Studium bezpečnosti zásahových žebříků pro hasiče
V článku je prezentován průzkum bezpečnosti žebříku z pohledu hasičů, rozbor normy a navržení možných úprav normy, analytický rozbor složení žebříků pomocí optické emisní spektroskopie a rentgen fluorescenční spektroskopie a aktuální velkorozměrové zkoušky realizované v Technickém ústavu požární ochrany a cíle, kterých bychom chtěli řešením výzkumného projektu dosáhnout.
Bezpečnost zásahových žebříků pro hasiče je ověřována tzv. „nedestruktivní zkouškou průhybu“, která je definovaná normou ČSN EN 1147 „Přenosné žebříky pro hasiče“, přílohou A [1]. Ukazuje se, že „uživatelská zkouška“ není z hlediska bezpečnosti zkouškou dostatečně průkaznou. Mezi nedostatky normy patří např. znevýhodnění pevnějších žebříků, zvýhodnění žebříků ze dřeva, či testování žebříků dle normy, které je nedostatečné pro odhalení předchozího tepelného namáhání. Vzhledem k možnému ohrožení zasahujících hasičů a jimi zachraňovaných osob se Technický ústav požární ochrany začal touto problematikou zabývat a od roku 2016 řeší ve spolupráci s ČVUT Praha a VŠCHT Praha projekt č. VI20162020021 „Zvýšení bezpečnosti zásahových žebříků pro hasiče“ [2].
Úvod
Zásahové žebříky jsou četně využívaným technickým prostředkem požární ochrany. Žebříky jsou při zásahu používány jak pro účely zasahujících hasičů, tak i pro účely zachraňovaných osob. Je tedy prvořadým zájmem zajištění bezpečnosti těchto osob. Proto je kvalita zásahových žebříků prověřována tzv. „uživatelskou zkouškou“ (tj. nedestruktivní zkouškou průhybu definovanou normou ČSN EN 1147 „Přenosné žebříky pro hasiče“, příloha A). Opakovaně se ukazuje, že „uživatelská zkouška“ není z hlediska bezpečnosti zkouškou dostatečně průkaznou. Asi k nejzávažnějšímu případu poškození čtyřdílného zásahového žebříku došlo 13. 6. 2009 při zásahu v Rovensku pod Troskami, kdy došlo k destrukci zásahového žebříku (přestože prošel „uživatelskou zkouškou“) a následnému pádu dvou zasahujících hasičů a zachraňované osoby z výšky 4 metrů na zem s následky ublížení na zdraví.
Rovněž není v současné době definován jednotný postup pro vyřazování použitých zásahových žebříků. Hasičský sbor nepoužívá pouze jednoho dodavatele pro všechny své žebříky z různých důvodů. Navíc se na trhu s žebříky můžou objevit noví dodavatelé, či stávající dodavatelé zaniknout. Proto je potřeba zefektivnit a zpřesnit nástroj pro hodnocení kvality žebříků, kterých se používá ve sboru řádově tisíce kusů, a mít pravidelný přehled o všech žebřících na trhu.
Hlavním cílem projektu je zvýšení bezpečnosti zásahových žebříků buď úpravou nedestruktivní zkoušky průhybu (definovanou normou ČSN EN 1147 „Přenosné žebříky pro hasiče“, přílohou A), nebo vhodnou náhradou stávající nedestruktivní zkoušky.
Mezi další (dílčí) cíle projektu patří:
- Stanovit jednotný postup pro vyřazování žebříků – na základě výzkumu může být např. prodloužena doba užívání žebříku, což by přineslo výrazné úspory HZS ČR. V opačném případě (zkrácení doby užívání žebříků) by došlo k výraznému zvýšení bezpečnosti zasahujících hasičů a jimi zachraňovaných osob.
