מבני מגן

 

מבני מגן הינם מבנים המתוכננים להגן על אנשים או ציוד או חומרים מסוכנים,
בפני ארועים בעלי אופי של אסון או פורענות. הארועים יכולים להיות כתוצאה מפעולות לחימה, פעילות טרור, תאונות במפעלים כימיים וכד`.

ברוב המקרים המבנה אמור להיות עמיד בפני הטרחות בעלות עוצמה אדירה אך בעלות משך קצר במיוחד המבוטא בסדרי גודל של אלפיות שניה.
לדוגמא, מתכננים מבנים כנגד פיצוצים פנימיים או חיצוניים של חומרי נפץ או חומרים מסוכנים שיכולים ליצור תופעה של פיצוץ. כנגד חדירה של רסיסים, קליעים, כנגד התנגשות של כלי טיס וכלי רכב וכד`.
 
בדרך כלל אמור המבנה לבצע את משימתו באופן חד פעמי, במהלך חייו, ולכן אין הגיון רב להתייחס לתכנון שכזה בדומה לתכנון מבנה לעמידות בעומסים רגילים (שימושי, רוח וכיו"ב). אם בתכן מבנה רגיל חמרי הבניה מוטרחים במאמצים הנמצאים בתחום האלסטי, הרי שבמבני מגן מתכננים את אלמנטי המבנה כך שהחומרים המרכיבים אותם יכנסו לתחום הפלסטי של עקום מאמץ עיבור שלהם, לדוגמא: במבני בטון מזויין מאפשרים סדיקה נרחבת וכניעה של פלדת הזיון ובלבד שלא תתרחש פריצת המבנה ותובטח רמת המיגון המבוקשת .  
 
אפקטים של פיצוץ

פיצוץ חיצוני
הפיצוץ הינו מעבר מהיר ביותר של חמר ממצב צבירה מוצק לגאז. כתוצאה מהפיצוץ נוצר גל הדף המתרחק ממקור הפיצוץ בצורה כדורית (במקרה של פיצוץ באוויר) או חצי - כדורית (במקרה של פיצוץ על פני הקרקע). עצמת הלחץ הולכת ופוחתת עם המרחק.

בתרשים הבא נראה היסטורית הלחץ בזמן, בנקודה כלשהיא. עם הגעת חזית גל הלחץ לנקודה 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.
 
פיצוץ פנימי
בפיצוץ פנימי גל ההדף פוגע בקירות מעטפת המבנה. הפגיעה גורמת לעליה גדולה בלחץ ולחזרת הגל אחורנית. גל הלחץ יכול לפגוע מספר פעמים בין הקירות להגברתו עד לשחרור הלחץ לאויר החיצוני דרך פתחים או דרך קירות קלים יותר המיועדים לשחרור הלחץ תוך כדי פריצתם באופן מבוקר לכוון מתוכנן.

בתרשים הבא אנו רואים את הסטורית הלחץ בפיצוץ פנימי כאשר ה"פיקים" הם פגיעת גל ההדף המוחזר מהקירות, לאחר מכן לחץ הגאזים פועל ודועך עד לשחרורם המלא מתוך המבנה
 
דוגמאות למבנים המתוכננים לעמידה בפיצוץ חיצוני:
  • מרחבים מוגנים במבני מגורים ומוסדיים
  • חדרי פיקוד ובקרה בתעשיה הכימית והביטחונית
  • מחסני חומרי נפץ
  • קירות מגן המיועדים לחצוץ בין מטען חמר הנפץ למטרה.
 
דוגמאות למבנים המתוכננים לעמידה בפיצוץ פנימי:
  • מבני ייצור חמרי נפץ
  • מתקני ייצור בתעשיה הכימית
  • תאי איכסון של תחמושת
  • בור ביטחון לחפצים חשודים
 
רסיסים
במידה וחמר הנפץ עטוף במעטפת קשיחה המעטפת תתרסק למאות או אלפי חלקים, בעלי צורות שונות וגדלים שונים, שינועו במהירות עצומה ממרכז הפיצוץ. במקרים מסוימים הרסיסים יהיו בגודל אחיד שמטרתו למקסם את יכולת ההרג כמו כדוריות בראשי קרב של טילים, או מסמרים במטענים מאולתרים, או במעטפת מחורצת של רימוני רסס מסוימים.

