Ochrana Bořislavka Centra před účinky bludných proudů, uzemnění a ochrana před bleskem

Článek popisuje, jak je nejen vhodné, ale především důležité komplexní řešení problematiky ochrany stavby před účinky bludných proudů společně s návrhem uzemnění a výhodným využitím systému provaření výztuže i pro systém ochrany před bleskem a vyrovnání potenciálu. Text poukazuje na některá nepřesná a zavádějící tvrzení zejména v oblasti funkce a možností využití základových zemničů a nesmyslných tvrzení o nevhodnosti jejich používání, což dokazuje na konkrétním případě řešení i možnostech variant ochrany před bleskem i v případě architektonicky náročných moderních konstrukcích. Popisované řešení je doloženo praktickými výsledky z měření specializovaného pracoviště dle TP 124 MD ČR v oblasti ochrany staveb před účinky bludných proudů a v oblasti vysokých napětí (člen AZVN - Asociace zkušeben vysokého napětí).

Stavba Bořislavka Centra je rozměrnou železobetonovou stavbou situovanou v bezprostřední blízkosti zdrojů bludných proudů. Stavba je umístěna v těsném kontaktu s tubusem pražského metra trasy „A“ v celé své délce stavby a nachází se v ochranném pásmu metra. Ze stavby je navržen podchod na navazující vestibul metra. V ulici Dejvická je vedena tramvajová trať, na jižní straně je uvažována železniční trať Praha – Kladno, která bude elektrizována dočasně stejnosměrnou proudovou trakční soustavou, případně přímo jednofázovou proudovou trakční soustavou a bude řešena jako tunelová stavba mezi nádražím Dejvice a Veleslavín.

Pro stavbu bylo nutno navrhnout ochranná opatření před účinky bludných proudů včetně systému uzemnění a navazujícího systému ochrany před bleskem. Před zahájením stavby byl zpracován v rámci projektové přípravy základní korozní průzkum v roce 2015 podle ČSN 03 8372 s vyhodnocením a stanovením stupně ochranných opatření podle Technických podmínek TP 124 MD ČR.

Výsledky měření nebyly zcela nepříznivé (Jv ∈ (5,78.10^–6; 7,59.10^–5 A.m^–2). Pro stavbu byl zvolen sací koeficient o velikosti K_s = 4, a to s ohledem na uvedené zdroje bludných proudů, jejich postavení, rozměr stavby, a jak bude uvedeno dále, i řešení spodní stavby. Pro stavbu byl stanoven stupeň ochranných opatření č. 4 podle TP 124 MD ČR 2009.

Návrh ochranných opatření před účinky bludných proudů byl zpracován samostatnou projektovou dokumentací v souladu s ČSN EN 50162, příloha NA, resp. rezortním předpisem MD ČR TP 124 [1] společně s návrhem zemnící soustavy a později i ochrany před bleskem. Součástí dokumentace je i návrh nedestruktivní diagnostiky koroze výztuže a požadavky na měření vlivu bludných proudů v průběhu a po dokončení stavby včetně měření vůči stavbě metra. Nedestruktivní diagnostika koroze výztuže obsahuje čidla korozní rychlosti, čidlo měření rezistivity betonu a sondu pro sledování výskytu korozních procesů. Čidlo pro průnik agresivních látek k výztuži nebylo aplikováno.

Jedním z kritických bodů celého návrhu bylo rozhodnutí o řešení spodní stavby ve vztahu k objektu metra. V tak těsné blízkosti metra se snažíme důsledně navrhovat stavby se sekundární ochranou, tj. se systémy vodotěsných izolací (tzv. „černá vana“). Rozsah a řešení stavby toto řešení umožňovalo jen velmi obtížně. Bylo tak přihlédnuto k řadě dalších faktorů a byly stanoveny speciální požadavky pro založení stavební jámy. Výchozím parametrem byl poměrně příznivý výsledek základního korozního průzkumu. Tomuto výsledku zřejmě přispěla konstrukce nové části stavby trasy metra „A“, která je provedena technologií TBM. Zkušenost s podobnou konstrukcí byla již získána při stavbě železničního tunelu v Ejpovicích.

