שיקולים בתכנון קירות מרחבים מוגנים בקומה מפולשת

אריה בוימל

על פי תקנות ההתגוננות האזרחית, נדרשת המשכיות קירות מגדלי המרחבים המוגנים, מקומות המגורים דרך הקומה המפולשת וקומות המרתף עד ליסודות המבנה. נקבע בתקנות, כי היקף הקירות היורדים עד ליסודות יהיה לפחות 70% מהיקף קירות המרחב המוגן בקומה הטיפוסית. עמידה בדרישה זאת, עלולה לגרום לפגיעה בשימושים שונים כמו: כניסה לחניות מקורות, מחסנים, לובי יוקרתי וכד` ורצון היזמים או האדריכלים, בדרך כלל, הינו לצמצם עד למינימום את היקף הקירות.

בפרויקטים של תמ"א 38, בהם מגדלי הממ"דים שמתווספים למבנה, חורגים בחלק מהמקרים מקווי בנין, עד כדי חסימת המעבר לשטח המגרש, דבר שיכול להיות בעייתי במיוחד ואפילו עד כדי ביטול הפרויקט.

פיקוד העורף רשאי לאשר סטיה ולהפחית בהיקף, אבל אז נדרש היזם להציג חישובים דינמיים של קירות חליפיים, על ידי מומחה, שיראו כי צמצום היקף הקירות אינו מגדיל את הסיכון לשוהים במרחבים המוגנים.

קירות מרחבים מוגנים, עוביים, כמויות הברזל, פרטי חיבור וכד` אינם נדרשים לחישוב והם ניתנים במסגרת התקנות, כך שמי שפועל על פי התקנות, אינו חייב להיות מומחה למיגון וכל מהנדס או הנדסאי בנין יכול לתכנן מרחבים מוגנים. הנתונים בתקנות הינם תולדה של סדרות נסויים שנעשו במהלך 20 השנים האחרונות, אשר הוכיחו כי המרחבים המוגנים אכן מגינים על השוהים בהם ברמת מיגון סבירה כנגד איום היחוס (Baseline Threat).

אולם, חשוב לציין כי הנסויים נעשו בקונפיגורציות מסוימות של מבנים, במידות מסוימות, עם מספר קומות מסוים וברור שאינם יכולים לכסות את המגוון העצום של האפשרויות בתכנון מבנים.

בנוסף, לאחרונה קיימת נטיה לתכנן רבי קומות יוקרתיים עם קומה מפולשת גבוהה במיוחד, כך שגם העומס האנכי הגדול שמועבר לקירות אלה וגם המפתחים הגדולים, יוצרים בעיות מיגון, שלהערכתי התקנות הקיימות אינן נותנות להן פיתרון מיטבי.

חשוב להבין כי קירות מגדלי מרחבים מוגנים, העוברים בקומה המפולשת, הינם הקירות העמוסים ביותר, הסמוכים והחשופים ביותר להדף הפיצוץ והם אלה האמורים לספוג את עוצמת הפיצוץ ברמתו הגבוהה ביותר, ביחס לשאר חלקי המגדל.

אי עמידותם של קירות אלה בפיצוץ עלול לגרום להתמוטטות בשרשרת של אגף שלם במבנה או אפילו של כל הבנין.

איום היחוס

בחישובי מיגון נדרש המתכנן לנתוני איום היחוס (כפי שמקובל אף לכנות "פיצוץ הקריטריון") שהם האפקטים של כלי הנשק המהווה את האיום. לצורך חישוב האפקטים, נדרש המתכנן לסדרה של נתונים כמו: משקל חומר הנפץ, סוגו, צורתו, נתוני המעטפת שלו, המרחק מנקודת הפיצוץ וכדומה.

נתונים אלה הינם חסויים ולכן, מטבע הדברים, בהמשך הדו"ח לא אציג פרוט של ערכי לחצים, אימפולסים וכד`. גם מהגרפים אגרע נתונים אלה על מנת שלא להסגיר את נתוני פיצוץ הקריטריון.

רמת המיגון

רמת המיגון מגדירה למעשה את תוצאת השפעת הפיצוץ על האלמנט הנבדק. ככל שהנזק שנגרם לאלמנט גדול יותר , כך רמת המיגון פחותה יותר. הרמה המקובלת במקצוע המיגון , ניתנת במונחים של משיכות האלמנט המגן, כאשר המשיכות מוגדרת כיחס שבין השקיעה המקסימלת המייצגת של האלמנט, בתגובתו לאימפולס, לבין השקיעה האלסטית המקסימלית שלו.

