Ochrana proti ú ink m bludných proud – ochranná opat ení, ást konstruk ní opat ení prova ování výztuže JEKU s.r.o., Ing. Bohumil Ku era
Systém ochrany proti ú ink m bludných proud je v sou asnosti v R zaveden rezortními p edpisy TP 124 a SR 5/7(S). Zatímco revize TP 124 byla dokon ena v roce 2009 a p edpis byl vydán MD R, revize edpisu SR5/7 pro železnice je, by je p edpis dokon en, stále p ed vydáním (p edpokládá se jeho vydání do konce roku 2011 SŽDC). Tak, jako v p edchozích p edpisech je systém pasivní ochrany betonových konstrukcí rozd len na ást primární ochrany, týkající se zejména vlastností betonu a velikosti krytí výztuže betonem, ást sekundární ochrany, která se zabývá zejména systémy elektrického izola ního odd lení spodních staveb na principech PE izolací, kombinovaných izolací, i jiných systém ochrany betonu na principu odd lení vodot sným materiálem. Systémy konstruk ních opat ení pak zahrnují adu ochranných opat ení od úprav na provedení výztuže až po požadavky na p íslušenství a elektrické instalace – viz TP 124. Zam me se v této p ednášce na problematiku prova ování výztuže. Již více než 30 let vedeme diskusi o tomto ochranném opat ení proti ú ink m bludných proud . Vývoj a zkušenosti za minulé roky postupn definoval tyto základní otázky: Je prova ování výztuže nutné? Pokud ano, kdy má prova ování smysl. V jakém rozsahu prova ovat Jakým zp sobem prova ovat Kdo prova ování navrhuje Kdo prova ování realizuje Jak se prova ování výztuže kontroluje. Pokusme se ve stru nosti najít odpov di na jednotlivé otázky. Je prova ování výztuže nutné? Toto je pravd podobn nej ast ji diskutovaná otázka. Je známo, že jsou v R uplat ovány dva trendy. První trend se opírá o schopnost pasivace výztuže v betonu s tím, že si každý výztužný prvek vytvá í na povrchu oxid železa – ochrannou pasiva ní vrstvi ku, která p irozen chrání výztuž proti korozi a zárove vytvá í mezi jednotlivými výztužnými prvky „podélné“ odporové cesty, nebo vrstvi ka oxidu vytvá í pom rn vysoký elektrický odpor na povrchu železa v alkalickém prost edí betonu. Tato úvaha je nepochybn platná, pokud uložíme jeden výztužný prvek do vzorku betonu. Pokud máme soustavu výztužných prvk , která je k sob vázána r znou silou, výztužné prvky jsou v r zném stádiu povrchné koroze p ed montáží, dochází p i instalaci k realizaci r zných systém pomocných svar pro formování armokoš a kone systém uložení výztuže a vibrování p i betonáži vytvá í r zné tlaky v r zných ástech betonu, není tato filozofie adekvátní skute nosti. Ve skute nosti máme vytvo enu soustavu výztužných prvk - armokoš – který je po skon ení betonáže r zn a zcela stochasticky pospojen. Vznikají nám tak oblasti propojené výztuže s oblastmi nepropojené výztuže. Nyní se podívejme na samotný princip koroze výztuže bludným proudem. Ke korozi výztuže dochází zpravidla (ale nejen) p i výstupu bludného proudu z ocelového prvku – vodi e I.t ídy do okolí, tj. v našem p ípad do zem p es beton, který je elektrolytem. Pokud máme tedy dva výztužné prvky, které nejsou elektricky definovan pospojeny a jsou odd leny cementovým mlékem, jedná se o uložení dvou elektrod, mezi kterými prochází proud elektrolytem. Pak je nepochybné, že za ur itých podmínek, které lze zjednodušen pojmenovat dostate velkým elektrickým proudem, resp. proudovou hustotou v míst , dojde k rozpušt ní pasiva ní vrstvy na výztužném prvku, která má postavení anody (je kladný v i druhému výztužnému prvku) a proud bude procházet nap . v míst
