OCHRANA STAVEB PROTI BLUDNÝM PROUD M Ing.Eduard Tesa
Tato p ednáška,p ednesená na celostátní konferenci OK 07 (ochrana proti korozi 2007) navazuje na p ednášku „Zkušenosti z aplikace SN EN 50 162 ve stavebnictví“,p ednesenou na konferenci OK 06 v Ostrav ,kterou dopl uje a rozvíjí. Stavební projektanti obvykle argumentují,že zatím žádná stavba z d vodu jejího poškození bludnými proudy dosud nespadla.Projevují jistou neinformovanost,nebo sám pamatuji vodn železobetonový drážní propustek na trati eská T ebová-P erov,nacházející se poblíž Olomouce a vybudovaný ve 30-40tých letech minulého století,který se v pr hu let stal již jen betonovým a v osmdesátých letech zap inil svým rozlomením drobnou provozní havárii na trati (tehdy) SD.Zde je rozhodující role projektanta a investora stavby,kte í pod dojmem minimalizace náklad „ušet í“ n kolik desítek tisíc K p i neprovedení korozního pr zkumu i p i nevybudování by i toho nejjednoduššího systému monitoringu bludných proud ,p edepsaného SN EN 50 162 Pojednejme proto o jednotlivých krocích p i ochran staveb podrobn ji,p itom odkazuji na normový aparát,popsaný vloni v p ednášce na OK 6. I když budeme ctít nezávaznost norem,p ece jen platí ustanovení,že autor (projektant stavby) není nucen ke slepé aplikaci norem,pokud jejich ú el nahradí ú inkem jiného,nového ešení.Toto ešení však musí spl ovat alespo ú el a ú inky p vodní,nahrazované normy. Prvním a naprosto nezbytným krokem je provedení korozního pr zkumu,(dále jen KP) geofyzikem nebo erudovaným korozním technikem i geologem.Provádí se p ed zahájením p ípravných a projektových prací v dob ,kdy si projektant stavby zajišuje i geologický (GP),stavebn -geologický (SGP) a hydrogeologický pr zkum (HGP).Pro srovnání s vývojem korozní situace je výhodné,byl-li již n kdy d íve v zájmové lokalit -staveništi KP proveden.Je-li takový KP proveden v posledních 12ti m sících,lze jej akceptovat p ímo.Starší KP pak jen pro srovnání,nebo s rozvojem elektronizace firem i domácností se korozní situace velmi rychle m ní,a to k horšímu.KP má obsahovat: - popis korozní situace,zpracovaný na základ m ení p dní rezistivity 4elektrodovou metodou a vyhodnocení m ení vektor zemních nap tí,nejlépe jak stejnosm rných,tak i st ídavých (v oblasti pr myslových kmito ) - mapovou situaci ,zachycující sm ry i moduly vektor p dních nap tí DC i AC,pop ípad i p edpokládané zdroje t chto nap tí (a tím i proud ) - klasifikaci korozní agresivity zeminy i zemních nap tí (proud ) v m ených místech dle platných norem - návrh protikorozních opat ení pro konkrétní zájmovou oblast a charakter p ipravované stavby Tyto požadavky jsou obvykle velmi dob e splnitelné,pokud se staví tzv.na zelené louce.Na zná,zejména prostorová omezení narazíme p i stavbách v m stském intravilánu.Nejhorší situace je p i zástavb proluk v urbanistických centrech.Vlastní provedení KP i minimální nároky na p ístrojové vybavení stanoví p edm tné normy. S rozvojem výpo etní techniky se již vyrábí a dodávají notebooky s A/D p evodníky,které automaticky m í a zaznamenávají nam ené hodnoty zemních nap tí ve stanovených intervalech a dosazují je jednak do icích protokol ,jednak do výpo etního a vyhodnocovacího software,kompletujícího výslednou zprávu KP.P i vyhodnocování takto získaných údaj je nutno postupovat obez etn ,velký objem zjišt ných dat ješt nezaru uje optimální výsledek m ení.V n kterých ípadech je výhodn jší vzít v potaz nam ené extrémy hodnot (minima a maxima),nikoliv
