بررسی عملکرد الکترودهای پیشنهادی مبحث 13 مقررات ملی ساختمان

دسته‌بندی: ارتینگ

در این مقاله به بررسی فنی و اقتصادی برخی از الکترودهای معرفی شده در مبحث ۱۳ مقررات ملی ساختمان پرداخته می‌شود. بررسی‌های فنی شامل تحلیل در فرکانس قدرت و تحلیل تحت موج صاعقه بوده و قیمت تمام شده الکترودهای مورد بررسی نیز ارائه خواهد شد.

 

نویسندگان: وحید اکبرزاده، آرش صمدی - بازبینی: فرزین خالقی

ارزیابی الکترودها در فرکانس قدرت
الکترودهای زمین عموما به یکی از دو شیوه کوبش و یا دفن طی عملیات حفاری اجرا می‌شوند. در صورت اجرا به روش حفاری به یک بکفیل برای پر کردن اطراف الکترود نیاز است. این بکفیل ممکن است خاک سرند شده حاصل از حفاری، بتن، بتن‌های هادی، بنتونیت، مواد کاهنده تجاری و سایر مواد مجاز باشد. استفاده از بکفیل‌ها می‌تواند با اهداف مختلفی از قبیل کاهش مقاومت الکتریکی سیستم زمین، حفاظت از الکترود در برابر خوردگی، تعدیل پتانسیل‌های گام در اطراف الکترود انجام شود. اما در بین همه کاربردهای یک بکفیل شاید شناخته‌شده‌ترین عملکرد آن کاهش مقاومت زمین باشد. میزان اثربخشی بکفیل در کاهش مقاومت به مواردی نظیر ابعاد، مقاومت مخصوص و خاک اطراف بستگی دارد. در این بخش از مقاله قصد بر آن است تا میزان اثربخشی بکفیل‌ها در کاهش مقاومت در برابر هزینه آن‌ها سنجیده شود. برای این کار، چند طرح پرکاربرد در کشور در خاک‌های مختلف شبیه‌سازی شده و مقاومت الکتریکی هر یک ارائه می‌گردد. 
الکترودهای انتخابی در این مطالعه شامل الکترودهای صفحه‌ای (۵۰×۵۰×۰.۵ سانتی‌متر)، الکترود ۵ حلقه (قطر ۵۰ سانتی‌متر و فاصله بین حلقه‌ها ۱۰ سانتی‌متر) و الکترود میله‌ای فولادی با روکش مس عجین شده (قطر ۱۶ میلی‌متر و طول ۳ متر) می‌باشند. تصویری از هر یک از این الکترودها و شیوه قرارگیری آن‌ها در زمین و مختصات بکفیل پیرامون هر یک در شکل ۱ ارائه گردیده است. 

شکل ۱- تصویری از الکترودهای تحت مطالعه در این مقاله، مقاومت مخصوص بکفیل ۱ اهم‌متر فرض شده است.
(الف) الکترود صفحه‌ای، (ب) الکترود ۵ حلقه، (ج) یک الکترود میله‌ای به طول ۳ متر و (د) دو الکترود میله‌ای ۳ متری به فاصله ۶ متر از یکدیگر

