4P1 _ کلیات

4P1 – 3-0- کلیات

     سالهاآزمایش، اندازه گیری و جمع آوری اطلاعات و مطالعه نتایج آزمونها و تجارب انجام شده، نشان داده است که از بتن مسلح که بدون توجه به ملاحظات برقی و فقط به منظور اصلی آن که ایجاد نشیمنگاه برای سازه ساختمان ریخته می شود، با اندکی تغییر که عمدتاً منحصر به ایجاد اتصالاتی بین میلگردهای بتن و سیستم الکتریکی می شود، می توان به عنوان یک الکترود زمین بسیار خوب (و بلکه بهترین اتصال زمین ممکن) نه تنها در این مورد بلکه برای سیستم حفاظت در برابر صاعقه نیز استفاده کرد.

نظر به اینکه سیستم حفاظت ساختمانها در برابر صاعقه باید در این بحث مطرح شود، اشاره ای منحصر به سیستم صاعقه مفید خواهد بود.

4P13- 1- صاعقه و اتصال به زمین

    یادآوری- سیستم حفاظت ساختمانها در برابر صاعقه، بر خلاف عقیده بسیاری، یک مساله برقی از نوعی که عرفاً در تاسیسات مطرح می باشد، نیست گرچه با آن ارتباط بسیار دارد. این مساله در اصل یک مساله صرفاً ساختمانی است و همانگونه که “قیروگونی” برای جلوگیری از نفوذ برف و باران به ساختمان از آن استفاده می شود، سیستم حفاظت ساختمانها در برابر صاعقه را برای پیشگیری از خرابکاری صاعقه در ساختمان به کار می برند.

حفاظت در برابر صاعقه برای بعضی ساختمانها و در برخی شرایط الزامی است.یک سیستم حفاظت در برابر صاعقه از سه قسمت تشکیل می شود:

  • سیستم صاعقه گیر(“آنتن”) یا گیرنده بارهای الکتریکی آسمانی؛
  • سیستم انتقال بارهای الکتریکی از صاعقه گیر به زمین(سیم پایین رو)؛
  • سیستم الکترود زمین برای پخش این بارها در زمین.

صاعقه گیر، سیستمی است اختصاصی که باید برای ساختمان مورد نظر پیش بینی شود( در بعضی موارد برای این منظور می توان از اجزای موجود ساختمان مانند شیروانی استفاده کرد). اما برای دو سیستم دیگر یعنی سیستم انتقال بارهای الکتریکی از صاعقه گیر به پایین و سپس سیستم  الکترود زمین آیا می توان از امکانات موجود استفاده کرد؟ در این حالت هم می توان از همان سیستم موجود اسکلت بتن مسلح یا اسکلت فولادی، همرا با پی بتنی ان بخوبی بعنوان قسمتی از یک سیستم حفاظت در برابر صاعقه استفاده کرد. در اوایل پیدایش این فکر محافظه کاران اعتقاد بر جدا نگه داشتن سیستم حفاظت در برابر صاعقه از سیستم برق داشتند. اما بعد معلوم شد که دخالت ندادن سیستم صاعقه در همبندی با سیستم الکتریکی، ممکن است منشاء خطرات بسیار شود مانند از بین رفتن ایمنی در برابر برقگرفتگی و آتش سوزی از یک سو و – مهمتر از همه برای حرفه ساختمان- بروز ترکیدگی در بتن. جریان صاعقه در جستجوی راهی برای رساندن بار الکتریکی خود به زمین گاهی مسیرهایی را انتخاب می کند که قابل پیش بینی نیستند زیرا تمام اطلاعات موجود در دسترس ما نمیباشند. در مواردی که اتصال کم مقاومتی بین مسیر انتخاب شده برای صاعقه و میلگردهای بتن وجود نداشته باشند، بار الکتریکی ممکن است به موقع در میلگردهای حجم بتن پخش نشود ولی به دلایلی از یک نقطه متمرکز به میلگردهای داخل بتن پی نفوذ کند و از آنجا به خاک منتقل شود. در چنین حالتی تمرکز جریانهای عظیم صاعقه به قدری زیاد می شود که احتمال بالا رفتن دما را بسیار زیاد می کند و به ترکیدگی در بتن ختم می شود. چیزی که مسلم است این است که جریان همیشه و بدون استثنا مسیری را انتخاب می کند کهدارای کمترین مقاومت باشد . وقتی که گفته می شود جریان ” به دلایلی” این یا آن مسیر را انتخاب کرده است، بدون شک آن مسیر دارای کمترین مقاومت است. اما چرا این مسیر؟

در بسیاری از موارد این سوال بی جواب باقی می ماند. در هر حال نادیده گرفتن اسکلت ساختمان در همبندی خلاف مقررات است و استفاده نکردن از آن برای سیستم صاعقهف به معنی از دست دادن امکانات موجود در این زمینه است. اسکلت یک سازه- بخش بالاتر از پی تا پشت بام- هم در مورد بتن مسلح و هم در مورد فولاد، بخوبی می تواند هم به عنوان قسمتی که باید برای همولتاژ شدن همبندی شود و هم به عنوان سیستمی که بارها صاعقه را به زمین منتقل می کند، مورد استفاده قرار گیرد.

