電磁 制御 避雷針에의한 고층 빌딩의 雷保護

2002년 1월

중앙방뢰(주)

1 서론

건축 기술의 진보와 도시 재개발의  진전에 따라 많은 고층 빌딩이 건설되고 있으나, 주변보도 돌출된 구조물에는 낙뢰 피해의 발생이 많은 경향이 있다. 최근의 연구 결과, 종래의 일반 피뢰침에서는 고층 건축물의 보호가  불가능하다는 것이 밝혀지고 있다.

새로운 뇌보호 규격(JIS A 4201 개정안)에서는 메쉬 도체에 의한 보호가 규정되어 있으나,

건물 외벽을 메쉬 도체로 감싸는 일은 건물 디자인 또는 미관상 문제가 있으며 또한 보수 작업이 곤란하기 때문에 알루미늄 커튼 월(알루미늄 재질의 프레임에 유리창을 붙여 벽을 시공하는 방법)의 경우를 제외하고는 실제로 거의 시공되고 있지 않다.

약 15년 전에 프랑스 인델렉 社에서 개발한 프리벡트론(Prevectron) 피뢰침은, 1995년 프랑스 뇌 보호 표준규격(NFC 17-102)에 채택되어 일본에서도 풍력 발전소의 보호에 책용하여 그 효과가 확인 되었다.

종래의 피뢰침과 비교하여 매우 넓은 보호 범위를 확보하고, 설치가 간편하며, 뇌운에의한 지상 전계를 이용하여 그 자체을 전원으로 이용하기 때문에 보수가 용이하여 고층 빌딩의 뇌보호에 대한 방법으로서는  확실하고  우수한 해결 방법이 될 가능성이 있다.

2. 고층 빌딩의 피해 실정

1999년 7월, 동경 도청사의  41층 북동쪽 외벽 끝 모서리 부(지상고 약 180m)에 낙뢰하여,

프리캐스트 커튼월 표면의 화강암재질의  화장판(化粧板)(두께 약 20mm)이 약 20cm 크기로 사방으로 파손 낙하된 사고가 있었다. 그림 1a는 낙하점, 그림1b는 파손 낙하된 화강암

파편을 나타내고 있다.

지상 (지상고 약 240m)에는 크고 작은 4기의 무선 안테나 철탑이 있고  각각에는 피뢰침이 설치되어 있었다. 또한 꼭대기 상층부 주변 파라펫에는 피뢰도선이 길게 둘러있어 이러한 피뢰침, 피뢰도선은 전부 건물 철골을 통하여 접지 되어 있었다.

그림 1a 동경 도청사 측벽에의 낙뢰        그림 1b 동경 도청사 측벽으로부터낙하된

측벽의 일부 (1999년 7월 동경신문)

그림2a는 , 1999년 7월에 발생되었다. 동경시내의 고층 빌딩의 옥상층(지상고 약 140m) 파라펫 돌출부의 낙뢰의 흔적을 나타내었다.

뇌전류는 콘크리트 내부의 철근을 통하여 건물의 철골에 흘렀다고 추정되며, 파손부위는 그림2bdp 표시된 바와 같이 내부 철근이 노출되었다. 이 경우도 옥상층의 피뢰침, 피뢰도선 설치는 현행 JIS 규정(JIS A 4201)에 기준하여 설계되어  있어 시공상 문제점은 없었다.

그림 2a 빌딩 옥상 파라펫 부위의 낙뢰 흔적    그림2b 뇌전류에의해 파손된  파라펫

모서리 부분(1999년 7월)

그림 2a의 파라펫 모서리부에서 보여지는 것과 같이, 낙뢰점으로부터 약 60cm 떨어진 점에

항공 장애등이 설치되어 있어, 이것을 보호하기 위해서 작은 피뢰침이 있으며 피뢰도선은 돌출부 보호를 위해서 외측 주위에  설치되어 있었으나, 이러한 피뢰설비는 파라펫 돌출부에 대한 보호 효과가 없었다. 점검 결과, 동일 부지내의  다른 고층 빌딩 옥상 파라펫에도 낙뢰에 의한 파손부분 2개소 확인하였다.