در رابطه با الکترودهای میله‌ای  نیز یک سناریو شامل یک میله تنها و سناریو دیگر شامل دو الکترود میله‌ای به فاصله ۶ متری از یکدیگر می‌شود. سناریو دوم نیز خود شامل دو حالت خواهد بود که در یکی الکترودها به واسطه یک هادی لخت چند مفتولی از جنس مس به سطح مقطع ۲۵ میلی‌متر مربع به یکدیگر متصل شده و در حالت دیگر این اتصال از طریق یک سیم روکشدار انجام می‌شود. الکترودهای میله‌ای در شبیه‌سازی‌ها به گونه‌ای در زمین تعبیه شده‌اند که بالاترین نقطه از آن‌ها در عمق ۰.۵ متری از سطح زمین مدفون شده باشد.
در شبیه‌سازی‌ها ۴ مدل خاک در نظر گرفته می‌شود. دو مدل خاک به صورت همگن (تک لایه) با مقاومت مخصوص ۱۰۰ و ۱۰۰۰ اهم‌متر و دو خاک دیگر به صورت دو لایه (ارتفاع لایه بالا برابر با ۶ متر) با مقاومت مخصوص ۱۰۰ به ۱۰۰۰ اهم‌متر و ۱۰۰۰ به ۱۰۰ اهم‌متر هستند. شبیه‌سازی‌های مربوط به الکترود صفحه‌ای در ماژول MALT و سایر الکترودها در ماژول MALZ نرم‌افزار CDEGS صورت گرفته است. مقاومت محاسبه شده برای هر الکترود زمین و برای هر مدل خاک در جدول ۱ ارائه شده است. 

جدول ۱- مقاومت زمین الکترودهای صفحه‌ای، میله‌ای و ۵ حلقه (منظور از اجرای الکترودهای میله‌ای بدون مواد کاهنده‌ی کوبیدن آنها در زمین است.)

برای نمایش بهتر تفاوت‌، مقاومت زمین الکترودها (با و بدون بکفیل در خاک ۱۰۰ اهم‌متر) در شکل ۲ ترسیم گردیده است. همانطور که از نتایج پیداست، استفاده از بکفیل در هر سناریو به صورت نسبی سبب کاهش مقاومت زمین گردیده است. دو نمونه الکترود پرکاربرد در کشور نظیر صفحه و ۵ حلقه به خودی خود و در خاک ۱۰۰ اهم متر مقاومتی به ترتیب برابر با ۲۴.۶۷ و ۲۲.۴۹ اهم دارند. حال در صورت هزینه بیشتر و پرکردن اطراف این دو الکترود با استفاده از یک بکفیل با مقاومت مخصوص ۱ اهم‌متر، مقاومت هر دو الکترود تقریبا برابر با ۱۷.۴ اهم می‌گردد. در مثال تحت بررسی، این کاهش مقاومت قیمتی برابر با هزینه بکفیل لازم برای پرکردن گودالی به حجم ۲۳۱ لیتر (استوانه‌ای به قطر ۷۰ و ارتفاع ۶۰ سانتی‎متر) خواهد داشت. این در حالی است که برای مثال با کوبیدن دو الکترود میله‌ای ۳ متری، مقاومت زمین با و بدون فرض اثر هادی افقی در کاهش مقاومت به ترتیب برابر با ۱۲.۵۹ و ۱۷.۳۰ اهم می‌شود. لذا با وجود آن که این شبیه‎‌سازی‌ها تایید می‌کند که استفاده از بکفیلی به مقاومت مخصوص ۱ اهم‌متر می‌تواند سبب کاهش مقاومت زمین شود، اما استفاده از مواد در اصطلاح ”کاهنده“ تنها ابزار کاهش مقاومت نیست. در هر پروژه و با توجه به مختصات آن در بسیاری از موارد ممکن است تغییر طرح از نظر فنی و اقتصادی توجیه بیشتری داشته باشد. در بخش انتهایی از این مقاله و در جدول ۲ مقایسه‌ای از هزینه اجرای الکترودهای بررسی شده در این مقاله ارائه گردیده است.

شکل ۲- مقایسه‌ای از مقاومت الکترودها در خاک ۱۰۰ اهم متر 
(a) الکترود صفحه‌ای، (b) الکترود ۵ حلقه، (c) یک الکترود میله‌ای به طول ۳ متر و (d) ۲ میله متصل با هادی لخت و (e) ۲ میله متصل با هادی روکشدار

