OCHRONA ODGROMOWA OBIEKTÓW BUDOWLANYCH

Ochrona odgromowa

kościołów i obiektów zabytkowych

Andrzej Sowa

religijnego oraz budowlach zabytkowych. W takich obiektach wymagane jest [1] stosowa-nie podstawowej ochrony odgromowej.

Corocznie w sezonie burzowym pojawiają się informacje o bezpośrednich wyładowaniach atmosferycznych w obiekty budowlane. W ta-kich przypadkach zjawiska termiczne i dyna-miczne towarzyszące przepływowi prądu pio-runowego mogą być przyczyną pożarów lub znacznych szkód materialnych.

Ochrona odgromowa kościołów Pomimo nakazu stosowania instalacji pio-runochronnej na kościołach [1] występują jeszcze przypadki jej braku lub prowizo-rycznego, a czasami wręcz amatorskiego jej wykonania.

Niestety często zniszczenia występują w obiektach zabytkowych o dużym znaczeniu hi-storycznym, a ich usuwanie jest bardzo kosz-towne lub wręcz niemożliwe do wykonania. Brak lub nieprawidłowe ułożenie zwodów i

przewodów odprowadzających stwarza możli-wość bezpośredniego uderzenia w elementy konstrukcyjne obiektu i przepływu w nich prą-du piorunowego, który może spowodować [5,6,7,8]:

Wyniki ekspertyz lub oględzin przeprowadzo-nych w uszkodzonych obiektach wskazują, że na skalę powstałych zniszczeń mają wpływ następujące czynniki:

• zła ocena stref osłonowych tworzonych przez elementy instalacji piorunochronnej, • erozję termiczną metalu w miejscu jego

bezpośredniego kontaktu z kanałem pio-runowym (miejsce wpływania prądu pio-runowego ),

• niezachowanie dostatecznych odstępów izolacyjnych pomiędzy instalacjami we-wnątrz obiektów a elementami instalacji piorunochronnej, • nagrzewanie się przewodów pod wpływem

przepływającego przez nie prądu pioruno-wego, • niedokładne wyrównanie potencjałów we-

wnątrz obiektów, • zapłon materiałów palnych w bezpośrednim

sąsiedztwie kanału piorunowego lub prze-skoku iskrowego.

• brak ograniczników przepięć w instalacji elektrycznej oraz w liniach przesyłu sy-gnałów dochodzących do obiektów.

• uszkodzenia mechaniczne materiałów słabo przewodzących lub izolacyjnych.

Przedstawione przyczyny uszkodzeń łatwo wyeliminować uwzględniając wszelkie zagro-żenia piorunowe przy projektowaniu instalacji odgromowej i następnie należy starannie ją wykonać.

W tym ostatnim przypadku mogą wystąpić lo-kalne uszkodzenia ( pęknięcia lub szczeliny w murach, odłupanie drzazg z drewna) lub znaczne szkody materialne ( rozrywanie mate-riału, uszkodzenia konstrukcji wsporczych ).

Poniżej omówione zostaną podstawowe za-sady ochrony odgromowej w obiektach kultu

A. Sowa Ochrona odgromowa obiektów zabytkowych

Zewnętrzna ochrona odgromowa Dodatkowo prąd piorunowy może wniknąć do instalacji elektrycznej lub przewodów przesyłu sygnałów ułożonych wewnątrz obiektu i do-prowadzić do:

Projektując zewnętrzną ochronę odgromową ko-ściołów należy uwzględnić podstawowe jej za-danie jakim jest przejęcie prądu piorunowego i bezpieczne odprowadzenie go do uziomu. znacznych zniszczeń w instalacjach (wy-

rwania ze ścian przewodów, puszek i gniazd wtykowych),

W większości obiektów stosowane są klasyczne rozwiązania instalacji piorunochronnej uzupeł-nione o zwody pionowe, których kąty ochronne wynoszą odpowiednio α = 45o (kąt zewnętrzny) lub β= 60o (kąt wewnętrzny). Wprowadzone obecnie normy ochrony odgromowej [2,3] uza-leżniają obszar stref ochronnych od przyjętego poziomu ochrony odgromowej oraz wysokości zwodów. Wartości kątów osłonowych w zależ-ności od wysokości zwodów h i przyjętego po-ziomu ochrony przedstawiono w tabl. 1.

uszkodzenie sprzętu elektrycznego i elek-tronicznego,

zagrożenie porażeniowe ludzi przebywa-jących wewnątrz obiektu.

