Przyjmowanie do stosowania norm międzynarodowych związane jest z procesem integracji Polski z krajami Unii Europejskiej. Odnosi się to również do standardów dotyczących ochrony odgromowej. Niniejszy artykuł poświęcony jest problemom związanym z wyborem właściwego poziomu ochrony, zgodnie z normą PN-IEC 61024-1-1 [2] i polską poprawką do niej [3].

Do roku 2001 stosowano w Polsce tylko cztery arkusze normy krajowej PN-xx/E-05003. Od roku 2001 rozpoczęto wprowadzanie nowych norm międzynarodowych z serii PN-IEC 61024 (ochrona odgromowa) i PN-IEC 61312 (ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym). Pozostawiono przy tym w użyciu stare normy (za wyjątkiem arkusza 02 normy PN-86/E-05003), co w trakcie projektowania jest przyczyną poważnych wątpliwości, w tym prawnych, który arkusz normy należy stosować w konkretnej sytuacji. W roku 2006 pojawił się kolejny zbiór norm uznaniowych PN-EN 62305, których tylko okładki zostały przetłumaczone na język polski. Niestety w każdej z wymienionych serii niejednokrotnie formułowane są wymagania niespójne z wymaganiami pozostałych serii, a ich współistnienie powoduje zamęt interpretacyjny dotyczący wyboru właściwych środków ochrony.
Istotny problem stanowią kryteria wyboru poziomu ochrony odgromowej. Po wprowadzeniu grupy norm serii PN-IEC 61024 wydano poprawkę krajową [3], a w niej, bez podania uzasadnienia, 10-krotnie zmniejszono największą dopuszczalną średnią roczną częstość wyładowań piorunowych, które powodują szkodę w obiekcie (z wartości 10^-2 na 10^-3). Ta z pozoru tylko matematyczna zmiana prowadzi do kosztownych skutków dla inwestorów i właścicieli obiektów budowlanych w Polsce.
W normach z serii PN-xx/E-05003 podano dość klarowną klasyfikację wymagań na ochronę: podstawową, obostrzoną i specjalną. W seriach norm PN-IEC 61024 i PN-IEC 61312 wprowadzono pojęcie czterech poziomów ochrony odgromowej z liczbowo określonymi wartościami skuteczności urządzenia piorunochronnego: E₄ = 0,80, E₃ = 0,90, E₂ = 0,95, E₁ = 0,98.
W najnowszej serii PN-EN 62305 koncepcja czterech poziomów jest kontynuowana. Obok innych zmian wprowadzono procedurę wyboru poziomu ochrony na podstawie analizy ryzyka zaistnienia szkód. Intencja opracowania procedury tego rodzaju była niewątpliwie celowa, jednakże poziom jej złożoności oraz mnogość arbitralnie określonych współczynników, w dodatku nie obejmujących wielu istotnych z punktu widzenia użytkownika obiektu sytuacji, stawia pod znakiem zapytania słuszność wprowadzenia jej w postaci aktu normatywnego, a nie jako dyskusyjnej literatury specjalistycznej. Polemika na ten temat stanie się zapewne bardziej ożywiona w przyszłości, po przetłumaczeniu norm na język polski, gdy będą one mogły być powoływane w przepisach prawnych, zgodnie z ustawą o normalizacji [1]. Autorzy apelują do zainteresowanych o szeroką powszechną dyskusję na ten temat, póki nowa norma nie została przetłumaczona na język polski.

Wybór poziomu ochrony zgodnie z PN-IEC 61024-1-1 [2]

Zgodnie z normą PN-IEC 61024-1-1 [2] wybór poziomu ochrony ma na celu redukcję, poniżej maksymalnego tolerowanego poziomu, ryzyka szkody wywołanego przez bezpośrednie wyładowanie atmosferyczne w rozpatrywany obiekt lub chronioną przestrzeń. Podstawowym kryterium do stosowania ochrony odgromowej jest oszacowanie ryzyka na podstawie rocznej częstości bezpośrednich wyładowań atmosferycznych w rozpatrywany obiekt i prawdopodobieństwa wystąpienia przy tym szkód.

