Podstawowe błędy przy projektowaniu i budowie uziomów fundamentowych

3. Uziom fundamentowy sztuczny

Wiadomo, iż standardowo wykonane zbrojenie fundamentu stalą łączoną wzajemnie drutem wiązałkowym (uziom naturalny) nie spełnia wymagań stawianych uziomowi fundamentowemu zarówno w normach dedykowanych instalacjom elektrycznym niskiego napięcia [3] jak i w normach dotyczących ochrony odgromowej [4]. Uznaje się, co prawda, iż typowe połączenia elementów zbrojenia betonu za pomocą drutu wiązałkowego (rys. 1) zapewniają poprawę właściwości ekranujących konstrukcji żelbetowej i jest skuteczne z punktu widzenia kompatybilności elektromagnetycznej [4], jednak – z powodu spodziewanych zbyt wysokich naprężeń mechanicznych – nie gwarantują utrzymania odpowiednio trwałej ciągłości galwanicznej w trakcie odprowadzania dużych prądów uziomowych występujących przy zwarciach doziemnych w instalacji elektrycznej lub podczas przepływu częściowych prądów piorunowych. Z tego względu konieczne jest wzmocnienie metalowej konstrukcji uziomu naturalnego dla zapewnienia odpowiednio trwałej mechanicznie i elektrycznie ciągłości tras przepływu tych prądów.

Z zaleceń norm wynika, że stalowe zbrojenie betonu jest uznawane za ciągłe jako część instalacji odgromowej, gdy wzajemne połączenia pionowych i poziomych prętów zbrojeniowych są w przeważającej części spawane lub łączone w inny skuteczny sposób, przy czym połączenia prętów pionowych powinny być spawane, zaciskane lub wiązane na zakładkę na odcinku o długości równej co najmniej 20-krotnej ich średnicy [4]. Z praktyki wynika, iż spełnienie tych wymagań, czyli wykonanie spoin spawanych na odcinkach aż 15÷40 cm dla typowych prętów o średnicy 8÷20 mm, choć teoretycznie możliwe, wymaga sporego nakładu pracy i, dodatkowo, utrzymania na placu budowy bardzo wysokiej kultury technicznej, co – jak powszechnie wiadomo – nie jest niestety często możliwe z uwagi na tzw. czynnik ludzki.

W związku z tym bardziej opłacalne jest wykonanie uziomu fundamentowego sztucznego poprzez umiejscowienie w objętości fundamentu dodatkowych przewodników (prętów lub taśm), np. w postaci zamkniętych pierścieni lub prostokątów ułożonych po obwodzie fundamentu (rys. 2), tworzących podstawowy szkielet takiego uziomu sztucznego. Zgodnie z wymaganiami norm zaleca się, aby najdłuższe wymiary dodatkowych przewodników nie przekraczały 20 m, w związku z tym szkielet uziomu fundamentowego sztucznego należy wykonać w postaci sieci przewodów o wymiarach oka nie większych niż 20 m. Oczywiście jako elementy szkieletu uziomu fundamentowego mogą być wykorzystywane odpowiednio łączone pręty zbrojeniowe, jak już o tym wspomniano wcześniej, lub pręty gładkie, zalecane dla tego celu dla odróżnienia od żebrowanych zbrojeniowych [4], jednak z uwagi na trudności z kształtowaniem takich prętów prościej oraz w rezultacie szybciej i taniej jest zastosować w tym celu dodatkowe przewodniki wykonane z łatwych do układania taśm metalowych.

3.1. Materiały stosowane na dodatkowe przewodniki układane w żelbecie

Następujące materiały są zalecane do stosowania na dodatkowe przewodniki instalowane w żelbecie dla zastosowań w instalacji odgromowej [4]:

• stal,
• stal miękka,
• stal ocynkowana,
• stal nierdzewna,
• stal pomiedziowana
• i miedź.

W rzeczywistości do budowy uziomu sztucznego na bazie fundamentów najczęściej wykorzystywane są taśmy stalowe o grubości 2-4 mm, powszechnie nazywane bednarkami. Do tego celu w zupełności wystarcza zwykła stal węglowa („czarna”), która otoczona otuliną z betonu jest bardzo dobrze zabezpieczona przed korozją, o ile beton przylega do niej szczelnie. Stosowanie stali ocynkowanej na dodatkowe przewodniki w fundamencie nie ma żadnego uzasadnienia, gdyż nie daje to lepszych efektów wskutek elektrochemicznej reakcji warstwy ocynku z betonem, która szybko ulega degradacji. Stal nierdzewna i miedź z uwagi na koszt materiału nie jest w naszym kraju zbyt często stosowana.

Dla pełniejszego wykorzystania objętości fundamentu przewody uziomu sztucznego powinny być pewnie połączone ze stalą zbrojeniową w odstępach nie większych niż 2 m. Łączenie zaleca się wykonywać poprzez spawanie, zgrzewanie egzotermiczne lub za pomocą specjalnych złącz skręcanych. Połączenia spawane i zgrzewane są uznawane za bardziej pewne niż skręcane, gdyż po stężeniu betonu zacisków nie uda się już sprawdzić.

