Молниеотводы на плоской крыше. Фасадные системы часть 2

Вторая часть статьи, посвященной основам
молниезащиты, знакомит читателей с методами
защиты крыш и фасадов строительных сооружений.
Мирмиллон, галл по происхождения, белокурый, высокий, ловкий
и сильный красавец, в одной руке держал небольшой щит, а в
другой - широкий и короткий меч, на голове у него был шлем,
увенчанный Серебряной рыбой. Ретиарий, вооруженный только
трезубцем и сетью, одетый в простую голубую тунику, стоял
в двадцати шагах от мирмиллона и, казалось, обдумывал, как лучше
поймать его в сеть.
Рафаэль Джованьоли. СПАРТАК.

Подобно древнеримского гладиатора ретиария для обороны от слепящего небесного меча, который вырывается неожиданно из-за грозного щита облаков, мы прибегаем на плоских или слабонаклонных крышах к сетке с ячейкой определенного размера, а вентканалы, лифтовые и другие надстройки, а также другое оборудование вынесеное на крышу защищаем частоколом стержневых молниеприемников. Перед тем, как изложить последовательность устройства молниезащиты на верхних отметках защищаемого нами сооружения, напомним, о чем говорилось в 1-й части.

Вначале были освещены причины возникновения и опасность молнии, методы регистрации грозовых разрядов, системы и приборы для заблаговременного предупреждения о приближении грозы. После предостережений об опасности применения непроверенных (так называемых «активных» или ESE) молниеприемников, было начато изложение концепции внешней молниезащиты на примере сооружения из монолитного железобетона в городской застройке. Подчеркнуто экономическую целесообразность использования «естественных» заземлителей и токоотводов, предусматривающие привлечение проектировщиков электрической части на начальной стадии монтажа сооружения. Обращаем внимание читателей, что перечень литературы единый для обеих частей статьи, то есть [1] - [5] полностью повторяет список 1-й части. Нумерация рисунков и таблиц является продолжением начатой в части 1-й.

Оптимальное размещение молниеприемников

Итак, пройдя токоотводы, скрытые в теле колонн, от заземлителя до крыши, переходим к наиболее ответственной части проектирования внешней молниезащиты - оптимальное размещения молниеприемников. Здесь важно обезопасить от непосредственного контакта с каналом молнии конструкционные элементы и оборудование, размещенное на крыше. По каким принципам следует выстраивать сетку и расставлять штыри?

Действующим в Украине нормам [4] защита плоских и слабонаклоненных (до 1:8, или 12,5%) крыш сооружений II-III категорий предусмотрено осуществлять монтаж сеткой из стальной проволоки. Во времена «советской» практики молниезащитные сетки укладывалась под гидроизоляционные слои, однако действующие нормы предусматривают при этом наличие сертификата о негорючесть тепло-и гидроизоляционных материалов. Тем, кто не имел счастья отстаивать перед компетентными инспектирующими органами негорючесть строительных конструкций, советуем сразу прибегнуть к европейскому опыту, где молниезащитную сетку монтируют после укладки гидроизоляции крыши. Для этого используют гравитационные опоры, на которых провода закрепляются на высоте 80-100 мм над крышей. Опора, изображенная на рис. 5а, является на 100% готовой к монтажу, тогда как пластиковый конус другой (рис. 5б) следует заранее заполнить морозостойким бетоном (точно так, как ребенок наполняет песком «пасочку», только в нашем случае бетон не выпадет, как затвердеет. Существуют также опоры с основами, как палки, но в Украине по показателю «цена-качество» сложились уже определенные предпочтения. Поэтому каждый сезон крыши десятков объектов украшаются цепочками именно таких опор, а в последнее время их можно видеть в фото-и видеосюжетах на выставочных стендах и каталогах больших «кровельных» фирм. Европейские и международные [5] нормы предусматривают, в зависимости от определенного класса системы молниезащиты, шаг сетки в соответствии с табл. 3.

