Wykładnikiem jakości uziomu zawsze powinna być wartość rezystancji uziemienia i jego trwałość.
Fundament może stanowić podstawę nie tylko posadowienia budynku, ale także instalacji elektrycznych. Największą zaletą uziomu fundamentowego jest okres eksploatacji ‒ taki sam jak budowanego obiektu. Ze względu na swoją powierzchnię uziom fundamentowy zapewnia pewny kontakt z otaczającym gruntem i daje minimalną wartość rezystancji uziemienia, jaką można uzyskać na tej powierzchni z zastosowaniem uziomów poziomych. W większości przypadków zapewnia stałą i stabilną wartość rezystancji uziemienia, niezależnie od pory roku i warunków atmosferycznych. Z ekonomicznego punktu widzenia taki uziom nie wymaga dodatkowych prac ziemnych, a więc uziom fundamentowy to najtańsza metoda na wykonanie układu uziemiającego w obiekcie budowlanym. Wszystkie te właściwości dotyczą oczywiście przypadku, kiedy uziom fundamentowy został wykonany prawidłowo, przede wszystkim pod kątem jakości połączeń i doboru właściwych materiałów. Zgodnie z § 184 warunków technicznych [1] Jako uziomy instalacji elektrycznej należy wykorzystywać metalowe konstrukcje budynków, zbrojenia fundamentów oraz inne metalowe elementy umieszczone w niezbrojonych fundamentach stanowiące sztuczny uziom fundamentowy. Poza rozporządzeniem, do którego odwołuje się Prawo budowlane, wykonanie uziomu fundamentowego zalecają także norma zharmonizowana PN-HD 60364-5-54 (załącznik C) [2] oraz norma dotycząca ochrony odgromowej PN-EN 62305-3 (pkt E.4.3.9) [3]. Warto jednak podkreślić, że w wielu przypadkach uziom fundamentowy może wymagać rozbudowy o dodatkowe uziomy sztuczne umieszczone bezpośrednio w gruncie, a w niektórych przypadkach wykorzystanie fundamentu nie ma zastosowania ze względu na głębokość posadowienia oraz zastosowanie środków termo- lub hydroizolacji.
Rys. 1. Prawidłowy dobór materiałów uziomu fundamentowego – sztuczny uziom fundamentowy wykonany z bednarki ze stali czarnej, połączonej ze zbrojeniem, oraz z wyprowadzeniem do ziemi przewodów uziemiających wykonanych z bednarki pomiedziowanej
Polecamy też:
Instalacja odgromowa w budynku jednorodzinnym
Jak powstaje piorun? W jaki sposób dawniej chroniono budowle przed uderzeniem pioruna?
Budowa uziomu fundamentowego
Uziom fundamentowy w ogólnym przypadku stanowi układ wzajemnie połączonych przewodów, umieszczonych w betonie stanowiącym fundament obiektu budowlanego, który został wykorzystany do uziemienia instalacji elektrycznych, wyrównania potencjałów lub do ochrony odgromowej. Beton stosowany na fundamenty, który charakteryzuje się zwykle rezystywnością rzędu 200 Ωm [4, 5], nie tylko zwiększa i poprawia powierzchnię styku uziomu z gruntem, ale także zapewnia bardzo dobrą ochronę przed korozją. Uziomy fundamentowe naturalne wykorzystują typowe zbrojenie fundamentów. Stalowe zbrojenie może być wykorzystane do celów uziemienia, tylko jeżeli przed zalaniem betonu zostało odpowiednio wykonane i poprawnie połączone w inny sposób niż za pomocą drutu wiązałkowego lub spawania punktowego, z zapewnieniem odpowiedniego połączenia elektrycznego i wytrzymałości mechanicznej. Z tego względu w obiektach budowlanych zaleca się wykonywanie uziomów fundamentowych sztucznych, czyli takich, w których w betonie umieszczony został specjalny przewód lub układ przewodów przeznaczonych do uziemienia, a nie jako element konstrukcyjny.