Dalším významným bodem je způsob řešení záporové stěny směrem ke stavbě metra, kde byla navržena stěna z masivních převrtávaných pilot. Piloty byly opatřeny torkretovým nástřikem, na který byla uložena silná vrstva polystyrénu. V rámci dokumentace byl doplněn požadavek na provedení dočasných zemních kotev pro záporovou stěnu formou elektrického izolačního uložení od záporové stěny nebo v provedení elektrických izolačních zemních kotev. Požadavek byl později při stavbě měřením ověřován. Dále byly stanoveny požadavky na volbu systému vodotěsných izolací pro ochranu podchodu pod ulicí Dejvická s požadavkem na elektrické izolační oddělení od vestibulu metra. I toto opatření bylo při stavbě postupně ověřováno měřením. Takto navržená koncepce konstrukčních opatření vedla ke konečnému rozhodnutí, ponechat spodní stavbu bez systému vodotěsných izolací (tzv. „bílá vana“) s tím, že na úrovni primární ochrany byl navržen beton s vyšší kvalitou značky Permacrete se zvýšeným krytím výztuže. Požadavky na zvýšené krytí výztuže byly uplatněny pro všechny části spodní stavby včetně pilot. Piloty nejsou do stavby v plné ploše vetknuty (nejsou tahové), a tak netvořily hlavní zemnící soustavu, ale základem zemnící soustavy je výztuž spodní stavby – tj. základové desky a stěn pod úrovní terénu.

S ohledem na všechny uvedené skutečnosti nebyl v rámci konstrukčních ochranných opatření uplatněn systém provaření výztuže pomocnými bodovými svary podle TP 124 MD ČR, ale pouze provaření výztuže pro účely uzemnění. Tato koncepce řešení je na území Prahy na stavbách metra s komplexním návrhem ochranných opatření ojedinělá. Pokud je to možné, takové řešení se běžně neuplatňuje.

Systém ochranných opatření byl přijat ostatními profesemi projektanta a stavbou realizován. V rámci měření vlivu bludných proudů v průběhu stavby byla jednotlivá ochranná opatření kontrolována. Jednalo se nejen o již zmíněné dodržování elektrického izolačního odporu dočasných zemních kotev, ale i kontrolní měření potenciálů a překlenovacích proudů na záporových stěnách a na spodní stavbě. Rovněž byl kontrolován elektrický izolační odpor mezi stavbou metra a novými konstrukcemi podchodu a nové stavby. Průběžnou kontrolou na stavbě a ve spolupráci se zhotoviteli stavby se dařilo požadavky postupně úspěšně realizovat.

Za pozornost stojí zemnící soustava a její postavení vůči metru. Bylo nutno se vypořádat s připojovacími podmínkami DP Metro s ohledem na požadavek vedení uzemnění ve vzdálenosti 20 metrů od stavby metra [2].

Nebylo tak možné připravovat směrem ke stavbě metra ani svody ani strojené zemniče. Vlivy bludných proudů byly ověřeny měřením za přijatelné a bylo nutno zajistit životnost uzemnění i stavby s důrazem na kvalitu uzemnění a vyrovnání potenciálu. Z tohoto pohledu se volba založení stavby se základovým zemničem, který tvoří součást stavby, jeví jako velmi výhodná, protože systém základových zemničů splňuje požadavky jak na kvalitu uzemnění, tak na odolnost před korozním namáháním a tedy životnost uzemnění, resp. stavby. Používání základových zemničů v ČR (ČSSR) je datováno cca od poloviny minulého století na základě řady prací domácích i zahraničních. Hlavním představitelem uplatnění základových zemničů v ČR byl výzkumný ústav EGÚ Brno [3]. Pro projektanty byla vypracována publikace pro návrh základových zemničů v rámci edice IN-EL [4] a další.

