Skúsenosti zo skúšok bariér proti padajúcim skalám

Článok informuje o procese osvedčovania a hodnotenia zhody zostáv proti padajúcim skalám. Zároveň sa v ňom opisujú niektoré skúsenosti Technického a skúšobného ústavu stavebného (TSÚS) z nárazových skúšok zostáv vykonaných v rámci osvedčovania pod dohľadom zástupcu TSÚS.

Postup osvedčovania a hodnotenia zhody
Označovanie značkou zhody CE je povinné pri výrobkoch uvedených na trh v rámci Európskeho hospodárskeho priestoru (European Economical Area – EEA) alebo Európskej únie a Nórska, Islandu a Lichtenštajnska, keď sú všetky podmienky, ktoré to umožňujú, splnené [1]. Prvou a nevyhnutnou podmienkou na hodnotenie zhody výrobku je existencia harmonizovanej európskej technickej špecifikácie. V európskej smernici týkajúcej sa stavebných výrobkov (Construction Products Directive – CPD [1]) sa rozlišujú tieto typy harmonizovaných technických špecifikácií:

• harmonizované európske výrobkové normy (článok 7, CPD);
• európske technické osvedčenia (články 9.1 a 11, CPD). Európske technické osvedčenia sú vypracované v rámci Európskej organizácie pre technické osvedčovanie (European Organisation for Technical Approval – EOTA) na základe smerníc týkajúcich sa európskych technických osvedčení (European Technical Approval Guideline – ETAG). ETAG je teda dokument, ktorý obsahuje špecifické požiadavky kladené na výrobky vo vzťahu k základným požiadavkám, metódy skúšania výrobku, metódy overenia charakteristík a vlastností výrobkov a metódy hodnotenia zhody. ETAG pripravuje organizácia EOTA na základe mandátu získaného od komisie;
• európske technické osvedčenia bez smernice (článok 9.2, CPD).

Európske technické osvedčenia môžu pripravovať osvedčovacie miesta, ktoré sú členmi EOTA a považujú sa za harmonizovanú technickú špecifikáciu, pretože ich musia odobriť všetci členovia EOTA. Harmonizácia ETA sa uskutočňuje odosielaním návrhu ETA na pripomienkovanie všetkým členom EOTA a mô­že byť vydaná až po súhlase všetkých členov.

Po vydaní ETA nasleduje proces hodnotenia zhody. Technický a skúšobný ústav, n. o., ako notifikovaná osoba na ETAG 027 [2] má právomoci súvisiace s hodnotením zhody, čiže vykonávať počiatočnú inšpekciu výroby, vydávať európsky certifikát zhody výrobku a následne vykonávať priebežné (bežne ročne) inšpekcie vo výrobniach výrobcu, ktorým bol takýto certifikát vydaný.

Triedy zostáv proti padajúcim skalám

Prvky zostáv proti padajúcim skalám
Za zostavu proti padajúcim skalám sa považuje bariéra (flexibilná bariéra), ktorá pozostáva aspoň z troch funkčných polí (obr. 1 a 2), t. j. zo štyroch stĺpov a troch polí siete medzi stĺpmi. Sieť je pripojená k pozdĺžnym nosným lanám prebiehajúcim cez hornú a dolnú časť stĺpov. Podľa uloženia stĺpov môžu mať bariéry kĺbovo uložené stĺpy k základovej doske alebo stĺpy môžu byť votknuté. Bariéry s kĺbovo uloženými stĺpmi sú doplnené lanami proti smeru svahu a môžu byť doplnené aj lanami v smere svahu. Krajné stĺpy sú stabilizované bočnými lanami.

Obr. 1  Bočný pohľad na bežnú bariéru

Obr. 2  Pohľad zdola na bežnú bariéru

Na pohltenie časti energie sa používajú disipátory energie – brzdy, ktoré sú umiestnené v lanách na rôznych miestach podľa návrhu výrobcu. Na zabránenie veľkým otvorom sú niektoré bariéry navrhnuté so zvislými lanami pri krajných stĺpoch. Sieť môže byť pripojená buď k týmto zvislým lanám, alebo priamo k stĺpom.
Na stĺpy sa bežne používajú za tepla valcované tyče HEB alebo HEA podľa EN 10034 z ocele podľa EN 10025-2 so žiarovým zinkovaním ponorom podľa EN ISO 1461.

