Chương 1 : LÝ THUYẾT CHỐNG SÉT CHO CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG 1. Định nghĩa sét Sét là hiện tượng phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và đất hay giữa các đám mây mang các điện tích khác dấu, đôi khi còn xuất hiện trong các trận phun trào núi lửa hay bão bụi (cát) hoặc trong những trận cháy rừng dữ dội tạo ra một làn khói đặc đủ để dẫn điện. Sét là một nguồn điện từ rất mạnh, xuất hiện do sự hình thành các điện tích khối lớn từ các đám mưa giông mang điện tích dương, ở phần trên của đám mây và điện tích âm, ở phần dưới của đám mây tạo một điện trường có cường độ lớn chung quanh đám mây.Trong quá trình tích lũy các điện tích trái dấu, một điện trường có cường độ gia tăng liên tục được hình thành. Khi điện thế tại một nơi nào đó trong đám mây vượt quá ngưỡng cách điện của không khí, sẽ xảy ra hiện tượng sét đánh xuyên, hay còn gọi là sét tiên đạo.
Khi phóng điện trong khí quyển tia sét có thể di chuyển với tốc độ 36.000 mph) vì sét là sự di chuyển của các ion nhưng hình ảnh của sét là do dòng plasma phát sáng tạo ra nên có thể thấy nó trước khi nghe tiếng động vì tiếng động chỉ di chuyển với tốc độ 342 m/s trong điều kiện bình thường của không khí còn ánh sáng đi được 299. Sét đạt tới nhiệt độ 30.000 °C gấp 20 lần nhiệt độ cần thiết để biến cát silica thành thủy tinh (chỉ cần 1330 °C để làm nóng chảy SiO2), những viên đá được tạo ra bởi sét đánh vào cát gọi là fulgurite (thường nó có dạng hình ống do sét di chuyển vào lòng đất). Trên Trái Đất có khoảng 16 triệu cơn dông mỗi năm. Phân loại Theo ước tính của các nhà chuyên môn, trên khắp mặt địa cầu, cứ mỗi giây có khoảng 100 cú sét đánh xuống mặt đất.
Sét không những gây thương vong cho con người, mà còn có thể phá hủy những tài sản của con người như các công trình xây dựng, công trình cung cấp năng lượng, hoạt động hàng không, các thiết bị dùng điện, các đài truyền thanh truyền hình, các hệ thống thông tin liên lạc. và làm gián đoạn công việc.Con đường mà sét đi qua, làm thiệt hại cho tài sản của con người trên mặt đất, có thể kể ra như sau: Sét đánh trực tiếp là sét đánh thẳng vào nhà cửa công trình hoặc đánh vào bồn nước kim loại hay trụ anten nằm trên công trình đó, đánh vào cây cối, đánh vào người đang di chuyển khi đang có dông.Đây là loại sét nguy hiểm nhất vì nó có thể gây thiệt hại nặng nề cho công trình hoặc gây chết người. Sét đánh gián tiếp là sét đánh vào đường dây điện thoại, đường dây tải điện cao thế hoặc hạ thế ở một nơi nào đó rồi theo đường dây truyền vào công trình làm hư hỏng thiết bị điện đang sử dụng. Chúng ta thường thấy hiện tượng bóng đèn, điện thoại, TV, tủ lạnh.
bị cháy hoặc người đang gọi điện thoại bị điện giật mạnh sau một cơn dông sét tất cả là do ảnh hưởng của loại sét này. Sét cảm ứng bao gồm cảm ứng tĩnh điện và cảm ứng điện từ. Sét cảm ứng tĩnh điện thường chỉ nguy hiểm cho các công trình có chứa chất dễ cháy nổ như xăng dầu, khí đốt do tác động của phóng điện thứ cấp còn sét cảm ứng điện từ chỉ nguy hiểm đối với các thiết bị hiện đại dùng các linh kiện điện tử nhạy với xung điện trong các công trình bưu điện, viễn thông, phát thanh truyền hình. Lợi ích của sét Sấm sét- bước đầu tiên của nền văn minh hiện tại: Con người nhìn thấy sét đánh vào cây và làm cây bốc cháy, họ thấy lửa phát ra ánh sáng.
