Concerns of the Application of Lightning Protection Risk Assesment for Small Structures
2014 International Conference on Lightning Protection (ICLP), Shanghai, China
Chandima Gomes
Center for Electromagnetic and Lightning Protection Universiti Putra Malaysia, Serdang,
Selangor, 43400, Malaysia chandima@upm.edu.my
Ashen Gomes
Center for Electromagnetic and Lightning Protection, Universiti Putra Malaysia, Serdang,
Selangor, 43400, Malaysia chandima@upm.edu.my
Foster Chileshe Lubasi
National Institute for Scientific and Industrial Research, Zambia
Myagmar Doljinsuren
Institute of Meteorology, Hydrology and Environment Juulchny Gudamj-5,
Ulaanbaatar 210646, Mongolia dosharty@yahoo.com
Abstract—International Standards on lightning protection risk assessment (IEC 62305-2: 2010) are well accepted and applied in many parts of the world. During the last few years a large number of lightning related accidents, especially due to direct strikes, have been reported from Asia and Africa where the lightning struck objects are small structures. Information gathered from several investigations done on these cases have been used to determine the level of protection needed for these structures as per the standard risk assessment. In many cases the outcome was the none-requirement of any LPS for such structures or a risk factor for direct strike probability which is less than the critical value. As there are millions of similar structures in these regions, we propose the development of a separate risk assessment algorithm for such structures, especially in underdeveloped countries.
Keywords-Small strctures; lightning injuries; risk assesment, IEC
- INTRODUCTION
During the last few years a large number of lightning related accidents have been reported from developing countries, both in mass media and research literature [1-9]. A significant percentage of indoor accidents pertinent to these studies are related to direct strikes on small structures. In few cases relatively large buildings, still with rudimentary structure, such as rural schools and churches have been struck, resulting multiple casualties. Due to the unprecedented number of deaths and injuries resulted by these lightning incidents, there was a dialogue started at international level on the need for methodical investigations on the lightning environment of these regions to address the issues within scientific peripherals (Eg; Special meeting at ICLP-2016 on Lightning safety in Africa; International symposia on lightning related issues in developing countries held in Kathmandu in 2011, Uganda in 2013 and 2014, Zambia in 2015 and Colombia in 2016). Many of these event reports recommended immediate supply of lightning protection systems (LPS) to the vulnerable structures in this region after conducting a scientific survey. Thus, amidst
many challenges and strategic issues, several scientific investigations have been done on several of these accidents in few countries and information has been gathered on the incidents. One of the major requirement for designing affordable LPS for these structures was to determine the level of protection by conducting a standard risk assessment.
This paper discusses the fundamental issues that were raised during the risk assessment of these small structures and the consequent application of the results to lightning struck buildings.
- METHODOLOGY
Lightning risk assessment algorithms described in IEC 62305-2: 2010 [10] have been applied to several lightning struck structures in Zambia, Uganda and Mongolia to find the requirement of LPS and comparison of risk factors with critical values. The structures studied in Zambia have been personally visited by one of the co-authors to collect necessary information. Some details of these cases have been reported in Foster et al. [4]. Details of the structures in Mongolia have been collected by the staff of the meteorological observatories belong to Institute of Meteorology, Hydrology and Environment, Mongolia. The incidents have been reported in the statistical studies of Doljinsuren and Gomes [11]. The structure in Namibia has been mentioned in several reports of printed and electronic media and latter investigated by a co- author who visited the site. The building dimensions are roughly estimated as per the available data. The ground flash density for each region has been adopted from Christian et al. [12].
