Planung und Entwurf der Fangeinrichtung. Bei der Planung können die verschiedenen Ausführungsformen. 1. Allgemeines

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1 Seite 1 von Allgemeines Die Aufgabe des Äußeren Blitzschutzes ist es, Blitze aufzufangen, den Blitzstrom vom Einschlagpunkt zur Erde abzuleiten und in der Erde zu verteilen, ohne dass durch thermische oder mechanische Wirkungen Schäden an der zu schützenden baulichen Anlage oder für Personen gefährliche Überspannungen auftreten können. Der Äußere Blitzschutz kann in den meisten Fällen an der zu schützenden baulichen Anlage befestigt werden. In bestimmten Fällen muss allerdings der Äußere Blitzschutz getrennt von der baulichen Anlage installiert werden, wenn thermische Wirkungen am Einschlagpunkt oder in den Leitungen, die den Blitzstrom führen, Schäden an der zu schützenden baulichen Anlage oder deren Inhalt verursachen können. Typische Anwendungsbereiche für den Einsatz eines getrennten Äußeren Blitzschutzes sind: Gebäude mit brennbarer Dacheindeckung (z.b. eet) Gebäude mit brennbaren Wänden Bereiche mit Explosions- und Brandgefahr Der Äußere Blitzschutz muss so geplant und errichtet werden, dass keine gefährlichen Funken auftreten können. Für den getrennten Äußeren Blitzschutz bedeutet dies: entsprechende Isolierungen oder Sicherheitsabstände berücksichtigen. Für den nicht getrennten Äußeren Blitzschutz bedeutet dies: Verbindungen zu metallenen Installationen herstellen oder entsprechende Isolierungen oder Sicherheitsabstände berücksichtigen. Bei der Planung können die verschiedenen Ausführungsformen der Fangeinrichtungen beliebig miteinander kombiniert werden, um ein Optimum unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu realisieren. Für die Anordnung und Lage der Fangeinrichtungen stehen drei Planungsverfahren zur Verfügung: Blitzkugelverfahren: geeignet für alle Gebäude Schutzwinkelverfahren: geeignet für Gebäude mit einfacher Form Maschenverfahren: zugelassen für den Schutz ebener Flächen Die Werte der bei der Planung anzuwendenden Kugelradien, Schutzwinkel und Maschenweiten sind in den Bildern 1 und 2 aufgeführt. Bild 1: Vorgaben für die Planung der Fangeinrichtungen nach DIN EN Die Fangeinrichtung muss einschlaggefährdete Teile einer baulichen Anlage schützen; dies gilt besonders für Ecken, Kanten und Grate eines Gebäudes und herausragende Teile wie Kamine, Lüfter etc.. Als Fangeinrichtung können vermaschte Leitungen, Stangen und gespannte Drähte oder Leitungen verwendet werden. Bild 2: Schutzwinkel für Fangeinrichtungen nach DIN EN

2 Seite 2 von Vorgehensweise bei der Planung von Fangeinrichtungen In der Praxis erhält man die besten Ergebnisse wenn die verschiedenen Planungsverfahren miteinander kombiniert werden. Folgende Vorgehensweise sollte dabei gewählt werden: 1. Mit dem Blitzkugelverfahren müssen alle Stellen ermittelt werden, in die ein Blitz einschlagen kann (Bild 5). 2. Nach dem Maschenverfahren können ebene Flächen durch ein Maschennetz geschützt werden (Bild 6). 3. Nach der Schutzwinkelmethode müssen aus diesen Flächen herausragende Teile durch Fangeinrichtungen geschützt werden. Die Fangeinrichtungen sind so anzuordnen, dass das zu schützende Volumen ganz im Schutzbereich liegt (Bild 3). Nichtmetallene Dachaufbauten < 0,3 m Höhe müssen nicht geschützt werden. Gleitüberschlag möglich, k m = 0,5 berücksichtigen a Schutzwinkel nach DIN V VDE V 0185 T3-1, Tabelle 3 s Trennungsabstand 4. Wenn geneigte oder vertikale Flächen von der Blitzkugel berührt werden, dann sind auch dort Fangeinrichtungen anzubringen (Bild 4). 3. Entwurf der Fangeinrichtung mit dem Blitzkugelverfahren Das Blitzkugel-verfahren das aus dem elektrischgeometrischen Blitzmodell abgeleitete, physikalisch begründete Planungsverfahren für Fangeinrichtungen. Mit Hilfe des Blitzkugelverfahrens werden alle Bereiche ermittelt, in die ein Blitz einschlagen kann. Man kann diese Bereiche dadurch bestimmen, dass man die Blitzkugel über die bauliche Anlage rollt. Dies kann gedanklich, auf Zeichnungen oder an Modellen erfolgen. Der adius der Blitzkugel muss dabei der Schutzklasse entsprechen, die im Vor-feld der Planung für eine bauliche Anlage zu ermitteln ist. Bei der Planung kann die Anordnung von Fangeinrichtungen mit dem Blitzkugelverfahren überprüft werden. Die Anforderungen aus der Norm sind dann erfüllt, wenn kein Punkt des zu schützenden Volumens (z.b. Motorlüfter, ückkühlwerke etc.) von der Blitzkugel berührt werden. Wenn der Schutz durch die Anordnung von Fangstangen erfolgt, dann muss die Eindringtiefe der Blitzkugel zwischen den Fangstangen ermittelt werden. Die Berechnung der Eindringtiefe erfolgt nach der nachstehenden Formel: Bild 3: Anwendung des Schutzwinkelverfahren p = ² d ² [m] 2 Firstleitung Fangspitze M Flächenleitung M Dacheindeckung z.b. Ziegel, Schiefer, Eternit z.b. egenrinne, Schneefanggitter p = Eindringtiefe der Blitzkugel [m] = adius der Blitzkugel in Abhängigkeit von der Schutzklasse [m] d = Abstand der Fangeinrichtungen [m] M = Maschenweite gemäß DIN EN , Tabelle 3 Bild 4: Schutz von geneigten Flächen

