Stosowanie ładunków kumulacyjnych przeznaczonych do cięcia stali jest wygodną i bezpieczną alternatywą dla mechanicznych metod likwidacji konstrukcji stalowych.
Postępujący proces rozwoju mechanicznych metod wyburzeniowych spycha na dalszy plan jeszcze nie tak dawno powszechnie wykorzystywane w tym zakresie materiały wybuchowe (MW). Duża dostępność różnorakiego sprzętu oraz inne niż kiedyś warunki prowadzenia robót sprawiają, że roboty strzałowe często są mniej konkurencyjne, a w wielu przypadkach użycie materiałów wybuchowych jest wręcz niemożliwe.
Jednak ich stosowanie pozwala w wielu przypadkach uzyskać krótszy czas oraz niższe koszty realizacji (szczególnie w zakresie likwidacji obiektów o wysokości powyżej 55 m) w porównaniu z innymi metodami powszechnie wykorzystywanymi w procesie wyburzania.
Rys. Schemat budowy ładunków kumulacyjnych
Podstawową zaletą stosowania metody wybuchowej w budownictwie jest fakt, że po wykonaniu prac przygotowawczych wyburzenie inicjuje zdalna detonacja ładunków, a zarówno osoby postronne, jak i wykonujące prace są wycofywane poza wyznaczoną na etapie projektowania strefę zagrożeń. Ma to nieocenione znaczenie w odniesieniu do bezpieczeństwa robót wyburzeniowych. Absolutnie bezkonkurencyjne jest zastosowanie jej w pracach wykonywanych na obiektach i urządzeniach w stanie awaryjnym. Doświadczenie pokazuje, że w takim przypadku użycie tradycyjnych metod nie tylko jest obarczone dużym ryzykiem, ale i często praktycznie niemożliwe. Użycie materiałów wybuchowych pozwala maksymalnie skrócić czas przebywania w strefie bezpośredniego zagrożenia oraz ograniczyć liczbę osób zaangażowanych w prace. Niestety, ze względu na specyfikę metody jej stosowanie wiąże się z licznymi obwarowaniami, zarówno technicznymi, jak i prawnymi. Każda osoba mająca dostęp do MW musi spełnić wiele wymogów określonych ustawowo oraz posiadać odpowiednie zaświadczenie potwierdzające jej przygotowanie zawodowe. Podobnie jest w kwestii projektowania i nadzoru robót z użyciem materiałów wybuchowych. Osoby sporządzające projekty wyburzeniowe oraz bezpośrednio prace nadzorujące muszą posiadać uprawnienia budowlane w specjalności wyburzeniowej. Obecnie jest to najmniejsza co do liczebności grupa osób uprawnionych spośród wszystkich specjalności budowlanych.
Pod względem technicznym w pierwszej kolejności zawsze należy sprawdzić faktyczną możliwość wykonania prac z użyciem MW. Głównym ograniczeniem stosowania metody wybuchowej są zagrożenia, jakie występują podczas detonacji MW, z których najważniejsze to oddziaływanie parasejsmiczne, powietrznej fali uderzeniowej oraz rozrzut odłamków. Innym istotnym czynnikiem, który może wykluczać taki sposób realizacji, jest oddziaływanie wywołane upadkiem wyburzanej konstrukcji w sąsiedztwie infrastruktury czułej na drgania.
Fot. 1 Blacha 30 mm: a) zainstalowany ładunek, b) efekt cięcia
W praktyce istnieje wiele sposobów ograniczających negatywne skutki działania MW, jednak ich skuteczne wykorzystanie w dużym stopniu zależy od doświadczenia projektantów i osób wykonujących roboty. Problem oddziaływania parasejsmicznego nie odnosi się tylko do metod wybuchowych, gdyż w praktyce wiele rozbiórek mechanicznych realizowanych jest poprzez powalanie obiektów. Należy zauważyć, że obowiązujące przepisy jedynie od projektantów wyburzania sposobem wybuchowym wymagają na etapie uzyskiwania pozwolenia wyznaczenia stref zagrożenia związanych z powaleniem obiektu oraz obligują do wykonania monitoringu oddziaływania. Taki stan rzeczy nie tylko wprowadza pewną dowolność w realizacji wyburzeń metodami niewybuchowymi, ale w pewnym sensie dyskryminuje bardziej obwarowane przepisami metody z użyciem MW.
Nie mniej jednak producenci środków strzałowych oferują szeroką gamę materiałów o wszechstronnym zastosowaniu. Jednym z ciekawych rozwiązań są ładunki kumulacyjne stosowane z powodzeniem do cięcia konstrukcji stalowych. Pozwalają one na precyzyjne i skuteczne cięcie przekrojów o znacznej grubości. Obecnie na rynku krajowym dla zastosowań cywilnych są dostępne ładunki umożliwiające liniowe cięcie elementów stalowych o grubości do 50 mm. Materiały wybuchowe stosowane do urabiania skał czy kruszenia konstrukcji betonowych wykorzystują gwałtowną zmianę stanu skupienia połączoną ze znacznym wzrostem objętości (z 1 kg MW powstaje do 1 m3 gazów postrzałowych), która zachodzi równomiernie we wszystkich kierunkach, natomiast w przypadku ładunków kumulacyjnych dzięki ich specjalnej budowie, mówiąc w uproszczeniu, zachodzi zjawisko „ogniskowania energii”, które pozwala skupić ją w jednym punkcie lub linii.
Fot. 2 Lina 70 mm: a) przygotowana do cięcia wybuchowego, b) efekt cięcia
Do produkcji ładunków kumulacyjnych wykorzystuje się najczęściej mieszaniny materiałów wybuchowych charakteryzujących się dużą prędkością detonacji (na poziomie 8500 m/s) z dodatkami umożliwiającymi ich skuteczne formowania przez uplastycznienie lub prasowanie.