도청사 피해를 포함하여 동경 시내의 3개소의 고층 빌딩에 거의 같은 시기의 뇌우(雷雨) 중에 피해를 입었다고 추정된다.

통계적인 자료는 없으나 이러한 사실로 보아 낙뢰에의한 고층 빌딩의 측벽 파손 사고는 그 자체의 피해도 크지만, 낙뢰에 의해  파손된 건물 콘크리트 낙하물(落下物에) 의한 인명 및 사고에 대하여 주의를 하여여 할것이며  그 발생 확률이 낮다고 하여 무시하거나 간과하여 서는 안된다.

3. 회전 구체법에의한 피뢰침 보호 범위의 결정

종래의 보호각법의 보와  대책으로서, 새로운 JIS 규격에도 채택되고 있는 회전구체법은 새로운 낙뢰점 결정 이론에 근거하기 때문에 미리 낙뢰 지점을 예측할 수 있는 방법이다.

그림3에 있어서,

- 뇌격거리 r과 같은 크기의 반경을 갖는 球가 피뢰침 선단 A'만에 접촉하는 경우, 피뢰      침이 낙뢰점이 된다.

- 球가 기준면의 S 면에만 접촉될 경우, 피뢰침에는 접촉하지 않는 경우, 기준면이 낙뢰점    이 된다.

- 球가 기준면과 피뢰침과 양쪽 모두 동시에 접촉하는 경우, A', C'에 낙뢰할 가능성이 있    으며 빗금친 부분에는 낙뢰하지 않는다. 즉, 보호 범위가 된다.

이 새로운 보호 범위 결정법을 적용할 경우, 종래의 피뢰침 보호범위는 현저하게 축소되어 수십전의 작은 규모의 건물은 차치하더라도, 현재의 건축법에의한 대형 건축물의 보호는 불가능 하다라는 사실이 판명되었다.

그림3 회전구체법에 의한 피뢰침의 보호 범위 결정

그림4는 높이 약60m의 건물 옥상에 지지대 높이 약 15m의 피뢰침이 설치되어 있는 경우의 보호 범위를 나타내었다.

종래의 보호각법에 의하면, 피뢰침의 끝에서 수직선으로 60도의 경사선을 그려, 수직선을 축으로하여 그 경사선을 360도 회전 시켰을 경우에 피뢰침 선단을 정점으로 하여 지표상에 형성된 원추형 내부 공간이 보호 범위로 생각해 왔다.

회전 구체법에 의하면 Peak 전류치 약9.5KA의 뇌에서는 회전구체 반경 r=45m가 되어, 이

球面을 피뢰침 선단에 접촉시키면서 옥상 평면상을 이동 시킬 경우, 球面과 옥상 평면으로 포위되는 공간이 보호 범위가 된다.

그림4 옥상에 설치된 피뢰침의 보호 범위

그림 4에서는 단면 A1을 피뢰침을 축으로하여 360도 회전 시킬 경우 생기는 공간이 된다.

건축물 측면은 피뢰침의  보호 범위에 들어가지 않는다. 球를 건축물 측면 및 지표면에 접촉시키면서 이동시킬 때 생기는 공간(단면 A2)에는 낙뢰하지 않으나, 45m 이상의 높이의 측면(단면 B)은 지표면에 접촉하지 않는 雷球가 접촉하기 때문에 낙뢰점이 될 가능성이 있다.

특히 옥상의 외벽 모서리 부분에는 電界 집중이 일어나므로 가장 위험하다.

낙뢰점의 초기 코로나 방전 전류치는 1□ 이하로 매우 작기 때문에 비금속, 예를들어 수목,

전주, 콘크리트, 뾰쪽한 석재 등 대지간 저항이 비교적 높은 소재에도 낙뢰점이 된다. 주방전으로 이행하는 과정에서 낙뢰점의 전기 저항이 높으면, 뇌전류는 표면 섬락, 내부 관통 파괴, 전류 분기 등에 의해 방전로를 형성하여 건물의 금속 구조체, 예를들면 철근 콘크리트 등을 경유하여 대지에 방전한다. 이 과정에서 콘크리트 내부의 수분, 기포의 급격한 팽창에의해 폭발, 파열이 발생한다.