ížení do druhého výztužného prvku. Výztuž s postavením anody pak bude ob tována – tj. molekuly oceli budou vytrhávány z m ížky – takto uvoln né molekuly železa se budou za p ítomnosti kyslíku rychle m nit na oxid železa - výztuž bude korodovat, zatímco druhá výztuž bude v kritickém míst katodicky chrán na. Vzniklý oxid železa bude postupn nabývat na objemu (8 až 11x) až dojde k roztržení krycí vrstvy betonu a urychlení celého korozního procesu. Obr. 1 Princip vzniku koroze p i elektricky nedefinovaném spojení výztuže vlivem bludného proudu
Pokud však tyto výztužné prvky budou elektricky definovan navzájem pospojeny, nebude mezi nimi potenciálového rozdílu. Proud bude sice prostupovat podobn , ale vodi i první t ídy. Výstup proudu z oceli bude rozložen na velké (prova ené) ploše a celkové proudové hustoty proudu pak budou rozm ln ny do mnohem v tší plochy výztuže a je velmi pravd podobné, že nebude dosaženo kritických hustot vystupujícího proudu z výztuže (40 až 60 mA/m2), které by zp sobovaly vznik korozních proces . Toto jsou tedy primární d vody, pro na základ ady prací sv tových odborník bylo p ikro eno k rozhodnutí o nezbytnosti prova ování výztuže jako sou ást ochranných opat ení proti ú ink m bludných proud . Jak však as ukázal, prova ování výztuže není užite né zdaleka jen pro ochranu stavby p ed ú inky bludných proud . Povšimn me si diagnostických metod koroze betonových konstrukcí. Zde se velmi asto setkáváme z tzv. polo lánkovou metodou podle ASTM C876 (Standard Test Method for Half-Cell Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete), u nás zavedenou do rezortních p edpis v TP 121 a mj. i metodickým pokynem pro m ení bludných proud MP-DEM a SR-DEM. Tato metoda spo ívá v mapování potenciál na povrchu betonu pomocí nepolarizovatelné sondy (Cu/CuSO4) v definovaném rastru – nap . 500 x 500 mm. Metoda je celá desetiletí provázena diskusí, zda má dostate nou vypovídací schopnost nebo nemá, zda ji lze použít jen jako relativní na principu vyzna ení zm ny ekvipotenciál na povrchu betonu. K pochybnostem nepochybn významn p ispívá skute nost, že m ení jsou asto (náhodn ) provád na v i samostatnému výztužnému prvku, který je prostorov vzdálen m ené ploše. Dalším d vodem je možnost aplikace aktivních ochran. Norma SN EN 12696 (Katodická ochrana oceli v betonu) jednozna hovo í o nutnosti prova ení výztuže p ed aplikací ochrany – nehovo í již o tom, jak to ud lat. Obecn platí pro jakoukoliv aktivní ochranu, která má být aplikována na betonovou konstrukci, že je možné ji aplikovat jen na prova ovanou (elektricky definovan pospojenou) výztuž. Týká se zejména katodické ochrany pro ochranu p ed ú inky bludných proud , zmín né katodické ochrany proti chemickým vliv m, systém realkalizace a mj., a tato ochrana není podporována pro aplikace betonových konstrukcí, i systém drenáže. Kone posledním d vodem s mírn odlišným systém prova ení výztuže jsou základové zemni e. Pro ochranu proti blesku ( SN EN 62305-1 až 4) a nebezpe nému dotyku ( SN 33 2000-4-41 a další) je asto výhodné navrhovat prova ení výztuže pro vytvo ení základových zemni ve spodní stavb , systém náhodných svod a pospojení v nosných konstrukcích, ale i tunelových stavbách. Máme tedy nejmén ty i významné d vody, pro které je ve vybraných p ípadech vhodné zvažovat zda je prova ování výztuže pot ebné, i nikoli. Pro další sledujme systém ochrany proti ú ink m bludných proud , se kterým se setkáváme nej ast ji. Dle technických podmínek TP 124 se prova ení výztuže navrhuje pro stupe ochranných opat ení . 4 a . 5, sou ástí systému ochranných opat ení jsou i požadavky na ochranu p ed p ep tím (bleskem) a nedovoleným dotykem.
