Считаем частоту ударов молнии в здание

Из цикла статей "Молниезащита жилых и общественных зданий - ответы на частые вопросы при проектировании".

Формально расчет предельно прост. Нужно знать площадь стягивания молний в здание Sст и их удельную плотность nM в месте его расположения. Произведение этих величин дает среднее ожидаемое число прямых ударов молнии в год:

NM = nMSст (1)

В подавляющем большинстве практических ситуаций NM<<1. Дробное число молний не имеет физического смысла. Чтобы получить разумный результат, надо перейти от ожидаемого числа ударов к среднему сроку эксплуатации здания, за который оно с вероятностью, близкой к единице, примет на себя удар молнии:

Tмол ≈ 1/NM (2)

Во всех справочных материалах величина nM дается на 1 км2 в год. Поэтому расчетное значение Tмол оценивается в годах. Если, например, получено NM = 0,03, значит нужно в среднем ожидать один удар молнии за 1: 0,03 ≈ 33 года эксплуатации.

Понятие “в среднем” имеет здесь определяющее значение. Удар молнии в конкретное здание не обязательно произойдет через 33 года, До этого печального события, если не повезет, может пройти всего 1 – 2 года, а возможно и 100 лет (для особо везучих). Оцененный срок действительно средний. Он может быть подтвержден только многолетней статистикой наблюдений за большим числом однотипных зданий.

Таблица 1 заимствована из нормативного документа РД 34.21.122-87.

Таблица 1

Считаем частоту ударов молнии. Таблица 1

Чтобы найти величину nM, нужно сначала обратиться к карте продолжительности гроз (она тоже есть в нормативе), снять с нее среднегодовую продолжительность гроз для места расположения рассматриваемого здания и потом по таблице 1 получить искомое nM. Надо ли говорить, насколько приблизительным будет результат расчета. Хотелось бы оперировать более строгими цифрами, полученными, например, системой дистанционной регистрации интенсивности грозовой деятельности с пространственным разрешением хотя бы 200 - 500 м. К сожалению, в отличие от многих технически развитых стран, на территории России такая система пока еще не развернута.

Понятно, что в сложившейся ситуации бессмысленно тратить большие усилия на строгое вычисление площади стягивания. По опыту наблюдений за сооружениями разной высоты принято, что она ограничивается линией, удаленной от внешнего периметра объекта на расстояние, равного 3-м его высотам. Построение легко выполнить. Потом остается вычислить ограниченную площадь (внутри синей линии на рис. 1) любым методом, в крайнем случае, - по клеточкам на миллиметровке. При большой неопределенности значения nM погрешность вычисления площади вряд ли будет сколько-нибудь значима.

Считаем частоту ударов молнии. Рисунок 1

Рисунок 1

Часто элементы здания имеют разную высоту. В этом случае радиус стягивания можно оценить по высоте наиболее высокого элемента. Результат ожидаемого числа ударов даст тогда оценку сверху. Для уточнения расчета нужно построить площади для всех различных по высоте строительных фрагментов и провести их общую внешнюю границу, как это показано на рис. 2. Ограниченная ею территория даст уточненную площадь стягивания для здания в целом.

Считаем частоту ударов молнии. Рисунок 2

Рисунок 2

Выполненные построения справедливы только для уединенного здания. Соседние строения или высокие деревья могут сильно изменить результат. Представьте себе район городской застройки или садовый кооператив, где дома стоят едва ли не вплотную. Их зоны стягивания молний частично накладываются друг на друга. В итоге ожидаемое число ударов в каждый из домов будет меньше. При сопоставимой высоте соседних зданий можно считать, что из наложенных друг на друга участков зон стягивания молнии распределятся поровну между домами. Если же высоты принципиально различны, а их зоны стягивания перекрываются значительной долей, приходится прибегать к компьютерному расчету. Так же нужно поступать и в случае, когда заказчик требует большой точности.

На практике необходимость уточненных расчетов возникает редко. Оценка числа ударов молнии для уединенно расположенного здания всегда можно рассматривать как предельную, а ошибка даже на уровне значащей цифры вполне допустима из-за грубой оценки плотности грозовых разрядов на территории России.

В завершение раздела привожу характерные значения для предварительной грубой ориентировки при условии, что удельная плотность молний равна nM = 4 на км2 в год:

Э. М. Базелян, д.т.н., профессор
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва

Читайте далее "Дистанционные воздействия молнии".


Полезные материалы:

Сертификаты