- Posoudit kvalitu žebříků používaných u HZS ČR z hlediska bezpečnosti. V případě srovnatelných bezpečnostních parametrů porovnat žebříky z ekonomického a uživatelského hlediska, což může přinést další úspory HZS ČR. V případě, že některé žebříky budou vykazovat horší bezpečnostní parametry, informovat příslušné jednotky HZS ČR a SDH o této skutečnosti (což by opět vedlo ke zvýšení bezpečnosti).
- Zpracovat návrh/úpravu normy ČSN EN 1147, v kterém/které by byly odstraněny i další nedostatky normy („materiálová diskriminace“ – pro destruktivní zkoušku je jiná zátěž u dřeva a jiná u hliníku, zkušební norma počítá s žebříky složenými ze tří dílů, a ne ze čtyř, atd.).
Vzhledem k tomu, že projekt je realizován ve spolupráci tří výzkumných organizací, je rozdělení jejich činností následující:
- MV-GŘ HZS ČR, Technický ústav PO zajistí dodání zásahových žebříků, případně jejich částí, a dále zpracuje přehled užívání zásahových žebříků u HZS ČR. Z hlediska výzkumu bude provádět zkoušky s vlastními žebříky ve zkušební hale TÚPO a realizovat materiálovou analýzu (hlavně) pomocí optického emisního spektrometru.
- České vysoké učení technické bude realizovat část matematického modelování a ve spolupráci s TÚPO se bude podílet na zkouškách s vlastními žebříky.
- Vysoká škola chemicko-technologická bude realizovat komplementární materiálový výzkum k analýzám provedeným v TÚPO (např. v oblasti elektronové mikroskopie či metalografie) a bude realizovat tahové zkoušky sloužící mimo jiné jako podklad pro matematické modelování.
Výzkumný projekt VI20162020021 „Zvýšení bezpečnosti zásahových žebříků pro hasiče“ je řešen v období od 1. 1. 2016 do 31. 12. 2020.
Přenosné žebříky pro hasiče používané v České republice [2]
Nastavovací žebříky jsou nejrozšířenějším druhem žebříku používaných při zásazích jednotek PO v podmínkách ČR. V praxi slouží především k výstupu k výše položeným místům, jako například okenní otvory, konstrukce střech atd., případně z hloubek s pevným dnem jako například jámy nebo studny. Vzhledem k pevnostním parametrům záchranných žebříků jsou využívány i k záchraně osob z těchto prostor. Vzhledem k univerzálnosti konstrukce nastavovacího žebříku se však využívají i k nejrůznějším jiným činnostem, jako je například stabilizace vozidel po dopravních nehodách, stavba improvizovaných ohrad pro evakuovaná zvířata, případně jako prostředek pro rozložení váhy při pohybu po chatrných konstrukcích a površích nebo záchraně osob z ledu.
Obecný popis žebříků
Nastavovací žebřík se skládá zpravidla ze 4 dílů délky 2,7 m, které se vzájemně spojují pomocí „kapes“ a čepových západek až do celkové délky přibližně 8,4 m. Každý díl se skládá z podélných částí, tzv. štěřin, a příčných částí, sloužících k výstupu, tzv. příčlí, viz obr. č. 1.
Obr. č. 1 Díl nastavovacího žebříku SWS Tauchman HN3 (foto: výrobce)
První díl je odlišný od ostatních a má příčle po celé délce, tak aby byl umožněn nástup ze země. Ostatní 3 díly jsou shodné. Spodní část o délce 800 mm neobsahuje příčle, aby bylo umožněno nastavení těchto dílů na spodní a dále na sebe, zároveň jsou nástavné díly vybaveny bajonetovými západkami, pro zajištění spojených dílů. Žebřík od firmy SWS Tauchman v celé své délce viz obr. č. 2.
Obr. č. 2 Nastavovací žebřík SWS Tauchman Al – HN3 (foto: výrobce)
Čeští výrobci žebříků
1) SWS Tauchman
Firma Jindřich Tauchman SWS vznikla v roce 1991 a z počátku začala vyrábět hliníkové žebříky a lešeňové sloupy vlastní konstrukce. V roce 1998 zahájila výrobu čtyřdílných nastavovacích žebříků pro záchranáře. Stala se první českou firmou na trhu, která nabízí tyto žebříky atestované podle nově schvalované evropské normy.