Sieť možno vytvoriť z drôtov alebo lán. Najbežnejšie siete z drôtov sú šesťuholníková dvojzákrutová sieť alebo kosoštvorcová sieť z vysokopevných drôtov. Prechodom medzi drôtenými a lanovými sieťami sú siete pletené z niekoľkých vzájomne stočených a vytvárajúce pramene. Typickým príkladom sietí z prameňov sú kosoštvorcové, siete v tvare omega a kruhové siete. Sieť z lán sa vytvára spojením lán v mieste ich kríženia špeciálnym spojovacím prvkom. Na zvýšenie odolnosti sa môžu cez sieť prevliecť pozdĺžne laná.

Brzdy môžu pracovať na rôznom princípe. Brzda na obr. 3 je špirála z plochej ocele, ktorá sa pri náraze rozťahuje. Pri inom type brzdy je lano zavlečené do kruhovej hliníkovej rúrky, ktorá sa pri aktivácii deformuje. Ďalší typ brzdy pracuje podobne, čiže využíva deformáciu relatívne mäkkých hliníkových rúr. V tomto prípade je prerušené lano spojené brzdou. Pri vzniku ťahovej sily v lanách sa hliníková rúra stlačí. Trenie sa využíva v brzde podľa obr. 4a. Pri aktivácii sa lano prešmykuje cez otvory v platni (obr. 4b). V brzde (obr. 5a a b) sa uplatňuje trenie a deformácia. Tyč (alebo viac tyčí) alebo pás z nehrdzavejúcej ocele sú ohnuté okolo oceľového tŕňa. Pri aktivácii sa tyče alebo pás posúvajú, a tým sa deformujú (obr. 5c).

Obr. 3  Typ brzdy 1 pred aktiváciou
Obr. 4  Typ brzdy 4 a) pred aktiváciou, b) po aktivácii
Obr. 5  Typ brzdy 5 a), b) pred aktivácioui, c) po aktivácii

Všetky komponenty disipátorov energie sú chránené proti korózii podľa EN ISO 1461, EN 10264-2 alebo sú vytvorené z nehrdzavejúcej ocele. Oceľové laná použité v bariérach sú podľa EN 12385-4+A1 z drôtov s povlakom zo zinku alebo zliatiny zinku triedy A alebo B podľa EN 10244-2. Zalisované objímky lán zodpovedajú norme EN 13411-3+A1, lanové svorky so svorníkom v tvare U norme EN 13411-5+A1 a strmene norme EN 13889+A1. Ak sa použijú iné, inovatívne komponenty alebo prvky, ktoré nie sú spomenuté v norme, musia byť jednoznačne opísané a ich charakteristiky sa musia overiť.

Požiadavky na zostavy proti padajúcim skalám podľa ETAG 027
ETAG 027 vznikol preto, aby sa zjednotili metódy skúšania a hodnotenia bariér a zároveň sa jednoznačne určilo, že nevyhnutným predpokladom uvedenia bariéry na trh je úspešná nárazová skúška. Energia bariéry sa definuje ako kinetická energia betónového bloku predpísaného tvaru, rozmerov a objemovej hmotnosti pri náraze do siete. Definujú sa dve energie, takzvaná energia pri používateľnosti (Service Energy Level – SEL) a maximálna energia (Maximum Energy Level – MEL). V ETAG 027 sa zostavy proti padajúcim skalám (bariéry) rozdeľujú podľa ich schopnosti pohltiť energiu pri dopade skaly do ôsmich tried podľa tabuľky.
Hodnota SEL uvažovaná ako 1/3 MEL sa zvolila na to, aby sa definovala prahová hodnota energie, po ktorej sa nevyžadujú žiadne opravy po náraze. Referenčný svah je svah predĺžený v smere maximálneho predĺženia siete. Pri skúške bariéry na skúšobnom mieste musí byť referenčný svah rovnobežný s trajektóriou bloku na dĺžke 1 m pred nárazom. Dovolená odchýlka sklonu svahu môže byť maximálne ± 20° (obr. 6). Nominálna výška bariéry hN je minimálna vzdialenosť medzi horným nosným lanom a líniou medzi základmi stĺpov meraná kolmo na referenčný svah pred nárazom. Predĺženie bariéry je maximálny posun siete v smere referenčného svahu počas nárazu (obr. 6). Čas brzdenia je čas medzi prvým kontaktom bloku so sieťou a maximálnym predĺžením siete po náraze. Reziduálna výška siete hR je minimálna vzdialenosť medzi horným a dolným lanom siete s blokom, meraná kolmo na referenčný svah po náraze (obr. 7). Základnou a nevyhnutnou požiadavkou na bariéru je, že pri skúške bariéry sa musí dosiahnuť energia vyššia alebo rovnajúca sa druhom energie uvedeným v tabuľke.

