Protivýbuchová ochrana konstrukcí a staveb

„Probudila mě obrovská rána, až se celá postel se mnou pohnula. Vyběhla jsem ven a nevěřila svým očím. Chyběl kus baráku,“ popisovala údajně jedna z nájemnic bytového domu v Havířově-Šumbarku v září roku 2013 po výbuchu v jednom z bytů, který způsobil úmyslně bývalý nájemník. V tomto případě vznikla několikamilionová hmotná škoda, ale naštěstí objekt bylo možno opravit a znovu užívat a jako zázrakem nedošlo ke ztrátě ani jednoho lidského nebo zvířecího života. Ne vždy však výbuchy končí takto relativně dobře.

Tento článek si klade za cíl upozornit na rizika spojená s výbuchy v objektech bytové a občanské výstavby a podnítit případně vznik širší diskuse na toto téma, a to z toho důvodu, že tato problematika dle informací autorů článků je v současné době spíše opomíjena a nevěnuje se jí taková pozornost, jakou by si zasloužila.

Výbuch a vznik a šíření tlakových vln

Výbuch je rychlá chemická exotermní reakce spojená s náhlým uvolněním energie v podobě tepla, velkého množství vzniklých plynů a v mnoha případech i světla. Tato uvolněná energie se projevuje tlakovými účinky na stavební konstrukce, které často mají destruktivní následky. Tento nežádoucí jev je charakteristický velmi krátkým časovým průběhem, kdy není možné provést evakuaci osob z objektu a je tedy mnohdy doprovázen ztrátami na životech a zdraví osob.

V praxi se lze setkat se třemi základními druhy výbuchů:

• výbuch fyzikální,
• výbuch chemický,
• výbuch jaderný.

Podle prostoru a jeho průběhu můžeme výbuchy dále dělit na:

• ohraničený výbuch (uvnitř nádob, potrubí, kanálů, tunelů),
• částečně ohraničený výbuch (v místnostech, budovách, technologiích),
• neohraničený výbuch (v otevřených provozech a jiných neohraničených oblastech).

Samotný mechanismus výbušné přeměny může být podle rychlosti děje a tlakových projevů dělen takto:

• deflagrace,
• přechod od deflagrace do detonace,
• detonace.

Ve vztahu k budovám či technologiím, můžeme výbuch dělit na:

• vnitřní,
• vnější.

Výbuchy v obytných budovách, případně i v průmyslových objektech nejsou naštěstí tzv. na denním pořádku, nicméně k nim dochází.

Výbuch (exploze) je proces, při němž v důsledku uvolnění chemické energie ve velmi krátké době vzniká velké množství výbuchových plynů, majících vysokou teplotu a vysoký tlak. Tyto plyny se v prostoru prudce rozpínají a působí na okolní vzduch, vytlačují ho z jeho původního místa. Tím vzniká tlaková vlna.

Tlak výbuchových plynů postupně v čase klesá, až se jeho hodnota rovná atmosférickému tlaku. V tu chvíli se výbuchová vlna od výbuchových plynů oddělí a šíří se dále v prostoru samostatně. Částice výbuchových plynů se však setrvačností pohybují dále, jejich tlak klesne pod hodnotu atmosférického tlaku (vzniká podtlak) a za výbuchovou vlnou se šíří výbuchová vlna zředění. Vlivem vyššího okolního tlaku vzduchu se výbuchové plyny postupně zastaví a začne jejich zpětný pohyb, tlak v nich postupně roste, až setrvačností mírně přestoupí atmosférický tlak a vytvoří se opět podmínky pro rozpínání výbuchových plynů atd. Je zřejmé, že se jedná o vlastní kmitání (pulsaci) soustavy výbuchových plynů a vzduchu. Průběh typické výbuchové křivky je zobrazen na Obrázku č. 1.

Výše bylo zjednodušeně popsáno šíření tlakových vln ve volném prostoru. V případě šíření tlakových vln v uzavřeném prostoru je situace komplikovanější, neboť uvnitř budov není zpravidla volný prostor, v němž by se mohly tlakové vlny volně šířit všemi směry, ale dostávajíc se do kontaktu s vnitřními konstrukcemi (svislé a vodorovné konstrukce, případně konstrukce spojující různé výškové úrovně) a s nimi interagují, dochází k odezvě konstrukce na tuto tlakovou vlnu.

Při kontaktu s vnitřní konstrukcí (překážkou) působí na tuto konstrukci dopadající tlaková vlna, která ji poškodí nebo obteče. V obou případech ztrácí část své energie a současně dochází k částečnému odrazu tlakové vlny od překážky. Průběh šíření rázové vlny je znázorněn na Obrázku č. 2.

