Verfasser: Dipl.-Ing. Jürgen Wettingfeld Stand 04/09
1. Allgemeines
Die Aufgabe des Äußeren Blitzschutzes ist es, l Blitze aufzufangen, l den Blitzstrom vom Einschlagpunkt zur Erde
abzuleiten und l in der Erde zu verteilen, ohne dass durch thermische oder mechanische Wirkungen Schäden an der zu schützenden bau-lichen Anlage oder für Personen gefährliche Über-spannungen auftreten können.
Der Äußere Blitzschutz kann in den meisten Fällen an der zu schützenden baulichen Anlage befestigt werden. In bestimmten Fällen muss allerdings der Äußere Blitzschutz getrennt von der baulichen An-lage installiert werden, wenn thermische Wirkun-gen am Einschlagpunkt oder in den Leitungen, die den Blitzstrom führen, Schäden an der zu schüt-zenden baulichen Anlage oder deren Inhalt verur-sachen können.
Typische Anwendungsbereiche für den Einsatz eines getrennten Äußeren Blitzschutzes sind: l Gebäude mit brennbarer Dacheindeckung (z.B.
Reet)l Gebäude mit brennbaren Wändenl Bereiche mit Explosions- und Brandgefahr
Der Äußere Blitzschutz muss so geplant und er-richtet werden, dass keine gefährlichen Funken auftreten können.
Für den getrennten Äußeren Blitzschutz bedeutet dies:l entsprechende Isolierungen oder l Sicherheitsabstände berücksichtigen.
Für den nicht getrennten Äußeren Blitzschutz bedeutet dies:l Verbindungen zu metallenen Installationen her-
stellen oder l entsprechende Isolierungen oderl Sicherheitsabstände berücksichtigen.
Die Fangeinrichtung muss einschlaggefährdete Teile einer baulichen Anlage schützen; dies gilt besonders für Ecken, Kanten und Grate eines Gebäudes und herausragende Teile wie Kamine, Lüfter etc..
Als Fangeinrichtung können vermaschte Leitun-gen, Stangen und gespannte Drähte oder Leitun-gen verwendet werden.
Bei der Planung können die verschiedenen Aus-führungsformen der Fangeinrichtungen beliebig miteinander kombiniert werden, um ein Optimum unter technischen und wirtschaftlichen Gesichts-punkten zu realisieren.
Für die Anordnung und Lage der Fangeinrichtun-gen stehen drei Planungsverfahren zur Verfügung:
l Blitzkugelverfahren: geeignet für alle Gebäude
l Schutzwinkelverfahren: geeignet für Gebäude mit einfacher Form
l Maschenverfahren: zugelassen für den Schutz ebener Flächen
Die Werte der bei der Planung anzuwendenden Kugelradien, Schutzwinkel und Maschenweiten sind in den Bildern 1 und 2 aufgeführt.
Bild 1: Vorgaben für die Planung der Fangeinrichtungen nach DIN EN 62305-3
Bild 2: Schutzwinkel für Fangeinrichtungen nach DIN EN 62305-3
4. Wenn geneigte oder vertikale Flächen von der Blitzkugel berührt werden, dann sind auch dort Fangeinrichtungen anzubringen (Bild 4).
3. Entwurf der Fangeinrichtung mit dem Blitzkugelverfahren
Das Blitzkugel-verfahren das aus dem elektrisch-geometrischen Blitzmodell abgeleitete, physika-lisch begründete Planungsverfahren für Fangein-richtungen. Mit Hilfe des Blitzkugelverfahrens wer-den alle Bereiche ermittelt, in die ein Blitz einschla-gen kann. Man kann diese Bereiche dadurch be-stimmen, dass man die Blitzkugel über die bauli-che Anlage rollt. Dies kann gedanklich, auf Zeich-nungen oder an Modellen erfolgen. Der Radius der Blitzkugel muss dabei der Schutzklasse entspre-chen, die im Vor-feld der Planung für eine bauliche Anlage zu ermitteln ist.