Dodatkowe utrudnienia przy stosowaniu złącz skręcanych opisane są w normie odgromowej [4] w odniesieniu do przewodów wyprowadzanych na zewnątrz fundamentu i wskazują na konieczność stosowania:

zawsze dwóch przewodów łączących albo jednego przewodu z dwoma zaciskami mocowanymi do dwóch różnych prętów zbrojeniowych dla uzyskania odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa takiego połączenia w betonie;
dokładnego uszczelnienia obszaru złącza mechanicznego z zastosowaniem związku hamującego zawilgocenie w przypadkach, gdy przewód łączący i pręt zbrojeniowy są różnymi metalami (w celu zapobieżenia ewentualnej korozji w tych miejscach).
Tego typu uwarunkowania nie występują przy stosowaniu połączeń spawanych i zgrzewanych, co powinno ułatwić decyzję o ich wyborze przy łączeniu dodatkowych przewodów do zbrojenia. Biorąc to pod uwagę wydaje się oczywistym, iż stosowanie złącz spawanych jest znacznie prostsze, bo tańsze i pewniejsze wszędzie tam, gdzie spawanie jest dopuszczone do stosowania przez projektanta konstrukcji żelbetowej obiektu. Nie może być to jednak spawanie punktowe, ponieważ może ono ulec uszkodzenia podczas zalewania betonem. Spoiny powinny być wykonywane na odcinku co najmniej 5 cm wzdłuż prętów zbrojeniowych (do niedawno uznawano za wystarczający spaw o długości 3 cm).

Niezwykle skuteczną i polecaną metodą łączenia jest zgrzewanie egzotermiczne, niestety obecnie jeszcze słabo rozpowszechnione w Polsce. Zapewnia ono najtrwalsze połączenie nawet różnych metali zarówno pod względem mechanicznym, ale również z punktu widzenia ochrony przed korozją z uwagi na wytworzenie podczas procesu takiego zgrzewania stopów ze wszystkich metali znajdujących się w całej objętości objętej formą. Wykonuje się je w prosty sposób za pomocą specjalnych form grafitowych wypełnionych specjalnym proszkiem, który przy spalaniu osiąga temperaturę do 2000°C, bez użycia innego specjalistycznego sprzętu wymagającego np. zasilania elektroenergetycznego lub stosowania ciężkich butli gazowych.

Tam, gdzie na wykonanie połączeń spawanych lub zgrzewanych ze stalą zbrojenia nie uzyskano zezwolenia projektanta konstrukcji żelbetowej (np. w betonie sprężonym) zaleca się stosowanie zacisków skręcanych, lecz wyłącznie tych, które zostały przetestowane zgodnie z PN-EN 62561-1 [8] (wcześniej PN-EN 50164-1).

Istotnym zagadnieniem jest odpowiedni sposób umieszczania dodatkowej taśmy wewnątrz konstrukcji uziomu fundamentowego. Zwraca się szczególną uwagę na taki sposób jej ułożenia, aby zapobiec powstawaniu szczelin z powietrzem niewypełnionych betonem przy zalewaniu. Osiąga się to poprzez sytuowanie jej w sposób nie utrudniający spływania po niej betonu. W tym celu układane równoległe w stosunku do gruntu elementy taśm uziomu sztucznego kierujemy prostopadle do ziemi dłuższą krawędzią ich przekroju poprzecznego, czyli metodą na sztorc.

Dla skutecznej ochrony przed korozją przewodzące elementy uziomu fundamentowego powinny być pogrążone w betonie na głębokość nie mniejszą niż 50 mm od zewnętrznych płaszczyzn fundamentu. W przypadku, gdy fundament nie posiada zbrojenia, to dla zapewnienia tej odległości metalowe elementy uziomu sztucznego powinny być układane przed zalaniem betonem na specjalnych wspornikach.

3.2. Fundament izolowany od gruntu

Należy pamiętać, że nie zawsze możliwość wykorzystania fundamentu do budowy układu uziemień jest oczywista. Uważa się, że zastosowanie pod fundamentem nieprzewodzącej warstwy izolacji cieplnej lub warstwy hydroizolacji wykonanej np. z plastikowych folii o grubości przekraczającej 0,5 mm stanowi dobrą izolację elektryczną, co sprawia, iż wykorzystanie fundamentu na uziemienie staje się nieopłacalnym. W takich przypadkach konieczne jest zastosowanie innych rozwiązań dla uziemienia, np. dodatkowej warstwy uziomu fundamentowego umieszczonej pod warstwą odizolowaną. Na dnie wykopu przygotowanego pod odizolowany fundament obiektu wylewana jest warstwa betonu o grubości 10-15 cm, w której umieszcza się elektrodę uziemiającą wykonaną w postaci siatki o rozmiarach oczek nie większych niż 10 m. Dla takiego rozwiązania możemy użyć za E. Musiałem określenia uziom parafundamentowy [6], które dobrze określa sens uziomu zastępującego w takim przypadku uziom fundamentowy, gdy bryła fundamentu obiektu jest z konieczności odizolowana od otaczającego go gruntu.

3.3. Dokumentacja powykonawcza uziomu fundamentowego

Po zalaniu konstrukcji uziomu fundamentowego sztucznego betonem nie jest już możliwe sprawdzenie zgodności jego wykonania z założeniami projektowymi. Z punktu widzenia pewności działania takiego uziomu w okresie użytkowania obiektu, zgodnie z zaleceniami norm [4], konieczne jest sporządzenie dokumentacji powykonawczej zawierającej opis, rysunki i zdjęcia przedstawiające szczegółowo sposób ułożenia uziomu i wykonanie wszelkich wewnętrznych połączeń jeszcze przed wypełnieniem fundamentów betonem. Protokół z wykonania wszystkich dodatkowych połączeń w betonie powinien być podpisany zarówno przez ich wykonawcę, jak i inspektora nadzoru po jego osobistym wizualnym sprawdzeniu prawidłowości doboru materiałów, ich wymiarów oraz stanu i sposobu wykonania wszystkich połączeń przed wylaniem betonu. Brak odpowiednich tradycji w tym zakresie sprawia, iż takie dokumentacje niestety są jednak rzadko wykonywane, co bardzo często wiąże się z dodatkowymi kosztami inwestycji, gdy okazuje się, że brak tych informacji uniemożliwia wykorzystanie fundamentu do celów ochrony odgromowej.