מקובל גם להגדיר את רמת הנזק של האלמנט על ידי זוית הסיבוב המקסימלית שמתקבלת בסמכים, בין המצב ההתחלתי לבין המצב ברגע התגובה המקסימלית.

לפלטת בטון מזוין, שגם נמצאת בלחיצה במישורה, לא מתירים סיבוב בסמך של יותר מ 2 מעלות.

המדריך האמריקאי לתכנון מבנים מוגנים UFC 3-340-02 (שהינו למעשה המחליף של המדריך TM -5 -1300) בהתיחסותו לתכנון עמודים, מחמיר אף יותר ודורש להגביל את מנת המשיכות המקסימלית (היחס בין הדפורמציה המקסימלית הפלסטית לבין זו האלסטית) לערך שלא יעלה על 3, וזאת מהטעם שמדובר באלמנט ראשי שפגיעה בו יכולה לסכן את יציבות כל המבנה.

הדף פיצוץ הפועל על קיר חיצוני

במקרה זה מופעל על הקיר הלחץ המוחזר וכן האימפולס המוחזר (בשונה מהלחץ והאימפולס בשדה חופשי). עם הגעת חזית גל הלחץ לשטח הקיר תורגש עליה מיידית בלחץ לרמתו המקסימלית ולאחר מכן תחול דעיכה עד ללחץ אטמוספרי. בהמשך, עקב יניקת גוש אוויר חזרה לכוון מרכז הפיצוץ תוך יצירת לחץ שלילי בכוון ההפוך.

הדף פיצוץ הפועל על קיר פנימי בשטח קומת הכניסה

קירות אלה ימצאו רחוקים יותר ממרכז הפיצוץ מחד גיסא, ולכן רמת הלחץ הראשוני תהיה קטנה יותר, אבל מאידך גיסא, עקב החזרות מקירות סמוכים ומהתקרות, יופעלו לחצים נוספים במשכי זמן ארוכים יותר שיגדילו את האימפולס הכולל.

שיקולי תכנון

בחישוב דינמי של קיר מגן, לא רק נתוני האימפולס חשובים אלא גם הצורה הכללית של הפולס ומשכו. בהחלט יכול להיות מצב שקיר ינזק ברמה מסוימת עקב אימפולס נתון, בעוד קיר זהה ינזק פחות ממנו עקב איפולס גדול יותר. מצד שני יכול להיות גם מצב הפוך. כך שקיימת תלות בין כל נתוני הסטורית הלחץ מחד ונתוני האלמנט כולל זמן המחזור היסודי שלו מאידך.

לצורך השוואה בחנתי לדוגמא, אפשרויות לסידור קירות ממ"ד בקומה מפולשת שגובהה 3 מ`. מידות הממ"ד האופקיות בקומה הטיפוסית 3X3 מ` נטו.

התרשים הבא מתאר חלק מהאפשרויות לסידור הקירות בקומה המפולשת. הקיר החיצוני הינו בעובי 30 ס"מ ושאר הקירות בעובי 20 ס"מ.

באפשרות א`, הקיר החיצוני של הממ"ד הינו למעשה טבלה אנכית, העומדת בלחצים האופקיים של הפיצוץ והיא נשענת ורתומה לארבע שפות (תקרה, רצפה ושני קירות הצד).

באפשרות השניה הקיר החיצוני, שמקבל את אותו האימפולס, כמו באלטרנטיבה הראשונה, נשען רק על 3 שפות ולכן מבחינה מיגונית האפשרות הראשונה עדיפה.

כדי לבחון את האפשרות השלישית, נידרש לחישובים מורכבים יותר. הקיר הפנימי של הממ"ד אמנם רחוק יותר ממרכז הפיצוץ, אבל עקב המבנה של המגרעת שנוצרה, גל ההדף שיכנס לתוכה, יוגבר על ידי ההחזרות מקירות הצד התקרה והרצפה ומשך הפולס עד לשחרור כולל של הלחצים יהיה ארוך יותר וסביר שהאימפולס הכולל במצב זה יהיה גדול יותר מאשר האימפולס על קיר החוץ באלטרנטיבה הראשונה

על מנת להשוות בין שתי האפשרויות לעיל חישבתי בעזרת תוכנה ייחודית, שפותחה על ידי מעבדות המחקר של חיל ההנדסה האמריקאי, את הלחצים על הקיר החיצוני (באפשרות א` ו ב`) והקיר הפנימי (באפשרות ג`).

