전자제어피뢰침에 의한 고층빌딩의 뇌보호

다케시타 테르(竹下 輝): 모리(森)빌딩(株)

가토 기이치로(加藤 儀一郞): 中央防雷(株)

가토 코오지로(加藤 幸二郞): 中央防雷(株)

1.  서론

약 250년 전, 프랭클린의 피뢰침 발명 후, 낙뢰에 대한 피뢰침의 보호범위에 관하여 많은 논의가 있었고 그 결과 일본에서는 십 수년에 걸쳐 보호각에 의한 보호범위 규정이 실시되어 왔다. 그러나 구미에서는 1960년대 후반에 뇌격전류와 뇌격거리를 기준으로 한 낙뢰점 예측이론이 제안되어 이 이론에 근거를 두고 회전구체법(Rolling Sphere Method)1)에 의한 보호범위 결정방법이 확립되어 1987 년에는 독일 규격(DIN  VDE   0185  Teil 100 / 10.87  Festlegungen fuer den Gebaeude-blitzschutz. Allgemeine Gruendsaetze.)에, 그리고 1990 년에는 국제규격(IEC 1024-1 Protection of structures against lightning)에 채용되었다.   건물의 옥상에 설치된 피뢰침에 의한 보호범위를 회전구체법에 의해 결정했을 경우, 20m 이상의 높이의 건물은 측격뢰를 받을 가능성이 있다.  철근 콘크리트가 파괴, 비산(飛散)되어 위험하다는 것은 전부터 알려져 있고2), 건물의 높이에 따라 낙뢰의 위험도도 높아지기 때문에 이에 대한 대책이 불가결하다.  위의 국제규격에 의하면 5∼10m 메쉬의 도체망을 만드는 것이 필요하게 된다.  그러나 고층빌딩의 외벽을 도체메쉬로 싸는 일은 디자인상, 어려움이 있어서 보수작업이 매우 곤란하기 때문에 알미늄 카텐벽의 경우를 빼고 실제로는 거의 실시되고 있지않다.   한편, 건축기술의 진보에 따라 건물의 내진성(耐震性)및 강도가 개선되어 1974년의 카스미가세키 빌딩 완성 이후 일본에서는 유효적 공간 이용을 위한 고층빌딩 건축이 증가되고 있다.  최근의 도시 재개발로는 문화시설, 오피스, 상점가에 근접한 아파트의 건설이 이루어져 고층 건축기술은 종래 보다 한층 중요하게 되었다.

필자 등은 토오쿄 아타고에 건설된 고층 아파트의 측격뢰 보호 대책을 계획 입안하여 올해(2001년) 6월에 설치공사를 완료했다.  건물의 고층화에 따른 필요한 안전대책 중에 낙뢰에 의해 파손되기 쉬운 건물외벽에 대한 뇌보호는 세계적으로도 그 실례가 없다.

금후 매우 중요한 기술이 되므로 이번 설치된 뇌보호 설비의 원리와 구조 및 배치설계의 상세한 것을 보고한다.

Key word : 피뢰침, 고층빌딩, 낙뢰, 측격뢰, 회전구체법

2. 아타고 GREEN HILLS TOWER(주상 복합 빌딩)의 개요

본 건물은 빌딩의 고층화에 의한 토지의 고도이용에 기준을 둔, 녹색 풍부한 거리를 실현하고 도시 재생을 향한 도심형 주거의 모델을 만드는 것을 목표로, 미나토구 아타고에 계획되어 금년 11월에 완성예정이다.  건물구조는 지상 42 층, 지하 5 층, 지상 높이 약 160m, 주체부 평면의 한변이 약 35m의 정방형으로 약 380 호의 주택위주의 건물이다.    본 건물의 남쪽 약 140m의 지점에 지상 42 층, 이 주택용 건물보다 조금 대형의 사무소동이 건설되어 올 7 월에 완성된다. 그리고 남서 약 500m의 지점에는 지상 약 330m의 동경 타워가 자리잡고 있다.

3. 고층 빌딩에 대한 낙뢰 빈도와 보호 레벨 산정

프랑스 표준 규격 NFC17-1023)에 의하면 고층빌딩에 대한 낙뢰의 빈도는 다음과 같이 예측된다.

3.1 최대 낙뢰 밀도[eqn: { N}_{gmax }]

낙뢰밀도는 1 □ 당의 연간 낙뢰수를 나타내며 뇌격밀도 지도나 연간 뇌우일수 레벨[eqn: { N}_{k }] 에서 구할 수 있다.  최대 낙뢰밀도[eqn: { N}_{gmax }]와 연간 뇌우일수[eqn: { N}_{k }]의 관계는 다음 표와 같다.

