Vasbeton pillérvázas épületek villámvédelme I.
2015/1-2. lapszám | Kruppa Attila | 7284 |
Figylem! Ez a cikk 9 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Az épületek jelentős része vasbeton pillérvázas épület formájában létesül, melyeknél a vázszerkezetet részben vagy egészben villámvédelmi célra is fel lehet, illetve kell használni. Annak ellenére, hogy ez az építési technológia széles körben alkalmazott, az így készülő épületek villámvédelmi rendszerének szabványos kialakítása több olyan részletkérdést is felvet, amelyeknek érdemes egy kis figyelmet szentelnünk.
A vasbeton vázszerkezet, mint a villámvédelmi rendszer része
Azoknak az épületeknek az esetében, amelyek vasbeton vázszerkezettel létesülnek – lényegében függetlenül a vasbeton szerkezet kivitelezési módjától –, a villámvédelmi rendszer (LPS) egyes részeit, mindenekelőtt a levezetőrendszert és az (MSZ EN 62305-4 értelmében vett, potenciálkiegyenlítésre szolgáló) összekötő hálózatot a vasbeton szerkezet szerves részeként célszerű kialakítani. Ez a megoldás nemcsak villámvédelmi és egyéb műszaki szempontokból kedvező – amint azt a továbbiakban majd sorra vesszük –, de sokszor esztétikailag is, mert ilyenkor fel sem merül a levezetők homlokzati elhelyezésének problémája.
Indokolt tehát, hogy részletesebben is megvizsgáljuk, milyen módon kell az LPS-t, illetve a különböző vasbeton szerkezeteket úgy kialakítanunk, hogy azok egyaránt megfeleljenek az MSZ EN 62305 szabvány követelményeinek, és a megvalósíthatóságból, gazdaságosságból adódó szempontoknak is. A végső megjelenésükben, kialakítási részleteikben egymástól nagyon különböző vasbeton vázszerkezetű épületek közül a továbbiakban azokra koncentrálunk majd, amelyek tartószerkezete előregyártott vasbeton pillérekből és gerendákból áll, födémje trapézlemez felhasználásával kerül kialakításra, homlokzatát pedig jellemzően lemezburkolat fedi. Ezek az épületek többnyire nagy alapterületű ipari vagy kereskedelmi rendeltetésű csarnokok. A vasbeton pillérvázas építési technológia természetesen más (formában, funkcióban, a szerkezeti kialakítás egyes részleteiben eltérő) épületekhez is alkalmazható – a leírtak értelemszerűen ezekre is vonatkoztathatók.
Mi a gond a villámvédelemmel?
A fentiekben körülírt, nagyjából doboz alakú épületek látszólag annyira egyszerűek, hogy villámvédelmüket aligha nevezhetjük problémásnak: alul csinálunk egy földelőhálót, a pillérekbe berakjuk a levezetőt, a tetőre meg a felfogókat, oszt kész is vagyunk. A problémák akkor kerülnek a felszínre, amikor a részleteket kezdjük boncolgatni. Milyen sűrű legyen a földelőháló? Hogyan csatlakoztassuk a pillérekben kialakított levezetőket a földelőhöz?
Tényleg bonthatónak kell-e lennie a mérési helynek? És így tovább. Még csak nem is az a baj, hogy egy felkészült és tapasztalt villámvédelmi tervező ne tudna (helyesen) válaszolni ezekre a kérdésekre, hanem sokkal inkább az, hogy helyes válaszok nem vezethetők le egyértelműen az MSZ EN 62305 szabványból, sőt időnként ellentétben is vannak az abban leírtakkal. (Megjegyezzük, hogy a „helyes” választ úgy értjük, hogy az olyan megoldásra mutat, amely egyaránt figyelembe veszi a villámvédelem fizikai elveit, a műszaki és gazdasági körülményeket, és amelynek megvalósítása életszerű.) Emiatt a tervezett/alkalmazott megoldások állandó vita tárgyát képez(het)ik az építési folyamat különböző érdekeket képviselő résztvevői között: akármekkora is a földelőháló hálóosztása, az egyaránt lehet sok vagy kevés, attól függően, hogy a tárgyalóasztal melyik felén ülünk. Az e cikkben leírtak célja, hogy egyrészt megfogalmazzunk olyan konkrét műszaki megoldásokat, amelyek a szabványban nem, vagy (az előbbi értelemben) helytelenül jelennek meg, másrészt ismertessük azokat az érveket, amelyek ezen megoldások mellett szólnak. E megoldások alkalmazása természetesen nem kötelező, még csak az sem garantálható, hogy alkalmazásukkal a fentebb említett viták minden esetben elkerülhetők, bár kétségkívül ez lenne a cikk célja.
