Расчет и проектирование молниезащиты отдельно стоящего производственного здания

Задание №1

Расчет и проектирование молниезащиты отдельно стоящего производственного здания.

 

Назначение  здания - предназначено для хранения отремонтированных машин ремонтного фонда, запчастей, узлов и агрегатов в сгораемой таре и в консервации, машин на резиновых колесах, электродвигателей и кабельной продукции; кирпичное.

       Степени огнестойкости – II.

       Крыша – плоская, горизонтальная, железобетонные перекрытия с гидроизоляцией. По периметру крыши имеются выводы от заземляющего устройства, имеется возможность установки и крепления растяжек от молниеприемников.

      Тип фундамента – железобетонные блоки со сплошной стальной арматурой, сваренной между собой и между блоками, имеющие через арматуру стенных блоков, панелей выход на крышу для подсоединения токоотводов молниезащиты.          

     Регион расположения объекта – Тверская область.

   Наличие сооружений на крыше – имеются вентиляционные трубы, выход на кровлю с лестничных клеток, телеантенны – все высотой до 3,0 м. от плоской крыши.

Данное помещение по взрывопожароопасности относится к классу П-IIa. Категория молниезащиты для них – III.

Для определения типа зоны защиты определим показатель N . В данном случае для Тверской области среднегодовая продолжительность гроз:

Т = 40 – 60ч. Удельная плотность ударов молнии в землю n = 4 на 1 км² в год. При размерах помещения: ширина S = 26,0 м, длина L = 80,0 м и высота h = 20,0 м.

,

 

 

Для зданий II степени огнестойкости при 0,1 < N ≤ 2 будет тип зоны защиты Б.

Требование  к устройству молниезащиты III категории:

 

Защита от прямых ударов молнии зданий и сооружений, относимых  по устройству молниезащиты к III категории.

Во всех возможных случаях в качестве заземлителей защиты от прямых ударов молнии следует использовать железобетонные фундаменты зданий и сооружений. При невозможности их использования выполняют искусственные заземлители: каждый токоотвод от стержневых и тросовых молниеприемников должен быть присоединен к заземлителю, состоящему минимум из двух вертикальных электродов длиной не менее 3 м, объединенных горизонтальным электродом длиной не менее 5 м.

У данного помещения плоская железобетонная крыша. На ней можно достаточно просто и надежно установить стержневой молниеотвод. Расположим его в один ряд на крыше здания, так потребуется его меньшая высота.

При выбранных значениях l, h, L зона защиты будет достаточной, если будут соблюдены условия: ; ; ; , где – высота конуса защиты посредине между молниеотводами; – размер нижней части этого конуса защиты посредине между молниеотводами (с вершиной в точке ) на высоте (нижняя кромка крыши); S/2 – половина ширины объекта; – радиус зоны защиты от крайнего молниеотвода на высоте ; l – расстояние от торцов крыши до крайних молниеотводов; – радиус зоны защиты от крайнего молниеотвода на высоте (нижняя кромка крыши); R – расстояние от крайнего молниеотвода до угла нижней кромки крыши (в плане):

 

 

Попробуем вначале принять следующие параметры:

высота молниеотводов  от уровня земли h=30,0 м (от верхней кромки крыши, длина стержневого молниеприемника будет 10,0м)

Это наиболее устойчивая и разумная величина. Расстояние между  молниеотводами (шаг установки) примем L=31,0 м. Рассчитаем зону защиты при указанных параметрах. Поскольку у нас h < L ≤ 6h, то для зоны защиты типа Б применим формулы:

; ;

;

 

 

 

У нас получилось:

 

; .

Условия защиты в самом  «слабом месте» между стержнями  молниеотводов соблюдаются и  даже с некоторым запасом.

 

Теперь определим на каком расстоянии l от торцов крыши нужно установить крайние молниеотводы. Это расстояние должно удовлетворять условию . Значение вычислим по формуле:

 

 

Следует заметить, что  17,37м – это максимально возможное расстояние. Примем (с некоторым запасом) l=17,0 м.

 

Проверим, впишутся ли в  зону защиты нижние углы крыши при      l=9,0 м. Для этого определим на высоте .

Защита обеспечена, т.к.

Итак, окончательно принимаем h = 30,0 м; L = 31,0 м; l = 9,0 м.