Obr. 6  Definícia maximálneho predĺženia

Obr. 7  Definícia reziduálnej výšky hR

Skúška SEL1 je úspešná, keď:

• blok je zastavený bariérou,
• nenastane žiadne pretrhnutie lán, drôtov alebo disipátorov a stĺpov a komponenty ostávajú pripojené k základu; otvory v sieti po skúške nesmú prekročiť dvojnásobok pôvodnej veľkosti,
• sa dosiahne reziduálna výška ≥ 70 % nominálnej výšky,
• blok sa nedotkne terénu predtým, ako bariéra dosiahne svoje maximálne predĺženie.

Skúška SEL2 je úspešná, keď:

• bok je zastavený bariérou,
• blok sa nedotkne terénu predtým, ako bariéra dosiahne svoje maximálne predĺženie.

Medzi skúškami SEL1 a SEL2 nie je dovolená žiadna oprava bariéry.

Reziduálna výška 70 % po skúške SEL1 sa stanovila ako primeraná výška siete, ktorá by umožnila zachytiť aj ďalšiu, nasledujúcu padajúcu skalu. Predpokladá sa tiež, že pri takej reziduálnej výške zasiahnutého poľa sa susedné polia siete nezdeformujú.

Skúška MEL je úspešná, keď:

• blok je zastavený bariérou,
• blok sa nedotkne terénu predtým, ako bariéra dosiahne svoje maximálne predĺženie.

Podľa veľkosti reziduálnej výšky po vykona­ní MEL skúšky sa bariéra zatriedi do kagetórie:

• A: reziduálna výška je ≥ 50 % nominálnej výšky,
• B: 30 % nominálnej výšky > reziduálna výšky < 50 % nominálnej výšky,
• C: reziduálna výška ≤ 30 % nominálnej výšky.

Obr. 8  Priebeh skúšok SEL

Skúška bariéry podľa ETAG 027
Skúška bariéry pozostáva z troch nárazových skúšok nárazom bloku do stredu stredného poľa trojpoľovej bariéry. Pri prvých dvoch skúškach SEL (SEL1 a SEL2) sa má na danú triedu bariéry dosiahnuť minimálna nárazová energia SEL podľa tabuľky. Tieto dve skúšky nasledujú po sebe. Prvý betónový blok sa hodí do novej bariéry a po vybratí bloku nasleduje druhý hod bez akejkoľvek úpravy alebo opravy bariéry po prvom hode (obr. 8). Treba uviesť, že zabudovaná bariéra nesmie byť nižsia ako bariéra skúšaná. Zabudovaná bariéra môže byť vyššia o maximálne 1 m ako skúšaná, a to pri bariérach, ktorých výška sa rovná alebo je viac ako 4 m vrátane, a môže byť vyššia o maximálne 0,5 m ako skúšaná, a to pri bariérach nižších ako 4 m.
Po skúškach SEL sa použitá bariéra odinštaluje a nainštaluje sa nová, ktorá slúži na tretiu nárazovú skúšku MEL, pričom pri danej triede bariéry sa musí dosiahnuť minimálne energia uvedená v tabuľke.