V současnosti je hlavní činností firmy sváření metodou TIG hliníku, nerezu a titanu. Mimo to nabízí práškové navařování, svařování litiny. Výrobní program zahrnuje nejen širokou škálu vlastních výrobků, ale také provádění svářečských prací v kooperaci nebo na zakázku.
Nabízené produkty:
Žebřík záchranářský nastavovací HN3
Výška: 8300 mm
Váha: 45 kg
Další parametry: drážkované, kulaté příčky
Materiál: Hliníková slitina 6063, nerezové nýty a kapsy, svařování metodou TIG, speciální profil HN3
Žebřík záchranářský nastavovací HN3 – L
Výška: 8300 mm
Váha: 35 kg
Další parametry: drážkované, kulaté příčky
Materiál: Hliníková slitina 6060, nerezové nýty a kapsy, svařování metodou TIG, speciální profil HN3-L
2) SPS Slatiňany
Těžištěm výroby SPS je finální výroba nástaveb pro manipulaci s tekutými látkami a hasicí nástavby ukládané na různé druhy podvozků. SPS se specializuje na adresná individuální řešení podle potřeb a přání téměř výhradně tuzemských zákazníků. Roční produkce činí cca 80–90 kusů užitkových nástaveb, ke kterým současně zajišťuje opravy, servis a výrobu náhradních dílů.
Nabízené produkty:
Žebřík THZ NZ 4/8
Výška: 8045 mm
Váha: 40,6 kg
Další parametry: hranaté příčky, svařované
Materiál: Hliníková slitina EN AW-6063, pojišťovací mechanismus – pozinkovaná ocel, speciální profil
Mechanické zkoušky žebříků
Za účelem studia chování žebříku v jeho mezních stavech použitelnosti a za účelem upřesnění uživatelské zkoušky budou fakultou strojní ČVUT připraveny numerické modely chování zásahových žebříků v různých stavech.
Pro provedení nezbytné kalibrace numerických modelů jsou nutná vstupní data z reálných experimentů. Zkoušky jsou prováděny jako společný úkol řešitelského pracoviště TÚPO a ČVUT. Prvotní záměr provést destruktivní zkoušku s využitím stávajícího zkušebního zařízení v souladu s požadavky ČSN EN 1147, se ukázal jako nedostatečný z hlediska získání potřebných vstupních údajů pro následné matematické modelování zátěže žebříku metodou konečných prvků.
Oproti zkušebnímu normovému postupu, byl žebřík zatěžován spojitě pomocí zavěšené vodní nádrže, která byla postupně naplňována vodou, od minimální hodnoty cca 50 kg do maximální hodnoty, kdy došlo k lomu žebříku, tak aby byly eliminovány kmity, které jsou pro získání relevantních dat nežádoucí. Na obrázku č. 3 je znázorněno rozvržení reálného experimentu.
Obr. č. 3 Rozvržení reálného experimentu
Legenda k obr. č. 3:
- IBC kontejner 600 l
- Závěs
- 4 ks foliových tenzometrů
- Potenciometr pro měření průhybu
- Podpora žebříku umožňující pohyb
- Pevná podpora žebříku
- Siloměr
V průběhu zkoušky bylo měřeno reálné zatížení žebříku pomocí siloměru, byl sledován průhyb žebříku a tenzometricky byly stanovovány ohybové momenty v místech nejvyššího zatížení. Na snímcích níže (obr. č. 4) je patrný průběh zkoušky.
Obr. č. 4 Průběh zkoušky po 90 s (vlevo nahoře), 180 s (vpravo nahoře), 287 s (vlevo dole) a 543 s (vpravo dole)
Testovaným žebříkem byl produkt SWS Tauchman HN3, který byl vybrán jako první zástupce vzhledem k jeho největší rozšířenosti ve výbavě jednotek PO. K selhání žebříku došlo ve chvíli, kdy byl zatížen 366 kg. Vzhledem k tomu, že zkouška byla realizována v červnu 2017, bude vyhodnocení ostatních dat, opakovaná měření, stejně jako experimenty s žebříky jiných výrobců provedeny v následujícím období.
