Молниезащита крыши малоэтажного дома

От редакции. В номере 3 (22) 2009 журнал «Кровли» опубликовал интернет- интервью с профессором, доктором технических наук, заведующим лабораторией молниезащиты ЭНИН им. Г.М. Кржижановского Эдуардом Мееровичем Базеляном. Поскольку большинство вопросов касалось молниезащиты малоэтажных домов, в этом номере мы публикуем статью Э.М. Базеляна, посвященную этому вопросу.

Для молниезащиты крыша – по праву главнейшая часть здания. Она ближе всего к грозовому облаку, а потому принимает на себя подавляющую часть ударов молнии. Очень хотелось бы иметь кровлю абсолютно устойчивой к грозовым разрядам. Такое возможно, но трудно выполнимо. По современным представлениям, молнии не «по зубам» стальной лист толщиной более 4 мм. Обшивку меньшей толщины она может прожечь или проплавить. Для медного листа предельная толщина кровли поднимается до 5 мм, а для алюминиевого – до 7 мм. Трудно представить себе современное жилище со столь массивной крышей. Такое скорее возможно в старинном замке или крепости, да и то не ради молнии, а чтобы противостоять ядрам при штурме.

Сегодня выработалось совершенно иное отношение к кровельным материалам. От них требуется долговечность в сочетании с изяществом и дешевизной, чего удается добиться только при обращении к композитным материалам самого различного исполнения, в том числе и с металлическим покрытием. Только реально используемая толщина его примерно в 10 раз тоньше нормированной. Проблема молниезащиты такой крыши – не самая простая задача.

Начинать надо с нормативных документов. В России с равным правом действуют сразу две инструкции по молниезащите: «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122-87» и «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций СО-153-34.21.122-2003». Последние цифры в номерах указывают на год выпуска. В первой старой инструкции современные кровельные материалы, естественно, не упоминаются. Там обсуждается перекрытие из железобетонных плит, на которые укладывается тепло- и гидроизоляционное покрытие, да еще металлическая кровля из кровельного железа. Никаких требований к толщине кровельного железа почему-то не предъявляется, хотя толщина листа редко превышает 1 мм, а потому он легко может быть проплавлен молнией. Тем не менее норматив РД 34.21.122-87 допускает использовать любую металлическую кровлю как молниеприемник.

Хочется посоветовать читателю самому проследить за последовательностью событий при ударе молнии в кровлю. В месте контакта с каналом молнии температурой до 30 000 °С металл частично испарится, а большей частью расплавится. В образовавшееся отверстие молния не проникнет, закончив свой путь на внешней поверхности крыши, но капля расплава обязательно упадет вниз, на чердак. Там всегда есть чему гореть. В крайнем случае сгодятся деревянные стропила и обрешетка.

О черепице упоминается в Инструкции СО-153-34.21.122-2003. Этот норматив разрешает использовать металлочерепицу как молниеприемник при толщине металла от 0,5 мм. В месте контакта с каналом молнии столь тонкий слой металла обязательно будет проплавлен, а сама черепица расколота. В итоге расплавленный металл опять попадет на чердак. Чтобы избежать пожара, разрешение на использование кровельных материалов с тонким слоем металла дано только для конструкций под кровлей из негорючих материалов. В России, где стропила и обрешетка деревянные, это создает большую проблему. Здесь металлочерепицу надо защищать от прямых ударов молнии.

Закономерен вопрос о молниезащите непроводящей кровли из полимерных материалов. В этом случае может успешно работать молниезащитная сетка из катанки, плоской шины или канатика. В России ее шаг принимается равным 6х6 или 12х12 м. Сетка способна защитить внутренние металлические конструкции под кровлей, например электропроводку на чердакеили аппаратуру климат-контроля. Очень рекомендуем индивидуальную оценку эффективности сетки. Для этой цели ее надо рассматривать как набор тросовых молниеотводов и контролировать размещение металлических конструкций в их зонах защиты. Такую работу лучше поручить специалисту.

Чтобы не рисковать, лучше не надеяться на кровлю и поручить защиту от прямых ударов молнии традиционным молниеотводам. В зависимости от конфигурации здания можно выбрать набор стержневых или тросовых молниеотводов, иногда – их комбинацию. Для коттеджа обычных размеров превышение молниеприемников над крышей оказывается достаточно скромным, в пределах 1,5–2 м. Архитектурного облика такие молниеотводы не испортят. Проблема кроется в другом – как закрепить молниеприемники и их токоотводы на тонкой кровле, где исключаются не только сварочные работы, но и многие виды болтовых соединений.

В настоящее время на российском рынке есть специализированные компании, у которых всегда можно подобрать подходящие элементы крепления, которым не страшна коррозия, а сами они не слишком бросаются в глаза на фоне кровли (некоторые из них представлены на фото). Например, если требуется установить молниеприемник на пластиковый конек крыши, то для этой цели служит удобный зажим с узлом крепления для стержневого молниеотвода. Предусмотрены зажимы для прокладки токоотводов вдоль крыши. Если необходимо, токоотводов может быть несколько, и все они надежно соединяются с молниеприемником и между собой. С этой целью использованы универсальные клеммы, которые изготавливаются из оцинкованной стали, меди и алюминия.

Не редкость, когда молниеприемник монтируется на плоском или слабо наклонном участке крыши. Тогда для его крепления подходят наборные бетонные опоры и специальные подставки под них. Все это попросту устанавливается на кровлю, а бетонные грузы обеспечивают настольно устойчивое соединение, что удерживают стержневой молниеприемник высотой до 8,5 м при ураганном ветре до 145 км/ч.

