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SOMMAIRE
Introduction p.3
I - Historique de la Protection contre la Foudre p.4
II - Origine d’un coup de foudre p.5 II-1. Formation d’un nuage orageux p.5 II-2. Formation d’un coup de foudre p.6
III – La foudre sur le territoire français aujourd’hui p.7
IV – Les types de foudroiements p.8 IV-1. Le foudroiement direct p.8 IV-2. Le foudroiement indirect p.9
V – La protection contre la foudre des bâtiments p.10 V-1. L’Installation Extérieure de Protection contre la Foudre p.10
IV-1.a Le Paratonnerre p.10 IV-1.b La Pointe paratonnerre à Dispositif d’Amorçage S.T.A.R.® p.12
V-2. L’Installation Intérieure de Protection contre la Foudre p.15 V-2.a La protection par parafoudre p.15 V-2.b Définitions des caractéristiques principales des parafoudres p.15 V-2.c Mise en œuvre p.15 V-2.d Principe de la protection en cascade p.15 V-2.e Parafoudres, éclateurs et applications p.16 V-2.f Exemples de Parafoudres placés en cascade sur un bâtiment ERP type église p.17 V-2.g Schéma de câblage simplifié de parafoudres TECHNOFOUDRE® TF 1151 p.18
V-3. L’Equipotentialisation p.19
VI – Arrêté, Normes et Guides p.19 VI-1. Arrêtés p.19 VI-2. Normes p.19 VI-3. Guides p.20
Conclusion p.21
FOUDRETECH p.22
Quelques références… p.23
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« Il a plu à Dieu, dans sa grande bonté pour l’humanité, de permettre aux hommes de découvrir le moyen de protéger leurs demeures contre les méfaits du tonnerre et de la foudre ».
Benjamin Franklin
(1706 – 1790)
Introduction
Dans les lignes qui vont suivre, nous vous proposons, d’une part de revenir sur les origines de la protection contre la foudre, et d’autre part d’appréhender les notions scientifiques essentielles utilisées dans l’étude de la foudre ainsi que les moyens de s’en protéger. Nous espérons ainsi vous aider dans la compréhension de la protection contre la foudre, telle que nous la « pratiquons » aujourd’hui, dans son étude, son installation ou sa maintenance. Les photographies, textes, schémas, sauf ceux déjà mentionnés, appartiennent à FOUDRETECH® .Reproduction totale ou partielle interdite sauf accord préalable.
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I- Historique de la Protection contre la Foudre
Tous les peuples et toutes les religions, pour expliquer le phénomène ont associé la foudre à la colère des dieux et à la notion de châtiment pour les fautes et les péchés. C’est seulement au XVIIIe siècle qu’une approche scientifique de la foudre débuta par les travaux de Franklin, Nollet, Dalibart et autres savants.
« En septembre 1752, aux premières approches d’un orage, Benjamin Franklin se rendit dans une prairie aux environs de Philadelphie. Il était seul accompagné de son fils, craignant le ridicule d’un échec. Persuadé de la nature de la foudre, et désirant la démontrer, il empruntait son cerf-volant à son fils, et suspendait une clef à l’extrémité inférieure du cordon de chanvre qui retenait le cerf volant. Cependant, quand le nuage orageux s’approcha, Benjamin Franklin toucha du doigt la clef. Le chanvre étant humide, ce qui le rendait légèrement conducteur, il se produisit une étincelle très visible. D’autres étincelles suivirent, de plus en plus abondantes. On mesure aujourd’hui l’inconscience de Franklin qui, par bonheur pour lui, n’eut pas l’idée d’utiliser un fil conducteur ! »
La nature électrique de l’orage était démontrée.
Le paratonnerre inventé par Benjamin Franklin en 1752, a ainsi permis de s’affranchir, dans une certaine mesure, des dégâts causés aux bâtiments et édifices, et à leur contenu.