Ďalšou požiadavkou je, aby sa pri náraze dosiahla priemerná rýchlosť bloku na dĺžke 1 m pred kontaktom so sieťou minimálne 25 m/s. Objemová hmotnosť bloku musí byť v rozpätí od 2 500 do 3 000 kg/m³ a jeho maximálna výška obmedzená hodnotou Lext < hN/3. Pred skúškou sa musia overiť:

• všetky komponenty, ich rozmery, umiestnenie a ich mechanické charakteristiky porovnaním s výkresovou dokumentáciou bariéry,
• hmotnosť bloku,
• nominálna výška,
• geometria zostavy.

Počas skúšky sa musia zaznamenať:

• sily v lanách pomocou vhodne umiestnených silomerov tak, aby sa pokryli všetky sily pôsobiace na základy bariéry,
• rýchlosť padajúceho bloku vyhodnotená 1 m pred kontaktom,
• poloha stredu dopadajúceho bloku, ktorá musí byť v rámci kružnice s priemerom 1 m v strede stredného poľa,
• trajektória padajúceho bloku,
• maximálne predĺženie siete,
• ucelený záznam (videozáznam z rýchlobežnej kamery) o správaní bariéry vrátane deformácií, času brzdenia a dôkazu o tom, že sa bariéra nedotkla terénu predtým, ako dosiahla svoje maximálne predĺženie.

Po skúške sa zaznamená (s fotodokumentáciou) reziduálna výška bariéry a všetky poruchy bariéry.
Minimálne požiadavky na meracie zariadenia a ich presnosť sa uvádzajú v ETAG 027. Všetky zariadenia musia byť overené. Okrem samotných nárazových skúšok bariéry sa musia vykonať aj identifikačné skúšky jej komponentov, teda siete, disipátorov a lán, a to statické skúšky uvedené v prílohe C ETAG 027.

Vzorky komponentov sa musia odoberať z neporušených častí skúšanej bariéry po skúške (laná a sieť). Identifikačné skúšky bŕzd by sa mali vykonať na brzdách z tej istej šarže, ako sú brzdy použité v skúšanej bariére. Musia sa overiť aj rozmery, mechanické vlastnosti a ochrana proti korózii všetkých komponentov vrátane stĺpov a základových dosiek.

Všetky komponenty musia byť chránené proti korózii. Typ, hrúbka alebo trieda protikoróznej ochrany sú jednoznačne definované v európskom osvedčení a kontrolujú sa počas procesu osvedčovania. TSÚS, n. o., ako jediné osvedčovacie miesto, ktoré je z krajiny, kde nie je výrobca bariér, spracoval ETA pre troch významných európskych výrobcov bariéry, a to Geobrugg AG a Isofer AG zo Švajčiarska a Officine Maccaferri SPA z Talianska.

Keďže bariéra sa musí inštalovať pod dohľadom osvedčovacieho miesta a aj za záznamy zo skúšok a meracie zariadenia zodpovedá zástupca osvedčovacieho miesta, zástupca TSÚS sa zúčastnil na všetkých skúškach bariéry, na ktoré boli vydané ETA. Zoznam vydaných ETA je verejne dostupný na internetovej stránke EOTA.

Skúsenosti zo skúšok bariér
Trajektória bloku
Trajektória bloku je zvyčajne zvislá (obr. 9) alebo šikmá, môže však byť aj vodorovná. Pri zvislom a šikmom hode bloku sa blok vytiahne žeriavom alebo špeciálnou lanovkou do potrebnej výšky. Hod sa uskutoční uvoľnením bloku zo zdvíhacieho zariadenia pomocou diaľkového ovládača.

Zatiaľ jediná skúška vodorovným hodom sa vykonala na skúšobnom mieste, ktoré sa špecializuje na testovanie vozidiel nárazom. Blok sa uvoľnil z konštrukcie po jej náraze do nárazníka. Konštrukcia sa vysúvala po koľajniciach takou rýchlosťou, aby blok získal energiu, ktorá sa požaduje pri jeho náraze do siete.

