Analýza vývoje a možnosti použití kumulativních náloží pro destrukci staticky nestabilních objektů
Stavební objekty, u kterých došlo k jejich vážnému poškození vlivem výbuchu výbušniny, plynu, nebo technologické havárie, ohrožují svým nestabilním stavem široké okolí objektu. Jejich poškození je obvykle tak závažné, že se neuvažuje o jejich opravě, nebo rekonstrukci a jediným možným řešením je pouze rychlá demolice. V těchto rizikových situacích může být havarijní stav objektu s výhodou řešen použitím speciálních kumulativních náloží s účinkem, který zajistí rychlou sanaci nestabilního stavu objektu bez ohrožení okolního prostředí, zejména v zastavěných oblastech měst.
1. Úvod
Příslušníci hasičského záchranného sboru se mnohdy dostávají do situací, kdy jsou nuceni řešit stržení objektu, který byl vystaven závažné mimořádné události, která nevratným způsobem narušila jeho statickou odolnost. Pohybují se v bezprostřední blízkosti nestabilních stěn, nebo používají těžkou vyprošťovací techniku k jejich likvidaci. Příkladem je účelový výbuch obytného domu ve Frenštátě pod Radhoštěm, kdy účinkem tlakové vlny došlo k rozevření jeho stěn, objekt se stal staticky nestabilním a jeho likvidace pomocí nasazené techniky byla velmi riziková, především z důvodu vážného nebezpečí pro zasahující osoby. Použitím systému záchranných kumulativních náloží by bylo možné takto narušený objekt strhnout, aniž by došlo k ohrožení zasahujících osob, nasazené techniky, nebo okolní zástavby.
Narušením objektů uvedenými haváriemi, může dojít ke snížení odolnosti použitých stavebních materiálů a konstrukčních prvků až o 30–60 %. Tyto hodnoty lze získat pouze odborným odhadem a zkušenostmi statika z jeho praxe. Použití trhavinové nálože na vytipované nejvhodnější místo poškozeného objektu je taktéž vázáno na znalost účinků vyvinutých náloží v závislosti na odolnosti narušených stavebních prvků.
Vývoj systému záchranných kumulativních náloží je úkolem projektu pod názvem „Vývoj záchranných destrukčních náloží pro likvidaci staticky narušených budov“ v rámci bezpečnostního výzkumu MV ČR. Uvedené nálože budou fungovat na principu usměrnění pracovního média v jejich přední části, kdy toto médium je pomocí trhaviny kumulováno do vysokotlakého proudu úzkého průřezu. V zadní části této nálože je umístěn limitovaný objem vody v tzv. „ucpávkovém prostoru“, který zajišťuje jednak vyšší dopřední účinek pracovního paprsku a jednak vytváří vodní mlhu v zadní části nálože, která zamezí zahoření lehce zápalných předmětů a podstatně utlumí tlakovou vlnu v této zóně. Tím se vyloučí poškození okolních předmětů a stavebních objektů v ohrožené oblasti [2].
V rámci realizace tohoto projektu by se specializovaným útvarům HZS ČR dala možnost provádět likvidaci těchto nebezpečných staveb rasantní a rychlou metodou při použití záchranných destrukčních náloží, které by působením usměrněného vodního proudu provedly bezpečnou sanaci těchto nestabilních objektů ve velmi krátkém čase bez zbytečného ohrožení osob, techniky a okolní zástavby.
2. Analýza rizik staticky narušených budov
Obr. 1.: Analýza důvodů vývoje destrukčních náloží pomocí Ishikawa diagramu
Analýza pomocí diagramu příčin a následků, viz obr. 1, vyhodnocuje důvodnost vývoje záchranných destrukčních náloží – dále jen ZDN, za účelem sanace staticky narušených budov, které byly těžce poškozeny výbuchem výbušniny, plynu, technologickou havárií, či jinou mimořádnou událostí [3].
Statické narušení budovy
První skupina rizik odhaduje ty rizika, které odůvodňují vývoj ZDN, a jejích použití k likvidaci, nebo ke stržení staticky poškozených budov, ve kterých došlo k mimořádné události výbuchem výbušniny ve formě nástražného výbušného systému, plynných či jiných směsí, nebo v nich došlo k haváriím technického zařízení. Jedná se o budovy, které mají výrazným způsobem narušenou statiku a je krajně nebezpečné pro jejich následnou likvidaci nasazení jak osob, tak i techniky.