Khi lại gần, họ còn cảm nhận được hơi nóng phát ra từ ngọn lửa kia. Nhờ vào sự khám phá quan trọng này, loài người đã biết dùng lửa để sưởi ấm, nấu nướng, xua đuổi thú dữ và hơn nữa, nấu chảy các quặng để tạo ra dụng cụ lao động hay vũ khí. Như vậy, sấm sét đã mở ra cho loài người chúng ta một bước tiến vĩ đại, đưa con người tiến lên làm chủ vạn vật và đạt tới nền vãn minh như ngày nay. Sấm sét tạo ozort cho tầng khí quyển: Chúng ta được biết ôzôn giúp Trái đất trong lành hơn, nhờ nó hấp thụ bức xạ cực tím từ Mặt trời chiếu xuống Trái đất.
Bản chất của sấm sét là những tia lửa điện, Oxy trong không khí gặp điều kiện tia lửa điện: 2O2 (tia lửa điện) —> O3 + [O]. Sấm sét giúp cải tạo nguồn đất, tăng khả năng sinh trưởng cho cây: Nhờ vào sấm sét, một lượng N2 trong không khí bị ôxy hóa ở nhiệt độ cao và áp suất cao tạo thành NO. Sấm sét –dò tìm nguồn nước ngầm, mỏ quặng: Dựa vào đặc điểm: sét thường đánh những khu vục có nước chảy ngầm, có ống nước hay có những thân quặng (những nơi có độ dẫn điện cao hơn), con người có thể tìm được những mạch nước ngầm, hay dò tìm nguồn khoáng sản đế phục vụ cho nhu cầu cuộc sống của mình. Sấm sét – nguồn năng lượng khổng lồ: Đặc điểm năng lượng của một tia sét chỉ tập trung ờ một vài điểm và tồn tại trong thời gian ngắn cỡ khoảng mili giây nên năng lượng này rất cao.
Người ta ước tính lượng điện năng tích được một lần sét đánh có thê kéo một đoàn tàu 14 toa chạy 200km. Hay một tia sáng thông thường có thể thắp sáng bóng đèn 100W trong 3 tháng. Tuy nhiên việc thu thập nguồn năng lượng này dường như là “vô vọng”, nhưng con người vẫn không ngừng cố gắng chế tạo dụng cụ để thu được sấm sét. Người ta đã đề xuất dựa vào nguồn năng lượng này để: + Tạo ra hydrogen từ nước để khai thác nhiệt điện.
+ Để cung cấp mạng điện cho thành phố. + Kích hoạt tàu vũ trụ bằng sấm sét. +Dùng sét chống mưa đá : Dẫn sét vào các tầng mây có khả năng gây mưa đá. Do năng lượng lớn và nhiệt độ cao của các “tia lừa điện” nên làm tan chảy các tảng bàng đá thành nước, tránh thiên tai.
Tác hại của sét * Khi sét đánh trực tiếp Do năng lượng của một cú sét lớn nên sức phá hoại của nó rất lớn khi một công trình bị sét đánh trực tiếp có thể bị ảnh hưởng đến độ bền cơ khí, cơ học của các thiết bị trong công trình, nó có thể phá hủy công trình, gây cháy nổ. Sét đánh gây sập đổ cháy nổ công trình. Biên độ dòng sét ảnh hưởng vấn đề quá điện áp xung và ảnh hưởng đến độ bền cơ khí của các thiết bị trong công trình. Thời gian xung sét ảnh hưởng đến vấn đề quá điện áp xung trên các thiết bị.