Materiálová analýza
Kromě velkorozměrových zkoušek popsaných výše se v rámci řešení projektu také zabýváme materiálovou analýzou hliníkových slitin jak z hlediska jejich chemického složení (metody optické emisní spektrometrie a RTG fluorescenční spektrometrie), tak částečně i z hlediska určení jejich fyzikálních vlastností materiálů při zahřívání (metoda simultánně termické analýzy).
Obr. č. 5 Jiskrový optický emisní spektrometr Q4 Tasman
1) Metody na stanovení chemického složení hliníkových slitin
Optická emisní spektrometrie (OES) je analytická metoda založená na vybuzení, detekci a vyhodnocení emisního spektra vzorku. Celý děj probíhá v ochranném prostředí (nejčastěji v plynném argonu), aby se zabránilo reakcím mezi ionty a složkami atmosféry. Excitace atomů spočívá v energetických přeskocích elektronů v atomových obalech. Přitom se v důsledku zákona zachování energie uvolní energie ve formě fotonu (záření) o určité vlnové délce. Tento jev se nazývá emise a jeho výsledkem je emisní spektrum atomu. Emisní spektrum je pro každý prvek charakteristické. Pro účely řešení tohoto projektu byl zakoupen optický emisní spektrometr Q4 Tasman firmy Bruker Elemental GmbH. Koupě zařízení byla realizována prostřednictvím firmy BAS Rudice, s.r.o. Q4 Tasman, viz obr č. 5, je navržen pro měření velkého množství vzorků a lze jej využít pro analýzu prakticky všech kovových materiálů. Pro určování chemického složení slitin pro výrobu přenosných žebříků pro hasiče byla pořízena Al matrice pro stanovení složení hliníku a jeho slitin. Jako doplňková byla pořízena matrice pro stanovení chemického složení slitin železa.
Rentgenová fluorescenční spektrometrie je jednou ze základních metod pro určování chemického (prvkového) složení látek. Principem metody je interakce rentgenového záření se zkoumaným vzorkem. Při této interakci dochází k vyražení elektronu z jedné z vnitřních slupek atomu zkoumané látky. Následně dojde k přesunu elektronu z vyšších energetických hladin a vyzáření sekundárního rentgenového záření, které je charakteristické pro všechny prvky. Toto záření je poté detekováno na detektoru a zároveň je možné určit i množství přítomných prvků. Jedná se tedy o elementární multiprvkovou metodu, v dnešní době již lze pomocí výkonnějších zařízení analyzovat prvky od uhlíku po fermium. TÚPO má k dispozici RTG fluorescenční spektroskop XEPOS firmy SPECTRO, viz obr. č. 6. Jedná se o přístroj, který umí stanovit prvky od atomového čísla 11 (sodík) až po 92 (uran).
2) Metoda na studium fyzikálních vlastností materiálů při zahřívání
Simultánní termická analýza (STA), používaná pro studium fyzikálních vlastností materiálů při zahřívání, využívá současně dvou metod – TGA a DSC. Při termogravimetrické analýze (TGA) se sledují změny hmotnosti vzorku v závislosti na ohřevu materiálu. Je možno postihnout procesy zahrnující desorpci, absorpci, sublimaci, vypařování, tání, oxidaci, redukci a rozklad, a to v definované atmosféře. Grafickým výstupem TGA analýzy je TGA křivka, tj. závislost změny hmotnosti vyjádřené v procentech na svislých osách na teplotě nebo času na horizontálních osách. Diferenční skenovací kalorimetrie (DSC) je experimentální metoda, pomocí které lze studovat tepelné projevy fyzikálních dějů probíhajících ve vzorku, které mohou být studovány v závislosti na teplotě nebo čase během definovaného teplotního programu. Mnoho fázových změn v materiálech je doprovázeno buď uvolňováním (exotermická reakce) nebo spotřebováváním tepla (endotermická reakce). Tento typ procesu detekujeme jako pík na DSC křivce. Pro naše účely bylo využito zařízení STA i 1500 firmy Instrument Specialists Incorporated – THASS, viz obr č. 7.