Az RB és az Rv kockázati összetevő
Az MSZ EN 62305 felfogásában egy építmény villámvédelmi kockázatát nyolc összetevő (RA, RB, RC, RM, RU, RV, RW és RZ) összege határozza meg.
Az RB kockázati összetevő a kockázatnak azt a részét testesíti meg, amely az építményt érő közvetlen villámcsapás hatására keletkező tűzhöz kapcsolódik, például úgy, hogy a tető a villámcsapás talppontjának környezetében meggyullad, vagy – másodlagos kisülések, esetleg vezetett villám-részáramok miatt – az építmény egyéb részei gyulladnak meg (I. ábra). 
I. ábra: Az RB kockázati összetevő jelentésének szemléltetése.
Az RV kockázati összetevő annak kockázatát mutatja, hogy a csatlakozó-vezetéket érő közvetlen villámcsapás hatására az építmény – másodlagos kisülés vagy a csatlakozó-vezetéken az építménybe vezetett villám-részáramok miatt – kigyullad (II. ábra). 
II. ábra: Az RV kockázati összetevő szemléltetése
A szabvány követelményeinek megfelelően az (egy övezetre vonatkozó) RB és RV kockázati összetevők számításánál ugyanazt az rf értéket kell használni, de az egyes övezetekre eltérő rf értékek alkal-mazhatóak – feltéve természetesen, hogy az építmény teteje nem készült éghető anyagból. Utóbbi esetben ugyanis minden számításhoz egy és ugyanazon rf értéket kell használni (hiszen az épületnek az övezetek számától függetlenül csak egyetlen teteje van, következésképp minden övezet rf értékének megadásánál ugyanazt a tetőéghetőséget kell figyelembe venni), és ez az, ami a problémát okozza. RB számításakor azon övezetek esetében, amelyeket felülről éghető anyagú tető határol, teljesen indokolt a tűzveszélyt jellemző rf értékét a tető anyagára és az övezet tűzterhelésére tekintettel megállapítani. Olyan övezetek esetében azonban (ld. az Övezet 1-et az I. ábrán), amelyeket köztes födém választ el a tetőtől, a tető éghetősége csak nagyon áttételesen befolyásolja a tűz keletkezésének kockázatát. Emiatt már az is megkérdőjelezhető, hogy rf értékének megállapításánál miért kell mindig – az övezet helyzetétől függetlenül – tekintetbe venni a tető anyagát. Ennél azonban sokkal különösebb, hogy ugyanezt kell tenni RV számításakor. Kétségkívül van olyan helyzet, amelyben a csatlakozóvezeték a tetőn keresztül lép be az építménybe, és ekkor a tető éghetősége valóban befolyással van a tűz keletkezésének kockázatára. Ez a helyzet azonban csak akkor állhat elő, ha a csatlakozóvezeték a tetőn keresztül lép be az építménybe, és még ebben a szituációban is csak azt az övezetet érintené a kockázat növekedése, amely közvetlenül kapcsolódik a tetőhöz. Ha a csatlakozóvezeték nem a tetőn lép be az építménybe – mint a II. ábrán –, akkor a tető anyaga (sem az Övezet 1-ben, sem az Övezet 2-ben) nincs érdemi hatással a tűz keletkezésére. Ezért nem világos, hogy pl. abban az esetben, ha egy földkábeles betáplálású épület olyan övezetének RV kockázati összetevőjét számoljuk, amely egy alacsony tűzterhelésű pinceszint (és – mondjuk – 8 emelet választja el a tetőtől), akkor miért kell tekintettel lenni a tető éghetőségére – márpedig a szabvány ezt várja el.
