Укриття в будівлях зі сталевим каркасом

Документ FEMA 453 включає рекомендації з питань матеріалів, конструкцій, вентиляції, водопостачання, каналізації та інших важливих аспектів проєктування безпечних приміщень. Загалом в документі розглядаються різні види загроз та способи захисту від них, проте в даній статті основна увага приділена вибуховим загрозам та конструктивним рішенням сталевих каркасів.

Рівні захисту від вибуху

Рівень захисту у відповідь на вибух визначає ступінь пошкодження та кількість уламків, які можуть виникнути як наслідок його дії. Міжвідомчий комітет безпеки визначає наступні рівні захисту від вибуху

Категорії укриттів

Окреме або внутрішнє укриття може слугувати лише за основною функцією або може мати декілька призначень (наприклад, укриття у школі може також використовуватись як класна кімната, їдальня або лабораторія).

Наслідки вибуху в малоповерхових будівлях

Багато укриттів можуть бути частиною малоповерхових будівель. Такі будівлі можуть бути вразливі до вибухового навантаження внаслідок детонації великої ваги вибухових речовин на великій відстані, яка може охопити верхню частину будівлі. Вибуховий тиск  може значно перевищувати звичайні розрахункові навантаження, що призведе до руйнування покриття. 

Висотні будинки повинні витримувати значну силу тяжіння та протидіяти горизонтальним навантаженням. Хоча вибір каркасу та конкретних конструкцій визначають ефективність загалом, нижні поверхи, які зазвичай ближчі до вибуху, міцніші та більш стійкі до вибухового навантаження ніж у випадку малоповерхових будівель. Однак висотні будівлі, ймовірно, будуть розташовані в густонаселеному міському середовищі, яке, як правило, може спрямувати вибух вздовж вулиці і вибухові хвилі будуть додатково відбиватися від сусідніх споруд.

Вимоги до каркасу

Укриття буде ефективним тільки в тому випадку, якщо будівля, в якій воно знаходиться залишається стояти. Недоцільно проєктувати укриття в будівлі з розрахунком на те, що її каркас може обрушитись. Хоча укриття має захищати від уламків, недоцільно, щоб воно витримувало вагу всього каркасу, що впаде на нього. Тому ефективність укриття в тому числі буде залежати від здатності будівлі витримувати пошкодження. Фактори, що сприяють цьому:

• Маса. Легка конструкція може бути непридатною для забезпечення стійкості до вибухового навантаження. На додаток до міцності та пластичності системи може знадобитися маса для забезпечення інерційного опору.
• Протидія навантаженням зсуву. Зсув є основним способом руйнування. Елементи каркасу та вузли повинні бути такими, що призначені для запобігання руйнуванню при зсуві  та мати здатність до відповідних деформацій без руйнувань.
• Здатність протистояти змінам навантаження. У відповідь на значні вибухові навантаження елементи конструкції можуть зазнавати багаторазових циклів великих деформацій. Подібним чином деякі конструктивні елементи можуть зазнавати тиск підйому від вибуху, що протиставляється звичайному розрахунковому навантаженню.  Відповідно ці навантаження потрібно враховувати при проєктуванні вузлів для сталевих та бетонних каркасів. Також рекомендується використовувати стад-болти для кріплення бетонної плити по сталевому настилу до сталевих балок перекриття.
• Живучість. Несуча система дозволяє перерозподіляти навантаження при виході з ладу деяких елементів конструкції.
• В’язі. Комплексна система в’язів у напрямку перпендикулярному від напрямку основних рам може служити для перерозподілу навантажень під час аварійної ситуації.
• Пластичність. Конструктивні елементи та їх з'єднання повинні забезпечувати свою міцність зазнаючи деформацій у відповідь на вибухове навантаження. Здатність конструкції розвивати непружні деформації та дозволяти розсіювати значну кількість енергії вибуху. Співвідношення максимальної непружної деформації елемента до його пружної деформації є мірою його пластичності. При якісному проєктуванні сталевий каркас може забезпечити всі перелічені властивості. До того ж сталеві конструкції, як правило, чудово підходять для протидії вибуховим навантаженням відносно низької інтенсивності. Сталь є за своєю суттю пластичним матеріалом, який здатний витримувати великі деформації. Проте вузли з тонкими фланцями, що пораховані лише на звичайні навантаження можуть зробити каркас вразливим до локальних пошкоджень.

Модернізація існуючих будівель

Хоча модернізація існуючих будівель для забезпечення укриття може дорого коштувати та ускладнювати експлуатацію будівлі, проте інколи вона є єдиним можливим варіантом.

