Расчет молниезащиты зданий и сооружений

Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

(МИ (филиал) ВлГУ)

Кафедра техносферной безопасности

Расчет молниезащиты зданий и сооружений

Методические указания к выполнению практической работы по дисциплине

«Системы обеспечения техносферной безопасности»

для студентов УГСН 280000

«Безопасность жизнедеятельности, природообустройство и защита окружающей среды»

Муром 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие…………………………………………………………………………3

Введение……………………………………………………………………………..3

Виды опасных воздействий молний………………………………………………. 4

Характеристика грозовой деятельности и грозопоражаемости зданий

и сооружений………………………………………………………………………..4

Классификация зданий и сооружений по устройству молниезащиты………… 5

Средства и способы защиты от молнии.…………………………………………..6

Требования к выполнению молниезащиты зданий и сооружений………………6

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода……………………………7

Зона защиты одиночного тросового молниеотвода……………………………….8

Последовательность расчета молниезащиты зданий и сооружений……………..8

Библиографический список…………………………………………………………9

Приложение 1. Данные по расчету зоны защиты молниеотвода………………...10

Приложение 2. Классификация объектов по категориям молниезащиты……….11

Приложение 5. Классификация взрыво- и пожароопасных зон………………….12

Приложение 6. Примерные конструктивные характеристики зданий

в зависимости от их степени огнестойкости………………………………………13

Предисловие

Исправленное и дополненное учебное пособие «Расчет молниезащитных зон зданий и сооружений» выпускается взамен работы В.В. Сидорова, И.Н. Фетисова [1] в связи с выходом «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» (СО-153-34.21. - 122 - 2003) [2].

Однако, учитывая, что в Инструкции изложены только основные положения по молниезащите от прямых ударов молнии и защите от вторичных проявлений молний и отсутствуют еще не разработанные рекомендации по отдельным разделам Инструкции и справочные материалы, необходимые для расчетов молниезащитных устройств, авторы переиздаваемого методического пособия ориентировались в основном на материалы опубликованного в 2005 году Р.Н. Корякиным «Справочник по молниезащите» [3]. Основополагающим документом в настоящее время по устройству молниезащиты зданий и сооружений Р.Н. Корякин считает РД 34.21.122 - 87 [4], а СО-153-34.21.122 - 2003 [2] рассматривать пока как дополнительный источник информации.

Введение

Молния представляет собой электрический разряд длиной несколько километров, развивающийся между грозовым облаком и землей или каким-либо наземным сооружением.

Разряд молнии начинается с развития лидера - слабосветящегося канала с током в несколько сотен ампер. По направлению движения лидера от облака вниз или от наземного сооружения вверх молнии подразделяются на нисходящие и восходящие.

Лидер нисходящей молнии возникает под действием процессов между облаками, и его появление не зависит от наличия на поверхности земли каких-либо сооружений. По мере продвижения лидера к земле с наземных объектов могут возбуждаться направленные к облаку встречные лидеры. Соприкосновение одного из них с нисходящим лидером (или касание последним поверхности земли) определяет место удара молнии в землю или какой-либо объект.

Развитие нисходящей молнии происходит следующим образом. После установления сквозного лидерного канала следует главная стадия разряда - быстрая нейтрализация зарядов лидера, сопровождающаяся ярким свечением и нарастанием тока до пиковых значений, варьирующихся от единиц до сотен килоампер. При этом происходит интенсивный разогрев канала (до десятков тысяч Кельвин) и его ударное расширение, воспринимаемое на слух как раскаты грома. Продолжительность вспышки составляет 0, 2 с, а в редких случаях 1, 0-1, 5 с.

Заряд, переносимый в течение вспышки молнии, колеблется от единиц до сотен кулон. В большинстве случаев он имеет отрицательную полярность и примерно в 10 % случаев - положительную.

При расчетах молниезащиты сила тока при грозовом разряде принимается 100 кА, исходя из того, что этому условию соответствует 99 % поражений нисходящими молниями. Восходящие лидеры возбуждаются с высоких заземленных сооружений и с остроконечных элементов рельефа, у вершин которых электрическое поле во время грозы резко усиливается.