-2jen st ední (pr rné) hodnoty.Tyto postupy jsou pro stavebního projektanta snad zajímavé,ale nepodstatné-ten dostane do ruky hotový kone ný elaborát.P i m ení údaj pro KP v intravilánu sídelního útvaru n kdy živi ný nebo dlážd ný povrch v okolí plánované stavby naprosto znemožní takové m ení provést.Pak si musíme vyhledat n jaké vhodné (nejbližší) volné zelené plochy a zjišt né hodnoty lineárn aproximovat.Je však nutno postupovat s jistou obez etností,nebo proudové pole zemních (bludných) proud je obecn polem z ídlovým-uprost ed p edpokládané linearity se m že objevit ne ekaný zdroj zemních proud ,nap .“zapomenutý“ úsek kolejí pouli ní dráhy,p ekrytý asfaltovým kobercem i jiná ekvapení.Obecn pozemní elektricky vodivá podzemní za ízení deformují proudové pole a mohou být p inou lokálního zvýšení gradientu zemních nap tí a tedy i zvýšeného korozního ohrožení nov budovaných staveb.Takovým podzemním za ízením jsou nejen potrubí vodovod a kanalizací,ale i nap .podzemní železobetonové kolektory.Zde op t p ipomínám jeden ze záv výzkumné práce EGÚ Brno-železobeton v prost edí p irozené p dní vlhkosti ebírá rezistivitu okolního p dního prost edí,pokud ji nemá nižší.Je proto nutné p i provád ní KP znát veškeré i širší souvislosti ,týkající se stavební parcely i zájmového území.Trochu to kontrastuje s b žnou stavební praxí,kdy se stavební situace omezí na vzdálenost 5-15 m od hranice staveništ . Ze všech provedených pr zkum získává stavební projektant údaje pro zásadní návrh technického ešení stavby. Korozní technik by na základ nam ených hodnot m l zat ídit stavební parcelu do stupn korozního ohrožení dle nejvyšší dosažené kategorie (takto je to stanoveno p íslušnou normou),jakoži stanovit aktuální velikost proudu,do stavby vnikajícího i z ní unikajícího-tedy stanovit katodickou (korozn bezpe nou)oblast a anodickou (korozn nebezpe nou) oblast.K tomuto ú elu je nutno stanovit efektivní nasávací plochu podzemní vodivé ásti stavby.Tento úkol je možno splnit jen za t sné spolupráce se stavebním projektantem,Na výkresu ezu celé stavby,zejména pak podzemní ásti od úrovn 0,00 (obvykle niveleta upraveného terénu) po niveletu základové spáry (úrove v záporných hodnotách).V korozní situaci zájmové oblasti,která je povinnou sou ástí korozního pr zkumu zakreslíme skute nou polohu stavby,respektive její podzemní ásti a podle sm zemních proud (vektor zemních nap tí),vyhodnotíme jejich korozní vliv,co se polohy stavby tý e.Málokdy a spíše jen náhodn souhlasí sm r zemních proud s n kterou st nou podzemní ásti stavby,nej ast ji jde o obecnou polohu sm ru zemních proud v i podzemní ásti stavby.Efektivní nasávací plocha podzemní vodivé ásti stavby bude kolmá na p evažující sm r zemních proud .U velmi rozsáhlých staveb bude možná nutno rozd lit tuto podzemní ást stavby na díl í celky a každý takový celek posuzovat samostatn . Taktéž je nezbytné v novat pat nou pozornost t m ástem podzemní ásti stavby,které jsou od okolí odd leny dilata ními spárami s použitím t žkých asfaltových lepenek i izola ních p izdívek.Všechny tyto skute nosti musí korozní technik zvážit a rozhodnout nap .o rozmíst ní snímacích elektrod v ocelové výztuži pro monitorování bludných proud a jejich vlivu na železobetonovou ást stavby,pop ípad i o jejich elektrickém odd lení od ostatních ástí stavby.Takové odd lení je nutné,nebo bludné proudy mohou být zavle eny do nadzemního,nap íklad též železobetonového skeletu,kde se mohou nekontrolovan ší it a konat destruktivní práci jim vlastní.Zde si musíme povšimnout vlivu hromosvodu a celé soustavy pro ochranu p ed nebezpe ným p ep tím,a už p vodu p írodního (blesková ep tí p ímá i indukovaná) nebo um lého (technická p ep tí ze silových vedení,obvykle indukovaná).Tady vyvstává nezastupitelná role elektroprojektanta,který by se m l podílet už