Рис. 5. Опоры молниезащитной сетки на плоских крышах: а - готовый к использованию; б - пластиковый конус следует заполнить морозостойким бетоном

Рис. 6. Надежный болтовой соединитель проводов молниезащитной сетки

Таблица 3. Характеристики систем перехвата разрядов молнии согласно IEC 1024-1

Таблица 4. Размеры ячеек молниезащитной сетки согласно РД 34.21.122-87

Категории и классы определяются по данным таблиц, приведенным в нормах, а в DIN ENV 61024-1 предусматривают также произвольный выбор класса, основанный на балансе:

1) Опасностей, степень которых определяется:

• Конструкцией стен, крыши, материалом кровли;
• Наличием электрооборудования на крыше;
• Возможностью возникновения паники;
• Наличием внутри сооружения горючих / легковоспламеняющихся / взрывоопасных веществ;
• Ценностью начинки сооружения;
• Наличием противопожарных средств и устройств;
• Опасностью для окружающей среды;
• Риском выхода из строя / повреждения важных коммуникаций;
• Возможностью повреждения / разрушения / убытков.

Учитывается также:

• Интенсивность гроз в регионе;
• Геометрические размеры сооружения;
• Расположение сооружения на местности.

2) Материальных затрат на обустройство молниезащиты:

• Проектирование;
• Комплектация;
• Монтаж;
• Текущее обслуживание в эксплуатации.

По данным об объекте высчитываются коэффициенты, на основании которых и определяется класс, для этого также применяют компьютерные программы. Сразу стоит отметить, реализованные в этих программах методики не является устоявшимся и живо обсуждаются в научной среде.

Похожая методика определения категории заложена в национальные нормы, но при этом следует иметь в виду определенную их архаичность. Поясним это на примере нашего сооружения из монолитного железобетона в городской застройке. Согласно пунктам 4 или 7 из таблицы 3, приведенной в [2], такое сооружение требует защиты III категории (сетка 12 × 12 м на плоской крыше. И по насыщенности электронной техникой, строящийся офисный центр (или гипермаркет) может быть квалифицирован (согласно п.10 таблицы 3 в [2]) как вычислительный центр. Это повышает его категорию до II-й (сетка 6 × 6 м), поэтому не советую сразу бежать с этим предложением к инвестору. Ведь сетка III категории (12,5 × 12,5 м) является компромиссом между классами II и III, а выполнение требований отечественных норм выглядит по-европейски обоснованным.

Отечественная норма предусматривает выполнять сетку из стали, а соединения в местах пересечения проводов - сваркой. Нетрудно представить себе потеки ржавчины от всего вложенного на крышу железа на фасадах и ливнестоках, поэтому становится понятным стремление предшественников любой ценой скрыть молниезащитные сетки под гидроизоляцию. Именно поэтому в современные сетки идет оцинкованный или алюминиевый провод Ø8-10 мм, который имеет достаточную жесткость для того, чтобы ставить опоры каждые 1200 мм. Заметим, что британские и североамериканские нормы изобилуют требованиями выполнения молниезащиты из меди (дает о себе знать колониальное прошлое с легким доступом к мировым запасов природных ископаемых).

Конечно, сварка оцинкованных проводов лишена смысла, учитывая противокоррозионную защиту, поэтому применяются надежные болтовые соединители (рис. 6). Здесь возможны дискуссии с контролирующими органами относительно формального выполнения нормативных требований. В дополнение к вышеприведенным аргументам можете вспомнить о необходимости экономного отношения к металлу, мировые тенденции к его удорожанию, тяжелую ситуацию в стране и т.д.

Рис. 7. Держатели провода Ø8-10 мм по фасадам

Рис. 8. Опоры на переходе проводов молниеотводов с плоской крыши на фасад

Очень часто периметр плоских участков кровли оформляется в виде невысокого барьера из бетона или кирпича (так называемая Атика). Для защиты от атмосферных осадков верхний торец атики обычно защищается оцинкованной бляхой или более благородным материалом. Для предотвращения разрушения атики грозовыми разрядами желательно электрически присоединить этот металл к молниезащитной сетки, а также электрически соединить между собой отдельные элементы металлического покрытия. Органическим образом такие соединения выполняются в местах перехода токоотводов от сетки на крыше на фасаде (в том случае, если не удалось выполнить молниеспуски скрытыми в теле колонн, о чем говорилось в части 1-й).

