Způsob kotvení výbuchových stěn magnetickými úchytkami

Úvod

Z hlediska obecné definice výbuchu se uvažuje o deflagraci či detonaci hořlavé látky. Deflagrace (zahoření) je výbuch s podzvukovou rychlostí šíření a pozvolnějším časovým nárůstem tlaku plynů než detonace, kde se výbuch šíří nadzvukovou rychlostí a je provázen rázovou vlnou [5].

Z pohledu technologie výroby se tento  problém může týkat staveb s vnitřním prašným prostředím, dále objektů skladování munice a výroby trhavin i třaskavin obecně, chemických provozů, potravinářské výroby při výrobě či zpracování alkoholu, plynových kotelen a dalších. Tato problematika se řeší i v budovách bytové a administrativní výstavby, kde jsou nezabezpečené rozvody a spotřebiče zemního plynu [1]. Ve všech  těchto  případech  je  nutno  v  rámci  bezpečnosti  stavby  a jejího okolí nutno vhodným způsobem řešit mechanickou odolnost dotčených vnitřních prostor objektu či stavby jako celku. S takovýmto vnitřním prostorem stavby, který je odolný  proti výbuchu, je v naprosté většině případů spojen i návrh výbuchové (výfukové či odlehčovací) stěny nebo otvoru. Obecně platí, že výbuchové  stěny mají výrazně nižší tlakovou odolnost, než je odolnost okolních částí místností (strop, podlaha, vnitřní stěny, tlakové  dveře), kde se s výbuchem uvažuje. Odlehčovací stěna tedy snižuje velikost komorového přetlaku při výbuchu a k jejímu uvolnění musí dojít co nejdříve (obr. 2). Kromě schopnosti uvolnění vnitřního přetlaku musí však tyto výbuchové stěny samozřejmě plnit i další funkce ve smyslu standardního normového namáhání dělicích konstrukcí, jako jsou vítr, tepelnětechnické a požární vlastnosti. Níže popsaný netradiční způsob kotvení výbuchových stěn je jednou z vhodných možností, jak tyto požadované vlastnosti splnit. Princip řešení je vhodný zejména pro deflagrační výbuch, dá se však aplikovat i pro detonaci.

Důvody vedoucí k návrhu

Způsoby, kterými je v dnešní době problematika návrhu výbuchových stěn či odlehčovacích otvorů ve stavbách řešena, se dají pro jednoduchost rozdělit do dvou základních skupin.

Do první skupiny je možno zařadit empirická řešení, která vesměs vycházejí ze zkušeností uživatele či projektanta stávajících staveb obdobného charakteru. Tyto způsoby jsou založeny na materiálovém řešení a velikosti či orientaci výbuchové stěny. Standardně dodnes používanou variantou jsou  prosklené  fasádní  stěny  či  jejich  části  u místností plynových kotelen, anebo dřevěné stěny (celodřevěné provedení nebo pouze dřevěná výplň ocelové kostry) muniční výroby a skladů. Jako poslední příklad této skupiny mohou sloužit i stěny     lehkého zděného materiálu (zdivo Siporex apod.) Tato „klasická“ řešení však mají z pohledu současných nároků na stavební konstrukce několik nevýhod. Jednou z nich je výpočet vnitřního přetlaku, při kterém dojde k uvolnění odlehčovací stěny. Pro použité materiály (sklo, dřevo, klasické  spojovací prostředky typu hřeb, šroub či vrut) je velmi nesnadné určit skutečné síly, při kterých dojde k jejich porušení. Standardní normové výpočetní metody jsou založeny na minimálních únosnostech stavebních materiálů či spojovacích prostředků, maximální únosnost těchto konstrukčních komponentů je však většinou výrazně odlišná (vyšší). Z pohledu projektanta je efektivní a přitom korektní stanovení vnitřního uvolňovacího přetlaku téměř nemožné. Navíc použití hořlavých materiálů pro výbuchové stěny je v mnoha případech v rozporu s  požadavky na  požární řešení stavby. V případě výbuchu dochází u stěn této první skupiny k jejich neřízenému uvolnění a je nutno počítat s následky pohybu trosek i možného souvisejícího rozvoje požáru v okolí.