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II - Origine d’un coup de foudre
II-1. Formation d’un nuage orageux
La présence de masses d’air instables, humides et chaudes aboutit à la formation de nuages orageux; les cumulo-nimbus. Ce type de nuage est très développé, tant horizontalement (environ 10 km de diamètre) que verticalement (jusqu’à 15 km). Sa forme, très caractéristique, est souvent comparée au profil d’une enclume, dont il possède les plans inférieurs et supérieurs horizontaux. L’existence dans un cumulo-nimbus de gradients de température très importants (la température peut descendre à - 65°C en partie supérieure), entraîne des courants d’air ascendants très rapides; il s’ensuit une électrisation des particules d’eau. Dans un nuage orageux typique, la partie supérieure, constituée de cristaux de glace, est chargée généralement positivement, tandis que la partie inférieure, constituée de gouttelettes d’eau, est chargée négativement. Par influence, la partie inférieure du nuage entraîne le développement de charges de signes opposés (donc positives sur la partie du sol qui se trouve à proximité). Des échanges électriques se produisent à l’intérieur de ce nuage, mais aussi entre différents nuages de même nature. On voit alors des éclairs. Cependant, le cumulo-nimbus se comporte également comme un gigantesque condensateur plan nuage-sol, dont la distance intermédiaire atteint souvent 1 à 2 km. Le champ électro-atmosphérique au sol, qui est de l’ordre de la centaine de volts par mètre (par beau temps), est alors inversé et peut atteindre en valeur absolue 15 à 20 kV/m lorsqu’une décharge au sol est imminente. Cette décharge lorsqu’elle à lieu est appelée coup de foudre.
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II-2. Formation d’un coup de foudre
La simple observation à « l’œil » ne permet pas de discerner les différentes phases de la formation d’un coup de foudre. Pourtant les phénomènes suivants se produisent dans la plupart des coups de foudre :
- Un traceur descendant lumineux part d’un point du nuage et s’avance d’environ 50 m à une vitesse de 50 000 km/s. - Un second traceur descendant part du même point, suit le chemin précédent avec une vitesse comparable, dépasse le point d’arrêt du premier d’une distance similaire et disparaît à son tour.
Le processus se renouvelle ainsi jusqu’à ce que la tête du dernier traceur arrive à quelques dizaines de mètres, voire quelques mètres du sol. Dès que la tête d’un traceur descendant s’approche du sol, une liaison nuage-sol s’établit avec les effluves électrostatiques (effet couronne) du sol. Il se produit, alors, un traceur ascendant du sol vers le nuage : c’est le phénomène d’amorçage. Nota : La « grandeur » de l’amorçage est inversement liée à la distance par rapport au nuage d’orage. C’est pour cette raison qu’un édifice haut sera plus « facilement » touché par la foudre. La rencontre des deux phénomènes (traceur descendant et ascendant) constitue la décharge principale (coup de foudre), qui peut être suivie d’une série de décharges secondaires parcourant le canal ionisé par la décharge principale d’un seul traceur. Dans un coup de foudre négatif moyen, la valeur maximale de l’intensité du courant est voisine de 25 000 ampères.
Les phases caractéristiques de l'évolution d'un coup de foudre négatif : 1. descente du traceur par bonds 2. initiation des traceurs ascendants 3. rencontre entre un traceur ascendant et le traceur descendant par bonds, puis écoulement du courant d'arc en retour
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III – La foudre sur le territoire français aujourd’hui Pour le seul territoire français, on estime à un million le nombre de coups de foudre qui s’abattent chaque années sur le pays.
La foudre cause d’importants dégâts, sans compter les victimes : entre 20 et 40 personnes foudroyées, des milliers de bêtes tuées, des milliers d’incendies, des explosions de liquide ou gaz inflammables… les dommages se chiffrent chaque année en termes de milliards de francs. Régulièrement, la foudre endommage des clochers d’églises, met le feu à des fermes, frappe des antennes de télévision, provoque de nombreuses destructions d’équipements électroniques et électriques, industriels et domestiques. Les réseaux de transport et de distribution d’énergie électrique sont à eux seuls frappés chaque années par quelque quatre-vingt mille coups de foudre, et les lignes et équipements téléphoniques subissent de nombreux dégâts. Cinquante mille compteurs d’électricité sont détruits annuellement. Le tableau brossé ci-dessus est sombre, mais on peut noter que si des dispositifs de protection contre la foudre n’avaient pas été déjà mis en place, les dégâts et les accidents seraient encore bien plus nombreux; beaucoup d’entre eux sont dus à l’imprudence, à la négligence ou à l’ignorance.
