Ochrana před bleskem je v současné době v České republice vyžadována pro drtivou většinu budov, objekty se střechou z fólie nejsou samozřejmě výjimkou. Na co je potřeba se soustředit a dát pozor?
Faradayova klec a izolovaný hromosvod
Vnější ochrana před bleskem má dvě možná řešení, izolované (oddálené) a neizolované (Faradayovu klec). Nejlépe se v obou řešeních zorientujeme tak, že si jako nejlepší řešení izolovaného hromosvodu představíme muniční sklad, kde jsou kolem něj rozestavěny jímací stožáry se zavěšenými lany a mezi nimi a skladem je vzdálenost alespoň 10 metrů. Cokoliv jiného, méně přísného musíme brát jako kompromis, kde nás musí zajímat zdůvodnění, proč to tak může být. V případě neizolované jímací soustavy je dobré si představit námořní kontejner na zboží, ale z plechu silného 5 mm, kde jsou křídla vrat připojena vodiči ke kostře a v rozích jsou spoje na uzemnění. Opět cokoliv méně přísného musíme brát jako kompromis, kde nás musí zajímat zdůvodnění, proč to tak může být.
Izolovaná jímací soustava
Izolovaná jímací soustava je definována v řadě norem ČSN EN 62305. Zde je její definice z ČSN EN 62305-3 [1]: 3.3 vnější LPS izolovaný od chráněné stavby; vnější LPS oddálený od chráněné stavby (external LPS isolated from the structure to be protected) LPS, jehož jímací soustava a svody jsou umístěny tak, aby dráha bleskového proudu nebyla v dotyku s chráněnou stavbou.
Poznámka: U izolovaného (oddáleného) hromosvodu bude zabráněno nebezpečným jiskřením mezi LPS a stavbou.
V principu se jedná o řešení, kdy na objektu umístíme jímací soustavu a systém svodů tak, aby vždy mezi jímací soustavou a nejbližší vodivou strukturou objektu byla taková vzdálenost, tedy elektrická izolace, která zabrání přeskoku bleskového proudu z jímací soustavy a vytvoření vůči svodu jímací soustavy paralelní cesty, kterou poteče bleskový proud. Vzhledem k tomu, že napětí na jímací soustavě je závislé na velikosti bleskového proudu (normativně konstantní hodnota pro každou úroveň hladiny ochrany před bleskem – LPL lightning protection level) a úbytku napětí na vodičích jímací soustavy a zemniči (variabilní hodnota lišící se pro každý případ objektu), je velice důležité, aby jak jímací soustava, tak systém svodů vytvářely co nejvíce se větvící symetrickou cestu pro bleskový proud na zemnící soustavu a díky tomu byl úbytek napětí, tedy vzdálenost ve vzduchu či pevném materiálu k dosažení potřebné elektrické izolace, co nejmenší.
Jak z výše uvedeného vyplývá, čím bude objekt vyšší, rozsáhlejší a čím bude přísnější LPL, tím bude vzdálenost pro dosažení elektrické izolace vyšší (viz 6.3 z ČSN EN 62305-3).
Neizolovaná jímací soustava
ČSN EN 62305-3 [1] definuje neizolovanou jímací soustavu (Faradayovu klec) takto: 3.4 vnější LPS neizolovaný od chráněné stavby; vnější LPS neoddálený od chráněné stavby (external LPS not isolated from the structure to be protected) LPS, jehož jímací soustava a svody jsou umístěny tak, že dráha bleskového proudu může být v dotyku s chráněnou stavbou.
V případě neizolované jímací soustavy se naopak snažíme o to, aby bleskový proud tekl co nejvíce a nejsymetričtěji rozdělen všemi vodivými prvky objektu (armování, sloupy, trubky, vodiče napájení i sdělovací) na zemnící soustavu. Výsledkem je, že při zásahu bleskem je na všem vodivém shodný potenciál a každou cestou teče velmi malá část bleskového proudu.
Při vytváření Faradayovy klece je důležité mít vodivě propojeno ideálně 100 % vodivých prvků stavby a na všech vodičích mít instalované svodiče přepětí a na jejich vstupech do objektu svodiče bleskových proudů. Faradayova klec je efektivní řešení v případě, že je s jejím vytvářením počítáno již v projektu a při stavbě. Je jasné, že pokud nejsou vytvořeny spoje korektně, je po zalití betonem pozdě.
Dovybudování Faradayovy klece na stávajícím objektu je sice možné, ale natolik pracné a nákladné, že bude mnohdy jednodušší vytvořit raději izolovanou soustavu.
