Uziomy fundamentowe sztuczne to rozwiązanie, które stosuje większość krajów w Europie. W Polsce zainteresowanie tymi uziomami wciąż jeszcze jest zbyt małe.
Uziomy fundamentowe sztuczne to rozwiązanie, które stosuje większość krajów w Europie. W Polsce zainteresowanie tymi uziomami wciąż jeszcze jest zbyt małe.
Zwykle w budynku wykonuje się jedno wspólne uziemienie dla instalacji elektrycznych i nieelektrycznych budynków (elektroenergetycznych, elektrycznych sterowniczych, elektrycznych informatycznych, odgromowych, wodociągowych, gazowych, kanalizacyjnych), a także metalowych konstrukcji i osłon budynku. Jedynie rzadko spotykane uziemienia, które powinny zawsze przenosić na element uziemiany potencjał zerowy ziemi, wykonywane są jako niezależne.
Tradycyjnie w skład instalacji uziemiających budynków wchodzą uziomy, które były wykonywane jako otokowe (ocynkowana bednarka ułożona w ziemi naokoło fundamentu budynku) lub jako pionowe (ocynkowane metalowe rury lub pręty wbijane na zewnątrz budynku pionowo w ziemię). Niektóre uziomy budynków składają się z uziomu otokowego i połączonych z nim uziomów pionowych. Wszystkie ww. uziomy nazywa się uziomami sztucznymi (wykonywane specjalnie dla celów uziemieniowych). Dla celów uziemieniowych wykorzystywane są również uziomy naturalne (ułożone w ziemi metalowe elementy dla innych celów niż uziom), np. metalowe rury wodociągowe lub metalowe elementy konstrukcji. Niestety, w ostatnich latach notuje się systematyczne, postępujące w coraz szybszym tempie, prace polegające na wymianie metalowych rur wodociągowych na rury wykonane z materiałów nieprzewodzących, co uniemożliwia ich wykorzystanie dla celów uziemienia. Zdarzały się również przypadki wykorzystywania dla celów uziemienia odgromowego zbrojenia fundamentów betonowych. Takie uziomy naturalne nie nadawały się do innych celów niż do instalacji odgromowej. Połączenie prętów zbrojeniowych wykonywane jest bowiem drutem wiązałkowym, co powoduje, że styk prętów łączonych ma duży opór elektryczny (rezystancję). Przy prądach wywołanych uszkodzeniami w instalacjach elektrycznych budynku wydziela się duża ilość ciepła mogącego doprowadzić do uszkodzenia struktury betonu. Prądy wyładowań piorunowych mają znacznie większe wartości i dlatego są w stanie przebić elektrycznie słabe styki między prętami zbrojeniowymi, zmniejszając ich rezystancję. Przy małej rezystancji i krótkich czasach przepływu udarowych prądów wyładowań atmosferycznych skutki cieplne nie są niebezpieczne dla fundamentów.
Uziomy fundamentowe sztuczne w przepisach i normach
W latach 60. XX w. zaczęto w Europie stosować w budynkach uziomy fundamentowe sztuczne, tzn. uziomy w postaci odpowiednio umieszczonych w fundamencie zbrojonym lub niezbrojonym bednarek lub prętów łączonych w sposób zapewniający małą rezystancję styków. Takie uziomy okazały się bowiem tańsze od uziomów naturalnych wykonywanych wokół budynku; nie mają one wad uziomów fundamentowych naturalnych, mogą być wykonywane w każdym fundamencie, odznaczają się znaczną trwałością.
W roku 1994 wydano w Niemczech normę DIN 18014 „Uziomy fundamentowe”, która zastąpiła dotychczasowe „wytyczne”. W normie podano szczegółowe zasady wykonywania uziomów fundamentowych sztucznych w fundamentach zbrojonych, jak i niezbrojonych.