-3na ideovém návrh stavby ( ešení hromosvodové soustavy,svod ,soustavy pro ochranu p ed nebezpe ným p ep tím související problémy) a ne tak,jak je u nás zvykem,p edat celý projekt ed dokon ením ke projektování „t ch drát ,co tam musí být,pop ípad i t ch,co tam investor chce“,obvykle se slovy „vy se s t mi dráty vlezete všude,tak jaképak sakypaky“.Zde pán m elektroprojektant m p ipomínám,že zejména ochranné i místní pospojení už nelze lat systémem „propoj vše,co propojeno být má a to kdekoliv,nejlépe všude“.Doporu uji ešit vše v soustav TN-S s propojením PE a N u rozvad e.Tam,kde normy nebo p edpisy ikazují místní pospojování PE a N, ešit je v instala ních krabicích,v nížse p íslušné modré a zelenožluté vodi e p ipojí a spojí se spolu jediným vodi em p íslušného pr ezu.Je tak umožn na i zp tná kontrola pospojování a i vyhledání chybového místa v elektroinstalaci. Stanovením efektivní nasávací plochy podzemní ásti stavby má korozní technik za sebou jen ást úkolu.Ze zjišt né proudové hustoty zemních proud (povinná sou ást KP) a efektivní nasávací plochy lze vypo ítat pravd podobnou hodnotu celkového zemního,potažmo korozn aktivního proudu,cožve spojení s ur ením anodické oblasti umožní i vyjád it pravd podobné korozní ohrožení stavby,tedy její ocelové výztuže. I kdyžmáme stanovenou anodickou oblast podzemní ásti stavby,p esto nebývá jednoduché stanovit místa.pop ípad plochy,z nichž nasáté zemní proudy z podzemní ásti stavby vystupují zp t do okolního terénu.Zásadn si musíme vzít na pomoc teorii proudového pole z teoretické elektrotechniky.Obecn proud vystupuje ze všech st n v anodické ásti podzemní ásti stavby pod r znými úhly a zvýšený gradient intenzity proudového pole lze nalézt zejména u nároží dvou st n .Musí se vzít do úvahy též rezistivitu zeminy,do níž proud ze železobetonového t lesa vstupuje a p ihlédnout též k izolacím a izola ním p izdívkám,které ní tvar a hustotu proudových silo ar.Po zohledn ní všech t chto skute ností m žeme pak vypo ítat pravd podobnou velikost korozního proudu a stanovit oblasti pravd podobného korozního ohrožení.S výsledkem je nutno seznámit statika a pop ípad i zm nit tvar,provedení i materiál výztuže,pokud se taková pot eba prokáže.Taktéž má získaný výsledek vliv na po et a rozmíst ní snímacích elektrod pro monitorování bludných proud dle požadavku Národního dodatku SN EN 50 162.O ešení monitoringu bude pojednáno obšírn ji v jiné ásti této p ednášky. Z p edchozího textu vyplývá nutnost úzké spolupráce projektanta-stava e,pop ípad i architekta,statika,projektanta elektro ásti a korozního technika a to už od úvodních fází stavby.Tomuto požadavku jsou však pov tšinou mnozí projektanti a architekti mnohé dlužni s odkazem,že situace snad není tak kritická… . Zapomínají,že s rozvojem nových technologií v napájení elektrických stroj a p ístroj nejen pro pr mysl.ale i pro malé provozovny a domácnosti rostou proudové intenzity bludných proud nebývalou m rou.Je také správn jší nazývat tyto proudy nikoliv bludnými,ale zemními proudy.Ozna ení „bludné“ je trochu zavád jící,nebo i tyto proudy se ídí základními elektrotechnickými zákony,le jejich proudové silo áry jsou obecn neur ité a zjistit se dají jen detailním KP.Téžtakové ozna ení vzbuzuje v laicích pocit,že když jsou tyto proudy bludné-tak možná k našemu za ízení zabloudí,ale možná taky ne.A to je hluboký omyl a zdroj mnoha nedorozum ní.Taktéž se asto ozývá argument,že d íve nic podobného nebývalo a pro tedy najednou taková pé e… .Je pravdou,že SN 03 8360-03 8377 p edepisovaly provedení KP pro podzemní liniová za ízení,která p edstavují velké vodivé hmoty,uložené v zemi.Ale podzemní ást stavby,vyztužená ocelí je od ur itých rozm také velkou vodivou hmotou v zemi uloženou.T m koleg m,kte í se nikdy nesetkali s návrhem katodické ochrany podzemní liniové stavby,jejíž povrch je chrán n nap .dvojitou asfaltovlákninovou izolací za tepla nanesenou a která vykazuje povrchový odpor v ádu desítek MOhm /m2,se zdá nemožné,že
