Расчет молниезащитных устройств зданий и сооружений

Здания и сооружения или их части в зависимости от назначения, интенсивности грозовой деятельности в районе местонахождения, ожидаемого количества поражений молний в год следует защищать в соответствии с категориями устройства молниезащиты и типом зоны защиты. Защита от прямых ударов молнии осуществляется с помощью молниеотводов различных типов: стержневых, тросовых, сетчатых, комбинированных (например,тросово - стержневых). Наиболее часто применяют стержневые молниеотводы, тросовые используют в основном для защиты длинных и узких сооружений. Защитное действие молниеотвода в виде сетки, накладываемой на защищаемое сооружение, аналогично действию обычного молниеотвода.

Защитное действие молниеотвода основано на свойстве молнии поражать наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. Благодаря этому защищаемое здание, более низкое по сравнению с молниеотводом по высоте, практически не будет поражаться молнией, если всеми своими частями оно будет входить в зону защиты молниеотвода. Зоной защиты молниеотвода считается часть пространства вокруг молниеотвода, обеспечивающая защиту зданий и сооружений от прямых ударов молнии с определенной степенью надежности. Наименьшей и постоянной по величине степенью надежности обладает поверхность зоны защиты; по мере продвижения внутрь зоны надежность защиты увеличивается. Зона защиты типа А обладает степенью надежности 99,5 % и выше, а типа Б - 95 % и выше.

Общая схема расчета молниезащитных устройств: производится количественная оценка вероятности поражения молнией защищаемого объекта, расположенного на равнинной местности с достаточно однородными грунтовыми условиями на площадке, занятой объектом, т. е. определяется ожидаемое число поражений молнией в год защищаемого объекта; в зависимости от категории устройства молниезащиты и полученного значения ожидаемого числа поражений молнией в год защищаемого объекта определяется тип зоны защиты; рассчитываются взаимные расстояния между попарно взятыми молниеотводами и производятся вычисления параметров зон защиты на заданной высоте от поверхности земли.

В зависимости от типа, количества и взаимного расположения молниеотводов зоны защиты могут иметь самые разнообразные геометрические формы. Оценка надежности молниезащиты на различных высотах производится проектировщиком, который в случае необходимости уточняет параметры молниезащитного устройства и решает вопрос о необходимости дальнейшего расчета.

Производственные, жилые и общественные здания и сооружения в зависимости от их конструктивных характеристик, назначения и значимости, вероятности возникновения взрыва или пожара, технологических особенностей, а также от интенсивности грозовой деятельности в районе их местонахождения подразделяют на три категории по устройству молниезащиты:

I. Производственные здания и сооружения со взрывоопасными помещениями классов В-1 и В-2 по ПУЭ (к данной категории относятся также здания электростанций и подстанций.

II. Другие здания и сооружения со взрывоопасными помещениями, не относимые к I категории.

III. Все остальные здания и сооружения, в том числе пожароопасные помещения.

Для оценки грозовой деятельности в различных районах страны используется карта распределения среднего числа грозовых часов в году, на которой нанесены линии равной продолжительности гроз или данные местной метеорологической станции.

По категории устройства молниезащиты и ожидаемому числу поражений молнией в год защищаемого объекта определяют тип зоны защиты. Здания и сооружения, относящиеся к категории I, подлежат обязательной молниезащите; зона защиты должна обладать степенью надежности 99,5 % и выше (зона защиты типа А). Зоны защиты для зданий и сооружений, относящихся ко II категории, рассчитывают по типу А, если N> 1, и по типу Б в противном случае. Зоны, относящиеся к категории III, рассчитывают по типу А, если N > 2, и по типу Б, если N <2. Это касается только зданий и сооружений, которые относятся к взрыво- и пожароопасным, для всех остальных объектов этой категории независимо от значения N принимается зона защиты типа Б.

Расчет молниезащиты зданий и сооружений заключается в определении границ зоны защиты молниеотводов, которая представляет собой пространство, защищаемое от прямых ударов молнии. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h ≤ 150 м представляет собой круговой конус, который в зависимости от типа зоны защиты характеризуется следующими габаритами:

зона А:

(16.15)

зона Б:

(16.16)

где h₀ - вершина конуса зоны защиты, м; r₀ - радиус основания конуса на уровне земли, м; r_х - радиус горизонтального сечения зоны зашиты на высоте h_x от уровня земли, м; h_x - высота защищаемого сооружения, м.