Современные кровельные материалы все еще не в состоянии вытеснить традиционные мягкие кровли, придающие строению особый шарм. Жаль только, что тростник, камыш или солома исключительно пожароопасны. Их молниезащита требует особого внимания и монтажа полностью изолированной молниезащитной системы (см. схему).

В таком исполнении верность традициям и стремление к элегантности вполне уживаются с современной надежностью.

Э.М. Базелян, профессор, докт. техн. наук, заведующий лабораторией молниезащиты ЭНИН им. Г.М. Кржижановского 

Пример из практики

Характеристика объекта.

Коттедж (10х8 м, высота – 8,5 м) из деревянного бруса. Под двухскатной крышей коттеджа размещена мансарда, куда подведены все необходимые коммуникации, в том числе электропроводка. Последняя размещена в чердачном помещении над мансардой на высоте 2 м от конька крыши. Горизонтальное смещение трассы проводки относительно конька кровли тоже равно 2 м. На территории участка застройки нет высоких деревьев, которые можно было бы использовать в качестве опоры естественных молниеотводов.

Мероприятия по молниезащите.

Инструкции РД 34.21.122-87 и СО-153-34.21.122-2003 не содержат специальных требований по молниезащите коттеджа. Проектировщик должен здесь руководствоваться пожеланиями заказчика и в определенной степени собственными представлениями, которые должны основываться на оценках частоты прямых ударов молнии в защищаемый объект и опасных воздействий ее электромагнитного поля.

Ожидаемое число прямых ударов легко просчитать. Для этого на плане постройки нужно провести замкнутую линию, удаленную от внешнего периметра стен на расстояние трех высот коттеджа, далее любым способом вычислить площадь, ограниченную этой линией, и умножить результат на удельную плотность грозовых разрядов. Величина последней для равнинной части средней полосы России близка к 2–3 на 1 км2 в год. По порядку величины получим 10-2, что означает около 1 удара за 100 лет эксплуатации. При столь ограниченной частоте прямых ударов разумно ограничиться внешней молниезащитой III уровня. Дальнейшее повышение надежности вряд ли целесообразно, поскольку опасность других стихийных воздействий окажется заметно больше.

Выбор молниеотводов.

Ограничиться укладкой сетки на диэлектрической кровле здания не удается. Этому препятствуют электрические коммуникации на чердаке. Если самый верхний проводник сетки проложить даже по коньку кровли, то и тогда его радиус защиты на высоте 6,5 м над уровнем земли, где лежит электропроводка, не превысит 1 м. Значит, сетка не в состоянии ее защитить. Все сказанное следует из правил построения зон защиты Инструкции СО-153-34.21.122-2003 (п. 3.3.2.1), по требованиям которой высота молниеотвода h отсчитывается от уровня земли. Собственно зона защиты представляется в виде кругового конуса с радиусом защиты на уровне земли r0 =1,2h. Вершина конуса не совпадает с вершиной молниеотвода, а лежит ниже ее. При надежности 0,9 (соответствует III уровню защиты) разность их высот принимается равной 15 % высоты молниеотвода.

Чтобы защитить электропроводку на чердаке, молниеприемник надо поднять над кровлей примерно на 1,5 м. С этой целью целесообразно применить стержневые молниеприемники, которые удобно крепить непосредственно на коньке крыши, лучше всего на его концах. Получается система, которую называют двойным стержневым молниеотводом. Его зона защиты заметно больше суммы зон для каждого молниеотвода в отдельности. Правила ее построения тоже даны в Инструкции СО-153-34.21.122-2003 (п. 3.3.2.3). Остается проверить, размещена ли кровля в зоне защиты. Если нет, высоту стержней легко увеличить, тем более, что фирмы-изготовители предлагают очень широкий набор молниеприемников с шагом высот в пределах десятков сантиметров.

Достаточно привлекательным представляется соединение молниеприемников между собой шиной, уложенной непосредственно по коньку. Тогда ток от каждого молниеприемника будет растекаться, как минимум, по двум направлениям, что и предписано нормативными документами.

Токоотводы от молниеприемников к заземлителю коттеджа удобно проложить по краям двухскатной крыши, где они будут менее заметны. Токоотводы можно крепить либо поверх кровельной плитки, либо к внутренней стороне настила крыши, которая выходит за пределы стен дома.

Надежность работы всей системы молниезащиты во многом определяется качеством заземления. Конкретные указания по его устройству даны в Инструкции РД 34.21.122-87. Типичный заземлитель выполняется в виде 2-стержневых электродов, забитых в грунт на глубину не меньше 3 м на расстоянии 3 м или более друг от друга. Сначала надо вырыть траншею глубиной 0,5–0,7 м. Стержни забиваются в ее дно. Затем между стержнями прокладывается полоса, которая приваривается к стержням или надежно крепится к ним. Когда работа закончена, траншею закапывают. Заземлитель такого рода выполняется у каждого токоотвода.

Не стоит жалеть денег на заземлитель. Очень хорошее качество заземления дает горизонтальный заземляющий контур, проложенный на глубине 0,5–0,7 м, вдоль внешнего периметра дома, лучше всего – сразу за отмосткой. Он выполняется горизонтальной шиной или прутком нужного сечения. В продаже есть стальные шины, шины с глубокой оцинковкой, защищенные от коррозии. Для особо большой надежности можно выбрать медь или нержавеющую сталь. Крепежные элементы подбираются соответственно выбранному материалу шины.

Последняя деталь – необходимо по кратчайшему расстоянию связать с контуром заземления металлические оболочки всех подземных коммуникаций, входящих в коттедж или выходящих из него. Это обеспечит защиту от заноса высокого потенциала.