3 Seite 3 von 12 Fangstange Bild 5: Beispiel für die Anwendung des Blitzkugelverfahrens (aus DIN EN ) Bild 6: Beispiel für die Anwendung des Maschenverfahrens H = 60 m Fangleitung, Maschenweite 10 * 10 m H = 58 m = 30 m Blitzkugel Schutzklasse II 30,00 m 30,0 m 60,00 m Erderanordnung Typ B, ingerder Abstand der Ableitung 10 m

4 Seite 4 von Entwurf der Fangeinrichtung mit dem Blitzkugelverfahren - Fortsetzung - Schutzklasse I von 0,31 m. Der Schutz des ückkühlwerkes muss daher durch Fangstangen mit einer Höhe h > 1,81 m erfolgen. Tabelle 1 zeigt die Eindringtiefe der Blitzkugel zwischen Fangeinrichtungen in Abhängigkeit von der Schutzklasse (adius der Blitzkugel). Tabelle 1: Eindringtiefe der Blitzkugel Erfolgt ein Schutz durch eine einzelne Fangstange, einen Mast oder eine erhöht angebrachte oder gespannte Fangleitung, dann ergibt sich ein geschütztes Volumen für den Bereich, in den die Blitzkugel nicht eindringt, wenn sie die Fangeinrichtung berührt (Bild 7). Bild 7: Geschütztes Volumen einer Fangstange, eines Mastes oder einer horizontalen Leitung bestimmt mit dem Blitzkugelverfahren (h < ), horizontale Bezugsfläche Bei der Planung der Fangeinrichtung muss die Neigung der Bezugsfläche beachtet werden, da in diesem Fall das geschützte Volumen unterschiedlich ausfällt. Je stärker die Neigung ist, um so größer ist das geschützte Volumen oberhalb der Fangeinrichtung und um so kleiner ist das geschützte Volumen unterhalb der Fangeinrichtung (Bild 8). Erfolgt der Schutz durch die Anordnung von mehreren Fangstangen, dann muss für die Berechnung der Eindringtiefe immer die größte Entfernung zwischen den Fangstangen gewählt werden. Beispiel: Erfolgt der Schutz eines Motorlüfters von 1,5 m Höhe durch die Anordnung von 2 Fangstangen, die im Abstand von 3 m aufgestellt werden, dann beträgt die Eindringtiefe "p" der Blitzkugel für Schutzklasse I = 0,06 m. Der Schutz des Motorlüfters muss durch Fangstangen mit einer Höhe h > 1,56 m erfolgen. Beispiel: Erfolgt der Schutz eines ückkühlwerkes von 1,5 m Höhe durch die Anordnung von 4 Fangstangen, die im Abstand von 5 m zueinander aufgestellt werden, dann beträgt die Diagonale "d" zwischen zwei Fangstangen 7,07 m. Aus diesen Angaben ergibt sich eine Eindringtiefe der Blitzkugel für Bild 8: Geschütztes Volumen einer Fangstange, eines Mastes oder einer horizontalen Leitung bestimmt mit dem Blitzkugelverfahren (h < ), geneigte Bezugsfläche