Bei der Planung kann die Anordnung von Fangein-richtungen mit dem Blitzkugelverfahren überprüft werden. Die Anforderungen aus der Norm sind dann erfüllt, wenn kein Punkt des zu schützenden Volumens (z.B. Motorlüfter, Rückkühlwerke etc.) von der Blitzkugel berührt werden.
Wenn der Schutz durch die Anordnung von Fang-stangen erfolgt, dann muss die Eindringtiefe der Blitzkugel zwischen den Fangstangen ermittelt werden.
Die Berechnung der Eindringtiefe erfolgt nach der nachstehenden Formel:
2. Vorgehensweise bei der Planung von Fangeinrichtungen
In der Praxis erhält man die besten Ergebnisse wenn die verschiedenen Planungsverfahren miteinander kombiniert werden. Folgende Vor-gehensweise sollte dabei gewählt werden:
1. Mit dem Blitzkugelverfahren müssen alle Stellen ermittelt werden, in die ein Blitz ein-schlagen kann (Bild 5).
2. Nach dem Maschenverfahren können ebene Flächen durch ein Maschennetz geschützt wer-den (Bild 6).
3. Nach der Schutzwinkelmethode müssen aus diesen Flächen herausragende Teile durch Fangeinrichtungen geschützt werden. Die Fangeinrichtungen sind so anzuordnen, dass das zu schützende Volumen ganz im Schutz-bereich liegt (Bild 3). Nichtmetallene Dachauf-bauten < 0,3 m Höhe müssen nicht geschützt werden.
Bild 3: Anwendung des Schutzwinkelverfahren
Bild 4: Schutz von geneigten Flächen
p = Eindringtiefe der Blitzkugel [m]R = Radius der Blitzkugel in Abhängigkeit von der Schutzklasse [m]d = Abstand der Fangeinrichtungen [m]
p = R – R²– – [m]d2
²
Stand 04/09
s Trennungsabstand
a Schutzwinkel nach DIN V VDE V 0185 T3-1, Tabelle 3
3. Entwurf der Fangeinrichtung mit dem Blitzkugelverfahren - Fortsetzung -
Tabelle 1 zeigt die Eindringtiefe der Blitzkugel zwischen Fangeinrichtungen in Abhängigkeit von der Schutzklasse (Radius der Blitzkugel).
Tabelle 1: Eindringtiefe der Blitzkugel
Schutzklasse I von 0,31 m. Der Schutz des Rück-kühlwerkes muss daher durch Fangstangen mit einer Höhe h > 1,81 m erfolgen.
Erfolgt ein Schutz durch eine einzelne Fangstange, einen Mast oder eine erhöht angebrachte oder ge-spannte Fangleitung, dann ergibt sich ein ge-schütztes Volumen für den Bereich, in den die Blitzkugel nicht eindringt, wenn sie die Fangein-richtung berührt (Bild 7).
Bild 7: Geschütztes Volumen einer Fangstange, eines Mastes oder einer horizontalen Leitung bestimmt mit dem Blitzkugelverfahren (h < R), horizontale Bezugsfläche
Erfolgt der Schutz durch die Anordnung von meh-reren Fangstangen, dann muss für die Berechnung der Eindringtiefe immer die größte Entfernung zwi-schen den Fangstangen gewählt werden.
Beispiel: Erfolgt der Schutz eines Motorlüfters von 1,5 m Höhe durch die Anordnung von 2 Fangstangen, die im Abstand von 3 m aufgestellt werden, dann be-trägt die Eindringtiefe "p" der Blitzkugel für Schutz-klasse I = 0,06 m. Der Schutz des Motorlüfters muss durch Fangstangen mit einer Höhe h > 1,56 m erfolgen.
Beispiel: Erfolgt der Schutz eines Rückkühlwerkes von 1,5 m Höhe durch die Anordnung von 4 Fangstan-gen, die im Abstand von 5 m zueinander aufgestellt werden, dann beträgt die Diagonale "d" zwischen zwei Fangstangen 7,07 m. Aus diesen Angaben ergibt sich eine Eindringtiefe der Blitzkugel für
Bei der Planung der Fangeinrichtung muss die Neigung der Bezugsfläche beachtet werden, da in diesem Fall das geschützte Volumen unterschied-lich ausfällt. Je stärker die Neigung ist, um so grö-ßer ist das geschützte Volumen oberhalb der Fangeinrichtung und um so kleiner ist das ge-schützte Volumen unterhalb der Fangeinrichtung (Bild 8).