Likvidace budovy
Druhá skupina rizik odhaduje rizika, která vznikají při postupné sanaci staticky narušené budovy, ať už při použití těžké techniky, nebo výbušniny při jejím odstřelu. Budova může být natolik narušena, že hrozí samo-zborcení a pohyb v její blízkosti je extrémně rizikový. V takových případech může být použití vyvinutých ZDN jediným možným řešením, jak provést bezpečnou likvidaci takto narušených objektů, nebo jejich částí. Použitím tohoto zásahového pyrotechnického prostředku se vyloučí, nebo významně omezí možnost ohrožení zdraví a životů zasahujících osob, záchranné techniky a okolního majetku při tomto likvidačním procesu.
Riziko pro osoby a majetek
Třetí skupina definuje rizika ohrožení osob a majetku, kteří se podílejí na sanační likvidaci budov z hlediska vzniku sekundárních zranění a smrti zřícením, poškození techniky zavalením a vzniku škod na majetku a budovách, které se nacházejí v bezprostřední blízkosti nestabilního objektu. Použitím ZDN by se měla uvedená rizika podstatně snížit.
Časová rizika
Čtvrtá skupina rizik představuje rizika, která doprovázejí staticky narušenou budovu po celou dobu její existence do doby její sanace, ať už se jedná o pohyb lidí v její blízkosti, nasazení techniky obsluhovanou lidmi např. při provádění vrtacích prací k umístění destrukčních náloží do skeletu budovy.
Použitá analýza jasně ukazuje, že u budov, které mají výrazným způsobem narušenou statiku a je krajně nebezpečné pro jejich následnou likvidaci nasazení jak osob, tak i těžké vyprošťovací techniky. V některých případech je i její použití zcela vyloučené vzhledem k omezenému prostoru, nebo k nemožnému přístupu a pak bude i velmi účelné použití vyvíjených ZDN.
3. Vývoj záchranných destrukčních náloží
Při výbuchu brizantní trhaviny se vzniklé plyny v podstatě šíří všemi směry, které jsou přesně určeny tvarem nálože. Čím je detonační rychlost nálože větší, tím zřetelněji se tyto účinky „směrovosti“ projeví. Tyto plyny vzniklé výbuchem mají tendenci se šířit rychleji z míst, kde je koncentrace výbušniny větší, než z míst, kde je koncentrace menší. Vytvořením vhodné dutiny v náloži brizantní trhaviny se dosáhne usměrnění toku plynů tak, že se spojí do kompaktního proudu a tím lze získat proud plynů o velmi vysoké rychlosti, který odpovídá značné kumulaci energie, viz obr. č. 2 [4], [6], [7].
![Obr. č. 2: Vytvoření kumulativního toku plynů, který má průbojný charakter [6]](/docu/clanky/0181/018123o3.jpg)
Obr. č. 2: Vytvoření kumulativního toku plynů, který má průbojný charakter [6]
Proud plynů sám o sobě nemá ještě dostatečnou hustotu, aby mohl způsobit větší destrukci materiálu. Zvýšením jeho hustoty, a tím i podstatného zvýšení účinnosti se dosáhne např. vložením kovové vložky do vytvořené dutiny v přední části nálože, nebo je možné tuto dutinu vyplnit vhodným médiem, např. vodou. Jednou z vlastnosti vody je její nestlačitelnost a tím voda svou konzistencí zvýší i účinnost takovéto usměrněné trhavinové nálože. Takto upravené nálože se pak přiloží na stěnu staticky narušeného stavebního objektu, kde svým výbuchovým účinkem a vodním usměrněným paprskem způsobí její destrukci.
Detonační tlak je nejvyšší tlak zplodin výbuchu v detonační vlně v případě, že se řídí zákony ideálního plynu dle stavové rovnice [1]:
kde je
- p
- tlak [MPa],
- V
- objem [m3],
- n
- počet molů v 1 kg trhaviny,
- R
- plynová konstanta,
- T
- teplota [K],
- M
- hmotnost výbušniny [kg].