5 Seite 5 von Entwurf der Fangeinrichtung mit dem Blitzkugelverfahren - Fortsetzung - Werden für die Planung einer Fangeinrichtung parallel angeordnete horizontale Fangseile vorgesehen, dann muss der Abstand "d" zwischen den Fangseilen kleiner als der adius " der Blitzkugel sein. Weiterhin muss die Eindringtiefe "p" berechnet werden, um sicherzustellen, dass die Blitzkugel nicht das zu schützende Objekt berührt (Bild 9). Bild 9: Geschütztes Volumen durch zwei horizontale Fangleitungen Durch Fangeinrichtungen entsteht ein geschütztes Volumen. Bei der Betrachtung des Bildes 10 könnte man zu der Meinung kommen, dass die Schutzklasse IV ein größeres geschütztes Volumen ergibt und damit einen besseren Schutz bietet. Bild 10: Geschütztes Volumen in Abhängigkeit von der Schutzklasse Bei dieser Betrachtung muss der Zusammenhang zwischen dem adius der Blitzkugel und dem unteren Blitzstromscheitelwert beachtet werden (siehe Tabelle 1). Kleinere Kugelradien entsprechen auch kleineren Scheitelwerten des Blitzstromes. So kann ein Objekt, das nicht von einer Blitzkugel mit dem adius 60 m berührt wird, durchaus von einer Blitzkugel mit kleinerem adius berührt werden. Konkret bedeutet dies in diesem Beispiel, dass das Objekt nicht von einem Blitz mit einem Stromscheitelwert von 15,1 ka getroffen werden kann, aber durchaus von einem Blitz mit einem Stromscheitelwert mit 2,9 ka (siehe Bild 11). Bild 11: Gefährdung eines Objekts, Zusammenhang zwischen adius der Blitzkugel und Blitzstromscheitelwert Dachaufbau = 60 m SK IV = 60 m SK III = 45 m SK II = 30 m Fangeinrich- tung SK I = 20 m Geschütztes Volumen für Schutzklasse I, I=2,9 ka Geschütztes Volumen für Schutzklasse I, I=5,4 ka Geschütztes Volumen für Schutzklasse III, I=10,1 ka Geschütztes Volumen für Schutzklasse IV, I=15,7 ka

6 Seite 6 von Entwurf der Fangeinrichtung mit dem Schutzwinkelverfahren Alle Teile einer zu schützenden baulichen Anlage müssen bei der Anwendung des Schutzwinkelverfahrens innerhalb der Hüllfläche liegen, die durch den Schutzwinkel von Fangleitungen, Fangstangen, Masten und Drähten gebildet wird. Die in DIN EN angegebenen Schutzwinkel werden vom adius der Blitzkugel abgeleitet. Der mit dem adius einer Blitzkugel vergleichbare Schutzwinkel ergibt sich, wenn eine Schräge die Blitzkugel so schneidet, dass die hierdurch entstehenden Flächeninhalte gleich groß sind ( Bild 12). Bild 12: Schutzwinkel und vergleichbarer adius der Blitzkugel Das geschützte Volumen ist ein Kegel, dessen Oberfläche um den Winkel gegen die Senkrechte auf die Grundfläche (eferenzebene) geneigt ist (Bild 13). Bild 13: Schutzkegel einer Fangstange Die eferenzebene kann die Oberfläche eines Daches, eine Fangmaschenebene oder der Erdboden sein. Wenn der Schutzwinkel über eine eferenzebene hinausreicht (z.b. über die Dachkante), dann verändert sich der Winkel, da er sich auf die Höhe der darunter liegenden eferenzebene bezieht. Bei der Anwendung muss der zulässige Schutzwinkel der ausgewählten Schutzklasse beachtet werden. Bild 14: Der gültige Schutzwinkel ergibt sich durch den Bezug auf die jeweilige eferenzebene Der Kegel mit dem Schutzwinkel muss das ganze zu schützende Teil einschließen. In den normalen Ansichten ist oft nicht die maximale Ausdehnung zu erkennen. Dann muss ein Schnitt so gelegt werden, dass er die ungünstigste Position darstellt, damit die notwendige Höhe der Fangleitungen oder Fangstangen ermittelt werden kann. Beispiel: Auf einem Flachdachgebäude (Höhe 17 Meter) wird in Abstand von 1 Meter zur Dachkante eine 3 Meter hohe Fangstange aufgestellt. Für den Fall, dass Schutzklasse III zugrunde gelegt wird, ergibt sich für die eferenzebene Dach ein Schutzwinkel a 1 von 74 und für die eferenzebene Erdoberfläche ein Schutzwinkel a 2 von 48.

