Zagrożenia związane z ochroną odgromową stadionu piłkarskiego - wyzwania naukowe w procesie projektowania sieci i instalacji elektrycznych
The threats associated with lightning protection of football stadium – scientific challenge during of electrical installations and electricity networks design process
Widok całego zadaszenia obiektu piłkarskiego Stadion Energa Gdańsk. Opiera on się na specjalnej konstrukcji stalowej. Zostały w tym celu zaprojektowane dźwigary w kształcie przypominającym żagiel. Otaczają one cały stadion i tworzą spójną bryłę.
Fot. Stadion Energa Gdańsk
W procesie projektowania instalacji elektrycznych
w różnego rodzaju obiektach budowlanych, pojawiają się często problemy
zarówno natury projektowej, jak i wykonawczej. Jedne i drugie
wymagają odpowiedniego podejścia inżynierskiego pod względem założeń i obliczeń,
tak aby ostateczne rozwiązanie było pewne i mogło bezpiecznie
oraz właściwie spełniać swoje funkcje. Tematem tego opracowania jest przegląd zagrożeń związanych z ochroną odgromową stadionu piłkarskiego
w Gdańsku wybudowanego na potrzeby mistrzostw Europy w 2012 r. –
noszący wówczas roboczą nazwę Baltic Arena, a obecnie Stadion Energa
Gdańsk.
Dach stadionu opiera się na specjalnej konstrukcji stalowej. Zostały w tym celu zaprojektowane dźwigary w kształcie przypominającym żagiel. Otaczają one cały stadion, tworzą spójną bryłę. Całkowita liczba dźwigarów wynosi 82 sztuki (fot. 1., fot. 2. i rys.1.).
Fot. 1. Fasada stadionu zbudowana z poliwęglanowych modułów - dźwigary i płyty poliwęglanowe ułożone na dźwigarach widoczne od środka; fot. Stadion Energa Gdańsk
Fot. 2. Fasada stadionu zbudowana z poliwęglanowych modułów; płyty poliwęglanowe ułożone na dźwigarach widoczne na zewnątrz; fot. Stadion Energa Gdańsk
Rys. 1. Widok dźwigarów konstrukcyjnych tworzących zadaszenie trybun stadionu piłkarskiego Batlic Areny; rys. archiwum autora
Pojedynczy dźwigar wykonany jest z czterech rur prowadzących, powiązanych między sobą rurami i prętami. Połączenia między rurami są spawane. Cały dźwigar pokryty jest farbą trójwarstwową.
Pierwsza warstwa to podkład z farby wysokocynowej o grubości około 60 μm, druga warstwa to epoksyd o grubości 180 μm i wreszcie ostatnia, trzecia warstwa to poliuretan nawierzchniowy o grubości 80 μm.
Łącznie grubość pokrycia farbą konstrukcji stalowej dźwigarów wynosi 320 μm. W myśl zapisów normy [4], cienkie pokrycie farbą lub asfaltem o grubości do 1 mm nie jest uznawane za izolator.
Rury prowadzące tworzące główny trzpień konstrukcji stalowej dźwigarów mają grubość od 16 mm do 20 mm. Pozostałe rury wiążące ze sobą rury prowadzące oraz dźwigar z sąsiednimi dźwigarami mają grubości od 8 mm do 12,5 mm. Na konstrukcji stalowej zostały posadowione płyty wykonane z poliwęglanu komorowego, układane w pasach o wymiarach około 76x300 cm.
W zamyśle architekta było zasymulowanie wrażenia, że dźwigary i płyty konstrukcji dachowej i fasadowej będą zachowywać się jak wręgi i deski statku.
Na rurze stalowej dźwigara zostały przyspawane specjalne wsporniki, zwane stolikami, wykonane z blachy stalowej o grubości 6 mm. Na wspornikach tych zamocowane zostały aluminiowe płatwie, na których z kolei oparto płyty poliwęglanowe.
W celu zachowania szczelności oraz ochrony przed uszkodzeniami mechanicznymi, płyty zostały ułożone i dociśnięte za pośrednictwem uszczelek EPDM, o grubości około 5 mm.
Od góry każda z płyt poliwęglanowych została zamocowana za pomocą listwy dociskowej aluminiowej o szerokości 120 mm i grubości 10 mm. Widok układu płyt poliwęglanowych obrazuje rys. 2.