تا جایی که به صاعقه مربوط می شود، باید گفت که ابعاد سیستم و نحوه پخش جریان از سیستم “صاعقهگیر” به سیستم هدایت بارهای الکتریکی به پایین و از آنجا به الکترود اتصال زمین و سپس خود زمین و انجام همبندیهای لازم با سیستمهای دیگر، خیلی مهمتر از مسایلی مانند مقدار مقاومت سیستم نسبت به زمین است. با وجود این، برای مقاومت الکترود زمین، همیشه کمترین مقدار ممکن مطلوب می باشد.

4P1 -3-2- استفاده از بتن مسلح پی به عنوان الکترود زمین

     در اغلب موارد الکترود پی چنان کارآیی دارد که عملاً هیچ الکترود دیگری نمی تواند با آن رقابت کند. اما در این میان باید به موارد زیر توجه شود:

  • علت ارجحیت پی بتنی نسبت به انواع دیگر الکترودها به این سبب است که سطح بتن که در تماس با زمین است بطور طبیعی وسیع می باشد و همین امر سبب کم شدن مقاومت آن نسبت به زمین می شود. البته مقاومت ویژه بتن از بسیاری خاکها و مواد، کمتر و در حدود 30 الی 90 اهم متر است.
  • بتن ماده ای است “هیگروسکوپیک”، یعنی رطوبت اطراف را به هم جذب می کند. اگر این رطوبت ناچیز وجود نداشته باشد، مقاومت بتن خیلی بالا رفته و محسنات آن از بین خواهد رفت لذا عواملی که ممکن است سبب از بین رفتن رطوبت بتن گردد باید به حساب آورده شود. این عوامل بطور عمده یخ زدگی زمین در نقاط سردسیری و خشکی پیش از حد آن در نقاط گرمسیری و خشک است. البته صحبت از لایه ای کم عمق است که در اغلب موارد از حدود 8،0 متر تجاوز نمی کند. یعنی اگر پی دارای عمقی کمتر از این مقدار نسبت به سطح زمین باشد، نمی توان از آن به عنوان الکترود استفاده کرد.
  • در حجم بتن، بیشتر جریانهای الکتریکی از داخل میلگردها عبور می کنند. توانایی میلگردها از نظر سطح مقطع لازم برای عبور این جریانها هیچگاه مورد تردید نبوده است، اما چون اتصال میگلردها به همدیگر از نظر توانایی انتقال جریان از یک میلگرد به میلگرد دیگر و هدایت آن به سمت زمین مورد تردید می باشد،واکنش استانداردهای مختلف نسبت به این موضوع متفاوت است:

(3)-1  بعضی از استانداردها، اتصالات معمولی را که از نظر مقررات بتن مسلح برای بهم بستن میلگردها لازم دانسته می شود، از نظر الکتریکی نیز کافی به حساب می آورند.

(3) – 2 بعضی از استانداردهای دیگر، وجود اتصالات جوشی را لازم می شمارند ولی “اتصالات مطمئن” را قابل قبول ذکر می کنند، بدون آنکه اتصالات معمولی را که از نظر مقررات بتن مسلح برای بهم بستن میلگردها لازم دانسته می شود، رد کنند و یا شرح بیشتری راجع به “اتصالات مطمئن” ارائه کنند.

(4) بطور خلاصه با قبول اصل استفاده از پی بتن مسلح به عنوان الکترود اتصال زمین، به خودی خود امکانات دیگری در اختیار تاسیسات برقی و سیستم حفاظت در برابر صاعقه قرار می گیرد.

به این امکانات در سالهای اخیر توجه شده و قبل از آن عنایتی بدان نشده بود. شاید یکی از علل اصلی توجه به این مساله از طرف مهندسان برق، همه گیر شدن استفاده از بتن برای پی ریزی بوده است. روشی که قبلاً برای برقراری اتصال زمین و هادیهای پایینرو برای سیستم صاعقه از آن استفاده می شد این بود که یک سیستم الکترود زمین مستقل (بدون توجه به اجزای ساختتمان) برای سیستم الکتریکی بوجود می آوردند (صفحه فلزی دفن شده، میله کوبیده شده، تسمه دفن شده، زره فلزی کابل) و از ایجاد همبندی صرفنظر می کردند. و برای حفاظت در برابر صاعقه هم یک سیستم مستقل پایین رو با استفاده از هادیهای مخصوص این کار ( تسمه مسی- کابل) بوجود می آوردند که در نهایت وصل به سیستم الکترودهای زمین مستقل و مخصوص این کار می شد و سپس برای محکم کاری، یک همبندی بین دو سیستم الکترود زمین بوجود می آوردند.

(5)گفته شده است که از بتن مسلح پی می توان و باید به عنوان الکترود اتصال به زمین استفاده کرد. عدم استفاده از بتن به عنوان الکترود، کفران نعمت است و حتی در برخی موارد ممکن است به علت بی توجهی به بتن پی از نظر عبور جریانهای مربوط به اتصال کوتاه یا صاعقه صدمه ای شدید به آن وارد شود.