Rys. 1. Linia podziału terytorium Polski na dwie strefy o różnej gęstości występowania wyładowań atmosferycznych na 1 km2 w skali jednego roku

Statystyczna częstość N_d wyładowań w rozpatrywany obiekt
Według procedury opisanej w normie dokonuje się oszacowania równoważnej powierzchni Ae zbierania wyładowań przez analizowany obiekt (w m²) i wyznacza się statystyczną częstość Nd wyładowań w ten obiekt na podstawie wzoru:
N_d = A_e × N_g (1)
gdzie: N_g jest średnią gęstością wyładowań doziemnych w danej okolicy na 1 m².
Niestety, średnia gęstość doziemnych wyładowań piorunowych nie została określona w normach PN IEC 61024 oraz PN IEC 61312. Co prawda, w roku 2002 uruchomiono bardzo drogi i dokładny system detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych przy Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej, ale do dzisiaj nic nie wiadomo o jego wykorzystaniu do stworzenia odpowiedniej mapy burzowej. Mapa taka powinna być udostępniona bezpłatnie do powszechnego stosowania, by służyć całemu społeczeństwu i należy oczekiwać, że tak się niebawem stanie. Tymczasem należy korzystać z przestarzałych już co prawda, lecz jedynych zaleceń przedstawionych w normie PN 86/E-05003.01 [4], zgodnie z którymi dla obszarów Polski północnej zlokalizowanych powyżej szerokości geograficznej 51°30’N, przyjmuje się możliwość wystąpienia średnio N_g = 1,8 wyładowania atmosferycznego na 1 km² powierzchni rocznie, a poniżej tej szerokości – N_g = 2,5 / km² (rys. 1).

Wybór akceptowanej częstości bezpośrednich wyładowań w obiekt N_c zgodnie z klasą obiektu
W kolejnym etapie algorytmu wyboru urządzenia piorunochronnego pokazanego na rysunku 4 normy [2] ustala się, na podstawie normy krajowej, akceptowaną częstość wyładowań w obiekt Nc, zgodnie z klasą obiektu. Niestety w serii norm PN-IEC 61024 rozpatrzono tylko obiekty zwykłe, a żadna inna polska norma nie zawiera niezbędnych do tego celu danych, przyporządkowujących odpowiednie wartości częstości Nc różnym klasom obiektów.