Obě výše uvedené varianty pro dosažení ochrany před bleskem jsou rovnocenné a nelze jednoznačně říci, že by bylo lepší izolované, anebo naopak neizolované provedení. Konkrétní rozhodnutí je nutné vždy opřít nejenom o vyžadovaný stupeň bezpečnosti objektu, ale i o konkrétní objekt a porovnání reálných nákladů.
Střecha krytá fólií
Střešní fólie má z hlediska ochrany před bleskem výhodu v tom, že je nevodivá a na rozdíl od plechových střech si jejím položením nekomplikujeme situaci s rozvedením potenciálu blesku po celé ploše střechy. Její nevodivost je však zároveň i komplikací, když se její pokládka realizuje na konstrukce, které jsou naopak vodivé, jako jsou plechy, ocelové nosníky nebo betonové konstrukce, které obsahují vodivé armování. Avšak to už předbíhám a je třeba problém ochrany střechy vzít pěkně postupně.
Ochranný prostor jímací soustavy
Ať je jímací soustava v provedení jako izolovaná nebo neizolovaná, je třeba zabezpečit, aby blesk neudeřil nikam jinam než do toho, co je jímací soustava nebo je s ní spojeno a přežije úder blesku. Jsou samozřejmě situace, kdy je akceptováno nebo nic jiného nezbyde a musí být akceptováno, že úder blesku fólii propálí. V tomto případě je třeba, aby bylo zajištěno to, že po propálení nebude vzniklý otvor a zatékání do opravy vadit a hlavně to, že fólie bude v provedení zabraňujícím její další hoření. To je ovšem spíše teoretická varianta, která je volena pouze ojediněle.
Pro zajištění ochranného prostoru jímací soustavy je samozřejmě nutné, aby byla pro objekt provedena analýza rizik dle ČSN EN 62305-2 [2]. To je klíčový dokument, ze kterého pak vycházíme ve všech dalších krocích. Jedná se o objektivní posouzení, kdy na straně jedné určujeme pravděpodobnost zásahu bleskem do objektu a na straně druhé se snažíme následné škody, které by mohl způsobit, eliminovat nebo výrazně omezit technickými opatřeními. Mezi ně patří kromě vnější ochrany před bleskem – hromosvodu – též opatření v budově, jako jsou vyrovnání potenciálu nebo i například systém pro hašení vzniklého objektu. V tomto posouzení hraje velkou roli očekávaný výskyt osob, hořlavost objektu, zda se v objektu vyskytuje výbušné prostředí atd.
Jakmile máme v ruce výsledek analýzy rizik, známe potřebnou hladinu ochrany před bleskem a můžeme začít navrhovat vlastní jímací soustavu. Již před analýzou rizik by mělo být rozhodnuto, zda bude soustava řešená jako izolovaná nebo neizolovaná formou Faradayovy klece. Toto rozhodnutí závisí na typu a konstrukci budovy a také na praktických požadavcích koordinace profesí na stavbě. V poslední době se mnohdy ukazuje, že zajistit důslednou koordinaci mezi profesemi na stavbě je nad schopnosti koordinátora a mnohé objekty původně plánované jako Faradayova klec jsou následně chráněny izolovaným hromosvodem. Svou roli hraje i ekonomická stránka, kdy vyčíslení nákladů hendikepuje na první pohled levnější variantu, jakmile se důsledně vyčíslí a připočte cena za montáž, dozor a kontrolu.
Návrh jímací soustavy lze udělat podle tří normativně rovnocenných metod: metody za pomoci valivé koule, metody ochranného úhlu a mřížové soustavy. Na plochých střechách se zatím preferuje metoda mřížové soustavy, která bývá v poslední době nahrazována metodou za pomoci valivé koule.
Metoda valivé koule
Metoda vychází z fyzikálních principů. Zcela zjednodušeně ji lze popsat tak, že sestupující výboj,,vidí“ před sebe tak daleko, jak je velká jeho energie. Tedy silný blesk při vytváření jednotlivých,,skoků“ registruje předměty s potenciálem země na větší vzdálenost než blesk s menší energií. Na zachycení silných blesků stačí několik vysokých jímačů a velká oka mřížové soustavy, kdežto na zachycení menších blesků je třeba, aby byla jímací soustava hustší. Tato metoda je nejpřesnější a ostatní metody jsou od ní odvozeny. Ochranný prostor lze vybudovat za pomoci nejmenšího množství materiálu.
Metoda ochranného úhlu
Metoda ochranného úhlu má nevýhodu velmi velké potřeby materiálu pro zajištění ochrany velké plochy.
