Odolnost stavebních konstrukcí obytných budov proti výbuchu
Při posuzování požární bezpečnosti staveb je třeba se zaměřit nejen na požáry, ale také na výbuchy. Účinky výbuchu patří do kategorie mimořádného zatížení stavebních konstrukcí. V průběhu užívání stavby nebo při její výstavbě se mohou vyskytovat jen ve výjimečném případě. ČSN EN 1991‑1‑7 (73 0035) požaduje takové zatížení uvažovat a tedy řešit stavební konstrukce tak, aby tomuto havarijnímu zatížení odolávaly.
1. Výbuch a jeho příčiny
Účinky výbuchu patří do kategorie mimořádného zatížení stavebních konstrukcí. V průběhu užívání stavby nebo při její výstavbě se mohou vyskytovat jen ve výjimečném případě. ČSN 73 0035 požaduje takové zatížení uvažovat a tedy řešit stavební konstrukce tak, aby tomuto havarijnímu zatížení odolávaly.
Obr. 1. Typy zřícení: a) opěrné zřícení. b) zřícení tvaru V, c) vrstevné zřícení
Výbuchem rozumíme náhlou fyzikální nebo chemickou změnu hmoty spojenou s uvolněním energie. Jedná se o exotermní reakce, které po dostatečném počátečním podnětu probíhají samovolně, jsou provázeny tlakovou vlnou, zvukovým a světelným efektem a mají nejrůznější charakter. Patří sem exploze chemických výbušnin, tepelný výbuch, vznícení plynů atd., z čehož vyplývá, že rychlost uvolnění energie pro jednotlivé případy se bude lišit, a to od poměrně pomalého průběhu až k vysokým rychlostem několika tisíc metrů za sekundu.
Podle lineární rychlosti výbušné přeměny a tlakových změn rozeznáváme:
- explozivní hoření, kdy plynné zplodiny stačí unikat z reakčního pásma a proces v podstatě probíhá za stálého tlaku, lineární rychlost dosahuje řádově 10−1 až 101 cm.s−1,
- výbuch, který je přechodem mezi explozivním hořením a detonací (zplodiny reakce nestačí unikat z reakční zóny, dochází ke zvýšení tlaku a k narůstání lineární rychlosti), rychlost dosahuje řádově 105 cm.s−1, tlak od 0,1 do 1 MPa;
- detonace s největší rychlostí dosahuje hodnot km.s−1 a tlaky převyšují 1 MPa.
Postupné zhroucení konstrukce je vyvoláno řadou po sobě následujících poruch nosných prvků konstrukce. Porušení mohou být:
- primární – je bezprostředně způsobeno účinky mimořádného zatížení jako destrukce probíhající v prvních sekundách (např. rozlomení nebo vysunutí stěnových a stropních nosných prvků obklopujících místo výbuchu);
- sekundární – následuje po primárním poškození (např. porušení konstrukce nižšího podlaží způsobená pádem primárně narušených konstrukcí).
Hranice mezi oběma porušeními je po havárii někdy těžko zjistitelná. Mimořádná zatížení havarijního rázu jsou faktorem, který může zhroucení konstrukce vyvolat. Mají charakter nenadálých katastrof, nelze u nich předpokládat dobu ani místo výskytu a ve statických výpočtech se s nimi obvykle nepočítá.
U tradičních obytných budov se zděným stěnovým systémem a kloubově uloženými stropy (např. s dřevěnými trámovými stropy) mohou v podstatě nastat tři způsoby zřícení (obr. 1a, b, c):
- opěrné zřícení (obr. 1a) – je způsobeno stěnami vychýlenými mimo stropní konstrukci nebo vodorovnými nosnými prvky, které se roztáhnou mimo své podpory;
- zřícení tvaru V (uprostřed) bývá obvykle zapříčiněno přetěžováním stropních konstrukcí při likvidaci požárů nebo stěhování (obr. 1b);
- vrstevné zřícení (obr. 1c) – vzniká nejčastěji sekundárními účinky výbuchu, když padající vrchní stropní konstrukce zasáhne stropy v nižších podlažích tak, že se zřítí.
U panelových objektů se navíc projevuje vliv svázání stropních panelů se svislými prvky, které bud' přispívá ke stabilitě stěn zasažené budovy výbuchem, nebo naopak riziko zřícení těchto stěn zvyšuje.