Velikost odražené tlakové vlny závisí jednak na intenzitě původní tlakové vlny, na stavební konstrukci a její schopnosti odolat působení tlakové vlny (rozhoduje tvar konstrukce, její konstrukční uspořádání a provedení) a celkovém uspořádání prostoru, v němž se tlakové vlny šíří. Jiné šíření tlakových vln bude v prostoru s množstvím lehkých nenosných konstrukcí, jejichž destrukce zjednodušeně řečeno odlehčí (sníží) účinek tlakové vlny (prakticky stejný efekt mají dveřní a okenní otvory) a jiné v prostoru, v němž dominují nosné konstrukce schopné šíření tlakových vln odolat.

Pro popis šíření tlakových vln v uzavřených prostorech je nutno také vzít v potaz případ, kdy jsou v objektu výbušné látky umístěny v několika navzájem sousedících prostorech. V takovém případě může jedna tlaková vlna, která bude schopna svými vlastnostmi způsobit iniciaci výbuchu v prostoru, do něhož vnikla, vyvolat dominový efekt vznikem další jedné nebo více tlakových vln, které se následně dále šíří objektem.

Analýza šíření tlakových vln v uzavřeném prostoru je tak z pochopitelných důvodů výrazně složitější než analýza šíření tlakových vln v otevřeném prostoru. K řešení této problematiky je možno využít prostředky počítačové simulace.

Šířením podélných vln dochází k přenesení původního impulsu v rámci hmotného prostředí, obdobně jako u tzv. Newtonova kyvadla. Z důvodu nízké koncentrace částic ve vzdušném prostředí dochází při šíření těchto podélných vln k útlumu. Za vzniklý útlum mohou samozřejmě i pružno-plastické přeměny, k nimž dochází při šíření vln.

Působení tlakové vlny na stavební konstrukce

Při dopadu tlakové vlny na pevnou překážku dochází ke ztlumení a následnému odražení této vlny. Tímto mechanismem vzniká v konstrukci zatížení, které je co do velikosti rovno dvoj až osminásobku přetlaku v dopadající vlně pro danou vzdálenost od epicentra výbuchu [1].

kde je

p_ref

přetlak v odražené vlně [MPa],

p₊

přetlak na čele vzdušné rázové vlny [MPa].

Při výbuchu v uzavřeném prostoru (uzavřené místnosti, uvnitř budov nebo technologiích), dojde vlivem odrazů tlakové vlny od vnitřních povrchů (stěny, stropy, podlahy, jiné překážky) k navýšení zatížení přibližně o 50 % a doba trvání přetlaku je pak přibližně dvojnásobná, tedy:

Tabulka č. 1 uvádí poškození objektů a osob přetlakem p₊ ve vzdušné rázové vlně od účinků výbuchu [1].

Jelikož za počáteční fází výbuchu s přetlakem následuje druhá fáze – podtlaková a dále k odrazům vln, dochází tedy i k dynamickému namáhání tlakovou vlnou postižené konstrukce.

Tlaková vlna dopadající na běžné stavební konstrukce (překážky) charakteru desek a nosníků na ně působí zatížením rovnoměrným plošným (nepředpokládá se efekt soustředěného zatížení), což plně odpovídá mechanismu jejího vzniku a průběhu.

Odezvu konstrukce pak lze zjednodušeně stanovit z jejího zatížení pomocí ekvivalentního statického zatížení p_ekv , které je pro dominantní vlastní frekvenci rovno součinu dynamického součinitele δ a staticky uvažovaného zatížení, které odpovídá přetlaku v odražené vlně p_ref , tedy:

Dynamický součinitel δ je funkcí zjednodušeného časového průběhu zatížení, součinu délky trvání rázového zatížení τ a příslušné, zpravidla první vlastní kruhové frekvence konstrukce. Pro zatížení rázovou vlnou je velikost dynamického součinitele s uvažováním duktilního chování konstrukce v mezích δ = 1 až 2 [1].

kde je

δ

dynamický součinitel [–],

T_(i)

vlastní perioda ohybového kmitání [s],

Μ

přetvárnost (duktilita) konstrukce [–],

τ₊

doba působení přetlakové fáze [s].