Należy również zauważyć, że bardzo często ochrona odgromowa ograniczana jest tylko do zewnętrznej instalacji piorunochronnej z po-minięciem wymogów ochrony wewnątrz obiektu.

DrwWnmn

Tablica 1. Wartości podstawowych parametrów charakteryzujących właściwości ochronne zwo-dów na dachu obiektu.

Poziom ochrony Promień toczonej kuli Efektywność ochrony I 20 m 98 % II 30 m 95 % III 45 m 90 % IV 60 m 80 %

Kąty ochronne Wartości kątów ochronnych α w zależności od wybranego po-ziomu ochrony oraz wysokości zwodu h

hh αααα

α α (°)80706050403020100 0 10 20 30 40 50 60

hh (m)

poziom I II III IV

uże lub zabytkowe kościoły wymagają two-zenia instalacji piorunochronnej spełniającej ymogi I lub II poziomu ochrony.

W takich obiektach wskazane jest wykorzy-stanie metody „toczącej się kuli” po dachu lub obok obiektu. Na bezpośrednie uderzenie pio-runu narażone są te miejsca, które są dotykane przez przetaczaną kulę (rys.1.).

przypadku kościołów klasyczne wyznacza-ie stref osłonowych tworzonych przez zwody oże okazać się bardzo kłopotliwe lub wręcz

iemożliwe do wykonania.

A. Sowa Ochrona odgromowa obiektów zabytkowych

Rys.1. Wyznaczanie przy pomocy toczącej się kuli miejsc zagrożonych bezpośrednim uderzeniem pioruna. Wartość promienia kuli zależy poziomu i efek-tywności ochrony (tablica 1) i zawiera się w granicach od 20m do 60m. Optymalnym rozwiązaniem oceny zagrożenia piorunowego jest wykorzystanie przedstawio-nej metody na makietach obiektów lub wyko-rzystując symulacje komputerowe. Powyższa metoda pozwala również ocenić możliwości bezpośrednich trafień pioruna w osoby znajdujące się w najbliższym są-siedztwie obiektu. Jest to szczególnie ważne , gdyż w czasie uro-czystości kościelnych na tarasach, schodach czy podjazdach może znajdować się znaczna liczba osób a tym samym w przypadku bezpo-średniego lub pobliskiego uderzenia pioruna mogłoby nawet dojść do śmiertelnego poraże-nia prądem piorunowym.

Wewnętrzna ochrona odgromowa

Polskie normy [1,2,3 ] jako podstawowe środ-ki wewnętrznej ochrony odgromowej wymie-niają:

• ekwipotencjalizację,

• odstępy izolacyjne,

• dodatkowe zabezpieczenia.

W przypadku analizy zagrożenia piorunowego urządzeń i instalacji w kościołach oraz doboru

środków ochrony uwagę szczególną uwagę na-leży zwrócić na zachowanie odstępów izo-lacyjnych pomiędzy urządzeniami i przewo-dami różnorodnych instalacji w wieży a uło-żonymi na zewnątrz zwodami i przewodami odprowadzającymi. Jeśli zachowanie odstępów izolacyjnych jest niemożliwe do zrealizowania należy przewody powinny być ułożone np. w metalowych rur-kach, korytkach lub kanałach kablowych, któ-re w miejscach zbliżeń powinny być połączone w instalacją odgromową oraz uziemione. Wśród tzw. dodatkowych zabezpieczeń pod-stawową rolę odgrywają ograniczniki przepięć stosowane w instalacji elektrycznej oraz sys-temach przesyłu sygnałów.