Pozn.: Stupe ochranných opat ení .3 a nižší stupn ochranných opat ení prova ení výztuže nevyžadují, prova ení nenavrhuje se, stejn tak jako se nenavrhují vývody z výztuže a m ení vlivu bludných proud v pr hu a po dokon ení stavby. Kdy má prova ování výztuže smysl. První ást odpov di na tuto otázku byla již nazna ena v p edchozí odpov di. Prova ení výztuže má smysl navrhovat v p ípad , pokud stupe ochranných opat ení proti ú ink m bludných proud dle TP 124 byl stanoven .4 nebo .5. V p ípad stup ochranných opat ení nižších se nenavrhuje požadavek na prova ení z hlediska ochrany p ed ú inky bludných proud , m že být však stanoven požadavek na prova ení pro ochranu p ed bleskem i nedovoleným dotykem. Rozdíl obou systém objasníme dále. Dalším hodnotícím kritériem je kombinace ochranných opat ení. Stavby, které jsou vybaveny celoplošnou sekundární ochranou, tj. n kterým ze systém vodot sných izolací – týká se zejména nemostních staveb – se prova ení výztuže z hlediska ochrany p ed ú inky bludných proud nenavrhuje. Analogicky se postupuje u tunelových staveb realizovaných technologií NRTM. Pro tyto stavby byla p ijata dohoda zakotvená do TP 124, totiž, že ražené ásti t chto tunelových staveb se navrhují bez prova ení výztuže, hloubené ásti se prova ují. U nosných konstrukcí mostních staveb jde požadavek omezení prova ování asto za hranici kompatibility s požadavkem na prova ení z hlediska podmínek pro aplikaci aktivních ochran. Lze jen doporu it, že rozsáhlé prova ování u nosných konstrukcí mostních objekt se provede jen ve stupni ochranných opat ení .5 a ješt pouze i jednozna né v domosti extrémního namáhání korozními ú inky bludných proud nebo chemických vliv . V ostatních p ípadech se prova ení výztuže soust uje na oblast kolem podp r a podélné propojení t chto oblastí. V jakém rozsahu prova ovat. vodní návrh na prova ování výztuže s etností svar 50% všech styk výztužných prvk , jak uvád la vodní sm rnice z r.1992 a který je mimochodem dodnes zakotven ve stále platné SR5/7(S) z roku 1997, je již zcela opušt n. V sou asné dob se postupuje dle TP 124, a to i v podmínkách drah do doby schválení nové SR5/7. V roce 2000, p i vzniku TP124 byla p ijata filozofie, která íká: snažme se každý výztužný prvek pospojit s ostatními na za átku a na konci výztužného prvku pomocným (nenosným) bodovým svarem. Tato filozofie je v zásad platná stále, je však omezená asovou i ekonomickou náro ností prova ování. Zejména u velkých a lenitých staveb je striktní vyžadování tohoto systému prova ování tém nerealizovatelné. V pr hu minulé dekády, na základ bohatých zkušeností s prova ováním výztuže pozemních staveb byl vytvo en systém prova ování, který využívá pouze jeden pomocný bodový svar na jednom výztužném prvku.Tento systém prova ení vyžaduje návrh ekn me zjednodušen obvodového prova ovaného rámu na armokoši s dopl ujícími liniemi prova ení, které se navrhují ve vzdálenostech ob jedno stykovací místo kolmých výztužných prvk . Systém prova ení se zpravidla navrhuje v míst stykování výztuže. Bylo nutno p ipustit, že krátké výztužné prvky (nap . p i nerovnosti základové desky) se pomíjí. Obecn platí, že návrh prova ení výztuže by m l být veden tak, aby výztuž byla zatížena prova ováním co nejmén . V TP 124 jsou uvedeny vzorové zjednodušené obrázky, v této p ednášce jsou uvedeny další p íklady návrhu prova ení z realizovaných staveb. Z obrázk je patné, že je t eba vždy prostudovat výkresy výztuže, po té vybrat systém prova ovaných prvk – to jsou prvky, ke kterým budou p iva ovány kolmé výztužné prvky a které budou podéln sva ovány svary 100 mm. Jako p íklad proberme mostní stavbu s elektricky izola odd lenou mostní konstrukcí od spodní stavby ve stupni ochranných opat ení . 4.Tento klasický p ípad mostní konstrukce bude mít navrženo prova ení spodní stavby tak, že prova ená výztuž pilot a patek bude zárove plnit funkci základových zemni . Podobn se navrhuje systém výztužných prvk v pilí ích – ty plní funkci náhodných svod se zakon ením v jisk ištích, pokud je navrhována ochrana proti blesku. V nosné konstrukci vychází návrh prova ení výztuže z princip ochrany proti blesku a p ípadn systému
edp tí (p edpínací výztuže). Z horní poloviny jisk išt umíst ného vedle ložiska na stran NK vedeme prova ovanou linii po obvod nosné konstrukce a p ipravíme vývod pro p izemn ní íslušenství. Tento obvodový prova ovaný prvek bude prova en se všemi kolmými výztužnými prvky. Následuje návrh prova ení podélných prvk (tj. je rovnob žných s nosnou konstrukcí). Tyto prvky jsou jen sva eny podélnými svary 100 mm a nejsou sva ovány pomocnými bodovými svary s kolmými (p nými výztužemi), pokud k tomu návrhu není speciální d vod (srovnej s požadavky na ení polo lánkovou metodou a aplikaci aktivní ochrany). Obr. 2 Návrh prova ení výztuže spodní stavby - piloty
Obr. 3 P íklad prova ení výztuže v op e mostu p es Vltavu v Tróji
Obr. 4 P íklad prova ení výztuže v nosné konstrukci mostu p es Vltavu v Praze – Tróji – speciáln ešené prova ení – most je pojížd n tramvají a je vybaven p edpínací výztuží.
