전자제어피뢰침에 의한 고층빌딩의 뇌보호 (하)

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)

5.2 고층 주택동의 외부 뇌보호

본 건물의 외부 뇌 보호설계는 다음의 전제조건을 갖는다.

1) 3.2, 3.3 항의 계산결과 낙뢰빈도 예측치가 꽤 높기 때문에 보호레벨 Ⅰ을 선정한다. 따라서 보호하여야 하는 뇌전류치 I=2.8kA 이상, 뇌격거리 r =20 m 이상으로 한다.

2) 이론적으로는 건물지상에서 20m 이상의 측벽이 보호 받아야할 범위이지만 종래의 경험과 주변조건에 의해 지상 높이 100m 이상의 측벽을 보호범위로 했다.

3) 선행방전 입사각도와 수직선에 대해서 90 도 이하로 한다. 즉, 최악조건의 수평방향에서의 선행방전에 대해 측벽을 보호한다.

4) 피뢰침에서 발진하는 스트리머는 선행방전 선단에 대해 직진한다. 구조물의 그림자가 되는 부분에 스트리머가 침입하지 않는다.                              그림16 건물의 외벽보호 범위

가장 간단한 케이스로 그림16 과 같은 직육면체

의측벽보호가 있다. 보호효율의 점에서 프리벡트론의 옥상 돌각부에 배치하는 것이 바람직하다. 이 경우의 벽면 보호범위는 회전구체법 및 위의 전제조건에 의해 그림16의 빗금 친 부분이 된다. 피뢰침의 보호 반경 R는 다음식에 의해 구해질 수 있다.

[eqn: R = SQRT { {(□L+r) }^{2 }- { r}^{2 } } = SQRT { 6400-400} =77.5m≒75m]

건물의 외형구조는 꽤 복잡한 것이 많고 또 피뢰침의 설치 가능한 위치는, 예를 들어 곤돌라 운전 등, 여러 가지 조건에 의한 제약이 있는데 그 보호범위가 필요하고 충분하다는 것을 실제의 건물구조와 피뢰침 위치에 의해 확인할 필요가 있다.

본 건물에서는 CAD에 의한 2.5 차원 투시도를 이용하여 확인하였다.

그림17은 피뢰침 설치 레벨의 건물의 평면도로서 피뢰침 선단을 수평 절단면을 중심으로 보호반경 R을 반경으로 하는 반구를 배치한다. 스트리머 진전가능 방향은 그 수평성분이 건물측벽에 접하는 각도까지로 하고 건물에 의해 스트리머 진전이 차단되는 부분은 보호범위에서 제(除)한다.

구(球)를 다면체에 근사하게 하고 구성 직선에 지상 높이의 데이터를 입력하면 그림17b)와 같은 투시도를 얻을 수 있다.

투시도의 보호구체 내부에 선행방전 선단이 도달하면 피뢰침선단에서 방사되는 스트리머에 의해 포착되어 피뢰침이 낙뢰점이 된다.

복수의 피뢰침을 배치했을 경우, 각각의 보호범위가 교차하여 서로 보완함으로써 사각(死角)발생을 방지하는 효과가 있는데 과잉의 배치의 여부를 투시도로 판단한다.

이 예에서는 대략의 정방형단면의 건물에 원형의 옥상 외주(外周)부에 피뢰침 4기(機)(P2∼P5)가 설치되었는데 P2-P3, P3-P4, P4-P5, P5-P2가 각각 보완관계가 된다. 그 중에 P3-P4에 비해 P4-P5 쪽이 불리한 보완관계이기 때문에 후자에 의한 측벽면 보호범위를  체크하였다. 그림17b의 투시도를 보면 수평방향으로 입사하는 선행방전에 대해 지상 약 80m 이상의 측벽부가 보호되고 있는 것을 알 수 있다.

또한 건물 꼭대기 부분(약 지상 153m)의 안테나 기둥 위에 프리벡트론 P1이 설치되어 있어 옥상면의 기기 및 크라운 형상의 울타리   그림17 아타고 빌딩의 측뢰 보호범위

구조와 외벽 가장자리 부분을 보호하고 있다.

투시도에 의한 보호범위 확인법은 같은 대지 내에 복수의 건축물이 비교적 접근하여 설치되었을 경우, 가장 경제적이며 확실한 피뢰침을 설계하는데 유효하다.

5.3 피뢰침 설치구조

측뢰 보호용 피뢰침은 건물에 대해 비스듬한 윗 방향, 경우에 따라서는 수평으로 입사하는 선행방전 선단을 포착하기 쉽게 하기 위하여 피뢰침 지주의 선단을 연직선에 대해 약 40도 바깥쪽으로 비스듬하게 하여 옥상 외주의 난간 4 곳에 설치하였다.

옥상 기기 보호용 피뢰침은 무선 중계안테나지주의 끝 부분에 종래의 피뢰침과 같은 방법으로 설치되었다.

전자제어피뢰침에 의한 뇌 보호의 효과를 가능한 정확하게 파악하기 위하여 각각의 피뢰침에 낙뢰기록계가 설치되어 뇌 포착의 연월일 및 시각이 자동기록 유지된다.

6. 후기

도시 재개발의 진전에 따라 고층 건축물의 측뢰    그림18a 옥상 난간의 피뢰침

보호가 중요한 기술이 되는데 그 목적에 전자제어피뢰침을 적용함으로써 다음과 같은 메리트를 얻을 수 있는 게 확실해 졌다.

1) 뇌의 선행방전을 포착하기 위해 전자회로와 뇌운에 의	한 지상 전계강도 및 선행방전 접근에 따른 전계 변화	를 이용하므로 장치가 소형경량이고 설치, 보수, 점검작	업도 간단하다.

2) 공간 보호범위가 매우 넓어 소수의 피뢰침으로 대규모	의 구조물 측벽을 보호할 수 있다.

3) 설치 장소에 관한 제약 조건이 적어 여러 가지 구조의	건축물, 기존의 건축물에도 설치할 수 있다.

4) 1)∼3)항의 특징에 의해 건물구조설계, 디자인의 자유	도를 잃지 않고 경제적인 측격뢰 보호가  가능하다.

그림18b 옥상난간의 피뢰침

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)