Bariéra po zvislej skúške je v pokojnom stave namáhaná celou tiažou bloku. Po šikmom hode sieť bariéry leží na teréne a nesie iba časť tiaže bloku po skúške, po vodorovnom hode sieť vôbec nie je namáhaná tiažou bloku. Z tohto dôvodu sa v súčasnosti polemizuje o tom, či sú jednotlivé skúšky rovnocenné a či je šikmý, respektíve vodorovný hod rovnocenný s hodom zvislým. Zatiaľ sa nepočíta s takou zmenou ETAG 027, ktorá by obmedzila skúšanie iba na zvislý hod s bariérou inštalovanou na kolmom (alebo takmer kolmom) svahu.

Obr. 10  Náraz bloku zaznamenaný rýchlobežnou kamerou

Referenčný svah
Je zvláštnosťou a možno aj chybou ETAG 027, že sa v ňom jednoznačne nedefinuje, že referenčný svah je zároveň sklon svahu skúšobného miesta. Preto sa môže stať, že sa referenčný svah zvolí nezávisle od sklonu skutočného svahu. Voľba sklonu referenčného svahu však môže viesť k tomu, že sa napríklad nominálna výška bariéry hodnotí vzhľadom na zvolený sklon, ale zároveň sa nesleduje, či sieť pri svojom predĺžení nepretne takto zvolený referenčný (fiktívny) svah, čo by v praxi znamenalo, že sa sieť pred dosiahnutím svojho maximálneho predĺženia dotkne terénu.

Deformácie a porušenia
Zatriedenie bariéry do triedy A, B alebo C závisí iba od reziduálnej výšky bariéry po skúške MEL. Týmto zatriedením sa vyjadruje to, či bariéra po náraze energiou MEL ďalej existuje a môže čiastočne plniť svoju funkciu. Skúšky preukázali, že bariéra sa môže porušiť pretrhnutím nosných lán, pretrhnutím disipátora, pretrhnutím siete, ale aj vytrhnutím stĺpov zo základovej dosky alebo nadmerným pretvorením stĺpa.
Vytrhnutie stĺpov zo základov alebo nadmerné pretvorenie stĺpov v konečnom dôsledku znamenajú to isté ako napríklad pretrhnutie lana alebo veľmi malá reziduálna výška (< 30 %, takmer uzatvorená sieť), teda úplnú nefunkčnosť bariéry. Aby nedochádzalo k nejednotnému hodnoteniu bariér, bolo by užitočné rozšíriť alebo spresniť kritéria na ich zatriedenie. Rozmery a objemová hmotnosť betónového bloku
Betónový blok má svojou veľkosťou, tvarom (polyhedron) a objemovou hmotnosťou modelovať skutočnú padajúcu skalu. Predpísané rozmery a zároveň obmedzená objemová hmotnosť MEL bloku môžu viesť k tomu, že je nutné k vonkajším stranám bloku pripojiť oceľové platne. Výrobca si musí vopred stanoviť minimálnu nominálnu výšku bariéry, ktorú má v úmysle testovať, a z toho odvodiť výšku bloku. Zároveň pri inštalácii bariéry nesmie nastať nijaká odchýlka, pretože ak nie je splnená požiadavka kladená na rozmery bloku, skúška sa nemôže akceptovať.

Návrh a analýza bariéry
V európskych osvedčeniach sa uvádzajú maximálne hodnoty nameraných síl v lanách alebo základovej konštrukcii, predĺžení siete a minimálne hodnoty reziduálnych výšok. Návrh bariéry má zohľadniť zásady navrhovania konštrukcií podľa EN 1990 (napríklad metódou parciálnych faktorov spoľahlivosti) a na konštrukcie tohto typu sa vzťahuje norma EN 1997-1. V ETAG 027 sa nijako nedefinuje spôsob stanovenia faktorov spoľahlivosti. Návrh a určenie faktorov spoľahlivosti možno nájsť napríklad v [3]. Na analýzu bariér metódou konečných prvkov bol vypracovaný špeciálny program FARO [4], ktorý slúži na predbežný návrh a odhad správania bariéry.

Bariéry zabudované na Slovensku
V roku 2008 mal pád skaly na ceste pri Strečne tragické následky a zomrela žena z Českej republiky. Po tejto nehode sa v auguste 2008 začala stavba I/18 Strečno – Dubná skala, odstránenie havarijného stavu skalných stien a svahov. Prvýkrát na Slovensku sa tu zabudovali dve bariéry, jedna s maximálnou energiou 500 kJ (obr. 11 a 12 [5]), druhá s energiou 2 000 kJ (obr. 13 [5]).