V poslední době se opakovaně objevují zcela zavádějící diskuse, že vodotěsný beton je izolantem a není vhodné jej používat pro základové zemniče. Publikace vědeckých pracovišť, normy a konečně praxe v daném oboru a výsledky měření za uplynulých třicet let jednoznačně prokazují, že tyto úvahy jsou zcela mylné a vychází z neznalosti elektrotechniky a materiálů. Ověřování použití základových zemničů podléhalo dlouhodobým výzkumům jak z pohledu energetiky [3], tak z pohledu korozních a statických vlivů – např. [5], [6], [7]. Beton v jakékoliv podobě vykazuje vlastnosti horší nebo lepší zeminy, je prostým elektrolytem s rezistivitami betonu v rozptylu cca od 50 do 200 Ωm [7].

Jak ukázal Výzkumný úkol vývojového pracoviště společnosti „Vladimír Fišer“ na prototypu mostu s „přímopojížděnou“ mostovkou (PPM) ze železového betonu [8] v oblasti UHPC betonů (tedy velmi pevných betonů určených pro pojížděné komunikace), dokonce i tyto betony, které nedlouho po prvních charakteristických periodách zrání vykazovaly rezistivitu v řádu 1 200 Ωm, dosáhly během jednoho roku opět hodnot cca 300 Ωm, tedy i tento beton vykazuje vlastnosti „horší“ zeminy. Příčinou je vázaná voda v betonu, která se ve sloučenině betonu nachází vždy. Problematikou funkčnosti základových zemničů se rovněž intenzivně zabývalo EGÚ Brno [3] s publikovanými výsledky nejen z hlediska funkce zemniče v běžném provozu, ale i při přechodových jevech – například jak dlouho při působení zkratových proudů je základový zemnič funkční.

Vlastní měření v terénu na všech dopravních i pozemních stavbách na území ČR a SR jednoznačně prokazují, že základové zemniče s využitím výztuže jsou nejspolehlivější zemnící soustavy s velmi dobrým dimenzováním z hlediska přechodových jevů, a tedy i například bleskových proudů. Měření na stavbě ELI Břežany i v tunelu Ejpovicích a dalších jednoznačně prokázala, že železobetonová konstrukce je schopna velmi rychle a na malé ploše vstřebat přechodový jev bez vzniku nebezpečných dotykových napětí na povrchu betonu mimo prostor vniku napětí do povrchu konstrukce nebo přímo do výztuže. Při těžkých proudových pulzech (125 kV, 85 kA) do povrchu betonové konstrukce je možné za určitých podmínek dosáhnout vytržení kusu betonu krycí vrstvy, avšak žádné nebezpečné jevy, a to dokonce ani na mokrých površích, nebyly zjištěny [9] [10]. Lze tedy plně potvrdit publikace z let šedesátých a základové zemniče tak, jak například doporučuje norma ČSN 33 2000-5-54 ve všech edicích, bez obav používat. Samozřejmě při návrhu je třeba respektovat určitá pravidla daná dříve citovanými publikacemi.

V daném případě (pro stavbu Bořislavka Centra) byly dosaženy tyto hodnoty rezistivit vodotěsného betonu Permacrete (tedy velmi kvalitního vodotěsného betonu) ukazuje tabulka 1 (Pozn.: Hodnoty rezistivit betonových konstrukcí jsou dlouhodobě sledovány na všech dopravních i pozemních stavbách v rámci instalací nedestruktivní diagnostiky koroze výztuže.).

Tabulka 2 zobrazuje hodnoty zemního odporu provařené výztuže v základové desce v průběhu výstavby (měřeno metodou vzdálené země např. podle ČSN 33 2000-5-54 pro vzdálenost sond 50/100 a 100/200).

Hodnoty zemních odporů měřených vyztužených betonových konstrukcí ve funkci základových zemničů jsou sledovány v rámci všech měření vlivů bludných proudů na dopravních i pozemních stavbách více než 30 let a jsou podkladem (společně s dalšími sledovanými parametry) pro tvorbu předpisů v rezortu dopravy v ČR i SR. Obvykle je dosahováno hodnot v řádu do 1 až do 2 Ohmů. Tyto hodnoty platí obvykle i pro jednotlivé patky mostních staveb. V půdně nepříznivých podmínkách je jistě možné dosahovat hodnot vyšších, obvykle se u dílčích malých základů nepřekročí 5 až 10 Ohmů (například Benešovské tunely SŽDC).

