ностях с nч = 20ч	Для I и II степеней огнестой­	III
		в год и	кости при
		более	0.1<N£2
			и для
			III...V
			степеней
			огнестой­
			кости при
			0.02<N£2-
			зона Б,
			при N > 2-
			зона А
	Наружные установки и открытые склады, создающие согласно ПУЭ	В мест-ностях с	При 0,1<N£2-	III
	зону классов П-III	nч = 20ч	зона Б;
		в год и	при N>2 -
		более	зона A
	Здания и сооружения III,IIIa.IIIб.	То же	При	III
	IV и V степеней огнестойкости, в		0,1<N£2 -
	которых отсутствуют помещения, от­носимые по ПУЭ к зонам взрыво- и		зона Б; при N>2 -
	пожароопасных классов		зона А

Продолжение табл. 8.1

	Животноводческие и птицеводческие здания и сооружения III...V степеней огнестойкости, для крупного рогатого скота и свиней на 100 голов и более, для овец на 500 голов и более, для птиц на 100 голов и более, для лошадей на 40 голов и более	В местностях с nч=40ч в год и более	Зона Б	III
	Дымовые и прочие трубы предприятий и котельных, башни и вышки всех назначений высотой 15 м и более (см. П.2.31 РД 34.21.122-87)	В местностях с nч=10ч в год и более	-	III
	Жилые и общественные здания, высота которых более чем на 25 м превышает среднюю высоту окружающих зданий в радиусе 400м, а также отдельно стоящие здания высотой более 30м, удаленное от других зданий более чем на 400м	В местностях с nч=20ч в год и более	Зона Б	III
	Общественные здания III...V степеней огнестойкости следующего назначения: детские дошкольные учреждения, школы и школы-интернаты, стационары лечебных учреждений, спальные корпуса и столовые учреждений здравоохранения и отдыха, культурно-просветительные и зрелищные учреждения, административные здания, вокзалы, гостиницы, мотели и кемпинги	В местностях с nч=20ч в год и более	Зона Б	III
	Открытые зрелищные учреждения (зрительные зоны открытых кинотеатров, трибуны открытых стадионов и т.п.)	В местностях с nч=20ч в год и более	Зона Б	III
	Здания и сооружения, являющиеся памятниками истории, архитектуры и культуры (скульптуры, обелиски и т.п.)	То же	Зона Б	III

среднегодовое число ударов молнии в 1 км*км земной поверхности (удельная плотность ударов молнии в землю) в месте нахождения здания или сооружения.

Значение n определяют, исходя из nч следующим образом:

nч 10...20 20...40 40...60 60...80 80...100 100 и более

n,1/(км*год)1 2 4 5,5 7 8.5

Величину nч находят по карте, представленной на рис. 3 РД

-100 -

34.21.122-87 [19]. В частности, для Архангельска, Салехарда, Дудинки, Игарки и Якутска nч= 10...20 ч; для Санкт-Петербурга, Петрозаводска, Сыктывкара и Ханты-Мансийска nч = 20...40 ч;

для Пскова, Новгорода, Великих Лук, Твери, Калуги, Москвы, Вологды, Владимира, Костромы, Тамбова, Кирова, Йошкар-Олы, Уфы, Тюмени, Омска и других городов nч = 40...60 ч; для остальных городов и территорий см. по вышеуказанной карте.

2. По найденной категории молниезащиты объекта определяют требования по ее устройству. РД 34.21.122-87 [13] устанавливают следующее:

2.1. Здания и сооружения I и II категорий по молниезащите должны быть защищены от прямых ударов молнии, вторичных ее проявлений и заноса высокого потенциала через наземные (надземные) и подземные металлические конструкции (более конкретно см. раздел 2 данного РД) .

2.2. Здания и сооружения III категории по молниезащите должны быть защищены от прямых ударов молнии и заноса высокого потенциала через наземные (надземные) металлические коммуникации (более конкретно см. пп. 2.25...2.33 данного РД) .

2.3. Наружные установки II категории по молниезащите должны быть защищены от прямых ударов и вторичных проявлений молнии, а с III категорией - от прямых ударов молнии (более конкретно см. пп. 2.15...2.19, 2.21, 2.28. 2.29 и 2.31 данного

РД).

Кроме того, внутри зданий большой площади (шриной более 100 м) необходимо выполнять мероприятия по выравниванию потен­циалов. Если в зданиях и сооружениях имеются помещения, требу­ющие устройства молниезащиты I и II, I и III или II и III ка­тегорий, то окончательная категории по молниезащите следует выбирать с учетом пп. 1.3...1.5 данного РД.

