ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗАЗШЯЮЩИХ СВОЙСТВ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Москва 19 9 1

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗАЗЕМЛЯЩИХ СВОЙСТВ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Материалы

по проектированию и эксплуатационному контролю

Руководитель работы заведующий отделом комплексной защиты электроустановок ВНИШЭМ

д.т.н., профессор    Р.НЛСарякин

Москва 19 9 1

Ю

Таблица 3

Наименование конструкций Серии фундаменты под колонны зданий 1.411.    I-I/84 I.4II-2 1.412.    1-4 I.4I2. 1-6 I.020-1/83, выпЛ фуццаментные- балки I.4I5. 1-г Колонны одноэтажных зданий 1.423Л - 3/88 I.423.I - 5/88 1.423 - 2 1.424.    1 -5 1.424.    1-6 1.424.    1-9 1.424.    1-ГО 1.427.    1-3 1.427.    1-6 Колонны и ригели многоэтажных зданий 1.020 - 1/83, вып.2 и 3 1.020. 1-2 1.020. 1-4 1.420    - 3/81 1.420    - 12 I.420.1 - 19 1.420. 1-20 с Плиты перекрытий многоэтажных зданий (без предварительного напряжения) 1.041.    1-3 1.042.    1-4 1.442.    I-I 1.442.    1-1,87 1.442.    1-2 1.442.    1-3

и

1,12, Для разработки деталей проекта молниезащиты (в слу-чае использования строительных конструкций в качестве заземляющих устройств и токоотводов) на этапе разработки каркаса и фундаментов здания разработчиками электротехнической части проекта выдается задание проектировщикам - строителям на раз-работку архитектурно-строительной части проекта.

Задание должно содержать следующие данные:

-    для проектирования молниезащитной сетки - шаг и диаметр стержней сетки, места соединений ее с колоннами;

-    при применении стержневых молниеприемников - их размещение, марки, высота и количество;

-    для защитного заземления оборудования - расположение заземляющего устройства, перечень конструкций его создающих, расположение закладных изделий в колоннах для подсоединения проводников заземления.

В рабочих чертежах архитектурно-строительной части проекта:

При проектировании молниезащиты должна быть дана схема кровли и разрезы здания, на которых показываются расположение молниеприемников, даются ссылки на узлы и детали молниезащиты.

На чертежах со схемами расположения строительных конструкций даются ссылки на узлы и детали, обеспечивающие заземление здания.

В чертежах железобетонных издедий должна быть предусмотрена установка дополнительных закладных изделий, предназначенных для соединения элементов цепи заземления.

Узлы и детали молниезащиты и заземления оборудования разрабатываются с использованием серий типовых конструкций, в которых предусмотрены детали заземляющих устройств; возможна разработка и других узлов и деталей.

При разработке узлов и деталей конструкций определяются и уточняются размеры закладных и соединительных изделий, их расположение, даются обозначения сварных швов.

iz

В рабочих чертежах архитектурно-строительной части проекта даются текстовые указания:

-    на плане фундаментов - об использовании фундаментов в качестве зазеылителей;

-    на опалубочных чертежах железобетонных конструкций -- о тщательном выполнении сварных соединений специальных закладных изделий, обеспечивающих непрерывность электрической цепи £

» на схемах расположения элементов строительных конструкций - об использовании их в качестве токоотводов;

-    в разделе антикоррозионной защиты - о защите закладных и соединительных изделий, перемычек и проводников.

£5

где д_{ - удельное электрическое сопротивление верхнего слоя земли, Ом.м;

удельное электрическое сопротивление подстилающего слоя земли при двухслойной структуре грунта, Ом.м;

h, - мощность (толщина) верхнего слоя земли, м;

S - площадь, ограниченная периметром здания, м²; аф - безразмерные коэффициенты, зависящие от соотношения удельных электрических сопротивлений слоев грунта;

если 8\^> 8г • ^то Р~ °Д*    ^<t=    3»¹*

если §^§2. * то £= 0,3.10“^    1,1.10?

Примеры расчета д_э по формуле (3)*

Пусть g_A= 500 Ом.м; д= 130 Ом.м; Т1_Д= 3,7 м,

(5 = 5 5 м.

При > g_t    р    =    0,1;    CL    =    3,6.

g₃= 5оо (i - e”^{2 3 4}*¹.    )    +    i3o    (i - e "°'¹. §§7 ) =

= 208 Ом.м.