V případě, že dojde k překročení meze únosnosti materiálu, dochází k jejímu poškození (vzniku trhlin). Pro bezpečnou konstrukci musí být splněna následující podmínka:

kde je

σ_expl

napětí od účinků tlakové vlny výbuchu [MPa],

σ_g

normálové napětí v daném místě od vlastní tíhy [MPa],

R_tfd

mez únosnosti materiálu [MPa],

nebo též podmínka přípustného mezního pootočení ψ. Jeho hodnota na mezi porušení je přibližně v rozmezí 2,3° až 5,7° pro zdivo, minimálně 6,5° pro železobeton a minimálně 10,5° pro ocel:

kde je

y

maximální dosažený průhyb desky ve středu rozpětí [m],

l

rozpětí konstrukce v kratším směru [m].

Následky tlakové vlny

Právě přímé následky mechanického působení tlakové vlny na stavební konstrukce jsou pak vidět v reportážních televizních vstupech nebo na fotografiích v tisku nebo na internetu.

Tlaková vlna ovšem působí nejen materiální škody, ale bohužel má dopad i na uživatele (obyvatele) zasažených obytných objektů nebo na obsluhu v případě výbuchů v průmyslových objektech nebo areálech.

Na osoby a případně zvířata vyskytující se v objektech působí tlaková vlna nejprve náhlým zvýšení tlaku okolního vzduchu s tím, jak se tlaková vlna šíří prostorem a následně mechanicky, a to prostřednictvím částmi výbuchem poškozených konstrukcí (úlomky zdiva, roztříštěné výplně otvorů aj.). Skokově (náhle) zvýšený tlak okolního vzduchu, kterému zpravidla není schopno tělo bez následků odolat, vyvolá stlačení částí těla vystavených tlakové vlně, což způsobí stlačení vnitřních orgánů a jejich následné poškození.

Ovšem vzhledem k charakteru tlakové vlny, která není omezených fyzikálním jevem a její účinky klesají až s poklesem energie vyvolané výbuchem, dochází bohužel i k působení na okolí postiženého objektu, v němž došlo k výbuchu, tedy například v případě výbuchu v bytovém domě v centru zástavby dochází k rozsáhlému šíření fragmentů konstrukcí do širokého okolí a ohrožení i osob a zvířat pohybujících se mimo objekt, v němž došlo k výbuchu.

Součástí výbuchu je obvykle i nárůst teploty okolí, která často vede ke vzniku požáru a tím pádem k navýšení materiálních škod a dalšího ohrožení osob a zvířat.

Velikost bezpečného poloměru s ohledem na působení tlakové vzdušné vlny (výbuch na povrchu země) lze stanovit podle vztahu:

kde je

r_b

poloměr bezpečnostního okruhu [m],

Q

hmotnost nálože [kg],

K

koeficient přípustného stupně bezpečnosti působení vzdušné tlakové vlny [–], viz tabulka č. 2.

Vztah (7) pro stanovení poloměru bezpečnostního okruhu je orientační, neboť nezohledňuje typ nálože a v případě výbuchu plynu nebo jiných látek (prach či kapaliny) je prakticky nepoužitelný. Z důvodu neznalosti těchto vstupních veličin by bylo jistě užitečné realizovat v této souvislosti další výzkum.

Vybrané příklady následků explozí v obytných budovách

Prvním ze tří příkladů následků explozí v obytných budovách je výbuch plynu v bytovém domě v Havířově-Šumbarku v roce 2013. Tato událost se obešla bez obětí na životech a bez vážnějších zranění. Výbuch způsobil úmyslně bývalý nájemník.

Následkem výbuchu došlo k poškození vnějších obvodových svislých nosných konstrukcí v místě bytu, v němž došlo k explozi. Dále byla poškozeno schodišťová konstrukce a vnitřní dělící konstrukce uvnitř bytu, v němž došlo k explozi a konstrukcí sousedících se sousedním bytem na témže podlaží. Následkem exploze dále došlo k poškození komínového tělesa a střešní konstrukce a stropní konstrukce nad bytem, v němž došlo k výbuchu.

Byt, v němž byl výbuch vyvolán, se naštěstí nacházel v takovém místě, že objekt bylo možno relativně snadno znovu opravit a nadále využívat v původním rozsahu. Objekt byl po mimořádné události zajištěn stabilizujícími dřevěnými výztuhami ze strany interiéru, střešní plášť a střešní konstrukce nad postiženým bytem byly odděleny od ostatních částí domu, aby jejich případný kolaps nezpůsobil i poškození v ostatních částech domu a následně včetně stropní konstrukce odstraněny. Uvolněné další drobné části konstrukcí byly odstraněny a v této fázi byl objekt Hasičským záchranným sborem ČR předán majiteli k dalším opravám.

