Укрытие в зданиях со стальным каркасом

Документ FEMA 453 включает рекомендации по материалам, конструкциям, вентиляции, водоснабжению, канализации и другим важным аспектам проектирования безопасных помещений. В документе рассматриваются различные виды угроз и способы защиты от них, однако в данной статье основное внимание уделено взрывным угрозам и конструктивным решениям стальных каркасов.

Уровни защиты от взрыва

Уровень защиты в ответ на взрыв определяет степень повреждения и количество обломков, которые могут возникнуть вследствие его действия. Межведомственный комитет безопасности определяет следующие уровни защиты от взрыва

Уровень защиты	Потенциальные повреждения конструктива
Минимальный и низкий	Объект или защищенное пространство получит высокий уровень повреждений без прогрессирующего разрушения. Будут пострадавшие и повреждение имущества. Часть конструкций потребует полной замены или даже все здание станет не ремонтопригодным и потребует сноса
Средний	Средние повреждения, подлежащие ремонту и обеспечивающие возможность повторного использования конструкций. Могут быть пострадавшие и повреждено имущество. Может потребоваться ремонт или замена основных конструктивных элементов
Высокий	Небольшие повреждения, подлежащие ремонту. Объект или защищенное пространство могут получить незначительные локальные повреждения. Жители могут получить телесные повреждения, а имущество частично пострадать

Категории укрытий

Отдельное или внутреннее укрытие может служить только основной функцией или может иметь несколько назначений (например, укрытие в школе может также использоваться как классная комната, столовая или лаборатория).

Условия	Подземное укрытие	Однофункциональное	Многофункциональное	Общественное
Уровни защиты	Средний	Малый	Все	Все
Ожидаемая вместимость	1-100	1-10	1-100	100-1000
Расположение	Подвал или полуподвал. Комната без окон с усиленными стенами и потолком	Внутреннее пространство без окон с усиленными стенами и потолком	Переговорная комната. Дата-центр, ванная комната, лестничная клетка, лифтовое ядро	Школа, церковь, торговый центр, правительственное здание
Особенности	Сложно строить при наличии грунтовых вод или скалистого участка	Необходим ежегодный или полугодовой осмотр	Может потребоваться несколько в больших зданиях. Необходимо учитывать планировку и предотвращать чрезмерную скученность	Необходимо учесть требования многоязычия, пожилых людей и людей с инвалидностью

Последствия взрыва в малоэтажных зданиях

Многие укрытия могут быть частью малоэтажных построек. Такие здания могут быть уязвимы к взрывной нагрузке в результате детонации большого веса взрывчатых веществ на большом расстоянии, которое может охватить верхнюю часть здания. Взрывное давление может значительно превышать обычные расчетные нагрузки, что приведет к разрушению покрытия.

Высотные дома должны выдерживать значительную силу тяжести и противодействовать горизонтальным нагрузкам. Хотя выбор каркаса и конкретных конструкций определяют эффективность в целом, нижние этажи, которые обычно ближе к взрыву, более прочны и устойчивы к взрывной нагрузке, чем в случае малоэтажных зданий. Однако высотные здания, вероятно, будут расположены в густонаселенной городской среде, которая, как правило, может направить взрыв вдоль улицы и взрывные волны будут дополнительно отражаться от соседних зданий.

Требования к каркасу

Укрытие будет эффективным только в том случае, если здание, в котором оно находится, остается стоять. Нецелесообразно проектировать укрытие в здании с расчетом на то, что его каркас может обрушиться. Хотя укрытие должно защищать от обломков, нецелесообразно, чтобы оно выдерживало вес всего упавшего на него каркаса. Поэтому эффективность укрытия в том числе будет зависеть от способности здания выдерживать повреждения. Факторы, способствующие этому:

• Масса. Легкая конструкция может быть непригодна для обеспечения устойчивости к взрывной нагрузке. Вдобавок к прочности и пластичности системы может потребоваться масса для обеспечения инерционного сопротивления.
• Противодействие нагрузкам сдвига. Смещение является основным способом разрушения. Элементы каркаса и узлы должны быть предназначены для предотвращения разрушения при сдвиге и иметь способность к соответствующим деформациям без разрушений.
• Способность противостоять изменениям нагрузки. В ответ на значительные взрывные нагрузки элементы конструкции могут испытывать многократные циклы больших деформаций. Подобным образом некоторые конструктивные элементы могут подвергаться давлению подъема от взрыва, что противопоставляется обычной расчетной нагрузке. Соответственно, эти нагрузки нужно учитывать при проектировании узлов для стальных и бетонных каркасов. Также рекомендуется использовать стад-болты для крепления бетонной плиты по стальному настилу к стальным балкам перекрытия.
• Живучесть. Несущая система позволяет перераспределять нагрузку при выходе из строя некоторых элементов конструкции.
• Связи. Комплексная система связей в направлении, перпендикулярном направлению основных рам может служить для перераспределения нагрузок во время аварийной ситуации.
• Пластичность. Конструктивные элементы и их соединения должны обеспечивать свою прочность испытывая деформации в ответ на взрывную нагрузку. Способность конструкции развивать неупругие деформации и позволять рассеивать значительное количество энергии взрыва.