7 Seite 7 von Entwurf der Fangeinrichtung mit dem Schutzwinkelverfahren In Abhängigkeit von der Gebäudehöhe ergibt sich ein Schutzraum um ein Gebäude (Bild 15). Die Abmessung des Schutzraumes lässt sich wie folgt berechnen: r = h * tan a 2 2 r = h * tan a 2 2 Bild 15: Schutzraum um ein Gebäude Wird ein Fangseil zwischen zwei Fangmasten gespannt, dann ergibt sich ein Schutzraum, wie er in Bild 16 dargestellt ist. Diese Anordnung der Fangeinrichtung wird häufig im militärischen Bereich zum Schutz z.b. von Munitionsdepots angewendet. Bei der Planung muss in solchen Fällen der Durchhang des Fangseils berücksichtigt werden. Der Durchhang hängt von der Länge und der Vorspannung des Fangseiles und den Temperaturänderungen ab. Bild 16: Schutzraum durch Fangseile Bild 17: Schutz einer adarkuppel unter Anwendung des Schutzwinkelverfahrens Bild 18: Schutz eines klimatechnischen Aufbaus durch gespannte Leitungen unter Anwendung des Schutzwinkelverfahrens

8 Seite 8 von Entwurf der Fangeinrichtung mit dem Maschenverfahren Ebene Dachflächen aus nichtleitendem Material (z.b. Kunststoffdachbahnen, Ziegel etc.) sind durch Fangmaschen geschützt, auch wenn die Blitzkugel die darunter liegende Dachfläche berührt. Der adius der Blitzkugel setzt sich aus der Summe der Länge der Vorwachsstrecke des Blitzes und der Länge der Fangentladung zusammen. Da von einer ebenen Fläche aus isoliertem Material praktisch keine Fangentladungen ausgehen, ist die Wahrscheinlichkeit, dass es zwischen richtig dimensionierten Fangmaschen Einschläge gibt, gering. Wird für die Planung der Fangeinrichtung das Maschenverfahren angewendet, erreicht man einen Schutz für ebene Flächen, wenn ein Maschennetz die gesamte Oberfläche schützt und folgende Bedingungen erfüllt: a) Fangleitungen müssen angeordnet werden an allen Dachkanten (Bild 19) Dachüberhängen Dachfirst, wenn die Dachneigung größer als 1/10 ist (Bild 20) (Hinweis: Flachdächer haben häufig Dachneigungen von 2 bis 5, damit das Wasser zu den egenabläufen gelangen kann. Hierdurch ergeben sich Erhöhungen, die nicht als Dachfirste zu berücksichtigen sind). b) Seitliche Außenflächen der baulichen Anlage müssen mit Fangeinrichtungen versehen sein, wenn die Höhe der baulichen Anlage größer als der adius der entsprechenden Blitzkugel ist. Bild 19: Beispiel für den Entwurf einer nicht getrennten Fangeinrichtung auf einem Flachdach c) Die Maschenweiten der Fangeinrichtungen dürfen die angegebenen Werte unter Beachtung der Schutzklasse nicht überschreiten (Bild 1). d) Das Netzwerk der Fangeinrichtungen muss so ausgeführt werden, dass der Blitzstrom immer über mindestens zwei Ableitungen zur Erdungsanlage abfließen kann. e) Metallene Installationen dürfen nicht aus dem durch die Fangeinrichtungen geschützten Volumen herausragen. f) Fangleitungen müssen auf direktem und kurzem Weg angeordnet werden. Bild 20: Beispiel für den Entwurf einer nicht getrennten Fangeinrichtung auf einem Firstdach Bild 21: Beispiel für die Anwendung der Maschenmethode