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода в плане графически изображается окружностью соответствующего радиуса. Центр окружности находится в точке установки молниеотвода.

Зона защиты двойного стержневого молниеотвода высотой до 150 м при расстоянии между молниеотводами, равном L, изображена на рис. 16.8. Из рисунка видно, что зона защиты между двумя стержневыми молниеотводами имеет значительно большие размеры, чем сумма зон защиты двух одиночных молниеотводов. Часть зоны защиты между стержневыми молниеотводами в сечении, проходящем через оси молниеотводов, является совместной, а остальные ее части называются торцевыми.

Определение очертаний торцевых частей зоны защиты выполняется по расчетным формулам, используемым для построения зоны защиты одиночных молниеотводов, т. е. габариты h₀, r₀, r_x₂, r_х2 определяют в зависимости от типа зоны защиты по формулам (16.15) или (16.16). В плане торцевые части представляют собой полуокружности радиусом r₀ или r_x, которые ограничиваются плоскостями, проходящими через оси молниеотводов перпендикулярно линии, соединяющей их основания.

Совместная часть зоны защиты ограничивается сверху ломаной линией, которую можно построить по трем точкам: две из них лежат на молниеотводах на высоте h₀, а третья расположена посередине между ними на высоте h_c. Очертания зоны защиты в сечении А-А (см. рис. 16.8) определяют по правилам и формулам, принятым для одиночных стержневых молниеотводов.

Рис. 16.8. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода высотой до 150 м

Зоны защиты двойного стержневого молниеотвода имеют следующие габариты:

1. Зона А (существует при L ≤ 3 h, в противном случае молниеотводы рассматриваются как одиночные):

при

2. Зона Б (существует при L ≤ 5 h, в противном случае молниеотводы рассматриваются как одиночные):

при

(16.18)

где L - расстояние между молниеотводами, м; h_с - высота зоны защиты посередине между молниеотводами, м; r_с - ширина совместной зоны защиты в сечении А-А (см. рис. 16.8) на уровне земли, м; r_сх - ширина горизонтального сечения совместной зоны защиты в сечении А-А на высоте h_x от уровня земли, м.

Основное условие наличия совместной зоны защиты двойного стержневого молниеотвода - выполнение неравенства r_сх > 0. В этом случае конфигурация совместной зоны защиты в плане представляет собой две равнобедренные трапеции, имеющие общее основание длиной 2r_сх, которое лежит посередине между молниеотводами. Другое основание трапеции имеет длину 2r_х. Линия, соединяющая точки установки молниеотводов, перпендикулярна основаниям трапеции и делит их пополам. Если r_сх = 0, совместная зона защиты в плане представляет собой два равнобедренных треугольника, основания которых параллельны между собой, а вершины лежат в одной точке, находящейся посередине между молниеотводами. Если r_сх < 0, построение зоны защиты не производится.

Объекты, расположенные на достаточно большой территории, защищают несколькими молниеотводами (многократный молниеотвод). Для определения внешних границ зоны защиты многократных молниеотводов используются те же приемы, что и для одиночного или двойного стержневых молниеотводов. При этом для расчета и построения внешних очертаний зоны молниеотводы берут попарно в определенной последовательности. Основным условием защищенности одного или группы сооружений высотой h_x с надежностью, соответствующей зонам защиты А и Б, является выполнение неравенства r_сх > 0 для всех попарно взятых молниеотводов.

Для защиты длинных и узких сооружений, а также в некоторых других случаях используют одиночные тросовые молниеотводы.

Зона защиты, образованная взаимодействием тросового и стержневых (одиночных или двойных) молниеотводов, определяется так же, как и зона защиты многократного стержневого молниеотвода. При этом опоры тросового молниеотвода приравниваются к стержневым молниеотводам высотой h и радиусом основания зоны защиты r, зависящим от типа зоны защиты.