بند 4P1 -3-1- “صاعقه و اتصال به زمین” را ببینید.

(6) در مورد سازه های فلزی یا پی بتن مسلح که سازه به کمک بولتها به پی محکم می شود، لازم است بولت ها با استفاده از تکه های اضافی میلگرد به نحوی موثر به میلگردهای پی جوش شوند. این مسئله حتی اگر از بتن پی به عنوان الکترود استفاده نشده باشد نیز بسیار مهم وحیاتی است.

(7) بتن و میلگردها با هم الکترود زمین را ایجاد می کنند و لذا از نظر الکتروشیمی و اتفاقاتی که در اثر تشکیل پیلهای طبیعی در زمین می افتد. باید به عنوان یک واحد به حساب آورده شوند.

در بخش 4P1-1 راجع به الکترولیز صحبت شده است. شکل 4P1 -31 طرحواره یک تاسیسات اتصال زمین با استفاده از سازه و پی بتنی و همبندی آن را با اجزای زمین شده دیگر نشان می دهد.

شکل 4P1 -31 همبندی در تاسیسات اتصال زمین و تشکیل پیل گالوانیک

همراه با شکل 4p13، جدول 4p11 را ببینید و بع مطالب زیر نیز توجه نمایید:

(7) -1- با توجه به جدول 4p1- 1 دیده می شود که بتن مسلح پی به صورت “کاتد” عمل می کند و بنابراین ممکن است سبب خوردگی دیگر الکترودهای موجود در زمین یا “آند” ها شود.

سرعت تحلیل فاز آند بستگی به دو عامل زیر دارد:

–  تفاوت پتانسیل کاتد و آند                             

–  تفاوت مساحت کاتد و آند                               

برای مثال پتانسیل بین یک لوله گالوانیزه (Zn)  و بتن مسلح (ST-B) برابر است با:

(7) – 2- در ساختمانهای بزرگ (دارای سطح فونداسیون وسیع) نسبت سطح الکترود پی به دیگر فلزات تشکیل دهنده باتری در زمین، بزرگ بوده و الکترودهای دیگر مانند لوله های آب، گاز و غیره را که به صورت “آند” عمل می کنند سریع تر و تحلیل خواهد داد.

گاهی دفن یک فلز اندی و وصل آن به نقطه همبندی (بزرگ کردن ) ، ممکن است سرعت تحلیل را تا حد زیادی کم کند.

(7) – 3-  به اثبات رسیده است که ایجاد جدایی الکتریکی (همبندی نکردن) چاره خوردگی نخواهد بود و در هر حال امکان تشکیل همبندی نخواسته همیشه وجود دارد. بنابراین تنها راه پیشگیری یا کندکردن فرآیند خوردگی، انتخاب درست فلزات دیگری است که در زمین دفن خواهند شد.

(7)- 4- پتانسیل مس و بتن مسلح کمابیش برابر یا ممکن است اختلاف بسیار کمی با هم داشته باشند بنابراین ، این دو با هم کاملاً قابل همبندی به شمار می آیند.

(7)- 5- بیشترین صدمه ای که ممکن است به فلز یک الکترود وارد شود به آن جزء است که با عایقبندی دفن شده باشد. در این صورت اگر در یک یا جند نقطه صدمه ای به عایقبندی وارد آید. فلز در نقاط صدمه دیده به سرعت تحلیل خواهد رفت و هرچه تعداد نقاط صدمه دیده کمتر و سطح آنها کوچکتر باشد، سرعت تحلیل بیشتر خواهد بود. در بعضی موارد دیده شده است که یک لوله یا حفاظ کابل، در مدتی بسیار کوتاه سوراخ شده است.

به منظور جلوگیری از خوردگی سریع فلزات همبندی شده، استانداردهای معتبر مقادیر حداقلی را برای فلزات مختلف و پوشش آنها تعیین می کنند که در زیر جدول 4p1 – 2 برای همین منظور ارائه می شود.

جدول 4P1 -2 حداقل اندازه های الکترودهای زمین با توجه به خوردگی (DIN  VDE  0151/06.86از)

  الکترود زمین   حداقل اندازه ها  

  ملاحظاتی درباره

 الکترودهای نصب

  شده در حجم بتن

    جنس     شکل هسته پوشش گالوانیزه
سطح

مقطع

(mm)

قطر

(mm)

ضخامت

(mm)

ضخامت

میانگین

m))

فولاد

 

 

 

 

 

گالوانیزه   گرم

 
شمه 100   3 70   توصیه می شود
میله 100   3 70  
لوله   25 2 55  
الکترود گرد (عمیق)   20   70  
  سیم گرد برای الکترود سطحی   10   50 توصیه می شود
  سیم گرد برای الکترود سطحی   8   1000 برای پی مناسب نیست
مس              لخت 

              یا  

 

میله گرد   15   2000  
تسمه 50   2 40 مناسب است
میله 35   با   مناسب است
لوله   20 2    
طناب 35 8/1هر

مفتول

    مناسب است
  طناب   8/1 هر مفتول     برای پی مناسب نیست