3 Nr 146-147 Henryk BORYŃ Politechnika Gdańska e-mail: h
Transkrypt
3 Nr 146-147 Henryk BORYŃ Politechnika Gdańska e-mail: h
Ochrona odgromowa Henryk BORYŃ Politechnika Gdańska e-mail: [email protected] ZMIANY ZASAD OCENY ZAGROŻENIA PIORUNOWEGO BUDYNKÓW W NORMALIZACJI KRAJOWEJ Streszczenie: W artykule omówiono zmiany zasad oceny zagrożenia piorunowego budynków w normalizacji krajowej. Wskazano wymagane lub zalecane procedury szacowania zagrożenia piorunowego w kolejnych wersjach przepisów lub polskich norm dotyczących zewnętrznej ochrony odgromowej obiektów budowlanych. W analizie wykorzystano dokumenty przyjęte do stosowania w okresie 1917–2009. 1. Wstęp Wyładowania atmosferyczne mogą powodować szereg negatywnych skutków w każdym obiekcie budowlanym narażonym na ich działanie bezpośrednie (trafienie pioruna w obiekt) lub pośrednie (wyładowania obok obiektu). Szkody, które mogą wystąpić to: porażenia ludzi, pożary, wybuchy, uszkodzenia mechaniczne, uszkodzenia elektryczne, utrata danych, nieprawidłowe funkcjonowanie systemów itp. Rozmiary szkód, które ewentualnie wystąpią w obiekcie są zależne od wielu czynników technicznych wynikających z mechanizmu rozwoju wyładowań, jak: intensywność burzowa, parametry prądu pioruna, lokalizacja obiektu, jego wymiary oraz od czynników charakteryzujących obiekt, czyli jego właściwości konstrukcyjnych, rodzaju wyposażenia i prowadzonej w nim działalności, zastosowanych środków ochrony odgromowej zewnętrznej (LPS – lightningprotection system) i wewnętrznej (LPMS – lightning electromagnetic impulse protection measures system). Można powiedzieć, że w zależności od sumy działania wszystkich wymienionych tutaj czynników, dla każdego obiektu budowlanego występuje pewne zagrożenie piorunowe o określonym poziomie. Zdefiniowanie i ocena (szczególnie ilościowa) tego poziomu stanowiła zawsze podstawowy problem techniki odgromowej [4] i mimo znacznego postępu technicznego w stosowaniu środków ochrony, występuje nadal brak ścisłego sposobu i kryteriów tej oceny. Rozwiązanie tego problemu jest zadaniem bardzo skomplikowanym, wymaga bowiem obiektywnego określenia ilościowego i wzajemnego skojarzenia różnych danych charakteryzujących istniejące warunki zagrożenia piorunowego i zastosowane środki ochrony. Istotą zagadnienia jest określenie granicznej wartości poziomu zagrożenia piorunowego, której przekroczenie daje w obiekcie tak duże przewidywane szkody, że nie mogą być one akceptowane przez właściciela obiektu i musi być zastosowana jego ochrona odgromowa. Do rozwiązania tego problemu podchodzono w różny sposób [3, 4]. Po pierwsze w niektórych przypadkach obiektów można w sposób arbitralny przesądzić, że graniczny poziom zagrożenia będzie lub nie będzie osiągnięty, a więc można wskazać grupę obiektów z zasady chronionych lub z zasady niechronionych. Najczęściej stosowanym, głównym kryterium podziału obiektów przy takim podejściu było przeznaczeNr 146-147 3 Ochrona odgromowa nie obiektu budowlanego. Jednak może tutaj powstać paradoksalna sytuacja, w której fizycznie bardziej zagrożony obiekt nie jest chroniony, natomiast obiekt o rzeczywistym mniejszym zagrożeniu jest wyposażony w LPS. Inna procedura oceny zagrożenia piorunowego polega na analizie warunków występowania wyładowania oraz strat w obiekcie. Najczęściej ocenę taką przeprowadza się wyznaczając wskaźnik zagrożenia piorunowego, opierając się na ustalanych szacunkowo, a więc mających również charakter arbitralny, różnych współczynnikach ujmujących ilościowo wpływ niektórych czynników technicznych na mechanizm powstawania strat piorunowych – otrzymując w efekcie krytyczną wartość wskaźnika, wskazującą na potrzebę zastosowania LPS. Jednak brak tutaj możliwości wskazania, czy i w jakim stopniu zastosowane LPS jest skuteczne. Jedną z pierwszych koncepcji wyznaczania wskaźnika zagrożenia piorunowego opracował Shipley [2], a oparte na niej zasady oceny LPS zostały przyjęte w normalizacji brytyjskiej oraz zastosowane po pewnej modyfikacji w przepisach polskich [8]. W nowym podejściu do określenia stopnia zagrożenia piorunowego i skuteczności wykonanych LPS stosuje się elementy rachunku prawdopodobieństwa i teorii niezawodności z uwagi na losowy charakter zjawisk piorunowych. Flisowski [4] zaproponował zastosowanie w tym celu zasad modelowania fizycznego dla określenia odrębnych modeli niezawodnościowych różnych przypadków oddziaływania piorunowego. Modele te można uzyskać na podstawie danych z licznych badań oraz obserwacji eksploatacyjnych. W wyniku analizy tych modeli można określone ryzyka częściowe skojarzyć w całkowity poziom ryzyka zagrożenia piorunowego obiektu. Taki tok postępowania przyjęto w normie [16]. Możliwości zastosowania modelowania matematycznego opartego na statystyce szkód natrafia nadal na zasadnicze trudności wynikające z różnorodności obiektów i czynników fizyczno-technicznych decydujących o zagrożeniu. Zgromadzenie wystarczających danych o szkodach piorunowych określonego typu obiektów w realnym czasie jest bowiem praktycznie nieosiągalne. Celem niniejszej pracy jest wskazanie jak zmieniały się zasady oceny zagrożenia piorunowego obiektów budowlanych w krajowych przepisach i normach dotyczących ochrony odgromowej. 