표1 최대 낙뢰밀도와 연간 뇌우일수의 관계

[eqn: { N}_{k }]	5	10	15	20	25	30	35	40	45
[eqn: { N}_{gmax }]	0.3	0.7	1.2	1.7	2.2	2.8	3.4	4.0	4.7

Table 1 Relations between [eqn: { N}_{k }] and [eqn: { N}_{gmax }]

3.2 건물에 대한 직격뢰의 예상 빈도

건물에 대한 연간 직격뢰 빈도는 다음식으로 평가된다.

[eqn: { N}_{d }]=[eqn: { N}_{gmax }][eqn: * { A}_{e } * { C}_{l }* { 10}^{-6 } /Y]                               (1)

여기서

[eqn: { N}_{gmax }] : 최대 낙뢰 밀도   (낙뢰수/Y/□)

[eqn: { A}_{e }]   : 고립된 구조물의 등가 집합면적(□)

[eqn: { C}_{l }]    : 환경 계수

등가 집합면적은 그 건물과 같은 연간 낙뢰확률을 갖는 지표면적으로 정의되며, 건물의 지붕을 통과하는 경사 1:3의 선과 지표면과의 교차하는 건물 전 둘레에 걸친 궤적의 면적이다.(그림3) 세로 가로 높이가 각각 L,W,H(m)의 건물의 등가 집합면적은 다음 식으로 계산된다.

[eqn: { A}_{ e}]=LW+6H(L+W)+9[eqn: □{ H}^{2 }]                                    (2)

대지의 지형 및 건물로 부터, 거리 3H 이내에 있는 물체는 집합면적에 현저하게 영향을 끼친다. 이 효과는 환경계수[eqn: { C}_{l }]을 적용함으로 고려한다.(표2)

본 건물의 경우, [eqn: { N}_{k }]=22, [eqn: { N}_{gmax }]=2.0,

[eqn: { A}_{e }]=35*35+6*160*(35+35)+9□*[eqn: { 160}^{2 }]

=792*[eqn: { 10}^{3 }](□)

본 건물 부근의 높은 건조물로는, 남방 약140m의 지점에 높이 약 200m의 아타고 그린 힐즈 모리 타우어가 있음으로,

[eqn: { C}_{l }]=0.5 로 하고

[eqn: { N}_{d }]=2.0*792*[eqn: { 10}^{3 }]*0.5*[eqn: { 10}^{-6 }]=0.792

따라서 연간에 0.8 회 정도의 직격뇌를 받을 가능성이 있다.  계산과정에서, 혹시 건물이 고립     그림2 아타고 그린빌딩 전경

표2 환경계수[eqn: { C}_{1 }]의 결정 Table 2 Determination of environmental coefficient[eqn: { C}_{1 }]
건물의 상대위치	[eqn: { C}_{1 }]
동일 스페이스 내에 동등 또는 보다 높은 건물이나 수목이 있는 경우	0.25
보다 소형의 구조물에 싸인 건물	0.5
고립된 건물: 거리 3H 내에 다른 건물이 없음	1
산정 또는 벼랑 위의 고립된 건물	2

되어 있을 경우에는 연 1.6 회 정도의 낙뢰, 건물 높이가 250m 정도의 경우는 연 4회 정도의 낙뢰를 받을 가능성이 있음을 알 수 있다.

3.3 보호 레벨의 결정

건물에 대한 낙뢰 허용빈도에 관해 앞에서의 프랑스 표준규격에서는 건물의 구조, 내용물, 점유도, 낙뢰의 결과예측에 대응하고 보정(補正)계수 [eqn: { C}_{ 2} , { C}_{ 3} , { C}_{4 } , { C}_{5}]를 설정하고,

[eqn: { C}_{ }]=[eqn: { C}_{ 2} , { C}_{ 3} , { C}_{4 } , { C}_{5}], 낙뢰 허용빈도[eqn: { N}_{c } =5.5* { 10}^{-3 }/C]  로 한다.

[eqn: {C }_{2}] ∼[eqn: { C}_{5 }] 의 결정를 위해 다음의 표 3∼6을 사용한다.