Большинство конструкций держателей проводов молниезащиты на фасадах (рис. 7) не способны компенсировать продольные тяжести от веса проволоки и льда. При переходе через Атику устанавливаются опоры в виде букв Z или Ώ (рис. 8), которые компенсируют механические нагрузки от фасадных проводов и электрически соединяют покрытия Атики с молниезащитной сеткой.

Рис. 9. Зона защиты, которую создает металлический барьер на краю крыши

Лучшим вариантом является устройство по краю Атики невысокого барьера из металлических труб, или другого металлопроката из нержавеющей стали с цинковым покрытием. Кроме ограждающих функций он будет выполнять роль «естественного» молниеприемника, если надежно соединить его с молниезащитной сеткой. Барьер образует вокруг сооружения защищенную зону, контуры которой определяются углом α (рис. 9а). Для нахождения значения α следует отложить на графике (рис. 9б) по оси абсцисс высоту барьера относительно поверхности земли (любого нижележащего участка сооружения) и провести вертикаль до пересечения с кривой соответствующего класса защиты, присвоенного сооружении. Посмотрев профессиональным взглядом, можно заметить множество «естественных» молниеприемников, большинство из которых являются лишь плодами полета фантазии архитектора и никоим образом не защищают сооружения от грозы.

Рис. 10. Природные молниеприемники на крышах Киева и Днепропетровска

Автор без особого успеха предлагал несколько раз «раскрученным» архитекторам сотрудничество в интегрировании металлических украшений проектируемых ими коттеджей для систем молниезащиты, правда прогресс в восприятии начал ощущаться. Любознательным читателям предлагаем найти на рис. 10 единственный пример использования «естественного» молниеприемника на исторической постройке - больницы в г. Днепропетровске, что является заслугой тамошней фирмы «ОПТИД» и ее директора п. Александра Погребняка.

Молниезащита надстроек и оборудования на крыше

Рассмотрим типичные приемы обеспечения защиты всех надстроек и установленного открыто на крыше оборудованияч выходящее за зону защиты молниезащитной сетки.

Лифтовая шахта. По периметру крыши шахты прокладываем молниеулавливающий контур из провода Ø8 мм на 6-ти опорах (рис. 5). От контура делаем два опуска на основной крыше здания, закрепляя их концы на краю крыши шахты Z-видными опорами (рис. 8а, б). Опуски присоединяем к ближайшим молниеотводам.

Вентиляционный канал. Спутниковая антенна. Световой люк. Эти объекты на крыше защищаем одиночными стержневым молниеприемниками с переносными бетонными опорами (рис. 11).

Молниеотводы следует располагать на таком расстоянии S от защищаемого объекта, чтобы не допустить перескок на него напряжения. Если специальные расчеты не проводились, защитное расстояние следует воспринимать, как S = 2 м. Высоту стержня подбирают, исходя из выбранного класса молниезащиты, по графику (рис. 9б).

Если стержень оказывается слишком гибким, его можно крепить к вентканалам изоляционными штангами. Изощренным способом защиты спутниковой антенны считается применение того же барьера на краю крыши в паре со стержневым молниеприемником (рис. 12).

Рис. 11. Молниеотводы вентиляционного канала

Рис. 12. Молниеотводы спутниковой антенны: 1 - антенна, 2 - стержневой молниеприемник, 3 - барьер на краю крыши

Здесь вместо защитного угла α для проверки зоны защиты пары «барьер-стержень» применен шар, который катится, радиус Rсф которого также зависит от выбранного класса молниезащиты (табл. 5).

Таблица 5. Длина катящегося радиуса шара, и расстояние между токоотводами для разных классов молниезащиты.

Таблица 6. Минимальная толщина стенки конструкции, выполненной из обычной стали, в зависимости от количества заклепок или саморезов, достаточное для отвода тока молнии через такое соединение.

Этот метод, которым активно пользуются в большинстве европейских стран, основывается на сферической модели молнии, о чем упоминалось в части 1-й в разделе «Условия возникновения и характеристики молнии». Рис. 13 иллюстрирует применение метода пули для проверки защищенности оборудования на крыше сооружения со сложным профилем крыши.

Климатическое оборудования. Это оборудование обычно имеет коробчататую форму и достаточно прочный кожух или стальной каркас. Допускать прохождения токов молнии через этот металл нежелательно, а вот прикреплять механические молниеотводы к нему - очень рекомендуется. Конечно, с применением стеклопластиковых штанг и сохранением надлежащего изоляционного расстояния (рис. 14).

