Foto: Matěj Baťha a autor
Bludným proudem se rozumí elektrický proud protékající zemí v důsledku provozu elektrizované kolejové dopravy a vyznačuje se změnou intenzity a směru v průběhu času. Nepříznivé působení bludných proudů se projevuje především na území měst, kde se nacházejí jejich zdroje, tedy napájecí stanice-měnírny. Tento příspěvek se zaměřuje na protikorozní ochranu staveb (bytových, občanské vybavenosti apod.) v zastavěných územích.
Úložné konstrukce, na rozdíl od liniových zařízení jako plynovody a produktovody, jsou délkově omezené (nepřesahují délku 100 m) kovové a železobetonové konstrukce uložené v horninovém prostředí (v půdě) v hloubce zhruba dvou až dvaceti metrů. Nařizuje to norma ČSN 03 8350.
PROBLEMATIKA KOROZE V ZASTAVĚNÝCH OBLASTECH
Na rozdíl od volné krajiny působí v areálech měst a závodů řada faktorů, které ztěžují možnost hodnotit rozsah korozního ohrožení úložných konstrukcí bludnými proudy včetně agresivity prostředí. Jednotlivé podzemní kovové a železobetonové konstrukce jsou na různých místech navzájem galvanicky propojeny.
Ochranná uzemnění bytových a jiných objektů, stožárů veřejného osvětlení jsou přes nulové vodiče (v soustavě TN-C) přípojek NN propojena s uzemněním trafostanic, která jsou dále mezi sebou propojena kabely VN 22 kV (prostřednictvím měděného stínicího opletení a souběžným páskovým zemničem v rýze).
Je tak vytvořena soustava propojených uzemňovacích soustav, jimiž protékají bludné a interferenční (z provozu stanic katodické ochrany plynovodů) proudy. Jde v podstatě o liniovou konstrukci, ve které jsou zemniče propojeny spojovacími vodiči.
Z hlediska působení cizího elektrického pole lze na tuto síť pohlížet jako na fiktivní kovovou desku v určité oblasti v rozsahu několika km2. Nově budované i existující neliniové konstrukce (přípojky ocelových plynovodů, litinových vodovodů, horkovodů a příslušná přívodní potrubí, dále existující armokoše pilot připojené k uzemnění objektů jako „přizemnění“, ale především uzemňovací soustavy objektů v poli bludných proudů shromažďují proud z okolí.
Praktický dopad tohoto jevu spočívá v tom, že při korozním průzkumu v dané lokalitě jako stanovení intenzity elektrického pole podle ČSN 03 8365 a rezistivity horninového prostředí podle ČSN 03 8365 se po realizaci stavby projevuje vliv koroze větší, než odpovídá šetření na „zelené louce“. U stavebních objektů je nejvíce ohrožené uzemnění, jelikož tvoří spojitou elektrickou cestu, kterou protékají bludné proudy a v příhodném místě vystupují do země s následkem koroze, čímž se snižuje životnost a funkce zařízení.
KOROZNÍ ODOLNOST BETONOVÝCH KONSTRUKCÍ
Korozní odolnost uvedených konstrukcí, jejich životnost a spolehlivost je jedním ze základních problémů téměř všech oborů stavitelství za posledních více než 130 let, kdy se beton vyrábí. Při hodnocení trvanlivosti železobetonových konstrukcí, které mají kompozitní charakter, se jedná do značné míry o mezioborovou problematiku, jež se mj. dotýká i elektrochemických procesů na rozhraní ocel/beton/korozní prostředí.
U nadzemních staveb je korozní proces v našich podmínkách umožňován vlhkým vzduchem obsahujícím kyslík, vodu a CO2 (především v půdě), tedy složkami, které jsou potřebné pro přeměnu oceli v oxidy a posléze v nesourodé hydroxidy železa (rzi). U železobetonových konstrukcí uložených v zemi se vedle agresivity horninového prostředí může vyskytnout koroze bludnými proudy.
Vliv bludných proudů je rozdílný podle toho, jestli je výztuž spojována přesahem nebo vázacím drátem či jestli je nutno výztuž z různých důvodů svařovat v ucelené systémy.