Пусть    100    Ом.м; g_z= 900 Ом.м; h = 2 m; {S' = 240 u;

при g_L    p=    о,з.ю~²;    oi    =    i»i.io²;

ioo (i - e -M.id² ^) + 900 (i - e-o.3.10"² .

* ЩР) = 332 Ом.м

При отсутствии данных измерений электрических сопротивлений грунтов допустимо использовать примерные значения удельных сопротивлений.

Для расчета удельного эквивалентного электрического сопротивления земли ( рэ ) можно попользовать номограмму (рис.1).

СОЛРОЛШ/

подстилающего слоя зет/,?*/•#;

hn толщине/ верхнего слоя землям.

ЫЙ- площадь нулевого цикли зданий' н

Примечания /. Или ладонном упгоьии КГ*    и

_ Jj^fOOM-M

^ Ья получения орЛилзногл Ош Serna необходимо, найденное по номограмме значение Оз.е) Нмномитбнс/ атнои/е-ма£    т.е.

/// л

р-р Л.

О/О Н /#/

Z При заданном условии

Ж7/00М'/* р~р &

Уау. /л Пример: Згя yowfuo примера Mi из прияамеяия не находим

Стрцоками тазом напрадление переЗбжеш.НсщодопА^Пом'М Для лраоиншга отДегпа неаМхадиА/а

Йр ~Лн/40 ~~£у ^-РНЗ-221 Ом-м

i7

предпроектных изысканий.

Для предотвращения процессов коррозии араатуры могут применяться как гидроизоляционные покрытия на поверхности фундаментов, так и изготовление самих фундаментов из бетона повышенной плотнеоти.

Применение этих мер увеличивает сопротивление растеканию железобетонных фундаментов*

3.1. Расчет сопротивления растеканию фундаментов о гидроизоляционным покрытием*

Для фундаментного поля, образованного свайными фундаментами сопротивление растеканию вычисляется по формуле 0$:

*" йк[fr®¹ if⁺ ^⁴ -£%] ’    ^(i|)

^к‘^,+гЖШ'& ’

N - число свай;

h - глубина погружения оваи, м;

d- размер оторонн сваи, м;

S- площадь нулевого никла, м²;

g_M- удельное электрическое сопротивление защитного покрытия фундамента, Ом.м;

удельное сопротивление земли, определяющее сопротивление растеканию фундаментного поля при отсутствии защитных изолирующих покрытий на фундаментах, Ом.м;

Д - толщина защитного изолирующего покрытия на фундаментах, м;

Значение электрического сопротивления основных видов гидроизоляционных покрытий, применяемых в строительстве приведены в табл.

&

где    эквивалентный    радиус    основания    фундамента,    м

(см. п. 2.1);

^{к =} ^ ⁺ ' ⁽⁶⁾

Пример расчета сопротивления растеканию приведен в разделе 4.2.

3.2. Раочет сопротивления растеканию фундаментов при использовании бетонов высокой плотности.

При использовании бетонов различной плотности, как варианта гидроизоляционной защиты, в олучае

Qs/fia >5

принимается коэффициент увеличения сопротивления растеканию, равный 1,2 (см. п. 2.1).

Зависимость удельного сопротивления бетона от марки по водонепроницаемости (водопоглощению) приведена на рис. 2.

Сопротивление растеканию железобетонных фундаментов рассчитывается по формулам (I) ж (2).

4. КРИТЕРИЙ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТАЛШОЙ АРМАТУРЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В КАЧЕСТВЕ ЗАЗЕМЛИТЕПЕЙ И ЗАЗЕШШВДХ ПРОВОДНИКОВ

4.1. Допустимые плотности тоха

При определении возможности использования железобетонных фундаментов в качестве заземлителей должна быть выполнена проверка на соответствие требованиям основного критерия - допустимой плотности тока, стекающего с ардатурв⁵. Такая проверка должна быть выполнена для любой среды, в которой предполагается использование железобетонных фундаментов в качестве заземлителей.

Для наиболее распространенных фундаментов из бетона марки 300 с толщиной защитного слоя 30-35 мм и удельным сопротивлением не выше 1000 Ом.ышютнооть тока утечки с ардатурн железобетонных фундаментов не должна превышать допустимых значений, указанных в табл. 6    [15]    •

Материалы но проектирование и эксплуатационному контролю (в дальнейшем "Материалы") содержат методику расчета сопротивления растеканию одиночных фундаментов и фундаментных полей в неагрессивных и слабоагрессивных средах, без гидроизоляционных покрытий и с покрытиями. Приведены методика расчета плотности тока, стекающего с арматуры фундаментов, а также основные требования к строительным конструкциям, используемым в качестве заземлителей, заземляющих и нулевых защитных проводников. В "Материалах" содержатся технические решения, примеры схем расположения дополнительных закладных изделий, конструктивные узлы.