Villámvédelmi kockázatkezelés
Az LPS fokozatát meghatározó villámvédelmi kockázatkezelésre egyetlen kérdés erejéig térünk ki, mégpedig az RB és az RV kockázati összetevők számításához felhasznált rf tényező (tűz kockázata) kiválasztását illetően. A tényező választható értékeit az MSZ EN 62305-2 szabvány C. mellékletének C.5. táblázata tartalmazza, azzal a megjegyzéssel, hogy „[…] amennyiben (az épületnek) a teteje éghető anyagokból készült […]”, akkor – függetlenül az épület, illetve az azon belüli övezetek tényleges tűzterhelésének nagyságától – a „nagy” tűzveszélyhez tartozó értéket kell számításba venni. Az, hogy a tűzveszély nagysága (a szabvány terminológiájával: a tűz kockázata) a villámvédelem szükségességét és mértékét nagyban meghatározó tényező, önmagában nem vitatható.
Ezért teljesen logikus, hogy az rf tényező az RB és az RV kockázati összetevők (lásd a keretes írást) értékét befolyásolja. Ez mindaddig rendben is van, ameddig rf értékét az épület egészét (vagy egy kockázati övezetet) jól jellemző, nagyrészt a rendeltetésből fakadó tűzveszély határozza meg, pl. az alkalmazott ipari technológia, vagy a tárolt anyagok jellege miatt. Teljesen indokolt az is, hogy a közvetlen villámcsapásból eredő kockázatot önmagában növeli, ha az épületben ugyan alacsony a tűzveszély, de a teteje éghető, tehát a C.5. táblázathoz fűzött előbbi megjegyzés az RB számítása szempontjából nagyrészt elfogadható. (Azért csak nagyrészt, mert egy olyan módon övezetekre bontott építményben, ahol egyes övezetek nincsenek közvetlen kapcsolatban a tetővel, nem teljesen logikus a tűzveszély nagyságát a tető anyagával összefüggésbe hozni.) Az viszont megkérdőjelezhető, hogy mi köze van a tető éghetőségének az RV kockázati összetevőhöz. Ugyanis abból, hogy egy épület teteje éghető, csak nagyon áttételesen következik majd, hogy a csatlakozóvezetéket érő villámcsapás (másodlagos kisülés miatt) tüzet okoz az épületben. Ez a probléma korántsem elméleti jelentőségű.
A tűzveszély, vagyis az rf tényező nagyságának növelése a villámvédelmi kockázatok nagyságát drasztikusan növeli, és ebben gyakran az RV kockázati összetevő hatása jelenik meg domináns módon. Mivel az épületek tetejének rétegrendje tartalmazhat éghető anyagokat, és emiatt akkor is nagy tűzveszéllyel (rf értékkel) kell számolni, ha egyébként az épület rendeltetése – és az ezzel járó tűzveszély mértéke – ezt nem tenné szükségessé, az MSZ EN 62305-2 e tekintetben nem teljesen logikus számítási módszerének következménye gyakran „túlméretezett” villámvédelmi rendszerben nyilvánul meg. Ez a logikai hiba úgy lenne feloldható, ha RB és RV számításához nem feltétlenül kellene ugyanazt az rf-tényezőt használni, legalább azon övezetek esetében, amelyek nincsenek közvetlen kapcsolatban a tetővel. Sajnos, a szabvány kifejezetten erre vonatkozó lehetőséget nem ad, ezért ezt a problémát jelenleg csak úgy lehet kezelni, ha eltérünk a C.5. mellékletben megadott rf-értékek alkalmazásától. Ez az általános lehetőség adott, hiszen a C. mellékletben foglaltak alkalmazása nem kötelező, hanem tájékoztató jellegű.