Densités de foudroiement par département : Ng Ng=Nb d’impacts/an/km² (source : NFC 17 100 (Décembre 1997)
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IV – Les types de foudroiements
On distingue deux types de foudroiements : o Le foudroiement direct o Le foudroiement indirect
IV-1. Le foudroiement direct On nomme foudroiement direct, la rencontre entre un traceur descendant et un traceur ascendant. Lorsque ce dernier provient d’un point non équipé d’une Installation Extérieure de Protection contre la Foudre, on constate de nombreux dommages.
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IV-2. Le foudroiement indirect Tout courant de foudre, dont le cheminement ne serait pas bien canalisé, peut emprunter n’importe
quel chemin de façon totalement aléatoire pour rejoindre la terre, générant sur son passage d’éventuels arcs électriques (étincelage). On appelle foudroiement indirect la résultante d’un foudroiement direct dont l’écoulement n’a pas été maîtrisé.
Exemple de cause de foudroiements indirects
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V – La protection contre la foudre des bâtiments
V-1. L’Installation Extérieure de Protection contre la Foudre
L’ Installation Extérieure de Protection contre la Foudre a pour but de canaliser les coups de foudre
directs qui, en son absence, auraient frappé le bâtiment ou la structure, puis à évacuer les courants de foudre vers la terre, sans que ceux-ci puissent causer des dégâts ou pénétrer à l’intérieur du volume à protéger. L’ Installation Extérieure de Protection contre la Foudre a évolué en juillet 1995 avec une nouvelle norme (NF C 17-102) traitant de la protection […] contre la foudre par Pointe paratonnerre à Dispositif d’Amorçage (P.D.A.).
V-1.a Le Paratonnerre
L’ Installation Extérieure de Protection contre la Foudre est composée de trois parties distinctes : - Le Dispositif de Capture - Le(s) conducteur(s) de toiture et de descente - La prise de terre.
Le dispositif de capture est la partie la plus visible de l’installation, puisqu’il s’agit de la « tige » que l’on aperçoit en faîtage pour les édifices équipés d’un système de protection. A cette « tige » métallique, dans la majeure partie des cas en cuivre, est donné le nom de paratonnerre.
Paratonnerre
Conducteur de descente
Prise de Terre
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S.T.A.R.®
Système à Technologie d’Amorçage Régulé®
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V-1.b La Pointe paratonnerre à Dispositif d’Amorçage S.T.A.R.®
L’ionisation naturelle des édifices évolue selon leur hauteur, leur environnement, leur structure...
Ce processus, en produisant une décharge électrique ascendante permet d’infléchir la trajectoire du traceur descendant, ce qui provoque le coup de foudre. Aussi, par exemple, de par leur propension à dégager un traceur ascendant, on observe que généralement se sont les bâtiments les plus hauts qui sont sujet aux coups de foudre, les églises des villages notamment. Or, le processus d’ionisation naturel peut être déclenché plus rapidement par des dispositifs technologiques dédiés; c’est le concept de l’Avance à l’Amorçage.
La régulation de son champ électromagnétique ambiant - de son Amorçage - permet à la Pointe paratonnerre à Dispositif d’Amorçage S.T.A.R.® de provoquer avec une certaine avance dans le temps, le processus d’apparition d’un traceur ascendant.
Ainsi, la Pointe paratonnerre à Dispositif d’Amorçage S.T.A.R.® devient le point d’impact préférentiel d’une zone donnée. On obtient une protection beaucoup plus efficace et étendue que les protections par paratonnerre à tige simple (« paratonnerre à tige Franklin »). Aujourd’hui, une Installation Extérieure de Protection contre la Foudre, c’est :
Dans la mesure où un traceur descendant frappe directement la structure à protéger, dans le rayon d’action de la pointe S.T.A.R.®, la protection contre la foudre consiste à donner au courant de foudre les conditions nécessaires à son écoulement dans le sol, sans que l’on déplore une dégradation de la structure à protéger.
