در چند سال اخیر سازمان نظام مهندسی به منظور ارتقاء ایمنی در ساختمان ها ، ایجاد شبکه هم بندی اصلی در میلگرد های ساختمان های بتنی جهت سیستم زمین را مرسوم و مهندسین طراح و ناظر تاسیسات الکتریکی را ملزم به رعایت ان نموده است.در این رویه ، یک میلگرد اضافی با قطر حداقل ۸ میلیمتر در فوندانسیون و سقف ها به میلگرد های اصلی سازه بسته شده و سپس جوش داده می شود. شبکه ایجاد شده در فوندانسیون و سقف ها از طریق اتصال میلگرد هم بندی در ستون های منتخب، شبکه هم بندی سقف و ستون ها راکامل می کند.
روش مذکور بدلایل فنی ، اجرایی و اقتصادی با مخالفت برخی از کارفرمایان، مجریان و مهندسین طراح و ناظر مواجه شده است. عوامل مذکور سبب گردید که این موضوع مورد کنکاش و بررسی قرار گرفته و نتایج حاصل درقالب مقاله، به جامعه مهندسی تقدیم شود.امید است این گونه فعالیت ها منجر به گسترش بحث های کارشناسی شده و در نهایت منجر به بازنگری ضوابط درجهت بهبود کیفیت ارائه خدمات مهندسی شود.
تاریخچه:
ارتش ایالات متحده در طول جنگ جهانی دوم، نیاز به یک سیستم زمین الکتریکی برای حفاظت انبار های ذخیره بمب در برابر صاعقه در مناطق بیابانی آریزونا داشت. سیستم های زمین مرسوم ، در این مکان به خوبی کار نمی کرد زیرا منطقه مذکور بیابانی ، فاقد سفره های آب زیر زمینی و مقدار بارش سالانه باران بسیار کم است.در شرایط خاک بسیار خشک ، صدها متر میله های مسی به منظور ایجاد یک امپدانس زمین کوچک، برای حفاظت از ساختمان ها در مقابل صاعقه قرار داده شده بود.
در سال ۱۹۴۲ ، اقای Herbert G. Ufer به عنوان مشاور ارتش ایالات متحده به دنبال پیدا کردن راه حل کم هزینه تر و عملی تر سیستم زمین برای جایگزینی میله های مسی سنتی در این مکان خشک بود. کشف اقای یوفر این بود که هدایت الکتریکی بتن ، از بسیاری از انواع خاک بهتر است. اساس طرح وی بر پایه تعبیه هادی زمین در بتن است. تجربه و ازمون نشان می دهد که این روش بسیار موثر است. اقای یوفر پس از جنگ، روش خود را توسعه داده و نتایج را در یک مقاله در کنفرانس IEEE در سال ۱۹۶۳ ارائه نمود .
امروزه مهندسین از منافع کشف آقای یوفر اگاهند. کل ساختمان بتن ارمه با وجود میله های فولادی در ساختما ن و یا پی ان با پوشش بتنی ، یک سیستم زمین الکتریکی با مقاومت بسیار کم ایجاد می کند. سیستم زمین یوفر بسیار ساده ، موثر ، ارزان و در ساختمان های جدید قابل اجرا است. از مزایای سیستم زمین یوفر استفاده از خواص بتن برا ی کاهش مقاومت زمین است. بتن رطوبت را به سرعت جذب کرده در صورتی که از دست دادن رطوبت ان بسیار آرام است.خواص مواد معدنی بتن (آهک و دیگر مواد) اصولا به طور طبیعی قلیایی و دارای PH بالا است. در نتیجه بتن با خاصیت قلیایی، به منزله منبع عرضه یون برای هدایت جریان الکتریکی عمل می کند. نفوذ شیرابه بتن به خاک اطراف بتن منجر به افزایش PH خاک در ان ناحیه شده و به تبع ان مقاومت زمین کاهش می یابد. افزایش حجم وسطح بتن مجاور خاک ، به کاهش مقاومت اتصال کمک کرده ودر مجموع هادی خوبی برای عبور جریان زمین و یا جریان ناشی ازصاعقه فراهم می شود. تکنیک یوفر در فوندانسیون، بتن ارمه ساختمان های بتنی، برج مخابراتی، فوندانسیون برج ها ی انتقال نیرو وتیرهای چراغ برق مورد استفاده قرار می گیرد، طرح اولیه یوفر اصلی استفاده از مس در بتن بود. با این حال، PH بالای بتن اغلب سبب ورقه شدن مس می شود. به همین دلیل، غالبا از فولاد به جای مس استفاده می شود. حداقل طول میلگرد مورد نیاز برای اجتناب از اسیب دیدن بتن به عوامل ذیل بستگی دارد.