עקב האנרגיה הקינטית הרבה של הרסיס יש לו כושר חדירה גבוה למבנים ומטרת התכן של הקירות היא לעצור את הרסיס טרם חדירתו אל תוך המבנה או לחילופין לאפשר חדירה עם אנרגיה נמוכה שלא תאפשר לרסיס לגרום נזקים .


רסיסים שתוארו לעיל נקראים "רסיסים ראשוניים" כאשר "רסיסים משניים" הם כל אותם חלקי מבנה או ציוד הנמצאים בסמוך למוקד הפיצוץ (למשל חלקי מעטפת הרכב בפיצוץ מכונית תופת). רסיסים אלה מאופיינים במהירויות נמוכות יותר ובמסה גדולה יותר חלקי מבנה המועפים עקב פיצוץ (דוגמת בלוקים או חלקי בטון) נקראים "רגמות".

בדרך כלל יש צורך בחישובים של מעוף רסיסים ורגמות וחישובי הצפיפות שלהם לצורך קביעת מרחקי בטיחות הנדרשים בתקנים שונים בין מבנים בתעשיה או למבני מגורים. כמו כן יש צורך בהערכת המסה, המהירות והצורה למטרת חישובי חדירת רסיסים דרך קירות מגן.
 
חמרים המשמשים למיגון
החומרים המקובלים ביותר למיגון הינם הבטון המזויין והפלדה. חומרים נוספים המקובלים במיגון הצבאי הינם עפר ואבן. בשנים האחרונות נוספו חומרים רבים אחרים המשמשים בעיקר לשיפורי מיגון ולחיזוק מבנים כמו למשל חמרים מרוכבים (דוגמת קבלר), פולימרים (דוגמת פוליקרבונט או פוליאוריאה), בדים בליסטיים, זכוכיות מגן שכבתיות ועוד. 
 
שיטות לחישוב המבנה
אלסטי-פלסטי מערכת בדרגת חופש אחת. מערכת של קפיץ מסה ומרסן המדמה את תגובת נקודה מרכזית במבנה המייצגת את התנהגות המבנה כולו.
 

לאחר קביעת הערכים המייצגים של הקשיחות, והמסה (והריסון במידת הצורך) פותרים את משוואות התנועה של המערכת לקבלת הדפורמציות של המבנה. השיטה אמנם פשוטה אך היא מאד מקובלת בתכנון מבני מגן.
לשם המחשה, התרשים הבא יציג את התגובה (התזוזה האופקית כפונקציה של הזמן) של מרכזה של פלטת בטון מזוין המשמשת כקיר, שעוביה 30 ס"מ ומידותיה 3 מ` גובה ו 4 מ` רוחב, הרתומה בארבע שפותיה,עם רשתות ברזל מצולע בקוטר 12 מ"מ כל 10 ס"מ. הפלטה מוטרחת על ידי פיצוץ מכונית תופת המכילה 300 ק"ג ט.נ.ט במרחק של 10 מ` ממנה.

 

 

התזוזה המקסימלית היא 0.58 אינטש והתזוזה הפלסטית המשתיירת היא כ 0.45 אינטש. החלק התחתון של התרשים מתאר את הלחץ הפועל על הטבלה כפונקציה של הזמן. אגב, פלטת הבטון לעיל מספקת לשוהים מאחוריה רמת מיגון נמוכה, כפי שיוסבר בהמשך.

 

מערכת עם דרגות חופש רבות
מבנה מסגרת המכיל פרקים בנקודות מסוימות כמו במרכז המוטות או בחיבורי מוטות כאשר לפרקים אלה מוקנות התכונות האלסטי - פלסטי של המבנה ורוב הדפורמציות יתרכזו בנקודות אלה. חישובים בתוכנות של אלמנטים סופיים כאשר לאלמנטים מוקנים תכונות אלסטו-פלסטיות
 
מרחבים מוגנים
פיקוד העורף הוציא תקנות מפורטות על אופן תכנון המרחב המוגן הדירתי הקומתי או המוסדי. התקנות הינן פרי של נסויים רבים שנעשו במהלך שנות התשעים. התקנות מלוות בפרטי בנין ובמידות אלמנטי הקירות  והתקרות, כך שלמעשה כל אדריכל או מהנדס יכול להכין תכנית ולאשר על ידי מהנדס מחוזי של פיקוד העורף. ואולם ישנם מקרים בהם לא ניתן, עקב אילוצים שונים, לתכנן את המרחב המוגן בהתאם לתקנות, אז ניתן להכניס לתמונה את יועץ המיגון אשר יגיש חישובים דינמיים ויוכיח כי השנויים שיבוצעו לא יגדילו את הסיכון לשוהים במרחב המוגן
 