표3 구조계수

[eqn: { C}_{ 3}] 구조물의 내용
무가치이고 비 가연성	0.5
보통가치 또는 보통의 가연성	1
고(高)가치 또는 특히 가연성	2
매우 고가, 치환 불능 또는 매우 가연성, 폭발성	3

Table3

[eqn: { C}_{2 }] 구조계수
지붕 구조	금속	일반적 구조	가능성
금속	0.5	1	2
일반적 구조	1	1	2.5
가연성	2	2.5	3

Structural coefficient,[eqn: { C}_{2 }]

표4 구조물의 내용물

Table 4 Structure contents,[eqn: { C}_{ 3}]

표5 구조물의 점유도

[eqn: { C}_{4 }] 구조물의 점유도
점유되지 아니 함	0.5
보통의 점유도	1
피난이 곤란 또는 대혼란의 위험	3

Table 5 Structure occupancy,[eqn: { C}_{4 }]

표6 낙뢰의 결과 예측

[eqn: { C}_{5 }] 낙뢰의 결과 예측
서비스의 연속성 불필요하고, 환경에 영향 없음	1
서비스의 연속성 필요하고, 환경에 영향 없음	5
환경에 영향 있음	10

Table 6 Lighting consequences,[eqn: { C}_{5 }]

본 건물에서는 [eqn: {C }_{2}]=1,[eqn: { C}_{ 3}]=1,[eqn: { C}_{4 }]=1,[eqn: { C}_{5 }]=5 로 보면,

C=5,[eqn: { N}_{c } =5.5* { 10}^{-3 }/5] = 1.1*[eqn: { 10}^{ -3}] 이 된다.

이 값은 낙뢰 빈도가 900 년에 1 회이면 허용범위 내(內)이므로 뇌 보호는 불요(不要)라고 판단됨을 의미한다.

실제로 발생하여 얻은 낙뢰빈도[eqn: { N}_{d }] 와 허용낙뢰 빈도[eqn: { N}_{c }] 와의 차가 큰 경우, 적절한 뇌 보호 설비가 필요하지만, 전술한 프랑스의 표준규격에서는[eqn: { N}_{d }] ,[eqn: { N}_{c }] 에서 소요의 뇌보호 설비 효과도 E를 산출하여 그 값에 따라 보호 레벨을 규정하고 있다.

E = 1-[eqn: { N}_{c }] /[eqn: { N}_{d }]                        (3)

본 건물의 뇌보호 설비 효과도는 E = 1- 1.1 *[eqn: { 10}^{ -3}]/0.792 = 0.999                                           그림3 등가 집합 면적

E Ｂ 0.98 이기 때문에 레벨 I + 추가수단이 필요한 결과

가 된다.

표7 뇌보호 설비 효과도와 보호레벨

효과도 계산치 E	관련된 보호 레벨	피크 전류 I (kA)	뇌격 거리 r (m)
E Ｂ 0.98	레벨 Ⅰ + 추가 수단	-	-
0.95＠E ≤0.98	레벨 Ⅰ	2.8	20
0.80＠E ≤0.95	레벨 Ⅱ	9.5	45
0 ＠E ≤0.80	레벨 Ⅲ	14.8	60

Table 7 Determination of protection level

고층 빌딩의 경우, 등가 콜렉션면적이 크게 되기 때문에 낙뢰빈도가 높게 되고 고도의 뇌 보호가 필요하게  된다는 것이 확실해졌다.

여기서 추가 수단이란,

- 건축물 주변의 보폭전압, 접촉전압을 저감하는 수단

- 화재의 전파를 제어하는 수단

- 내부 뇌보호에 의한 이상전압 발생방지 수단 등을 의미한다.

4. 고층빌딩에 있어서 뇌피해의 실제사고와 분석

4-1 피해의 실상

최근의 뇌피해 중에 다음의 2 가지 예는 고층빌딩의 뇌피해의 실상을 구체적으로 말하고 금후의 대책 방법 확립을 위한 귀중한 교훈을 주고 있다

1999년 7월, 동경도청사의 41 층 동북측 외벽 모서리부분(지상 약180m)에 낙뢰하여 PC카텐벽 표면의 화강암 화장판(두께 약 20mm)이 사방 약 20cm에 걸쳐 파손 낙하했다(그림4a,4b).

옥상(지상 약 240m)에는 크고 작은 4 기의 무선안테와 철탑이 있고, 각각 피뢰침이 설치되어 있었다. 또 옥상 주변의 난간 위에는 피뢰도선이 깔려 있었고 이들 피뢰침, 피뢰도선은 모두 건물 철골을 거쳐 접지되어 있었다.                                               그림4a 동경도청사 측벽낙뢰

그림5a는 1999년 7월, 토오쿄도 내의 한 빌딩의 옥상      (1999년 7월 동경신문)

(지상 140m) 난간 모서리에 낙뢰하여 CFRC판 내부의

일부가 파손, 낙하한 것이다.

