Die Planung der Fangeinrichtungen

Transkript

1 Elektoinstallation Die dynamische Blitzkugel Wahscheinlichkeitsbeechnung fü Blitzeinschläge in Gebäude Mithilfe des hie estmalig de beiten Fachöffentlichkeit vogestelltem dynamischen Blitzkugelvefahens will de Auto zeigen, dass sich beeits mit eine elativ kleinen Anzahl von Fangstangen ein hoch effizientes Fangeinichtungssystem ealisieen lässt. Veglichen mit dem in den Nomen veanketen, klassischen Blitzkugelvefahen kann die Anzahl de Fangstangen mitunte signifikant eduziet weden. Es gilt natülich, dass de Plane mit dem klassischen Blitzkugelvefahen stets auf de sicheen Seite liegt. AUF EINEN BLICK Die Autoen stellen ein dynamisches Blitzkugelvefahen vo, welches vo - handene und intenational anekannte Egebnisse, Zusammenhänge und Untesuchungen vewendet. Auf diese Gundlage wude ein numeisches Vefahen eabeitet, das an den veschiedenen Punkten eine Gebäudeobefläche die ealen Einschlagwahscheinlichkeiten beechnet. Wie ewatet sind die Ecken und Kanten eines Gebäudes deutlich stäke gefähdet als die flachen Dachebenen. Die Planung de Fangeinichtungen von Blitzschutzsystemen fü bauliche Anlagen kann nach dei gundsätzlichen Vefahen duchgefüht weden, die in intenationalen [1, 2] und nationalen [3, 4] Blitzschutz- Nomen beschieben sind: Blitzkugelvefahen (»elektogeometisches«modell); daaus abgeleitet: Schutzwinkelvefahen; daaus abgeleitet: Maschenvefahen fü ebene (Dach-)Flächen. Klassisches Blitzkugelvefahen Das Blitzkugelvefahen ist dabei die gundsätzliche Planungsmethode. Sie ist seit vielen Jahen bekannt, epobt und bewäht [5]. Fü unteschiedliche Anfodeungen an ein Blitzschutzsys - tem weden vie Gefähdungspegel [3] und daauf basieend vie Blitzschutzklassen (I II III IV) definiet [4]. Sie IEC 2140/05 untescheiden sich hinsichtlich des Blitzkugelvefahens im anzusetzenden Radius de Blitzkugel. Diese betägt, je nach Blitzschutzklasse, zwischen 20m und m. De Radius de Blitzkugel ist also beim klassischen Blitzkugelvefahen ein feste Wet, nu abhängig von de Blitzschutzklasse. Mit dem Blitzkugeladius weden unteschiedliche, kleinste Scheitelwete von natülichen Blitzentladungen ab - gedeckt, d. h. Blitzkugeln mit kleineen Radien können gundsätzlich noch das zu schützende Gebäude neben den Fangeinichtungen, die nach [4] ge - plant sind, beühen. Es können also noch stomschwächee Blitze dot einschlagen. Bei de Planung mit de Blitzkugel ehält man damit mögliche Blitzeinschlagstellen, an denen Fangeinichtungen zu platzieen sind. Alledings ist dain keine Infomation enthalten, wie wahscheinlich jeweils de Blitzeinschlag an den einzelnen Stellen ist. Betachtet man ein einfaches, quadefömiges Gebäude (Bil de 1 und 2), so ekennt man, dass duch die Positionieung de Blitzkugel jedem potenziellen Einschlagspunkt auf de waageechten Dachfläche jeweils nu ein Mittelpunkt de Blitzkugel zugeodnet weden kann, wähend an den Dachkanten und -ecken die Blitzkugel um 90»heumgeollt«weden kann. Dieses Heumollen hat zu Folge, dass dem entspechenden, potenziellen Einschlagspunkt auf de Dachkante, insbesondee abe de Dachecke wesentlich meh Mittelpunkte de Blitzkugel zuzuodnen sind. Basieend auf dem Blitzkugelvefahen sind abe sowohl das Flachdach, wie auch Dachkanten und -ecken potenzielle Einschlagspunkte, welche duch Fangeinichtungen zu schützen sind. Diese Feststellung efolgt also ohne Wüdigung de Tatsache, dass de Einschlag in eine Dachkante und -ecke wesentlich wahscheinliche ist, als de in den inneen Beeich des Flachdachs. Quelle: [4] Bild 1: Mit Blitzkugelvefahen zu schützendes Gebäude (Blitzkugel mit dem Radius ) Seitenansicht Bild 2: Mit Blitzkugelvefahen zu schützendes Gebäude (Blitzkugel mit dem Radius ) Dachansicht IEC 2141/05 Quelle: [4] 24 de 13 14/2010

