8. Проектирование молниезащиты зданий и сооружений

8.1. 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, архитектуры 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 категорию по молниезащите объекта и тип зоны защиты в зависимости от назначения здания или соо­ружения, его местонахождения и среднегодовой продолжительности гроз n , 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)

N = 9 h n 10 ; (8.1)

для зданий и сооружений прямоугольной формы

N = [(S+6h)(L+6h)-7,7h ]n 10 (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 рассматриваются ширина и длина наименьшего прямоугольника, в который может быть вписано здание или сооружение в плане);

- 98 -

Таблица 8.1. Категории молниезащитн объектов в зависимости от их назначения и местоположения (извлечение из РД 34.21.122-87 [191)

N		Местона-	Тип зоны	Кате-
п п		хождения	защиты	гория
			при испо-	молни
	Здания и сооружения		льзовании	еза-
			стержневых	щитн
			и тросовых
			молние-
			отводов
1	2	3	4	5
1	Здания и сооружения или их части,	На	Зона А	I
	помещения которых согласно ПУЗ от-	всей
	носятся к зонам классов В-1 и В-П	террито-
		рии РФ
2	То же классов В-1а, В-16 и В-Па	В мест-	При N>1 -	II
		ностях с	зона А;
		n = 10ч	при N 1 -
		в год и	зона Б
		более
3	Наружные установки, создающие сог-	На	Зона Б	II
	ласно ПУЭ зону класса В-1г	всей
	_	террито-
		рии РФ
4	Здания ВЦ, в том числе расположен-	В мест-	Зона Б	II
	ные в городской застройке	ностях с
		n = 20ч
		в год и
		более
5	Здания и сооружения или их части,	В мест-	Для I и II	III
	помещения которых согласно ПУЗ от­носятся к классам П-1.1Ы1 и П-Па	ностях с n = 20ч	степеней огнестой-
		в год и	кости при
		более	0,1 <N 2
			и для
			3 …5
			степеней
			огнестой-
			кости при
			зона Б.
			при N > 2-
			зона А
6	Наружные установки и открытые	В мест-	При	III
	склады, создающие согласно ПУЗ	ностях с	0,1<N 2-
	зону классов П-П1-	n = 20ч	зона Б;
		в год и	при N>2 -
		более	зона А
7	Здания и сооружения II 1,1 Па, II 16,	То же	При	III
	IV и 1) степеней огнестойкости, в		0, 1<N 2 —
	которых отсутствуют помещения, от­носимые по ПУЗ к зонам взрнво- и		зона Б; при N>2 -
	пожароопасных классов		зона А

-99-

Продолжение табл. 8.1

1	2	3	4	5
8	Животноводческие и птицеводческие	В мест-	Зона Б	III
	здания и сооружения III... II степе-	ностях с
	ней огнестойкости: для крупного	n = 40ч
	рогатого скота и свиней на 100 го-	в год и
	лов и более; для овец на 500 голов	более
	и более; для птиц на 100 голов и
	более; для лошадей на 40 голов и
	более
9	Дымовые и прочие трубы предприятий	В мест-	-	III
	и котельных, бажни и вышки всех	ностях с
	назначений высотой 15 м и более	n = 10ч
	(см. п. 2. 31 РД, 34. 21. 122-87)	в год и
		более
10	1илые и общественные здания, высота	В мест-	Зона Б	III
	которых более чем на 25 м превыша-	ностях с
	ет среднюю высоту окружающих зда-	n = 20ч
	ний в радиусе 400 м, а также отде-	в год и
	льно стоящие здания высотой более	более
	30 м, удаленное от других зданий
	более чем на 400 м
11	Общественные здания III...5 и степе-	В мест-	Зона Б	III
	ней огнестойкости следующего наз-	ностях с
	начения: детские дошкольные учреж-	n = 20ч
	дения, школы и школы-интернаты,	в год и
	стационары лечебных учреждений,	более
	спальные корпуса и столовые учреж-
	дений здравоохранения и отдыха,
	культурно-просветительные и зре-
	лищные учреждения, административные
	здания, вокзалы, гостиницы, мотели
	и кемпинги
12	Открытые зрелищные учреждения	В мест-	Зона Б	III
	(зрительные зоны открытых киноте-	ностях с
	атров, трибуны открытых стадионов	n = 20ч
	и т.п.)	в год и
		более
13	Здания и сооружения, являющиеся	То же	Зона Б	III
	памятниками истории, архитектуры и
	культуры (скульптуры, обелиски и
	т.п.)

среднегодовое число ударов молнии в 1 км²земной поверхности (удельная плотность ударов молнии в землю) в месте нахождения здания или сооружения.