Wymóg stosowania w Niemczech uziomów fundamentowych znalazł się w normie DIN 18015/cz. 1 1992. Zapisano w niej, że przy budowie każdego nowego budynku należy przewidzieć uziom fundamentowy (sztuczny) dla budynku i jego instalacji. Niestety, zainteresowanie takimi uziomami w Polsce okazało się niewielkie, tym bardziej że wymagało to nowej organizacji wykonywania fundamentów. Uziomy fundamentowe sztuczne są stosowane w wielu krajach Europy, szczególnie szeroko w Niemczech (warto zapoznać się z książką: Vogt D. VDE – Schriftenreihe 35. Poten tial ausgleich, Funtamenterder, Korrosionsgefahrdung. DIN – VDE 0100, DIN 18014 und viel mehr. VDE – Verlag Gmbh, Berlin – Offenbach 1993). {mospagebreak}
Głosy domagające się wprowadzenia do praktyki uziomów fundamentowych sztucznych spowodowały, że w 1999 r., w kolejnej wersji rozporządzenia ministra (rozporządzenie Ministra Gospodarki Przestrzennej i Budownictwa z dnia 14 grudnia 1994 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie – Dz.U. z 1995 r. Nr 10, poz. 46 z późn. zm.), pojawił się po raz pierwszy termin sztuczny uziom fundamentowy. W § 184 tego rozporządzenia zapisano, że „jako uziomy instalacji elektrycznej należy wykorzystać metalowe konstrukcje budynków, inne metalowe elementy umieszczone w fundamentach stanowiące sztuczne uziomy fundamentowe, zbrojenia fundamentów i ścian oraz przewodzące prąd instalacje wodociągowe, pod warunkiem uzyskania zgody jednostek eksploatujących sieć wodociągową”. Wątpliwości budzi zasadność wykorzystywania jako uziomów zbrojenia fundamentów i ścian do innych celów niż do instalacji odgromowych, jeżeli wszystkie pręty zbrojeniowe są łączone drutem wiązałkowym.
Zapis ten nie był w pełni precyzyjny i poprawny i do tego był umieszczony w rozdziale dotyczącym instalacji elektrycznych. Dlatego nie znalazł istotnego zastosowania w praktyce. W rozporządzeniu z 2002 r. (rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie – Dz.U. Nr 75, poz. 609 z późn. zm.) zapis ten został częściowo poprawiony. Z § 184 wynika nakaz wykorzystywania dla celów uziemienia instalacji elektrycznej uziomów naturalnych i sztucznych fundamentowych. Oznacza to, że wykonanie uziomów sztucznych innych niż fundamentowe lub naturalne może być akceptowane tylko wtedy, gdy uziom fundamentowy sztuczny nie spełnia wymagań stawianych uziomowi budynku i brak jest uziomów naturalnych lub nie mogą być one wykorzystane. W rzeczywistości bowiem, zgodnie z normą PN-IEC 60364-5-54: 1999 (Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia. Uziemienia i przewody ochronne) jako uziomy naturalne mogą być wykorzystane metalowe rury wodociągowe, pod warunkiem że uzyskano na to zgodę jednostki eksploatującej te wodociągi, a także zapewnione jest uzgodnienie z użytkownikiem instalacji elektrycznej każdej planowanej zmiany w systemie rur wodociągowych. Systemy użytkowanych rur innych od rur wodociągowych (do prowadzenia np. palnych cieczy lub gazów, czynników grzewczych) nie powinny być stosowane jako uziomy. Według ww. normy dopuszcza się pod określonymi warunkami wykorzystanie dla celów uziemienia powłok i innych metalowych osłon kabli nienarażonych na uszkodzenia wskutek nadmiernej korozji. Mimo nakazu stosowania i zalet uziomy fundamentowe sztuczne są wciąż zbyt rzadko projektowane i wykonywane.
Zalety stosowania uziomów fundamentowych sztucznych
• Uziomy fundamentowe sztuczne budynków mogą z powodzeniem zastąpić stosowaną obecnie do celów uziemień elektroenergetycznych sieć metalowych rur wodociągowych.
• Wykonanie uziomu fundamentowego w trakcie wykonywania budynku jest na ogół tańsze i mniej pracochłonne niż wykonanie uziomu otokowego na zewnątrz budynku. Prawidłowo wykonany uziom fundamentowy ma praktycznie nieograniczoną trwałość.