Bild 8: Geschütztes Volumen einer Fangstange, eines Mastes oder einer horizontalen Leitung bestimmt mit dem Blitzkugelverfahren (h < R), geneigte Bezugsfläche
3. Entwurf der Fangeinrichtung mit dem Blitzkugelverfahren - Fortsetzung -
Werden für die Planung einer Fangeinrichtung parallel angeordnete horizontale Fangseile vor-gesehen, dann muss der Abstand "d" zwischen den Fangseilen kleiner als der Radius "R” der Blitzkugel sein. Weiterhin muss die Eindringtiefe "p" berechnet werden, um sicherzustellen, dass die Blitzkugel nicht das zu schützende Objekt berührt (Bild 9).
Bild 9: Geschütztes Volumen durch zwei horizontale Fangleitungen
Bei dieser Betrachtung muss der Zusammenhang zwischen dem Radius der Blitzkugel und dem unteren Blitzstromscheitelwert beachtet werden (siehe Tabelle 1).
Kleinere Kugelradien entsprechen auch kleineren Scheitelwerten des Blitzstromes. So kann ein Ob-jekt, das nicht von einer Blitzkugel mit dem Radius 60 m berührt wird, durchaus von einer Blitzkugel mit kleinerem Radius berührt werden. Konkret be-deutet dies in diesem Beispiel, dass das Objekt nicht von einem Blitz mit einem Stromscheitelwert von 15,1 kA getroffen werden kann, aber durchaus von einem Blitz mit einem Stromscheitelwert mit 2,9 kA (siehe Bild 11).
Bild 11: Gefährdung eines Objekts, Zusammenhang zwi-schen Radius der Blitzkugel und Blitzstromscheitel-wert
Durch Fangeinrichtungen entsteht ein geschütztes Volumen. Bei der Betrachtung des Bildes 10 könn-te man zu der Meinung kommen, dass die Schutz-klasse IV ein größeres geschütztes Volumen ergibt und damit einen besseren Schutz bietet.
Bild 10: Geschütztes Volumen in Abhängigkeit von der Schutzklasse
R
Fang-einrichtung
RSK IV = 60 m
RSK III = 45 m
RSK II = 30 m
RSK I= 20 m
-
Geschütztes Volumen für Schutzklasse I, I=2,9 kAGeschütztes Volumen für Schutzklasse I, I=5,4 kA
Geschütztes Volumen für Schutzklasse III, I=10,1 kAGeschütztes Volumen für Schutzklasse IV, I=15,7 kA
4. Entwurf der Fangeinrichtung mit dem Schutzwinkelverfahren
Alle Teile einer zu schützenden baulichen Anlage müssen bei der Anwendung des Schutzwinkel-verfahrens innerhalb der Hüllfläche liegen, die durch den Schutzwinkel von Fangleitungen, Fang-stangen, Masten und Drähten gebildet wird. Die in DIN EN 62305-3 angegebenen Schutzwinkel wer-den vom Radius der Blitzkugel abgeleitet. Der mit dem Radius einer Blitzkugel vergleichbare Schutz-winkel ergibt sich, wenn eine Schräge die Blitzku-gel so schneidet, dass die hierdurch entstehenden Flächeninhalte gleich groß sind ( Bild 12).
Bild 13: Schutzkegel einer Fangstange
Die Referenzebene kann die Oberfläche eines Daches, eine Fangmaschenebene oder der Erd-boden sein. Wenn der Schutzwinkel über eine Referenzebene hinausreicht (z.B. über die Dach-kante), dann verändert sich der Winkel, da er sich auf die Höhe der darunter liegenden Referenz-ebene bezieht. Bei der Anwendung muss der zu-lässige Schutzwinkel der ausgewählten Schutz-klasse beachtet werden.