-4toto za ízení má nap p i délce 20 km p echodový zemní odpor v ádu jednotek Ohm ;p i polyetylénové izolaci pak v ádu desítek Ohm … Z tohoto hlediska byly výše uvedené normy na svou dobu velmi pokrokové a moderní,nebo p edepisovaly provedení KP nap .do vzdálenosti 5 km na všechny strany od p edpokládaného zdroje zemních proud ,pro liniové stavby pak vždy.Tyto normy pochází ze 60tých let minulého století a prakticky nezastaraly,by unikaly pozornosti podstatné ásti odborné stava ské ve ejnosti… Až nová harmonizovaná SN EN 50162 v . Národního dodatku postavila celou záležitost na jasný a nesporný základ. Vra me se však k požadavku uvedené normy na monitorování velikosti a ú ink zemních proud ze stejnosm rných soustav na stavby s vodivými (železobetonovými) podzemními ástmi.Takové monitorování lze vybudovat s pom rn nízkými náklady ( ádov jednotky až zlomky jednotek procent z ceny celé stavby).Co tento požadavek prakticky znamená? V p edchozím textu byly popsány jednotlivé kroky,které musí provést všichni ú astníci projektového procesu od ideového návrhu po návrh rámcového ešení stavby (dnes ozna ované jako ešení stavby pro územní,resp.stavební povolení). Korozní technik navrhne rozmíst ní tzv.snímacích elektrod (dále jen SE) do armatury spodní stavby,jejich délku kabelového p ipojení a uložení p ipojovacích elektroinstala ních krabic v provedení pro uložení do betonu.P i tom je nutná spolupráce s projektantem stavební a elektroinstala ní ásti projektu.Takové rozložení není libovolné,op t se musí vzít v potaz výsledky m ení proudového pole v KP a SE rozmístit tak,aby byly podchyceny jak elektricky vodivé st ny železobetonového základu,tak i nebezpe ná místa-nároží,izolované železobetonové vany apod.Rozložení SE je nutné minimalizovat p i zachování jejich plné funkce.Není to požadavek samoú elný-jednak se minimalizují náklady na realizaci monitoringu zemních proud ,jednak vhodným rozmíst ním SE lze po uplynutí p íslušného asu,když poklesne ochranná funkce z betonu vyplavovaných vápníkových iont (pasivujících výztuž) pomocí t chže SE vložit do železobetonové podzemní ásti vhodný ochranný potenciál ( a tím i ochranný proud) katodické ochrany za p edpokladu uložení ocelových nebo ferrosilitových anod do zeminy v optimální vzdálenosti od stavby v horizontu kolika desítek let od kolaudace stavby.S podobným ešením má první praktické zkušenosti ostravská firma KP technik. Snímací elektrody jsou tvo eny desti kou z oceli se zaru enou sva itelností,k níž jsou aluminotermicky p iva eny vždy dv a dv žíly m ného kabelu s celoplastovou izolací typu CYKY O 4 x 1,5 mm2 (d ív jší ozna ení CYKY 4D x 1,5 mm2).Aluminotermický svar je jediný,který neztrácí svou kvalitu co se p echodového odporu týká po celou dobu životnosti stavby,tedy minimáln 100 let.Zde varuji p ed používáním jiných technik,nap ,elektrickým obloukem p iva ených ocelových odskok s p ipojením kabelových žil pomocí šroubových spoj !Aluminotermické sva ování prokázalo již své kvality v praxi a bylo použito nap .p i kompletaci uzem ovací soustavy nov rekonstruované