A villámvédelmi felfogórendszer elrendezése
A kockázatkezelés eredményeképp a legtöbb csarnokjellegű épületet az LPS III vagy LPS IV fokozatú villámvédelmi rendszerrel kell ellátni. A lapostetők szokásos rétegrendje (alulról: trapézlemez, hőszigetelés, vízszigetelés) miatt a felfogórendszert jellemzően mesterséges elemek alkotják (1. ábra).
1. ábra: Felfogó és levezető összekötése
A felfogórendszert felfogórudak használatával célszerű kialakítani, mert a tetőn általában különböző szerkezetek, berendezések kerülnek elhelyezésre, melyek közvetlen villámcsapás elleni védelmét felfogóvezetőkkel nehézkesebb megvalósítani. A felfogórudak helyének megválasztásakor az elsődleges szempont, hogy azokat ott kell elhelyezni, ahol – az épület geometriájából következően – eredendően nagyobb a villámcsapás valószínűsége, vagyis a tető sarkainak, széleinek közvetlen közelében. Ott is felfogórudakat kell elhelyezni, ahol a tető síkjából nagyobb szerkezetek állnak ki, illetve ahol – pl. a védeni kívánt berendezés jellege miatt – fokozottan növelni szeretnénk annak valószínűségét, hogy az esetleges villámcsapás talppontja ne a védeni kívánt berendezésen, hanem a felfogón legyen.
Amennyiben ez az elrendezés nem elégséges a teljes tető védelmére, további felfogórudakat kell a tető belső részein elhelyezni, lehetőleg egyenletes területi eloszlásban. Ebben nagy szabadsága van a tervezőnek, hiszen a felfogórudak magasságára, elrendezésére a szabvány követelményt – azon túlmenően, hogy a szerkesztéshez milyen gördülőgömb-sugarat kell alkalmazni – nem ad. Az LPS III vagy IV fokozatnak megfelelő felfogórendszer optimális kialakítása általában az, amikor a felfogórudakat olyan rács alakzatban tudjuk egyenletesen elrendezni, amelyben az átlók hosszúsága 25 m körüli, ami nagyjából 18 x 18 m-es hálóosztásnak felel meg (2. ábra).
2. ábra: Felfogók optimális elrendezése
Ennél az elrendezésnél (a sík tetőrészek védelmére) 2 m hosszúságú felfogórudak alkalmazhatók, amelyek kis magasságuknak köszönhetően könnyű betontalpakkal rögzíthetők – és nem utolsó sorban kedvező az áruk. Az elrendezésnél azonban arra is törekedni kell, hogy a felfogórudak olyan pillérek közvetlen közelében helyezkedjenek el, amelyek levezetőként szolgálnak, mert ezzel csökkenthető a tetőt tartó trapézlemez és a felfogórúd közötti átütések bekövetkezésének valószínűsége. Emiatt szükséges lehet valamivel nagyobb rácsméret és felfogórúd alkalmazása. Mindenképp kerülni kell az olyan elrendezést, amelynél a felfogórudak nem olyan pillérek közelében vannak elhelyezve, amelyekben nincs levezető. Ilyen megoldás alkalmazását csak akkor szabad fontolóra venni, ha a pillérek olyan távol vannak egymástól, hogy más megoldás alkalmazásának műszaki kizáró okai vannak (pl. a csak a pillérek felett elhelyezett felfogórudakkal a felfogó szerkesztésére vonatkozó követelmények nem teljesíthetők).
A felfogórendszer kialakításának statikai szempontjai
A felfogórudak rögzítését a szélterhelés figyelembevételével kell méretezni. A gyártói katalógusok a rögzítés módját általában a várható maximális szélsebesség függvényében adják meg. A katalógusokban feltüntetett szélsebesség-érték azonban nem azonos azzal az értékkel (Magyarországon az MSZ EN 1991-1-4 NB1.1 szerint 23,6 m/s, illetve ennek 85%-a), amelyet a statikusok az épületek méretezésénél használnak, mert az épületek és a felfogórudak viselkedése a széllökések hatására jelentősen különbözik. Mellőzve a részletes magyarázatot, a magyarországi alkalmazáshoz a katalógusokban 145 km/h szélsebességhez megadott rögzítési módot lehet használni (amely a német WZ2 szélzónának felel meg).