W normach nie podano klarownej interpretacji współczynnika Nc, tym niemniej należy założyć, iż oznacza on akceptowaną częstość uszkodzeń w wyniku bezpośredniego wyładowania atmosferycznego w rozpatrywany obiekt. Niestety w normie [2] określono wartość dopuszczalnej częstości N_c = 10^-2 tylko dla obiektów zwykłych (czyli jedno uszkodzenie na 100 lat) nie podając, jak należy postępować w innych przypadkach. Pozostawienie do decyzji projektanta, jaka ma być wartość Nc w przypadkach innych niż zwykły, wydaje się być nieporozumieniem, gdyż do tego wymagana jest specjalistyczna wiedza. Następnie w poprawce [3] do omawianego arkusza normy wartość Nc zmniejszono aż dziesięciokrotnie: N_c = 10^-3, co w praktyce oznacza bardzo wysoki stopień bezpieczeństwa. Zaakceptowano w ten sposób możliwość wystąpienia uszkodzenia spowodowanego przez wyładowanie atmosferyczne tylko jeden raz na 1000 lat. Taka arbitralna zmiana zaledwie jednego współczynnika pociąga za sobą poważne, niekorzystne skutki finansowe dla inwestorów.
Na podstawie obliczonej wartości N_d i przyjętej wartości N_c należy zastosować urządzenie piorunochronne spełniające wymagania poziomu ochrony o deklarowanej skuteczności:
E≥1 – N_c/N_d (2)
Dla ułatwienia wyboru w tablicy 1 podajemy bardziej przejrzyste niż w normie [2] warunki definiujące przyporządkowanie poziomów ochrony odgromowej odpowiednim przedziałom skuteczności instalacji piorunochronnej.
Przedstawione w ten sposób przedziały skuteczności urządzenia piorunochronnego jednoznacznie określają zakresy stosowania odpowiednich poziomów ochrony odgromowej.
Jak pokazuje praktyka, niektórzy projektanci, stosując tablicę skuteczności z normy PN-IEC 61024-1-1 [2], mylnie zakładają, iż dla obliczonej wartości E < 0,8 ochrona odgromowa nie jest wymagana, zaś IV poziom dotyczy obliczonych skuteczności z przedziału 0,8 ≤ E < 0,9. Oczywiście, w myśl zaleceń tej normy, czwartemu poziomowi ochrony odpowiada obliczona skuteczność z przedziału 0 < E ≤ 0,80. Warto tu również przypomnieć, że gdy wyliczona skuteczność przekracza wartość 0,98 należy, zastosować dodatkowe środki ochrony odgromowej oprócz tych, które są zalecane dla poziomu pierwszego.
Jak zostanie pokazane w dalszej części artykułu, szczególnie krytyczne staje się przy tym miejsce lokalizacji obiektu na terytorium Polski w stosunku do szerokości geograficznej 51°30’N, co wyraźnie ilustruje mapa na rysunku 1. Mieszkańcy obszaru Polski na południe od tej szerokości są zobligowani do znacznego przewymiarowywania instalacji odgromowych. Z analizy mapy wynika, że dotyczy to m.in. takich miejscowości jak: Lubin (51°24’N), Wrocław (51°10’N do 51°01’N), Syców (51°18’N), Kępno (51°17’N), Ostrzeszów (51°25’N), Złoczew (51°25’N), Wieluń (51°13’N), Bełchatów (51°22’N), Piotrków Trybunalski (51°24’N), Opoczno (51°22’N), Radom (51°28’N do 51°21’N), Puławy (51°25’N), Kazimierz Dolny (51°19’N), Nałęczów (51°17’N), Lublin (51°13’N do 51°08’N), Lubartów (51°27’N), Łęczna (51°18’N), Chełm (51°08’N) i wszystkich innych poniżej szerokości 51°30’N.
Do grona tych bardziej „szczęśliwych”, leżących powyżej szerokości 51°30’N, należy zaliczyć następujące miejscowości zlokalizowane w pobliżu umownej granicy: Ostrów Wielkopolski (51°38’N), Kalisz (51°45’N), Sieradz (51°35’N), Łódź (51°53’N do 51°41’N), Tomaszów Mazowiecki (51°32’N), Nowe Miasto nad Pilicą (51°37’N), Kozienice (51°35’N), Dęblin (51°34’N), Siedlce (52°10’N), Radzyń Podlaski (52°09’N), Biała Podlaska (52°01’N), Włodawa (51°32’N).
Do grona „pechowców” należą te miejscowości, które znajdują się bezpośrednio na tej granicy, np.: Iłowa (51°30’36”N do 51°29’37”N), Polkowice (51°29’30”N do 51°30’57”N), Ostrów Lubelski (51°31’04”N do 51°27’38”N). Oszacowania podanych szerokości geograficznych dokonano na podstawie mapy internetowej, w związku z czym zaleca się weryfikację podanych danych.