2. Krajowa normalizacja w zakresie ochrony odgromowej1 Pierwszym polskim opracowaniem dotyczącym zasad budowy LPS jest książka ks. J. Osińskiego wydana w roku 1784 w Warszawie [1], będąca jednocześnie pierwszą polską publikacją w dziedzinie elektrotechniki. Autor nie sformułował w niej żadnych zasad oceny zagrożenia piorunowego, ograniczając się zgodnie z ówczesnym stanem wiedzy, do zalecenia: aby dom od piorunu zupełnie ocalał, przewodnik na naywyższey iego części stawiać należy 2. W pracy zawarto natomiast wiele istotnych zaleceń technicznych dotyczących konstrukcji LPS, które w znacznej większości są słuszne w świetle aktualnej znajomości mechanizmu szkód piorunowych – praca ze względów oczywistych nie może być uważana za normę, czy zbiór przepisów, ale warto ją znać ze względów poznawczych. 1) Według stanu prawnego na koniec sierpnia 2009 r. 2) Zachowano oryginalną pisownię tekstu. 4 Ochrona odgromowa Początki polskiej normalizacji technicznej w zakresie elektrotechniki to lata po pierwszej wojnie światowej [5], kiedy podjęto próby ujednolicenia na ziemiach polskich przepisów poszczególnych zaborów i opracowania własnych oryginalnych norm. Można tu wskazać efekty działalności: Komisji Przepisowej Warszawskiego Oddziału SEP, Centralnej Komisji Przepisowej, Polskiego Komitetu Elektrotechnicznego i Centralnej Komisji Normalizacji Elektrycznej, czyli kolejnych zespołów powoływanych w tym celu. Efekty te to kilkadziesiąt krajowych norm i przepisów elektrotechnicznych, o układzie podobnym do norm współczesnych, opublikowanych w okresie przedwojennym. Prawdopodobnie pierwszą polską normą dotyczącą ochrony odgromowej3 była norma [7], w której określono odpowiednie wskazania do stosowania oraz zalecenia konstrukcyjne dla LPS. Okres PRL to lata normalizacji obligatoryjnej, norm państwowych, których nieprzestrzeganie zgodnie z ówczesnym prawem było karalne oraz jednoczesnego obowiązywania zarządzeń lub rozporządzeń ministerialnych wydawanych w związku z delegacjami odpowiednich ustaw. Jako pierwsze dokumenty z tego okresu należy wskazać: normę [8] zawierającą szczegółową procedurę oceny zagrożenia piorunowego oraz zarządzenie [9] niezawierające takich ustaleń. Oba te dokumenty zostały unieważnione wprowadzonym w roku 1972 zarządzeniem [10], które z kolei zostało zastąpione nowym rozporządzeniem ministerialnym [13] z roku 2002. Kolejna norma wprowadzona w roku 1986 to norma [11] uwzględniająca ówczesne trendy normalizacji międzynarodowej w dziedzinie ochrony odgromowej i zawierająca istotne zmiany w zasadach stosowania LPS w porównaniu z przepisami [8,10]. Norma [11] funkcjonowała przez wiele lat (do roku 2004) jako norma obligatoryjna, następnie jako norma powołana do stosowania jej treści w całości przez rozporządzenie [13], które powołuje ją do stosowania nadal4, mimo jej wycofania przez PKN w roku 2006. Następna norma5 formułująca nowe zasady oceny zagrożenia piorunowego to dokument [12], czyli krajowa wersja (w dosłownym tłumaczeniu) normy międzynarodowej IEC, wprowadzona do stosowania dobrowolnego w związku z wejściem Polski do UE, ale równocześnie powoływana do stosowania jej treści w całości przez kolejne nowelizacje rozporządzenia [13], również najnowszą z marca 2009. Norma [12] została wycofania przez PKN w roku 2006 przez zastąpienie jej normą [15]. Ostatnią normą, którą należy uwzględnić w niniejszym przeglądzie, jest norma [16], norma europejska EN wprowadzona do stosowania dobrowolnego w 2006 roku w wersji oryginalnej i zastąpiona w roku 2008 dosłownym tłumaczeniem. Norma [16] nie została powołana do stosowania w rozporządzeniu [13] z marca 2009 r. 3. Zasady oceny zagrożenia piorunowego w krajowych przepisach i normach PN 3.1.Zasady stosowania LPS według normy PNE/22 – 1931 W normie [7], zgodnie z ówczesną wiedzą w zakresie ochrony odgromowej, ograniczono się tylko do wskazania takich obiektów budowlanych, których określone cechy techniczne kwalifikują do stosowania w nich LPS, a mianowicie: 3) Według wiedzy autora – w archiwum PKN nie ma zestawienia norm opracowanych w okresie do 1939 r. 4) Rozporządzenie [13], nowelizacja z 12 marca 2009 r. (Dz. U. nr 56, poz. 461). 5) W przeglądzie norm wymieniono tylko te normy, które bezpośrednio dotyczą tematu pracy. Nr 146-147 5 Ochrona odgromowa W urządzenia ochronne od wyładowań atmosferycznych zaopatrzyć należy przedewszystkim6: a) budowle, zawierające materiały łatwopalne i wybuchowe, b) kominy fabryczne, wieże i wogóle budowle wysokie, górujące nad otoczeniem, c) wiatraki, d) budynki publiczne, w których często zbiera się znaczna liczba ludzi, lub znajdują się cenne zbiory, e) wszystkie budynki osobno stojące, zwłaszcza na wsi, w miejscowościach szczególnie narażonych na częste i silne wyładowanie atmosferyczne, z wyjątkiem małych budynków niezamieszkałych. W dokumencie zawarto również inne cenne wskazówki: Rodzaj urządzenia piorunochronnego, a więc i stopień ochrony należy przystosować do prawdopodobieństwa uderzenia piorunu, odpowiednio do miejscowości, w której znajduje się budowla i do otoczenia, oraz do wartości samej budowli i przedmiotów tam umieszczonych, a także do łatwości, z jaką budowla i ciała w niej zawarte mogą się zapalić czy wybuchnąć. – nie rozwijając ich jednak w dokładniejsze zalecenia konstrukcyjne czy wykonawcze. 