A felfogórendszer kialakításánál, illetve a felfogórudak elhelyezésénél figyelembe kell venni a tető terhelhetőségét is. Ott, ahol a tető csak a természetes (meteorológiai) hatásokból eredő igénybevételekre van méretezve, terhelhetősége – a domborzati viszonyoktól, az épület alakjától és egyéb tényezőktől függően – 100 kg/m2 körüli érték. Bár az egyes felfogórudak rögzítéséhez használt betontalpak össztömege ritkán haladja meg a 35-40 kg-ot, gondolni kell arra, hogy ez a terhelés a természetes hatásokból eredő igénybevételhez hozzáadódik. Ráadásul a tető belső részéhez gyakran villamos és gépészeti vezetékrendszerek vannak rögzítve, és ezek együttes hatása jelentős lehet. A felfogórudakat tehát statikai megfontolásokból eredően is a tartópillérek közvetlen közelében javasolt elhelyezni.
A felfogórendszer részeinek összekötése
Annak érdekében, hogy a közvetlen villámcsapáskor a felfogórendszeren megjelenő villámáramot a lehető legjobban megosszuk, a felfogórudakat a szabvány értelmében össze kell kötni egymással. Bár az összekötés kialakításánál sok tekintetben a szabványnak a levezetőkre vonatkozó követelményrendszerét kell alkalmazni, itt érdemes ezzel foglalkoznunk, hiszen a kivitelezés folyamatában ezek a munkarészek szorosan kapcsolódnak a felfogórend-szer kivitelezéséhez. A szabvány mindössze azt a követelményt tartalmazza, hogy a fel-fogórendszer részeit össze kell egymással kötni, részletes szabályokat azonban nem fogalmaz meg.
A tető sarkain és szélein elhelyezett felfogórudakat körben, a szélek mentén mindenképp célszerű összekötni. Ehhez – amennyiben van ilyen – részben vagy egészben felhasználható az attika fémesen folytonos (vagy azzá tett) bádogfedése, vagy a homlokzat lemezburkolata, ha vastagsága eléri a 0,5 mm-t. Abban az esetben, ha a felfogók összekötésének feladatát csak ezek a (természetes) villámvédelmi elemek látják el, érdemes rá nagyobb figyelmet fordítani, mint amikor az összekötés más módon is létrejön. Több a bizonytalanság azzal kapcsolatban, hogy a nagyobb tetőfelület védelmét biztosító, a tető belső részein elhelyezett felfogórudakat hogyan kell egymással összekötni. Abban az esetben, ha a felfogórudak közvetlenül a pillérek felett helyezkednek el, és rövid bekötővezetékekkel csatlakoznak a pillérekben kialakított levezetőkhöz, az összekötésre kézenfekvőnek tűnő megoldást kínál a tetőt alkotó trapézlemez (3. ábra).
3. ábra: Vasbetongerendára támaszkodó trapézlemez toldási módjai
Mivel ezek a (teherhordó) trapézlemezek vastagság szempontjából messzemenően teljesítik a szabvány követelményeit, felhasználhatóságukat elsősorban az határozza meg, hogy folytonosságuk feltétele biztosítottnak tekinthető-e. Annak érdekében, hogy a födém terhelhető legyen, szabályos kivitelezéskor a trapézlemezeket keresztirányban (a bordák mentén) mindig csavarokkal rögzítik egymáshoz, ezért a bordák irányában a lemezfelület folytonossága mindig vélelmezhető. Harántirányban azonban a lemezek csatlakozásának módja függ attól, hogy a trapézlemez milyen módon fekszik fel a tartószerkezetre. Ha a trapézlemezt vasbeton födémgerenda tartja, akkor a trapézlemezek között nem mindig van átfedés, így ilyenkor ebben az irányban a folytonosság értelemszerűen nem jön létre (3. ábra). E megfontolások alapján még akkor is, ha a felfogók közvetlenül a levezetőként használt pillérek felett vannak elhelyezve (és ezeken a helyeken össze vannak kötve a trapézlemezzel is) a felfogókat legalább egy irányban célszerű a tető felett is összekötni (2. ábra), lehetőleg a trapézlemez bordáira merőleges irányban.