Rys. 2. Uziom fundamentowy z wykorzystaniem zbrojenia ławy fundamentowej oraz rozbudową o dodatkowe uziomy w gruncie
Uziom fundamentowy – dobór materiałów
Rodzaj materiału nie ma wpływu na wartość rezystancji uziemienia, która zależy wyłącznie od wymiarów geometrycznych uziomu i jego konfiguracji oraz od rezystywności gruntu. Rodzaj materiału wpływa natomiast na okres eksploatacji uziomu. Odporność na korozję materiału w danym środowisku decyduje zatem, jak długo uzyskana wartość rezystancji uziemienia zostanie utrzymana. Właściwy dobór materiałów ma przede wszystkim istotne znaczenie, jeżeli z uziomu fundamentowego wykonywane są wyprowadzenia do przyłączenia uziomów sztucznych w gruncie lub przewodów odprowadzających urządzenia piorunochronnego. Zastosowanie nieodpowiedniego materiału może prowadzić do powstawania ogniw galwanicznych i przyspieszonej korozji uziomu [6, 7].
Elementy, które są całkowicie zalewane w betonie, mogą być wykonane z dowolnego materiału. Tak samo jak pręty zbrojeniowe mogą być wykonane ze stali czarnej, tzn. ze stali bez antykorozyjnych powłok ochronnych. Otulina betonu, jeżeli jest dostatecznie gruba, zapewnia wystarczające zabezpieczenie antykorozyjne. Ograniczenia w doborze materiałów pojawiają się przy wyprowadzeniach z fundamentu. Przewody, które są wyprowadzane ze zbrojonego betonu bezpośrednio do ziemi, nie mogą być wykonane ze stali ocynkowanej (StZn). Dotyczy to tak samo sztucznych uziomów otokowych i pionowych umieszczanych w gruncie, jeżeli są łączone z uziomem fundamentowym. Mimo że jest to dobrze opisane, zarówno w normach elektrycznych ‒ pkt C.4 [2], jak i odgromowych – pkt E.5.4.3.2 [3], to w dalszym ciągu popełniane są w tym zakresie błędy przez projektantów i wykonawców. Pomijając kwestie teoretyczne dotyczące powstawania różnicy potencjałów i korozji galwanicznej, należy sobie przede wszystkim uświadomić, że stal ocynkowana umieszczona w ziemi, połączona ze stalą w betonie (zbrojenie, uziom fundamentowy), narażona jest na przyspieszoną korozję i znacznie skrócony czas eksploatacji. Błędne, choć niestety często praktykowane, stosowanie przewodów StZn jako wyprowadzenia z fundamentu (przewody uziemiające) prowadzić będzie zatem do przedwczesnego przerwania ciągłości przewodów w gruncie i utraty uziemienia. Zgodnie z normami [2, 3] wyprowadzenia z betonu oraz uziomy w gruncie powinny być wykonane z miedzi, stali pomiedziowanej lub stali nierdzewnej. Najbardziej praktycznym rozwiązaniem jest zastosowanie stali pomiedziowanej, która może być bezproblemowo przyspawana do zbrojenia oraz jest znacznie tańsza niż czysta miedź i stal nierdzewna. Kwestie teoretyczne dotyczące zagadnień korozji w układach uziemiających opisane są m.in. w [7].
Sprawdź:
Instalacja piorunochronna dla nowoczesnego budynku
Kontrola okresowa budynku i przegląd instalacji antenowej
Ochrona ograniczników przepięć – zmiany normowe
Ławy fundamentowe z uziomem
Wykonanie uziomu fundamentowego jest najbardziej efektywne w przypadku budynków posadowionych na tradycyjnych ławach fundamentowych. Z punktu widzenia uziemień główną zaletą ław jest wykorzystanie konstrukcji zbrojenia, głębokość posadowienia oraz najczęściej brak izolacji termicznej. Prace w takim przypadku sprowadzają się przede wszystkim do zapewnienia ciągłości galwanicznej na całym obwodzie budynku i wyprowadzenia przewodów do przyłączenia instalacji elektrycznej lub urządzenia piorunochronnego. Ławy fundamentowe wykonywane są pod ścianami nośnymi zewnętrznymi oraz wewnętrznymi stanowiącymi oparcie belek stropowych. Dno ławy wykonywane jest poniżej głębokości przemarzania gruntu (od 0,8 do 1,4 m), co zapewnia nie tylko pewne posadowienie budynku, ale także stabilność rezystancji uziemienia w całym roku bez względu na warunki atmosferyczne.