2. Metody návrhu konstrukce
Nejčastější příčinou primárního poškození konstrukce je výbuch s následnou tlakovou vlnou. Metody návrhu se snaží vystihnout skutečné působení výbuchu se zřetelem na reálnost a náročnost statického výpočtu rozdílným způsobem:
- přesný výpočet má být založen na řešení dynamické úlohy konstrukce namáhané rázem,
- přibližná metoda vychází z návrhu bez dynamického účinku,
- náhradní metoda zahrnuje zásady konstrukčního charakteru, jimiž se snižuje riziko zhroucení konstrukce.
Řešení s dynamickými účinky je velmi náročné,někdy až nereálné, a proto se nahrazuje přibližnými statickými metodami. Přibližné metody, při nichž dynamické namáhání je nahrazeno ekvivalentním statickým účinkem, vycházejí z následujících předpokladů:
- mimořádné zatížení havarijního charakteru může na konstrukci působit v libovolném místě;
- hlavní nosné prvky, jejichž destrukce by měla za následek zřícení budovy, nesmějí být porušeny.Nejnebezpečnější je ztráta únosnosti stěn, vedoucí k řetězové reakci;
- zbytek objektu po primárním a sekundárním porušení musí zůstat po určitou dobu souvislý.
Za těchto předpokladů je pro posuzovaní primárního a sekundárního poškození rozhodující:
- určit místa možného výbuchu – jedná se o vymezení prostor, kde se může shromažďovat plyn s ohledem na instalaci rozvodu, rozmístění spotřebičů apod.
- stanovit přípustný rozsah primárních a sekundárních porušení ve vztahu k dispozici, poloze nosných stěn atd. Obvykle se při posuzování panelových objektů uvažují tato prostorová omezení:
- při malé vzdálenosti příčných stěn (např. u malorozponových soustav) objem jedné až dvou místností;
- při větší vzdálenosti příčných stěn objem jedné bytové jednotky, pokud místnosti bytu jsou děleny lehkými příčkami;
- u systému s podélnými nebo obousměrnými nosnými stěnami, eventuálně u některé soustavy z prostorových buněk,objem jedné nebo více místností v závislosti na uspořádání dílců a jejich styku;
-
při obtížnějším odhadu je možno použít některé zahraniční předpisy. Např. předpis CIB [1] předpokládá pokles únosnosti porušených panelů a jejich posun o 0,1 až 0,2 m, vlivem exploze však nedochází k jejich rozpadu na drť. Stěnové panely se obvykle zlomí v jedné třetině v důsledku ztráty schopnosti přenášet svislé zatížení. Tím, že vodorovné panely ztratí podporu, poklesnou nebo se zlomí. Sekundárně se většinou porušují panely spodního podlaží. I při řádně zajištěném prostorovém ztužení se budovy s více než třemi podlažími značně poruší, jak to dokládá obr. 2. Rovněž rozměr Lp závisí na únosnosti stěny – při velké únosnosti Lp = 0,5–1,0 v, při menší únosnosti Lp se rovná vzdálenosti vertikálních podpor. Podporou sledované stěny může být kolmá stěna nebo průběžný sloupový prvek jako na obr. 3.
Obr. 2. Mechanismus porušení panelového objektu na základě předpisu CIB
- při změněném statickém schématu provést v bezprostřední blízkosti primárního porušení výpočet konstrukce i na síly vyvozené z ekvivalentního statického zatížení vlivem havarijní situace (mimořádná kombinace zatížení při výhodně zvýšených výpočtových namáháních materiálu.
V praxi se většinou realizuje náhradní metoda jako soubor zdůvodněných konstrukčních úprav na základě zkušeností.
3. Důsledky výbuchu na zachovalou část objektu
Obr. 3. Typy porušení panelového objektu:
a) ztráta nosné konstrukce jen jednoho stěnového panelu (bez porušení stropních dílců),
b) nosnou funkci ztrácí nejen stěnový panel, ale i stropní dílce (větší porušení), – v případě a) i b) náhradní nosník na výšku jednoho podlaží má horní a dolní pásy vyztuženy pruty uloženými ve stropních věncích, jejichž spolupůsobení zajišťují svislé pruty ve svislých stycích mezi stěnovými panely,
c) vzájemně spojené panely vytvářejí řetězovku,
d) pro oblast porušení v blízkosti štítové nosné stěny je třeba vyztužené konzoly náležitě kotvit jak v rovině štítové stěny, tak i v rovinách na ni kolmých.