U silni ních tunelových staveb se provádí prova ení armokoš základových pas v etn propojení mezi nimi. Je tak vytvo ena zárove zemnící soustava. Prova ení v klenbách se provádí v hloubených ástech tunel a v míst stykování výztuže spodní stavby a výztuže klenby. U železni ních tunel je tento systém mírn odlišný. P edevším se základové pasy nepropojují, každý tvo í uzav enou ást. U stejnosm rn elektrizovaných tratí se klade v tší d raz na prova ení i v klenbách v ražených ástech tunel a na p ípravu na dodate ná opat ení (vývody a nebo p íprava na dopln ní vývod ). Železnice používají napájecí soustavu elektrický za ízení v tunelech (zásuvky, sv tla atd.) v soustav IT a lze tak jednotlivé základové pasy použít pro místní p izemn ní nap . zásuvkové sk ín , apod. Zcela samostatnou kapitolou je pak návrh prova ení spodních staveb pozemních staveb (dom ), který vyžaduje individuální p ístup dle ešení stavby a systému založení a již zmín né sekundární ochrany. Pozn.: V SR byl v roce 2010 krom metodiky srovnatelné s TP 124 a SR 5/7 vydané pod ozna ením SR15 bylo vyvinuto zna né úsilí vydat samostatný materiál pro ochranu železni ních stanic. Jakým zp sobem prova ovat a kdo prova ení realizuje. Tato otázka je p edm tem sporu zejména na pozemních stavbách, na stavbách pozemních komunikací je v sou asné dob již zcela jasno. Pro prova ování platí v rezortu MD R technické podmínky TP 193 s dopln ním ustanovení pro prova ování z hlediska ochrany p ed ú inky bludných proud dle TP 124. TP 193 definuje nejen typy svar a materiál , ale zejména požadavky na kvalifikaci svá e. Výztuž smí svá et osoba s kvalifikací – certifikací pro svá ení kov ady 10505.x SD provádí na stavbách kontrolu nejen doklad osob oprávn ných sva ovat, ale kontrolu svar samotných. Nechává si jednotlivé svary vy íznout a podrobuje je trhacím zkouškám v akreditované zkušebn z d vod neoslabení statické únosnosti výztuže. U pozemních staveb je tomu zcela odlišn , tam se s kontrolou kvalifikace setkáváme jen z ídka. Postupy, které uplat ují n kte í dodavatelé zejména pozemních staveb, kdy vyžadují, aby svá ení provád l dodavatel elektroinstalací, nebo prova ená výztuž je zárove zemnící soustavou, jsou zcela nesprávné.