• Rezystancja uziemienia uziomów fundamentowych spełnia zazwyczaj wymagania stawiane uziemieniom dodatkowym sieci elektroenergetycznej i jest prawie niezależna od warunków pogodowych. Uziomy fundamentowe dobrze wpływają na rozkład potencjału na podłogach dolnych kondygnacji budynku – wraz z połączeniami wyrównawczymi – zapewniają wysoki poziom bezpieczeństwa użytkowania urządzeń elektrycznych.
• Wykonywanie uziomów fundamentowych sztucznych pozwala uniknąć zastrzeżeń służb budowlanych, dotyczących ujemnego wpływu prądów uziomowych na wytrzymałość mechaniczną konstrukcji budowlanych.
• Celowe jest wykorzystanie doświadczeń niemieckich, dotyczących wykonywania uziomów fundamentowych sztucznych i wprowadzenie do norm i przepisów obowiązujących w Polsce wymagań podobnych do zawartych w normach i przepisach DIN – VDE.
{mospagebreak}
Elementy instalacji uziemiających budynku
W skład każdej instalacji uziemiającej budynku powinny wchodzić: uziom (przedmiot metalowy pogrążony w gruncie lub w betonie umieszczonym w gruncie), przewód uziemiający łączący uziom główną szyną uziemiającą lub z częścią uziemianą, główna szyna uziemiająca (umożliwiająca połączenie z przewodem uziemiającym wielu przewodów ochronnych, wyrównawczych itp. prowadzonych od części uziemianych) i przewody łączące główną szynę uziemiającą z częściami uziemianymi. Instalacje uziemiające ochrony odgromowej, których przewód uziemiający jest prowadzony na zewnętrznej ścianie budynku (czasem w ścianie), wyposaża się w zacisk probierczy umożliwiający odłączanie uziomu od części uziemionej dla ułatwienia pomiaru rezystancji uziemienia. W takim przypadku przewodem uziemiającym nazywa się przewód łączący zacisk probierczy z uziomem. Rolę zacisku probierczego w budynku pełni główna szyna uziemiająca. W każdym budynku, w jego przyziemnej kondygnacji, w miejscu dostępnym dla kontroli, w pobliżu miejsc zasilania budynku w energię elektryczną, wodę, gaz itp. powinna być wykonana główna szyna uziemiająca nazywana też główną szyną wyrównawczą.
Szyna taka jest miejscem, do którego przyłącza się wszelkie podlegające uziemieniu i podlegające równocześnie połączeniom wyrównawczym części budynku i jego wyposażenia.
Tak więc do głównej szyny uziemiającej przyłącza się:
• przewód uziemiający instalacji uziemiającej budynku,
• przewód ochronny PE łączący szynę uziemiającą z zaciskiem ochronnym PE złącza instalacji elektroenergetycznej budynku lub z zaciskiem ochronnym PE rozdzielnicy głównej budynku,
• przewody wyrównawcze główne.
Dla instalacji elektrycznych (o różnym przeznaczeniu) i instalacji odgromowych budynków wykonuje się zwykle wspólny uziom, przy czym instalacje elektryczne łączy się do wspólnej szyny uziemiającej, a instalacje odgromowe bezpośrednio do uziomu. Wykonanie dla różnych części uziemianych znajdujących się w budynku niezależnych instalacji uziemiających (w tym i uziomów) może stwarzać zagrożenie dla ludzi i urządzeń. Zagrożenie takie może powstać, gdyż części przyłączone do niezależnych uziomów mogą w warunkach zakłóceniowych (podczas zwarć lub przepięć) mieć różne potencjały. Na takie zagrożenie narażeni są ludzie i izolacja urządzeń elektrycznych (szczególnie elektronicznych). W razie konieczności wykonania niezależnych uziemień druga instalacja – uziemiając – powinna mieć osobny uziom wykonany poza budynkiem, a w budynku elementy tych instalacji powinny być odpowiednio oddalone.