Ograniczanie przepięć w instalacji elektrycznej systemach przesyłu

sygnałów W instalacji elektrycznej kościołów lub innych obiektów kultu religijnego należy zastosować ograniczniki klasy I zapewniające ochronę in-stalacji elektrycznej i zasilanych urządzeń przed bezpośrednim oddziaływaniem prądu piorunowego. Ograniczniki te powinny być zainstalowane w miejscu wprowadzania instalacji elektrycznej do obiektu. Takim miejscem może być złącze, szafka obok złącza lub rozdzielnica główna. Ochroną powinny być objęte również różno-rodne systemy elektroniczne, których zada-niem jest m.in. :

• wykrywania i sygnalizacji pożaru,

• sygnalizacji włamania,

• sterowanie biciem dzwonów,

• nadzór nad pracą zegara, który coraz czę-ściej sterowany jest drogą radiową (np. odbiera sygnały z zegara wzorcowego),

• nadzór telewizyjny.

Koordynację działania powyższych systemów coraz częściej zapewniają systemy kompute-rowego nadzoru. Są one coraz powszechniej-sze o czym może świadczyć fakt, że w roku 1999 takie systemy pracowały prawie w 400 kościołach.

A. Sowa Ochrona odgromowa obiektów zabytkowych

Ograniczniki klasy I należy również umieścić w rozdzielnicy zasilającej reflektory wykorzy-stywane do oświetlenia kościołów jeśli są one zagrożone bezpośrednim uderzeniem pioruna lub możliwością wystąpienia przeskoków iskrowych od instalacji piorunochronnej (np. na dachach obiektów, wysokich słupach lub wspornikach).

Stosowanie systemów elektronicznych ułatwia pracę i zmniejsza znacznie koszty utrzymania kościołów, ale równocześnie stwarza koniecz-ność zastosowania dodatkowych układów ograniczników przepięć klasy II, a nawet do-datkowo klasy III. Przykład rozmieszczenia oraz montażu ogra-niczników w systemie kilkustopniowej ochro-ny przed działaniem prądu piorunowego i przepięciami przedstawiono na rys.2.

Ograniczniki przepięć powinny być również zastosowane do ochrony przed przepięciami:

• występującymi w liniach telekomunika-cyjnych dochodzących do kościołów,

kWh

M

złącze rozdzielnica

Otok

L1 L2 L3

Układ połączeń ograniczników przepięć

klasy I

PEN N

PE

Układ połączeń ograniczników przepięć

klasy II

L1 L2

L3

N PE

Zasilanie systemów elektronicznych

• liniach przesyłu sygnałów dochodzących do komputera oraz centralek nad-zorujących pracą systemów,

• przed wybranymi czujkami lub elektro-nicznymi urządzeniami sterującymi.

Przykładowe rozwiązanie ograniczników sto-sowanych do ochrony przed przepięciami do-chodzącymi z linii przesyłu sygnałów przed-stawiono na rys.3.

Element wzdłużny

Ochrona podstawowa np. odgromnik gazowany

Ochrona dodatkowa np. dioda, warystor WEJŚCIE

WYJŚCIE

Rys. 2 . Przykładowe rozmieszczenie ukła-dów ograniczników przepięć w instalacji elek-trycznej W przedstawiony przykładzie zastosowano: Rys.3. Przykład układu zabezpieczającego

przed przepięciami • ograniczniki klasy I umieszczone w są-siedztwie złącza,

Zastosowanie przedstawionych zaleceń po-winno zapewnić ochronę przed bezpośrednim oddziaływaniem prądów piorunowych oraz ograniczyć przepięcia dochodzące do urządzeń elektrycznych o elektronicznych.

• ograniczniki klasy II zamontowane w roz-dzielnicy z której zasilane są np. centralki alarmowe, przeciwpożarowe, komputery,

• ograniczniki klasy II umieszczone bezpo-średnio w sąsiedztwie napędów i sterowa-nia biciem dzwonów i praca zegara.

Ochrona budowli zabytkowych W przypadku obiektów zabytkowych stopień zagrożenia pożarowego uzależniony jest od właściwości materiałów zastosowanych do ich budowy oraz charakteru zmian prądu pioruno-wego. Poniżej rozpatrzone zostaną przypadki obiektów krytych gontem, blachą oraz słomą.