Do druhé skupiny lze řadit certifikované a typově vyráběné odlehčovací prvky výbuchů prachu či plynu. Obecně se jedná o prvky na principu průtržných plechových membrán, pružinových systémů, systémů s deformačními komponenty (tyče), gravitačních poklopů či dveří apod. [2]. Velká část těchto prvků je však svými parametry určena pro osazení do technologických potrubí či nádob, nikoliv do objektů pozemních staveb. Tato typově dodávaná zařízení mají však v rámci začlenění do návrhu stavebních  konstrukcí  několik  omezení  a  nevýhod.  Některá z nich mají nastavený vysoký otevírací tlak a jejich zakomponování do stavby by vedlo k neúměrnému nárůstu požadované odolnosti souvisejících nosných stropů a stěn v místnosti výbuchu. U jiných může být komplikací relativně malá otevírací plocha a  bylo  by tedy nutno jich navrhnout do jedné místnosti několik. Negativním faktorem  u  většiny  těchto  zařízení  je  absence  tepelné  izolace a nemožnost jejího dodatečného doplnění. Pro některé stavby může být též důležitým faktorem architektonický požadavek na celkový vnější vzhled objektu. V neposlední řadě může být pro mnoho zákazníků podstatná i cena těchto typových výrobků. Jako výhodu většiny výše uvedených výrobků lze na druhou stranu uvést řízený pohyb jejich pohyblivých komponentů (tedy minimální ohrožení okolí letícími částmi zařízení) či možnost jejich opakovaného použití po výbuchu.

Princip kotevních prostředků stěny a vlastnosti neodymových magnetů

Návrhu kotvení výbuchových stěn magnetickým uchycením předcházela snaha nalézt běžně dostupný spojovací prostředek, který by měl prokazatelně deklarovanou a certifikovanou sílu porušení. Z hlediska způsobu porušení prvku se jevilo nejúčelnější najít výrobek typu ocelového čepu či vrubem oslabeného šroubu namáhaného střihem (smykem), případně tahem. Výsledkem této neúspěšné snahy bylo rozhodnutí problém řešit jinou cestou, konkrétně použitím magnetů. Již delší dobu jsou na našem trhu běžně dostupné neodymové magnetické úchytky různých tvarů, velikostí i použití doporučeného výrobcem. Z důležitých vlastností a upozornění těchto silných a trvalých magnetů, které udává výrobce, uvádíme následující.Magnety jsou dodávány zapouzdřené, chráněné proti korozi a jsou určeny do vnitřního prostředí s nezvýšenou vlhkostí. Maximální pracovní teplota je 80–200 °C (nad 80 °C magnetická síla trvale slábne), magnetická síla je stálou veličinou a její časové ochabnutí se pohybuje v řádu 1–2 % za deset let, magnetická síla pro daný typ magnetu se může lišit maximálně o ± 10 %, síla odtržení magnetu se měří směrem kolmo na magnet a je závislá na tloušťce materiálu, ke kterému je magnet uchycen (standardně je vhodná ocel tloušťky 10 mm), velikost magnetické síly exponenciálně klesá se vzdáleností magnetu od podkladního materiálu.

Princip návrhu výbuchové stěny uchycené magnety

Výbuchová fasádní stěna místnosti s rizikem výbuchu byla koncipována jako pohledový a zateplený kompaktní deskový konstrukční prvek. Její nosnou konstrukci tvoří ortogonální systém ocelových profilů s obvodovým ocelovým rámem (obr. 4). Nosný rám je podle požadavků a potřeby konkrétního projektu doplněn krycím venkovním panelem, vnitřním krytím (např. SDK desky) a vloženou tepelnou izolací. Všechny použité materiály stěny jsou z hlediska požáru nespalné či nesnadno hořlavé. Z hlediska mechanické odolnosti stěny jsou ocelové profily dimenzovány na normové namáhání větrem  (tlak i sání). Důležitým faktorem statického návrhu ocelového roštu  je minimalizace plošné hmotnosti stěny z důvodů snížení setrvačné hmoty stěny (běžně vyhovující hmotnost stěny g < 100 kg/m²).Magnetické kotvení stěny k nosné části místnosti  s rizikem  výbuchu  lze navrhnout podle konkrétních požadavků daného projektu. Uchycující magnety jsou liniově umístěny v místě obvodového rámu stěny s určenými pravidelnými rozestupy mezi sebou. Kotveny mohou být takto horní, boční či spodní části rámu, případně po celém obvodu. Uchycení magnetických úchytek k ocelovému rámu stěny je navrženo klasickými šrouby smožností vodorovné rektifikace při montáži (obr. 3). Mezi těleso magnetu a kotevní ocelový profil v místnosti je vhodné umístit tenkou separační vrstvu, eliminující případný vznik korozního můstku. Důležitým faktorem statického návrhu je vzdálenost magnetu a kotevního profilu, která je dána nátěry a separační páskou (v rámci konkrétního projektu je vždy doporučeno před realizací nechat si provést odtrhovou zkoušku). Tato zkouška bývá většinou bezplatná v rámci služeb dodavatele magnetických úchytek, provádí  se na větším  počtu vzorků  magnetů a je dokladována formou protokolu s uvedením průměrné odtrhové síly. Uvedené  řešení  konstrukce  výbuchových  stěn  i  jejího  kotvení  je  v principu samozřejmě možné aplikovat i na části stěn nebo střechy. Konstrukce může být navíc doplněna o další bezpečnostní prvky (venkovní záchytný systém), nebo může být vhodnou volbou umístění magnetů navržena v preferovaném směru vyklopení.