A gyakorlatban többnyire nem kerülhető el olyan felfogórudak használata, amelyek nem közvetlenül pillérek (az az abban kialakított levezetők) felett helyezkednek el. Ilyen esetben kétféle műszaki megoldással lehet csökkenteni annak valószínűségét, hogy a felfogórúd talpánál a víz- és hőszigetelés alatti trapézlemez irányába átütés következzen be: az áramutak számának növelése, vagyis az összekötések „sűrűbbé tétele”, vagy a felfogó elszigetelése.
Az első megoldás alkalmazásának feltételeként a biztonsági távolságot meg kell határozni (amire a cikksorozat folytatásában még majd visszatérünk). Bár ennek elvégzése lehetséges, hiszen a szabvány tartalmaz erre vonatkozó képleteket, az eljárás megbízhatósága azonban kérdéses – nemcsak a szabványban itt is megjelenő képlethibák miatt, hanem azért is, mert a számítások sok olyan kiindulási feltételt tartalmaznak, amelyek a valóságban nem teljesülnek. Ha el is fogadjuk a szabvány számítási módszerét, abból az következik, hogy a pillérektől (levezetőktől) távolodva a felfogórudakat egyre sűrűbb hálóosztású hálóval kell bekötni, és olyan esetben, amikor a felfogó egymástól 20 m-re lévő pillérek alkotta rács közepén helyezkedik el, az öszszekötő hálónak 10 x 10 m-nél is sűrűbbnek kellene lennie (4. ábra). (A tényleges értékeket természetesen az adott körülmények határozzák meg.)
4. ábra: Pillérek között elhelyezkedő felfogó bekötése, a másodlagos kisülés veszélyének csökkentéséhez
Olyan esetben, amikor csak néhány olyan felfogórúd van a tetőn, amely nem pillér (levezető) közelében helyezkedik el, egyértelműen a felfogó elszigetelését kell előnyben részesíteni (5. ábra).
5. ábra: Elszigetelt felfogórúd alkalmazása
A kifejezetten e célra felhasználható gyári termékekből szabályosan összeszerelt konstrukciók villamos szilárdsága (szigetelőképessége) laboratóriumi vizsgálatokkal igazolt, és jellemzően jóval nagyobb, mint amire az adott esetben – a biztonsági távolság értékének megfelelően – szükség lehet. A megalapozottabb alkalmazhatóság mellett az is előnye ennek a megoldásnak, hogy nem okoz problémát a felfogórúdhoz csatlakozó levezető, és a tetőn lévő szerkezetek közötti biztonsági távolság betartása nem okoz problémát.
Itt jegyezzük meg, hogy az MSZ EN 62305 nem teszi szükségessé a felfogó alatt (a korábbi MSZ 274 követelményeinek megfelelő) szigetelő alátétlap alkalmazását. A másodlagos kisülés elleni védekezésnek ez a módja eleve sok tekintetben vitatható, mára műszakilag túlhaladottá vált. Amennyiben a felfogók elhelyezése közvetlenül a levezetőként alkalmazott pillérek környezetében történik (azoktól legfeljebb 2-3 méterre), az átütés bekövetkezésének valószínűsége a felfogó és a levezető 1. ábra szerinti összekötése, illetve a trapézlemez bekötése esetén elhanyagolható. A pillérektől távolabbi felfogórudaknál ugyanezt a célt szolgálja a tető feletti összekötés, az előbb leírtak szerint.