После того как лидер восходящей молнии достигнет грозового облака, начинается процесс разряда, сопровождающийся примерно в 80 % случаев токами отрицательной полярности. Переносимый заряд молнии может достигать до 40 кулон, а ток - до нескольких сотен ампер.

В горной местности восходящие молнии возникают чаще и характеризуются более высокими параметрами. На равнинной местности восходящие молнии поражают объекты выше 150 м (более чем в 90 % случаев), а в горных районах - с меньшей высоты.

Сила, создающая разность потенциалов, необходимая для пробоя атмосферы, т.е. для возникновения молнии, связала с разностью температур между поверхностью земли и верхними слоями атмосферы. Конвективные движения воздуха, вызванные этой разностью температур, и есть источниквозникновения разности потенциалов между облаками или между облаком и землей. Поэтому в приполярных областях, где разность температур мала, а также в зимнее время года грозовые явления - редкость. Механизм возникновения электричества связан с парами воды, с процессами в отдельных каплях И кристаллах льда при их конденсации из атмосферной влаги. В горячих пустынях, несмотря на мощные конвективные потоки, грозы также редки. В то же время в тропической зоне грозы бывают почти ежедневно. В Центральной Европе в среднем случается от 15 до 25 грозовых дней. Ежедневно на Землю обрушивается около 45 тыс. гроз. По данным международной статистики, число жертв, связанных с молний, достигает 10 тыс. человек ежегодно.

1. Виды опасных воздействий молнии

Воздействия молнии принято подразделять на две основные группы:

первичные, вызванные прямым ударом молнии;

вторичные, индуцированные её разрядами или занесённые в объект протяжёнными металлическими коммуникациями.

Прямой удар молнии вызывает следующее воздействие на объект:

электрические, связанные с поражением людей или животных электрическим током и появлением перенапряжения в несколько мегавольт на пораженных элементах, в том числе опасные напряжения шага и прикосновения, «перекрытия» на другие объекты;

термические, связанные с резким выделением теплоты при прямом контакте канала молнии с содержимым объекта и при протекании через объект молнии. В 95 % случаев разрядов молнии эта энергия на два-три порядка превышает энергию воспламенения большинства газо-, паро- и пылевоздушных смесей, используемых в промышленности. Прямой контакт с каналом молнии может привести проплавлению корпусов взрывоопасных установок и вызвать пожары и взрывы;

- механические, обусловленные мощной ударной волной, распространяющейся от канала молнии, и электродинамическими силами, действующими на проводники с токами молнии. Это воздействие может быть причиной, например, сплющивания тонких металлических трубок и даже механических разрушений объектов. Вторичные проявления молнии связаны с действием на объект электромагнитного поля близких разрядов. Обычно это поле рассматривают в виде двух составляющих: первая обусловлена перемещением зарядов в лидере и канале молнии (электростатическая индукция), вторая - изменением тока молнии во времени (электромагнитная индукция).

Электростатическая индукция проявляется в виде перенапряжения (до сотен киловольт), возникающего на металлических конструкциях объекта и зависящего от тока молнии, расстояния до места удара и сопротивления заземлителя.

Электромагнитная индукция связана с наведением в металлических контурах ЭДС величиной в несколько десятков киловольт. В местах сближения протяженных металлических конструкций, в разрывах незамкнутых контуров создается опасность перекрытий и искрений.

Еще одним видом опасного воздействия молнии является занос потенциала по вводимым в объект коммуникациям (кабелям, наземным и подземным конструкциям, трубопроводам, проводам воздушных линий электропередачи).

2. Характеристика грозовой деятельности и грозопоражаемости зданий и сооружений

Об интенсивности грозовой деятельности в различных районах Земли судят по повторяемости и продолжительности гроз, регистрируемых в днях или часах за год по слышимому грому в начале и конце грозы. Однако более важной характеристикой для оценки возможного числа поражений объектов молнией является плотность ударов молнии в землю.

Плотность ударов молнии в землю, выраженная через число поражений 1 км2 земной поверхности за год, определяется по данным метеорологических наблюдений в месте расположения объекта.