Na rys. 1 przedstawiono przykładową instalację uziemiającą budynku. Wszelkie instalacje wprowadzone do budynku oraz główną szynę uziemiającą umieszczono w pomieszczeniu przyłączowym (stosowanym np. w Niemczech), co pozwala zminimalizować długość przewodów przyłączonych do głównej szyny uziemiającej.
Według zaleceń projektowych opracowanych przez niemieckie biura projektowe (podanych np. w wydanym przez Verlag. Frankfurt am Main opracowaniu firmy HEA „Elektro- Installation in Wohngebauden”), pomieszczenie przyłączowe powinno być pomieszczeniem wydzielonym jedynie dla zasilania wszelkiego rodzaju instalacji wewnętrznych budynku i powinno być zlokalizowane bezpośrednio przy schodach dochodzących do piwnicy.{mospagebreak}
Zalecenia:
• minimalne wymiary pomieszczenia: długość 2 m, szerokość 1,8 m, wysokość 2 m,
• sposób rozmieszczenia w pomieszczeniu różnych instalacji (na jakich ścianach – patrz rys. 1 i na jakich poziomach poniżej poziomu terenu, np. zasilanie elektryczne – 0,6 m do 0,8 m, zasilanie instalacji sygnalizacyjnej – 0,35 m do 0,60 m, zasilanie wodociągowe – 1,2 m do 1,5 m, zasilanie gazowe – 0,50 m do 1 m, zasilanie instalacji grzewczej – 0,6 m do 1 m),
• maksymalna temperatura pomieszczenia – 30°C.
Rys. 1. Przykładowa instalacja uziemiająca w budownictwie ogólnym:
1 – kabel zasilający złącze instalacji elektrycznej,
2 – złącze instalacji elektrycznej,
3, 5 – przewody instalacji elektroenergetycznej,
4 – rozdzielnica główna,
6 – wstawka izolacyjna w rurze gazowej,
7 – przewód instalacji sygnalizacyjnej,
8 – zawór instalacji wodociągowej,
9 – zawór instalacji gazowej,
10 – instalacja ogrzewania wodnego budynku,
11 – główna szyna uziemiająca (wyrównawcza),
12 – sztuczny uziom fundamentowy,
13 – przewód łączący zacisk PE instalacji elektroenergetycznej z główną szyną uziemiającą,
14 – przewód ochronny PE, gdy instalacja pracuje w układzie TT,
15 – połączenie wyrównawcze instalacji sygnalizacyjnej,
16 – połączenie wyrównawcze do miejscowej (dodatkowej) szyny wyrównawczej,
17 – połączenie wyrównawcze instalacji gazowej,
18 – połączenie wyrównawcze instalacji ciepłowniczej,
19 – połączenie wyrównawcze instalacji wodociągowej,
20 – przewód uziemiający,
21 – poziom terenu
Konfiguracja uziomu fundamentowego sztucznego
Uziom fundamentowy sztuczny należy wykonać jako zamknięty pierścień, umieszczając go w fundamentach ścian zewnętrznych budynku. W budynku o dużej powierzchni uziom fundamentowy należy wykonać nie tylko w fundamentach ścian zewnętrznych, ale również w fundamentach ścian wewnętrznych lub w płycie fundamentowej tak, aby rozmiar oczek uziomu nie przekraczał 20×20 m. W domach o zabudowie szeregowej zaleca się, aby każdy człon zabudowy miał wykonany oddzielny uziom fundamentowy. Dodatkowe połączenia poprzeczne, jak również małe wymiary oczek uziomu fundamentowego mają ogromną zaletę, gdyż powodują lepszy rozkład potencjału i lepiej wyrównują potencjały na powierzchni najniższej kondygnacji budynku objętego uziomem. Przykładowe konfiguracje uziomów fundamentowych sztucznych przedstawiono na rys. 2.
Rys. 2. Konfiguracje uziomu fundamentowego sztucznego: a) pojedynczego domu, b) domu szeregowego; 1 – uziom, 2 – przewód uziomowy wyprowadzony w pomieszczeniu przyłączonym, 3 – pomieszczenie przyłączowe z główną szyną uziemiającą wg normy DIN 18014;1994 {mospagebreak}
Wyroby stosowane do wykonania uziomów fundamentowych sztucznych i przewodów uziemiających
Beton i zaprawa murarska są środowiskami chroniącymi części metalowe przed korozją. Dlatego uziomy fundamentowe sztuczne mogą być wykonywane ze stali niepokrytej warstwami antykorozyjnymi. Stosowanie dla omawianych celów wyrobów stalowych ocynkowanych jest możliwe, ale niepotrzebne.