rozvodny R 110 kV v Nošovicích pro zajišt ní napájení nov budované pr myslové zóny tamtéž. Každý aluminotermický svar p ipojuje dv žíly kabelu k ocelové desti ce,na níž jsou takové svary dva.Jsou p ekryty za tepla nanesenou bitumenovou rohoží po p edchozí aplikaci asfaltového laku,plnícího penetra ní ú el pro lepší p ilnavost rohože k oceli.Po instalaci SE lze jednoduchým m ením pomocí ohmmetru zkontrolovat kdykoliv i v provozu nejen neporušenost žil,ale i propojení vždy dvou p íslušných žil ve svaru a všech ty žil ke kovové desti ce.Kabel je uložen v ohebné elektroinstala ní trubce se zvýšenou pevností pro uložení do betonu.Ochranu proti zate ení betonu do trubky i do krabice poskytuje aplikace lepicí papírové pásky.Podobn je ešena i elektroinstala ní krabice,jednotlivé konce žil jsou k propojovacím m stk m i ke šroub m m kce p ipájeny.Zvýší se tím spolehlivost spoje a
-5sníží i p echodový odpor,který se p ed kolaudací stavby m í a zaznamenává do p edávacího protokolu.SE jsou p iva eny elektrickým obloukem do armatury budoucí železobetonové konstrukce,kabely v trubkách jsou vyvazovacími drátky fixovány k armatu e po celé délce,vhodn se fixují ke st bedn ní i elektroinstala ní krabice tak,aby po zatuhnutí a vyzrání betonové sm si byla p ístupná ví ka krabic a tím i zapojení kabelových žil od SE.Zapojení žil usnad uje osazení kusu (asi 0,5 m) ochranné ohebné trubky do betonu spolu s elektroinstaa ní.krabicí. Aby nebylo nutné p ed každým sezónním m ením vždy znovu osazovat m icí polo lánky Cu/CuSO4,zabudují se do terénu poblíž sledované a monitorované stavby trvalé referen ní elektrody (dále jen RE),sestavené tak,že mohou být zabudovány jak v zelené ploše,tak i v dlážd ném nebo živi ném povrchu a jejich konstrukce umož uje nejen p ejezd auty do 3,5 tuny,ale i vým nu vlastního polo lánku Cu/CuSO4 po skon ení jeho životnosti bez náro ných zemních prací.Osazují se 3-4 RE v prostoru okolo stavby ve vzdálenosti alespo 5 m od hranice stavby.RE jsou továrním výrobkem,obsahujícím mimo vlastní polo lánek Cu/CuSO4 též kontrolní ocelovou plošku 100 cm2,Vývod RE je realizován trojžilovou š rou s m nými žilami,ukon enou v krabici Acidur (krytí IP 54).Krabice je uložena v prostoru oplášt ní RE a aždo rozvodnice pro monitoring propojena op t ty kilovým kabelem CYKY O 4 x 1,5 mm2.Oplášt ní je tvo eno plastovou nebo asbestocementovou trubkou vhodného pr ru (cca 130-150 mm),ve spodní ásti v délce cca 50 cm perforovanou n kolika adami otvor D 10-13 mm pro lepší prostup vlhkosti k polo lánku Cu/CuSO4 a v horní ásti opat enou litinovou vodovodní vpustí pro možnost vtékání deš ové vody.Jednotlivé žíly doporu uji ke svorkovnici krabice m kce pájet a opat it vrstvou vazelíny nebo za tepla naneseného parafinu pro oddálení koroze. Kabel je veden p ipraveným kabelovým prostupem do objektu (nej ast ji do elektrorozvodny) do rozvodnice RMBP. Rozvodnice je bu samostatná,plastová,vhodné velikosti,a obsahuje svorky od jednotlivých žil snímacích elektrod,referen ních elektrod a jiných prvk dle projektu monitoringu bludných proud .Mimo t chto prvk obsahuje též zá ivkové svítidlo vhodné velikosti,dv zásuvky 230 V,10/16 A;50 Hz samostatn jišt né a p íslušné jistící a ovládací p ístroje (vypína e). Pokud je v elektrorozvodn dost místa pro další pole typového rozvad e,sloužícího pro celý stavební objekt,dáváme p ednost takovému samostatnému poli (posta í obvykle ší e 400 mm),vystrojenému dle p edchozího popisu.Doporu uji svorky od RE (4 ks) barevn rozlišitnap .od m ného roubíku polo lánku-oranžová,od ocelové kontrolní plošky-žlutá,rezervyšedá a