Если же плотность ударов в землю (N _q) неизвестна, её можно рассчитать по следующей формуле, 1/(км год):

N _q = 6, 7 · T _d/100,

где T _d - среднегодовая продолжительность гроз в часах, определенная по региональным картам интенсивности грозовой деятельности (табл. 1).

Таблица 1

Укрупненные данные по грозовой активности на территории России

При расчете числа поражений нисходящими молниями принимается, что возвышающийся объект принимает на себя разряды, которые в его отсутствие поразили бы поверхность земли определенной площади (так называемую поверхность стягивания). Эта площадь имеет форму круга для сосредоточенного объекта (вертикальной трубы или башни) и форму прямоугольника для протяженного объекта.

Имеющаяся статистика поражений объектов разной высоты в местностях с разной продолжительностью гроз позволила определить связь между радиусом стягивания (r _о) и высотой объекта (h _x); в среднем его можно принять r _о = 3 h _x.

Анализ показывает, что сосредоточенные объекты поражаются нисходящими молниями высотой до 150 м. Объекты выше 150 м на 90 %, как было отмечено ранее, поражаются восходящими молниями.

3. Классификация зданий и сооружений по устройству молниезащиты

Защищаемые объекты разделены на три категории, отличающиеся по тяжести возможных последствий при поражении молнией.

К I категории отнесены производственные помещения, в которых при нормальных технологических режимах могут находиться и образовываться взрывоопасные концентрации газов, паров, пылей, волокон.

Ко II категории отнесены здания и сооружения, в которых появление взрывоопасной концентрации веществ происходит в результате нарушения нормального технологического режима, а также наружные установки, содержащие взрывоопасные жидкости и газы. Для этих объектов удар молнии создает опасность взрыва только при совпадении с технологической аварией либо срабатывании дыхательных или аварийных клапанов на наружных установках.

К III категории отнесены объекты, последствия поражения которых связаны с меньшим материальным ущербом, чем при наличии взрывоопасной среды. Сюда относятся здания и сооружения с пожароопасными помещениями или строительные конструкции низкой огнестойкости, большие общественные здания, высокие сооружения типа труб, башен, монументов.

В приложениях П.2, П.3, П.4 приведены дополнительные данные по ряду защищаемых объектов, подлежащих обязательному обустройству молниезащиты, по категориям, взрывопожароопасным зонам и степеням огнестойкости.

4. Средства и способы защиты от молнии

Комплекс средств молниезащиты зданий или сооружений включает в себя устройства защиты от прямых ударов молнии (внешняя молниезащитная система (МЗС)) и устройства защиты от вторичных воздействий молнии (внутренняя МЗС).

Средством защиты от прямых ударов молнии служит молниеотвод - устройство, рассчитанное на непосредственный контакт с каналом молнии и отводящее её ток в землю.

Внешняя молниезащитная система (МЗС) может быть изолирована от сооружения (отдельно стоящие стержневые молниеотводы, или отдельно стоящие тросовые молниеотводы, а также соседние сооружения, выполняющие функции естественных молниеотводов), также может быть установлена на защищаемом сооружении и даже быть его частью (в последнем случае они называются естественными молниеприемниками).

Материал и сечения элементов внешний МЗС выбирают по табл. 2

Таблица 2 Материал и минимальные сечения элементов внешней МЗС

5. Требования к выполнению молниезащиты зданий и сооружений

Для зданий и сооружений с помещениями, требующими устройства молниезащиты I и II, или I и III, либо II и III категорий, молниезащиту всего здания или сооружения следует выполнять по более высокой категории.

Если площадь помещения I категории молниезащиты менее 30 % площади всех помещений зданий, молниезащиту всего здания допускается выполнять по II категории независимо от категории остальных помещений.

Аналогичное допущение справедливо и для II категории молниезащиты с переводом её в третью.

В случае, если более 70 % общей площади не подлежит молниезащите, то независимо от категории защиты остальных помещений, все же должна быть предусмотрена защита от заноса высоких потенциалов по коммуникациям, вводимым в помещения, подлежащие молниезащите.