3.2.Ocena zagrożenia piorunowego według normy PN-E 05003:1955 Norma [8] była pierwszym krajowym opracowaniem, który sformalizował zasady stosowania LPS w budynkach. Omawiana norma dzieliła obiekty budowlane na dwie grupy. Po pierwsze takie, w których stosowanie LPS było konieczne ze względu na określone cechy obiektu oraz pozostałe, chronione tylko w przypadku spełniania pewnych warunków technicznych. Do pierwszej grupy, czyli obiektów chronionych, zaliczono budynki, które były: a) miejscem jednoczesnego przebywania większej liczby ludzi, a więc występowania dużego prawdopodobieństwa paniki, porażeń itp., np. szkoły, szpitale, dworce, teatry, kina, kościoły i in., b) narażone na szczególnie duże straty materialne w wyniku pożaru, np. zakłady przemysłowe, magazyny, domy towarowe i in., c) obiektami o dużej wartości kulturalnej lub naukowej, np. muzea, biblioteki, zabytki, budynki instytucji naukowych itp., d) wykonane z materiałów łatwopalnych, szczególnie budynki wiejskie kryte słomą, e) znacznie wyższe niż otoczenie, np. kominy, wieże. W drugiej grupie, czyli w obiektach niechronionych z zasady, konieczność budowy LPS wynikała z oceny zagrożenia piorunowego, czyli wyznaczenia wskaźnika zagrożenia piorunowego budowli Wz zgodnie z zależnością: Wz = A× B× C× D× E× F× G (1) i ustaleniu stopnia zagrożenia piorunowego zależnie od wartości wskaźnika Wz oraz określenia potrzeby budowy LPS zgodnie z tablicą 1. 6) W cytacie zachowano oryginalną pisownię tekstu. 6 Ochrona odgromowa Tablica 1. Stopnie zagrożenia piorunowego budowli według normy [8] Zagrożenie piorunowe budowli Małe Wz £ 1 LPS można nie budować Średnie 1< Wz £ 2 LPS wskazane Duże Wz > 2 LPS konieczne Obliczenie wskaźnika Wz wymagało znajomości określonych danych, ustalających wartości umownych współczynników (A ÷ G) występujących we wzorze (1): rodzaju budowli wynikającego z jej przeznaczenia, (A = 1 ÷ 10), zawartości, wyposażenia, materiałów przechowywanych lub produkowanych, (B = 1,3 ÷ 12), konstrukcji budowli, a w szczególności materiałów dachu i ścian, (C = 1 ÷ 7), wymiarów budowli, czyli jej wysokości i powierzchni podstawy, (D = 0,8 ÷ 9,6), otoczenia budowli, charakteru zabudowy i wysokości sąsiednich obiektów, (E = 0,3 ÷ 1), położenia budowli, ukształtowania terenu, usytuowania budynku względem wzniesień, (F = 1 ÷ 3), średniego rocznego czasu trwania burz na terenie analizowanej zabudowy, obliczonego w zależności od położenia geograficznego budynku, jako iloczyn liczby dni burzowych w roku i średniego czasu trwania burzy, (G = 0,14 ÷ 0,5). Szczegółowe stabelaryzowane wartości wymienionych wyżej umownych współczynników A ÷ G oraz odpowiednie mapy, pozwalające wyznaczyć współczynnik G, załączono do normy [8]. Należy zauważyć, że współczynniki A ÷ C określały skutki uderzenia pioruna i straty występujące w budynku, natomiast współczynniki D ÷ G wynikały z oceny prawdopodobieństwa uderzenia pioruna w określony obiekt. Istotną wadą wprowadzonych przez normę [8] zasad stosowania ochrony odgromowej budynków było to, że nie pozwalały na ocenę skuteczności zbudowanego LPS. 3.3.Ocena zagrożenia piorunowego według zarządzenia [10] Zarządzenie [10] wprowadziło istotne zmiany w zasadach stosowania LPS. Obiekty budowlane podzielono na trzy kategorie zależnie od skutków, jakie może w nich wywołać wyładowanie atmosferyczne. 1. Pierwsza grupa to obiekty wymagające LPS z zasady, czyli budynki: wykonane z materiałów łatwopalnych, będące miejscem jednoczesnego przebywania większej liczby ludzi na małych powierzchniach, np. szkoły, szpitale, dworce, teatry, kina, kościoły i inne, o dużej wartości kulturalnej lub historycznej, np. muzea, biblioteki, zabytki itp., wyposażone w cenne urządzenia, np. instytuty naukowe, laboratoria, uczelnie, o wysokości powyżej 30 m, np. kominy, wieże, zagrożone wybuchem gazów, pyłów, cieczy, materiałów wybuchowych, w tym zbiorniki na takie media, zaliczone zgodnie z [10] do odpowiedniej kategorii niebezpieczeństwa pożarowego, w tym również obiekty straży pożarnej. Nr 146-147 7 Ochrona odgromowa 2. Druga grupa to obiekty niewymagające LPS, czyli budynki: usytuowane w strefie ochronnej obiektów sąsiednich, wykonane z materiałów niepalnych lub trudnozapalnych, o wysokości do 30 m, w zwartej zabudowie na płaskim terenie (budynki mieszkalne) lub o wysokości do 15 m i powierzchni podstawy do 500 m2 (budynki zakładów przemysłowych). 