Tabulka 3 ukazuje příklad měření kontroly kvality provaření výztuže na vývodech pro uzemnění (měřeno čtyřvodičovou metodou vůči referenčnímu vývodu podle tabulky 2). Takto je provedena kontrola měřením od spodních pater až do střešní železobetonové desky, resp. atik.

Měření vlivu bludných proudů po dokončení stavby prokázalo tyto zajímavé výsledky:

• Výsledné hustoty bludných proudů po dokončení stavby se v lokalitě mírně zvýšily a dosahují hodnot 1,09.10^–4 A.m^–2; tato hodnota odpovídá skutečného sacímu koeficientu K_s = 1,54, což je velmi příznivý výsledek s ohledem na postavení metra vůči nové stavbě i rozhodnutí o nepoužití systému vodotěsných izolací.
• Zemní odpory jednotlivých vývodů z uzemnění v roce 2020 vykazují hodnoty (výběr pro jednu část a jednu věž) dle tabulky 4. Rovněž se jedná o velmi dobré hodnoty, zejména s přihlédnutím k požadavkům na vyrovnání potenciálu daným hodnotami uvedenými v tabulce 3.

Systém provaření výztuže pro účely uzemnění a po spojení byl využit rovněž pro zajištění uzemnění všech neživých částí v celé stavbě včetně připojení jímací soustavy hromosvodu. Řešení spočívá v návrhu svislých svodů či vývodů pro uzemnění navržených vždy ze čtyř výztužných prvků (dva vnější a dva vnitřní výztužné prvky) ve stěnách nebo sloupech (minimálně dva prvky) podélně svařované (podle ČSN 33 2000-5-54, resp. TP 193 MD ČR) v místech podélného stykování. Jsou tak vytvořeny masivní vertikální svody o průřezu obvykle v řádu 800 až 2 000 mm² dle průměru výztuže (16 až 32 mm), ze kterých jsou připraveny vývody jednak pro uzemnění technologií a jednak v daném případě pro přizemnění náročného fasádního systému. Řešení tak umožňuje velmi kvalitně „přizemňovat“ průběžně kovový fasádní systém a mimo bezpečnostní hlediska je prakticky vytvořena i plášťová ochrana stavby. Rovněž se jedná o velice dobré hodnoty, zejména s přihlédnutím k požadavkům na vyrovnání potenciálu daným hodnotami uvedenými v tabulce 3.

Samotná jímací soustava na čtyřech věžích podléhala náročnému projednání s architektem, bylo nutno zohlednit nejen estetické řešení, ale i členění střechy, terasy, technologie. Pro dané uspořádání bylo nakonec rozhodnuto o použití jímačů ESE, tj. odlišným technickým řešením dle normy NFC 17-102:2011 oproti normě ČSN EN 62305-3, ed. 2. Návrh řešení byl intenzivně diskutován i z legislativního hlediska, jak je v současné době moderní. Na základě podrobné analýzy českého a evropského práva je možné systém ESE bez omezení instalovat. Rozhodující jsou zejména tyto dokumenty:

• Směrnice Evropského parlamentu a rady 98/34/ES ze dne 22. června 1998 o postupu při poskytování informací v oblasti norem a technických předpisů
• Konsolidované znění smlouvy o fungování Evropské unie, Úřední věstník EU C 83/47
• Předložení interpretačního sdělení Komise o usnadnění přístupu výrobků na trhy ostatních členských států: uplatnění vzájemného uznávání v praxi, Úřední věstník Evropské unie C 265/1, dokument Doc 69/2003, výbor pro normy a technické předpisy (98/34 výbor)
• Stanovisko MŽP, Slovinské republiky čj.: 5423-7/2007/148, ze dne 22. 5. 2009 o zrušení omezení ESE hromosvodů na základě stanoviska EK SG-Greffe (2009) D/1768 o formálním upozornění Evropské Komise (Porušení číslo 2007/4831) v souladu s článkem 226 Smlouvy o ES, týkající se možného neplnění povinností vyplývajících z článků 28 až 30 Smlouvy o ES, o změně přístupu k ESE systémům z hlediska národní legislativy Slovinské republiky a zrušení omezení jejich navrhování a instalací. Na úrovni ČR je to zejména novela Zákona č. 22/1997 Sb., o technických požadavcích na výrobky a o změně a doplnění některých zákonů, zejména §4 §13a, odst. 14, §13b
• Legislativní pravidla vlády, úplné znění (2016, č. 75) [11]
• Nařízení č. 10/2016 Sb. Hlavního města Prahy ve znění nařízení č. 2018 Sb. HMP Pražské stavební předpisy, zejména § 64 a řadou dalších odkazů a předpisů, zejména v oblasti judikatury EU, např. [12], [13].