Maksymalna wysokość obiektu odpowiadająca poziomowi ochrony

Poniżej przedstawiono obliczenia, jaką maksymalną równoważną powierzchnię zbierania Ae może mieć samotna smukła konstrukcja (np. cienki komin lub wieża), aby był dla niej wymagany odpowiednio czwarty, trzeci, drugi i pierwszy poziom ochrony. Ze wzorów (1) i (2) wynika, że:

A_e = N_d / N_g < N_c / [(1 – E) x N_g] (3)

Wysokość tej konstrukcji (rys. 2):

  (4)

Wyniki obliczeń zawarto w tablicach 2 i 3, odpowiednio dla N_c = 10^-2 oraz N_c = 10^-3 zarówno dla N_g = 1,8 wyładowania atmosferycznego na 1 km², jak i dla N_g = 2,5 / km².
Z porównania tablic 2 i 3 wynika, że wprowadzenie współczynnika N_c = 10^-3 zamiast 10^-2 skutkuje radykalnym zmniejszeniem gabarytów obiektów wymagających ochrony odgromowej, a więc: dziesięciokrotnym zmniejszeniem maksymalnej powierzchni zbierania dopuszczonej dla każdego poziomu ochrony i z górą trzykrotnym (dokładniej: √10 razy) zmniejszeniem wysokości obiektu, który może być zaklasyfikowany do danego poziomu ochrony.

Rys. 2. Równoważna powierzchnia zbierania komina lub wieży

Z ostatniej kolumny tablicy 3 wynika między innymi, że na południowych terenach Polski dla dowolnej konstrukcji o wysokości przekraczającej zaledwie 3,8 m wymagany jest co najmniej czwarty poziom ochrony odgromowej, a dla obiektu wyższego niż 16,8 m należy zastosować pierwszy poziom ochrony. Dla północnych terenów Polski te wysokości wynoszą odpowiednio 4,4 m i 19,8 m.
Są to wartości kuriozalne, gdyż pozostałe wymiary obiektu (długość, szerokość) mogą być przy tym dowolnie małe. Zwiększanie wymiarów poprzecznych rozpatrzonego obiektu prowadzi do dalszego zmniejszania granicznej wysokości, przy której wymagany będzie odpowiedni stopień ochrony odgromowej.
Z pewnością po przeanalizowaniu liczb zawartych w tablicach 2 i 3 każdemu czytelnikowi przyjdzie na myśl wiele przykładów konstrukcji, co do których tekst zawarty w normie [3] powoduje wymóg absurdalnie wysokiego poziomu ochrony. Poniżej przedstawiono charakterystyczne przykłady spotykane w praktyce projektowej.

Rys. 3. Równoważna powierzchnia zbierania budynku

Przykłady obliczeniowe dla N_c = 10^-3

Przykład 1: dwupiętrowy budynek biurowy z masztem antenowym
Rozpatrzmy dowolny dwupiętrowy budynek o wysokości około 10 m z kilkumetrowym masztem antenowym na dachu. Dla takiego budynku wymagany jest drugi lub nawet pierwszy stopień ochrony, mimo braku zagrożenia wybuchem, zanieczyszczeniem środowiska, czy utratą ważnych funkcji publicznych (nie jest trudno przekroczyć wysokość 16,8 m lub 19,8 m, powyżej której wymagany jest pierwszy poziom w odpowiednim rejonie Polski – wiersz trzeci od dołu w tablicy 3).