4. 전자 제어 피뢰침의 동작원리

전자 제어 피뢰침은 약15년 전에 프랑스 인델렉 社에서 개발 되어 실용화된 프리벡트론

(Prevectron) 피뢰침으로서 1995년, 프랑스 뇌보호 표준 규격(NFC17-102, Lightning Protection)에 채용되어 현재까지 약 5만여개소에 설치되어 있다.

高電界중에서 국부적인 불꽃방전이 일어나, 그 부근에서 발생된 전자 및 이온이 전계에의해

가속되어 중성기체 분자내에서 충돌 전리현상이 반복 발생하여, 전극 간으로 발전하는 현상은 예전부터 잘 알려져 왔으며, 그 기구는 그림 6에 나타낸 고전압 임펄스 발생기(제너레이타)의 시동 캡으로서 이용되고 있다.

그림 5 프리벡트론 피뢰침의 전극배치

그림6 Impulse Generator의 시동 Cap

리더(Leader) 선단이 피뢰침에 접근할 경우에 전자 회로에 의해 피뢰침 선단에서 작은 방전을 발생시킨다면 부근의 공기가 이온화되어 고전계에의해 衝突 電離를 반복하여 그림 7에 나타낸 바와 같이 상승 스트리머로 발전하여 Leader 선단과  결합, 主放電路를 형성한다.

전자 제어 피뢰침에서부터 출발된 상승 스트리머는 주변의 피뢰침이나 건물의 돌출물 등으로부터 발생되은 상승 스트리머보다 약 60□ 정도 먼저 발생 되기 때문에 상승 스트리머의 길이 증가분 □L (≒60m)가 얻어져, 전자 피뢰침이 낙뢰점이 되므로써 건물을 보호한다.

그림 7 전자 제어 피뢰침에의한 雷의 리더 捕捉

5. 전자 제어 피뢰침에 의한 고층 빌딩 보호

가장 간단한 경우로서 그림 8과 같은 직육면체의 건물 외측벽 보호를 생각해 본다. 보호

효율의 관점에서 프리벡트론 피뢰침을 옥상의 모서리부분에 설치하는 것이 바람직 하다.

이 경우, 벽면 보호 범위는 회전구체법 및 상기의 조건에 의해서 그림 8의 빗금친 면이 된다. 피뢰침의 보호반경R은 다음 식에의해 구할 수있다.( r: 뇌격거리=20m)

R=[eqn: SQRT {(□L+r) { 2}-r { 2}^{ } }^{ }]=[eqn: SQRT { 64000-400}] = 77.5m

건물의 외형 구조은 꽤 복잡한 경우가 많고, 또한 피뢰침 설치 가능한 위치는 각각의 조건에 의해 제약이 있기 때문에 그 보호 범위가 필요 충분한 조건인가 아닌가 하는 점은 실제의 건물 구조와 피뢰침 위치에 의해 반드시 확인할 필요가 있다.

그림 8 직육면체 건물의 외벽 보호 범위

그림 9는 2001년 6월 愛岩 크린 빌딩 스페셜 타워(주택건물, 지상42층, 지하3층, 지상고 약160m)의 옥상에 설치된 전자 제어 피뢰침을 나타내었다. 이 빌딩에는 옥상 및 주변 난간 펜스에 4개의 피뢰침을 설치하여 지상 높이 약 100m 이상의 건물 외벽을 낙뢰로부터 보호 하고 있다.

그림 9 옥상 난간 펜스에 설치되어 있는 전자 제어 피뢰침

그림 10,11, 12 는 동년 7월25일 오후 2시 47분경에 발생한 낙뢰의 사진이다.

그림 10 피뢰침의 배치 (하얀색 표시부분)

그림 11 주택동 피뢰침에 낙뢰         그림 12 낙뢰 흔적을 나타내는 피뢰침 선단

(2001년 7월26일 요미우리 신문)