Przekrój przewodu stalowego niepokrytego warstwą antykorozyjną, z którego jest wykonany uziom, ze względu na wytrzymałość mechaniczną i korozję, zgodnie z normą PNIEC 60364-5-54 [4], nie powinien być mniejszy niż 50 mm2. W Niemczech zaleca się, aby do wykonania uziomów fundamentowych sztucznych stosować płaskowniki lub pręty okrągłe, przy czym wymiary płaskownika nie były mniejsze od 30 mm × 3,5 mm, a średnica prętów – od 10 mm. Przewody uziemiające, łączące uziom z główną szyną uziemiającą (zaciskiem probierczym), powinny być wykonane ze stali ocynkowanej. Uziomy i przewody uziemiające miedziane lub stalowe pomiedziowane są znacznie droższe od stalowych ocynkowanych i w większości przypadków nie ma potrzeby ich stosować. Ich stosowanie jest uzasadnione w miejscach, w których agresywność korozyjna jest bardzo duża, ale nigdy nie stosuje się ich w uziomach fundamentowych.
Ułożenie uziomu w fundamencie
Na rys. 3 przedstawiono za normą DIN 18014 zasadę wykonania uziomu fundamentowego przy różnych rodzajach fundamentów.
Uziom fundamentowy w fundamencie nieuzbrojonym należy umieścić tak, aby ze wszystkich stron był otoczony warstwą betonu o grubości co najmniej 5 cm. Zapewnia to dobrą ochronę stali przed korozją i prawie nieograniczoną trwałość tak wykonanego uziomu. Przy wykonywaniu uziomu z płaskownika powinien być on ułożony „na sztorc”, to znaczy pionowo dłuższym bokiem. Płaskownik lub pręt należy umieszczać w specjalnych uchwytach wbitych lub ustawionych na podłożu, zabezpieczających elementy uziomu przed przesunięciem w momencie zalewania fundamentu betonem. Zaleca się stosowanie elementów mocujących (odstępników). Rodzaj stosowanych odstępników i ich liczba (odstępy między nimi) zależą od rodzaju gruntu.
Rys. 3. Sztuczne uziomy fundamentowe: a) w ławie fundamentowej wykonanej z betonu niezbrojonego, b) w fundamencie wykonanym z betonu niezbrojonego, c) w fundamencie z betonu zbrojonego; 1 – sztuczny uziom fundamentowy, 2 – uchwyt uziomowy, 3 – przewód uziemiający, 4 – ława fundamentowa, 5 – mur z cegły, 6 – warstwa izolacyjna, 7 – podłoga, 8 – beton nieuzbrojony, 9 – warstwa żwiru, 10 – beton zbrojony
Przykłady ww. uchwytów wbijanych i ustawianych na podłożu przed wylaniem fundamentu przedstawiono na rysunku 4 a).
Dla wykonania połączeń elementów uziomu fundamentowego, w celu odgałęzienia przewodów uziemiających, zamknięcia pierścienia uziomu, tworzenia połączeń poprzecznych dla zmniejszenia oczka uziomu, konieczne jest stosowanie specjalnych złączek. Przykłady takich złączek przedstawiono na rys. 4 b).{mospagebreak}
Elementy uziomów zatopionych w betonie mogą być również łączone przez spawanie lub zgrzewanie.