Podstawowymi elementami, poza rodzajem zastosowanego MW determinującego skuteczność ładunków kumulacyjnych, jest ich konstrukcja (kształt) w przekroju poprzecznym, odległość od przebijanej przeszkody oraz rodzaj tzw. wkładki kumulacyjnej. Najczęściej wkładka kumulacyjna jest elementem obudowy ładunku wykonanym z miękkich metali (np. ołowiu, miedzi lub jej stopów), umożliwiającym jego optymalne uformowanie w celu wytworzenia strumienia kumulacyjnego. W wyniku detonacji MW z wkładki powstaje tzw. zbitek w formie quasi-ciekłej zwiększający skuteczność cięcia.
W badaniach poligonowych potwierdzono, że odpowiednie oddalenie ładunku kumulacyjnego od przebijanej/ ciętej przeszkody w stosunku do ładunku ułożonego na niej zwiększa jego efektywność nawet o połowę.
W praktyce podczas projektowania robót wyburzeniowych ładunki kumulacyjne dobierane są odpowiednio do grubości ciętego elementu na podstawie danych publikowanych przez ich wytwórców. Odpowiednie kształtowanie ładunków pozwala na cięcie nie tylko powierzchni płaskich, ale również elementów o przekroju kołowym, takich jak liny, rury itp. Dobrą praktyką jest – przed wykonaniem robót wyburzeniowych z zastosowaniem ładunków kumulacyjnych – sprawdzenie skuteczności tych ładunków w warunkach poligonowych oraz (jeżeli istnieje taka możliwość) wykonanie strzelań próbnych na elementach likwidowanej konstrukcji.
Fot. 4 a) Uzbrojony słup konstrukcji, b) efekt cięcia
W budownictwie najczęściej ładunki kumulacyjne są wykorzystywane w celu likwidacji elementów konstrukcyjnych, takich jak słupy i belki wykonane z kształtowników stalowych oraz układów wykonanych z lin stalowych służących do spinania i podwieszania konstrukcji budowlanych.
W procesie projektowania likwidacji obiektów budowlanych z wykorzystaniem ładunków kumulacyjnych często pojawia się konieczność wykonania robót przygotowawczych. W dużej mierze polegają one na wykonaniu nacięć i perforacji elementów konstrukcyjnych w celu umożliwienia montażu ładunków oraz zapewnienia prawidłowego cięcia. Każdorazowo powinno być to poprzedzone analizą konstrukcyjno- -wytrzymałościową uwzględniającą planowane osłabienie elementów.
W zakres robót przygotowawczych wchodzą również wzmocnienia konstrukcji. Nie zawsze jest to konieczność, ale najczęściej dodatkowa możliwość pozwalająca na bezpieczniejsze czy też bardziej precyzyjne obalenie.
Powstawanie olbrzymich ilości energii wiąże się z koniecznością wykonania dodatkowych robót w zakresie zabezpieczenia założonych ładunków. Wykorzystuje się do tego np. worki z piaskiem, taśmy gumowe czy drewniane obudowy.
Cięcie pojedynczych blach, prętów czy lin nie jest tak problematyczne jak cięcie konstrukcji o skomplikowanej budowie. W niektórych przypadkach belka czy słup o przekroju teowym lub kątowym mogą się okazać trudne do likwidacji i z tego powodu zarówno projektujący tego typu prace, jak i je wykonujący powinni posiadać stosowne przygotowanie zawodowe oraz doświadczenie.
Projektując sposób instalacji ładunków, należy tak zaplanować ich rozmieszczenie, aby mieć gwarancję przecięcia wybranych przekrojów. Planując rozmieszczenie ładunków, trzeba brać pod uwagę sposób ich inicjacji, która również musi być absolutnie pewna. W przypadku powszechnie stosowanych zapalników elektrycznych natychmiastowych producenci podają, że nominalny czas ich zadziałania może wynieść nawet do 10 ms (wynikający z imperfekcji technologicznych wykonania zapalników). Nieuwzględnienie nominalnego czasu zadziałania zapalników może być fatalne w skutkach, gdyż w przypadku ładunków umieszczonych w bezpośrednim sąsiedztwie i różnicy w ich odpaleniu na poziomie kilku milisekund możliwe jest zrzucenie lub przesunięcie ładunku, który zostanie zainicjowany z opóźnieniem.
Pomimo że różnice liczone są w tysięcznych częściach sekundy, mogą one spowodować całkowicie niekontrolowaną i nieskuteczną detonację. Wpływ na zainicjowane z opóźnieniem ładunki mają nie tylko produkty powstałe po detonacji odpalonych wcześniej, ale również odłamki przecinanej konstrukcji. Wszystko to się składa na możliwy brak skutecznego cięcia, co w wielu przypadkach może mieć katastrofalne konsekwencje. Mając na uwadze powyższe, niezwykle ważne jest umiejętne i przemyślane wykorzystywanie dostępnego sprzętu i środków strzałowych oraz projektowanie poparte praktyką i doświadczeniem.
Stosowanie ładunków kumulacyjnych przeznaczonych do cięcia stali jest wygodną i bardzo bezpieczną alternatywą dla powszechnie stosowanych mechanicznych metod likwidacji konstrukcji stalowych. Uwzględniając dodatkowo czynniki ekonomiczne oraz krótszy czas realizacji, zastosowanie materiałów wybuchowych w tego typu realizacjach może być wyjściem bezkonkurencyjnym.
mgr inż. Jan Madeja
mgr inż. Leon Budzicz
Przedsiębiorstwo CAMA Sp. z o.o.