Metoda mřížové soustavy
Metoda mřížové soustavy na střechách krytých fólií má jeden poměrně velký nedostatek. Tímto nedostatkem je dostatečná vzdálenost s, která musí být dodržena, pokud nemá dojít k přeskoku z jímací soustavy na kovové součásti objektu. Toto je problém jak v případě izolované jímací soustavy, tak v případě jímací soustavy řešené jako Faradayova klec. To si ukážeme na následujícím příkladu:
Mějme objekt obdélníkového tvaru, který má střechu krytou fólií, která leží na tepelné izolaci střechy tvořené plechem položeným na ocelových překladech. Objekt je řešen jako Faradayova klec a jeho rozměry jsou 60×20 m. Po 20 met rech je vždy položeno vedení napříč, které leží na fólii střechy. Objekt je v hladině ochrany před bleskem LPL II. Dostatečná vzdálenost, pokud by došlo k úderu do středu příčného vedení, se spočítá následovně:
ki… koeficient dle LPL, tedy 0,06;
kc… koeficient rozdělení bleskového proudu, který bude 0,5, protože se rozdělí na dvě strany;
l … délka od místa počítání dostatečné vzdálenosti po vyrovnání potenciálu, tedy k vodivé stěně objektu, tj. 10 m;
km … koeficient materiálu v dráze možného přeskoku; pro vzduch platí 1, pro pevný materiál 0,5.
Výsledkem je, že pro dosažení elektrické izolace mezi jímací soustavou a vodivými částmi objektu je potřeba mít v pevném nevodivém materiálu vzdálenost 0,6 m. Toho samozřejmě nelze docílit pouhým položením vodiče na fólii pomocí podpěr vedení vysokých několik centimetrů. Řešením by bylo vytvořit vícero prostupů skrz fólii na vodivou konstrukci, aby se redukovala možnost přeskoku díky velké vzdálenosti k místu vyrovnání potenciálu. To si lze sice poměrně dobře představit u malých objektů, ale potřeba několika desítek až stovek prostupů na rozsáhlých střechách není většinou akceptována.
Řešení se nabízí několik:,,nadzvednutí“ jímací soustavy na nevodivých podpěrách tak vysoko, aby bylo možné dodržet dostatečnou vzdálenost potřebnou pro dosažení elektrické izolace mezi jímací soustavou a vodivými částmi objektu nebo například nahrazením mřížové soustavy systémem vyšších jímačů, které jsou v místě svého umístění napojeny na vodivou konstrukci objektu.
A co izolovaná jímací soustava?
V případě potřeby vytvoření jímací soustavy, ať už je důvodem stávající objekt, prostředí s nebezpečím výbuchu nebo prosté ekonomické rozhodnutí, je potřeba vedení na střeše umístit kompletně na těchto distančních nevodivých podpěrách a stejně provést i soustavu svodů. Tento styl se v současné době používá pouze výjimečně a bývá nahrazen montážně jednodušším systémem, který na propoje mezi jímači i na svody využívá vodiče s vysokonapěťovou izolací, které je možné bez rizika vést v bezprostřední blízkosti vodivých konstrukcí objektu.
Závěr
V případě střech krytých fólií se nesmí zapomenout na dodržení dostatečné vzdálenosti, ať se jedná o izolovanou nebo neizolovanou jímací soustavu. Nevodivý materiál fólie vždy stojí v cestě bleskovému proudu, protože je součástí izolační vzdálenosti mezi jímací soustavou a vodivým materiálem budovy. Izolační pevnost samotné střešní fólie je pouze v řádu několika kilovoltů až desítky kilovoltů, což vzhledem k napětí, které na jímací soustavě vzniká při toku bleskového proudu, je zcela zanedbatelná hodnota, která by nezabránila přeskoku. Důsledné dodržení dostatečné vzdálenosti je tedy podmínkou nejenom k eliminaci propálení střešní fólie, vzniku požáru v místě propálení, ale i ke vzniku neočekávaných cest bleskového proudu po vodivých konstrukcích objektu.
Jan Hájek
Foto: autor a archiv firmy DEHN + SÖHNE
Literatura:
[1] ČSN EN 62305-3 ed. 2 Ochrana před bleskem – Část 3: Hmotné škody na stavbách a ohrožení života.
[2] ČSN EN 62305-2 ed 2. Ochrana před bleskem – Část 2: Řízení rizika.
Jan Hájek (*1974)
– vystudoval SPŠ dopravní. Profesní kariéru začal v roce 1993 u firmy AEG Domácí spotřebiče. Po roce přešel do firmy ETG J. Fröschl & Co., s. r. o., elektrotechnického velkoobchodu, který opustil z pozice vedoucího prodeje pro ČR, aby nastoupil do firmy DEHN + SÖHNE GmbH + Co. KG., org. sl. Praha, kde pracuje dosud v technickém marketingu. Je uznávaným odborníkem přes instalaci zařízení na ochranu před bleskem a přepětím.