Jak již bylo uvedeno, zp sob sva ování je popsaný v TP 124 a TP 193. Obecn platí – zejména pro pomocné bodové svary, že se jedná o svary co nejmenší (3 až 5 mm) velké, bodové, bez statické únosnosti. Svarem nesmí dojít k vyh átí výztuže, výztuž nesmí vytéci – tj. nesmí být oslaben pr ez výztuže. Naopak svary, které vytvá í zmín ný hlavní rám prova ení podélným spojováním vybrané prova ované výztuže se navrhují ve smyslu SN 33 2000-5-54 ed.2 délky 100 mm. Tato délka svaru již nemusí vyhovovat požadavk m na sva ování z hlediska statické únosnosti a je proto možno prova ení provést v souladu s platnými EN ( SN EN ISO 17660-1 a SN EN ISO 17660-2) Sva ování betoná ské oceli – vzorec byl p evzat do TP 124. Zjednodušen lze uvést, že zpravidla vyhoví svar 2x 40 mm. Tyto svary se provádí jednostranné, nikoli oboustranné, jak je zavedeno pro sva ovaní zemnících pásk u strojených zemni . Obr. 4 Správné provedení pomocných bodových svar (Mostní stavba D8 Dobkovi ky)
Obr.5 P íprava vývod z prova ené výztuže pro zajišt ní ochrany proti blesku (D8, most Dobkovi ky)
Obr.6 Barevné zna ení prova ovaných výztužných prvk a podélný svar 100 mm na NK
Kdo prova ování navrhuje Prova ování navrhuje jednozna specializované pracovišt s kvalifikací dle TP 124. Specialista navrhne výkres prova ení výztuže a ten zašle statikovi (projektantovi) ke kontrole. Statik posoudí, zda navržený systém neohrozí statiku stavby a návrh odsouhlasí nebo vymezí, kde je nutno návrh sva ování upravit. Výsledný návrh je konsenzem obou profesí. Optimální variantou je navrhovat prova ení výztuže v koordinaci s projektantem elektro, kdy prova ení výztuže pak spl uje plnohodnotn funkci ochrany p ed ú inky bludných proud a ochrany p ed nebezpe ným dotykem a ochranu p ed bleskem. Statik bu výkresy prova ení p evezme a za adí jako p ílohu do své ásti nebo ve svých výkresech na návrh prova ení odkáže. Návrh prova ení výztuže tvo í nedílnou sou ást projektové dokumentace ochrany p ed ú inky bludných proud a p ípadn uzemn ní stavby. Jak se prova ování výztuže kontroluje. Kontrolu prova ení výztuže provádí p edevším TDI stavby. D a pozd ji SŽDC zavedlo požadavek na kontrolu prova ování výztuže specializovaným pracovišt m (dle TP 124). V posledních letech tento požadavek p evzalo i SD. Ukazuje se, že ú ast specializovaného pracovišt p i kontrole prova ení zapadá do celého systému m ení v pr hu stavby a po dokon ení stavby dle TP 124 a MP-DEM. Specializované pracovišt , jehož úkolem je mimo jiné v pr hu stavby zajiš ovat technickou podporu zhotoviteli stavby k dané problematice se tak ú astní „na vlastní o i“ systému realizace prova ování. P i zahájení prova ování provede kontrolu provád ní této innosti, má možnost ešení systému prova ení upravit na míst dle skute né podoby pokládané výztuže a provede p ípadn školení pracovník m zajiš ujícím prova ování jak a podle jakých princip prova ovat výztuž té které stavby. Je doporu eno (požadováno) o kontrolách po izovat zápisy do stavebních deník a fotodokumentaci. Prova ení výztuže je zakon eno kontrolním m ením jednak elektrického odporu prova ené výztuže (s požadovanou hodnotou do 0,1 ( SN EN 62305-3 uvádí do 0,2 ) a následn m ení kvality základového zemni e z prova ené výztuže m eném na p ipraveném vývodu z prova ené výztuže.
Záv r. Jak je z p ednášky patrné, posledních dvacet let zkušeností s prova ováním výztuže nastavilo sm r a pravidla, jak se k prova ování výztuže chovat, jak prova ování navrhovat a kontrolovat. Záv rem je eba znovu p ipomenout, že prova ení výztuže by m la být podpora životnosti stavby, využití výztuže pro uzemn ní staveb a podp rný prvek pro diagnostická m ení a eventueln dodate ná ochranná opat ení v pr hu života stavby. Požadavky na prova ení výztuže by m ly být vznášeny velmi opatrn s rozvahou. Prova ení nesmí staticky ohrozit stavbu. I zde platí v souladu s SN EN 50162 a SN EN 50122-2, že bezpe nost staveb je nad azena korozi. Systém prova ení musí být tak sou ástí komplexního ešení ochranných opat ení proti ú ink m bludných proud m, který je konsensem všech zainteresovaných profesí. Ing. Bohumil Ku era