Význam, hlavní výhody a možnosti uplatnění návrhu

Hlavní výhodou navrženého řešení je možnost stanovení relativně velmi přesné hodnoty, při které dojde k odtržení magnetu od ocelového kotevního profilu. Použitím vhodného typu magnetických úchytek společně s volbou jejich vzájemné rozteče je možno sofistikovaně navrhnout vnitřní přetlak, při kterém dojde k uvolnění tohoto kotvení a potažmo celé výbuchové stěny. Exponenciální křivka poklesu odtrhové síly magnetu v závislosti na distanci je pro uvolnění kotvení mnohem výhodnějším parametrem než smykové či tahové porušení klasického spojovacího prostředku (šroub, čep). Z hlediska charakteru namáhání kotevního prostředku na únavu (tlak či sání větru) se jeví způsob kotvení magnety také bezpečnější než kotvení klasické. Tento způsob kotvení je možno navrhnout i u stěny, která bude mít výrazně rozdílnou odolnost vůči tlaku působícímu zevnitř a zvenku. Navržené kotvení lze použít pro celé výbuchové stěny, nebo pouze pro části stěn. Obdobný princip kotvení pro odlehčovací otvory lze aplikovat nejen na fasádní stěny,  ale i na střechy. Výbuchové stěny  je možno navrhnout jako zateplené, z nespalných materiálů, a jejich vnější i vnitřní vzhled lze přizpůsobit požadavkům architektonicko-stavebního  řešení  objektu.  Vhodným  statickým  řešením  a volbou profilů nosného rámu výbuchové stěny je možno minimalizovat její vlastní hmotnost a docílit tak požadované nízké setrvačné hmoty. Z ekonomického hlediska vychází celková cena výbuchových stěn s použitím magnetického kotvení výhodnější než při použití typově dodávaných odlehčovacích prvků. Magnetické kotvení výbuchových stěn je vhodným řešením pro většinu stavebních objektů, kde je nutno řešit odlehčovací plochy místností s rizikem výbuchu. Výjimku mohou tvořit speciální prostory se speciálními nároky na velikost magnetického pole. Z hlediska životnosti magnetických úchytek není toto řešení příliš vhodné do venkovního prostředí ani do prostor s vysokou vlhkostí. Z hlediska typu exploze je toto kotvení vhodné jak pro deflagrační, tak i detonační výbuch. Z hlediska možných následků exploze pro okolní venkovní prostředí je použití tohoto typu výbuchové stěny méně vhodné pro detonační výbuch, protože není možno zaručit řízený pohyb ani kompaktnost uvolněné stěny.

Příklad realizace návrhu

Jako příklad využití principu kotvení výbuchových stěn magnetickými úchytkami je možno uvést úspěšně realizovanou stavbu objektu průmyslové výroby malorážní munice, dokončenou a předanou uživateli v polovině roku 2018. V přízemním objektu byl navržen na základě požadavků technologie výroby systém výbuchových kobek. Tyto kobky byly koncipovány jako železobetonové monolitické prostory s tím, že vždy jedna jejich stěna byla fasádní, otevřená do volného venkovního prostoru. V kobkách se manipuluje jak s trhavinami, tak i třaskavinami.

S ohledem na množství a způsob manipulace se složí prostory kobek zákazník charakterizoval jako místnosti s rizikem deflagračního výbuchu. Na základě výpočtu komorových přetlaků v kobkách (součást projektových podkladů zákazníka) byl stanoven pro dotčené prostory maximální vnitřní přetlak 0,2 bar (20 kN/m²). Související požadovaný otevírací vnitřní tlak na výbuchové stěny byl stanoven hodnotou 15 mbar (1,5 kN/m²). Železobetonové kobky byly kónicky prodlouženy směrem ven z objektu tak, aby byl umožněn volný pohyb výbuchové stěny směrem ven (obr. 3 a 4).

Dalším požadavkem zákazníka bylo uvolnění stěny při výbuchu jako celku s tím, že by se měla vyklopit s osou otáčení v její patě. Hmotnost výbuchových stěn nesměla být v tomto případě (setrvačná hmota) větší než 150 kg/m² (při realizaci byla dosažena hodnota 80 kg/m²). Zatížení větrem bylo pro dotčené stěny stanoveno podle normy ČSN EN 1991-1-4, návrhová hodnota maximálního sání větrem byla určena hodnotou 1,1 kN/m². Z hlediska bezpečnosti stavby byla pro statické řešení namáhání stěny i jejího kotvení uvažována maximální hodnota namáhání sání větrem o něco vyšší, konkrétně pak 1,25 kN/m².