ارزیابی الکترودها در فرکانس بالا (HF)
این مطالعه بر تأثیر برخورد صاعقه به یک تیر فلزی متصل به الکترودهای منتخب تمرکز دارد و هدف آن تعیین افزایش پتانسیل زمین گذرا (TGPR) در سطح زمین و در پای تیر و همچنین پتانسیل گذرا در سطح خاک در فاصله حدود ۱ متری از تیر است.
بدین منظور یک سازه فولادی به شکل لوله‌ای به ارتفاع ۱۴ متر و قطر ۱۰ سانتی‌متر فرض شد که به الکترودهای منتخب قرار گرفته در خاک یکنواخت با مقاومت ویژه ۱۰۰ اهم متر متصل می باشد. در این مطالعه سازه فولادی و الکترودهای زمین به بخش های کوچکتر تقسیم گردیدند. دلیل تقسیم به بخش های کوچکتر، یک قاعده سرانگشتی می باشد که طول بخش‌ها نباید از یک‌ششم طول‌موج انتشار الکترومغناطیسی در محیط مورد نظر، در بیشینه فرکانسی که به نتایج تأثیر قابل توجهی دارد، بیشتر باشد. عموما در مطالعات صاعقه‌ استفاده از فرکانس ۱ مگاهرتز مناسب است، زیرا بیشتر انرژی حاصل از برخورد صاعقه در فرکانس‌های پایین‌تر از این مقدار قرار دارد.
طول‌موج محاسبه‌شده در خاک با مقاومت ویژه ۱۰۰ اهم متر برابر با ۳۱.۵ متر است. یک محاسبه مشابه با استفاده از یک مقدار بسیار بزرگ برای مقاومت ویژه (مثلاً ۱۰^۱۰ اهم متر) نشان می‌دهد که طول‌موج در هوا حدود ۳۰۰ متر است. بنابراین، مطابق با "قاعده سرانگشتی خوب"، طول بخش‌ها نباید از ۵ متر بیشتر باشد. برای اطمینان بیشتر و با توجه به این‌که سیستم مورد بررسی بسیار کوچک است، می‌توان سیستم را در زیر یا بالای زمین بصورت مجموعه اجزایی به طول ۱ متر مدل‌سازی نمود.
برای محاسبه پتانسیل خاک در اطراف تیر، نقطه ای در فاصله ۱ متری از تیر در سطح زمین تعریف گردید تا ارزیابی دقیقی از توزیع پتانسیل گذرا در نزدیکی تیر انجام شود.
شکل و دامنه موج گذرا:
در این مطالعه، از یک پالس صاعقه با زمان ۵/۲۵ میکروثانیه و دامنه پیک ۲۰ کیلوآمپر و با شکل موج استاندارد صاعقه استفاده گردید.

شکل ۳- شکل موج صاعقه تزریق شده
 

الکترودهای منتخب
شبیه سازی به منظور بررسی عملکرد فرکانس بالا برای الکترودهای منتخب زیر انجام گردید:

• الکترود صفحه‌ای: الکترودی با ضخامت ۵ میلی‌متر و ابعاد ۵۰ در ۵۰ سانتی‌متر، متصل به سیم به طول ۳ متر و سطح مقطع ۲۵ میلی‌متر مربع. هادی متصل به صفحه در دو حالت لخت و روکش‌دار بررسی شده است.
• الکترود 5 حلقه: الکترودی شامل ۵ حلقه با فاصله ۱۰ سانتی‌متر بین حلقه‌ها، متصل به یک سیم به طول ۳ متر و سطح مقطع ۲۵ میلی‌متر مربع. هادی متصل به الکترود ۵ حلقه در دو حالت لخت و روکش‌دار بررسی شده است.
   
• الکترود میله‌ای: الکترودی به طول ۳ متر و قطر ۱۶ میلی‌متر.
• دو الکترود میله‌ای: دو الکترود میله‌ای به طول ۳ متر و قطر ۱۶ میلیمتر که با یک هادی به طول ۶ متر و سطح مقطع ۲۵ میلی‌متر مربع به یکدیگر متصل شده‌اند. این ترکیب نیز در دو حالت لخت و روکش‌دار هادی متصل کننده مورد بررسی قرار گرفته است.