"Материалы" предназначены для проектных строительных и электротехнических организаций, а также могут быть полезны электромонтажникам, строителям и энергетикам предприятий.

1- (Теш# с ВеЗееегрещениеи менее 4,2%р?омасс$ мирна ее ВеЗенеерениг/аемес/еи 88; 2-Вето# с ВеЗееокраумнием 8,7-4,3%, мирна ее ВеЗонеерене-цаемос/еа 86; 8- Вето# с ВеЗееегееуенаем 6,7-48%, мирна ее ВеЗен&Роницаемесш 84;

4- Ве/ее# с ВоЗеоопеощением Верее 8,8, мор-ни ее ВеЗенееренацаемес/яи #2 нермирее/е-се. Зеенгоросеере/оиВ/генее Вешне# с Во-ВиВними ееееВерее/еер измерением ни о В-ризцах

Предисловие

Проектирование заземляющих устройств электроустановок промышленных предприятий выполняется в соответствии с гл.1.7 Правил устройства электроустановок [17J . Одно из основных требований этой главы Дравид предусматривает создание эквипотенциальной системы в цепи тока нулевой последовательности. Создание такой системы возможно только на основе использования стальных и железобетонных каркасов производственных зданий и сооружений в качестве заземляющих и занулящих проводников, а железобетонных фундаментов зданий и сооружений -- в качестве заземлителей.

Практическому решению этой сложной электротехнической задачи посвящены Материалы по проектированию и эксплуатационному контролю.

В Материалах изложены основные принципы конструирования строительных элементов зданий, использующихся в качестве заземлителей и заземляющих проводников. Приведены методы расчетов сопротивления растеканию и плотности токов, стекающих с арматуры фундаментов, позволяющие проектным организациям на стадии проектирования принимать решения о возможности использования фундаментов зданий в качестве заземлителей и конструкций зданий в качестве заземляющих проводников.

Материалы разработаны творческим коллективом в составе д.т.н.Р.Н.Карякина (руководитель работы), к.г.н.В.И.Солнцева, инж.Б.А.Билько, инк. С .В. Егорова.

Дополнительно в проведении экспериментальных исследований, выполнении расчетов и в оформлении материалов принимали участие инженеры А.Г .Болтянский, 0. Л.Бобровникова, Т.ГЛСомраз.

4

I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.    "Материалы" распространяются на проектирование и строительство промышленных зданий и предусматривают выполнение в железобетонных конструкциях зданий при их изготовлении и монтаже специальных мероприятий, обеспечивающих возможность использования конструкций зданий в заземляющих устройствах.

1.2.    "Материалы" составлены на основе результатов комплексных исследований, позволивших создать основы практического использования заземляющих свойств строительных конструкций.

Результаты исследований включают:

- решение задачи определения электромагнитных параметров сложной пространственной системы, образованной каркасом производственного здания и его фундаментом. Решение получено в универсальном виде, позволяющем: рассчитывать параметры для сколь угодно сложных фундаментных полей, учитывать вертикальную и горизонтальную неоднородность электрической структуры грунта в диапазоне изменения его удельного электрического со-ппотивления от 10 Ом.м до 25.10^ Ом.м, рассчитывать потенциалы, а также токи через тело человека, касающегося заземленных частей здания, как в нормальных режимах, так и при коротких зашканиях в электроустановках;

- определение возможности использования железобетонных фундаментов в качестве заземлителей без появления электрокоррози-онных повреждений и без снижения их срока службы.

Х.З. Результаты исследований позволяют рекомендовать использовать железобетонные фундаменты производственных зданий в качестве заземлителей электроустановок всех классов как в обычных почвенно-грунтовых условиях, так и в условиях вечной мерзлоты и в грунтах с высоким удельным сопротивлением, и на эфой основе отказаться от сооружения искусственных заземлителей.