Bild 14: Der gültige Schutzwinkel ergibt sich durch den Bezug auf die jeweilige Referenzebene
Bild 12: Schutzwinkel und vergleichbarer Radius der Blitzkugel
Das geschützte Volumen ist ein Kegel, dessen Oberfläche um den Winkel gegen die Senkrechte auf die Grundfläche (Referenzebene) geneigt ist (Bild 13).
Der Kegel mit dem Schutzwinkel muss das ganze zu schützende Teil einschließen. In den normalen Ansichten ist oft nicht die maximale Ausdehnung zu erkennen. Dann muss ein Schnitt so gelegt werden, dass er die ungünstigste Position darstellt, damit die notwendige Höhe der Fangleitungen oder Fangstangen ermittelt werden kann.
Beispiel: Auf einem Flachdachgebäude (Höhe 17 Meter) wird in Abstand von 1 Meter zur Dachkante eine 3 Meter hohe Fangstange aufgestellt. Für den Fall, dass Schutzklasse III zugrunde gelegt wird, ergibt sich für die Referenzebene Dach ein Schutzwinkel a von 74° und für die Referenzebene Erdoberflä-1
che ein Schutzwinkel a von 48°. 2
Stand 04/09
5. Entwurf der Fangeinrichtung mit dem Schutzwinkelverfahren
In Abhängigkeit von der Gebäudehöhe ergibt sich ein Schutzraum um ein Gebäude (Bild 15). Die Abmessung des Schutzraumes lässt sich wie folgt berechnen:
Bild 17: Schutz einer Radarkuppel unter Anwendung des Schutzwinkelverfahrens
Bild 18: Schutz eines klimatechnischen Aufbaus durch ge-spannte Leitungen unter Anwendung des Schutz-winkelverfahrens
Bild 15: Schutzraum um ein Gebäude
Wird ein Fangseil zwischen zwei Fangmasten ge-spannt, dann ergibt sich ein Schutzraum, wie er in Bild 16 dargestellt ist. Diese Anordnung der Fang-einrichtung wird häufig im militärischen Bereich zum Schutz z.B. von Munitionsdepots angewendet. Bei der Planung muss in solchen Fällen der Durch-hang des Fangseils berücksichtigt werden. Der Durchhang hängt von der Länge und der Vorspan-nung des Fangseiles und den Temperaturänderun-gen ab.
6. Entwurf der Fangeinrichtung mit dem Maschenverfahren
Ebene Dachflächen aus nichtleitendem Material (z.B. Kunststoffdachbahnen, Ziegel etc.) sind durch Fangmaschen geschützt, auch wenn die Blitzkugel die darunter liegende Dachfläche berührt. Der Ra-dius der Blitzkugel setzt sich aus der Summe der Länge der Vorwachsstrecke des Blitzes und der Länge der Fangentladung zusammen. Da von ei-ner ebenen Fläche aus isoliertem Material prak-tisch keine Fangentladungen ausgehen, ist die Wahrscheinlichkeit, dass es zwischen richtig di-mensionierten Fangmaschen Einschläge gibt, ge-ring.
Wird für die Planung der Fangeinrichtung das Ma-schenverfahren angewendet, erreicht man einen Schutz für ebene Flächen, wenn ein Maschennetz die gesamte Oberfläche schützt und folgende Be-dingungen erfüllt:
a) Fangleitungen müssen angeordnet werden anl allen Dachkanten (Bild 19)l Dachüberhängenl Dachfirst, wenn die Dachneigung größer als
1/10 ist (Bild 20) (Hinweis: Flachdächer haben häufig Dachneigungen von 2° bis 5°, damit das Wasser zu den Regenabläufen gelangen kann. Hierdurch ergeben sich Erhöhungen, die nicht als Dachfirste zu berücksichtigen sind).
b) Seitliche Außenflächen der baulichen Anlage müssen mit Fangeinrichtungen versehen sein, wenn die Höhe der baulichen Anlage größer als der Radius der entsprechenden Blitzkugel ist.
c) Die Maschenweiten der Fangeinrichtungen dürfen die angegebenen Werte unter Beach-tung der Schutzklasse nicht überschreiten (Bild 1).
d) Das Netzwerk der Fangeinrichtungen muss so ausgeführt werden, dass der Blitzstrom immer über mindestens zwei Ableitungen zur Erdungs-anlage abfließen kann.
e) Metallene Installationen dürfen nicht aus dem durch die Fangeinrichtungen geschützten Volu-men herausragen.
f) Fangleitungen müssen auf direktem und kur-zem Weg angeordnet werden.