 

 

Принимаем:

 

1 ряд стержней по 3 штуки в ряду, тогда получится расстояние ,

 

h = 30,0 м,   l = 9,0 м.

 

Длина стержней над крышей составит:

 

.

 

      При высоте  над объектом 10 м в качестве  стержневого молниеприемника можно использовать конструкцию, сваренную из 3 труб различного диаметра, вставленных одна в другую и приваренных к фланцу у основания для крепления с помощью его к крыше.

 

 

 

 

Схема установки  стержневого молниеприемника на крыше здания: 1 – стержень  молниеприемника; 2, 3 – токоотводы; 4 – фланец; 5 – железобетонное перекрытие крыши.

 

Требования при выполнении элементов конструкции молниезащиты III категории.

     

      От каждого стержневого молниеприемника, установленного на защищаемом объекте, должно быть проложено не менее двух токоотводов. Примем два токоотвода из стальной проволоки диаметром 6,0 мм и проложим их к двум разным заземлителям по разные стороны здания. Верхние концы токоотводов приварим к молниеприемнику, а нижние – к выводам от заземлителей.

      

Примем решение по заземлителям.

 

    Фундамент здания для этой цели использовать можно, т.к. он  имеет сплошную стальную арматуру. Или придется выполнить два искусственных заземлителя. Они должны состоять из двух вертикальных электродов длиной 3м, забитых в землю на расстоянии друг от друга не менее 3,0 м и одного горизонтального. В качестве материала электродов примем стальной уголок мм. По сечению это больше минимально необходимых 160 мм² и вполне достаточно. Расположим заземлители вдоль длинных стен здания, где нет въездных ворот, примерно посередине стены (так будет короче токоотвод).

 

 

Для защиты зданий и сооружений от вторичных проявлений молнии должны быть предусмотрены следующие мероприятия:

а) металлические корпуса  всего оборудования и аппаратов, установленных в защищаемом здании (сооружении), должны быть присоединены к заземляющему устройству электроустановок, или к железобетонному фундаменту здания;

б) внутри здания между трубопроводами и другими протяженными металлическими конструкциями в местах их сближения на расстояние менее 10 см через каждые 30 м должны быть выполнены перемычки;

в) во фланцевых соединениях  трубопроводов внутри здания следует  обеспечить нормальную затяжку не менее  четырех болтов на каждый фланец.

Для защиты наружных установок  от вторичных проявлений молнии металлические  корпуса установленных на них  аппаратов должны быть присоединены к заземляющему устройству электрооборудования  или к заземлителю защиты от прямых ударов молнии.

На  резервуарах с плавающими крышами  или понтонами необходимо устанавливать  не менее двух гибких стальных перемычек  между плавающими крышами или  понтонами и металлическим корпусом резервуара или токоотводами установленных  на резервуаре молниеотводов.

 Защита от заноса  высокого потенциала по подземным  коммуникациям осуществляется присоединением  их на вводе в здание или  сооружение к заземлителю электроустановок или защиты от прямых ударов молнии.

 Защита от заноса  высокого потенциала по внешним  наземным (надземным) коммуникациям  выполняется путем их присоединения  на вводе в здание или сооружение  к заземлителю электроустановок или защиты от прямых ударов молнии, а на ближайшей к вводу опоре коммуникации — к ее железобетонному фундаменту. При невозможности использования фундамента  должен быть установлен искусственный заземлитель, состоящий из одного вертикального или горизонтального электрода длиной не менее 5 м.

 Защита от заноса  высокого потенциала по воздушным  линиям электропередачи, сетям  телефона, радио и сигнализации  должна быть выполнена в соответствии.

 

 

 

 

 

 

Задание №2

Расчет и проектирование молниезащиты комплекса зданий, расположенных на одной производственной площадке.

 

План подлежащей молниезащите производственной площадки с расположенными на ней строениями показан на рис. Высота всех строений . Толщина забора по верху – 0,25м; высота забора – 2м.

 

Характеристика объекта:

 

Назначение  зданий – производственные здания для технологического обслуживания, ремонта и хранения автомобилей, тракторов, комбайнов. В этих помещениях обращаются (могут обращаться) автотранспортные масла, бензин, дизельное топливо, необходимые для заправки машин после ремонта или технического обслуживания, а также твердые горючие вещества.