2 Elektoinstallation Die Dynamisieung des Blitzkugelvefahens Das hie vogestellte Vefahen bezieht die Wahscheinlichkeiten des Einschlags an eine ganz bestimmten Stelle mit ein. Damit können die einzelnen Gefähdungsbeeiche besse veglichen weden. Die»dynamische Blitzkugel«abeitet nun im Gegensatz zum»klassischen Blitzkugelvefahen«nicht mit konstanten Radien. Vielmeh wid hie de Radius de Blitzkugel vaiiet. Dabei weden die folgenden, in den Blitzschutznomen enthaltenen, blitzphysikalischen Gundlagen und mathematischen Übelegungen veknüpft: In [3], Anhang A, Bild A.5 sind die Summenhäufigkeitsveteilungen de Blitzstom-Scheitelwete natüliche Blitz entladungen gegeben (Bild 3). He angezogen weden hie die Veteilungen de Blitzstom-Scheitelwete fü die negativen Estblitze (Kuven 1A/ 1B) und fü die positiven Estblitze (Kuve 3). Diese beiden Veteilungen weden gewichtet zu eine gemeinsamen Veteilung zusammengefasst, wobei ge - mäß [3] davon ausgegangen wid, dass 90% de natülichen Blitzentladungen negative Polaität aufweisen und nu 10% positive Polaität. Aus diesen Veteilungen egibt sich also die Wahscheinlichkeit, dass ein natüliche Estblitz mindestens den zugeodneten Blitzstom-Scheitelwet aufweist. Gemäß dem elektogeometischen Modell kann jedem Blitzstom-Scheitelwet eine Länge de Endduchschlagstecke zugewiesen weden (siehe [3], Anhang A, Gleichung A.1): = 10 I 0,65 (Gl. 1), mit Länge de Endduchschlagstecke (= Radius de Blitzkugel) in m I Blitzstomscheitelwet in ka. 99,8 99, ,5 0, IEC 2068/05 Wahscheinlichkeit [%] 100 P [%] Bild 3: Summenhäufigkeitsveteilungen de Blitzstompaamete 4 1A Negative Estblitze B Fixe Paamete Positive Estblitze Paamete [m] Bild 4: Summenhäufigkeitsveteilung de Blitzkugel-Radien nach (Gl. 1). Beispiel: Mit einem Radius de Blitzkugel von = 150m weden ca. 85% alle natülichen Blitzentladungen abgedeckt (Veteilung C). Lediglich 15% alle Blitzentladungen weisen noch gößee Blitzkugel-Radien auf A B C Aus den Summenhäufigkeitsveteilungen nach Bild 3 kann nun mit = 10 I 0,65 die Wahscheinlichkeit fü eine be - stimmte Länge de Endduchschlagstecke und damit ein Radius de Blitzkugel beechnet weden. Bild 4 zeigt, mit welche Wahscheinlichkeit de gegebene Wet einen be stimmten Radius de Blitzkugel abdeckt. Das Diagamm enthält folgende Veteilungen: Quelle: [3] 20,00 10,00 5,00 Wahscheinlichkeit [%] Wahscheinlichkeit [%] 1,00 0,10 0, < ,00 10,00 5,00 1,00 0,10 0, <10-5 Bild 5: Einschlagwahscheinlichkeit fü Beispielgebäude 1 (Flachdach 40m x 40m, 10m hoch) ohne Fangeinichtungen Bild 6: Einschlagwahscheinlichkeit fü Beispielgebäude 2 (Flachdach 40m x 40m, 10m hoch) mit vie Fangstangen (4m hoch) in den Ecken de 13 14/

3 Elektoinstallation A: nu negative Estblitze; B: nu positive Estblitze; C: negative Estblitze und positive Estblitze im Vehältnis 90% zu 10%. Die gesamte Obefläche de zu schützenden baulichen Anlage, einschließlich de Fangeinichtungen des Blitzschutzsystems (z.b. Fangstangen), wid äumlich in Obeflächenpunkte disketisiet. De Raum obehalb und seitlich neben de baulichen Anlage wid ebenfalls äumlich in Volumenpunkte disketisiet. Mit einfachen geometischen Übelegungen wid nun zu jedem Volumenpunkt de nächstgelegene Obeflächenpunkt emittelt. Auf das mathematische Vefahen soll an diese Stelle nicht nähe eingegangen weden. Es liefet im Egebnis konkete Einschlagwahscheinlichkeiten in die