3. Trzecia grupa to obiekty niewymienione w grupach pierwszej i drugiej, czyli budynki, w których zastosowanie ochrony odgromowej jest uzależnione od wyznaczonego stopnia zagrożenia piorunowego, mierzonego wartością wskaźnika zagrożenia piorunowego budowli W zgodnie z zależnością: W = A+ B+ C+ D+ E+ F+ G (2) Obliczenie wskaźnika W wymagało znajomości określonych danych dotyczących obiektu budowlanego, ustalających wartości cząstkowych wskaźników (A ÷ G) występujących we wzorze (2): rodzaju obiektu wynikającego z jego przeznaczenia, (A = 2 ÷ 5), zawartości obiektu, czyli wyposażenia i materiałów przechowywanych, (B = 2 ÷ 7), konstrukcji obiektu, a w szczególności materiałów dachu i ścian, (C = 1 ÷ 4), wymiarów obiektu, czyli jego wysokości i powierzchni podstawy, (D = 2 ÷ 15), otoczenia obiektu, czyli charakteru zabudowy i wysokości sąsiednich budynków, (E = 2 ÷ 8), ukształtowania terenu, (F = 2 ÷ 8), liczby dni burzowych w roku, (G = 1 ÷ 8). Wartość wskaźnika W określała potrzebę budowy LPS zgodnie z tablicą 2. Tablica 2. Stopnie zagrożenia piorunowego budowli według zarządzenia [10] Zagrożenie piorunowe budowli Małe W< 18 LPS zbędne Duże Średnie 18 < W£ 25 LPS zalecane W> 25 LPS obowiązkowe Szczegółowe stabelaryzowane wartości wymienionych wyżej cząstkowych wskaźników A ÷ G oraz odpowiednią mapę, pozwalającą wyznaczyć współczynnik G, załączono do zarządzenia [10]. Należy zauważyć, że współczynniki A ÷ C określały skutki uderzenia pioruna i straty występujące w budynku, natomiast współczynniki D ÷ G wynikały z oceny prawdopodobieństwa uderzenia pioruna w określony obiekt. Istotną wadą wprowadzonych przez zarządzenie [10] zasad stosowania ochrony odgromowej budynków było to, że nie pozwalały na ocenę skuteczności zbudowanego LPS. 3.4.Ocena zagrożenia piorunowego według normy PN-E 05003-1:1986 Arkuszowa norma [11] w momencie wprowadzania uwzględniała aktualne ówcześnie trendy normalizacji międzynarodowej w dziedzinie ochrony odgromowej. Norma wprowadziła istotne zmiany w zasadach stosowania LPS w porównaniu z przepisami [8, 10]. 8 Ochrona odgromowa Zachowano podział obiektów budowlanych na grupy zależnie od skutków, jakie może w nich wywołać wyładowanie atmosferyczne, zmieniając jednocześnie zasady kwalifikacji budynków do grup. Obiekty zaliczone do poszczególnych grup to budowle: a. przemysłowe nie zagrożone wybuchem oraz mieszkalne, użyteczności publicznej itp., b. zagrożone wybuchem oraz pożarem zgodnie z wymaganiami normy, c. inne, niewymienione w grupach a i b, np. mosty, dźwigi, stadiony, domki letniskowe, kolejki linowe, pola kempingowe itp., d. niewymagające ochrony odgromowej, czyli usytuowane w strefie ochronnej obiektów sąsiednich lub w zabudowie zwartej o wysokości nie większej niż 25 m, albo dla których wskaźnik zagrożenia piorunowego W jest mniejszy niż 10-5. Norma [11] wprowadziła również podział LPS na trzy rodzaje, mające określone normą różne konstrukcje urządzenia ochrony odgromowej, a mianowicie ochronę: 1. podstawową, przeznaczoną dla obiektów grupy a, 2. obostrzoną, przeznaczoną dla obiektów grupy b, 3. specjalną, przeznaczoną dla obiektów grupy c. Kwalifikując budynek do objęcia go ochroną odgromową podstawową (grupa a) należało sprawdzić, czy charakteryzuje się on określonymi parametrami: nie występuje w zabudowie zwartej, jego wysokość przekracza 15 m, a powierzchnia podstawy 500 m2, jest miejscem jednoczesnego przebywania większej liczby ludzi (ponad 50 osób), np. szkoły, dworce, teatry, kina, bary, kościoły i inne, jest przeznaczony dla ludzi o ograniczonej zdolności poruszania się, jak np. szpital, żłobek, sanatorium, szkoła specjalna itp., jest obiektem o dużej wartości kulturalnej, materialnej lub historycznej, np. muzea, biblioteki, zabytki, itp., jest budynkiem wyższej użyteczności publicznej, jak np. obiekty straży pożarnej, pogotowia, urzędów i inne, stanowi rozległą halę o wymiarach przekraczających 40 x 40 m z wewnętrznymi stalowymi lub żelbetowymi słupami wsporczymi, jest wykonany z materiałów łatwopalnych (niezależnie od jego wysokości) z wyjątkiem budynków należących do grupy c, jest obiektem do produkcji, przetwarzania lub magazynowania materiałów łatwopalnych, jest obiektem, dla którego wskaźnik zagrożenia piorunowego W przekracza wartość 10-4. Zastosowanie ochrony odgromowej w niektórych budynkach uzależniono od wyznaczonego stopnia zagrożenia piorunowego, mierzonego wartością wskaźnika zagrożenia piorunowego budowli W zgodnie z zależnościami: W= n× m× N× A× p A= S+ 4lh + 50h 2 p= R() Z+ K Nr 146-147 (3) (4) (5) 9 Ochrona odgromowa Wartość wskaźnika W określała potrzebę zastosowania LPS zgodnie z tablicą 3. Tablica 3. Stopnie zagrożenia piorunowego budowli według normy [11] Zagrożenie piorunowe budowli Małe 5 W£ 5× 10 - LPS zbędne Średnie 5 4 5× 10 < W£ 10 - LPS zalecane Duże 4 W> 10 - LPS wymagane Obliczenie wskaźnika W wymagało znajomości określonych danych dotyczących obiektu budowlanego, ustalających wartości współczynników występujących we wzorach (3, 4, 5), zależnych od: liczby osób w obiekcie, współczynnik n, położenia obiektu, współczynnik m, rocznej gęstości powierzchniowej wyładowań atmosferycznych, współczynnik N, równoważnej powierzchni zbierania wyładowań przez obiekt (o powierzchni podstawy S, długości obwodu w podstawie l oraz wysokości h), współczynnik A, prawdopodobieństwa wywołania szkody przez piorun, współczynnik p (zależny od rodzaju R, zawartości Z oraz konstrukcji K obiektu). Szczegółowe stabelaryzowane wartości wymienionych wyżej wskaźników częściowych podano w załączniku 1 do normy [11]. Należy zauważyć, że współczynniki n i p określały w sposób bardzo ogólny skutki uderzenia pioruna i straty występujące w budynku, nie uwzględniały natomiast rzeczywistej wartości zniszczonych urządzeń w konkretnym budynku. Współczynniki m, N i A wynikały