Obr. č. 6 RTG spektroskop XEPOS
Obr. č. 7 Analyzátor STA i 1500
Výsledky stanovení chemického složení slitin Al
Pro provedení zkoušek týkajících se stanovení chemického složení a pro sledování chování vzorků hliníkových slitin při zahřívání byly firmou Tauchman poskytnuty dva profily s označením:
- HN3: označení slitiny EN AW-6063, chemický symbol AlMg0,7Si,
- HN3-L: označení slitiny EN AW-6060, chemický symbol AlMgSi.
Profily dodaných vzorků jsou zobrazeny na obr. č. 8 a obr. č. 9.
Pro provedení dalších materiálových zkoušek byl zakoupen kompletní žebřík výrobce SWS Tauchman s označením Profi Al-HN3. Tento vzorek posloužil k provedení materiálových analýz specifických konstrukčních částí žebříku, na kterých pracuje pracoviště spoluřešitele na VŠCHT Praha. Materiálové analýzy vzorků odebraných z finálních žebříků umožní v budoucnu porovnat změny a význam finální tepelné úpravy, která je výrobcem prováděna až v poslední fázi s již kompletním žebříkem, tudíž jednotlivé profily poskytnuté výrobcem tuto úpravu nepodstupují.
Obr. č. 8 Profil slitiny HN3
Obr. č. 9 Profil slitiny HN3-L
Chemické složení slitin AlMgSi používaných pro výrobu žebříků, které je uvedené v normě ČSN EN 573-3, uvádí tab. č. 1.
| EN AW-6060 (EN AW-AlMgSi) | |||||||||||
| Prvek | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Cr | Zn | Ti | Ostatní | Al | |
| jednotlivě | celkem | ||||||||||
| min % | 0,30 | 0,10 | 0,35 | ||||||||
| max % | 0,60 | 0,30 | 0,10 | 0,10 | 0,60 | 0,05 | 0,15 | 0,10 | 0,05 | 0,15 | zbytek |
| EN AW-6063 (EN AW-AlMg0,7Si) | |||||||||||
| Prvek | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Cr | Zn | Ti | Ostatní | Al | |
| jednotlivě | celkem | ||||||||||
| min % | 0,20 | 0,45 | |||||||||
| max % | 0,60 | 0,35 | 0,10 | 0,10 | 0,90 | 0,10 | 0,10 | 0,10 | 0,05 | 0,15 | zbytek |
Složení pomocí optické emisní spektrometrie
Pomocí optického emisního spektrometru s jiskrovým buzením Q4 Tasman bylo stanoveno složení obou hliníkových slitin. Výsledné složení je uvedeno v tab. č. 2. Zároveň je v tabulce i zhodnoceno, zda daný prvek splňuje požadavky na slitiny AlMgSi definované normou ČSN EN 573-3, či nikoliv.
| slitina EN AW-6060 | |||||||||
| Prvek | Al | Si | Mg | Fe | Cu | Cr | Mn | Zn | Ti |
| Obsah [hm. %] | 98,58 | 0,561 | 0,550 | 0,168 | 0,0072 | 0,0029 | 0,062 | 0,011 | 0,030 |
| Shoda s normou | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| slitina EN AW-6063 | |||||||||
| Prvek | Al | Si | Mg | Fe | Cu | Cr | Mn | Zn | Ti |
| Obsah | 98,82 | 0,437 | 0,465 | 0,182 | 0,0076 | 0,0044 | 0,033 | 0,0081 | 0,017 |
| Shoda s normou | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
Složení pomocí RTG fluorescenční spektrometrie
V případě měření pomocí RTG spektroskopu XEPOS se jednalo o orientační měření, protože v současné době je toto zařízení používáno pouze pro kvalitativní stanovení obsahu prvků ve vzorku. Chemické složení hliníkové slitiny EN AW-6063 bylo měřeno jak na kusu vyříznutého kovu z profilu, tak na pilinách vzniklých obroušením hrany hliníkového profilu. Výsledky orientačních analýz chemického složení hliníkové slitiny a jejich porovnání se zkušební normou ČSN EN 573-3 je uvedeno v tab. č. 3.