Рис. 13. Пример применения катящегося шара для проверки защищенности оборудования на крыше: защищенное по классу IV, не защищенное по классу I: 1 - сетка на крыше высокой части сооружения; 2 - оборудование 3 - горизонтальный провод на краю низкой части здания (например, барьер)

Рис. 14. Молниеотводы климатического оборудования с применением изоляционных штанг: 1 - стеклопластиковые штанги, 2 - металлическая арматура торцов штанг 3 - крепления штанг к корпусу; 4 - токоотводы Ø8 мм; 5 - молниеприемные шипы Ø10 мм; 6 - катящийся шар

Если проверять изображенную систему шаром, который катится, то может показаться, что шипы молниеприемника подняты слишком высоко, но здесь определяющей является безопасное расстояние между корпусом оборудования и любым элементом молниеотвода, что находиться под потенциалом. Над многочисленной группой установок (скажем, чиллеров), распределенной по крыше, есть смысл поставить молниезащитные сетки, учитывая изоляционное расстояние и надежно присоединив ее к остальным электродам молниезащиты здания.

Вентилятор под диэлектрическим колпаком. Можно надежно защитить скобой в виде буквы Ώ, т.е. расположить над объектом горизонтальный электрод. Зона защиты такой системы напоминает формой палатку, а порядок определения ее геометрических размеров приведены в [4]. Придерживайтесь безопасного расстояния, не забывайте защитить линию питания электродвигателя вентилятора ограничителем перенапряжения. Об ограничении импульсов будет сказано позже, но здесь заметим, что любое электрооборудование, расположенное на крыше или фасадах, является потенциальным источником проникновения импульсов во внутренние электросети объекта. Поэтому присоединение металлических элементов корпусов этого оборудования к системе уравнивания потенциалов является обязательным требованием.

Спроектировав защиту всех элементов на крыше сооружения и убедившись в правильности примененных технических решений по методу защитного угла или катящегося шара, можем с удовольствием посмотреть на хорошо выполненную работу, если бы не современные фасадные системы ... Итак:

Фасадные системы и их включения в молниезащиту здания

Имеются в виду витражные системы и так называемые вентилируемые (навесные) фасады, состоящие из силового каркаса (стальной или алюминиевый профиль) и закрепленных на нем стеклопакетов или облицовочных плиток: из металла, натурального или композитного камня или из пластика (порой декорированного фольгой). Остановитесь у одетого в такой фасад очередного офисного центра. Вы увидите закрепленные поверх утеплителя вертикальные рейки, состоящие из 6-метровых отрезков, разделенных температурными зазорами в 10 мм. Попутно заметим, что и при прокладке молниезащитной сетки следует устанавливать зигзаговидные термокомпенсаторы в тех проводах, длина которых превышает 20 м. Иначе в жаркое время зигзагом уйдет сам провод вследствие удлинения при нагревании. Начинаясь из самых высоких отметок, вертикальные элементы фасадного каркаса не доходят до уровня земли (бывает что и на 5-6 м) и электрически ни к чему специально на присоединенные. Приятное исключение составила витражная система сооружения Минтранса на Воздухофлотском проспекте в Киеве (рис. 15). Несущая система была приварены к 17-ти стальным колоннам, поддерживающим все сооружение, пронизывая его сверху донизу. Именно эти колонны служат токоотводами от молниеприемников, расположенных на крышах верхних отметок. Тот, кому посчастливится попасть на вершину Минтранса, увидит ряд металлических дисков, вмонтированных в гидроизоляционное покрытие. Здесь применен грибовидный молниеприемник, позволяющий свободно передвигаться по поверхности крыши. Расположены они в узлах молниезащитной сетки, которая соответствует выбранному классу сооружения. Конусная ножка такого «грибка» (рис. 16) герметично проходит сквозь гидроизоляционные покрытия, отводя ток молнии по проводам, скрытыми под слоями кровли.

Рис. 15. Высотное сооружение Минтранса в Киеве

Чтобы сделать каркас фасадной системы столь же действенным для молниеотводов следует обеспечить надежный электрический контакт в местах механических соединений, а температурные разрывы зашунтировать гибкими перемычками (рис. 17а).