z oceny prawdopodobieństwa uderzenia pioruna w określony obiekt. Nie uwzględniały natomiast redukcji zagrożenia piorunowego po zainstalowaniu LPS oraz środków ochrony wewnętrznej, które mają istotny wpływ na zmniejszenie prawdopodobieństwa szkód wywołanych wyładowaniami piorunowymi. Norma wprowadziła wprawdzie trzy rodzaje LPS o różnej skuteczności wynikającej z ich konstrukcji, ale nadal wadą wprowadzonych zasad stosowania ochrony odgromowej budynków było to, że nie pozwalały one na liczbową ocenę skuteczności zbudowanego LPS. 3.5.Ocena zagrożenia piorunowego według normy PN-IEC 61024-1-1:2001 Arkuszowa norma [12] jest krajową wersją (dosłownym tłumaczeniem) normy międzynarodowej, odpowiadającą w momencie wprowadzania aktualnemu ówcześnie stanowi wiedzy w dziedzinie ochrony odgromowej. Norma wprowadziła wiele istotnych zmian w zasadach stosowania LPS w porównaniu z przepisami przedstawionymi wyżej [8, 10, 11]. Zastosowano nową klasyfikację obiektów budowlanych zależnie od skutków, jakie może w nich wywołać wyładowanie atmosferyczne. Wyróżniono dwie klasy obiektów określając jednocześnie zasadnicze skutki wyładowań piorunowych, charakterystyczne dla danej klasy [12]. Budynki zaliczone do poszczególnych klas to obiekty: zwykłe, o wysokości do 60 m przeznaczone do celów handlowych, przemysłowych, rolnych, biurowych albo mieszkalnych, 10 Ochrona odgromowa specjalne (nie rozpatrywane w omawianym arkuszu normy [12]), czyli obiekty o zwiększonym zagrożeniu (np. telekomunikacyjne, elektroenergetyczne, obiekty przemysłowe z niebezpieczeństwem pożarowym), obiekty groźne dla swego otoczenia (np. rafinerie, zakłady zbrojeniowe, stacje obsługi), obiekty groźne dla środowiska (np. zakłady chemiczne, nuklearne, biochemiczne) oraz obiekty różne (np. o wysokości większej niż 60 m, pola kempingowe, place sportowe, instalacje tymczasowe). Norma nie wyróżnia żadnych obiektów chronionych przez LPS z zasady, jak w przepisach przedstawionych powyżej. Dla każdego obiektu należy oszacować ryzyko wystąpienia szkody oraz wybrać odpowiedni poziom ochrony budowanego LPS. Procedura wyboru polega na porównaniu spodziewanej rocznej częstości Nd bezpośrednich wyładowań piorunowych w obiekt i akceptowanej rocznej częstości Nc wyładowań piorunowych. Takie porównanie prowadzi do następujących wyników: jeżeli Nd ≤ Nc , to obiekt nie wymaga ochrony odgromowej, jeżeli Nd > Nc , to na obiekcie należy zainstalować LPS o skuteczności według wzoru: (6) E³ 1Nc Nd i właściwym poziomie ochrony odgromowej (IV, III, II, I) wybranym według rys. 1. E= Poziom ochrony 0 0,8 0,9 0,95 0,98 1 III II I I+ Rys. 1. Zależność między granicznymi wartościami skuteczności E urządzenia ochrony odgromowej a poziomem ochrony (+ oznacza konieczność zastosowania dodatkowych środków ochrony, np. ograniczających napięcia dotykowe i krokowe, rozprzestrzenianie się pożaru, czy przepięć indukowanych) IV Wartość akceptowanej rocznej częstości Nc wyładowań piorunowych ustala właściciel obiektu lub projektant LPS w przypadku występowania w obiekcie strat wyłącznie we własności prywatnej, albo krajowa instytucja normalizacyjna, jeżeli w obiekcie w rachubę wchodzą straty osobowe, kulturalne lub społeczne. Ustalając wartość Nc należy wziąć pod uwagę wiele czynników mających związek z wielkością szkód piorunowych, np. konstrukcję budynku, obecność substancji palnych lub wybuchowych, zastosowane środki redukcji szkód piorunowych, liczbę ludzi, rodzaj utraconych usług publicznych, wartość mienia itp. W warunkach krajowych wartość przyjęto Nc = 10-3 [14]. Wartość spodziewanej rocznej częstości Nd bezpośrednich wyładowań piorunowych w obiekt oblicza się z zależności: 6 Nd = Ng × Ae × 10 1/rok (7) w której: Ng jest gęstością wyładowań piorunowych, określoną przez liczbę wyładowań doziemnych na 1 km2 powierzchni na rok, np. na podstawie ustaleń normy [3] lub daną zależnością: (8) Ng = Td1, 25 1/km 2 × 0,04 × rok gdzie Td jest liczbą dni burzowych w roku wyznaczoną z map izokeraunicznych kraju, np. [10]. Nr 146-147 11 Ochrona odgromowa Ae jest równoważną powierzchnią zbierania wyładowań przez obiekt w m2, czyli takim obszarem powierzchni ziemi, na który wypada tyle samo wyładowań bezpośrednich co w obiekt. Powierzchnię Ae oblicza się zgodnie z zasadami określonymi w normie [12]. Najprostszy przypadek obliczeń to samotny budynek o płaskim dachu stojący na płaskim terenie – obszar Ae będzie tutaj ograniczony linią b1 utworzoną przez przecięcie się powierzchni ziemi z linią prostą o nachyleniu 1:3 przechodzącą stycznie do krawędzi dachu budynku i obracającą się wokół niego. Zasadę obliczeń zilustrowano na rysunku 2a. Każdy przypadek bardziej złożonej topografii terenu (nachylenie, zagłębienie, wzniesienie), czy bardziej skomplikowanego kształtu bryły budynku znakomicie komplikują obliczenia powierzchni Ae, szczegóły takich obliczeń podaje norma [12]. Podobnie, obecność obiektu sąsiedniego o wysokości hs zlokalizowanego w odległości d od budynku rozpatrywanego o wysokości h. Takie sąsiedztwo daje zmniejszenie Ae, jeżeli odległość między budynkami sąsiednimi d < 3(hs + h). W tym przypadku (rys. 2b) powierzchnie Ae obu budynków częściowo nakładają się, a więc