В качестве естественных заземлителей рекомеццуется использовать:

железобетонные фундаменты зданий и сооружений, в том числе, имеющие защитные гидроизоляционные покрытия, в неагрессивных, слабо- и среднеагрессивных средах; при этом необходимость приварки анкерных болтов стальных колонн (арматурных стержней

5

железобетонных колонн) к арматурным стержням железобетонных фундаментов определяется допустимой плотностью тока в приар-матурном слое бетона; плотность тока, стекающего в землю с естественного заземлителя, не должна превышать значений, указанных в таблице I.

Таблица I

Род тока Допустимая плотность тока. А/м^ Внешняя поверхность арматуры железобетона Поверхность свикцов оболочка кабеля Кратковременный 1000 100 переменный ^fc+ 0,09 Vt+ 0,09 Длительный 1.0 0,5 переменный Длительный постоянный 0,06 не допускается

"fc - время протекания тока в секундах (предел *Ь, относящийся к кратковременному воздействию - 5 с).

1.4. В качестве элементов заземляющих устройств и токоот-водов рекомендуется использовать стальные конструкции (фермы, балки, колонны), арматуру железобетонных колонн, ригелей, плит перекрытий., фундаментов, фцндаментных балок, а также стальные конструкции производственного назначения (рельсы подкрановых путей, подкрановые балки, балки площадок под оборудование, воздуховоды и т.д.

Для использования в заземляющих устройствах все металлические конструкции и арматура железобетонных конструкций (фундаментов, колонн, ферм, стропильных, подстропильных и подкрановых балок, ригелей) должны быть соединены между собой таким образом, чтобы была образована непрерывная электрическая цепь заземления по всему зданию для максимально возможного снижения плотности тока, стекающего с арматуры фундаментов.

Непрерывность электрической цепи токоотводов обеспечивается соединением стальных элементов:

6

-    в зданиях с монолитным железобетонным каркасом -сваркой рабочей арматуры элементов, являющихся токоотводами;

-    в зданиях из сборных железобетонных конструкций -сваркой закладных изделий примыкающих друг к другу конструкций, либо при помощи стальных перемычек (соединительных изделий) сечением не менее 100 ым*% которые привариваются к закладным изделиям соединяемых железобетонных конструкций, используемых в качестве токоотводов. Длина сварных швов должна быть не менее 60 мм, а высота швов - не менее 5 мм;

-    в зданиях из сборных железобетонных конструкций арматура, используемая в качестве токоотводов должна иметь связь с арматурой фундамента заземлителя; при отсутствии этого условия в местах разрывов арматуры необходима установка перемычек в виде соединяющих арматурных стержней или отрезков стальных полос;

-    в зданиях со стальным каркасом достаточны болтовые, заклепочные и сварные соединения, обеспечивающие совместную работу элементов каркаса. В тех местах, где такие соединения отсутствуют, должны быть предусмотрены перемычки сечением

не менее 100 мм^, привариваемые к соединяемым конструкциям.

Приварка дополнительных закладных изделий к арматуре железобетонных элементов, а также приварка всех соединительных элементов должна производиться согласно требованиям ГОСТ 5264-80 и ГОСТ 14098-85.

При наличии в кровле здания молниеприемной сетки, она должна быть соединена с арматурой колонн, соединенной перемычками с арматурой фундаментов-заземлителей.

В зданиях с железобетонным каркасом при отсутствии молниеприемной сетки система проводников, обеспечивающих непрерывность электрической цепи может быть создана соединением арматуры колонн с арматурой фундаментных балок. В местах отсутствия фундаментных балок должен быть предусмотрен специальный проводник из стали сечением не менее 100 мм*\ В многоэтажных зданиях непрерывной внутренний контур, объединяющий в единую цепь колонны и ригели каркаса, выполняется на одном из нескольких этажей.

7

Ддя присоединения защитного заземления оборудования в колоннах предусматриваются закладные изделия.

Закладные изделия в колошах для создания опоры для заземляемого технологического оборудования (металлических площадок) или для крепления сантехнических и технологических коммуникаций должны быть соединены с продольной арматурой колош.

Все остальные конструкции, запроектированные в здании (площадки, вентиляционные устройства, трубы, лестницы, металлические корпуса технологического и электротехнического оборудования и пр.) должны быть присоединены при помощи сварки к цепи заземления.