Соотношение максимальной неупругой деформации элемента к его упругой деформации является мерой его пластичности.

При качественном проектировании стальной каркас может обеспечить все перечисленные свойства. К тому же стальные конструкции, как правило, отлично подходят для противодействия взрывным нагрузкам относительно низкой интенсивности. Сталь является по своей сути пластичным материалом, который способен выдерживать большие деформации. Однако узлы с тонкими фланцами, рассчитанные только на обычные нагрузки, могут сделать каркас уязвимым к локальным повреждениям.

Модернизация существующих зданий

Хотя модернизация существующих зданий для обеспечения укрытия может дорого стоить и усложнять эксплуатацию здания, однако иногда это единственно возможный вариант.

Система сопротивления боковых нагрузок здания, включающая в себя структурный каркас или стены укрытия, должна выдерживать взрывную нагрузку и передавать их на фундамент через плиты перекрытия. В зависимости от типа строительства и региона, малоэтажные здания могут не нуждаться в значительных боковых системах сопротивления нагрузкам. Однако взрывные нагрузки могут превышать допустимые пределы, вызывая серьезные трещины, поэтому безопасные помещения следует располагать вблизи внутренних усиленных стен или стен из армированной кладки, чтобы обеспечить максимальное сопротивление конструкции против этих чрезвычайно больших боковых нагрузок.

Если конструкция не рассчитана на выдерживание экстремальных нагрузок, то в случае взрыва существует большая вероятность, что она будет подвержена прогрессирующему разрушению. Большепролетные балки особенно уязвимы для локальных повреждений. Поэтому безопасные комнаты не следует располагать или под конструкцией, поддерживаемой такими балками, если только это не оценит сертифицированный инженер. Кроме того, детали соединения конструкций в многоэтажных зданиях следует оценить, прежде чем использовать их для размещения безопасных комнат.

Чтобы сделать существующие конструкции взрывостойкими, следует сосредоточиться на модернизации наиболее уязвимых компонентов. Разлет отломков от остекления представляет значительный риск для жителей. Таким образом, наружные стеклянные поверхности должны быть защищены специальной пленкой для удержания осколков, которая будет улучшать работу окон после повреждения, удерживая осколки разбитого стекла вместе, уменьшая опасность поражения осколками.

Наиболее эффективно использование пленки вместе с системой крепления, прошедшей взрывные испытания. Такая система предотвращает выход поврежденного стекла из рамы.

Также для предотвращения разлета осколков на окна могут быть установлены взрывные завесы, изготовленные из легких материалов, таких как полиэтиленовое волокно. Опасность для жителей существенно уменьшается, но люди, сидящие прямо у окна со взрывными завесами, все равно могут получить травмы осколками стекла. Завесы можно закрепить сверху и снизу оконной рамы или закрепить только вверху и сделать утяжеленный низ.

Неармированные кирпичные стены обеспечивают ограниченную защиту от взрывов и могут разрушиться, образуя осколки, представляющие опасность для жителей. Для нового строительства запрещено использовать этот тип стен в сценариях взрывоопасной угрозы. Однако существующие неармированные стены можно модернизировать с помощью напыленного полимерного покрытия, действующего как пластичная и упругая мембрана, чтобы повысить их устойчивость к взрыву.

Чтобы усилить несущие стены из каменной кладки и обеспечить защиту от осколков, можно устанавливать стальные секции напротив существующих стен, чтобы уменьшить пролет и передать нагрузку на перекрытие. Усиленные стеновые панели, состоящие из стальных пластин и секций из труб, должны быть соединены с существующими плитами пола и потолка с помощью опорных пластин и анкерных болтов.

Обычные колонны могут быть уязвимыми к взрывным нагрузкам. Поэтому железобетонные конструкции можно укрепить, применив стальную оболочку или оборачивание из углеродного волокна, эффективно сжимающее бетонное сечение и увеличивающее его прочность и способность к смещению. Это также помогает поддерживать структурную целостность колонн для переноса осевых нагрузок. Стальные фланцевые колонны можно укрепить с помощью бетонирования, чтобы добавить массу и защитить тонкие фланцевые секции.

Стальные каркасы

Здания со стальным каркасом хорошо подходят для прочной конструкции укрытия. Боковые силы в здании с рамным стальным каркасом воспринимаются с помощью жестких или полужестких узлов соединения балка-колонна. Когда все соединения узлов жесткие, весь каркас воспринимает боковые нагрузки. В случае, когда только часть узлов жесткие – сопротивление воспринимается вдоль линий рам.

Боковым силам в зданиях со стальными каркасами противодействуют силы растяжения и сжатия в диагональных стальных элементах – связях.

В целом стальные каркасы могут обеспечить значительный уровень безопасности противодействия взрывным нагрузкам. В свою очередь, это требует ответственного подхода к проектированию и расчету каркаса на прогрессирующее разрушение, учета достаточного количества связей и проверки прочности узлов. Важно понимать, что поскольку взрыв вызывает специфическую аварийную нагрузку, то элементы каркаса должны иметь достаточный запас прочности, чтобы выдержать воздействия такого рода. Также необходимо спроектировать конструкцию фасада таким образом, чтобы минимальное количество отломков от стекла или стен попадало внутрь здания.