- une Pointe paratonnerre à Dispositif d’Amorçage S.T.A.R.® : le coup de foudre est guidé vers - un conducteur de descente : le coup de foudre est évacué vers - une prise de terre à structure spécifique : le coup de foudre est anéanti
Zone protégée par une pointe à tige Franklin
Zone protégée par une pointe S.T.A.R.®
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La Pointe paratonnerre à Dispositif d’Amorçage S.T.A.R.® est conforme à la norme NF C 17-102 de
Juillet 1995, ayant subit avec succès les tests de validation effectués en collaboration avec le Laboratoire de Décharges Electriques de l’Université de PAU conformément au § 2.2.2.1 annexe C de la dite norme.
Pointe paratonnerre à Dispositif d’Amorçage S.T.A.R.®
Une gamme de paratonnerres techniques, fiables avec un encombrement réduit pour s’adapter à chaque site, Une gamme de couleurs étendue afin de s’intégrer parfaitement à son environnement.
De plus, la Pointe paratonnerre à Dispositif d’Amorçage S.T.A.R.® est garanti cinq (5) ans.
Conforme à la limite de la norme NF C 17-102 - fiche d’interprétation 002 - décembre 2001
1,725 kg
94 mm
204 mm
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Rendus couleurs non contractuels – Afin d’améliorer sa qualité, FOUDRETECH® se réserve le droit d’apporter toutes modifications sans avis préalables.
meudon
céruléen
flave
zinzolin france majorelle
payne pinchard céladon
impérial
carbonecuivre prasin
alezan auréolin
aniline
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V-2. L’Installation Intérieure de Protection contre la Foudre
L’Installation Intérieure de Protection contre la Foudre a pour fonction de protéger les installations et
équipements électriques intérieurs, ainsi que les personnes, contre les surtensions conduites ou induites et les montées en potentiel.
V-2.a La protection par parafoudre Les surtensions (effets induits) apparaissent entre l’arrivée des lignes extérieures d’alimentation et le
système équipotentiel des terres de la structure. Ces surtensions " pénètrent" vers l’intérieur de la structure par propagation (le long des lignes).
Comme il n’est pas possible de connecter les lignes directement au réseau équipotentiel (risque de court-circuit), on les connecte par l’intermédiaire de dispositifs de limitation de surtensions, dont le nom est parafoudre.
V-2.b Définitions des caractéristiques principales des parafoudres - Courant nominal de décharge : Il représente la capacité d’absorption de la protection sur phénomènes transitoires répétés (exprimés en kA). - Courant maximal de décharge : C’est la valeur de l’intensité maximale que la protection est capable d’écouler en une seule fois sans être détruite; il est lié au courant nominal de décharge. V-2.c Mise en œuvre La mise en oeuvre des parafoudres nécessite la connaissance des techniques d’étude et de pose (guide
UTE 15-443), en effet les protections préconisées doivent assurer la conservation des équipements et surtout garantir la sécurité des personnes.
Primaire Technofoudre
TF-1151
Coup de foudre
Secondaire Technofoudre
TF-2401
V-2.d Principe de la protection en cascade
2
1,5
1
Exemple de matériel protégé
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V-2.e Parafoudres, éclateurs et applications
Parafoudres et éclateurs sont destinés à protéger les matériels dits sensibles. Ces matériels sont définis de par leur liaison avec l’extérieur par un câble transportant de l’électricité (énergie, données, téléphonie…).
Parafoudres, Eclateurs Type Applications
TECHNOFOUDRE®
Parafoudres Energie
Réseau
Type 1, 2 ou 3
Ces parafoudres sont placés sur le réseau électrique en parallèle et en amont des matériels à protéger. On parle de protection primaire puis secondaire lors de câblage en cascade.
TECHNOFOUDRE®
Parafoudres Energie
prise électrique
Type 3
Ces parafoudres sont à positionner sur les prises électriques, au plus près des matériels sensibles, toujours en complément de protection primaire et/ou secondaire.
TECHNOFOUDRE®
Parafoudres Données
données, téléphonie,
Ethernet 10/100
Ces parafoudres sont destinés à la protection des lignes de communications, de données, de transmissions… Ils se câblent en série sur la paire considérée.
TECHNOFOUDRE®
Parafoudres Coaxial
antennes, TV,
Radiocommunications
Protection de câble coaxial pour transmission/réception. Plusieurs versions sont disponibles pour s’adapter aux exigences des bandes passantes et des tensions de lignes.