Typowe zbrojenie ław fundamentowych wykonywane jest najczęściej z czterech prętów o średnicy 12 mm układanych wzdłużnie, połączonych strzemionami z drutu o średnicy 6 mm w odstępach co 30 cm. Klasyczne połączenia budowlane wykonywane są za pomocą drutu wiązałkowego i spawania punktowego. Wzdłużne pręty zbrojeniowe o średnicy 12 mm (do celów uziemienia normy wymagają prętów o średnicy co najmniej 10 mm – tabl. 7 [3]) mogą być wykorzystane jako uziom, ale jedynie pod warunkiem wykonania odpowiednich połączeń, zwłaszcza jeżeli przewiduje się ochronę odgromową budynku. Przy połączeniach spawanych zgodnie z normami pręty w miejscach połączeń powinny być ułożone równolegle na odcinku co najmniej 70 mm, a długość spoiny powinna być nie mniejsza niż 50 mm (pkt E.4.3.3 [3]). Aby warunki te były spełnione, w narożnikach pręty zbrojeniowe należy wyginać pod kątem prostym w kształt litery „L” celem umożliwienia wykonania odpowiedniej długości spoiny – spawanie punktowe nie jest dopuszczalne. W punktach skrzyżowań do łączenia można wykorzystać dodatkowe pręty stanowiące łączniki. Przykład poprawnego łączenia prętów zbrojeniowych przedstawiono na rys. 3.
Rys. 3. Łączenie spawane prętów zbrojeniowych wykorzystanych do budowy uziomu fundamentowego
Jeżeli stosuje się uchwyty skręcane, to przewód uziemiający w takim przypadku należy łączyć za pomocą dwóch zacisków do różnych prętów zbrojenia (pkt E.4.3.3 [3]).
Bardziej niezawodnym i zalecanym rozwiązaniem jest wykonanie sztucznego uziomu fundamentowego przez ułożenie bednarki w postaci zamkniętego pierścienia, mocowanej do prętów zbrojeniowych. Największą zaletą ułożenia dodatkowego przewodu jest jednoznaczność rozwiązania i to że tak wykonana instalacja została specjalnie przygotowana do celów uziemienia. Rozwiązanie to ponadto minimalizuje liczbę połączeń i daje pewność ciągłości elektrycznej – uniezależniamy się tym samym od wytrzymałości mechanicznej połączeń spawanych prętów zbrojeniowych, które źle wykonane mogą ulec uszkodzeniu przy zalewaniu W przypadku większości domów jednorodzinnych do ułożenia przewodu w ławie fundamentowej oraz wyprowadzenia przewodów uziemiających wystarczające będą 2‒3 krążki bednarki (zwykle ok. 30 m na krążek). Zarówno normy odgromowe (pkt E.5.4.3.2 [3]), jak i te dotyczące instalacji elektrycznych (pkt C.1 [2]) zwracają uwagę, żeby przewód uziomu był ułożony tak, aby pokrywała go warstwa betonu o grubości co najmniej 50 mm z każdej strony, w celu zapewnienia odpowiedniej odporności na korozję. Z tego samego powodu zbrojenia fundamentów przed zalaniem należy instalować na wspornikach. Zapewni to odpowiednią grubość otuliny betonowej także od spodu.
Rys. 4. Metody układania sztucznego uziomu w ławie fundamentowej oraz wyprowadzenia przewodów uziemiających do LPS, uziomów w gruncie oraz GSU
Na rys. 4 przedstawiono przykłady konfiguracji sztucznego uziomu fundamentowego. Przewody płaskie zaleca się układać pionowo (rys. 2 i 4a), aby uniknąć powstawania komór powietrza niewypełnionych betonem (pkt C.3.2 [2]). Jeżeli bednarka układana jest „na płasko”, zaleca się umiejscowić ją na górnej warstwie zbrojenia (rys. 4b), gdzie łatwiej kontrolować odpowiednie zalanie betonem. Układanie przewodu na wierzchu zbrojenia ułatwia w istotny sposób wykonywanie wyprowadzeń przewodów uziemiających (rys. 4b) i wszelkich innych połączeń. Takie rozwiązanie pozwala na zastosowanie jednego ciągłego odcinka bednarki na odległości między dwoma przewodami uziemiającymi wzdłuż jednego boku budynku, zapewniając ciągłość i redukując liczbę połączeń. Dla poprawy właściwości uziomu bednarkę należy łączyć ze zbrojeniem w odstępach co 2 m (pkt C.3.2 [2]). Połączenia te można wykonać, stosując uchwyty skręcane (np. uchwyty skośne) albo przez spawanie. Bednarkę trzeba mocować, w miarę możliwości, do prętów wzdłużnych oraz do strzemion zbrojenia. Należy jednak zwrócić uwagę, aby wykorzystane strzemiona były dodatkowo przyspawane do prętów wzdłużnych, a nie łączone tylko drutem wiązałkowym. Zaleca się, aby wymiary pierścieni sztucznego uziomu fundamentowego nie przekraczały 20 × 20 m (pkt C.3.1 [2]). W większych obiektach, żeby spełnić ten warunek, należy wykonać dodatkowe połączenia poprzeczne, tak aby utworzone prostokąty miały zachowany wymiar.