Urychlování hmoty výbuchem
Nejznámějším příkladem urychlování hmoty ve sledovaném kontextu pomocí výbušniny je výstřel, nebo těžba nerostů a hornin. Nejpříhodnější příměr k urychlení vody pomocí trhaviny lze uplatnit pomocí tzv. Gurneyho modelu, na jehož základě byla odvozena rychlost výbuchem urychlených fragmentů [1].
Základem tohoto modelu jsou dva předpoklady [1], [7]:
- detonací dané výbušniny se uvolní určité množství energie na jednotku hmoty výbušniny a tato energie se rozdělí na urychlení inertního materiálu ve formě kinetické energie a energii předanou plynným produktům detonace,
- vzniklé plynné produkty mají prostorově jednotnou hustotu a lineární 1D profil rychlosti v prostorových rozměrech systému.
Primárně je energie, která je z celkové energie využitelná pro urychlení hmoty vyjádřena hodnotou v rozměrech rychlosti [km∙s−1], charakteristickou pro každou výbušninu, respektive pro její hustotu a je značena výrazem (2∙E)1/2 tzv. – Gurneyho rychlost. Exaktní stanovení této hodnoty se provádí experimentálně „cylinder“ testem [1].
Pro trhavinu Semtex-10 SE, při udané tabulkové hustotě 1,44 [g∙cm−3], je údaj Gurneyho rychlosti 
touto tabulkou stanoven v hodnotě 2,3–2,5 [km∙s−1] [1].
Podle konkrétně použité trhaviny lze tuto hodnotu vypočítat ze stanovené detonační rychlosti D uvedené trhaviny, pomocí rovnice (2) [1], [6]:
(2)
kde je
- Gurneyho rychlost [km∙s−1],
- D
- detonační rychlost [km∙s−1],
- 2,97
- bezrozměrný koeficient.
![Obr. č. 3: Schéma konstrukčního provedení tzv. asymetrického sendviče, pro výpočet urychlených částic vody výbuchem trhaviny [1]](/docu/clanky/0181/018123o7.jpg)
Obr. č. 3: Schéma konstrukčního provedení tzv. asymetrického sendviče, pro výpočet urychlených částic vody výbuchem trhaviny [1]
Po dosazení hodnoty detonační rychlosti předpokládaně použité trhaviny Semtex 10-SE, D = 7,0 km∙s−1, do této rovnice (2) je hodnota Gurneyho rychlosti
= 2,43 [km∙s−1].
Vzhledem k tomu, že sestava vodní usměrněné nálože bude přiložena na stěnu objektu, pak matematický model pro výpočet účinnosti této sestavy byl vzat z konstrukčního přirovnání k tzv. asymetrickému sendviči [1]. Matematická rovnice pro výpočet urychlení vody pomocí výbuchu trhaviny je dána v uspořádání tohoto sendviče v posloupnosti – Voda v přední části trhaviny/ Trhavina/ Ucpávka-voda v zadní části trhaviny – V/T/U. Schéma přirovnaného sendvičového uspořádání je zobrazeno na obr. č. 3.
Matematický výpočet urychlení vody před trhavinou při jejím výbuchu vychází z uvedených rovnic (3) a (4) [1], [4], [5]:
(3)
(4)
kde je
- v
- rychlost urychlených částic vody [km∙s−1],
- Gurneyho rychlost [km∙s−1],
- U
- hmotnost ucpávky – vody za trhavinou [kg],
- T
- hmotnost trhaviny [kg],
- V
- hmotnost vody před trhavinou [kg].
Při všech druzích výbuchu se šíří tlaková vlna v závislosti na druhu výbušniny, na prostředí a na reakci se stavební konstrukcí v místě výbuchu.
Od epicentra výbuchu se šíří tlaková vlna v kulových vlnoplochách a při dopadu na překážku se odrazí a modifikuje.
Účinnost této tlakové vlny je dána:
- velikostí nálože
- vzdáleností a dobou působení
Účinnost uvedené tlakové vlny v zadní část vyvíjených náloží je potřebné utlumit natolik, aby se její vliv na okolní objekty minimalizoval.