Cette liste d’exemples n’a rien d’exhaustif et n’est représentative que des protections en général préconisées par nos techniciens. Nous tenons à votre disposition un catalogue complet de produits qui pourront répondre à la plupart des besoins recensés aujourd’hui, dans le domaine. Cependant notre bureau d’étude se tient à votre disposition pour toute demande de protection spécifique.
TF- 1151 TF- 2401
TF- PR** TF- PM**
TF- DT** TF- TM24
TF- TM24
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V-2.f Exemples de Parafoudres Energie placés en cascade sur un bâtiment ERP type église
Coffret TECHNOFOUDRE® Coffret TECHNOFOUDRE® C-TF 1151 C-TF 2401
Parafoudres de type 1 Parafoudres de type 2 Ces systèmes sont composés de parafoudres modulaires « haute énergie » à déconnexion thermique intégrée pour une fin de vie en circuit ouvert. Raccordement au réseau par borne 4 – 50 mm² et/ou peigne de raccordement
Pour une maintenance très facile, chaque module est équipé d’une signalisation de défaut en façade par voyant mécanique, d’une cartouche débrochable (pour TF 2401), et est monté en aval d’un sectionneur à fusible adapté. Conformités aux normes : - NFC 61740-95
- ULI449-ed.2 - IEC 61643-11 - VDE 0675-6
Ces modules sont, présentés dans un coffret thermoplastique IP 65 auto-extinguible, muni d’une porte transparente montée sur un joint d’étanchéité. Ces portes permettent la visualisation rapide de l’état de bon fonctionnement des différents modules. La fixation d’un coffret est murale en fond de coffret par des visseries et chevilles adaptés aux supports. Ces coffrets répondent aux recommandations et réglementations en vigueur.
COFFRETS TECHNOFOUDRE® haut. : 420 mm - larg. : 298 mm - prof. : 140 mm
Coffret
Type Tension
utilisation maxi Uc
Pouvoir d’écoulement
onde
Iimp
Courant In
Courant Imax Up Temps de
réponse
TF 1151 1 440 VAC 10/350µs 15 kA 20 kA 40 kA 1,5 kV < 25 ns
TF 2401 2 440 VAC 8/20µs S.O. 15 kA 40 kA 2 kV < 25 ns
Module TF
Module TF
2401
Un 230 V
Uc 350 V
Ic <10 μA
In 20 kA
Imax 40 kA
Up à In < 600V
Iimp 15 kA
Icc 25.103 A
Un 400 V
Uc 440 V
Ic <1 mA
In 15 kA
Imax 40 kA
Up 2 kV
Icc 25.103 A
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V-2.g Schéma de câblage simplifié de parafoudres TECHNOFOUDRE® TF 1151
Disjoncteur
Protection des parafoudres (disjoncteur ou sectionneurs à fusibles)
L2
L3
N
L1
Les parafoudres sont câblés en parallèle du réseau électrique. Ils sont protégés pas des sectionneurs à fusibles ou des disjoncteurs adaptés. Ils sont reliés directement à la prise de terre électrique ou boucle en fond de fouilles. Les longueurs de câblage sont inférieures à 50 centimètres. Les sections de câbles sont de 16 mm2.
Prise de terre électrique
Parafoudres TF-1151
Exemples de matériels sensibles
protégés
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V-3. L’Equipotentialisation
Les reprises équipotentielles ont pour but de s’affranchir des couplages résistifs, en mettant en œuvre la méthode recommandée actuellement par la normalisation internationale, consistant à relier électriquement entre elles (dans la mesure du possible), toutes les masses métalliques du bâtiment, à savoir les diverses conduites et canalisation, le fond de fouille, les rails de guidage, les cuves, les réservoirs..., et de connecter tout cet ensemble à la structure d’écoulement foudre. On appelle cela l’ « équipotentialisation » de l’installation, en effet, par cette interconnexion, il ne peut plus apparaître de différences de potentiel entre éléments. Il y a lieu d’assurer une montée en potentiel uniforme des terres et des masses en cas d’un choc de foudre sur le site.