Thời gian tồn tại của xung sét thì ảnh hưởng đến độ bền cơ học của các thiết bị hay công trình bị sét đánh. Ngoài ra, khả năng cháy nổ cũng xảy ra rất cao đôi với công trình bị sét đánh trực tiếp. * Ảnh hưởng do sự lan truyền sóng điện từ gây bởi dòng điện sét Khi xảy ra phóng điện sét sẽ gây nên một sóng điện từ tỏa ra xung quanh với tốc độ rất lớn, trong không khí tốc độ của nó tương đương tốc độ ánh sáng. Sóng điện từ truyền vào công trình theo các đường dây điện lực, thông tin… gây quá điện áp tác dụng lên các thiết bị trong công trình, gây hư hỏng đặc biệt đôi với các thiết bị nhạy cảm: thiết bị điện tử, máy tính cũng như mạng máy tính … gây ra những thiệt hại rất.
Nguyên lý chống sét 1. Chống sét đánh trực tiếp Sét hình thành khi các luồng ion mang điện tích âm của các đám mây bắt đầu di chuyển xuống gần sát mặt đất thì các ion mang điện tích dương bên dưới bắt đầu tập hợp lại các chỗ nào đó cao, dễ dẫn điện và phóng lên trên để nối vào luồng ion âm đang di chuyển xuống dưới chính nó quyết định tia sét sẽ đánh vào đâu khi sét đánh xuống đất. Vì có rất nhiều tia sét ion dương hình thành khi luồng ion âm tiến xuống tia nào nối được vào luồng ion âm sẽ dẫn cả tia sét vào chỗ mà nó phóng ra, vì thế nó giống như một dây câu sét mà nơi mà nó xuất phát là cần câu vì thế nơi xuất phát nào cao hơn thì tỉ lệ nối được vào luồng ion âm trước sẽ cao vì thế sét thường hay đánh vào những nơi cao, nhưng đôi khi nơi thấp hơn nhưng dễ dẫn điện hơn sẽ tạo ra dây dẫn dài hơn và nhanh hơn nên sẽ nối vào luồng ion âm trước các dây dẫn xuất phát từ những nơi cao hơn nhưng dẫn điện kém hơn và mang cả tia sét vào khu vực thấp. Chính từ nguyên tắc đấy,người ta lắp đặt các kim thu sét ở vị trí cao nhất của công trình để tỉ lệ sét đánh vào kim thu là cao nhất, đồng thời sử dụng hệ thống dây dẫn sét, cọc tiếp đất và nền đất có điện trở đủ nhỏ để sét được dẫn xuống đất và hóa giải.
Chống sét lan truyền Ngoài dòng điện hàng ngàn Vôn đánh trực tiếp vào công trình, sét còn tạo ra các xung điện rất lớn tác dúng lên các mang lưới dây dẫn cách đó hàng trăm mét hay hệ thống cáp dưới đất. Do đó chống sét lan truyền cũng rất quan trong như chống sét trực tiếp. Để chống sét lan truyền trước tiên cần trang bị thiết bị chống xung,thiết bị này hoạt động bằng cách chuyển xung quá áp xuống đất theo hệ thống tiếp địa đáng tin cậy. Ngoài ra cần trang thiết bị triệt xung trước các thiết bị đầu cuối như máy tính, tivi, máy điều khiển,….
Thiết bị này sẽ triệt tiêu những xung điện áp do hệ thống tiếp đất hay điện áp dư còn lại từ thiết bị chống xung để bảo vệ những thiết bị đầu cuối nhạy cảm với điện áp. Phải sử dụng thiết bị triệt xung này cùng với thiết bị chống xung kết nối với hệ thống tiếp đất thì mới tạo ra hệ thống bảo vệ an toàn cho các thiết bị hoặc mạng điện. Tiêu chuẩn chống sét cho công trình xây dựng Để chống sét cho một công trình xây dựng, việc áp dụng các tiêu chuẩn là quan trọng. Các tiêu chuẩn đó là cơ sở khoa học, là quy phạm để thiết kế lắp đặt hệ thống chống sét có hiệu quả.
Các tiêu chuẩn tham khảo chính để thiết kế chống sét cho công trình xây dựng: 1. TCXD 46 – 1984: Chống sét cho công trình xây dựng – Tiêu chuẩn thiết kế thi công.