- نوع بتن ، ترکیبات ، دانسیته ، مقاومت الکتریکی ، pH و غیره
- سطح مجاورت بتن با خاک
- مقاومت خاک و ترکیبات اب های زیر زمینی درمحل
- سطح مقطع و طول میلگرد ، سیم یا صفحه داخل بتن
- مقدار جریان اذرخش
آقای یوفر ازمایش هایی با طول های مختلف هادی در بتن ترتیب داد. بر این اساس ، میلگرد پوشیده شده با بتن درمجاورت خاک طبق جدول زیر قادر به عبور جریان از بتن بوده ، بدون ان که منجر به اسیب آن شود.
| Surge Current A/ Foot | Rebar Diameter In Inches |
| 3400 | 0.375 |
| 4500 | 0.500 |
| 5500 | 0.625 |
| 6400 | 0.750 |
| 8150 | 1.000 |
در جدول فوق تنها میلگرد تعبیه شده در سمت لایه خارجی” بتن مجاور خاک” در نظر گرفته شده و میلگرد ها موجود در مرکز و بالای فوندانسیون در محاسبات لحاظ نشده است. استفاده از هادی زمین محصور در بتن در سال ۱۹۶۸ به استاندارد ملی برق ایالات متحده (NEC) اضافه شد. در سال ۱۹۷۸ ، NEC الزامات میلگرد مورد نیاز به عنوان یک الکترود زمین را مشخص نموده و از این نوع زمین به عنوان “Concrete Encased Electrode “CEE به جای Ufer Ground نام برد.
نحوه اتصال سیستم زمین :
استاندارد (NEC) در بخش ۲۵۰٫۵۲ ۲ A ، ویرایش سال ۲۰۰۵ و بازنگری ۲۰۰۸ ، اسکلت فلزی یا بتن ارمه ساختمان را به عنوان یک الکترود زمین ساختمان در نظر گرفته است. به شرط ان که اسکلت یا ارماتور ها از طریق یکی از چهار روش زیر به زمین متصل شده باشند.
روش اول :
اطمینان حاصل شود که از یک عضو فلزی از سازه یا ارماتور ها ی آجدار بتنی ساختمان به طول ۱۰ فوت یا بیشتر با پوششی از بتن در تماس مستقیم با زمین است .
روش دوم :
اتصال اسکلت فلزی ساختمان به زمین از طریق ارماتور های جداگانه با پوشش بتن که در بخش ۲۵۰٫۵۲ ۳ A ارائه شده و یا اتصال به شبکه زمین مطابق با بخش ۲۵۰٫۵۲ ۴ A
روش سوم :
اتصال اسکلت فلزی ساختمان به یک یا چند الکترود میله ای، لوله یا صفحه، مطابق با الزامات مندرج دربخش ۲۵۰٫۵۶ می باشد. طبق شکل اگر یک یا چند فولاد آرماتور ، با قطر ۰٫۵ اینچ که در شناژ و یا فوندانسیون وجود دارد، قبل از بتن ریزی بایستی یک اتصال بین یکی از میلگرد های شناژ و یا فوندانسیون با یک الکترود دیگر انجام شود.
