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Bild 4 Anwendung des Blitzkugelverfahrens mit Hilfe eines Modells des Aachener Dom (Quelle: Alexander Kern, Jülich)
Blitz- und Überspannungsschutz

Aus dem Facharchiv: Elektropraxis

Kontrollierter Blitzeinschlag

30.06.2022

Für die Anwendung des Blitzkugelverfahrens stehen mittlerweile CAD-Tools zur Verfügung, mit deren Hilfe auch Fangeinrichtungen für komplexe bauliche Anlagen geplant werden können. Diese Programme bieten u. a. die Möglichkeit, Punkte vorzugeben, an denen Blitzeinschläge stattfinden sollen. Dadurch kann sich die Berechnung von Trennungsabständen vereinfachen. Darüber hinaus ist das CAD-gestützte Blitzkugelverfahren auch zur Gefahrenbereichsanalyse geeignet.

Historie

Zwischen 1745 und 1778 erfolgten die ersten Installationen von Blitzschutzanlagen. Sehr schnell wurde das Prinzip des Äußeren Blitzschutzes entwickelt, das aus Fangeinrichtungen, Ableitungen und Erdungsanlage bestand. Frühzeitig ergaben sich erste Erkenntnisse, die mit dem heutigen Blitzkugelverfahren vergleichbar sind (Bild 1). Man erkannte die Bedeutung der Entfernung zwischen Leitkopf des Blitzes und Einschlagstelle: „Hier ist auch bei steileren Dächern der Weg „a-b“ kleiner als „a-c“, es liegt daher auch hier die Gefahr nahe, dass die Trauf-kante als Einschlagstellen vor der Firstkante bevorzugt wird“ [2]. Mithilfe dieser Erkenntnis wurden Grundsätze ermittelt, die auch in der ABB-Richtlinie bis zur 8. Auflage [3] und in der DIN EN 62305-1 (VDE 0185-305) [4] gültig waren: „Vom Blitz bevorzugte Einschlagstellen sind erfahrungsgemäß:
  • Turm- und Giebelspitzen
  • Firste und Grate
  • Schornsteine, Dunstschlote und sonstige Dachaufbauten
  • Die Giebelkanten von First zur Traufe
  • Die Traufkanten bei flachen Dächern und freistehenden baulichen Anlagen“.
Die Planung von Fangeinrichtungen konzentrierten sich auf das Schutzwinkelverfahren (Nutzung von Fangspitzen und -stangen) sowie auf die Anwendung des Maschenverfahrens. Das Schutzwinkelverfahren lässt sich aus dem Blitzkugelverfahren physikalisch begründet ableiten. Dagegen basiert die Wirksamkeit des Maschenverfahrens hauptsächlich auf Erfahrungswerten. Trotz Beachtung von vorgegebenen Schutzwinkeln und Maschenweiten kam es vor, dass Blitze in das vermeintlich „geschützte“ Volumen einschlugen. Die Fangeinrichtung war in solchen Fällen also unvollkommen. Wie das erkannt und vermieden werden kann, zeigt die Anwendung der folgenden Planungsmethode (siehe Hasse [1]).

Blitzkugelverfahren

Obwohl das Blitzkugelverfahren schon lange wissenschaftlich anerkannt ist und u. a. von Hasse und Wiesinger 1977 detailliert beschrieben wurde [5], kam es in der DIN VDE 0185 [4] von 1982 nur zu einer geringen Beachtung. Erst mit der Veröffentlichung der Übergangsnorm DIN V VDE V 0185-3 [6] nahm die Bedeutung des Blitzkugelverfahrens zu. Endgültig setzte es sich dann ab 2006 mit der Veröffentlichung der DIN EN 62305-3 [7] durch und ist mittlerweile als universelle und physikalisch begründete Planungsmethode anerkannt. Bild 2 und Bild 3 zeigen das Prinzip, das in verständlicher Form in dem Fachbuch „Blitzschutzsysteme“ erklärt wird [8]. Die Akzeptanz und Anwendung des Verfahrens nahmen in dem Maße zu, wie sich die Anwendung moderner CAD-Programmen durchsetzte. War früher der Einsatz mechanischer Modelle notwendig (Bild 4), so ist derzeit die Nachbildung komplexer baulicher Strukturen mit Hilfe von 3-D-CAD-Programmen sowie die detaillierte Untersuchung unter Blitzschutzaspekten möglich (Bild 5).