При строительстве объектов, начиная с высоты 20 м, необходимо предусматривать временные мероприятия по молниезащите.

При наличии на зданиях и сооружениях I категории молниезащиты труб для отвода газов, паров и взвесей взрывоопасной концентрации в зону защиты должно входить пространство над обрезом труб, ограниченное радиусом 5 м.

Для зданий и сооружений I категории высотой не более 30 м при сопротивлении грунта ρ = 100 Ом·м наименьшее допустимое расстояние до молниеотвода S _b = 3м; при 100 < ρ < 1000 Ом·м, S _b рассчитывается по формуле

S _b = 3 + 0, 01(ρ -100), м.

Для зданий и сооружений большей высоты определенное выше значение S _b должно быть увеличено на 1 м на каждые 10 м высоты объекта сверх 30 м.

При устройстве молниезащиты по II и III категориям расстояние от молниеотводов до защищаемого объекта по воздуху и земле не нормируется. Для тросовых молниеприемников при длине I < 200 м наименьшее допустимое расстояние S _bI, м, равно

при ρ < 100 Ом·м S _bI = 3, 5 м;

при 100 < ρ < 1000 Ом м S _bI = 3, 5 + 0, 003(р - 100) м.

При суммарной длине молниеприемников и токоотводов I = 200 - 300 м наименьшее допустимое расстояние S _bI должно быть увеличено на 2 м по сравнению с определенными выше значениями.

6. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h представляет собой круговой конус (рис. 1), вершина которого находится на высоте h ₀ < h. На уровне земли зона защиты образует круг радиусом r _o.

Горизонтальное сечение зоны защиты на высоте защищаемого сооружения h _x представляет собой круг радиусом r _x.

Зоны защиты молниеотводов имеют следующие габаритные размеры:

Зона А: h ₀ = 0, 85 h; r ₀ = (1, 1 - 0, 002h)·h; r _x = (1, 1 - 0, 002 h)(h - h _x /0, 85).

Зона Б: h ₀ = 0, 92 h; r ₀ = 1, 5 h; r _x = 1, 5(h - h _x/0, 92).

При известных значениях h _x и r _x высота одиночного стержневого молниеотвода для зоны Б может быть определена по формуле

h = (r _x + 1, 63 h _x)/1, 5.

Рис. 3. Зона защитного одиночного стержневого молниеотвода: 1 - граница зоны защиты на уровне h _x; 2 - граница зоны защиты на уровне земли

7. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода

Зона защиты одиночного тросового молниеотвода приведены на рис. 4, где h - высота троса в середине пролета.

С учетом стрелы провеса троса сечением 35х50 мм при известной высоте опор h _oп и длине пролета «a» высота троса определяется, м,:

h = h _oп - 2 и при a < 120 м;

h = h _oп - 3 при 120 < a < 150 м.

Зоны защиты одиночного тросового молниеотвода имеют следующие размеры:

Зона А:

h ₀ = 0, 85 h; r ₀ = (1, 35 - 0, 0025 h) h; r _x = (1, 35 - 0, 0025 h)(h - h _x/0, 85).

Зона Б:

h ₀ = 0, 92 h; r ₀ = 1, 7 h; r _x = 1, 7(h - h /0, 92)

Для зоны типа Б высота одиночного тросового молниеотвода при известных значениях h _x и r _x определяется по формуле

h = r _x + 1, 85 h _x/1, 7.

Трос

Рис. 4. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода:
1 - граница зоны защиты на уровне h _x; 2 - граница зоны защиты на уровне земли

8. Последовательность расчета молниезащиты зданий и сооружений

Порядок выполнения расчетов следующий:

Исходя из анализа объекта заносятся исходные данные в табл.П.1.

По классификации (п.3 методических указаний) и приложениям таблицам П.2, П.3 и П.4 определяет категорию молниезащиты, класс взрывоопасной зоны, степень огнестойкости строительных конструкций, тип зоны защиты.

По табл. 1 определяет удельную плотность ударов молнии в землю.

Определяет ожидаемое количество поражений молнией объекта в год и выбирает тип зоны защиты, если она не предопределена категорией молниезащиты.

