Možnosti zvyšování odolnosti staveb a kritické infrastruktury proti výbuchu a balistickému ohrožení

Abstrakt

Úmyslné napadení cílené na strategické budovy či na kritickou infrastrukturu může představovat značné ohrožení majetku i lidských životů. Změnou složení materiálu tradičně využívaného pro realizaci staveb, zejména přídavkem rozptýlené vláknové výztuže do v současnosti nejběžněji užívaného stavebního materiálu – betonu, lze efektivně a bez velkých finančních nákladů zvýšit odolnost objektů a zajistit vyšší bezpečnost provozu. V rámci výzkumných prací prezentovaných v tomto článku byl posuzován vliv různých typů vláken na výbuchovou odolnost betonových panelů. Byly testovány odlišné typy vláken z hlediska materiálových (ocel, uhlík, čedič, polymer, sklo) i tvarových (svazek, monofilament; délka od 6 do 55 mm) parametrů. Výsledky realizovaných reálných výbuchových testů prokázaly, že s užitím jakéhokoliv typu vlákna je dosaženo zlepšení výbuchové odolnosti betonu, avšak míra se značně liší v závislosti na pevnostních a tvarových charakteristikách vlákna.

1. Úvod

O hrozbě teroristických útoků se v posledních letech hodně hovoří a píše. Někteří analytici označují nedostatečné zabezpečení strategických cílů za velkou potenciální hrozbu, přičemž je jen otázkou času, kdy ji teroristé využijí [1]. Od roku 2000 do roku 2014 bylo ve světě více než 10 000 teroristických útoků. Zanechaly po sobě více než 18 000 obětí na lidských životech. 60 % z těchto útoků se uskutečnilo v politicky nestabilních oblastech, avšak počet útoků v ostatních částech světa narostl o více než 54 % jen během roku 2013. Většina útoků byla provedena za užití výbušnin (60 %), následovaly útoky střelnými zbraněmi (30 %). [2] Řada ze zmíněných útoků byla zacílena na kritickou infrastrukturu, jako například napadení transformátorové stanice u San Jose v Kalifornii v roce 2013 nebo bombový útok na elektrárnu v Arizoně v roce 2014. Mezi nejrozsáhlejší ozbrojené útoky posledních let patří obsazení plynařského komplexu poblíž města In Amenas (na pomezí Alžírska a Libye). V Evropě byl zřejmě posledním rozsáhlým teroristickým útokem na energetickou infrastrukturu výbuch plynovodu na Ukrajině v červnu roku 2014.

Vhodnou a jednoduchou možností zvýšení bezpečnosti je nárůst odolnosti budov volbou vhodného materiálu a konstrukčního systému. V případě ohrožení výbuchem nevykazují v současnosti velmi rozšířené železobetonové konstrukce s prutovou výztuží prakticky žádný ochranný potenciál. Výbuch v blízkosti prvku způsobí vznik vysokorychlostní tlakové vlny, která se při nárazu na povrch prvku částečně odrazí a z větší části jím prostupuje. Po dosažení odvrácené strany prvku dojde opět k částečnému odrazu a úniku tlakové vlny do prostoru. Odraz vyvolá vznik značných tahových napětí. [2] Jelikož železobeton zůstává v prostorách mezi ocelovou výztuží stále kvazi-křehkým materiálem (po dosažení meze pevnosti následuje úplné porušení materiálu a naprostá ztráta jeho schopnosti přenášet další zatížení), dochází k proražení betonu za současné tvorby vysoce urychlených sekundárních fragmentů se značným destrukčním potenciálem na straně odvrácené výbuchu. Z výše uvedeného je patrné, že např. zvětšení objemu prutové výztuže nemůže výrazně napomoci celkovému zvýšení výbuchové odolnosti. Naproti tomu změnou celkové skladby betonu a zejména přídavkem rozptýlené vláknové výztuže je možné dosáhnout značného zvýšení odolnosti proti výbuchu i balistické odolnosti jak materiálu, tak i celé konstrukce.