3. Выбирают средство защиты от прямых ударов молнии. Как известно, им служит молниеотвод, состоящий из молниеприемника. опоры, токоотвода и заземлителя (на практике металлическая мачта или ферма здания представляют собой молниеприемник, опора и токоотвод одновременно). По типу молниеприемника молниеотводы разделяются на стержневые (вертикальные), тросовые (горизонтальные протяженные) и сетчатые, состоящие из продоль­ных и поперечных горизонтальных электродов, которые соединены в местах пересечений. Стержневые и тросовые молниеотводы могут быть как отдельно стоящие (как правило, на объектах I катего­рии по молниезащите), так и встановленные на объекте II и III

- 101 -

категорий; молниеприемные сетки вкладывают на неметаллическую кровлю (с уклоном не более 1:8) защищаемых зданий и сооружений II или III категорий по молниезащите. Примечания. 1. Молниеприемная сетка не требуется для зданий и сооружений с металлическими фермами, если в их кровлях использует несгораемые или трудносгораемые утеплители и гидро­изоляция.

2. На зданиях и сооружениях с металлической кровлей в качестве молниеприемника должна использоваться сама кровля. При этом все выступающие неметаллические элементы должны быть оборудо­ваны молниеприемниками, присоединенными к металлу кровли.

4. Выполняют расчет зон защиты только стержневых и тросо­вых молниеотводов в строгом соответствии с приложением 3 РД 34.21.122-87 [19]. В последнем приведены соответствуищие фор­мулы для одиночного, двойного и многократного стержневых и одиночного и двойного тросовых молниеотводов высотой до 150 м (для стержневых - и высотой от 150 до 600 м). Формулы даны для двух зон защиты молниеотводов: зоны типа А, надежность защиты которой 99,5% и выше; зона Б - 95% и выше.

На практике часто применяют стержневые молниеотводы высо­той до 150 м, а для защиты воздушных ЛЭП напряжением 110 кВ и выше - только тросовые молниеотводы. Ниже рассматривается рас­чет зон защиты стержневых молниеотводов.

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h£150м представлена на рис. 8.1. Ее габаритные размеры,м,определяют по формулам:

при зоне типа А ho = 0.85*h ; (8.3)

r0 = (1.1 - 0,002 h)*h ; (8.4)

rх= (1.1 - 0.002 h)*(h - hх/ 0.85) ; (8.5)

при зоне типа В h0 = 0.92*h : (8.6)

ro = 1.5*h ; (8.7)

rх = 1.5 (h - hх/ 0.92). (8.8)

Величину h определяют, если известны высота защищаемого объекта hх и радиус зоны защиты rх на высоте hх.

Зона защиты двойного стержневого молниеотвода высотой h£150 м представлена на рис. 8.2. Ее габаритные размеры, м.

-102-

Рис. 8.1. Зона защиты оди­ночного стержневого молние­отвода: 1 - граница зоны защиты на уровне hх ; 2 -то же на уровне земли

Рис. 8.2. Зона завиты двойного стержневого молниеотвода:

1 - граница зоны защиты на уровне hх1; 2 - то хе на уровне hх2; 3 - то же на уровне земли

- 103 -

определяют по формулам (8.3...8.8) для вычисления величин ho,rх1,rх2 и rо , а также по нижеуказанным формулам:

при зоне типа А, когда L£ h

(8.9)

при зоне типа А. когда h < L£ 2h

(8.10)

(8.11)

при зоне типа А, когда 2h < L£ 4h

(8.12)

(8.13)

При L > 4h для построения зоны А молниеотводы рассматри­вают как одиночные. Габаритные их размеры определяют по формулам (8.3...8.5) и нижеуказанным формулам:

при зоне типа Б, когда L£ h

(8.15)

при зоне типа Б, когда h < L£ 6h

(8.16)

(8.17)

Величину h определяют, если известны hд и L (при rcx= 0). При L > 6h для построения зоны Б молниеотводы рассматривают как одиночные. Габаритныеих размеры определяют по формулам (8.6...8.8).

Зона защиты двух стержневых молниеотводов разной высоты h1 и h2£150 м приведена на рис. 8.3. Ее габаритные размеры, м, определяют по формулам (8.3...8.8) для вычисления величин h01, h02, r01,r02,rx1 и rx2, а также по нижеуказанным формулам:

(8.18)

-104-

(8.19)

(8.20)

где значения hс1 и hc2 определяют по формулам (8.3, 8.10, 8.12, 8.15 и 8.16) для hс.

Для двух молниеотводов разной высоты построение зоны типа А двойного стержневого молниеотвода выполняют при L£4hmin, a зоны типа Б - при L£6hmin (где hmin- минимальная высота одного из двух молниеотводов, м). При соответствующих больших L молниеотводы рассматривают как одиночные. Габаритные их раз­меры определяют по формулам (8.3...8.5).

Зона защиты многократного стержневого молниеотвода приве­дена на рис. 8.4. Она определяется как зона защиты попарно взятых соседних стержневых молниеотводов высотой h£150 м (см. рис. 8.2 и 8.3). Поэтому габаритные их размеры вычисляют по формулам (8.9...8.20). Основным условием защищенности одного или нескольких объектов высотой hх с надежностью, соответствующей надежности зон типов А и Б, является выполнение нера­венства rсх>0 для всех попарно взятых молниеотводов. В противном случае построение зон защиты должно быть выполнено для одиночных или двойных стержневых молниеотводов в зависи­мости от выполнения условий, приведенных при рассмотрении фор­мул (8.3...8.20).