Záchranné destrukční nálože by měly tedy pracovat na principu usměrnění pracovního média v přední části, kdy toto médium je pomocí trhaviny kumulováno do vysokotlakého proudu určitého průřezu. V zadní části této nálože je umístěn daný objem vody v tzv. „ucpávkovém prostoru“, který zajišťuje jednak větší dopřední účinek pracovního paprsku a jednak vytváří vodní mlhu v zadní části nálože, která zamezí zahoření lehce zápalných předmětů v této zóně a zároveň podstatně utlumí tlakovou vlnu v zadní části příložné nálože. Tím se vyloučí poškození okolních předmětů a stavebních objektů v ohrožené oblasti [2], [5].
Při konstrukci speciálních usměrněných nebo kumulativních náloží se používají především trhaviny s větší detonační rychlostí, která se pohybuje nad hranici 6000 m∙s−1 např.:
- Hexogen RDX (8520 m∙s−1)
- A-IX-1 (8700 m∙s−1)
- H/TNT – 50/50 (7270 m∙s−1)
- H/TNT – 60/40 (7800 m∙s−1)
- Oktogen HMX (9100 m∙s−1)
- Semtex 1A, 1H, 10 (7200, 7400, 7300 m∙s−1)
- Semtex 10-SE (7000 m∙s−1)
Obr. č. 4: Test rovnoměrnosti výbuchu trhaviny Semtex 10-SE, 300 g, t = 5,236 ms
Vzhledem ke snadné manipulaci s plastickou formou trhaviny je experimentálně výhodné využít právě plastickou trhavinu Semtex 10-SE, která se výrobcem dodává v listové podobě o tloušťce 2 mm, šířce 300 mm a délce deseti metrů. Její provedení je přilnavě lepivé a umístitelné na jakýkoliv tvar kumulativní dutiny. Její detonační schopnosti jsou stabilní a rovnoměrné v celém průměru, viz foto experimentálního testu na obr. č. 4.
4. Experimentální výsledky testů
V rámci prvotních experimentů byla prováděna měření šíření velikosti rázové vlny v okolí zkušebního vzorku vybrané trhaviny. Měření byla prováděna s plastickou trhavinou Semtex 10-SE, vymodelovanou do tvaru koule, při hmotnostech vzorků 100, 200 a 300 gramů. Na obr. č. 5 je znázorněna geometrie rozmístění snímačů tlaku v okolí epicentra výbuchu, ve vzdálenostech uvedených v tabulce č. 1.
Obr. č. 5: Geometrie rozmístění tlakových snímačů pro měření rázové vlny
| Číslo snímače | 4 | 3 | 2 | 1 |
| Vzdálenost [m] | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Tlak – 100g nálož [kPa] | 58 | 16 | 23 | 23 |
| Tlak – 200g nálož [kPa] | 38 | 42 | 40 | 44 |
| Tlak – 300g nálož [kPa] | 92 | 54 | 54 | 48 |
Na grafech, viz obr. č. 6, jsou zobrazeny průběhy a velikosti rázové vlny v definovaných vzdálenostech od měřeného vzorku trhaviny – epicentra výbuchu. Výsledky odpovídají trhavině Semtex 10-SE o hmotnosti 300 g.
Obr. č. 6: Průběhy rázových vln trhaviny Semtex 10-SE, 300 g
Obr. č. 7: Konstrukce ZDN v plastovém kanystru
Pro potvrzení uvedené teorie asymetrického sendviče, byl konstrukčně řešen prototyp ZDN pro praktickou realizaci zkoušek, zdali bude vytvořen potřebný kumulativní tlakový proud vody pro působení na zvolené stavební prvky objektových stěn. Testy měly potvrdit i účinnost vodní masy v ucpávkovém prostoru, pro eliminaci rázové vlny v zadní části nálože. Jako obal nálože byl zvolen běžný plastový kanystr, kterému byla odřezána vrchní část tak, aby se dovnitř dala umístit kumulativní plastová vložka s trhavinou, viz obr. č. 7, kde:
- č. 1 je prostor kumulativní dutiny pro umístění pracovní vodní masy,
- č. 2 je trhavina typu Semtex 10-SE, nalepená na kumulativní dutinu s rozbuškou,
- č. 3 je zadní prostor nálože pro umístění vodní masy, který funguje jako ucpávka.