Rys. 2. Widok układu płyt poliwęglanowych oraz listew dociskowych tworzących pokrycie dachowe; rys. archiwum autora
W celu realizacji przedsięwzięcia został opracowany projekt budowlany oraz wykonawczy m.in. w zakresie instalacji elektrycznych. Stadion został zakwalifikowany do I klasy ochrony odgromowej (LPS = 1) (LPS – lightning protection system, urządzenie piorunochronne) [1, 4].
W projekcie ochrony odgromowej założono, że przewodami odprowadzającymi będą stalowe dźwigary w liczbie 82 sztuk.
Każdy z dźwigarów jest połączony wzajemnie za pomocą dodatkowych stalowych rur i prętów. W sumie otrzymuje się konstrukcję stalową w postaci dźwigarów wzajemnie ze sobą powiązanych.
Dźwigary są następnie podłączone do uziomu kratowego, wykonanego ze stalowego ocynkowanego płaskownikiem o wymiarach 40x5 mm, układanego w warstwie chudego betonu pod ławami fundamentowymi. Uziom ten jest wykonany pod trybunami oraz pod schodami prowadzącymi na stadion.
Płytę boiska oraz trybuny znajdujące się pod zadaszeniem chroni się przed wyładowaniami atmosferycznymi, które mogą wniknąć we wnętrze stadionu przez otwór znajdujący się centralnie nad boiskiem.
Do określenia rozmieszczenia zwodów poziomych wybrano metodę toczącej się kuli. Na jej podstawie zaprojektowano trzy linki stalowe ocynkowane o przekroju 50 mm2 każda i średnicy pojedynczego drutu 3 mm. Linki są tak rozmieszczone, że odległość między nimi wynosi około 30 m.
W projekcie instalacji elektrycznych zwrócono również uwagę, że ostateczne decyzje odnośnie ochrony odgromowej dachu mogą powstać dopiero po wykonaniu przez wykonawcę robót budowlanych odpowiednich badań laboratoryjnych. Badania te będą przedstawiać zachowanie się płyt pokrycia dachu w przypadku uderzenia piorunem.
Jeżeli badania nie wykluczą niebezpieczeństwa dla widzów na trybunach (np. zapalenie się pokrycia, opadnięcie odłamków pokrycia przez uderzenie pioruna), instalację piorunochronną należy rozbudować o elementy zabezpieczające przed bezpośrednim uderzeniem pioruna w płyty dachu, na przykład przez zastosowanie dodatkowych zwodów pionowych w odpowiednich odstępach.
Tworzenie dodatkowych elementów ochrony odgromowej może jednak pociągnąć za sobą szereg utrudnień na wielu płaszczyznach, poczynając od konstrukcji, a kończąc na pracach eksploatacyjnych jak odśnieżanie, mycie dachu czy naprawa.
Założono, że ewentualne wyładowania atmosferyczne będą trafiać bezpośrednio w aluminiowe listwy dociskowe, omijając tym samym płyty poliwęglanowe.
Nie posiadając wyników badań, o których jest mowa wyżej, postawiono na etapie projektowania za cel przeanalizowanie ochrony odgromowej powierzchni płyt dachowych.
W tym miejscu stawiane było pytanie, czy przy obecnej sytuacji płyty poliwęglanowe są w pełni objęte ochroną odgromową.
Na rys. 3. przedstawiono metodę wyznaczania strefy chronionej, gdzie do analizy przyjęto metodę toczącej się kuli. Z rysunku tego wynika, że piorun powinien uderzyć w listwy dociskowe lub śruby mocujące te listwy. Jednocześnie zwrócono uwagę, że tocząca się kula będzie wnikać w przestrzeń między listwami, na głębokość 4 mm (zostanie to dalej podparte obliczeniami).
Rys. 3. Analiza penetracji wyładowań atmosferycznych w poszycie dachu (poliwęglan komorowy). Symbolem pioruna oznaczono miejsca prawdopodobnych uderzeń pioruna; rys. archiwum autora
W najniekorzystniejszym miejscu pozostaje minimalny odstęp między powierzchnią kuli (o promieniu R = 20 m) a powierzchnią płyty poliwęglanowej, wynoszący 19,5 mm. W tym miejscu postawiono pytanie, czy odstęp ten jest wystarczający, aby nie nastąpił przeskok iskry na poliwęglan i czy w ogóle może mieć miejsce takie zjawisko, a w szczególności, czy istnieje możliwość uderzenia pioruna w stal konstrukcyjną dachu bezpośrednio pod poszyciem poliwęglanowym po jego przebiciu.