На третьем этапе осуществляют конструктивные решения по проектируемой молниезащите рассматриваемого объекта, строго руководствуясь материалами и указаниями подраздела 8.4. Одновременно студенты принимают следующие решения.

Во-первых, выбирают конструкцию молниеотвода (опоры, молниеприемника, токоотвода и заземлителя) с учетом требований пп. 3.1...3.8 РД 34.21.122-87 [19]. При этом для производственных объектов чаще используют двух- или многократный стерж­невой молниеотвод, а в качестве его заземлителя следует прини­мать только железобетонные фундаменты зданий, сооружений, на­ружных установок и опор молниеотводов, если они удовлетворяют требованиям п. 1.8 данного РД. При невозможности использования фундаментов применяют сосредоточенные или все рекомендуемые ПУЭ [15] заземлители ЭУ, за исключением нулевых проводов воздушных ЛЭП напряжением до 1 кВ. Наиболее приемлемые конструк­ции заземлителей (их выбирают без расчета) для молниеотводов приведены в табл. 8.2, а минимальные сечения (диаметры) элект­родов и токоотводов - в табл. 8.3.

-105-

Примечание. Конкретные типы заземлителей даны в пп. 2.2, 2.13 и 2.26 РД 34.21.122-87 соответственно для I, II и III катего­рий по молниезащите.

- 107 -

Таблица 8.3. Минимальные сечения (диаметры) электродов и токоотводов молниеотводов по РД 34.21.122-87 [19]

Формы токоотвода и заземлителя

Сечение (диаметр) токоотвода и заземлителя, проложенных

снаружи здания в земле на воздухе

Круглые токоотводы и перемычки диаметром,

мм.................... 6 -

Круглые вертикальные электроды

диаметром, мм.................... - 10

Круглые горизонтальные* элект­роды

диаметром, мм............... - 10

Прямоугольные электроды:

сечением, мм".................... 48 160

толщиной,мм.....................4 4

*Только для выравнивания потенциалов внутри зданий и для прокладки наружных контуров на дне котлована по периметру здания

Молниеприемная сетка чаще применяется при молниезащите общественных и жилых зданий. Она должна быть выполнена из стальной проволоки диаметром не менее 6 мм и уложена на кровли сверху или под несгораемые, трудносгораемые утеплитель или гидроизоляции. Шaг ячеек сетки должен быть не более 6х6 или 12х12 м соответственно для II или III категории по молинезащите объекта. Узлы сетки должны быть соединены сваркой. Выступа­вшие над крышой металлические элементы (трубы, вахты, вентиля­ционные устройства) должны быть присоединены к молниеприемной сетке, а выступающие неметаллические элементы оборудованы дополнительными молниеприемниками, также присоединенными к этой сетке. Токоотводы от металлической кровли или молниепри­емной сетки должны быть проложены кратчайшим путем к заземлителям не реже чем через 25 м (не ближе 3 м от входов или в местах, недоступных для прикосновения людей) по периметру зда­ния. В качестве токоотводов следует использовать металлические конструкции зданий и сооружений (колонны, фермы, рамы, пожар­ные лестницы и т.п., а также арматура железобетонных конструк­ций) при условии обеспечения непрерывной электрической связи в соединениях конструкций и арматуры с молниеприемниками и заземлителями, выполняемых сваркой; в противном случае - искусс­твенные токоотводы с размерами, указанными в табл. 8.3. При этом заземлителями должны быть железобетонные фундаменты зда­ний, а в противном случае - искусственные заземлители в виде наружного контура (по периметру здания) конструкции, указанной

- 108 -

в пп. 2.13 и 2.26 РД 34.21.122-87 [19] соответственно II и III категорий по молниезащите.

Во-вторых, для объектов I или II категории молниезащиты определяют мероприятия по защите от вторичных проявлений мол­нии, которые должны соответствовать требованиям пп. 2.7 или 2.20 и 2.21 РД 34.21.122-87 [19].

В-третьих, для объектов всех категорий по молниезащите определяют мероприятия по заносу высокого потенциала через на­земные (надземные) и подземные металлические коммуникации (ЛЭП, сети телефона, радио и сигнализации, трабопроводы, кабе­ли в наружных металлических оболочках или трубах). Они должны соответствовать пп. 2.5, 2.8...2.10, 2.21...2.24, 2.32 и 2.33 РД 34.21.122-87 [19]. Соответственно для объектов I, II и III категорий.

Задания на расчет

Задание N8.2.1. Спроектировать молниезащиту здания по данным табл. 8.4. При этом ввод электроэнергии, телефона и ра­дио принят кабельный, а назначение здания (административное с ЭВМ, общественное, жилое или памятник истории, архитектуры и культуры) указывает преподаватель, выдающий данное задание.

Задание N8.2.2. Рассчитать и построить молниезащиту производственного объекта по данным табл. 8.5. При этом ввод электропитания, телефона и радио принят кабельный, кроме скла­дов ГСМ и открытых складов, где ввод осдвествлеи через воздушную ЛЭП.