Das Blitzkugelverfahren in der Praxis

Mit Hilfe des Blitzkugelverfahrens lässt sich insbesondere herausfinden:
  • Wo kann der Blitz einschlagen?
  • Welche Flächen sind gefährdet?
  • Wo sind die Grenzen der Blitzschutzzonen 0A, OB oder 1?
Wird eine bauliche Anlage nach dem Maschenverfahren geschützt, kann kein möglicher Einschlagpunkt für den Blitz definiert werden. Auch die Berechnung des erforderlichen Trennungsabstandes muss in der Regel für jede konkrete Situation oder für den „worst case“ erfolgen. Berücksichtigt man Einschlagpunkte in der Dachmitte, dann sind die Trennungsabstände in der Regel größer als bei einem Blitzeinschlag im Bereich der Attikabrüstung. Die Anwendung des Blitzkugelverfahrens unter Verwendung von Fangstangen zeigt Bild 6. In letzterem ist erkennbar, dass es in diesem Beispiel nur sechs mögliche Einschlagpunkte gibt. Der Trennungsabstand muss nur für einen Anwendungsfall berechnet werden. Durch die Anordnung der Fangstangen im äußeren Dachbereich fällt der Trennungsabstand aufgrund der kurzen Leitungslängen niedrig aus. Eine prinzipiell gleiche Vorgehensweise zeigt Bild 7. Mit Hilfe einer 3-D-Darstellung wird um das Gebäude herum eine Hüllfläche ermittelt, die sich in diesem Fall aus einem Blitzkugelradius von 20 m der Blitzschutzklasse I ergibt. Durch gezielte Schnitte und Ansichten lassen sich schnell bereits geschützte oder unkritische Bereiche ermitteln. Durch die vorgeschlagene Anordnung von Fangmasten und –stangen lassen sich dann die einschlagsgefährdeten Bereiche schützen (Bild 8). Autoren:  J. Wettingfeld, H. Wettingfeld Literatur: [1] Hasse, P.: Der Weg zum modernen Blitzschutz, Geschichte der Elektrotechnik 20. Berlin: VDE Verlag GmbH, 2004. [2] Findeisen, F.: Rathschläge über den Blitzschutz der Gebäude. 2. Auflage, Berlin: Verlag von Julius Springer, 1899. [3] Ausschuss für Blitzableiterbau e.V. (ABB): Blitz-schutz und Allgemeine Blitzschutz-Bestimmungen. 8. Auflage, Berlin: VDE Verlag GmbH, 1971. [4] DIN VDE 0185 Teil 1 und Teil 2: Blitzschutzanlage – Allgemeines für das Errichten, 11.1982. [5] Hasse, P.; Wiesinger, J.: Handbuch für Blitzschutz und Erdung. 1. Auflage, München: Richard Pflaum Verlag, Berlin-Offenbach: VDE-Verlage, 1977. [6] DIN V VDE V 0185-3 (VDE V 0185-3):2002-11: Blitzschutz – Schutz von baulichen Anlagen und Personen (zurückgezogen). [7] DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3):2011-10: Blitzschutz – Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen. [8] Kern, A.; Wettingfeld, J.: Blitzschutzsysteme 1. Berlin: VDE Verlag GmbH, 2014. [9] Dehn + Söhne (Hrsgb.): Blitzplaner. 4. Auflage, Neumarkt, 2017. Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

Bilder

Bild 1 „Blitzkugelverfahren“ stand 1899 (siehe [2], Fig. 56 mit Erläuterungen) (Quelle: Springer-Verlag)
Bild 2 Prinzipielle Darstellung des Blitzkugelverfahrens [9] (Quelle: Dehn + Söhne)
Bild 3 Schematische Anwendung des Blitzkugelverfahrens [9] (Quelle: Dehn + Söhne)
Bild 5 Anwendung des Blitzkugelverfahrens mittels 3-D-CAD-Modell (Quelle: Fa. Wettingfeld, Krefeld)
Bild 6 Beispiel 3 – Anordnung von Fangstangen nach dem Blitzkugelverfahren (Quelle: Fa. Wettingfeld, Krefeld)
Bild 7 Beispiel 3 – Identifizierung der einschlagsgefährdeten Bereiche durch die Erstellung einer Hüllfläche mit Hilfe des Blitzkugelverfahrens (Quelle: Fa. Wettingfeld, Krefeld)
Bild 8 Beispiel 3 – Anordnung der Fangeinrichtungen (Quelle: Fa. Wettingfeld, Krefeld)