obliczaną powierzchnię Ae należy zredukować o część odpowiadającą odległości xs obliczonej jako: (9) xs = 0,5 × d+ 3 hs h a) b) 1:3 1:3 h h 1:3 hs 1/2b a b1 xs d Ae = ab + 6h × () a+ b + 9P h2 Rys. 2. Zasady obliczeń równoważnej powierzchni Ae zbierania wyładowań przez obiekt według normy [12], a – przypadek samotnego budynku o płaskim dachu stojącego na płaskim terenie, b – przypadek oddziaływania budynku sąsiedniego na wielkość powierzchni zbierania W porównaniu z normami poprzednimi należy zauważyć, że norma [12] analizując zagrożenie piorunowe obiektu budowlanego znacznie dokładniej uwzględnia skutki uderzenia pioruna, straty występujące w budynku oraz prawdopodobieństwo uderzenia pioruna w określony obiekt. Norma pozwala również wyznaczyć liczbowo wymaganą dla rozpatrywanego budynku skuteczność LPS i zbudować go tak, aby zapewnić wymagane parametry projektowanej konstrukcji. Mimo wymienionych zalet norma [12] zawiera szereg problematycznych arbitralnych uregulowań, które powodują wyraźne zwiększenie kosztów inwestycji nie mając właściwego merytorycznego uzasadnienia [6]. 12 Ochrona odgromowa 3.6.Ocena ryzyka szkód piorunowych według normy PN-EN 62305-2:2008 Ocena ryzyka szkód piorunowych wprowadzona przez normę [16] jest w sensie ogólnym odpowiednikiem oceny wskaźnika zagrożenia piorunowego zalecanej przez normy wcześniejsze. Zalecana procedura postępowania jest jednak znacznie trudniejsza z uwagi na ilość koniecznych do uwzględnienia czynników wpływających na ostateczny wynik obliczeń. Po pierwsze, należy wyznaczyć spodziewane ryzyko szkód piorunowych dla obiektu budowlanego oraz zamontowanych w nim urządzeń biorąc pod uwagę wartość kilkudziesięciu parametrów technicznych opisujących konstrukcję obiektu, jego wyposażenie i usytuowanie, jak również znacznie szerszy zakres szkód niż uwzględniane dotychczas. Po drugie, należy określić akceptowaną wartość ryzyka, uzależnioną od wielu czynników technicznych i ekonomicznych oraz wybrać właściwe środki ochrony w celu redukcji ryzyka spodziewanego do dopuszczalnej jego granicy lub poniżej tej granicy. Procedura szacowania ryzyka wystąpienia w obiekcie chronionym szkód piorunowych. W normie określono zestaw elementów ryzyka związanego z konkretnymi przyczynami szkód, wyróżniono ich typy i rodzaje strat, które wynikają z występowania w eksploatacji różnych przypadków uderzeń i oddziaływań piorunów na obiekty podlegające ochronie. Wyróżniono następujące elementy: przyczyny szkód (S) wynikających z miejsca trafienia pioruna: · S1: bezpośrednie wyładowanie piorunowe w obiekt, · S2: wyładowanie w ziemię w pobliżu obiektu, · S3: wyładowanie bezpośrednie w linię dochodzącą do obiektu (w instalacje usługowe), · S4: wyładowanie w ziemię w pobliżu linii zewnętrznej, typy szkód (D): · D1: porażenie wskutek napięć krokowych i/lub dotykowych, · D2: uszkodzenia mechaniczne, chemiczne, termiczne, pożar, wybuch itp., · D3: uszkodzenie lub zakłócenie pracy układów elektrycznych i elektronicznych, rodzaje strat kojarzone z obiektem (L) lub urządzeniem usługowym (L’): · L1: utrata życia ludzkiego, · L2, L’2: utrata usług publicznych, · L3: utrata dóbr dziedzictwa kulturowego, · L4, L’4: straty materialne (zniszczenie obiektu, jego zawartości, uszkodzenie urządzenia usługowego). Możliwe korelacje między wskazanymi w normie elementami ryzyka zestawiono w tablicy 4. Ryzyko szkód piorunowych R jest wartością prawdopodobnych średnich strat w roku, którą musimy wyznaczyć dla każdego typu straty, jaka może wystąpić zarówno w obiekcie, jak i w urządzeniu usługowym. Norma [16] wyróżnia kilka rodzajów ryzyka, poddawanych ocenie i kojarzonych z obiektem (R) lub urządzeniem usługowym (R’). Są to: · Rl: ryzyko utraty życia ludzkiego, · R2, R’2: ryzyko utraty usługi publicznej, Nr 146-147 13 Ochrona odgromowa · R3: ryzyko utraty dziedzictwa kulturowego, · R4, R’4: ryzyko utraty wartości ekonomicznej. Tablica 4. Korelacje między przyczynami, typem i rodzajem szkód piorunowych [16] Przyczyna szkody związana z miejscem uderzenia pioruna Obiekt budowlany Urządzenie usługowe Typ Typ Rodzaj straty Rodzaj straty szkody szkody L1, L4* L1, L2, L3, L4 L1**, L2, L4 – D2 D3 – L’2, L’4 L’2, L’4 W obiekt S1 D1 D2 D3 W pobliżu obiektu S2 D3 L1**, L2, L4 – – W linię zewnętrzną dochodzącą do obiektu S3 D1 D2 D3 L1, L4* L1, L2, L3, L4 L1**, L2, L4 – D2 D3 – L’2, L’4 L’2, L’4 W pobliżu linii zewnętrznej S4 D3 L1**, L2, L4 D3 L’2, L’4 * – tylko dla obiektów, w których może nastąpić utrata zwierząt, * * – tylko dla obiektów zagrożonych wybuchem oraz szpitali lub innych obiektów, w których uszkodzenie układów wewnętrznych natychmiast zagraża życiu człowieka Zgodnie z założeniami normy każdy rodzaj ryzyka jest sumą określonych komponentów z grupy RA, RB, RC, RM, RU, RV, RW i RZ związanych z konkretną przyczyną szkód S oraz typem uszkodzenia D – te związki przedstawiono w tablicy 5. Tablica 5. Korelacje między komponentami ryzyka RX, przyczynami szkód S i typami uszkodzeń D [16] S D D1 D2 D3 ΣSR S1 S2 S3 S4 RU RA RV RB RC RW RM RZ RA + RB + RC RM + RU + RV + RW + RZ ΣDR RA + RU RB + RV RC + RM + RW + RZ Ryzyko związane z: określoną przyczyną szkody ΣSR oraz typem uszkodzenia ΣDR Z tablicy 5 wynika, że ryzyko dla każdego typu uszkodzenia lub przyczyny szkody rozpatruje się jako sumę odpowiednich komponentów, a każdy z nich może być oszacowany za pomocą równania ogólnego: Rx = Nx × Px × Lx (10) w którym: Nx – jest spodziewaną średnią roczną liczbą wyładowań piorunowych oddziaływujących na obiekt, jego urządzenia i instalacje zewnętrzne, Px – jest prawdopodobieństwem uszkodzenia obiektu lub nietolerowanego zakłócenia pracy urządzenia, a Lx – jest wynikową stratą ekonomiczną. 