Bariéry zabudované na Slovensku neboli skúšané podľa ETAG 027, ale v tom čase to ani nebolo povinné. Pri tejto príležitosti však treba upozorniť, že v prípade ETAG 027 nebolo a nie je stanovené prechodné obdobie, čiže členské štáty Európskej únie rozhodovali o tom, kedy zavedú povinnosť výrobcov uvádzať na ich trh bariéry s osvedčením na základe ETAG 027 a následným označením značkou zhody.

Záver
Podmienky vykonania a akceptovanie nárazových skúšok podľa ETAG kladú vysoké finančné, ale aj časové nároky na výrobcov. Je preto potešiteľné, že slovenský TSÚS, n. o., má dôveru významných výrobcov bariér.
Európske osvedčovanie zostáv proti padajúcim skalám a hodnotenie zhody sa stali jednou z najdôležitejších aktivít pobočky TSÚS v Košiciach od roku 2009. V budúcnosti by sa mala vyvinúť snaha o zmenu ETAG 027, ktorá spresní zaradenie bariér do tried vzhľadom na ich porušenia a vymedzí vyhodnotenie skúšok tak, aby sa použili skutočné parametre testovacieho miesta.

TSÚS, n. o., ďakuje výrobcom Geobrugg AG, Isofer AG a Trumer Schutzbauten GmbH za súhlas s uverejnením fotografií.

Článok bol spracovaný pri príležitosti 60. výročia pôsobenia Technického a skúšobného ústavu stavebného na stavebnom trhu.

TEXT: doc. Ing. Antónia Ďuricová, CSc.
FOTO: Geobrugg AG, Isofer AG, Trumer Schtubauten GmbH

Antónia Ďuricová je pracovníčkou TSÚS, n. o., pobočka Košice.

Literatúra
  1.    CPD – Construction Products Directive Council Directive 89/106/EEC.
  2.    ETAG 027 Guideline for European Technical Approval of Falling Rock Protection Kits, EOTA, Brusel, 2008.
  3.    Volkwein, A.: Numerická simulácia flexibilných bariér. Písomná práca na získanie titulu doktor technických vied. Zürich: Švajčiarsky federálny inštitút technológií, 2004.
  4.    Peila, D., Ronco, C.: Technical Note: Design of rockfall net fences and the new ETAG 027 European guideline. In: Natural Hazards and Earth System Sciences, No. 9, 2009, pp. 1291 – 1298.
  5.    Olišar, P.: Odstranění havarijního stavu skalních stěn u Strečna. In: Inžinierske stavby/Inženýrské stavby, 2/2009, s. 16 – 17.
  6.    EN 10034 Tyče prierezu I a H z konštrukčných ocelí. Medzné odchýlky rozmerov a tolerancie tvaru.
  7.    EN 10025-2 Výrobky valcované za tepla z konštrukčných ocelí. Časť 2: Technické dodacie podmienky na nelegované konštrukčné ocele.
  8. EN 12385-4+A1 Oceľové laná. Bezpečnosť. Časť 4: Viacpramenné laná na všeobecné použitie pri zdvíhaní.
  9.    EN 10244-2 Oceľový drôt a drôtené výrobky. Neželezné kovové povlaky na oceľovom drôte. Časť 2: Povlaky zo zinku a zliatin zinku
10.    EN 13411-3+A1 Zakončenie oceľových lán. Bezpečnosť. Časť 3: Zalisované objímky a zaisťovanie lana objímkou.
11.    EN 13411-5+A1 Zakončenie oceľových lán. Bezpečnosť. Časť 5: Lanové svorky so svorníkom tvaru U.
12. EN 13889+A1 Kované oceľové strmene na všeobecné zdvíhanie. Strmene tvaru D a oblúkové strmene. Trieda 6. Bezpečnosť.
13.    EN ISO 1461 Zinkové povlaky na železných a oceľových výrobkoch vytvorené ponorným žiarovým zinkovaním. Požiadavky a skúšobné metódy (ISO 1461: 2009).

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.