Po primárním a sekundárním porušení je třeba vytvořit v konstrukci řadu nových statických schémat pro různé alternativy místa a rozsahu prvotního a druhotného poškození – tzv. „metody alternativních cest“. Možné způsoby poškození u panelových staveb [4] dokumentuje obr. 3a, b, c, d. Také zatížení některých prvků (zejména stropních) se může změnit vlivem přitěžujících trosek, jak to dokládá obr. 4a, b, c, d.
Obr. 4. Zatížení způsobená troskami poškozených dílců:
a) ztráta jedné podpory,
b) ztráta obou podpor,
c) velký průhyb ve vnitřním poli,
d) prolomení ve vnitřním poli.
Statické působení konstrukce po výbuchu závisí tak nejen na intenzitě a rozsahu lokálního porušení, ale také na výztužných prutech v prostoru styku dílců, jejich spojitostí a řádném zakotvení. Při posouzení zbývající části konstrukce se připouští uvažovat mezní stav a přetvoření (trhlinky tlusté až desítky mm, průhyby až stovky mm) a dále:
- výpočtová namáhání hmot výhodně zvýšena,
- ostatní zatížení zmenšena podle možnosti (vítr, sníh) nebo se neuvažují (účinek objemových změn apod.),
- vlivy plastického chování materiálů.
Konstrukce nesmí dosáhnout mezního stavu únosnosti (či stability), lze dovolit jen nižší statickou spolehlivost. Použití přibližné metody je omezeno tím, že chybí řešení zachovalé části konstrukce, není možno předvídat sílu a místo výbuchu a předpisy nevymezují jasně rozsah poškození.
Proto je v montovaných objektech nutno navrhnout trojrozměrné vyztužení pruty na síly od mimořádného zatížení havarijního rázu buď počítané nebo smluvně dohodnuté podle empirických zkušeností (tyto pruty mohou sloužit i pro přenášení ostatních silových i nesilových účinků). Vždyť i malé množství ztužující spojité výztuže [2] přispívá k odolnosti proti účinkům destrukce.
Vhodně provedené styky, spojitá a zakotvená výztuž:
- zvýší tažnost soustavy,
- zajistí případné membránové působení, kdy příčné síly jsou přenášeny tahem a ne ohybem
- zabezpečí funkci stropní desky nad poškozením tak, že stropní deska působí jako tažená pásnice a spojitá svislá výztuž ve stěnách jako táhlo zachycující svislé síly.
4. Stávající ustanovení snižující riziko zřícení
Jak již bylo řečeno na začátku tohoto oddílu, v České republice jsou účinky vyvolané výbuchem, nárazem a jiným mimořádným zatížením havarijního rázu zahrnuty jen v ČSN 73 0035 Zatížení stavebních konstrukcí, velikost účinků stanovena není. Na základě ČSN 731211-86 Navrhování nosné konstrukce panelových budov se připouštěla dvě řešení: Buď se dodrží konstrukční požadavky, jejichž účelem je zabezpečit kompatibilitu konstrukce panelového objektu (vložená výztuž ve stycích zajišťuje plastickou rezervu v působení konstrukce při výbuchu), nebo se určí předepsaným způsobem rozsah primárního porušení a provede se zvláštní, velmi náročný výpočet, který ovšem nezaručuje úplnou spolehlivost nosné konstrukce panelových objektů na účinky běžných výbuchů.
Literatura
- [1] CIB: Recommendations Internationales Unifieés pour le calcule exécution des constructions préfabriqueés par assemmblage des panneaux de beton des grandes dimensions, Paris, 1966
- [2] Griffith, H., Pubsley, A., Saunders, O.: Report of the Collaps of Flats at Rouan Point, Cauning Town, Ministry of Housing London, 1978
- [3] Kupilík, V.: Požární bezpečnost staveb, Učební texty ČVUT, Praha, 2009, 978 80-01-04291-5
- [4] Pume, D.: Zásady navrhování konstrukcí panelových budov na účinky mimořádných zatížení havarijního rázu, pozemní stavby, 1875, č. 3, str. 104–108
Explosion effects belong to the category of accidental actions. During the use of building or during its construction may occur only exceptionally. ČSN EN 1991‑1‑7 (73 0035) requires to consider this type of actions and the solution of structural design to withstand the accidental action.