Obeflächenpunkte de zu schützenden baulichen Anlage sowie abschließende Wahscheinlichkeitswete, die auf die Gesamtwahscheinlichkeit 100% fü die gesamte bauliche Anlage nomiet weden. Este Anwendungsbeispiele Als einfache Anwendungsbeispiele weden hie dei Gundgebäude definiet: Beispielgebäude 1) Einfaches Ge bäu de mit eine Dachfläche von 40m x 40m und eine Höhe von 10m, Beispielgebäude 2) wie Beispielgebäude 1, dafü mit vie Fangstangen in den Dachecken, Beispielgebäude 3) wie Beispielgebäude 1, mit eine (zentalen) Fangstange in de Dachmitte. Gebäude ohne Fangeinichtung Bild 5 zeigt das Beispielgebäude 1 ohne Fangeinichtungen bzw. mit einem vemaschten Fangeinichtungsnetz fü Flachdäche. Die Existenz eine solchen Fangeinichtung beeinflusst die Einschlagswahscheinlichkeit nicht. Die Beechnung zeigt, dass die aufsummiete Einschlagwahscheinlichkeit fü alle vie Dachecken einen Wet von ca. 46% egibt (je Ecke 11,5%). Gemäß dem klassischen Blitzkugelvefahen müsste ein Schutzsystem das Dach übeall gleichemaßen gegen Blitzeinschläge schützen. Bild 5 zeigt jedoch, dass sich die Einschlagwahscheinlichkeiten alles andee als gleichmäßig auf dem Dach veteilen. Dies wid insbesondee an den Dachecken deutlich. Fangstangen an den vie Dachecken Bild 6 zeigt das Beispielgebäude 2, welches auf dem Beispielgebäude 1 ba - siet, jedoch ist dieses duch vie Fangstangen (je 4m hoch) in den Ecken geschützt. Betachtet man nu die aufsummieten Wete fü die vie Fangstangen, so egibt sich in etwa eine Einschlagswahscheinlichkeit von 99% (je Fangstange 24,7%). Im Vegleich zu Bild 5 ist die immense Effektivität de Fangstangen deutlich zu sehen. Es wid dabei ein nahezu pefekte Schutz des Daches eeicht. Ein Blitzschutzsystem mit eine Einfangwahscheinlichkeit von 99% alle Blitze entspicht einem Blitz- 100 P [%] h [m] Bild 7: Beispielgebäude 2 aufsummiete Einschlagwahscheinlichkeit P in die vie Fangstangen abhängig von deen Höhe h 20,00 10,00 5,00 Wahscheinlichkeit [%] 1,00 0,10 0, <10-5 P [%] h [m] Fangstange Dachecken Gesamt Bild 9: Beispielgebäude 3 Einschlagwahscheinlichkeiten P fü eine Fangstange de Höhe h, fü die Summe de vie Dachecken und als Gesamtwet fü beide Beeiche zusammen 64,95 20,00 10,00 5,00 Wahscheinlichkeit [%] 1,00 0,10 0, < ,06 8,85 5,01 12,72 0,11 7,04 20,08 20,87 Bild 8: Einschlagwahscheinlichkeit fü Beispielgebäude 3 (Flachdach 40m x 40m, 10m hoch) mit eine Fang - stange in de Dachmitte Bild 10: Beispiel eine Anodnung von Fangeinichtungen (acht Fangstangen) an eine komplexen Gebäudegeometie Angabe de Einschlagwahscheinlichkeiten 26 de 13 14/2010

4 Elektoinstallation schutzsystem de Klasse I. Zusätzlich gilt es zu beücksichtigen, dass die vie Fangstangen ihe Abeit umso effiziente veichten können, je höhe die Blitzstom-Scheitelwete weden. Es können nu elativ geinge Blitzstöme das Innee des Daches eeichen, welche in de Realität dann auch nu eine schwache zestöeische Wikung aus - üben können. Weden diese vie Fangstangen nach dem klassischen Blitzkugelvefahen untesucht, und wid angenommen, dass die Blitzschutz-Klasse I zugunde zulegen ist (Blitzkugel-Radius 20m), beühen die Blitzkugeln, ausgehend von eine Fangstange in de Ecke, das Dach beeits in einem Abstand von 12m. Folglich müssten goße Beeiche des Daches (annähend 1200m 2, entspechend 75% des Daches) mit weiteen Fangeinichtungen (Fangstangen ode Fangleitungen) geschützt weden. Die Infomation, dass die Wahscheinlichkeit eines Blitzeinschlags in diese zusätzlichen Fangeinichtungen geade einmal ca. 1% betägt, fehlt im klassischen Planungsvefahen. Abschließend