Na Výzkumném ústavu stavebních hmot a.s. byl prováděn rozsáhlý výzkum vlivu složení betonu na jeho protivýbuchovou odolnost. Pozornost byla zaměřena zejména na zjištění vlivu drátkové výztuže na chování betonu při kvazi-statickém i vysokorychlostním namáhání. Výzkumné práce navázaly na současný stav poznání definovaný na základě rozsáhlé literární rešerše, ze které vyplynulo, že výzkum v této oblasti byl doposud zaměřen především na ocelová a v menší míře na polypropylenová vlákna [3, 4, 5]. Uvedené studie prokázaly v různé míře pozitivní vliv vláknové výztuže na odolnost betonu při vysokorychlostním namáhání. V omezené míře byla testována i vlákna skelná, nylonová, keramická a uhlíková [6, 7, 8, 9]. Provedené práce shodně konstatují příznivý vliv vláknové výztuže, v zásadě však neřeší vztahy mezi parametry vláken a výsledným chováním kompozitu. Maalej [10] hodnotil vliv hybridní vláknové výztuže (kombinace více typů vláken) na tahové vlastnosti kompozitu při dynamickém zatěžování a jeho balistickou odolnost. Byla srovnána rázová odolnost panelů s kombinovanou výztuží z polyvinylalkoholových a ocelových vláken s vysokohodnotným betonem, přičemž hybridní panely vykazovaly výrazně vyšší absorpci rázové energie. Užití vláken rovněž výrazně snížilo množství trhlin a sekundárních fragmentů vytvořených na straně panelu odvráceného výbuchu. Výše uvedené vědecké práce potvrzují potenciál přídavku vláken pro zvýšení odolnosti betonu při dynamickém zatěžování při vysokých rychlostech. Stále však není zřejmé, jaký typ vláken je pro zajištění výbuchové a balistické odolnosti nejvhodnější variantou, jelikož vliv vláken byl sledován v odlišných matricích různými metodickými postupy. Nalezení odpovědi na tuto otázku je cílem níže prezentovaného výzkumu.

2. Experimentální program

2.1 Suroviny a vzorky

V rámci experimentálních prací byly připraveny sady vzorků betonových směsí s různými variantami vláknové výztuže. Jako referenční vzorek byl vybrán jemnozrnný vysokohodnotný beton (tvořen křemičitým pískem s velikostí zrna do 1 mm, cementem 52,5R, mikrosilikou, vodou a superplastifikátorem). Pro realizaci vyztužení bylo zvoleno 6 typů vláken (skelná, čedičová, směsná polypropylenovo-polyethylenová, ocelová, polypropylenová a uhlíková). Zastoupeny jsou jak monofilamentní varianty vláken, tak vlákna ve svazcích. Bylo připraveno 10 směsí s rozptýlenou vláknovou výztuží jak s vlákny samostatně, tak formou hybridní výztuže tak, aby objemový podíl vláken zůstal ve všech směsích konstantní (3 % obj.). Vlastnosti vláken a jejich objemové zastoupení v jednotlivých směsích jsou shrnuty v Tab. 1 a 2.

2.2 Kvazistatické mechanické testy a objemová hmotnost

Pro stanovení mechanických parametrů jednotlivých směsí byly připraveny prizmatické vzorky o rozměru 100×100×400 mm odlitím do ocelových forem. Pro dosažení optimálního zhutnění byly směsi zavibrovány na vibračním stole po dobu 3 minut. Po 24 hodinách byly vzorky odformovány a uloženy do vodní lázně. Po 28 dnech byly vzorky vyjmuty z vodního uložení a byla stanovena jejich objemová hmotnost (dle ČSN ISO 6275), pevnost v tlaku a pevnost v tahu ohybem (ČSN EN 12390-3 a ČSN EN 12390-5). Mechanické parametry byly stanoveny na sérii pěti vzorků pro každou směs, kalkulované průměrné hodnoty jsou uvedeny v Tab. 3.