뇌전류는 CFRC판 내부의 철근을 거쳐 건물의 철골에 흘러 들어갔다고 추정되며, 파손부는 내부 철근에 까지 도달해 있었다.(그림5b) 이 경우도 옥상의 피뢰침, 피뢰도선 배치는 현행 JIS 규정(JIS 4201)에 준하여 설계되어 있어, 시공상의 문제점은 없었다.

그림5a에서 보는 바와 같이 낙뢰점에서 약 60cm 떨어진 곳에 항공장애등이 설치되어 있고 이것을 보호하기 위한 소형 피뢰침이 있었다. 피뢰도선은 모서리 보호를 위해 조금 바깥쪽에 설치되어 있었지만 결국, 이들 피뢰  그림4b 동경도청사의 낙뢰에 의

설비에 의한 난간 모서리의 보호효과는 없었던게 된다.   해 떨어진 외벽일부(1999년 7월)

점검의 결과, 같은 부지내의 다른 고층 빌딩 옥상 난간

에도 낙뢰에 의한 파손부 2 곳이 발견되었으며 비슷한 피

해가 꽤 많이 발생한 것으로 생각된다.

4.2 낙뢰점 결정의 메카니즘

여름철에 가장 많이 발생하는 음극성 뇌운과 대지사이의 뇌를 예로 설명하면, 뇌운의 음 전하 중심에서 직경 2∼30m의 뇌운 전하로 가득 채워진 원통형의 관과 직경 약 1cm의 강하게 이온화된 프라즈마핵이 수십 미터의 계단형으로 지상을 향해 간헐적인 전진을 해올 때, 이 현상을 리더뇌라 하고 간헐 단계간의 휴지시간은 수 그림5a 빌딩 옥상난간의 낙뢰흔적

10□s에 달한다. 리더뇌의 선단이 지상에서 수 10m의          (1999년 7월)

거리에 가까워지면 그 선단 부근에 있는 수목의 첨단이나 건물의 끝부분의 전계강도가 커져 약 3kV/mm로 코로나 방전이 시작된다.

전계강도가 커지면 전자눈사태현상에 의해 코로나 방전은 리더 뇌와 유사한 포착방전이 되어 리더뇌를 향해 진전하고 최종적으로는 리더뇌와 만난다. 이로 인해 낙뢰점이 결정되고 리더뇌는 접지되어 전하관에 축적된 전하가 지표면의 전하와 중화한다. 이 중화과정이 낙뢰 주방전이다.

최종 방전거리r(m)를 뇌격거리라 하고 주방전 전류 피크치I(kA)와는 다음식의 관계가 있다.                그림5b 뇌전류로 파손된 CFRC판

r=10*[eqn: { I}^{2/3 }]  (m)                       (4)

예를 들어 I=2.8, 9.5, 14.8 kA에 대해 r=20, 45, 60m가 된다.  그림6과 같이 리더뇌 선단 부근의 2 곳에서 포착방전이 스타트했을 경우 리더뇌의 진전에 따라 최초로 뇌격거리에 달한 점이 낙뢰점이 된다.

그림6 낙뢰점 결정

참고문헌

1) IEC1024-1 Protection of structure against lightning, Part General principles,(1990.3)

2) 쓰루미 외 : □건축물 등의 피뢰설비□, 전기설비 학회, P79(1992.3)

3) French Standard: C17-102, "Lightning protection"(1995.7)

4) P. Hasse, et, al, : "Handbuch fuer Blitzschutz und Erdung" 4. Auflage, Pflaum           Verage, VDE-Verag, P.50, P126, P135(1993)

5) Lefort, et, al, : USP 4,752,854,"Method and Apparatus for Protection against Lighting."

6) A. Eybert Bernard, et, al, : "Lighting Protection Field Experiment in Japan on a Wind     Turbine Planr using an(E.S.E)Lightning Conductors."[eqn: { 4}^{th }]International Workshop on      Physics of Lightning, Session 5(1999.9)

7) 가토 외 : □조기(早期)스트리머 발진형 피뢰침□, 평성(平成)11년도 전기설비학회 전국대회     강연논문집, E-3 (1999)

8) 가토 외 : □Prectron 피뢰침의 동작원리, 그 이론과 실제□ 평성12년도 전기설비학회 전국     대회 강연논문집, R-6(2000.8)