Przykład 2: czteropiętrowy blok mieszkalny lub budynek biurowy
Rozważmy budynek w kształcie prostopadłościanu, o wymiarach zbliżonych do czteropiętrowego bloku mieszkalnego lub budynku biurowego, położony na terenach Polski południowej (N_g = 2,5×10^-6 / m²). Załóżmy, że budynek ma szerokość a = 10 m i wysokość h = 15 m (rys. 3). Obliczmy, jaką minimalną długość b powinien mieć ten budynek, by zgodnie z wymaganiami poprawki do normy [3] plasować się w pierwszym poziomie ochrony odgromowej.
Zwróćmy uwagę na fakt, że – zgodnie z wyliczeniami przedstawionymi w tablicy 3 – na terenie całej Polski w stosunku do każdego budynku o takiej wysokości należy zastosować wymagania co najmniej drugiego stopnia ochrony, gdyż jego wysokość jest większa od 11,9 m (maksymalna wartość dla poziomu III dla Polski południowej) oraz od 14 m (dla Polski północnej).
Budynek ten będzie musiał być wyposażony w urządzenie piorunochronne spełniające wymagania pierwszego stopnia ochrony, jeśli powierzchnia zbierania tego budynku Ae będzie większa od 8 000 m² (tablica 3, kolumna przedostatnia). Stąd otrzymujemy nierówność (rys. 2):
A_e = a b + (2a + 2b) 3h + (3h)² > 8 000.
Po podstawieniu danych okazuje się, że długość budynku wymagającego pierwszego poziomu ochrony powinna wynosić zaledwie:
b > 7,4 m.
Widać stąd, że w Polsce południowej każdy czteropiętrowy budynek powinien być wyposażony w ochronę odgromową zgodną z wymaganiami pierwszego stopnia ochrony.
Po przeprowadzeniu analogicznych obliczeń dla Polski północnej, gdzie
Ae > 11 111 m² (trzecia kolumna tablicy 3), otrzymuje się wynik:
b > 38,5 m.

Przykład 3: komin wolnostojący
Dla współczynnika N_c = 10^-3 każdy komin o wysokości przekraczającej 19,8 m w Polsce północnej lub 16,8 m w Polsce południowej powinien być wyposażony w urządzenie piorunochronne spełniające wymagania pierwszego poziomu ochrony (wiersz trzeci od dołu w tablicy 3).

Wnioski

Uzależnienie kryterium wyboru poziomu ochrony praktycznie wyłącznie od wielkości obiektu, a głównie od jego wysokości, jest poważną wadą normy [2]. Zrozumiałe jest, że w takich opracowaniach jak normy wiele wartości liczbowych określa się uznaniowo. Właśnie dlatego te z nich, które mają istotny wpływ na koszty inwestycji, powinny być wyznaczane ze szczególną ostrożnością i z merytorycznym uzasadnieniem.
Zastosowanie do projektowania instalacji odgromowych dopuszczalnej częstości wyładowań piorunowych o wartości N_c = 10^-3 prowadzi do znacznego przeszacowania zagrożenia piorunowego typowych obiektów i w rezultacie – do nadmiernych kosztów ochrony odgromowej. Ustalając z inwestorem poziom ochrony odgromowej należy kierować się zdrowym rozsądkiem przy doborze tego współczynnika w każdym indywidualnym przypadku.
Analiza treści kilku współistniejących serii norm odnoszących się do ochrony odgromowej, jak i sposobu ich wprowadzania prowadzi do wniosku, że wdrażanie w naszym kraju norm międzynarodowych w zakresie ochrony odgromowej napotkało poważny zator organizacyjny, powodujący spiętrzenie liczby wprowadzonych norm w tej dziedzinie. Taka sytuacja wymaga podjęcia natychmiastowych decyzji porządkujących ten stan rzeczy.

dr hab. inż. Karol Aniserowicz
Autor jest pracownikiem
Politechniki Białostockiej
dr inż. Mirosław Zielenkiewicz
Autor jest prezesem
Centrum Ochrony przed Przepięciami
i Zakłóceniami Elektromagnetycznymi w Białymstoku

Literatura
1. Ustawa z dnia 12 września 2002 r. o normalizacji. Dz. U. nr 169 z 2002r., poz. 1386; Dz. U. nr 273 z 2004 r., poz. 2703, Dz. U. nr 132 z 2005r., poz. 1110.
2. PN-IEC 61024-1-1: 2001. Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. Wybór poziomów ochrony dla urządzeń piorunochronnych.
3. PN-IEC 61024-1-1: 2001/Ap1: 2002. Poprawka do Polskiej Normy Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. Wybór poziomów ochrony dla urządzeń piorunochronnych.
4. PN-86/E-05003.01. Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Wymagania ogólne.