Rys. 5. Szkielet zbrojenia ławy ze sztucznym uziomem fundamentowym rozszerzonym o dodatkowe uziomy w gruncie
Wykonanie sztucznego uziomu fundamentowego jest uzasadnione, jeżeli ławy nie są w pełni izolowane od gruntu. Z punktu widzenia instalacji elektrycznych i kontaktu z gruntem najlepiej, gdy ławy nie mają żadnej izolacji przeciwwilgociowej i są wylewane bezpośrednio w wykopie lub szalunku z desek, bez żadnych dodatkowych zabezpieczeń. Często stosuje się jednak izolacje przeciwwilgociowe, zapobiegające chociażby mieszaniu się rodzimego gruntu z betonem lub jego nadmiernemu odwodnieniu. Jeżeli folie zabezpieczające nie są zastosowane na wszystkich płaszczyznach ławy (np. tylko zabezpieczenie powierzchni bocznych), to będzie ona miała w dalszym ciągu na ogół dobry kontakt z gruntem. Warto jednak pamiętać, że wszelkiego rodzaju materiały, nawet tylko częściowo zabezpieczające fundament, prowadzą do pogorszenia kontaktu z gruntem i wzrostu rezystancji uziemienia [4]. Przy projektowaniu uziomu fundamentowego należy zatem rozważyć wpływ stosowanych rozwiązań. Najlepszym przykładem są tzw. szalunki tracone (np. EPS, XPS), które znacząco skracają czas formowania ław i mogą zapewnić izolację termiczną, ale jednocześnie z punktu widzenia uziemień ograniczają w niedopuszczalny sposób kontakt fundamentu z gruntem rodzimym.
Jeżeli zastosowane środki przeciwwilgociowe lub termoizolacja ograniczają połączenie elektryczne fundamentu z gruntem, to konieczne jest wykonanie dodatkowego uziomu sztucznego w postaci otoku, uziomów pionowych lub konfiguracji mieszanej (rys. 5). Uziom fundamentowy w takim przypadku (jeżeli połączony z uziomami sztucznymi w gruncie) może być wykorzystany do celów wyrównania potencjałów i przyłączenia wewnętrznych instalacji elektrycznych.
W dalszej części artykułu:
Uziom fundamentowy niezabetonowany z wykorzystaniem płyty fundamentowej
Stopy fundamentowe
Czy uziom fundamentowy wystarczy?
Tomasz Maksimowicz
RST Sp. z o.o.
Literatura
- Obwieszczenie Ministra Inwestycji i Rozwoju z dnia 8 kwietnia 2019 w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2019 r. poz. 1065).
- PN-HD 60364-5-54:2011 Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 5-54: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego – Układy uziemiające i przewody ochronne.
- PN-EN 62305-3:2011 Ochrona odgromowa – Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia.
- E. Musiał, Uziomy fundamentowe i parafundamentowe, miesięcznik SEP INPE „Informacje o normach i przepisach elektrycznych” nr 143/2011.
- M. Zielenkiewicz, T. Maksimowicz, Podstawowe błędy przy projektowaniu i budowie uziomów fundamentowych, „Wiadomości Elektrotechniczne” nr 10/2015.
- T. Maksimowicz, M. Zielenkiewicz, Zalecenia norm dotyczące materiałów stosowanych na uziomy sztuczne łączone z uziomem fundamentowym, „Elektro.info” nr 4/2013.
- W. Hoppel, R. Marciniak, Uziemienia w sieciach elektroenergetycznych, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2020.