V souladu s požadavky TIČR (Technická inspekce České republiky) byla stanovena rizika podle ČSN EN 62305-2 se stanoveným systémem ochrany před bleskem LPS II a následně byl proveden návrh s variantním řešením výrobků společností HELITA a PREVECTRON s tím, že dle předložených výrobků si architekt zvolil pohledově vhodnější výrobek. Řešení je koncipováno tak, aby každá věž byla vybavena svým jímačem ESE. Dokumentace pak obsahuje standardní textovou a výkresovou část s podrobným popisem celkového řešení až po systém uzemnění.

Jímací tyče jsou integrovány do systému provařené výztuže a uzemnění stavby. Pro účely vyžadované technickou inspekcí TIČR v rámci definovaných požadavků byla zemnící soustava doplněna pilotami ve vybraných místech pro naplnění funkce zemnících tyčí podle normy NFC 17-102:2011. Následně byla vypracována výchozí revize a vydáno stanovisko TIČR podle zavedených předpisů a stavba předána do provozu.

Ing. Bohumil Kučera
Stanislav Novák
JEKU s.r.o.

LITERATURA:
[1] Technické podmínky MD ČR – TP 124 Základní ochranná opatření pro omezení vlivu bludných proudů na mostní objekty a ostatní betonové konstrukce PK, 2008 (Odkaz zde)
[2] Obecné podmínky pro přípravu a realizaci staveb v ochranném pásmu metra (OPM), DP, a.s. (Odkaz zde)
[3] Zemnění a bezpečnost, J. Osolsobě, M.Zapletal, ČSAV 1964
[4] Uzemnění elektrických zařízení, A. Kočvara, ELEKTRO svazek 26, 1995.
[5] Využívání armatury základů staveb k uzemňování v bytové a občanské výstavbě, F. Krunet, Elektrotechnik 5/1986, str. 135–138
[6] Technické podmínky MD ČR – TP 193 Svařování betonářské výztuže a jiné typy spojů, 2008
[7] Primární ochrana – základní parametr ochrany před účinky bludných proudů a faktor kvality zemnící soustavy základových zemničů, Kurz korozních inženýrů, Asociace korozních inženýrů, 2019 [8] http://fiserv.cz/primo-pojizdene-mostovky/
[9] Mezinárodní výzkumné laserové centrum ELI, Elektrické a geofyzikální měření vlivu bludných proudů v průběhu stavby, měření kvality zemnící soustavy, Měření rázovým generátorem, č. ELI/MTS/2014-2-RG2, z.č. 13-B-068, B. Kučera, L. Kočiš, P. Vaněk, JEKU s.r.o., EGU-HV Laboratory a.s., 2014
[10] Modernizace trati Rokycany – Plzeň, SO 32-38-21 Tunely Homolka, SO 32-38-28 Tunely Chlum, Elektrické a geofyzikální měření vlivu bludných proudů po dokončení stavby, 2019
[11] LPV_uplne z https://www.vlada.cz/assets/ppov/lrv/ria/LPV_uplne-zneni.pdf neni _únor 2016_internet ÚV ČR (vlada.cz), zjednodušeně: https://cs.wikipedia.org/wiki/%C4%8CSN definice pro termín „jiná technická norma“
[12] Evropská komise – Rozhodnutí o nesplnění povinnosti Červencové případy porušení právních předpisů: hlavní rozhodnutí Brusel 25. července 2019, INF/19/4251
[13] Předpisy MD SR, např. SSC TP 03/20014 MD SR (TP 081), 2014 a další, 1. Úvodní kapitola (https://www.ssc.sk/sk/technickepredpisy-rezortu/zoznam-tp.ssc)