14 Ochrona odgromowa Pierwszym czynnikiem we wzorze (10) jest spodziewana średnia roczna liczba Nx wyładowań piorunowych oddziaływujących na obiekt, jego urządzenia i instalacje zewnętrzne, który wyznacza się z ogólnej zależności: 6 Nx = Ng × Aex × Cdx × Ctx × 10 - (11) Wzór (11) jest, jak widać, zmodyfikowaną zależnością (7) znaną z normy [12], a więc należy się spodziewać w obliczeniach pewnych analogii. I tak, wielkość Ng we wzorze (11) jest średnią roczną gęstością wyładowań doziemnych na terenie posadowienia obiektu chronionego obliczaną zgodnie z zaleceniami normy [12]. Wielkość Aex jest równoważną powierzchnią zbierania wyładowań przez obiekt lub jego rozpatrywany fragment, wyznaczaną w zależności od topografii położenia i konstrukcji obiektu, w sposób podobny jak zalecała norma [12]. Przykładowo dla budynku samotnego równoważną powierzchnię zbierania wyładowań obliczymy w sposób pokazany na rysunku 2a. Obliczenia dla innych przypadków należy wykonywać zgodnie z załącznikiem A do normy [16]. Wielkość Cdx jest współczynnikiem zależnym położenia obiektu, o wartościach według załącznika A do normy [16]. Wprowadzenie tego współczynnika uprościło dotychczasową (według [12]), dość skomplikowaną metodykę obliczeń powierzchni Ae. Następny współczynnik Ctx dotyczy obliczeń prowadzonych tylko w przypadku urządzeń usługowych, a jego wartość (dobrana zgodnie z załącznikiem A do normy [16]) pozwala skorygować Nx, jeżeli w analizowanym układzie jest zamontowany transformator SN/nn, położony między punktem uderzenia pioruna a obiektem. Drugim czynnikiem we wzorze (10) jest prawdopodobieństwo wystąpienia szkody Px zależne nie tylko od charakterystycznych parametrów technicznych obiektu chronionego, ale i od zastosowanych środków ochrony, co jest niewątpliwie nowością w normalizacji ochrony odgromowej. Norma zakłada, że brak środków ochrony daje pewność wystąpienia szkody, natomiast zastosowanie określonych środków w obiekcie zmniejsza to prawdopodobieństwo w określonym stopniu, zależnie do ich rodzaju i skuteczności dla poszczególnych komponentów ryzyka. Dokładną procedurę obliczania Px zawierają załączniki B i D do normy [16], w których wprowadzono szereg współczynników redukujących prawdopodobieństwo uszkodzenia i uwzględniających działanie zastosowanych środków ochrony w odniesieniu do poszczególnych komponentów ryzyka Rx. W obliczeniach uwzględnia się działanie takich czynników jak: zainstalowania w obiekcie LPS i LPMS o określonym poziomie skuteczności, ekranowania elektromagnetycznego obiektu, linii zewnętrznych i przewodów wewnętrznych, niektórych parametrów technicznych obiektu, zastosowania w obiekcie środków przeciwpożarowych i innnych. Trzecim czynnikiem we wzorze (10) jest wielkość strat ekonomicznych Lx zależnych od przeznaczenia obiektu, liczby ludzi i czasu ich obecności w obiekcie, rodzaju świadczonych usług publicznych, wartości dóbr utraconych przez uszkodzenie piorunowe i od rodzaju środków służących ograniczeniu rozmiaru strat. Takie szacunki są również niewątpliwą nowością w porównaniu z normami wcześniejszymi. Dokładną procedurę obliczania Lx w odniesieniu do poszczególnych komponentów ryzyka Rx zawierają załączniki C i E do normy [16]. Nr 146-147 15 Ochrona odgromowa Procedura ustalania potrzeby stosowania ochrony odgromowej. Procedura określania konieczności zastosowania LPS oraz LPMS w analizowanym obiekcie jest ujęta w normie [16]. W pierwszej fazie działań należy zidentyfikować i obliczyć wszystkie komponenty ryzyka Rx, które tworzą ogólne ryzyko R dla obiektu i dla jego urządzeń usługowych, zgodnie z zasadami opisanymi wyżej. Następnie musimy wyznaczyć wartość ryzyka tolerowanego RT, które zgodnie z zaleceniami norm [15, 16] może przyjmować wartości: RT = 10-5 zawsze, gdy szkody mogą powodować utratę życia przez człowieka, RT = 10-3 jeżeli występuje możliwość utraty usług publicznych i/lub utraty dziedzictwa kulturowego. W innych sytuacjach wartości ryzyka RT powinny być określone przez odpowiednie instytucje, np. jeżeli szkody piorunowe wiążą się tylko ze stratami ekonomicznymi osób lub firm prywatnych, to wartość RT ustala właściciel obiektu lub projektant LPS, ewentualnie w porozumieniu z firmą ubezpieczeniową. Porównanie oszacowanej wcześniej ogólnej wartości ryzyka R z ryzykiem tolerowanym RT może dać następujące wyniki: jeżeli R ≤ RT, to ochrona odgromowa obiektu nie jest konieczna, natomiast jeśli R > RT, to należy zastosować środki ochrony LPS oraz LPMS o takiej konstrukcji i skuteczności, aby doprowadzić do redukcji wszystkich komponentów ryzyka, jakie występują w obiekcie co najmniej do poziomu wartości tolerowanej. Procedurę wyboru środków ochrony w obiekcie