Poniżej przedstawiono wyliczenia głębokość penetracji p toczącej się kuli. Penetrację tę można wyznaczyć graficznie, tak jak pokazano na rys. 3.
Dla potwierdzenia wyliczeń wielkość p wyznaczyć można również na podstawie wzoru [3, 4].
Wzór 1
gdzie:
d – odległość między zwodami,
r – promień toczącej się kuli (r = 20 m).
Rys. 4. przedstawia widok z góry listew mocujących wraz z pozycją śrub.
Rys. 4. Widok fragmentu dachu, pokazujący rozstaw śrub dociskowych; rys. archiwum autora
Ponieważ śruby są najbardziej wystającymi elementami, oznacza to, że tocząca się kula będzie opierać się właśnie na nich. Do obliczeń przyjmuje się przekątną d = 0,8 m utworzoną przez śruby.
Zgodnie z powyższym wzorem p = 0,004 m, czyli p = 4 mm.
Z rys. 3. wynika, że wierzch śruby mocującej jest na wysokości 23,5 mm od powierzchni poliwęglanu komorowego. Odliczając wartość „p”, otrzymujemy dystans między powierzchnią poliwęglanu a powierzchnią toczącej się kuli rzędu „x” = 19,5 mm.
W celu określenia, czy otrzymany dystans „x” jest wystarczający, postanowiono zbadać, jaki jest wymagany minimalny odstęp izolacji elektrycznej „s” dla zewnętrznych urządzeń tworzących ochronę odgromową budynku. Odstęp ten można wyznaczyć ze wzoru [1, 4]:
Wzór 2
gdzie:
s – wymagany odstęp izolacyjny,
ki – współczynnik zależny od poziomu ochrony,
kc – współczynnik zależny od prądu płynącego w przewodach odprowadzających,
km – współczynnik zależny od materiału izolacji elektrycznej,
l – długość mierzona od punktu zbliżenia do punktu najbliższego połączenia wyrównawczego.
Przyjęto następujące wartości:
ki = 0,08 – ponieważ mamy do czynienia z I poziomem ochrony odgromowej;
km = 1,00 – ponieważ izolacją jest powietrze;
l = 0,80 m – według rysunku 6.;
kc = 0,20 – zgodnie z zależnością:
gdzie:
c – odległość między przewodami odprowadzającymi, 4,5 m;
n – całkowita liczba przewodów odprowadzających (dźwigarów), 82,
h – wysokość, 38,39 m.
Na podstawie wyżej wymienionych danych obliczone ze wzoru (2) s = 13 mm.
Z rys. 3. wynika, że poliwęglan jest w strefie ochrony. Niemniej jednak starano się określić, czy uzyskany odstęp 19,5 mm jest odpowiedni. W tym celu dokonano porównania minimalnego odstępu izolacyjnego „s” z wartością wielkości „x”.
Zakładając, że takie porównanie można wykonać, wnioskuje się, że nie powinien wystąpić przeskok iskry wyładowania atmosferycznego do poliwęglanu komorowego, ponieważ „x” jest większy od „s”. Ponadto, sam poliwęglan osadzony jest w uchwytach zabezpieczonych uszczelkami EPDM, co świadczy o tym, że jest on odseparowany od elementów przewodzących konstrukcyjnych, a tym samym powinien być „nieatrakcyjny” dla przepływu ładunków elektrycznych. Zatem prawdopodobieństwo uderzenia pioruna w poliwęglan zmniejsza się właściwie do zera.
Przedstawiona powyżej analiza, pozwala sądzić, że poliwęglan nie powinien być narażony na bezpośrednie uderzenia przez piorun, w związku z tym nie zostanie uszkodzony, ponieważ znajduje się w strefie ochrony, jaka jest wytworzona przez metalowe elementy mocujące panele poliwęglanowe.
Ponieważ wyliczone wartości mogą budzić wątpliwości co do osiąganych wartości, można było mieć podejrzenie, czy powyższy wniosek jest rzeczywiście prawdziwy. Dlatego właściwym podejściem było empiryczne sprawdzenie zachowania się płyt poliwęglanowych, wykorzystując w tym celu specjalistyczne laboratorium, w którym zweryfikowano by poprawność powyższego toku rozumowania.