2.3 Výbuchové testy

Výbuchové testy byly realizovány na panelech o rozměrech 40×500×500 mm dle certifikované metodiky M-T0-B VTÚO 10/09, vyvinuté Vojenským výzkumným ústavem pro testování výbuchové odolnosti materiálů. Metodika spočívá v měření akcelerace ocelového zkušebního stavu, na kterém je umístěný testovaný vzorek, po inicializaci trhaviny. Dalším sledovaným parametrem je míra poškození vzorku. Integrace absolutní hodnoty naměřené akcelerace a vyhodnocení velikosti plochy pod naměřenou křivkou (tzv. Relativní útlum) poskytne srovnání míry schopnosti testované sestavy absorbovat energii výbuchu – čím menší je plocha pod naměřenými křivkami, tím menší byly celkové vibrace zkušebního stavu a tím více energie bylo v testovaném vzorku absorbováno. Dále je hodnocena integrita vzorku stupni 1–5 (Stupeň integrity – stupeň 1 značí vzorek zcela bez poškození, stupeň 5 totální destrukci vzorku). Celková odolnost vůči výbuchu je počítána jako převrácená hodnota součinu Relativního útlumu a Stupně integrity. Výstupy této rovnice jsou zaznamenány v Tab. 3. Vyšší hodnoty značí vyšší odolnost materiálu proti výbuchu. Uspořádání testu je patrné z Obr. 1 a 2. Vzorky byly testovány tlakovou vlnou generovanou detonací 100 g trhaviny Semtex 1A ve tvaru válce o průměru 45 mm a výšce 45 mm.

Obr. 1 Schéma testovacího zařízení

Obr. 2 Uspořádání testu

3. Výsledky testů a diskuse

3.1 Vliv různých typů vláken na mechanické parametry betonu

Stanovené hodnoty 28denní pevnosti v tlaku a v tahu ohybem jsou sumarizovány v Tab. 3. Z výsledků je patrné, že typ použitého vlákna do značné míry ovlivňuje výsledné vlastnosti kompozitu, zejména jeho pevnost v tahu ohybem. Přídavek kteréhokoliv typu vlákna nebo směsi vláken přinesl zvýšení pevnosti v tahu za ohybu, jelikož vlákna v kompozitu jsou schopna překlenout trhliny vznikající při tahovém namáhání. Dosažené hodnoty pevností se značně lišily při zakomponování různých typů vláken. Nejlepších výsledků bylo dosaženo v případě vzorku s dlouhými polymerními vlákny Benesteel, jejichž pevnost v tahu ohybem překročila 30,4 MPa, což je 4,8× vyšší hodnota než jaké bylo dosaženo v případě referenčního vzorku.

Vysokých hodnot bylo dosaženo rovněž v případě vzorku vyztuženého dlouhými uhlíkovými vlákny (26,8 MPa). Nejhorších výsledků bylo dosaženo v případě vzorku s výztuží tvořenou krátkými polypropylenovými vlákny, kdy hodnota pevnosti v tahu ohybem byla jen o málo vyšší než hodnota stanovená na referenčním vzorku. Je zřejmé, že vyšších hodnot pevnosti v tahu ohybem je dosaženo použitím vláken s vyšší pevností a optimálními tvarovými parametry schopnými zajistit kvalitní zakotvení v matrici. Pro dobrý kotvící efekt je nutná rovněž dostatečná kontaktní plocha mezi vláknem a matricí, která je zajištěna délkou vlákna, případně jeho vysokým štíhlostním poměrem (poměr délky a průměru vlákna).

3.2 Vliv různých typů vláken na výbuchovou odolnost betonu

Experimenty zaměřené na posouzení vlivu různých variant vláknové výztuže na odolnost betonu proti výbuchu prokázaly, že volba vhodného vlákna je pro míru zvýšení odolnosti betonu klíčovým faktorem. Charakteristiky výbuchové odolnosti desek stanovené dle výše popsané metodiky jsou shrnuty v Tab. 4, desky po realizovaném výbuchovém testu jsou zobrazeny v Tab. 5. Nejnižší výbuchovou odolnost a nejvyšší stupeň poškození vykazoval referenční vzorek č. 1 bez vláken (Tab. 5, Obr. a). Vzorek se po testu zcela rozpadl na malé fragmenty. Vzorek č. 2, vyztužený 12mm skelnými vlákny, vykázal velmi dobrou výbuchovou odolnost. Při testu nedošlo k poškození desky ani ke tvorbě sekundárních fragmentů na odvrácené straně výbuchu, integrita desky zůstala zachována. Mapa trhlin je zobrazena v Tab. 5, Obr. b. Podobné výsledky byly dosaženy v případě vzorku č. 3 vyztuženého 6mm ocelovými drátky. Nedošlo k destrukci, rozpadu ani fragmentaci vzorku. Vzniklé trhliny byly menší než v případě vzorku se skelnými vlákny (Tab. 5, Obr. c). Vzorek č. 4 s výztuží polypropylenových vláken o délce 12 mm vykázal nízkou odolnost: při výbuchu došlo k vytvoření velkého množství širokých trhlin a došlo k celkové desintegraci vzorku (Tab. 5, Obr. d).