تصال اسکلت فلزی ساختمان به یک یا چند الکترود میله ای
روش چهارم :
اتصال اسکلت فلزی ساختمان به دیگر روش های مصوب ایجاد اتصال زمین در استاندارد VDE 0141 و VDE 0100 نیز در انواع الکترود زمین ، از فوندانسیون ساختمان های بتنی تحت عنوان Foundation Earth Electrode نام می برد.
اندازه گیری میدانی :
به منظور بررسی میدانی و اعتبار سنجی موارد مذکور ، اندازه گیری مقاومت سازه بتن ارمه پروژه بهمن یک از پروژه های شرکت جهاد خانه سازی سپاهان واقع در اطشاران ، در پانزده طبقه و سطح زیر بنای ۱۷۵۰ مترمربع با استفاده از روش تزریق جریان طبق شکل انجام شد.
اندازه گیری مقاومت سازه بتن ارمه
در این اندازه گیری ، فوندانسیون به چاه ارت متصل نشده و یک سر منبع تغذیه به چاه ارت متصل شده است. نتایج اندازه گیری در جدول اورده شده است.
| شماره ازمون | جریان (A) | ولتاژ (V) | مقاومت سازه (Ω) |
| ۱ | ۱٫۱۵ | ۰٫۰۳۱ | ۰٫۰۲۷ |
| ۲ | ۱٫۲۸ | ۰٫۰۳۵ | ۰٫۰۲۷ |
| ۳ | ۱٫۷۳ | ۰٫۰۴۸ | ۰٫۰۲۸ |
| ۴ | ۲٫۰۵ | ۰٫۰۵۷ | ۰٫۰۲۸ |
| ۵ | ۲٫۵ | ۰٫۰۷ | ۰٫۰۲۸ |
| ۶ | ۳ | ۰٫۰۸۵ | ۰٫۰۲۳ |
| میانگین مقاومت سازه | 0.027 |
همان گونه که انتظار می رفت مقاومت سازه بتنی نزدیک به ۰٫۰۳ اهم بوده که نسبت به مقاومت زمین مجاز بسیار کمتر بوده و لذا می توان سازه بتن ارمه را بر اساس استاندارد های (NEC) در بخش ۲۵۰٫۵۲ ۲ A و VDE 0141 و VDE 0100 یک الکترود زمین در نظر گرفت.
نتیجه گیری :
استفاده از سیستم زمین یوفر به تنهایی به عنوان الکترود زمین به جز در موارد خاص مرسوم نیست. با توجه به اهمیت “حفاظت برای حصول ایمنی” ، بر اساس استاندارد ملی کشور ها از جمله ایران در مبحث سیزدهم مقررات ملی ساختمان ، استفاده از الکترود زمین مستقل برای اتصال به هادی حفاظتی الزامی است. لذا موضوع مورد بحث این مقاله حذف الکترود زمین و جایگزینی ان با سیستم زمین یوفر نمی باشد. بلکه صرفا با توجه به مقاومت بسیار کم ساختمان بتن ارمه در استاندارد های مورد بررسی ، به نظر میرسد که بحث ” هم بندی به منظور هم ولتاژ کردن” بر اساس رویه مرسوم در “اجرای هم بندی اصلی در میلگرد ساختمان های بتنی” ضرورت ندارد. زیرا اجرای این روش به معنای ایجاد اتصال فلزی اضافی در طول الکترود زمین گسترده ( اسکلت بتن ارمه) می باشد که به لحاظ فنی توجیهی ندارد ، مضافا بر این که در استاندارد های مورد بررسی چنین رویه ای ارائه نشده و از نظراقتصادی نیز به لحاظ تحمیل هزینه غیر ضروری پذیرفته نمی باشد . لذا پیشنهاد می شود رویه مرسوم ملغی و صرفا به استناد مبحث ۱۳ مقررات ملی ساختمان ، پیوست ۱ به منظور رعایت حداکثر حصول اطمینان از ” هم بندی به منطور هم پتانیسل کردن ” بر اساس روش سوم مذکور ، بر اساس شکل زیر اجرا شود.