Powtórne zastosowanie ograniczników klasy II wynika z faktu równoległego ułożenia na od-cinku kilkunastu-kilkudziesięciu metrów przewodów instalacji elektrycznej i instalacji odgromowej w wieży kościoła co może spo-wodować indukowanie przepięć o znacznych wartościach szczytowych.

A. Sowa Ochrona odgromowa obiektów zabytkowych

Obiekty kryte gontem lub blachą Minimalna odległość pomiędzy gałęziami drzewa ( w przypadku bezpośredniego trafie-nia w drzewo ) a dachem z materiału łatwo-palnego jaka powinna zapewnić ochronę przed tego rodzaju zagrożeniem wynosi d = 2 m (rys.6.).

Interpretacja zapisów w obowiązujących nor-mach dokonana przez Normalizacyjną Komisję Problemową nr 55 [5] stwierdza, że

• na dachach z gontów lub desek drewnia-nych można stosować zwody niskie uło-żone w odległości nie mniejszej niż 2 cm nad powierzchnią dachu,

• blacha pokrycia dachu, o grubości spełnia-jącej wymagania zawarte w normie PN-86/E-05003/01, ułożona na podłożu drew-nianym powinna być wykorzystywana do odprowadzania prądu piorunowego (zwód naturalny).

Ważne jest aby drewno było odpowiednio im-pregnowane oraz aby połączenie zwodów pio-nowych było pewne zarówno pod względem mechanicznym jak też elektrycznym ( zmniej-szenie rezystancji przejścia na złączach – i mi-nimalizacja możliwości wystąpienia przesko-ków iskrowych) oraz aby nie było styku z in-nymi łatwo zapalnymi substancjami ( słoma, szmaty, pajęczyny itd.).

Rys.6. Instalacja piorunochronna na dachu krytym słomą oraz odstępy izolacyjne od drzew w sąsiedztwie obiektu.

Podsumowanie

Uwzględnienie przy projektowaniu zewnętrz-nej instalacji piorunochronnej przedstawio-nych zaleceń powinno zmniejszenie zagroże-nia powstającego podczas bezpośredniego wy-ładowania piorunowego w obiekt.

Obiekty kryte strzechą W przypadku obiektów krytych strzechą ce-lowe wydaje się zastosowanie zwodów pozio-mych podwyższonych (rys.4.).

Ochrona stosowanych w kościołach urządzeń i systemów elektrycznych i elektronicznych wymaga również ograniczenia do odpowied-nich poziomów przepięć występujących w in-stalacji elektrycznej i systemach przesyłu sy-gnałów.

Należy zauważyć, że poprawne zaprojektowa-nie instalacji odgromowej i przeciwprzepięcio-wej wymaga dokładnego przeanalizowania występujących zagrożeń oraz wybrania wła-ściwych rozwiązań i powinno być wykonywa-ne przez specjalistów.

Literatura

Rys.5. Zwody na dachu krytym słomą 1. PN-86/E-05003/01 Ochrona odgromowa

obiektów budowlanych. Wymagania ogólne Należy również uniemożliwić wystąpienie przeskoków do strzechy od drzew rosnących w sąsiedztwie obiektu.

A. Sowa Ochrona odgromowa obiektów zabytkowych

2. PN-IEC 61024-1. Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. 2001.

3. PN-IEC 61312-1. Ochrona przed pioruno-wym impulsem elektromagnetycznym. Za-sady ogólne. Marzec 2001.

4. Interpretacja postanowień norm PN-86/E-05003/01 i PN-86/E-05003/02 dokonana przez NKP nr 55 w dniu 17.12.1997 r.

5. Flisowski Zd.: Trendy rozwojowe ochrony odgromowej budowli. Część 1. Wyładowanie piorunowego jako źródło zagrożenie. PWN 1986.

6. Sowa A. Ochrona odgromowa i przeciwprze-pięciowa . Kielce 1998.

7. Szpor St. :Ochrona odgromowa . Tom 3. Pio-runochrony. WNT 1978.

8. Trommer W., Hampe E.A.: Blitzschutzanla-gen. Planen. Bauen. Prüfen. Hüthing. 1997.