Система опору бічних навантажень будівлі, яка включає в себе структурний каркас або стіни укриття, повинна витримувати вибухові навантаження і передавати їх на фундамент через плити перекриття. Залежно від типу будівництва та регіону, малоповерхові будівлі можуть не потребувати значних бічних систем опору навантажень. Однак вибухові навантаження можуть перевищувати допустимі межі, спричиняючи серйозні тріщини, тому безпечні приміщення слід розташовувати поблизу внутрішніх підсилених стін або стін з армованої кладки, щоб забезпечити максимальний опір конструкції проти цих надзвичайно великих бічних навантажень.

Якщо конструкція не розрахована на витримування екстремальних навантажень то у разі вибуху існує велика ймовірність що вона зазнає прогресуючого руйнування. Великопрольотні балки особливо вразливі до локальних пошкоджень. Тому безпечні кімнати не слід розташовувати на або під конструкцією, що підтримується такими балками, якщо тільки це не оцінить сертифікований інженер. Крім того, деталі з’єднання конструкцій в багатоповерхових будівлях слід оцінити перед тим, як використовувати їх для розміщення безпечних кімнат.

Щоб зробити існуючі конструкції вибухостійкими, слід зосередитися на модернізації найбільш вразливих компонентів. Розліт уламків від скління становить значний ризик для мешканців. Таким чином, зовнішні скляні поверхні повинні бути захищені спеціальною плівкою для утримання осколків, яка буде покращувати роботу вікон після пошкодження, утримуючи уламки розбитого скла разом, зменшуючи небезпеку ураження осколками.

Найбільш ефективним є використання плівки разом з системою кріплення, що пройшла вибухові випробування. Така система запобігає виходу пошкодженого скла з рами.

Також для запобігання розльоту осколків на вікна можуть бути встановлені вибухові завіси, виготовлені з легких матеріалів, таких як поліетиленове волокно. Небезпека для мешканців суттєво зменшується, але люди, які сидять безпосередньо біля вікна з вибуховими завісами, все одно можуть отримати травми осколками скла. Завіси можна закріпити зверху та знизу віконної рами або закріпити лише вгорі та зробити обтяжений низ.

Неармовані цегляні стіни забезпечують обмежений захист від вибухів та можуть зруйнуватися утворюючи осколки, що несуть небезпеку для мешканців. Для нового будівництва заборонено використовувати цей тип стін у сценаріях вибухонебезпечної загрози. Однак існуючі неармовані стіни можна модернізувати за допомогою напиленого полімерного покриття, яке діє як пластична та пружна мембрана, щоб підвищити їхню стійкість до вибуху.

Також щоб підсилити несучі стіни з кам’яної кладки та забезпечити захист від осколків, можна встановлювати сталеві секції навпроти існуючих стін, щоб зменшити проліт і передати навантаження на перекриття. Підсилені стінові панелі, що складаються зі сталевих пластин та секцій з труб мають бути з’єднані з існуючими плитами підлоги та стелі за допомогою опорних пластин та анкерних болтів.

Звичайні колони можуть бути вразливими до вибухових навантажень. Тому залізобетонні конструкції можна зміцнити, застосувавши сталеву оболонку або огортання з вуглецевого волокна, що ефективно стискають бетонний переріз та збільшують його міцність і здатність до зсуву. Це також допомагає підтримувати структурну цілісність колон для перенесення осьових навантажень. Сталеві фланцеві колони можна зміцнити за допомогою оббетонування, щоб додати масу та захистити тонкі фланцеві секції. 

Сталеві каркаси

Будівлі зі сталевим каркасом добре підходять для міцної конструкції укриття. Бічні сили в будівлі із рамним сталевим каркасом сприймаються за допомогою жорстких або напівжорстких вузлів з'єднання балка-колона . Коли всі з’єднання вузлів жорсткі весь каркас сприймає бокові навантаження. У разі коли лише частина вузлів жорсткі – опір сприймається вздовж ліній рам.  

Бічним силам у будівлях із в’язевими сталевими каркасами протидіють сили розтягу та стиску в діагональних сталевих елементах – в’язях. 

Загалом сталеві каркаси можуть забезпечити значний рівень безпеки протидії вибуховим навантаженням. В свою чергу це потребує відповідального підходу до проєктування та розрахунку каркасу на прогресуюче руйнування, врахування достатньої кількості в’язей та перевірку міцності вузлів. Важливо розуміти, що оскільки вибух спричиняє специфічне аварійне навантаження то елементи каркасу повинні мати достатній запас міцності щоб витримати впливи такого роду. Також необхідно запроєктувати конструкцію фасаду таким чином, щоб мінімальна кількість уламків від скла або стін потрапляла в середину будівлі.