- RESULTS
Case-1: Lightning has struck a small thatched roofed house (Figure-1) in Kasansama village, Mkushi, Zambia (14.00° S, 29.50° E). Five people of a family (out of six members) who occupied the house at the moment of strike were killed as the
thatched roof caught fire after lightning struck the structure. The only survival was a three year old boy. The wall materials were cement blocks and the floor was pressed clay. A neighboring building, very similar to the affected house, is shown in Figure-1c for the purpose of comparison. It is a flat area with typical village structure (houses are spread but not isolated). The dimensions of the affected building has been estimated as 5 m times; 4 m x 3 m with highest point about 4 m.
a
b
The ground flash density has been adopted as 8 flashes yr-1 km-2 for the region. The floor material has been considered as ceramic. As the occupants usually go out during the day time, together with their children, the occupancy period was considered as 15 hours times; 7 days (a week). The risk assessment software which is based on [10] provided the follow
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小型建筑物雷电风险评估的应用
Chandima Gomes
Center for Electromagnetic and Lightning Protection Universiti Putra Malaysia, Serdang,Selangor, 43400, Malaysia chandima@upm.edu.my
Ashen Gomes
Center for Electromagnetic and Lightning Protection, Universiti Putra Malaysia, Serdang,Selangor, 43400, Malaysia chandima@upm.edu.my
Foster Chileshe Lubasi
National Institute for Scientific and Industrial Research, Zambia
Myagmar Doljinsuren
Institute of Meteorology, Hydrology and Environment Juulchny Gudamj-5,Ulaanbaatar 210646, Mongolia dosharty@yahoo.com
摘要：国际防雷风险评估标准（IEC62305-2：2010）在世界许多地方被接受并得到了广泛的应用。据报道，在过去几年中，亚洲和非洲发生了大量与闪电有关的事故，特别是雷电直接击中小型建筑物的事故。根据风险评估标准，以及对这些案例进行的几项调查中所收集的信息，可用于确定这些建筑所需的保护水平。在多种情况下，结果都是这种建筑不需要任何的雷电防护系统或它的直接雷击概率风险因素小于临界值。由于这些地区有数百万个类似的结构，我们建议为这种建筑结构开发一个单独的风险评估算法，尤其是在不发达国家。
关键词：小型建筑；闪电伤害；风险评估；IEC；
1.引言