Vliv bludných proudů je rozdílný podle toho, jestli je výztuž spojována přesahem nebo vázacím drátem či jestli je nutno výztuž z různých důvodů svařovat v ucelené systémy. Oproti uložení oceli v zemi (např. v případě zemnicích pásků FeZn 30/4 mm) poskytuje beton ocelové výztuži nebo ocelovým zemničům vysoký stupeň ochrany v důsledku existence pasivační vrstvy oxidů železa, které jsou termodynamicky stabilní v rozmezí pH = 12 až 13.
Tato pasivační vrstva okují (na bázi magnetitu) o tloušťce až 500 µm tvoří elektrochemickou a ohmickou bariéru proti působení bludných proudů. Z ověřených šetření (viz publikaci Projektování a realizace staveb z hlediska bludných proudů od autora tohoto článku) vyplývá, že hranice anodické proudové hustoty na povrchu výztuže, při které ještě nedochází k její korozi, je v rozmezí 50 až 75 mA.m–2, průměrně Jkor ≤ 60 mA.m–2.
V tomto směru je patrný velký význam tloušťky krytí výztuže (zemniče) betonem (optimálně 50 mm směrem k horninovému prostředí). Z výše uvedeného je zřejmé podstatné snížení koroze u zemničů při použití betonového obložení (tři až pětkrát podle agresivity prostředí).
OBECNÉ PRINCIPY OCHRANY ZÁKLADOVÝCH KONSTRUKCÍ
Se zřetelem na výsledky korozního průzkumu na staveništi (ČSN 03 8350) se navrhuje aplikovat ochranná opatření, která spočívají ve zvýšení schopnosti železobetonu odolávat působení agresivního půdního prostředí včetně tlakové podzemní vody a vlivu bludných proudů na ocelovou výztuž.
V tomto směru jsou k dispozici dva postupy, a sice použití tzv. černé vany nebo tzv. bílé vany. Při použití černé vany je konstrukce izolována proti průniku vody. Jako izolační materiál slouží nejčastěji asfaltové nátěry, asfaltové natavovací pásy a plastové fólie. Název je odvozen od barvy nejpoužívanější hydroizolace, tj. asfaltové pásy = černá.
Bílá vana je stavební konstrukce základů nebo svislých stěn z vodonepropustného monolitického betonu, který díky svým vlastnostem plní jak nosnou, tak hydroizolační funkci, proto pro bílou vanu není potřeba žádná dodatečná hydroizolace. Aby nebyla narušena její vodotěsnost, musí být prostupy řádně připraveny a utěsněny. Název je odvozen podle přibližné barvy betonu = bílá.
V posledních letech se u větších staveb používá výhradně bílá vana s omezením množství a šířky trhlin, např. technologie Permacrete s přísadou Xypex při 90denním nárůstu pevnosti v tlaku s max. trhlinou 0,2–0,25 mm, max. průsak 20–30 mm podle ČSN EN 12390-8 Zkoušení ztvrdlého betonu – část 8: Hloubka průsaku tlakovou vodou.
Informaci o obsahu vody v betonu lze získat měřením rezistivity podle autorem publikovaného postupu. Například pro pevnostní třídu betonu C25/30: je pro běžný konstrukční beton rezistivita ρb = 110 Ωm při permeabilní pórovitosti vzorku ρb = 9,1 % (objem pórů naplněných vodou), zatímco beton s technologií bílé vany: ρb = 650 Ωm; ρb = 1,54 %, tedy 5,9× větší rezistivita. Pro porovnání: u vysušeného vzorku betonu při teplotě 110 °C byla zjištěna rezistivita ρb = 53 000 Ωm; ρb = 0,02 % (vody v pórech).
OPATŘENÍ PŘI NÁVRHU ŽELEZOBETONOVÝCH ZÁKLADOVÝCH KONSTRUKCÍ
Jako příklad praktického opatření použijeme realizovanou stavbu v Praze 6 v ulici Evropská. Stavba AFI Vokovice je situována u stanice metra A Nádraží Veleslavín, přičemž základové konstrukce zasahují do ochranného pásma metra, které je b = 20 m, a do ochranného pásma železnice. V daném případě, kdy provařená výztuž v základové desce je považována za uzemnění, výše uvedená vzdálenost b = 0, tudíž stavba nebyla povolena a návrh uzemnění musel být přepracován, tj. použití zemničů v podkladním betonu C16/20, což umožňuje dispoziční uspořádání uzemnění přizpůsobit požadavkům DPP.