Выбирает расстояние от объекта до опоры молниеотвода. При устройстве молниезащиты по I и III категориям расстояние от молниеотводов до защищаемого объекта (S _b) по воздуху и земле не нормируется.

Расчет S _b для объектов I категории осуществляется исходя из сопротивления грунта, высоты объекта и конструкции заземлителей. Поскольку расчет заземлителей в задании не предусмотрен, то S _b для объектов I категории высотой до 30 м и при удельном сопротивлении грунта 100 < ρ < 1000 Ом·м принимаем 4 м. Для зданий выше 30 м S _b увеличиваем на 1 м на каждые 10 м сверх 30 м.

Строит эскиз зон защиты заданного варианта молниезащиты. С учетом S _b и рационального расположения молниеотвода относительно габаритов здания наносит объект защиты на эскиз с указанием соответствующих символов и размеров. (При необходимости по данным задания и S _b рассчитывает r _х).

Производит соответствующие расчеты неизвестных величин по закону подобия треугольников.

Библиографический список

Сидоров, В.В. Расчет молниезащитных зон зданий и сооружений / В.В. Сидоров, И.Н. Фетисов. - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2002. - 28 с.

Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций (СО-153-34.21.122-2003). - М.: Издательство МЭИ, 2004. - 57 с.

Карякин, Р.Н. Справочник по молниезащите / Р.Н. Карякин. - М.: Энергосервис, 2005 - 880 с.

Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений (34.21.122­87). - М.: Энергоиздат, 1989. - 56 с.

П1. Данные по расчету зоны защиты молниеотвода

П2. Классификация объектов по категориям молниезащиты

П3. Классификация взрыво- и пожароопасных зон

ЗОНА КЛАССА В-I. Помещения, в которых могут образовываться взрывоопасные смеси паров и газов с воздухом при нормальных условиях работы. Например, помещения, в которых производится слив ЛВЖ в открытые сосуды.

ЗОНА КЛАССА В- I а. Помещения, в которых взрывоопасные смеси не образуются при нормальных условиях эксплуатации оборудования, но могут образовываться при авариях или неисправностях.

ЗОНА КЛАССА В- I б. Помещения, в которых могут содержаться горючие пары и газы с высоким нижним пределом воспламенения (15 % и более), обладающие резким запахом (например, помещения аммиачных компрессоров); помещения, в которых возможно образование лишь локальных взрывоопасных смесей в объеме 5 % от объема помещения.

ЗОНА КЛАССА В-I г. Наружные установки, в которых находятся взрывоопасные газы, пары и ЛВЖ (например, газгольдеры, сливоналивные эстакады и т. п.)

ЗОНА КЛАССА В-II. Помещения, в которых производится обработка горючих пылей и волокон, способных образовывать взрывоопасные смеси с воздухом при нормальных режимах работы (например, открытая загрузка и выгрузка из оборудования мелкодисперсных горючих материалов).

ЗОНА КЛАССА В-IIа. Помещения, в которых взрывоопасные паровоздушные и пылевоздушные смеси могут образовываться только в результате неисправностей и аварий (например, разгерметизация пневмотранспортирующего оборудования с применением азота).

Помещения и установки, в которых содержатся горючие жидкости и горючие пыли, нижний концентрационный предел воспламенения которых выше 65 г/м, относят к пожароопасным и классифицируют следующим образом.

ЗОНА КЛАССА П-I. Помещения, в которых содержатся горючие жидкости (например, минеральные масла).

ЗОНА КЛАССА П-II. Помещения, в которых содержатся горючие пыли с нижним концентрационным пределом воспламенения выше 65 г/м.

ЗОНА КЛАССА П-IIа. Помещения, в которых содержатся твердые горючие вещества, не способные переходить во взвешенное состояние.

УСТАНОВКИ (ЗОНА) КЛАССА П-III. Наружные установки, в которых содержатся горючие жидкости (с температурой вспышки выше 61 ^оС) или твердые горючие вещества.

П4. Примерные конструктивные характеристики зданий в зависимости от их степени огнестойкости