הקו השחור בתרשים לעיל מתאר את הסטורית הלחץ במרכז הקיר החיצוני ובעוד הקו האדום מתאר את הלחץ על מרכז הקיר הפנימי באפשרות ג`. האימפולס המקסימלי (האימפולס הוא למעשה השטח הכלוא בין גרף הלחץ לציר האפס האופקי) גדול בכ 40% במקרה של אפשרות ג` לעומת האפשרות הראשונה.

בחישוב תגובת הקירות לעומסים אלה, מתקבל כי הקיר החיצוני באפשרות א`, שעוביו 30 ס"מ ובתוכו שתי רשתות מפלדה מצולעת בקוטר 8 מ"מ במשבצת של 10 ס"מ, ישרוד את הפיצוץ בצורה סבירה .

בתרשים הבא נראה את תוצאת תגובת הקיר, כאשר הזוית המתקבלת בסמך היא 2 מעלות. החישוב התבצע בעזרת תוכנה לאנליזה דינמית של מבנים, שפותחה גם היא בארה"ב עבור חיל ההנדסה האמריקאי.

גם הקיר החיצוני באפשרות ב` ישרוד, אם כי יינזק יותר מאשר במצב הראשון (הדפורמציה המקסימלית שלו גדולה ב 43% מהאפשרות הראשונה וזווית הסיבוב בסמך גבוהה מהמותר). בעוד, שהקיר הפנימי באפשרות ג`, שעוביו רק 20 ס"מ לא ישרוד את ההדף וינזק בצורה קשה ביותר.

חשוב לציין כי חישבתי את הקיר הפנימי עם רשת במשבצת של 10 ס"מ אבל התקנות מתירות למעשה רשת במשבצת של 20 ס"מ (המשך הרשת החיצונית של קיר הממ"ד בקומה מעל) כך שעמידותו של קיר זה גרועה אף יותר .

כדי לבחון את קירות הצד באפשרות ג`, חיפשתי את מיקום חומר הנפץ שייתן את האימפולס המירבי .

בתרשים הבא נראה את המצב באפשרות ד` כאשר חומר הנפץ נמצא במרחק הקריטריון מהבנין אבל בזוית מקיר הצד השמאלי.

האימפולס המקסימלי הפועל על קיר צד זה יהיה גדול בכ 30% מהאימפולס על קיר החזית באפשרות א`. הקיר הצידי נשען על 3 שפות ולהערכתי הוא לא ישרוד את הפיצוץ . לכן, בדוגמא שהצגתי, אפשרות א` היא העדיפה ואפשרות ג` היא בלתי רצויה לטעמי.

אילו למשל באופציה ד` נוותר על הקיר האחורי ונסתפק בשני קירות הצד (כ- 50% מההיקף, ראה אופציה ה` בתרשים הבא) נוכל לאפשר שחרור לחצים טוב יותר והאימפולס המקסימלי על קירות אלה יפחת אף מהאימפולס על קיר החזית באפשרות א`.

בגרף הבא נוכל לראות את הסטורית הלחץ על הקיר השמאלי באופציה ד` בקו האדום ובעוד שהסטורית הלחץ מאותו פיצוץ בהעדר הקיר האחורי, (אפשרות ה`) מתוארת על ידי הקו הכחול.

בחישוב האימפולס מתקבל כי הוא נמוך בכ 45% מאשר באופציה עם קיר אחורי (אפשרות ד`). כמובן שזוג קירות אלה, שישענו רק על שתי שפות (רצפה ותקרה), וישאו עומסים אנכיים גדולים יותר, יש לתכנן היטב לעמידות כנגד הפיצוץ. זאת כמובן, בנוסף לכל העומסים הסטטיים והדינמיים שהקירות אמורות לשאת על פי כל התקנים הרלוונטיים.

סיכום

תכנון קירות המשכיים של מגדלי מרחבים מוגנים בקומה מפולשת ובמרתפים, צריך לקחת בחשבון היבטים מיגוניים בנוסף לכלל השיקולים. תקנות ההתגוננות האזרחית מציעות פתרונות כלליים וגורפים הנותנים מענה חלקי בלבד ויש מקום להעמיק בנושא ולעדכן, במיוחד עקב הנטיה הגוברת כיום, לבנות מגדלי מגורים עם קומות מפולשות גבוהות. בחישוב פרטני ניתן להציג פתרונות טובים יותר.

פיקוד העורף מתיר הקטנת היקף הקירות לפחות מ 70% ההיקף בקומה טיפוסית, אך זאת בהצגת חישובים דינמיים להוכחת עמידות בהדף של הקירות. בתכנון וחשיבה נכונים, עדיף לעיתים להקטין ההיקף לא רק משיקולים אדריכליים אלא גם משיקולי מיגון.