روش ارزیابی الکترودها در فرکانس بالا (صاعقه):
به منظور تحلیل مقاومت زمین در برابر برخورد صاعقه از توالی محاسباتی و تحلیلی زیر استفاده گردید:
تبدیل زمانی به فرکانسی با استفاده از FFTSES: سیگنال‌های ورودی صاعقه که نمایانگر جریان تزریقی می باشد، با استفاده از قابلیت تبدیل فوریه سریع (FFT) در ماژول FFTSES به حوزه فرکانس منتقل گردید. این مرحله رفتارهای پیچیده وابسته به زمان سیستم را به مولفه‌های فرکانسی قابل مدیریت تبدیل می نماید.
تحلیل در حوزه فرکانس با استفاده HIFREQ: داده‌های تبدیل‌شده به حوزه فرکانس به ماژول محاسباتی HIFREQ وارد شدند. این ماژول شبیه‌سازی و ارزیابی میدان‌های الکترومغناطیسی و توزیع جریان در سیستم را با حل معادلات ماکسول تحت شرایط مشخص‌شده برای مولفه‌های فرکانسی انتخابی انجام می دهد.
انتخاب و تنظیم فرکانس: مولفه‌های فرکانسی خاص به‌صورت تکراری بررسی و تنظیم شدند تا نمایش دقیقی از رفتار سیستم تضمین شود. این مرحله شامل بازبینی نتایج و تنظیم فرکانس‌های استفاده‌شده در محاسبات برای تطابق با پدیده‌های فیزیکی مشاهده‌شده و پیش‌بینی‌شده می باشد.
تبدیل معکوس با استفاده از FFTSES: پس از به‌دست‌آوردن نتایج حوزه فرکانس، تبدیل معکوس فوریه سریع (IFFT)  با استفاده از ماژول FFTSES انجام شد تا سیگنال‌های زمانی بازسازی شوند. این تبدیل، تفسیر نتایج را در زمینه زمانی اصلی آن‌ها ممکن ساخت تا اطمینان حاصل شود که خروجی‌های مطالعه واقعی و کاربردی باشند.
تفسیر نتایج: خروجی‌های مورد نظر شامل پتانسیل در سطح زمین در فاصله یک متری از سیستم زمین و بخش فوقانی الکترود زمین بودند که برای ارائه نگرش عمیق در مورد واکنش فرکانس بالای الکترودهای مورد نظر تحت شرایط برخورد صاعقه به تصویر درآمده و تفسیر شدند.
پروسه طی شده برای این مطالعه، مدل‌سازی و تحلیل دینامیک‌های زمانی و مکانی میدان‌ها و جریان‌های الکترومغناطیسی را با حداکثر دقت فراهم نمود. نتایج در شکلهای ۴ و ۵ جمعبندی و ارائه شدهاند. استفاده ازماژول‌های FFTSES و HIFREQ تحلیل‌های دقیق در حوزه‌های فرکانسی و زمانی را میسر ساختند.

شکل ۴- ولتاژ الکترود در نزدیکی سطح زمین

شکل ۵- دامنه ولتاژ در فاصله ۱ متری از الکترود منتخب

مقدار بیشینه پتانسیل ظاهر شده بر روی الکترودها در نزدیکی سطح زمین و نیز در فاصله ۱ متری از آن‌ها در شکل ۶ ارائه گردیده است.