Jednocześnie w trakcie badań sprawdzeniu podlegać miałyby właściwości mechaniczne poliwęglanu pod wpływem uderzenia piorunem, tzn. czy nie ma żadnych efektów niepożądanych, typu pękanie, palenie się i kapanie, powstawanie otworów o niekorzystnych wymiarach itp.
Opisywane przykładowe uszkodzenia poliwęglanu będą niebezpieczne dla ludzi znajdujących się na trybunach, dlatego rozważania teoretyczne należało skonfrontować z doświadczeniami laboratoryjnymi.
Badania laboratoryjne [7]
Do laboratorium wysokich napięć na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej (PW) wykonawca przekazał trzy próbki elementów poszycia dachowego, każda wykonana z poliwęglanu komórkowego umieszczonego pomiędzy płatwiami i listwami dociskowymi:
- próbkę oznaczoną numerem 1 (sama płyta poliwęglanowa, bez elementów mocujących) poddano badaniom udarowym napięciowym,
- próbkę 2 (płyta poliwęglanowa z elementami mocującymi) poddano badaniom udarowym napięciowym i prądowym,
- próbkę 3 (taka sama jak próbka numer 2) badano wyłącznie udarami prądowymi o jak największych amplitudach prądu i energii udarów.
Przy badaniach napięciowych określano udarową wytrzymałość elektryczną płyt poliwęglanowych, zaś przy badaniach prądowych odporność na oddziaływanie prądu udarowego.
Badania udarowe napięciowe wykonano doprowadzając pośrodku powierzchni płyty poliwęglanowej elektrodę ostrzową połączoną z wyjściem generatora.
Druga elektroda była w dwóch wykonaniach:
- jako elektroda ostrzowa umieszczona po drugiej stronie płyty poliwęglanowej
- oraz jako płyta aluminiowa dociskowa na badanej próbce
– elektrody zostały podłączone do metalowej podłogi hali laboratorium (rys. 5.).
Rys. 5. Szkic układu probierczo-pomiarowego podczas badań udarowych napięciowych [7]; rys. archiwum autora
Badania wykonano jako serię prób w odstępach około 1 minuty, przy generowaniu kolejnych udarów napięciowych (od 248 kV do 268 kV) i coraz większych amplitudach i stromości (od 354 kV/ps do 1061 kV/ps).
Warunki atmosferyczne podczas badań były następujące:
- temperatura 19°C,
- ciśnienie atmosferyczne 99,5 kPa,
- wilgotność względna powietrza 55%.
W trakcie badań nie nastąpiło przebicie skrośne płyty z poliwęglanu, lecz zawsze przeskok po powierzchni płyty do listy aluminiowej – przeskok nie powodował widocznego uszkodzenia badanego materiału, ani widocznej degradacji i właściwości izolacyjnych i mechanicznych.
Rys. 6. Schemat układu probierczo-pomiarowego do prób prądowych, gdzie: Uład – źródło napięcia stałego, C1 – pojemność główna generatora (400 gF), Z – impedancja obciążenia generatora, OB – obiekt badany (płyta poliwęglanowa), TI – transformator impulsowy Person, CH1 – kanał oscyloskopu [7]; rys. archiwum autora
Zgodnie z wnioskami z badań PW, „oznacza to, że badane płyty są bardzo dobrym dielektrykiem, co daje podstawę do stwierdzenia, że w przypadku trafienia pioruna w płytę z poliwęglanu prąd wyładowania popłynie po powierzchni próbki do aluminiowej listwy dociskowej, która ma być wykorzystywana jako naturalny zwód odgromowy na dachu stadionu” [7].
Kolejnym badaniem były badania udarowe prądowe z wykorzystaniem generatora udarów prądowych w układzie probierczo-pomiarowym zgodnie z poniższym schematem (rys. 6.).
Generator był wyposażony w układ sterowania napięcia ładowania kondensatorów, dzięki czemu uzyskano powtarzalność kolejnych udarów [7].
Udary prądowe były doprowadzane do różnych miejsc płyt poliwęglanowych, wymuszając przepływ prądu udarowego (od 15 kA do 82 kA) i energii rozproszenia (od 2,7 kJ do 878 kJ) na wskroś badanych płyt lub po powierzchni do aluminiowej listwy dociskowej.
