الکترود «یوفر»، (Ufer) بیان عامیانه همان چیزی است که مقررات ملی برق ایالات متحده (NEC) به‌عنوان «الکترود زمین مدفون در بتن» (Concrete-encased Grounding Electrode) معرفی می‌کند. از خودِ اصطلاح «یوفر»، اغلب در متن رسمی مقررات ذکری نمی‌شود؛ اما در صنعت، بسیاری افراد از آن استفاده می‌کنند.
یوفر نام مهندسی است که این تکنیک را برای حل مشکلات ارتش ایالات متحده در ایجاد سیستم زمین ابداع کرد. در این مقاله، پس از آشنایی مقدماتی با «الکترود زمین مدفون در بتن» قواعد اجرای آن را بررسی می‌کنیم. برای یادگیری عملی نحوه اجرای سیستم‌های ارتینگ در دوره جامع ارتینگ با آکادمی ماهر همراه باشید.
الکترود یوفر چیست؟
از نظر NEC، الکترود زمین، «جرمی هادی است که از طریق آن ارتباط مستقیمی با زمین برقرار می‌شود». این تعریف، اولین بار در ویرایش سال ۲۰۰۵ استاندارد NEC مطرح شد. بعدها ویرایش بیشتری روی تعریف الکترود زمین انجام شد تا چگونگی عملکرد الکترودها و نوع اجرام یا موادی که به‌عنوان الکترود زمین قابل‌قبول هستند را نیز بیان کند.
ویژگی مهم این تعریف آن است که الکترود، باید در تماس مستقیم با زمین باشد و باعث ایجاد یک ارتباط الکتریکی شود. یادآوری این نکته هم حائز اهمیت است که بدون ارتباط الکتریکی با زمین، نمی‌توان چیزی را الکترود زمین نامید. مثلاً اگر فونداسیون ساختمان نسبت به زمین عایق شده باشد، نمی‌توان از آن به عنوان الکترود زمین استفاده کرد. بگذارید نگاهی دقیق‌تر به الکترودهای مدفون در بتن (یوفر) بیندازیم و اینکه این الکترودها در کجا مورد نیاز هستند و روش‌های اجرای آن‌ها چگونه است.
پیشینه تاریخی
«هربرت جی. یوفر» معاون و مهندس آزمایشگاه‌های آندر‌رایترز (Underwriters) بود که برای حل مشکلات سیستم‌های زمین در ایالت آریزونا، به ارتش ایالات متحده مشاوره می‌داد. یافته‌های یوفر در دهه ۱۹۴۰ اثربخشی الکترودهای زمین مدفون در بتن را اثبات کرد.
ارتش برای صاعقه‌گیرهای نصب‌شده در زاغه‌های مهمات و مواد منفجره در انبارهای ناواهو (Navajo) در فِلَگستاف (Flagstaff) و پایگاه هوایی دیویس-مونتان (Davis-Monthan) در توسان (Tucson) نیاز به الکترودهایی با مقاومت ۵ اهم یا کمتر داشت. یوفر طرح اولیه‌ای را برای الکترود زمین مدفون در بتن، تهیه کرد که در آن از میلگردهای تقویتی ۰.۵ اینچ موجود در سازه، که طولشان به ۲۰ فوت می‌رسید و در عمق ۲ فوتی فونداسیون ساختمان‌های انبار مهمات واقع بودند، استفاده می‌شد.
اندازه‌گیری مقاومت در طی یک دوره بیست‌ساله، مقادیر پایدار ۲ تا ۵ اهم را برای مقاومت این الکترودها نشان داد که انتظارات ارتش ایالات متحده را در آن زمان به‌خوبی برآورده می‌کرد. نتایج این تحقیق، سرانجام منجر شد به آنچه NEC امروز از آن به عنوان «الکترود مدفون در بتن» یاد می‌کند.
جزئیات بیشتر درباره تحقیقات یوفر را می‌توان در مقاله او در مجموعه مقالات یکی از کنفرانس‌های IEEE به شماره CP-61-978 در اکتبر ۱۹۶۴ تحت عنوان «بررسی و آزمایش الکترودهای زمین در پایه ستون‌ها در تأسیسات برقی» یافت.
شرح و تفصیل نحوه اجرا
بخش 3A-250-52 از NEC به وضوح مقصود از «الکترود زمین مدفون در بتن» را بیان می‌کند. الکترود مدفون در بتن می‌تواند از فولاد لخت، فولاد گالوانیزه یا انواع دیگری از میلگردهای فولادی با قطر حداقل ۰.۵ اینچ باشد که در بتن محصور شده‌اند.
این الکترود می‌تواند با استفاده از ۲۰ فوت (۶ متر) هادی پیوسته یا با سر هم کردن قطعه‌های جداگانه‌ای که با سیم آرماتوربندی (به‌صورتی خاص نه به شیوه معمول آرماتوربندها) اجرا شود. با استفاده از جوش احتراقی (اگزوترمیک)، جوش برق یا سایر روش‌های مؤثر اتصال، قطعه‌ها به هم وصل می‌شوند تا مجموع طول آن‌ها به ۲۰ فوت یا بیشتر برسد.