9 Seite 9 von Berücksichtigung der Einschlagswahrscheinlichkeit bei der Planung der Fangeinrichtungen Die Normen weisen daraufhin, dass insbesondere Dachkanten, Dachfirste und Dachgrate beim Entwurf der Fangeinrichtung berücksichtigt werden müssen. Der Hintergrund für diese Forderung wird deutlich, wenn man mit Hilfe des Blitzkugelverfahren die Oberfläche eines Gebäudes untersucht. Durch diese Untersuchung erhält man Informationen über die Wahrscheinlichkeit eines Einschlages an den verschiedenen Punkten der Oberfläche eines Gebäudes. Um diese Informationen zu erhalten, wird die Blitzkugel wie üblich über die bauliche Anlage gerollt, zusätzlich wird jedoch auch die Bahn des Kugelmittelpunktes aufgezeichnet (siehe Bild 22). Der Kugelmittelpunkt ist nach den Grundlagen des Blitzkugelverfahrens der Blitzkopf. Alle Punkte auf dieser Linie durch die Kugelmittelpunkte haben die gleiche Eintrittswahrscheinlichkeit für ein Auftreten eines Blitzes mit dem einem Kugelradius zugeordneten Scheitelwert. Bild 22: Bahn des Kugelmittelpunktes beim Überrollen mit der Blitzkugel Geometrischer Ort des Blitzkopfes bei Blitzkugelradius Die Einschlagwahrscheinlichkeit in einen Punkt der Dachkante ist also wesentlich größer als in einem Punkt der Wand und auch größer als in einem bestimmten Punkt der Dachfläche. Wird dieser Vorgang in allen ichtungen wiederholt, dann erhält man eine Fläche, die die Lage des Blitzkopfes angibt. Man sieht dann leicht, dass sich über den Kanten eine Zylinderfläche ergibt, über den Ecken jedoch ein Kugelabschnitt mit 3/8 der Kugeloberfläche. Daraus folgt, dass an den Ecken des Daches die Einschlagwahrscheinlichkeit wesentlich größer ist als an jedem Punkt der Dachkante und dort wesentlich größer als an den ebenen Flächen (siehe hierzu auch Bild 23). Bild 23: Bahn des Kugelmittelpunktes bei Gebäuden mit unterschiedlichen Höhen Geometrischer Ort des Blitzkopfes bei Blitzkugelradius Bei einem größeren Kugelradius wird der Bereich der Wand, der von der Blitzkugel berührt wird, immer kleiner; wenn der adius der Blitzkugel gleich oder größer als die Gebäudehöhe ist, werden die senkrechten Wände überhaupt nicht mehr berührt; Blitze entsprechender Stromstärke schlagen dort nicht mehr ein. Die Länge der Strecke auf der Bahn des Kugelmittelpunkts, von der aus ein Punkt der Oberfläche berührt wird, ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit eines Einschlags an dem jeweiligen Punkt. Im Bild 22 sieht man, dass in die Dachkanten alle Blitze einschlagen werden, deren Blitzkopf auf einem Punkt des jeweiligen Viertelkreises liegt; auf die gesamte Dachfläche schlagen nur alle Blitze ein, deren Blitzkopf auf der Geraden über dem Dach liegen, an den Wänden nur die, die auf der Geraden zwischen der Höhe des Kugelradius und der Höhe der Dachkante liegen.

10 Seite 10 von 12 Beispiel für den Schutz von Lichtbändern mit integrierten WA-Anlagen mit Hilfe des Blitzkugelverfahrens Bild 24: Schutz einer Lichtkuppel nach dem Blitzkugelverfahren Bild 25: Schutz eines Lichtbandes mit integrierten WA-Anlagen nach dem Blitzkugelverfahren Bild 26: Schutz einer Dachfläche mit Lichtbändern nach dem Blitzkugelverfahren

11 Seite 11 von 12 Beispiele für die Anwendung des Schutzwinkelverfahrens e = 0,2 m, zweckmäßiger Abstand Anordnung der Fangstange zum Schutz eines Schornsteins nach demschutzwinkelverfahren Quelle: DIN EN , Bild E. 23 B Bild 27: Beispiel für den Schutz eines Kamins Schutzwinkelverfahren Schutz klasse I II III IV h (m) Schutzwinkel für eine Fangstange bis 3 m Höhe: Schutzklasse I = 70 Schutzklasse II = 72 Schutzklasse III = 76 Schutzklasse IV = 79 Bild 28: Schutz eines Motorlüfters nach dem Schutzwinkelverfahren

12 Seite 12 von 12 Beispiele für die Anwendung des Schutzwinkelverfahrens und der Einhaltung des Trennungsabstandes zu metallenen Installationen auf der Dachfläche Bild 29: Beispiel für den Schutz einer Satellitenempfangsanlage mit Hilfe des Schutzwinkelverfahrens und der Einhaltung des Trennungsabstandes Bild 30: Schutz eines metallenen Installationskanals unter Einhaltung des Trennungsabstandes