在过去几年中，发展中国家的大众媒体和研究文献报道了大量与闪电有关的事故[1-9]。与这些研究相关的室内事故中，有很大一部分与小型建筑结构的直接雷击有关。在少数情况下，仍然具有这种基本结构的相对较大的建筑物，如农村学校和教堂遭遇雷击，会造成多人伤亡。由于这些闪电事故造成了前所未有的死亡和受伤人数，因此国际上开始对这些地区的闪电环境进行有条不紊的调查，以解决在科学外围设备中的问题。由此进行了一系列会议交流（例如;在ICLP-2016非洲雷电安全特别会议上;2011年在加德满都，2013年和2014年在乌干达，2015年在赞比亚和2016年在哥伦比亚举行的发展中国家关于雷电问题的国际专题讨论会。其中有许多报告建议，在进行科学的调查后立即向该地区的脆弱建筑物提供防雷系统（LPS）。对于诸多挑战和战略上的问题，少数几个国家已经就其中几起事故进行了若干科学调查，并收集了有关这些事件的信息。他们为这些建筑结构设计能负担的防雷系统，其主要要求之一，是通过进行标准风险评估来确定其保护水平。
本文讨论了在这些小型建筑物的风险评估过程中所遇到的问题，之后再将这些结论应用于建筑物防雷中。
2.方法
IEC62305-2：2010[10]中描述的雷电风险评估算法已应用于Zambia，Uganda和Mongolia的数个雷击建筑物，以此找出防雷系统的要求，并将危险因素与临界值进行比较。其中一位共同作者亲自访问了Zambia研究的结构，以收集必要的信息。Foster等人报道了这些案例的一些细节[4]。蒙古气象，水文和环境研究所的气象观测站工作人员收集了蒙古的建筑结构详情。Doljinsuren和Gomes经过统计研究报告了这些事件[11]。一些印刷和电子媒体报道中提到了Namibia的建筑结构，后来由访问该网站的共同作者对此进行了调查，根据可用数据能粗略估计建筑物尺寸。Christian等人采用了每个区域的地面闪电密度[12]。
3.结果
案例1：闪电袭击了Kasansama village,Mkushi,Zambia的一个小茅草屋顶（图1）（14.00°S，29.50°E）。一个在罢工时占据房子的家庭，其中的五个人（共六个成员）都被杀死了。
因为闪电击中建筑后，茅草屋顶着火了。唯一的幸存者是一个三岁的男孩。墙壁材料是水泥块，地板是压制粘土。为了进行比较，图1c中展示出了与受影响的房屋非常相似的相邻建筑物。这是一个典型的村庄结构的平坦区域（房屋是分散的，但不是孤立的）。受影响建筑物的尺寸估计为5mtimes;4mtimes;3m，最高点约4m。
a
b
c
图-1：Kasansama village,Mkushi,Zambia的雷击结构。
a建筑的特写。b建筑在远处时。c邻近的建筑物，其尺寸和结构与受影响的建筑非常相似（摘自[4]）。
该地区地面闪电密度采用8yr-1km-2。地板材料被认为是陶瓷。由于居住者通常在白天与他们的孩子一起外出，居住时间被认为是15小时times;7天（一周）。基于[10]的风险评估软件为人生伤亡风险计算出以下结果（无LPS）。
直接雷击风险（Rd）：1.098times;10-7
间接雷击风险(Ri)：9.713times;10-6
计算人身伤亡风险（R）：9.821times;10-6
人身伤亡的可承受风险(RT)：1.005times;10-5
因此，根据风险评估，所述建筑物不需要保护系统。
案例2：闪电袭击了Chibombo,Zambia（14.68°S，28.10°E）的一座小型锡屋顶校舍（图-2）。据该区警方报道，5名年龄在12-13岁的学生受到了建筑物遭雷击的影响。他们所有人都受伤了，但其中一人被发现严重烧伤。目击证人和其他观察结果表示，闪电击中了附近的一棵树，并且侧击雷或表面电流已经被引导到建筑物。建筑物内水泥地面上可见的损坏痕迹（图2b）表明，有强烈的雷电流穿过建筑物。每个工作日，该建筑由大约20人使用8小时。该地区地势平坦，附近有几栋建筑。受影响建筑的尺寸估计为10mtimes;8mtimes;3m，最高点约4m。
与前一种情况一样，地面闪光密度采用该区域的8yr-1km-2。地板材料被认为是混凝土/水泥。风险评估计算出以下结果。
直接雷击风险（Rd）：1.317times;10-6
间接雷击风险(Ri)：4.000times;10-5
计算的人身伤亡风险（R）：4.132times;10-5
结果表明，建筑物需要保护，基本上是由于侧击雷引发的风险。因此，如果这样的学校建筑是一个关注点，那么防雷工程师可以为此开发出合适的设计。但是，上述结果和相应的结果会产生两个主要问题。
A．可以看出，当根据IEC62305-4：2010[13]提供SPDs，重新进行风险评估时，即使在没有外部雷电防护装置的情况下，R也降低到1.337times;10-6。因此，风险评估意味着建筑物在具有电涌保护的情况下是安全的。然而，对上述事件的观察清楚地表明，浪涌保护不能避免雷击事故，因为它与直接雷击随后的侧击或表面电流有关。另一方面，非洲大多数这样的农村建筑没有电力供应。