wid die Höhe de Fangstangen an den vie Dachecken obee Zeile: Blitzkugel-Radius [m] untee Zeile Blitzstom-Scheitelwet [ka] <20 187,3 141,5 100,4 64, ,5 15,7 10,1 5,4 2,9 < 2,9 Bild 11: Beispiel eine Anodnung von Fangeinichtungen (acht Fangstangen) an eine komplexen Gebäudegeometie Angabe de maxi - malen Blitzkugeladien und de maximalen Blitzstom-Scheitelwete zwischen 0m und 10m vaiiet. Wie in Bild 7 zu sehen ist, schlagen beeits bei eine Höhe von 2m 95% alle Blitze in die Fangstangen ein. Ab eine Höhe von 4m ist die Einfangwahscheinlichkeit göße 99%, so dass noch höhee Fangstangen keine mekliche Vebesseung meh ebingen. de 13 14/

5 Fangstange in de Dachmitte Bild 8 zeigt das Beispielgebäude 3, welches allein duch eine zentale Fangstange in de Dachmitte geschützt wid. Totz de Höhe de Fangstange von 10m liegt die Einschlagswahscheinlichkeit in die Fangstange bei nu 65%. Die vie Ecken des Daches weisen eine aufsummiete Wahscheinlichkeit von etwa 24% auf (6,1% je Ecke). Vaiiet man nun wiede die Höhe diese einzelnen Fangstange, wid eine Einfangwahscheinlichkeit von 50% bei einem Wet von ca. 8m eeicht (Bild 9). Est wenn die Fangstange eine Höhe von unealistischen 20m e eicht hat, schlagen ca. 95% alle Blitze dot ein. Weden nun die Ecken mit beück - sichtigt, kann die Wiksamkeit deutlich vebesset weden. Platziet man zusätzlich zu eine 10m hohen Fangstange in de Dachmitte in den Ecken noch kleine Fangstangen, eeicht die Einfangwahscheinlichkeit übe 91% was den Anfodeungen eines Blitzschutzsystems de Klasse III entspäche. Im Gesamtegebnis ist de Schutz duch kuze Fangstangen in den Ecken eines Daches wesentlich effektive, als de Schutz duch eine hohe Fangstange in de Dachmitte. Komplexe Gebäude Das Vefahen lässt sich auch auf beliebige Gebäudegeometien übetagen. Bild 10 zeigt ein Gebäude mit komplexe Geometie (Längen, Beiten und Höhen jeweils in m). Es soll angenommen weden, dass fü das Gebäude die Blitzschutzklasse III efodelich ist. Dafü gilt eine Einfangwahscheinlichkeit von 91%, d.h. 91% alle Blitzeinschläge auf dem Gebäude müssen von Fangeinichtungen eingefangen weden. Bild 10 zeigt dafü eine mögliche Lösung. Mit nu acht Fangstangen (vie an jede Ecke des höchsten Gebäudeblocks echts hinten, weitee vie an jede Ecke des Dachaufbaus links vone, Höhe jeweils 2m) weden soga ca. 94% alle Blitzeinschläge eingefangen. In Egänzung dazu zeigt Bild 11 die maximalen Blitzkugeladien und die maximalen Blitzstom-Scheitelwete, die an den unteschiedlichen Stellen des Gebäudes noch aufteten können. Hiebei sind besondes die ungeschützten Beeiche des Gebäudes von Inteesse. Es zeigt sich, dass wiede nu elativ»kleine«, also stomschwache Blitze neben den Fangeinichtungen einschlagen. Diese Blitze fühen damit im Einschlagfall auch nu zu geingen Schäden. Zieht man die Infomationen de Bilde 10 und 11 gemeinsam hean, kann die Einschlagwahscheinlichkeit de Fangeinichtungen einfach und schnell weite vebesset weden. Vie zusätzliche Fangstangen an den vie noch ungeschützten Ecken des Gebäudes, an denen die Einschlagwahscheinlichkeit noch Wete > 0,1% aufweist, und zwei weitee Fangstangen auf de mittleen Dachachse des höchsten Gebäudeblocks echts hinten, wo gemäß Bild 11 noch mit Blitzstom-Scheitelweten > 40kA zu echnen ist, ehöhen die gesamte Einschlagwahscheinlichkeit auf übe 99%. Dies wüde soga die Anfodeungen de Blitzschutzklasse I efüllen. Es sei abschließend daauf hingewiesen, dass die nach dem dynamischen Blitzkugelvefahen geplanten Fangeinichtungen nu nach dem Kiteium de Einschlagwahscheinlichkeit positioniet