Przy wymuszeniu prądu udarowego na określonej drodze, połączono elektrodę prądową z elektrodą uziemioną cienkim miedzianym drutem. Udary prądowe nie spowodowały zapalenia badanych płyt poliwęglanowych, pęknięć, rozwarstwień, istotnych uszkodzeń aluminiowych elementów mocujących płyty.
Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że w zakresie parametrów piorunowych „stosowanych w badaniach wystąpienie poważniejszej szkody piorunowej w poszyciu dachowym jest mało prawdopodobne” [7]. Zwrócono uwagę, że badanie udarami prądowymi na poziomie 82 kA wynika z technicznych możliwości generatora udarów, ale wartość ta według statystyk jest przekraczana jedynie w 6–7% rzeczywistych przypadków wyładowań doziemnych.
Wnioski
Na bazie analizy teoretycznej zachowania się płyt poliwęglanowych stwierdzono na podstawie wyliczeń normowych, że płyty mogą być chronione przed wyładowaniami atmosferycznymi. Wyniki obliczeń dawały jednak podstawę do wątpliwości, czy poliwęglan będzie faktycznie trafiony bezpośrednio piorunem. Z pewnością obliczenia nie odpowiadały na pytanie, co stanie się z omawianym materiałem podczas trafienia pioruna, jak zachowa się mechanicznie i czy nie będzie zagrażał osobom przebywającym na trybunach.
W związku z powyższym przeprowadzono badania laboratoryjne, które jednoznacznie wskazały, że badane próbki płyt poliwęglanowych wraz z elementami mocującymi nie ulegają uszkodzeniom, a także udary skutecznie omijają poliwęglan, dążąc za każdym razem do elementów metalowych.
Dzięki zauważonej zgodności obliczeń i badań, można stwierdzić, że wytyczne z norm są dobrym drogowskazem w poszukiwaniu rozwiązań technicznych w trakcie projektowania instalacji odgromowej w ramach projektów instalacji elektrycznych dla obiektów budowlanych. Ważne jest poprawne zastosowanie norm do rozważanych zagadnień, natomiast tam, gdzie projektant nie jest w stanie z pewnością stwierdzić, że dane rozwiązanie jest prawidłowe, powinien już na etapie projektowania zasygnalizować konieczność przeprowadzenia stosowanych badań, mających na celu wyeliminowanie zagrożeń, szczególnie takich, które zagrażają życiu i zdrowiu ludzi.
Od momentu wybudowania stadionu Baltic Arena (obecnie nosi nazwę Energa Gdańsk), nie odnotowano uszkodzeń poszycia dachu, które wymagałyby zarówno naprawy mechanicznej, jak również nie zanotowano uszkodzeń mogących zagrażać ludziom podczas imprez na stadionie. Ten fakt tym bardziej potwierdza powyższe wnioski.
Literatura
- PN-IEC 61024-1: 2001/Ap1 2002 – Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne.
- PN-IEC 61024-1-1: 2001/Ap1 2002 – Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. Wybór poziomów ochrony dla urządzeń piorunochronnych.
- PN-IEC 61024-1-2: 2002 – Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. Przewodnik B – Projektowanie, montaż, konserwacja i sprawdzanie urządzeń piorunochronnych.
- PN-EN 62305-3: 2009 – Ochrona odgromowa. Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenia życia.
- Projekt Budowlany instalacji elektrycznych dla stadionu piłkarskiego Gdańsk-Letnica, 2008 r., projektant Edward Boruń, sprawdzający Edward Soboń, weryfikacja Tomasz Koźbiał (biuro projektowe Polcon Consulting Sp. z o.o.)
- Projekt Wykonawczy instalacji elektrycznych dla stadionu piłkarskiego Gdańsk-Letnica 2008 r., projektant Edward Boruń, sprawdzający Edward Soboń, weryfikacja Tomasz Koźbiał (biuro projektowe Polcon Consulting Sp. z o.o.)
- Badania udarowe napięciowe i prądowe płyt z poliwęglanu komórkowego wraz z systemem mocowania pod kątem odporności na bezpośrednie wyładowania piorunowe - raport i wnioski, Marek Łoboda, Andrzej Łasica, Przemysław Sul, Warszawa, maj 2010 r.
![Rys. 5. Szkic układu probierczo-pomiarowego podczas badań udarowych napięciowych [7]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/zagrozenia-ochrona-odgromowa-rys7.jpg)