| vzorek – vyříznutý kus z profilu | |||||
| Prvek | Al | Si | Mg | Fe | S |
| Obsah [hm. %] | 96,22 | 1,47 | 0,29 | 0,91 | < 0,00020 |
| Shoda s normou | ✓ | ✗ | ✗ | ✗ | ✓ |
| vzorek – piliny z obroušené hrany profilu | |||||
| Prvek | Al | Si | Mg | Fe | S |
| Obsah [hm. %] | 96,70 | 0,75 | 0,33 | 0,60 | 0,42 |
| Shoda s normou | ✓ | ✗ | ✗ | ✗ | ✗ |
Z porovnání shody výsledků (tab. č. 3) s normou je také dobře patrné, že stávající metoda RTG fluorescenční spektroskopie je v této podobě nedostačující a pro přesné posouzení složení hliníkových slitin bylo pořízení optického emisního spektrometru nutností.
Chování hliníkové slitiny za zvýšených teplot pomocí STA
Obr. č. 10 Výsledky STA analýzy slitiny EN AW-6063
Zkoumaná hliníková slitina EN AW-6063 byla pro ověření teploty tání a pro popsání chování během zahřívání podrobena simultánní termické analýze. Byl zvolen teplotní režim pece v rozmezí teplot od 25 °C do 800 °C s rychlostí ohřevu 5 °C/min. Pro měření byly z hliníkového profilu obroušeny piliny, které byly následně umístěny v keramickém kelímku. Navážka vzorku byla 9,44 mg. Výsledky STA analýzy jsou uvedeny na obr. č. 10. Na DSC křivce byl detekován jeden velmi výrazný endotermní tepelný děj, který odpovídá průběhu tání slitiny. Tento děj probíhá v rozmezí teplot 621,6–667,2 °C s teplotou minima při 656,2 °C.
Závěr
V článku byla popsána mechanická zkouška realizovaná na hale Technického ústavu požární ochrany v červnu 2017. Tato zkouška poslouží jako vstup do softwaru matematického (numerického) modelování, přípravou těchto modelů se zabývá a nadále bude zabývat České vysoké učení technické v Praze.
Dále byly v článku popsány materiálové analýzy zaměřené jak na určení složení, tak i na popis chování hliníkových slitin při zahřívání. Z porovnání metod (OES a RTG) na stanovení chemického složení vyplynulo, že stávající metoda kvalitativní RTG fluorescenční spektroskopie, kterou TÚPO disponuje, je pro účely projektu nedostačující a pro přesné posouzení složení hliníkových slitin bylo pořízení optického emisního spektrometru nutností.
V dalším období je mimo jiné plánováno studium chování žebříků při jejich expozici vyšším teplotám, aby se simulovaly podmínky požáru a aby se výsledky projektu co nejvíce přiblížily požadavkům z praxe.
Literatura
- ČSN EN 1147 Přenosné žebříky pro hasiče, příloha A, Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, Praha, 2010
- SUCHÝ, O. a kol. Výzkumná zpráva s výsledky řešení v roce 2016 – Výzkumný projekt č. VI20162020021: Zvýšení bezpečnosti zásahových žebříků pro hasiče, Praha 2017
This paper will present a survey of the ladder safety from a firefighter point of view, the analysis of the standard and proposing possible modifications of the standard, analytical analysis of ladder composition by optical emission spectroscopy and X-ray fluorescence spectroscopy and current large-dimensional tests carried out in the Technical Institute of Fire Protection and the objectives we would like to achieve in the research project.