همچنین، این امکان وجود دارد که سیم مسی لخت با مقطع حداقل ۲۵ میلی‌متر مربع به جای الکترود به کار رود. باید توجه داشت که الزام به طول حداقل ۲۰ فوت برای تسمه، میلگرد یا سیم لخت مدفون در بتن، فقط تضمین‌کننده اتصال کافی الکترود به بتن می‌باشد، نه اتصال بتن با خاک. آنچه کیفیت کلی الکترود زمین را براساس تعریف فوق تعیین خواهد کرد، ابعاد مجموعه بتن و الکترود است.
همبندی اجباری
بخش 50-250 از NEC تاکید می‌کند که استفاده از همه الكترودهای زمين در یک محل، برای تشكيل «سيستم زمين» ضروری است. این ضرورت، شامل کلیه الکترودهای مدفون در بتن که در ساختمان یا سازه موجودند نیز می‌شود. البته یک استثناء وجود دارد و آن در مورد ساختمانها و سازه‌هایی است که در آن‌ها اتصال الکترودهای مدفون در بتن به سیستم زمین، ممکن است به یکپارچگی سازه‌ای ساختمان آسیب برساند، یا بر سازه‌های موجود، اثر زیان‌باری داشته باشد (مثل خوردگی).
از آنجا که نصب پایه ستون‌ها و فونداسیون یکی از اولین مراحل یک پروژه ساختمانی است و اجرای تأسیسات برقی معمولاً جزو مراحل پایانی آن است، اجرای درست این قانون نیاز به آگاهی و هماهنگی خوبی بین مهندسان برق و سازه دارد. در مراحل اولیه آرماتوربندی باید از اینکه میلگردها به‌طور صحیح در قالب قرار گرفته و اتصال مناسبی دارند، اطمینان حاصل شود. اگر فونداسیون فاقد آرماتوربندی باشد، استفاده از سیم نمره ۲۵ برای این منظور، هرچند الزامی نیست، ولی می‌تواند گزینه‌ای قابل بررسی باشد.
کیفیت الکترود یوفر
ثابت شده که الکترود مدفون در بتن، عملکردی خوب و طول عمری مطلوب دارد. پایه ستون‌ها یا فونداسیون هر ساختمان معمولاً تا زمانی که ساختمان پابرجا باشد، وجود خواهند داشت. از آنجا که معمولاً تمام میلگردهای موجود در محیط فونداسیون ساختمان، با سیم‌های آرماتوربندی به هم متصلند، مجموعاً مانند یک الکترود حلقوی عمل می‌کند، البته سطح تماس چنین الکترودی از یک حلقه معمولی (مثلاً سیمی) بسیار بیشتر است.
پایه ستون‌ها هم روی محیط فونداسیون واقعند و لذا آن‌ها هم به نوبه خود منجر به تماس قابل‌توجهی با زمین می‌شوند. بتن ضمن آن‌که رطوبتش را حفظ می‌کند، به‌طور مداوم رطوبت را از طریق کفِ پایه ستون‌ها جذب می‌کند. این امر باعث ایجاد ارتباط مؤثر بین الکترود یوفر و زمین می‌شود. فونداسیون ساختمان به طور معمول بزرگ‌ترین الکترود زمین در هر سازه است.
جمع‌بندی
اجرای سیستم زمین در ساختمانها و برای ایمنی و حفاظت افراد، تجهیزات و وسایل اهمیت زیادی دارد. یکی از راه‌های اجرای ارتینگ در ساختمانها استفاده از فونداسیون ساختمان است. به این روش الکترود زمین مدفون در بتن گفته می‌شود که الکترود یوفر نیز مشهور است. در این مقاله، ضمن معرفی و شرح تاریخچه پیدایش این روش، نحوه اجرای آن بر اساس استاندارد NEC بیان شد. در پایان نیز کیفیت الکترود زمین مدفون در بتن مورد بحث قرار گرفت.
نظر شما در مورد این روش یوفر چیست؟ آیا در ایران می‌توان این روش را به کار برد؟ نظرات خود را با ما در میان بگذارید.
سوالات متداول
او طرحی با استفاده از میلگردهای تقویتی برای وزارت دفاع آمریکا ارائه داد که مقاومت پایداری داشت و به توسعه استانداردهای NEC برای الکترودهای مدفون در بتن منجر شد.
کیفیت الکترود یوفر از طریق آزمایش‌های مختلفی مانند آزمایش کشش، خمش و مقاومت در برابر خوردگی ارزیابی می‌شود. همچنین، استانداردهای صنعتی خاصی وجود دارند که تعیین‌کننده کیفیت الکترود یوفر هستند.
در صورتی که الکترود یوفر یکپارچگی سازه ساختمان را به هم بزند یا باعث خوردگی سازه فلزی شود، استحکام و طول عمر ساختمان کاهش می‌یابد.