Автор отнюдь не призывает к фанатизму в деле создания электрических соединений фасадных систем. Из таблицы 5 следует, что в зависимости от выбранного класса защиты сооружения, соединения надлежит делать только на тех вертикалях, соответствующих рекомендуемому шагу токоотводов вдоль фасада. О том, насколько пригодными для отвода тока молнии являются существующие механические соединения элементов каркаса между собой, читатель может судить по данным таблицы 6, сопоставив их с результатами обследования той фасадной системы, с которой ему придется иметь дело.

Для большей надежности, в сомнительных случаях, поверх фасадной конструкции прокладывают круглый провод Ø8 мм из алюминия или стали, присоединяя его электрически и механически заклепками с помощью фигурных хомутов (рис. 17б).

Вынужденные решения

Напоследок - несколько советов на случай, если нас с Вами слишком поздно пригласили для установки молниеотводы для применения оптимального решения. Большая сложность возникает с прокладкой токоотводов фасадами, присоединением их к заземлителям и к устройствам заземляющих устройств. Не столько строящиеся, сколько реконструированные зданиях нуждаются в изобретательности с Вашей стороны. Некоторые из приведенных технических решений подходят также и к частным сооружений коттеджного типа.

Проблема 1. Токоотводы в штроб под самую поверхность почвы. Как уже отмечалось ранее, фасадные системы часто не доводятся до поверхности земли на 4-6 м, как цокольная часть сооружения отделанная камнем. Прокладывать спуск позволяют только под отделкой, поэтому осуществить переход с круглого провода Ø8 мм на штангу Ø16 мм или штаб просто негде. Невозможно получить разрешение даже на вмуровывание в цоколь контактный шкаф для устройства контрольного соединение. Остается делать его на уровне земли в специальном колодце (рис. 18), который имеет подвижную перемычку и устанавливается заподлицо с поверхностью асфальта или фигурной плитки (поляки называют их «Костка», а мы фемами, так что аббревиатура для фотоэлектрических модулей является уже занятой). Внимание! Присоединять провода к арматуре внутри колодца настоятельно рекомендуется после окончательной отделки. Иначе возможно разрушение изоляционных элементов перемычке вследствие оседания колодца (например, под давлением асфальтового катка).

Рис. 16. Грибовидний молниеприемник для эксплуатируемых крыш

Рис. 17. Средства для обеспечения надежного механического и электрического контакта: а - разъем для шунтирования температурных разрывов вертикальных направляющих каркасов фасадных систем; б - фигурная скоба для механического и электрического присоединения круглых проводов Ø8 мм к каркасу фасадных систем

Рис. 18. Колодец для установки контрольного соединения в толще грунта

Проблема 2. Токоотводы слишком близко к входу. Если нет другого решения, как только спуститься колоннами, расположенными менее 3 метров от мест, по которым проходят люди, предстоит сделать колонны металлическими, включив токоотводы в состав колонны (скажем, облицевав ее декоративным металлом).

Проблема 3. Разветвленные подземные помещения. В Украине, в отличие от большинства европейских стран, нет ограничений на выход подземных помещений за пределы пятна занимаемой основным высотным сооружением. Поскольку в нашем случае о заземления заранее не подумали, токоотводы, дойдя до нулевой отметки, «упираются» в подземные помещения (торговые, складские, паркинги и др.), через которые никто для нас с Вами заблаговременно токоотводов в колоннах не проложил. Трудно будет доказывать инвестору необходимость устройства системы выравнивания потенциалов вследствие прокладки длинных горизонтальных проводов от токоотводов к заземляющим устройствам. Надеемся, что такие нелепые случаи Вам не попадуться.

Каким подробным не было бы изложение, оно не в состоянии описать все ситуации, с которыми Вам, уважаемый читатель, придется столкнуться на практике. Хочу пожелать Вам настойчивости, хорошего знания норм, изобретательности в соблюдении их требований - то есть всего того, что присуще квалифицированному специалисту. Ведь одно из определений инженера - человек, который умеет делать простые вещи.

Часть третья>>>

Евгений Баранник,
ведущий специалист по молниезащите
и электромагнитной совместимости
ООО «ОБО Беттерманн Украина»