bílá. Jak již bylo popsáno,korozní technik musí vypracovat projektovou dokumentaci monitoringu zemních (bludných) proud ,ta musí být doložena v projektové dokumentaci stavby.Samoz ejmou sou ástí této dokumentace je její rozpo tová ást a výkaz vým r.P i zahajování každé stavby se železobetonovou konstrukcí v tších rozm (asi od 10 x 20 m) v terénu s výskytem zemních (bludných) proud (ur í co do velikosti a sm ru korozní pr zkum) je dle SN EN 50162 nutno s monitoringem zemních proud jednozna uvažovat užod samotné pr zkumné a projektové p ípravy stavby. Povšimn me si ješt n kterých témat,jen zdánliv okrajových.Prvním tématem je sva ování výztuže.Sva ování armatury je pot ebné vždy,když to p edepíše statik.Z d vodu ochrany stavby p ed nebezpe nými ú inky zemních (bludných) proud sva ování armatury obecn není t eba,provlhlý železobeton je dob e vodivý.Jedinou vyjímkou,pokud ji nep edepíše statik ímo,je taková poloha spodní stavby v proudovém poli zemních proud ,kdyžse v anodickém pásmu nachází ta ást spodní stavby objektu,obsahující ohrožené nároží.Tam se soust uje
-6vystupující proud ,nasátý celou spodní stavbou a rozpouští armaturu v množství cca 10 kg na každý ampér tohoto proudu a rok.Vzájemným sva ením ocelových prut p ed takovým nárožím docílíme rovnom rn jšího a tedy p ízniv jšího rozložení hustoty proudu,takže plošné proudové zatížení se tím sníží a sníží se i plošné rozpoušt ní ocelové výztuže-bude zrovnom rn no.Kone né slovo ke statickým ú ink m bude mít odpov dný ešitel projektové dokumentace v ásti :“Statika stavby“. Druhým tématem je vlastní monitorování - m ení ochranného potenciálu armatury,vzniklého tokem vápníkových iont z oceli,jejíž povrch je t mito ionty protikorozn pasivován.M ení by m lo být realizováno alespo dvakrát ro (jaropodzim),v opodstatn ných p ípadech p i vysokém korozním ohrožení i t ikrát ro (jaroléto-podzim).M ení v zimním období závisí na hloubce promrznutí p dy-ve zmrzlé zemin it nelze,nebo nedochází k toku disociovaných molekul p dního elektrolytu – led ve form krystalk je izolantem T etím tématem je prognóza vývoje proudové hustoty zemních (bludných) proud .Ješt ed 40ti lety udávaly normy vzorové zdroje zemních proud - m nírny,stejnosm rn elektrifikované kolejové trat a uždrah státních i m stských (pouli ních).Dnes nám m ení ukazují,že mimo t chto zdroj k nim p istupují i v tší pr myslové závody (sva ovny,galvanizovny,sklady a nabíjení akumulátor ) a mnohé další.S rozvojem a rozší ením kancelá ské a spot ební elektroniky k nim pat í i b žné distribu ní transformovny,výbojkové venkovní i vnit ní osv tlení (nap .zimní a jiné stadiony) atp.U rozvod venkovního osv tlení je nutno uv domit si skute nost,že rtu ové výbojky (s aplikací sodíku i sm si halogenid ) jsou usm ova i a st edním vodi em,provozn uzemn ným,te ou vyrovnávací proudy s výraznou stejnosm rnou složkou.Z tohoto d vodu bych doporu oval i tyto rozvody ešit p tikilov a st ední vodi vést izolovan k napájecímu bodu,tedy p tižilov . P edpokládám,že se objeví i další témata,která bude možno prodiskutovat p ímo s tazateli,pokud bude k ešení takových témat dostatek technických podklad a zkušeností.V sou asné dob je nap .v Brn realizováno již n kolik staveb s fungující soustavou monitoringu zemních proud .Osobn jsem m il potenciál armatury jen na Masarykov onkologickém ústavu,objektu PET (pozitronové elektronické tomografie).P edpokládám,že po prom ení dalších realizovaných staveb budu moci v p íštích letech zjišt né údaje porovnat,vyhodnotit a seznámit s výsledky odbornou ve ejnost.
Olomouc, ervenec 2007
Ing.Eduard T e s a
