CE-Defense: Aktuální problém rozvoje metod navrhování a realizace nosných konstrukcí

Obecně lze katastrofické události (CE – Catastrophic Events) klasifikovat jako nežádoucí situace vyskytující se v průběhu provozu stavebního objektu, v jejichž důsledku dochází k významnějším hmotným ztrátám i ohrožení zdraví a života. Těmto případům je třeba předcházet, nicméně existují též situace, kterých intenzita, nepředvídatelnost a charakter neumožňuje je jednoznačně v předstihu vyločit. Zůstává tak významná cesta obrany proti těmto katastrofickým událostem spočívající v přípravě zmirňující a následně eliminující jejich následky.

Obr. 1 – Zkoušený model vyrobený z organického skla

Tradiční pojetí metod navrhování a realizace nosných stavebních konstrukcí je – zejména v našem středoevropském regionu – historicky založeno na pojetí vycházejícím z požadavků na definovanou hladinu spolehlivosti (bezpečnosti) a kvality (použitelnosti a trvanlivosti) stavebního díla v souladu s příslušnými technickými dokumenty, a to při působení zatížení stálých (vlastní tíha konstrukce, tíha pevně zabudovaných součástí stavby, předpětí, zatížení účinky vody, zemního tlaku, nepřímé účinky vlivem sedání základů aj.), zatížení proměnných (užitná zatížení, účinky sněhu a větru, nepřímé účinky od teploty aj.) a zatížení mimořádných (účinek požáru, nárazu vozidla, výbuchu apod.).
V souladu s konečným návrhem unifikovaného evropského dokumentu EN 1990: Zásady navrhování konstrukcí [1] musí mít navržená konstrukce odpovídající únosnost, použitelnost a trvanlivost. Uvažují se čtyři návrhové situace, a to trvalá (normální provoz), dočasná (výstavba, přestavba), mimořádná (požár, výbuch, náraz) a seizmická (účinky zemětřesení). Pro různé typy nosných konstrukcí stavebních objektů se definují diferencované návrhové doby životnosti v rozmezí od 10 (dočasné konstrukce), přes 50 (konstrukce pozemních staveb) až po 100 let (monumentální objekty, mosty apod.).

Obr. 2 – Silikátový zkušební model

Příslušné návrhové situace se volí s přihlédnutím k okolnostem, za kterých bude nosná konstrukce plnit svou funkci. Konstrukce má být navržena a provedena tak, aby se nepoškodila způsobem nepřiměřeným příčině (výbuch, náraz, důsledky lidských chyb). Typy uvažovaných událostí se pro určitý projekt definují v souladu s dohodou klienta (investora) a odpovídající zákonné (oprávněné) instituce.
Z hlediska dosažení odpovídající trvanlivosti konstrukce je třeba uvážit zejména zamýšlené, resp. předvídané použití stavby, požadovaná návrhová kritéria, předpokládané podmínky prostředí, kvalitu provedení, kontroly i udržování aj.
Definování uvažovaných návrhových situací je nepochybně odvislé od účelu a významu stavby, možných důsledků porušení objektu a zejména též výše odpovídajících nákladů, jež by umožnily dohodnuté požadavky a podmínky na plnění funkce objektu zabezpečit.
Novější soubor příspěvků k problematice inženýrských trendů a rozvoje koncepce metod navrhování nosných konstrukcí založených na soudobém pojetí analýzy bezpečnosti, rizika a spolehlivosti stavebních objektů je zpracován např. v [2].

CE-DEFENSE
Uvedená základní východiska vymezující požadavky na návrh nosného konstrukčního systému naznačují, že z hlediska procesu řízení spolehlivosti a analýzy rizik (Management of Reliability and Risk Analysis) nelze všeobecně a jednoznačně vyloučit nebezpečí porušení či poškození stavebního díla a závažných materiálních a provozních důsledků i ztrát v rámci ohrožení zdraví a života dotčených osob, a to zejména s přihlédnutím k tzv. katastrofickým událostem, jejichž rozsah a intenzita se vymyká definovaným, tj. předpokládaným standardizovaným a očekávaným vlivům projevujícím se po dobu životnosti objektu.
Obrana proti katastrofickým událostem (CE-Defense) je novodobým komplexním přístupem spadajícím do oblasti analýzy rizik, jehož podstatou je prevence a minimalizace ztrát vyplývajících z nežádoucích účinků působících na stavební konstrukce. Katastrofické události lze klasifikovat jako nežádoucí situace vyskytující se v průběhu provozu stavebního objektu, v jejichž důsledku dochází k významnějším hmotným ztrátám i ohrožení zdraví a života. Těmto případům je třeba v první řadě předcházet, nicméně existují též extrémní situace, u kterých jejich intenzita, nepředvídatelnost a charakter neumožňují jednoznačně v předstihu směřovat k důslednému vyloučení jejich účinků. Zůstává tak významná cesta obrany proti těmto katastrofickým událostem spočívající v přípravě zmirňující a následně odstraňující, resp. eliminující jejich následky.
K reprezentativnímu výběru charakteristických příkladů katastrofických událostí lze uvést např.:

• účinky požáru;
• zemětřesení a působení lávových proudů;
• výbuchy (technologického, resp. teroristického původu);
• sesuvy půdy, poklesy podloží a tektonické zlomy;
• nárazy vozidel a letadel do stavebních děl;
• přívalové deště, povodně, záplavy a přílivové vlny;
• extrémní účinky zatížení sněhem, navátým pískem apod. nad rámec definovaných hodnot zatížení;
• vichřice, tropické cyklony a hurikány (v oblasti Střední Ameriky, Mexika a USA), resp. tajfuny (v Tichém oceánu v oblasti Japonska, Číny a Filipín) aj.

Ke katastrofickým událostem lze tedy přiřadit jak situace, jejichž důsledky lze minimalizovat návrhem a provedením konstrukce (např. účinky požáru či definovaného výbuchu), tak situace, jež jsou svým rozsahem a účinky zcela mimořádné, stěží zvládnutelné (zlomy podloží, hurikány aj.) a též společensky zcela nepřípadné (teroristické výbuchy, navedení letadel na stavební díla, apod.). Je zřejmé, že řešení úloh obrany proti katastrofickým událostem není vždy jen technickým a technologickým problémem, nýbrž z velké části též problémem společenským, ekonomickým a sociologickým.

Obr. 3 – Schéma unikátního zkušebního zařízení – vibračního stolu

EXPERIMENTÁLNÍ VÝZKUM
V tomto příspěvku dále poukážeme na vybrané dílčí problémy technického řešení otázek analýzy katastrofických událostí a zejména na možnosti jejich experimentálního výzkumu, podstatně determinované kvalitou vybavení zkušebních laboratoří a jejich testovacích aparatur. Zaměříme se zvláště na dílčí oblast tzv. E-Defense, tj. výzkumu obrany proti účinkům zemětřesení (Earthquake-Defense). Naznačeným otázkám je zejména v zahraničí věnována v období posledních dvou desetiletí výrazná pozornost. Uvedeme dva ilustrativní příklady.

Obr. 6 – Ověřován byl například i ocelový skelet pětipodlažní
budovy.

Celý nezkrácený článek vč. dalších fotografií si můžete přečíst v časopise KONSTRUKCE číslo 2/2006.

Autor

• Prof. Ing. Melcher Jindřich DrSc.