Естественный заземлитель в месте его присоединения к заземляющему устройству должен обеспечивать протекание по нему наибольшего допустимого тока в кА, определяемого по формуле;

± gon & I >

где: £ - сечение естественного эаземлителя, мм?;

X - допустимая плотность тока (кА/мм^), которая при времени протекания тока в одну секунду и менее определяется по выражению:

-Г _    II®

^{1 =} ТГ’

а при времени более одной секунды - по выражению:

X - V ’

где: \ - время в секундах, а принимается

для стальных проводов и конструкций - 0,07;

для сталеалюминиевых проводов    -    0,15    ;

для арматуры железобетона    -    0,03    ;

для свинцовой оболочки кабеля с бумажной

пропитанной изоляцией на напряжение ___

до 10 кВ    -    0,03    ;

для свинцовой оболочки кабеля с бумажной

пропитанной изоляцией на напряжение

20-220 кР    0,02    .

Для остальных естественных заземлителей ток не нормируется.

s

1.5.    В заземляющих устройствах допускается использовать колонны₆ сваи, стропильные и подстропильные балки, ригели, плиты покрытия с напрягаемой арматурой.

1.5Л„ Не допускается использовать в заземляющих устройствах плиты перекрытия, подкрановые балки, стропильные и подстропильные фермы с напрягаемой арматурой, железобетонные конструкции с напрягаемой проволочной и прдцевой (канатной) арматурой, железобетонные конструкции с напрягаемой стержневой арматурой диаметром менее 12 мм.

1.6.    Не допускается использовать в заземляющих устройствах:

-    железобетонные конструкции электроустановок в электролизных цехах и электроустановок,работающих в районе эксплуатации электрической тяги на постоянном токе;

-    железобетонные фундаменты при расположении их в сухих песках и скальных грунтах с влажностью менее 3$.

1.7.    фундаменты из плотных бетонов с маркой по водонепроницаемости до Вб включительно допускается использовать в качестве заземлителей в среднеагрессивной среде.

Не рекомендуется применение в качестве заземлителей железобетонных фундаментов из бетона марки по водонепроницаемости В8.

Железобетонные фундаменты из бетона более высоких марок по водонепроницаемости запрещаются к применению.

1.8.    При разработке электротехнической части проекта в отдельных случаях (например, при агрессивных грунтах) для железобетонных фундаментов, используемых в качестве заземлителей, должен быть проведен расчет плотности тока, стекающего с арматуры фундамента в бетон и далее в грунт. Максимальное значение плотности тока должно быть менее величин, указанных в таблице 2,

Таблица 2 Вид тока    Допустимая    плотность    тока,    А/ы^

Ток молнии ЗОхТО3 Ток кратковременный промышленной частоты (до 3 с) 1,0хЮ3 Ток длительной промышленной частоты 1.0

Во избежание превышения значений плотности тока указанных в таблице, рекомендуется об единять в единую систему все элементы конструкций, используемых в цепи заземления. Соединения этих элементов должны осуществляться только стальными изделиями.

1.9.    Допускается использовать здания и сооружения в качестве заземлителей в среде при концентрации ионов хлора до 0,5 р/л ( С6 ) или сульфат-ионов до 10,0 г/л

(    $0^    ), в том случае, если плотность токов, длитель

но стекающих с арматуры фундаментов, не превышают I А/ы^. Расчет плотности тока должен выполняться в соответствии с методикой, изложенной в п.4.2.

1.10.    При защите поверхности фундаментов битумными или битумно-латексными покрытиями возможно использование железобетонных фундаментов в качестве заземлителей в неагрессивных средах, а также при слабоагрессивной степени воздействия грунта на железобетонные конструкции фундаментов производственных зданий и сооружений (см.табл.4 СНиП

2.03.11-85 "Защита строительных конструкций от коррозии").

I.II. Конкретные технические решения для серий типовых железобетонных строительных конструкций одноэтажных и многоэтажных зданий промышленных предприятий даны в Альбоме серии 5407-134, введеном в действие 01.06.91. (см.табл.3).

1

ионов хлора и сульфат-ионов, которое определяется из материалов

2

РАСЧЕТ СОПРОТИВЛШШ РАСТЕКАНИЮ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ

3

ФУНДАМЕНТОВ В АГРЕССИВНЫХ ГРУНТАХ

4

Степень агрессивности воздействия на арматуру железобетонных фундаментов неорганических жидких сред оценивается исходя из содержания в грунтовых водах или водных вытяжках жз грунтов

5

^s Плотность тока рассчитывается на поверхность «равную половине поверхности вертикальных стержней арматуры,расположенных по внешней части арматурной сетки.