V trase Dejvická – Nemocnice Motol je realizován odlišný způsob zemnicí soustavy metra. Místo spojitého provedení přes tunely je vždy zřízena rozsáhlá uzemňovací soustava u jednotlivých stanic metra, v daném případě Nádraží Veleslavín. Bludné proudy se tak šíří přes propojené zemniče metra. Návrh opatření vycházel z výsledků inženýrsko-geologického průzkumu, analýzy vzorku podzemní vody, z geo-elektrického průzkumu, z výsledků měření intenzity elektrického pole na povrchu země, jakož i vyhodnocení zdrojů bludných proudů (uzemnění metra A, koleje tramvaje a koleje budoucí rychlodráhy k Letišti Václava Havla Praha).
Základová spára je 10,5 až 13 m pod terénem ve zvětralých písčitoprachovitých břidlicích, 3,3 m pod hladinou podzemní vody. Elektrická konduktivita podzemní vody je 288 mS.m–1 (rezistivita ρv = 103 / 288 = 3,47 Ωm), což je podle ČSN 03 8372 agresivita na ocel vysoká (IV) > 43 mS.m–1). Stupeň agresivity na beton podle ČSN EN 206-1: XA2 (obsah chloridů: 500 mg/l; obsah síranů: 400 mg/l). Podle ČSN 03 8363 (Wennerova metoda s rozestupem měřicích elektrod a = 5 m) byla zjištěna rezistivita horninového prostředí ρ = 29,2 až 39,5 Ωm). Podle ČSN 03 8365 byla dne 23. 6. 2015 stanovena intenzita elektrického pole na povrchu země Ei = 2,6 až 5,5 mV.m–1.
Při realizaci základových konstrukcí byl pro základovou desku v tl. 600 až 750 mm použit beton pevnostní třídy C30/37-XA2, XC3-Cl0, 2-Dmax 22-S3 s krystalizační přísadou Xypex Admix C NF 2 kg.m3, w/c max 0,5, max. trhlina do 0,2 mm, max. průsak 20 mm, tj. bílá vana – z vodotěsného betonu (90denní nárůst pevnosti betonu), s elektrickou rezistivitou ρb = 1 080 Ωm (permeabilní pórovitost ηp = 0,92 %), výztuž ocel BSt 500 (10505).
Pod základovou deskou je podkladní beton v tl. 120 mm třídy C16/20 (ρb = 60 Ωm; ηp = 16,7 %). Mezi deskou a podkladním betonem je separační vrstva z PE fólie. Základová deska je podepřena pilotami ∅ 900, resp. 1 200 mm délky 4 až 14 m z betonu C25/30 XA2, S4, výztuž B500B, krytí výztuže 70 mm. Výztuž pilot a základové desky není vzájemně galvanicky propojena ani s uzemněním v podkladním betonu.
OBECNÉ PRINCIPY NÁVRHU UZEMŇOVACÍ SOUSTAVY
Uzemnění zahrnuje vytvoření spojité elektrické cesty mezi elektrickým zařízením a zemí. Účelem uzemňování je zajištění správné činnosti některých elektrických zařízení a ochrana před úrazem elektřinou, ochrana před bleskem, přepětím a před účinky statické elektřiny.
Funkční uzemnění je základním prvkem elektroinstalace ve všech budovách a novostavbách. Od dobré funkce uzemnění požadujeme, aby mělo trvalé a neměnné parametry po celou dobu plánované životnosti stavby. Na životnost uzemnění má zásadní vliv koroze, kdy úbytkem hmotnosti (průřezu) zemničů přestává uzemnění plnit svou funkci.
V praxi se uplatňují tři typy zemničů, a sice: základový, obvodový (horizontální), hloubkový (vertikální). Nejvíce je aplikován základový zemnič s uložením elektrod do betonových základů (např. pásek FeZn 30/4 mm v územích bez vlivu bludných proudů). Před zavedením vodotěsných betonů do praxe se často používal náhodný zemnič jako základový zemnič, jehož součástí je armování železobetonu s výhodou velké dotykové plochy přes částečně elektrolyticky vodivý základový beton se zemí.