ilustruje rysunek 3. Zidentyfikować poddawany ochronie obiekt Zidentyfikować typy strat dotyczących obiektu Dla każdego typu strat zidentyfikować i obliczyć komponenty ryzyka RA, RB, RC, RM, RU, RV, RW, RZ Obliczenie nowych wartości komponentów ryzyka R > RT NIE Obiekt chroniony TAK Czy jest LPS? TAK Czy jest LPMS? TAK Zainstalować inne środki ochrony NIE RB > RT NIE NIE TAK Zainstalować odpowiedni typ LPS Zainstalować odpowiedni typ LPMS Rys. 3. Procedura ustalania potrzeby stosowania LPS i LPMS w obiekcie według normy [16] 16 Ochrona odgromowa Ostatnią, niewymaganą, fazą procedury ustalania potrzeby stosowania LPS i LPMS jest ocena ekonomicznej opłacalności zastosowania ochrony, co jest również niewątpliwą nowością w normalizacji ochrony odgromowej w porównaniu z normami wycofanymi. Szacowanie kosztów przeprowadza się w celu porównania kosztów strat materialnych w przypadku zastosowania ochrony i ich braku. Wynik porównania, przydatny dla inwestora, pozwala określić efektywność ekonomiczną zastosowanych środków ochrony. Dokładną procedurę realizacji tych obliczeń zawiera załącznik G do normy [16]. 4. Podsumowanie Materiał zestawiony w pracy pozwala zauważyć, że zasady oceny zagrożenia piorunowego obiektów budowlanych zalecane przez kolejno wprowadzane krajowe normy ulegały systematycznym zmianom, a mianowicie: 1. Najprostszy system wprowadzony w pierwszej krajowej normie [7] ograniczał się do wskazania określonej grupy budynków wymagających ochrony odgromowej z zasady ze względu na ich wyposażenie, konstrukcję lub obecność ludzi oraz innych budynków z zasady niechronionych. 2. W kolejnych normach [8, 11] i przepisach [10] wprowadzono bardziej skomplikowane zasady, ujmujące nie tylko wskazany wyżej arbitralny podział budynków na chronione i niechronione, ale również konieczność obliczania wskaźnika zagrożenia piorunowego uwzględniającego rolę kilku zasadniczych czynników związanych z chronionymi obiektami, decydujących o stopniu zagrożenia budynku i w efekcie o konieczności zastosowania lub braku LPS. 3. Określenie spodziewanego ryzyka szkód piorunowych oraz jego akceptowanego poziomu, a następnie wnioskowanie o poziomie zagrożenia piorunowego na podstawie porównania tych dwóch wielkości jest cechą wspólną wprowadzonych do krajowego systemu normalizacyjnego tłumaczeń norm IEC [12] i EN [15, 16], przy czym normy europejskie wprowadzają zasady oceny zagrożenia piorunowego o znacznym stopniu skomplikowania. Należy sądzić, że normy [15, 16] zostały pozbawione wszystkich wad dotychczas stosowanych zasad oceny zagrożenia, zalecając w procedurze szacowania ryzyka szkód piorunowych uwzględnienie kilkudziesięciu różnych parametrów technicznych opisujących obiekt chroniony. Jednak potwierdzeniem tego spostrzeżenia będą dopiero doświadczenia z rzeczywistej praktyki stosowania zaleceń tych norm w eksploatacji obiektów budowlanych. 5. Bibliografia 1. Osiński J.: Sposob ubespieczający życie y maiątek od piorunów. Drukarnia J.K. Mci i Rzeczypospolitey u XX Scholarum Piarum, Warszawa 1784 – Reprint SEP, Warszawa 2004. 2. Shipley J. F.: The Protection of Structures against Lightning. Journal of IEE, 1943, 90/I, str. 501. 3. Ryżko H.: Podstawy ochrony budowli przed piorunami. PWN, Warszawa 1959. 4. Flisowski Z.: Analiza zagrożenia piorunowego obiektów budowlanych. Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1980. Nr 146-147 17 Ochrona odgromowa 5. Malinowski M.: Podręcznik INPE dla elektryków. Zeszyt 3. Normalizacja w elektryce. Wydawnictwo INPE, Warszawa 2005. 6. Aniserowicz K., Zielenkiewicz M.: Problemy związane z wyborem poziomu ochrony dla urządzeń piorunochronnych. Elektro-info, nr 4/2007. 7. Norma PNE/22 – 1931 Wskazówki co do ochrony budowli od elektrycznych wyładowań atmosferycznych oraz instrukcja dla kontroli urządzeń piorunochronnych z pięcioma rysunkami. 8. Norma PN-E 05003:1955 Ochrona budowli od wyładowań atmosferycznych. Przepisy ogólne. 9. Zarządzenie nr 27 przewodniczącego KBUiA z dnia 12 kwietnia 1962 r. w sprawie warunków technicznych instalacji piorunochronnych typu lekkiego. Dz. Bud. nr 5, poz. 27. 10. Zarządzenie nr 16 ministra GTiOŚ z dnia 26 sierpnia 1972 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinna odpowiadać ochrona obiektów budowlanych od wyładowań atmosferycznych. Dz. Bud. nr 8, 1972. 11. Norma PN-E 05003-1:1986 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Wymagania ogólne. 12. Norma PN-IEC 61024-1-1:2001 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. Wybór poziomów ochrony dla urządzeń piorunochronnych. 13. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Dz. U. nr 75, poz. 690 wraz z późn. zm. 14. Komunikat PKOO z dnia 29.11.2003 r. w sprawie interpretacji postanowień norm ochrony odgromowej obiektów budowlanych. www.pkoo-sep.org.pl. 15. PN-EN 62305-1:2008 Ochrona odgromowa. Część 1: Zasady ogólne. 16. PN-EN 62305-2:2008 Ochrona odgromowa. Część 2: Zarządzanie ryzykiem. Errata W numerze 144 w relacji pt. Delegacja SEP na uroczystości odsłonięcia pomnika polskich profesorów we Lwowie zostało pominięte nazwisko współautora prof. Jerzego Hickiewicza. Gorąco przepraszamy Pana Profesora i Czytelników. Redaktor Naczelny 18