Jeżeli fundament, w którym jest układany uziom, posiada szczelinę dylatacyjną, to końce uziomu dochodzącego do szczeliny należy wyprowadzić ze ściany do wnętrza budynku i połączyć je mostkami dylatacyjnymi. Mostek dylatacyjny powinien znajdować się w miejscu dostępnym dla kontroli. Wykonanie takiego mostka na zewnątrz budynku jest dopuszczalne tylko wtedy, gdy umieszczenie jego wewnątrz budynku napotyka duże trudności. Mostek dylatacyjny powinien być elastyczny, np. wykonany z pakietu cienkich blach. Wyprowadzone ze ściany (betonu) końce uziomu oraz mostek dylatacyjny należy zabezpieczyć przed korozją przez pokrycie powłokami antykorozyjnymi, np. takimi, jakie się stosuje przy wprowadzeniu przewodu uziomowego do gruntu.
Przykład wykonania połączenia dylatacyjnego przedstawiono na rysunku 4 c).
Rys. 4. Stosowane w uziomach fundamentowych sztucznych: a) uchwyty mocujące płaskownik uziomu, b) złączki prętów i płaskowników uziomowych, c) mostek dylatacyjny
Uziom fundamentowy w fundamencie zbrojonym wykonuje się umieszczając płaskownik w najniższej warstwie zbrojenia. Należy przymocować go drutem wiązałkowym do zbrojenia w odstępach około 2 m, w celu trwałego ustalenia jego położenia przed zabetonowaniem fundamentu, jak i w czasie betonowania. Podobnie jak w fundamencie nieuzbrojonym, należy zapewnić dokładne „otulenie” uziomu warstwą betonu. W RFN długo dyskutowana była sprawa materiału służącego do wykonania uziomu fundamentowego w fundamencie zbrojonym. Ponieważ zbrojenie wykonuje się ze stali nieocynkowanej, uważano, że uziom musi być również wykonany z takiej stali, aby uniknąć ognisk korozji w miejscu styku uziomu ze zbrojeniem. Obecnie dopuszcza się wykonywanie uziomu ze stali ocynkowanej, ponieważ uznano, że proces korozyjny w miejscu styku fundamentu i zbrojenia kończy się wraz ze zniknięciem warstwy cynku i nie prowadzi do żadnych ujemnych następstw.
W przypadku stosowania izolacji wannowej uziom fundamentowy musi być umieszczony w warstwie betonu o grubości co najmniej 10 cm, znajdującej się na zewnątrz izolacji wannowej.
Prowadzenie przewodów uziemiających
Przewody służące do połączenia uziomu fundamentowego z główną szyną uziemiającą lub zaciskiem uziemiającym muszą być, z wyjątkiem przewodów uziemiających instalacji odgromowej, wprowadzone do wnętrza pomieszczenia, w którym znajduje się główna szyna uziemiająca. Od miejsca wyjścia przewodu uziemiającego z podłogi lub ściany powinny mieć długość co najmniej 150 cm. W miejscu wyprowadzenia ze ściany lub podłogi powinny być dodatkowo chronione przed korozją (np. pokryte farbą antykorozyjną, mimo że dopuszcza się wykonywanie ich wyłącznie ze stali ocynkowanej).
W przypadku stosowania w budynku izolacji wannowej przewód uziemiający musi być prowadzony do góry w zewnętrznej warstwie fundamentu (na zewnątrz izolacji wannowej), aż do wysokości ponad poziom wód gruntowych, czyli ponad izolację wannową, i dopiero w tym miejscu wprowadzony do wnętrza budynku. W Niemczech dopuszcza się przeprowadzenie tego przewodu przez warstwę izolacji wannowej, lecz pod warunkiem spełnienia wymagań odpowiedniej normy.
Przewody uziemiające instalacji odgromowej wyprowadzone są na ogół na zewnątrz budynku (nie do głównej szyny uziemiającej budynku).
Zaleca się specjalne znakowanie przewodów uziemiających w czasie realizacji budowy (np. przez założenie izolacji lub oznakowań barwnych), aby uchronić je w tym czasie przed zniszczeniem. Ilość przewodów uziemiających zależy od przeznaczenia uziomu fundamentowego.
Zaleca się wykonać wyprowadzenie przewodu uziemiającego w pobliżu przewidywanego miejsca usytuowania złącza energetycznego budynku, dla wyrównania potencjału i dodatkowego uziemienia przewodu ochronnego instalacji elektrycznej.
dr inż. Witold Jabłoński, Politechnika Wrocławska