קריסת שרשרת של מבנה
קריסת שרשרת הינה אירוע נדיר המחייב ,מצד אחד עומס פתאומי גדול הגורם לנזק נקודתי ומצד שני מבנה החסר בהמשכיות, משיכות ויתירות בחוזקם של האלמנטים השונים שבו, היכולים להתנגד להתפשטות הנזק. אבל כשמקרה כזה קורה, נפגעים רבים צפויים כאשר המבנה כולו או חלקו הגדול יקרסו.

דוגמא לכך הם 168 ההרוגים בפיצוץ בבנין הממשל באוקלהומה סיטי באפריל 1995, שמרביתם לא נהרגו מההדף אלא מקריסת שרשרת של המבנה כתוצאה מהרס עמוד החזית.

בתמונות הבאות נראה את המבנה, לפני ואחרי הפיצוץ.
 


תקנים שונים בעולם דורשים כיום עמידות כנגד התופעה אבל לאו דוקא עמידות הרכיבים כנגד אירוע נקודתי, אלא, בהנחה שהאירוע התרחש, יש צורך לבדוק ולוודא שקריסת שרשרת לא תיגרם. לדוגמא, נדרש המתכנן להוכיח כי היעלמות פתאומית של עמוד חזית במבנה תגרום לדפורמציות גדולות אבל לא לקריסה של כל המבנה.
 
שיקולים בתכנון מבני מגן
באיזה מצב נרצה לראות מבנה לאחר התממשות האיום ? לכמה מהשוהים במבנה שיהרגו או יפצעו באופן קשה "נסכים" ונראה בכך קרבן סביר ? ישנם כלים שמאפשרים הערכה של נזק עקב פיצוץ. הכלים נותנים דרגות של נזק כבד, בינוני או קל. האם נזק בינוני למשל זה בסדר ? האם אפשר להסכים לנזק שהוא בין בינוני לכבד ?

במשרד ההגנה האמריקאי DOD הבינו שיש כאן בעיה ויש צורך להציג קריטריונים ברורים לעניין והוציאו תקן שבו הוגדרו רמות מיגון המציגות תסריטים של מה שאמור לקרות למבנה ולאנשים השוהים בו.
 
הטבלה הבאה מתארת את הנזק הפוטנציאלי ברמות המיגון השונות:
 
התרשים הבא מתאר דיאגרמה עקרונית של עמידות רכיב מבנה כלשהו בהדף פיצוץ. סימון מרחק חמר הנפץ מהרכיב, מול כמות חמר הנפץ, תמקם אותנו בדרגת הנזק הצפויה לרכיב .

רמת המיגון שנקנה למבנה תעמוד ביחס הפוך לרמת הנזק , וככל שרמת המיגון תהיה גבוהה יותר כך תקטן דרגת הנזק. מה יכול לקבוע את רמת המיגון הנדרשת למבנה ?

להערכתי יש לשאול לפחות את השאלות הבאות טרם קבלת החלטה על רמת מיגון אותה יש להקנות למבנה:
  • מהו האיום ומה הסכויים למימוש האיום על המבנה ?
  • כמה אנשים ימצאו במבנה ובאיזה צפיפות ?
  • מהו יעוד המבנה ומה החשיבות להמשך תיפקודו בשעת חירום ?
  • את מי משרת המבנה והאם היושבים בו נדרשים לתפקד בזמן חירום ?
  • מהו התקציב הנדרש להשגת רמות המיגון השונות ?
 
ברור כי מבני מגורים נמוכים, למשל, "יזכו" לרמת מיגון נמוכה מאד. כמו כן ברור כי מבני משרדי ממשלה או בתי חולים, למשל, צריכים לקבל רמת מיגון גבוהה.

קביעת רמת המיגון של מבנה הוא תהליך הדורש סקר סיכונים . יש דרכים לבצע את זאת חישובית למתענינים אני יכול להפנות למדריך FEMA 426.
 

אשמח לקבל תגובות והערות לאמור לעיל וכן אשתדל לענות על שאלות שישאלו בפורום CivilEng.