Na fotografii č. 4 si prosím povšimněte okenních rámů vymrštěných explozí. Dostaly se prakticky až k sousednímu bytovému domu a některé ze střepů okenních výplní byly nalezeny v omítce sousedního domu vzdáleného cca 35 m. Stejně tak stojí za povšimnutí obvodové zdivo, které bylo následkem exploze uvolněno a spadlo do blízkosti bytového domu. Bylo velkým štěstím, že žádný z letících střepů ani žádná část uvolněného zdiva nezranila nikoho z kolemjdoucích.

Kulatiny viditelné na fotografii č. 5 byly před zahájením demolice střešní konstrukce osazeny za účelem ztlumení nárazů padajících částí odstraňované střešní konstrukce.

Druhým příkladem je výbuch plynu v bytovém domě na ulici Jarošova v Havířově v roce 2016. Tato událost se již neobešla bez ztrát na životech. Bezprostředně po výbuchu, jehož příčiny nejsou autorům článku známy, došlo k požáru v interiéru bytového domu. Po této mimořádné události bylo celé jedno podlaží bytového domu neobyvatelné. Následkem mimořádné události došlo k destrukci a poškození výplní otvorů a vnitřních svislých dělících konstrukcí.

Objekt byl HZS ČR ohledán, zajištěn výdřevami v kombinaci provizorního stažení upínacími kurty a následně předán majiteli. Následně byl s největší pravděpodobností opraven.

Jako poslední příklad je uveden výbuch v části rodinného dvojdomu na ulici Hřbitovní v Českém Těšíně v roce 2018. Přesnou příčinu výbuchu autoři článku neznají, ale s největší pravděpodobností v něm velkou roli sehrál plyn. Uživatel objektu se nacházel v době výbuchu v objektu, byl těžce popálen. Další zraněnou byla okolojdoucí žena, která utrpěla těžký šok.

Postižený dvojdům byl z poloviny zcela zdevastován (došlo ke zhroucení obvodového zdiva). Hasičský záchranný sbor ČR následně provedl kompletní prohledání trosek, naštěstí další osoby pod troskami nalezeny nebyly. Sousední část dvojdomu byla explozí rovněž poškozena, byla stabilizována a celý dvojdům byl následně odstraněn.

Příčiny výbuchů

Příčina výbuchů (explozí) může být různá. Obecně se může jednat o výbuch způsobených osobou nebo osobami záměrně, anebo technická závada, ať už na technickém vybavení budovy (rozvody hořlavých látek, plynů a směsí) nebo na nějakém technickém nebo strojním vybavení, případně k výbuchu dojde z důvodu špatného technického stavu rozvodů nebo zařízení. Nelze samozřejmě vyloučit ani kombinaci několika těchto důvodů.

V případě záměrného vyvolání exploze budou hlavní roli hrát zřejmě výbušniny, ať už průmyslově vyrobené nebo bude užito munice či střeliva. Použít se samozřejmě dají použít i volně dostupné chemické látky používané v běžném životě např. v zemědělství nebo průmyslu.

Pokud nebude výbuch iniciován zcela záměrně a účelově, budou hlavními viníky nepochybně hořlaviny dopravované do budov, tedy především různé plyny, prachové částice nebo kapaliny. V budovách se ovšem také vyskytuje mnoho zařízení, která mohou představovat pro budovy potenciální riziko, např. kotle, strojní zařízení pro výměnu vzduchu, pohony technologických provozů aj.

Kromě závady na přívodním potrubí energií dopravovaných do budov a na strojních zařízeních je bezesporu velkým problémem stáří stávajících přívodních potrubí a strojních zařízení a jejich zanedbaná pravidelná kontrola a údržba. Se skutečností, že majitelé nemovitostí nevěnují údržbě dostatečnou pozornost, se bohužel ve stavební praxi lze setkat opakovaně.

Podklady pro návrh opatření protivýbuchové ochrany

Podkladem pro návrh opatření protivýbuchové ochrany je analýza rizik, která má za úkol stanovit parametry výbuchu, ke kterému může v konstrukci (objektu) nebo mimo ni dojít, a v jakém časovém intervalu (době opakování). To znamená stanovit uniklé množství hořlavých výbušných látek (náplně cisteren, skladových tanků či nádrží aj.), které mohou být z nejrůznějších důvodů porušeny, případně stanovit množství výbušniny, se kterou se v daném provozu pracuje apod.

Zatížení výbuchem spadá do kategorie mimořádných zatížení. Technická norma [6] uvádí kategorizaci pozemních staveb do tříd následků podle typů staveb a charakteru užívání. Tato kategorizace se vztahuje k malé, střední a velké třídě následků (viz Tabulka č. 3). U staveb klasifikovaných jako CC1 se nemusí s účinky výbuchu uvažovat. Je však nutno ověřit, zda jsou splněna pravidla pro zajištění robustnosti a stability podle ČSN EN 1992 až ČSN EN 1999. U staveb klasifikovaných jako CC2 a CC3 se mají klíčové prvky konstrukcí navrhovat na příslušná zatížení tak, aby bylo zabráněno progresivnímu zřícení následkem vnitřního výbuchu.