Na obr. č. 8 a 9 jsou pak vidět dvě velikosti takto provizorně vyrobených ZDN za využití kanystrů o objemech – 5 a 10 litrů vody celkově v přední i zadní části trhaviny (vlevo) a již připravená ZDN s trhavinou a iniciátorem, před napuštěním vodou (vpravo) pro provedení experimentálních zkoušek účinnosti.
Obr. č. 8: Provizorně vyrobené ZDN dvou velikostí
Obr. č. 9: ZDN s trhavinou
Obrázky č. 10 a 11 dokumentují vytvoření tlakového vodního paprsku v přední části nálože. Využitím aproximační metody pozičního odečtu rychlosti kapiček vody z pořízených videosnímků při realizovaných testech, byla stanovena skutečná rychlost vodního proudu na hodnotě cca 620 m∙s−1.
Obr. č. 10 a 11: Test improvizované vodní nálože 5 l, t = 0,6 ms a 10 l, t = 1,5 ms
5. Závěr
Na základě těchto uvedených faktů lze tedy říci, že vývoj speciálních záchranných destrukčních náloží realizací tohoto projektu a jejich praktické zavedení podstatně doplní sortiment prostředků pro bezpečnou likvidaci staticky narušených budov, které v současnosti chybí na našem trhu pro vybavení jednotek HZS, které sanaci či destrukci těchto budov aktivně řeší.
Výhody použitého řešení:
- jednoduchá konstrukce – jeden celistvý prvek, který bude složen ze dvou samostatných částí, se opatří trhavinou s iniciátorem a doplní vodou,
- na stěnu objektu se umístí velmi rychle jako příložná nálož, bez vrtání otvorů pro vložný typ náloží do jeho skeletu,
- časový úsek dopravy, složení a aktivace na místě použití bude velmi krátký,
- výroba segmentových kanystrů není komplikovaná,
- neobsahuje kovové prvky, tím je eliminována fragmentace kovových střepin,
- rozlet zbytků plastů při použití improvizovaných ZDN se projevil do vzdálenosti max. 5–8 metrů,
- zadní ucpávkový kanystr má takový objem vody, který vytvoří dostatečnou vodní mlhovinu pro utlumení ohnivého a tepelného účinku při výbuchu pracovní trhaviny, tím se zamezí vzniku sekundárních požárů a zároveň utlumí i vliv rázové vlny šířící se do zadní části ZDN, což neohrozí okolní objekty v případné zástavbě.
Poděkování
Příspěvek byl vypracován v rámci projektu řešeném v Programu bezpečnostního výzkumu MVČR – BV III/1-VS, pod názvem „Vývoj záchranných destrukčních náloží pro likvidaci staticky narušených budov“, vedený pod číslem VI 20152019047.
Literatura
- Vávra, P., Vágenknecht, J.: Teorie působení výbuchu, Univerzita Pardubice, Fakulta chemicko-technologická, 2004, ISBN 80-7194-494-7.
- Dojčár, O., Horký, J., Kořínek, R.: Trhacia technika, Montanex, a. s., Ostrava 1996, ISBN 80-85780-69-0.
- Ishikawa, K.: Introduction to Quality Control, 3A Corporation, Tokio 1990, ISBN 4-906224-61-X.
- Cooper, P. W., Kurovski, S. R.: Introduction to the Technology of Explosives, VCHPubl., USA 1996.
- Zukas, A. J., Walters, W. P.: Explosive Effects and Applications, Springer-Verlag, N.Y. 1998.
- Lichorobiec, S., Barcova, K.: Verification of the Efficacy of the Special Water Shaped Charge Prototype, Defence Science Journal, Vol. 65, No. 5, September 2015, pp. 363–366, DOI : 10.14429/dsj.65.8850.
- Lichorobiec, S.: Alternative development of projectiles to deactivate the explosive means explosive systems – pipe bombs. Communications, Žilinská univerzita, 2011, s. 20–25, ISSN 1335-4205.
Building objects that have been severely damaged by an explosion of explosives, gas or technological breakdowns threaten surrounding area by their unstable state. Their damage is usually so severe that no repair or reconstruction is considered, and the only possible solution is quick demolition. In these risky situations, the emergency state of the building can be advantageously solved by using special charges with an effect which will ensure a rapid reconstruction of the unstable state of the building without endangering the environment, especially in built-up areas of cities.