Значение n определяют, исходя из последующим образом: п_ч, ч 10...20 20...40 40...60 60...80 80...100 100 и более

n,1/(км2 год) 1 2 4 5,5 7 8,5

Величину n находят -по карте, представленной на рис. 3 РД

- 100 -

34.21.122-87 [19]. В частности, для Архангельска, Салехарда, Дудинки, Игарки и Якутска n = 10...20 ч; для Санкт-Петербурга, Петрозаводска, Сыктывкара и Ханты-Мансийска n = 20...40 ч; для Пскова, Новгорода, Великих Лук, Твери, Калуги, Москвы, Во­логды, Владимира, Костромы, Тамбова, Кирова, Йошкар-Олы, ЗФЫ, Тимени, Омска и других городов n = 40...60 ч; для остальных городов и территорий см. по вышеуказанной карте.

2. По найденной категории молниезащиты объекта определяют требования по ее устройству. РД 34.21.122^8? [191 устанавлива­ ют следующее:

2.1. Здания и сооружения I и 11 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 данногоРД).

Кроме того, внутри зданий большой площади (шириной 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 окончательную категорию 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, опору 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 кад отдельно стоящие (как правила, на объектах I катего­рии-по молниезащите), так и установленные на объекте II и III

- 101 -

категорий; молниеприемные сетки укладывают 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 используют несгораемые или трудносгораемое 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 34.21.122-8 [19]. В последнем приведены соответствующие 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 и. надежность защиты которой 99,5% и внже; зона Б – 95% и више.

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

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

При зоне типа А ho= 0,85 h (8;3)

Ro=(1,1-0,002 h)h (8;4)

r x=(1,1-0,002 h)(h-hx/0,85) (8.5)

При зоне типа В ho=0,92 h (8,6)

ro=1,5h (8.7)

rx=1,5(h-hx/0,92) (8.8)

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

Зона защиты двойного стержневого молниеотвода высотой

h 150. м представлена на рис. 8.2. Ее габаритные размеры, м,

-103-

Определяют по формулам (8.3…8.8) для вычисления величин ho,rx1,rx2,ro,а также по нижеуказанным формулам :

При зоне типа А , когда L h

hc=ho rcx=rx и rc=ro (8.9)

при зоне типа А когда h< L 2h

hc=ho-(0,17+3 10 h)(L-h) (8.10)

rc=ro rcx=ro(hc-hx)/hc (8.11)

при зоне типа А когда 2h< L 4h

hc=ho-(0,17+3 10 h)(L-h) (8.12)

rc=ro[1- ] (8.13)

rc=ro rcx=rc(hc-hx)/hc (8.14)

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

hc=ho rcx=rx rc=ro (8.15)

rc=ro rcx=ro(hc-hx)/hc (8.17)

Величину h определяют, если известны hc_с и L (при rcх= 0). При L > 6h для построения зоны Б молниеотводы рассматривают как одиночные. Габаритные их размеры определяют по формулам (8.б.,.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 ho1, ho2 ,ro1.ro2,rx1 и rx2 а также по нижеуказанным формулам:

Rc=(ro1+ro2)/2 (8.18)

- 104-

hc=(hc1+hc2) / 2 ; (8.19)

rxc=rc(hc-hx),/hc (8.20)

где значения hc1 и hc2 определяют по формулам (8.9, 8.10, 8.12, 8.15 и 8.16) для hc.

Для двух молниеотводов разной высоты построение зоны типа и двойного стержневого молниеотвода выполняют при L 4hmin, а 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 hx 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, мол-ниеприемника, токоотвода и заземлителя) с учетом требований пп. 3.1...3.8 РД 34.21.122-87 [191. При этом для производственных объектов чаще используют двух или многократный, и стержневоймлниеотводы А в качестве_зазтемлителя следует принимать .только железбетонние 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 [151 заземлители ЗУ, за исключением нулевых проводов воздушных ЛЭП напряжением до 1 кВ. Наиболее приемлемые конструк­ции заземлителей (их выбирают без расчета) для молниеотводов приведен* в табл. 8.2, а минимальные сечения (диаметры) элект­родов и токоотводов.- в табл. 8.3.

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 гидроизоляцию. Шаг 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. Выступа­ющие над крыжей металлические элементы (трубы, шахты, вентиля­ционные устройства) должны быть присоединены к молниеприемной сетке, а выступающие неметаллические элементы оборудованы дополнительными молниеприемникамн, также присоединенными к этой сетке. Токоотводы от металлической кровли или молниепри­емной сетки должны быть проложены кратчайшим путем к заземли­те лям 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 заземлиталями, выполняемых сваркой; в противном случае. - искусс­твенные токоотоды 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 34.21Л22-8 [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 [191.

В-третьих, для объектов всех категорий по молниезащите определяет мероприятия по заносу высокого потенциала через на­земные (надземные) и подземные металлические коммуникации (ЛЗП, сети телефона, радио и сигнализации, трубопроводы, 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 [191. Соответственно для объектов I, II и III категорий.