U vzorku č. 5, vyztuženého směsí 12mm skelných vláken a 6mm ocelových vláken, došlo k oddělení fragmentu o rozměru cca 60×60 mm (Tab. 5, Obr. e). Očekávaný synergický efekt hybridní výztuže publikovaný Maalejem a kol. [10] nebyl potvrzen.

Nejlepších výsledků bylo dosaženo v případě vzorku č. 7 vyztuženého polymerními vlákny o délce 55 mm. V tomto případě došlo pouze k vytvoření několika úzkých trhlin, při zachování integrity, zcela bez fragmentace (Tab. 5, Obr. f). U vzorku č. 8, vyztuženého hybridní výztuží čedičových (6mm), ocelových (6mm), skelných (12mm) a polypropylenových (12mm) vláken došlo k výrazné fragmentaci, což potvrdilo neefektivnost hybridní vláknové výztuže pro zvýšení výbuchové odolnosti betonu (oproti vyztužení samostatnými vlákny). Zatížení výbuchem je velmi rychlý jev, kdy ke tvorbě mikrotrhlin i makrotrhlin dochází prakticky současně a koncept efektu hybridní vláknové výztuže platný pro kvazi-statické zatěžování se vzhledem k rychlosti probíhajícího děje nemůže uplatnit. Uhlíkovými vlákny (50mm) vyztužený vzorek č. 9 vykazoval dobrou výbuchovou odolnost, bez porušení a trhlin, došlo pouze k odloupnutí malých fragmentů z povrchové vrstvy (Tab. 5, Obr. i). Dobré výsledky lze přisoudit vysoké hodnotě pevnosti v tahu vláken a jejich dobrému zakotvení v matrici dosaženého vhodnými tvarovými parametry vláken. Uhlíková vlákna jsou do směsi vmíchávána v podobě svazků velmi tenkých vláken (cca 7 µm). Stejný objemový podíl tohoto typu vláken obsahuje řádově více vláken než monofilamenty, čímž roste styčná plocha matrix-vlákno a zvyšuje se homogenita betonu snížením nevyztužených ploch. Vzorek č. 10 byl vyztužen monofilamentními ocelovými vlákny o délce 50 mm. Jak je patrné z Tab. 5, Obr. j, vysokopevnostní ocelová vlákna vyšší délky zajistí dobrou výbuchovou odolnost, avšak v souvislosti s charakterem vláken (monofilament) část matrice mezi vlákny zůstává nevyztužená a tím pádem křehká, což vedlo ke tvorbě řady malých fragmentů na straně odvrácené od výbuchu.

Tab. 5 Vzorky po výbuchovém testu

a) Vzorek č. 1
Bez vláknové výztuže

b) Vzorek č. 2
Vyztužen skelnými vlákny o délce 12 mm

c) Vzorek č. 3
Vyztužen ocelovými vlákny o délce 6 mm

d) Vzorek č. 4
Vyztužen polypropylen. vlákny o délce 12 mm

e) Vzorek č. 5
Vyztužen směsí skelných vláken o délce 12 mm a ocelových vláken o délce 6 mm

f) Vzorek č. 6
Vyztužen směsí skelných vláken o délce 12 mm a polymerních vláken o délce 55 mm

g) Vzorek č. 7
Vyztužen polymerními vlákny o délce 55 mm

h) Vzorek č. 8
Vyztužen směsí vláken čedič. (6 mm), PP (12 mm), skelných (12 mm) a ocelových (6 mm)