شکل ۶- بیشینه پتانسیل ظاهر شده در نزدیکی سطح زمین (بر روی الکترودها) و در فاصله ۱ متری

مقایسه هزینه اجرای الکترودها
جدول 2 متوسط قیمت تمام‌شده انواع الکترودهای مورد بررسی در این تحقیق شامل بهای مواد و دستمزد اجرا را بدون در نظر گرفتن سود نمایش می‌دهد. لازم به ذکر است که در هفته اول بهمن ۱۴۰۳ که قیمت‌ها از بازار استعلام شده‌اند، هر دلار آمریکا در بازار آزاد در حدود ۸۳۰۰۰۰ ریال معامله می‌شد. اجناس انتخاب شده دارای کیفیت متوسط و خوب بوده و قیمت لحاظ شده برای ماده کاهنده، میانگینی از قیمت چهار نوع ماده کاهنده‌ای است که تولیدکنندگان مشخص و شناخته شده داشته و اغلب در سطح کشور مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این حال وجود کمی تولرانس در این قیمت‌ها با توجه به نوسان قیمت‌ها، تفاوت دستمزدها و هزینه‌های حمل و باربری طبیعی به نظر می‌رسد.

جدول ۲- قیمت برآورد شده برای اجرای الکترودها بر حسب «هزار تومان»

اضافه می‌شود که در برآورد فوق قیمت چاهک و دریچه بازدید لحاظ نشده است. همچنین برای سهولت در مقایسه‌های بعدی، خاک مناسب برای حفاری دارای مقاومت مخصوص کمتر (در این مقاله معادل ۱۰۰ اهم‌متر) و خاک نامناسب برای حفاری دارای مقاومت مخصوص بیشتر (در این مقاله معادل ۱۰۰۰ اهم‌متر) فرض شده است. این فرض برای بیشتر موارد می‌تواند صحیح در نظر گرفته شود اما حالات استثنا هم ممکن است مشاهده گردد.

بدیهی است در انتخاب نوع یک الکترود علاوه بر مقاومت و قیمت تمام شده، عوامل دیگری از قبیل جنس خاک، میزان خوردگی، چگالی جریان قابل تخلیه هم دخالت دارند اما در این مقاله برای سهولت مقایسه، تاثیر همه آنها در الکترودهای مورد مطالعه یکسان یا قابل اغماض فرض شده است.

در شکل ۷، قیمت تمام شده هر زیمنس^۱ از هدایت الکتریکی الکترودهای مطالعه شده در این مقاله را بر حسب تومن نشان می‌دهد و به این معنی است که هدایت الکتریکی آن الکترود با چه هزینه‌ای به دست آمده است و برای حصول هدایت بیشتر یا مقاومت کمتر باید هزینه بیشتری به آن اختصاص داد.

شکل ۷- قیمت تمام شده هر زیمنس از هدایت الکتریکی الکترودهای مطالعه شده

به عنوان نمونه، برای هر زیمنس هدایت الکتریکی در مورد الکترود صفحه‌ای با ماده کاهنده حدود ۳۸۰ و برای دو میله بدون ماده کاهنده حدود ۸۰ هزار تومن باید هزینه صرف کرد، ضمن اینکه طبق جدول شماره ۱ نهایتا مقاومت اتصال زمین حاصل شده از دو سیستم تقریبا یکسان خواهد بود.
این نمودار به خوبی بیان می‌کند که الکترود صفحه‌ای کم‌اثرترین الکترود و الکترود ۵ حلقه رتبه دوم را در این مورد به خود اختصاص داده است. بنابراین به جز در شرایطی که ایجاد الکترود زمین اساسی الزامی بوده و سطح کوچکی در دسترس باشد، اجرای این دو نوع الکترود توجیهی ندارد. در چنین موارد خاصی اجرای الکترود ۵ حلقه نسبت به الکترود صفحه‌ای ارجحیت دارد.
لازم به ذکر است که تعاریف الکترودهای ساده و اساسی و همچنین الکترود ۵ حلقه به مبحث سیزدهم مقررات ملی ساختمان محدود است و در صورت استناد به سایر استانداردها اجرای یک یا دو الکترود میله‌ای در اغلب موارد برای ایجاد یک اتصال زمین کارا در فرکانس قدرت کافی به نظر می‌رسد.

 

^۱ : زیمنس واحد رسانایی یا هدایت الکتریکی است. هدایت و مقاومت الکتریکی عکس یکدیگر هستند.