VI – Arrêtés, Normes et Guides
VI-1. Arrêtés Arrêté du 16 Septembre 1959 Titre IV bis- CHAPITRE V-Section V-Article V. 19
Les clochers, tours et minarets doivent être dotés de paratonnerres. Arrêté du 19 Novembre 2001 Article EL. 19 ; §2 Les paratonnerres seront vérifiés annuellement. Arrêté du 28/01/93 JO 26/02/93 Protection des installations classées pour la protection de
l'environnement (ICPE)
VI-2. Normes NFC 17 102 (Juillet 1995) Protection contre la foudre par paratonnerre à dispositif d’amorçage
(Décembre 2001) Fiches d’interprétation 17-102-001 et 17-102-002
NFC 17 100 (Décembre 1997) Protection contre la foudre par paratonnerre à tiges (Juillet 2000) Fiche d’interprétation 17-100-001
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NFC 61740/95 Parafoudres pour installations basse tension NFC 15 100 (Décemmbre 2002) Installation électrique basse tension UTE 15 443 (Juillet 1996) Choix, étude et installation de matériel de protection contre les
surtensions d’origine atmosphérique; parafoudres
VI-3. Guides
GUIDE UIC (Juin 1991) Recommandations pour la protection des installations industrielles
contre les effets de la foudre et des surtensions GUIDE UIC (Octobre 1993) Complément au cahier technique de Juin 1991 GUIDE GESIP (Février 1994) Recommandations pour la protection contre la foudre des installations
pétrolières et pétrochimiques GUIDE UTE (Juin 2000) Guide de la protection contre les effets de la foudre
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Conclusion
Depuis les temps les plus reculés de l’humanité, la foudre et ses effets sont connus et redoutés. Sa perspicacité, son ingéniosité, puis sa technologie a permis à l’Homme de créer des moyens efficaces pour se protéger de ces agressions dévastatrices. FOUDRETECH®, aujourd’hui, vous propose l’aboutissement des recherches de ces illustres prédécesseurs dans une démarche volontaire et dynamique. FOUDRETECH® met à votre disposition ses compétences techniques et son expérience afin de prévenir les dégâts que pourrait causer la foudre. FOUDRETECH® suit en permanence les évolutions des textes de normes, de lois, de guides…ainsi que les solutions techniques nouvelles afin de vous assurer une protection contre la foudre toujours plus efficace. FOUDRETECH®, ce sont des équipes de poses qualifiées pour les travaux de grandes hauteurs, d’accès difficiles et les travaux Basses Tensions, formées et éprouvées aux règles de l’art. FOUDRETECH®, est votre interlocuteur pour l’étude, la préconisation, la réalisation de:
Installation Extérieure de Protection contre la Foudre Installation Intérieure de Protection contre la Foudre Equipotentialisation Vérification…
En conclusion,
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Pose d’un paratonnerre Pose d’un conducteur de descente Création d’une prise de Terre Réseau de Parafoudres
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Siège Social
Bureau d’étude central – Service travaux – Service Administratif et Comptable FOUDRETECH®
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Tél. : + 33 (0) 5 56 85 07 48 Fax : + 33 (0) 5 56 85 08 42
Notre Bureau d’Etude répond à tous les types de demande d’évaluation de risques foudre, et de réalisation de système de protection contre la foudre ainsi qu’à leurs vérifications. Nos Equipes de pose sont qualifiées pour les travaux de grande hauteur, d’accès difficiles, et formées au respect de législation en terme de protection individuelle permanente, fiable et conforme aux normes C.E. Munis de harnais de sécurité, ils effectuent leurs ascensions grâce à des échelles spécifiques, perches télescopiques et avec des cordages agréés. Ceci permet une très grande habileté, mais aussi une efficacité et une rapidité accrues sur de grands ouvrages ou des façades complexes pour tous types de monuments. Le « travail sur corde » confère une grande rapidité d’intervention, la préservation de l’esthétique et la pérennité du bâtiment, et permet le déplacement sécurisé de nos techniciens de pose et un encombrement au sol réduit à un périmètre balisé sous la zone de travail. La mise en œuvre d’une installation de protection contre la foudre nécessitant un matériel spécialisé, nos techniciens effectuent leurs interventions avec des camions ateliers équipés de tout l’outillage et matériaux nécessaires à la meilleure des mises en œuvre ( Telluromètre Transitoire, matériel de fonçage pour prise de terre, poste à soudure, groupe électrogène…)
FOUDRETECH® Agence Ouest
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Paratonnerres Parafoudres
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