Pokud zemnič nemá kontakt se zemí např. v „plně izolované (černé) vaně nebo v tzv. bílé vaně, musí být instalován zemnič vně základové desky. Ten pak převezme funkci základového zemniče (Dehn + Söhne+EuroVolt s. r. o.: Základový zemnič – 1. díl).
Uzemnění pro ochranu před úrazem elektrickým proudem včetně pospojování technologických zařízení a silových zařízení NN a VN se navrhuje společné i pro ochranu před bleskem (ČSN 33 2000-5-54 ed. 3; ČSN EN 62305-1 až 4). Požadovaná hodnota zemního odporu uzemnění bývá v rozsahu 1 až 15 Ω. Životnost uzemnění musí být v souladu s návrhovou životností objektu. Podle ČSN EN 1990 a podle kategorie objektu je návrhová životnost objektu 50 až 100 let. Tyto skutečnosti musí být vzaty v úvahu při dimenzování uzemnění z hlediska jeho hmotnosti, plochy, délky (u obvodového uzemnění a vertikálních zemničů).
OPATŘENÍ PŘI NÁVRHU UZEMŇOVACÍCH SOUSTAV
U stavby AFI Vokovice, vzhledem k tomu, že v objektu je nová velkoodběratelská trafostanice 1 000 kVA-22/04 kV, zemní odpor by měl být nižší než 2 Ω po celou dobu životnosti objektu, tj. 80 roků. Podle požadavku investora (OM Consulting s. r. o.) a GP (GEMO Olomouc, s. r. o.) má být zemní odpor uzemnění nižší než 1 Ω.
Tomu pak odpovídá návrh základového uzemnění uloženém v podkladním betonu. U uvedené stavby bylo třeba z důvodu hmotnosti místo mřížového zemniče (z pásků Fe 60/5 mm v betonovém obložení) použít KARI sítě KY (159/150/8 mm) 3 × 2 m, uložené v podkladním betonu C16/20.
Návrhové parametry uzemnění pro øρ = 40 Ωm; øEi = 4,0 mV.m–1 koeficient šíření proudů x = 4. Plocha uzemnění S = 1 278 m2; zemní odpor RZ = 0,45 Ω; protékající proud uzemněním øIb = 5,7 A; hmotnost uzemnění G = 7 323 kg; životnost ∆ = 124 roků. Pro navržený aktivní hromosvod byly vybudovány 4 svody hromosvodu s rozpojitelnými zkušebními svorkami umístěnými na zdi v nejnižším podlaží k provedení revizních měření (kontrola spojitosti svodu, jeho připojení k uzemnění).
Podobně se postupovalo u uzemňovacích přívodů z technologických zařízení (trafo, výtahy, rozvaděče atd.). U smyček byl ohmmetrem PU 183 Metra Blansko změřen odpor nižší než 0,2 Ω.
Uzemnění vyhovuje jak z hlediska hodnoty zemního odporu RZ = 0,45 Ω ≤ 1 Ω, tak požadované doby odolnosti a funkčnosti ∆‘ = 124 roků > 80 roků.
JE TŘEBA KOMPLEXNÍ PŘÍSTUP
U problematiky ochrany stavby proti bludným proudům se jedná o poměrně složitou meziprofesní disciplínu zahrnující obory elektrotechniky: hromosvod + uzemnění, stavební část (kvalita betonu), statiku, zakládání staveb, infrastrukturu (přípojky, veřejné osvětlení), inženýrsko-geologický a korozní průzkum (jejich vyhodnocení pro návrh optimálních parametrů konstrukcí), geochemii (analýza podzemní vody), ekonomiku stavby i další.
Při ochraně uzemnění proti bludným proudům je třeba vzít v úvahu pokrok, k němuž došlo v posledních letech v betonovém stavitelství, zejména ve využívání bílé vany (vodotěsného betonu) při zakládání staveb.
Vzhledem k nutnosti komplexního přístupu k řešení dané problematiky dochází v praxi ke dvěma extrémům: buď se vliv bludných proudů přeceňuje, což vede ke zvýšení stavebních nákladů, nebo podceňuje, což ve svých důsledcích vede k větším škodám (např. ke snížení životnosti a ztrátě funkčnosti uzemňovacích soustav).
Text: Ing. Josef Polák, CSc.