Nosná konstrukce stěny byla navržena systémem svislých tenkostěnných ocelových profilů působících staticky jako prosté nosníky, které byly zakotveny do horního a spodního propojovacího ocelového profilu. Magnetické kotvení bylo navrženo pouze na úrovni horního vodorovného profilu stěny (obr. 3 a 5). Kotvení stěny na úrovni podlahy kobky bylo navrženo krátkými, smykově odolnými ocelovými lepenými čepy. Toto spodní kotvení stěny umožňuje při výbuchu její rotaci kolem vodorovné osy a staticky je navrženo s dvojnásobnou únosností ve srovnání s magnetickým horním kotvením.

Pro magnetické horní kotvení byly zvoleny magnetické čočky s vnitřním závitem a obchodním označením HK50X15-M8. Podle podkladů poskytnutých dodavatelem magnetů (zkouška podle DIN EN 10204-3.1) byly pro kotevní ocelový profil tloušťky 10 mm udávány v závislosti na distanci magnetu a podkladu následující maximální odtrhové síly: N = 1,301 kN (distance 0,00 mm), N = 0,939 kN (distance 0,15 mm), N = 0,716 kN (distance 0,3 mm) a N = 0,47 kN (distance 0,6 mm).Do horního ostění železobetonové kobky byl ve funkci horní pevné opory výbuchové stěny vložen a  zakotven ocelový úhelník  L 100 × 100 × 10. Ochranný nátěr úhelníku byl navržen o tloušťce 130 μm. Jako separační antikorozní vrstva mezi úhelníkem a magnety bylo doporučeno použít PET laminovanou samolepicí pásku o celkové tloušťce (včetně lepicí vrstvy) 145 μm. Celková projektově předpokládaná distance mezi magnetem a úhelníkem byla tedy 275 μm. S ohledem na výše uvedené deklarované odtrhové síly byla projektově pro návrh odstupů magnetů uvažována odtrhová síla jednoho magnetu o hodnotě Q = 0,75 kN.

Po výpočtu namáhání horní linie magnetů byla zvolena vzájemná vzdálenost magnetů a = 0,35 m. Před finální dílenskou výrobou ocelové kostry výbuchových stěn byl dodavateli magnetů zaslán konkrétní vzorek kotevního ocelového L profilu opatřeného ochranným nátěrem a separační páskou s žádostí o provedení kontrolní odtrhové zkoušky. Na základě výsledku této zkoušky bylo stanoveno, že průměrná odtrhová síla jednoho magnetu činí 0,74 kN. Shoda mezi původně v projektu uvažovanou odtrhovou silou a konkrétním kontrolním měřením byla pro dotčený případ více než dostačující (98,7% shoda), a proto bylo možné potvrdit všechny původně uvažované veličiny kotvení stěny (typ magnetů a jejich vzdálenost, nátěrový systém i druh separační pásky). Samotná montáž výbuchových stěn a dokončení jejich stavebních úprav (opláštění, osazení dveřmi, zalištování apod.) byly poté již standardně prováděné stavební práce, na které se vztahoval běžný stavební dozor.

Závěr

Bezpečný a současně sofistikovaný návrh konstrukce a kotvení výbuchových stěn staveb by měl být nedílnou součástí moderních projektů současnosti. Navržená metoda kotvení odlehčovacích stěn magnetickými úchytkami je jedním ze způsobů, který nejen dokáže splnit všechna základní kritéria kladená na tento druh speciální stavební konstrukce, ale současně umožní i jejich vhodné zakomponování do stavby z estetického hlediska.Uvedený princip řešení kotvení výbuchových stěn magnetickými úchytkami byl zapsán na Úřadu průmyslového vlastnictví České republiky a toto technické řešení je chráněno formou Užitného vzoru číslo 31968. V případě zájmu o využití magnetického systému kotvení výbuchových stěn v rámci pomoci na projektu či konstrukční dodávky je možno se na autora obrátit.

Použitá literatura:
[1] ČSN EN 1991-1-7: Zatížení konstrukcí, Obecná zatížení – Mimořádná zatížení.
[2] ČSN EN 14797: Zařízení pro odlehčení výbuchu.
[3] ČSN EN 14994: Ochranné systémy pro odlehčení výbuchu plynu.
[4] ČSN EN 14491: Ochranné systémy pro odlehčení výbuchu prachu.
[5] Příručka protivýbuchové ochrany staveb. Projekt CZ.04.3.07/ 3.2.01.3/3323, r. v. 2008.

Celý článek naleznete v archivu čísel (06-07/2019).