weden. Ein Blitzschutzsys - tem kann abe auch andee Kiteien zu efüllen haben [6]. So kann z.b. aus Günden des Blitzschutz-Potentialausgleichs, de auseichenden Stomaufteilung ode de Reduzieung von magnetisch in Schleifen induzieten Spannungen die Aufstellung weitee Fangeinichtungen efodelich sein. Schlussbemekungen Mithilfe des dynamischen Blitzkugelvefahens wid gezeigt, dass beeits mit eine elativ kleinen Anzahl von Fangstangen ein hoch effizientes Fangeinichtungssystem ealisiet weden kann. Vegleicht man dieses Vefahen mit dem klassischen Blitzkugelvefahen, wie es in [4] beschieben ist, so kann die Anzahl de Fangstangen deutlich eduziet weden. De Gund dafü ist die Tatsache, dass das Blitzkugelvefahen seh konsevativ aufgebaut ist und dem Plane von Blitzschutzsystemen nu alle möglichen Stellen fü einen Einschlag aufzeigt, jedoch keine Bewetung duch eine Einschlagwahscheinlichkeit dazu zu liefet. Andeseits bedeutet dies, dass man mit dem klassischen Blitzkugelvefahen stets auf de»sicheen Seite«liegt [3]. Mit dem dynamischen Blitzkugelvefahen steht dem Plane nun eine Methode zu Vefügung, mit dem geade bei geometisch komplexen Gebäuden die Fangeinichtungen, d.h. insbesondee Fangstangen, seh zielgede 13 14/2010

6 Elektoinstallation ichtet dot platziet weden können, wo sie auch gebaucht weden. De Einsatz viele, zum Teil unnötige Fangstangen lässt sich vemeiden. Das eingespate Kapital kann ggf. in andee Schutzmaßnahmen (z. B. Übespannungsschutzeinichtungen) inves - tiet weden. Die Egebnisse de hie dagestellten Untesuchungen können schließlich auch helfen, ein vebessetes Veständnis zu ehalten bezüglich de Fage:»Wie wiksam sind eigentlich nicht konventionelle Fangeinichtungen spich: ESE-AT-(= Ealy Steame Emission)-Fangeinichtungen?«ESE-Be - füwote agumentieen häufig, dass sich die Funktionalität des Vefahens doch diekt aus de hohen Anzahl an installieten Systemen und de (angeblich) geingen Anzahl von Fangfehlen ableiten lasse. Die geinge Anzahl von Fangfehlen ist jedoch veständlich, wenn man sich die Installationen von ESE-Fangeinichtungen ansieht. Es sind eben hohe Fangstangen, die an den höchsten Stellen de Gebäude platziet MEHR INFOS Fachbeitag zum Thema Blitzschutz nach anekannten Regeln de Technik Blitzschutzexpeten diskutieen am unden Tisch,»de«23 24/2009, S. 26 ff. weden, also dot, wo auch gundsätzlich hohe Einschlagwahscheinlichkeiten fü stomstake Blitzentladungen bestehen. Dot wiken sie gemäß de aktuellen Auffassung des intenationalen Nomenkomitees IEC TC81 ebenso wie klassische (Fanklin-)Fangstangen [7], auch ohne dass eine wiksame Voionisation, also ein Blitztigge-Effekt, einsetzt. Man könnte sie also wohl auch einfach duch Fanklin-Fangstangen esetzen, ohne den Schutz zu veschlechten. Liteatuvezeichnis [1] IEC : , Potection against lightning Pat 1 Geneal pinciples [2] IEC : , Potection against lightning Pat 3: Physical damage to stuctues and life hazad [3] DIN EN (VDE ): , Blitzschutz Teil 1: Allgemeine Gundsätze [4] DIN EN (VDE ): , Blitzschutz Teil 3, Schutz von baulichen Anlagen und Pesonen [5] Hasse, P.; Wiesinge, J.; Zischank, W.: Handbuch fü Blitzschutz und Edung, Pflaum Velag München, 5. Auflage 2006, ISBN [6] Wettingfeld, J.; Ken, A.; Käme, H.-J.; Thomählen, R.: Intenational anekannte Blitzschutznomen Ausgewogene und sichee Schutz,»de«13 14/2009, S. 30 ff. [7] IEC 81/337/CDV (IEC Ed. 2): , Potection against lightning Pat 3: Physical damage to stuctues and life hazad. Pof. D.-Ing. Alexande Ken, Pof. D. e. nat. Chistof Schelthoff, Moitz Mathieu, FH Aachen, Campus Jülich