Bild 20: Beispiel für den Entwurf einer nicht getrennten Fangeinrichtung auf einem Firstdach
Bild 21: Beispiel für die Anwendung der Maschenmethode
Bild 19: Beispiel für den Entwurf einer nicht getrennten Fangeinrichtung auf einem Flachdach
7. Berücksichtigung der Einschlagswahr-scheinlichkeit bei der Planung der Fangein-richtungen
Die Normen weisen daraufhin, dass insbesondere Dachkanten, Dachfirste und Dachgrate beim Ent-wurf der Fangeinrichtung berücksichtigt werden müssen.
Der Hintergrund für diese Forderung wird deutlich, wenn man mit Hilfe des Blitzkugelverfahren die Oberfläche eines Gebäudes untersucht. Durch diese Untersuchung erhält man Informationen über die Wahrscheinlichkeit eines Einschlages an den verschiedenen Punkten der Oberfläche eines Ge-bäudes.
Um diese Informationen zu erhalten, wird die Blitz-kugel wie üblich über die bauliche Anlage gerollt, zusätzlich wird jedoch auch die Bahn des Kugel-mittelpunktes aufgezeichnet (siehe Bild 22). Der Kugelmittelpunkt ist nach den Grundlagen des Blitzkugelverfahrens der Blitzkopf. Alle Punkte auf dieser Linie durch die Kugelmittelpunkte haben die gleiche Eintrittswahrscheinlichkeit für ein Auftreten eines Blitzes mit dem einem Kugelradius zuge-ordneten Scheitelwert.
Bild 22: Bahn des Kugelmittelpunktes beim Überrollen mit der Blitzkugel
Die Länge der Strecke auf der Bahn des Kugelmit-telpunkts, von der aus ein Punkt der Oberfläche berührt wird, ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit eines Einschlags an dem jeweiligen Punkt.
Im Bild 22 sieht man, dass in die Dachkanten alle Blitze einschlagen werden, deren Blitzkopf auf ei-nem Punkt des jeweiligen Viertelkreises liegt; auf die gesamte Dachfläche schlagen nur alle Blitze ein, deren Blitzkopf auf der Geraden über dem Dach liegen, an den Wänden nur die, die auf der Geraden zwischen der Höhe des Kugelradius und der Höhe der Dachkante liegen.
Die Einschlagwahrscheinlichkeit in einen Punkt der Dachkante ist also wesentlich größer als in einem Punkt der Wand und auch größer als in einem be-stimmten Punkt der Dachfläche.
Wird dieser Vorgang in allen Richtungen wieder-holt, dann erhält man eine Fläche, die die Lage des Blitzkopfes angibt. Man sieht dann leicht, dass sich über den Kanten eine Zylinderfläche ergibt, über den Ecken jedoch ein Kugelabschnitt mit 3/8 der Kugeloberfläche. Daraus folgt, dass an den Ecken des Daches die Einschlagwahrscheinlich-keit wesentlich größer ist als an jedem Punkt der Dachkante und dort wesentlich größer als an den ebenen Flächen (siehe hierzu auch Bild 23).
Bild 23: Bahn des Kugelmittelpunktes bei Gebäuden mit unterschiedlichen Höhen
Bei einem größeren Kugelradius wird der Bereich der Wand, der von der Blitzkugel berührt wird, im-mer kleiner; wenn der Radius der Blitzkugel gleich oder größer als die Gebäudehöhe ist, werden die senkrechten Wände überhaupt nicht mehr berührt; Blitze entsprechender Stromstärke schlagen dort nicht mehr ein.