B．第二个问题是类似建筑物的安全性，这些建筑物未归类于学校/医院/酒店等。该地区有许多建筑物有相似的结构，居住人数，营业时间等，都属于工业/商业结构。对于这样没有LPS和SPD的建筑，风险评估产生R值为9.837times;10-6。这一结果引发了人们对现有风险评估对此类建筑适用性的严重怀疑。
a
b
图-2：Chibombo,Zambia的雷击建筑。
a建筑物。b怀疑是由雷击电流引起的建筑地面损伤痕迹。
案例3：这也是Zambia的一个建筑，位于village Katuya in the township Senanga（16.12°S，23.27°E）。闪电击中了建筑物，曾经住在房子里的单身人士（夜间）正在睡觉，但他被杀了，建筑物被完全摧毁，甚至在该地点形成了一个小坑（图3）。这座房子的大小和结构与他兄弟姐妹居住的地方相似。
该建筑由粘土制成，屋顶采用波纹金属板。它的尺寸约为4mtimes;3mtimes;3m，屋顶的最大高度约为3.5m。地面闪电密度被认为与之前的情况相同。在风险评估计算中获得了以下结果。
直接雷击风险（Rd）：1.089times;10-7
间接雷击风险(Ri)：5.550times;10-6
计算的人身伤亡风险（R）：5.659times;10-6
再次，Rlt;RT表示该建筑结构不需要任何保护。
图-3：Katuya,Zambia的雷击结构。
案例4：蒙古是一个闪电密度相对较低的国家，雷电的闪电密度在0.6至6yr-1km-2之间。该国大多数农村房屋都是棉质包围的建筑结构，名为蒙古包（图-4）。甚至在乡镇也可以看到这些建筑。正如[11]报道的那样，在过去十年中，当人们在这样的蒙古包内时，发生了几起闪电事故。由于每个案件的细节都没有提供广泛的资料，我们考虑了一个来自中部省份的事件，在那里，一个九岁的孩子在家里被闪电杀死。
通常，蒙古包的直径约为8m，因此面积约为50mm2。居住在蒙古包中的家庭人数被认为是4人。下屋顶平面的高度和最大高度分别被认为是3m和4.5m。受雷击的房子在一个村庄的一块平地上。通常他们使用黏土压制地板。一个星期中，这个家庭被认为每天使用房子16小时。在我们的计算中，我们考虑认为Mongolia的最大地面闪电密度为6。
直接雷击风险（Rd）：2.118times;10-7
间接雷击风险(Ri)：7.400times;10-6
计算的人身伤亡风险（R）：7.612times;10-6
根据风险计算，这是雷击建筑物的另一种情况，据预测该建筑物没有雷击风险，没有实施任何类型的防雷系统。在同一环境中，Mongolia周边国家中有数千个这样的具有相似雷暴水平的建筑。
图-4：Mongolia的典型帐篷
案例5：在lobby Cheetah Conservation Centre,in Otjiwarongo,Namibia（20.46°S，16.65°E）的游客大厅，它的猎豹保护中心遭遇雷击，造成一名实习生受伤并烧毁了建筑物。当时大楼里只有一个人。其中一位前往Namibia的作者被告知，类似的事故在Namibia的许多地方都很常见。大多数情况下，由于雷电流效应和易燃材料的燃烧，导致了致命的伤害。分析的结构也类似于在猎豹中心被摧毁的建筑结构，我们假设一个4口之家住在建筑物中，它位于Otjiwarongo,Namibia。该建筑的地板假定为混凝土，建筑面积为36m2。选定的外壳结构如图5所示。
图-5：类似于Namibia的建筑结构。
通过考虑认为地面闪电密度为3，得到了以下结果。
直接雷击风险（Rd）：1.603times;10-7
间接雷击风险(Ri)：3.150times;10-6
计算的人身伤亡风险（R）：3.31times;10-6
4.讨论
这项研究结果提出了一个严重的问题，即[10]中给出的现有风险评估算法的适用性。请注意，在所有情况下，我们都选择了“普通”选项来承担物理损坏的风险。当我们在所有情况下将选择更改为“高”时，R都超过了RT，这不是因为Rd的增加，而是因为Ri。因此，当我们选择“根据IEC62305提供的SPD”时，R降低到RT以下，则表明不需要保护建筑。
我们发现这项工作是唯一的一个案例，其中[10]中提供的风险评估算法已经针对任何类型的被雷击的建筑物进行了验证。因此，我们无法做出结论性的评价，即所提出的方法仅适用于大型（或综合）建筑物。
这项研究的动机是基于在非洲进行的其他几项研究[4,5,6]，其中的报告说，与发达国家的观察结果相比，在非洲农村社区，大多数与雷电有关的人身事故发生在人们“室内”的情况下。在Uganda[13]进行的相应调查显示，这种结果产生的主要原因
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