Z normových požadavků vyplývá, že při návrhu novostavby rodinného domu se nemusí uvažovat s mimořádnými zatíženími. U novostaveb například administrativních budov, nemocnic a obchodních center by měla být ve statickém výpočtu zohledněna zatížení vnitřním výbuchem.

Rozvoj technologií

Stejně jako v minulých staletích, i v tom současném jsme svědky řady inovací ve všech oblastech lidského života. Dochází k řadě průlomových zjištění ve vědě a v technice, do běžného života proniká řada nových produktů, výrobků a technologií. Namátkou lze jmenovat například snahy o větší využití jiných druhů energií, než na jaké jsme dosud zvyklí, např. vodík.

Nové technologie však skýtají kromě nesporných výhod i nová rizika jak pro koncové uživatele, tak i pro okolí staveb. Ne vše je domyšleno do nejmenších detailů a ne vždy lze stávající budovy zcela adaptovat a přizpůsobit novým prvkům, do nich zabudovávaným.

Legislativa a praxe

V průmyslových provozech, kde se pracuje s výbušným prostředím a výbušnými látkami se bezesporu stávající normy a příslušné bezpečnostní předpisy aplikují a jistě i vyžadují při pravidelných kontrolách a revizích.

Jak je tomu však v obytných budovách a budovách občanské vybavenosti? Jsou v technických místnostech (strojovnách) přijata taková opatření, která pomohou následky případných výbuchů technologických prvků v nich umístěných, zmírnit? Máme na mysli odlehčovací klapky, odlehčovací otvory a statické posouzení hlavních nosných konstrukcí budovy na účinky výbuchů.

Jsou výplně otvorů směřujících z místností, v nichž se nachází potencionální zdroj tlakové vlny (kotel, strojní zařízení) do veřejného prostoru takového charakteru, že v případě tlakové vlny nedojde k šíření střepů z rozbitého skla v podobě mraku letících drobných fragmentů, který by se dal nejlépe přirovnat ke šrapnelové střele?

Jsou ve veřejných garážích, v nichž je připuštěno parkování vozidel na alternativní paliva (LPG, CNG případně vodík) navrhnut a v praxi řádně osazen adekvátní počet čidel úniku plynu a je zajištěno odvětrání parkovacích prostor? Jsou prováděny pravidelné kontroly funkčnosti těchto čidel a odvětrání?

Je povědomí o způsobu posouzení účinků výbuchů na stavební konstrukce mezi statiky dostatečné?

Vyhláška č. 23/2008 Sb. (vyhláška o technických podmínkách požární ochrany staveb) uvádí řadu norem. Převážná část se týká požární ochrany, nicméně jsou uvedeny i normy zabývající se stanovením požadavků na budovy i z hlediska nebezpečí výbuchu. A v těchto normách jsou citovány další normy. Jsou všechny tyto normy v praxi zavedeny a řádně aplikovány?

Nelze se spoléhat na to, že v rámci stavebního řízení nějaký dozorující orgán vydá či nevydá kladné stanovisko. Dle našeho názoru by primárně sami projektanti měli mít zájem na tom, aby stavby, na jejichž projektování se podílejí, byly pro jejich uživatele bezpečné.

Zdroje, podklady a literatura

1. Protivýbuchová ochrana staveb, Celoživotní vzdělávání v oblasti protivýbuchové ochrany staveb; http://pvoch.cvut.cz
2. Henrych J.: Dynamika výbuchu a její užití, nakl. Academia, 1973, 411 s.
3. Marton P.: Dynamika stavebných konštrukcií, Bratislava, STU Bratislava, 2008, 240 s., ISBN 978-80-227-2835-5
4. Kratochvíl V., et. al.: Tlakové láhve z hlediska požární bezpečnosti, Ostrava, SPBI, 2009, 155 s., ISBN 978-80-7385-070-8
5. Janíček M.: Pyrotechnická ochrana před terorismem, Vyškov, EDUCA Consulting, 2002, 158 s., ISBN 80-902089-6-7
6. ČSN EN 1991-1-7 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-7: Obecná zatížení – Mimořádná zatížení; prosinec 2007
7. ČSN EN 14460 Konstrukce odolné výbuchovému tlaku; prosinec 2018
8. Archiv Ing. Vojtěcha Štrby