i) Vzorek č. 9
Vyztužen uhlíkovými vlákny o délce 50 mm

j) Vzorek č. 10
Vyztužen ocelovými vlákny o délce 50 mm

4. Závěr

Z uvedených výsledků je zřejmý nárůst výbuchové odolnosti vysokohodnotného betonu intruzí vláknové výztuže. Tento typ výztuže omezuje stupeň poškození betonu a tvorbu výtrží a zvyšuje značně jeho soudržnost. Výsledný efekt do značné míry závisí na materiálových vlastnostech a tvarových parametrech vláken. Ne každé vlákno poslouží pro zvýšení odolnosti stejně. V obecné rovině lze říci, že vyšší odolnosti betonu bude dosaženo užitím vláken s vyšší pevností v tahu, jelikož lépe odolají vysokým tahovým a smykovým napětím, které v materiálu při výbuchu vznikají. Neméně důležitou charakteristikou jsou tvarové parametry vláken, kdy lepších výsledků bylo dosaženo při použití tenkých vláken ve svazcích. Tento typ vláken poskytne v konečném výsledku rovnoměrnější a hustší vyztužení křehké cementové matrice. Dále byla prokázána souvislost pevnosti v tahu ohybem materiálu a jeho výbuchovou odolností testovanou dle metodiky M-T0-B VTÚO 10/09. Tento poznatek umožní predikovat velmi jednoduchou laboratorní metodou výbuchovou odolnost materiálů.

Je zřejmé, že vhodná volba materiálů může výrazně napomoci při zvyšování odolnosti konstrukcí nejen strategických budov. Při vhodném návrhu betonové směsi je navíc navýšení ceny minimální a může přinést v konečném důsledku značné úspory. Bylo by vhodné tento fakt systémově zohlednit při návrzích a realizaci výstavby.

Poděkování

Tento příspěvek byl vypracován díky institucionální podpoře na dlouhodobý koncepční rozvoj výzkumné organizace poskytnuté MPO ČR.

Literatura

• [1] Situační zpráva o vybraných oblastech bezpečnosti, ministerstvo vnitra ČR, 2014
• [2] FOGLAR, M. Vylepšený beton proti zatížení výbuchem, nárazy a projektily, Technicall, 1, 2015, Rektorát ČVUT, Praha, s. 12. MK ČR E 17564
• [3] WU, C., OEHLERS, D. J., REBENTROST, M., LEACH, J., WHITTAKER, A. S.: Blast testing of ultra-high performance fibre and FRP-retrofitted concrete slabs. Engineering Structures 31 (2009), s. 2060–2069
• [4] LUO, X., SUN, W., CHAN, S. Y. N.: Characteristics of high-performance steel fibre-reinforced concrete subjected to high velocity impact. Cement and Concrete Research 30 (2000), s. 907–914
• [5] MASUYA, H., YAMAMOTO, M., TOYAMA, M., KAJIKAWA, Y.: Experimental study on the perforation of steel fibre reinforced concrete slab by impact. Structural Materials 8 (2000), s. 205–214
• [6] TABATABAEI, Z. S., VOLZ, J. S., BAIRD, J., GLIHA, B. P., KEENER, D. I.: Experimental and numerical analyses of long carbon fibre reinforced concrete panels exposed to blast loading. International Journal of Impact Engineerig 57 (2013), s. 70–80
• [7] SU, H., XU, J.: Dynamic nompressive behavior of ceramic fibre reinforced concrete under impact load. Construction Building Materials 45 (2013), s. 306–313
• [8] MUSSELMAN, E.: Blast and impact resistance of carbon fibre reinforced concrete. Ph.D dissertation. (advisor Andres Schokker), The Pennsylvania State University. University park, Pennsylvania, USA, 2007
• [9] GINTER, V. T., BAEZA, F. J., IVORRA, S. et al.: Effect of steel and carbon fibre additions on the dynamic properties of concrete containing silica fume. Materials and Design 34 (2012), s. 332–9
• [10] MAALEJ, M., QECK, S. T., ZHANG, J.: Behavior of hybrid-fibre engineered cementitious composites subjected to dynamic tensile loading and projectile impact. Journal of Materials in Civil Engineering 17 (2005), H. 2, s. 143–52