 

        Степени огнестойкости зданий – II

 

Забор – железобетонные плиты.

 

Данные помещения по взрывопожароопасности относятся к классу П-IIa. Категория молниезащиты для них – III.

Для определения типа зоны защиты определим показатель N . В данном случае для Тверской области среднегодовая продолжительность гроз:

Т = 40 – 60ч.  Удельная плотность ударов молнии в землю n = 4 на 1 км² в год. При размерах: ширина S = 116,5м, длина L = 162,5 м и высота h = 12,0 м.

,

 

 

Для зданий II степени огнестойкости при 0,1 < N ≤ 2 будет тип зоны защиты Б.

        Расчет молниезащиты начнем с выбора количества молниеотводов и мест их установки. По характеру площадки здесь, пожалуй, лучше всего установить 4 молниеотвода, расположив их примерно по углам площадки, там где это можно сделать по условиям местности. Нельзя их ставить на проезжей части, у дверей и ворот помещений, в придорожных канавах, под линиями электропередачи и т.п.

Если места установки  молниеотводов определены, то расчет сводится к определению их высоты, построению зоны защиты и проверке того, что все строения в нее  полностью вписываются.

 

Условием защищенности одного или нескольких объектов является выполнение неравенства  для всех попарно взятых молниеотводов, т.е. в нашем случае для пары молниеотводов 1и 2 с расстоянием между ними ; для пары молниеотводов 2 и 3 с расстоянием между ними ; для пары молниеотводов 3 и 4 с расстоянием между ними ; для пары молниеотводов 4 и 1 с расстоянием между ними ; и для диагональной пары молниеотводов 1 и 3 с расстоянием между ними

Проверка условия  для диагональной пары молниеотводов 1-3 нужна для того, чтобы убедиться, входят ли в зону защиты объекты, расположенные в центре площадки (в центре четырехугольника).

Зададимся пока условием, что высота всех молниеотводов у  нас будет одинаковая. Тогда ее можно определить, используя формулу:

 

,

где по условиям защиты должно быть не менее высоты защищаемых объектов, т.е. не менее , т.к. на крышах установлены вентиляционные бункера, высота которых превышает 3 метров.

При одинаковой высоте всех молниеотводов достаточно просчитать условие выполнения неравенства  для пары молниеотводов с наибольшим расстоянием между ними – в нашем случае для диагональной пары 1 и 3 с расстоянием . Если здесь будет > 0, то для других пар с меньшим расстоянием это условие будет выполнено автоматически с запасом. Принимая , получим:

Для расчетов применим формулы  для зоны защиты типа Б :

 

;

 

;

Приведенные формулы справедливы  при выполнении условия  h < L £ 6h. Это условие у нас выполняется, т.к. h=32,45 м, минимальное значение L=76,67м, а максимальное L=160м, что меньше 6h = 201 м.

 

Для пары молниеотводов 1 и 2 с расстоянием (L_1-2=137,5 м):

 

Для пары молниеотводов 2 и 3 (L_2-3 = 97,02 м):

 

 

Для пары молниеотводов 3 и 4 (L_3-4 = 124,12 м):

 

Для пары молниеотводов 4 и 1 (L_4-1 = 76,67 м):

 По полученным значениям  построим зону защиты в плане. 

Металлические опоры высотой 20-50 м чаще всего выполняют в виде жесткой решетчатой конструкции. Наверху к ней приваривают молниеприемник. Она сама служит при этом токоотводом, а ее железобетонные опоры могут быть использованы в качестве заземлителей. Стержни стержневых молниеприемников изготавливают из стали разных профилей (круг, труба, уголок, полоса, швеллер и др.). Их длина зависит от профиля металла, его поперечного сечения, способа установки, крепления и в основном определяется устойчивостью стержня к ветровой и гололедной нагрузке. Так, стержни из круглого профиля диаметром 20-30 мм консольно закрепленные на опоре, обычно не превышают 3-4 м, а такие же стержни с растяжками могут быть выполнены высотой до 15 м и более.

 

 

 

 

 

Таблица 1. Конструкция заземлителя.

Заземлитель	Эскиз	Размеры, м
Железобетонный подножник		a ³ 1,8 b ³ 0,4 l ³ 2,2