מעבר לתקן: מדוע תוכנות התכנון הסטנדרטיות נכשלות בחישובי פיצוץ?
תקציר
הנדסת הבניין הקלאסית מסתמכת על כלי תכנון המבוססים על גישת ה Implicit לפתרון בעיות סטטיות ודינמיות. בעוד כלים אלו מצטיינים בתכנון לרעידות אדמה וכבידה, הם נתקלים במחסום פיזיקלי ומתמטי כאשר נדרש תכנון כנגד איומי קיצון בקצביים גבוהים (כגון High Strain Rates) פיצוץ והלם. מאמר זה סוקר את ההבדלים המהותיים בין הגישות, את חוקי השימור המכתיבים את הפתרון ומדוע אימוץ כלי Explicit מתקדם הוא צעד הכרחי לקידום ההנדסה האזרחית בישראל.
1. מבוא וסקירה כללית
המאמר עוסק בפער הטכנולוגי והנדסי הקיים בתחום התכנון למקרי קיצון (פיצוץ, הדף וחדירה) במדינת ישראל.
בעוד שתכנון המבנים הסטנדרטי מתבסס על גישות סטטיות או דינמיות אטיות, המציאות הביטחונית דורשת מעבר לשיטות חישוב מתקדמות המסוגלות להתמודד עם אירועים המתרחשים במילי-שניות.
2. בעיה: כשלון הכלים הקלאסיים (Implicit)
תוכנות הנדסיות נפוצות (כמו SAP2000, ETABS, STRAP) מבוססות על פותר (Solver) מסוג Implicit. כלים אלו מצטיינים בעומסי כבידה ורעידות אדמה, אך נכשלים בחישובי פיצוץ בגלל:
- הנחת שיווי משקל גלובלי: הגישה מחפשת איזון כוחות בכל צעד זמן, דבר שאינו רלוונטי בפיצוץ שבו המבנה מגיב מהר יותר מהיכולת של המערכת להתאזן.
- צוואר בקבוק חישובי: הצורך בביצוע אינוורסיה (היפוך) למטריצת הקשיחות. כאשר הבטון נסדק או מתפרק, המטריצה הופכת ללא יציבה והחישוב "קורס" (אי-התכנסות).
- פיזיקה של גלי הלם: בפיצוץ, האנרגיה עוברת דרך החומר בגלי לחץ מהירים. תוכנות סטנדרטיות "ממצעות" את התופעות הללו ועלולות לספק תוצאות מטעות ומסוכנות.
3. הפתרון: מעבר ל-Explicit Dynamics
הפתרון המוצע הוא שימוש בתוכנות ייעודיות (כגון LS-DYNA, Abaqus Explicit או OpenRadioss) הפועלות בשיטה המפורשת:
- פתרון ישיר של החוק השני של ניוטון: המערכת מחשבת תאוצה, מהירות ומיקום בכל צעד זמן זעיר (מיקרו-שניות) ללא צורך בשיווי משקל רגעי.
- עבודה עם מטריצת מסה אלכסונית: מאפשרת חישוב מיידי ופשוט שאינו נתקע גם כאשר האלמנטים במבנה מתפרקים או עפים (רסס).
- התחשבות בקצב מעוות גבוה (High Strain Rate): יכולת לדמות כיצד בטון ופלדה מתחזקים תחת עמיסה מהירה מאוד.
4. הוכחות מהשטח ודיוק נומרי (Case Studies)
המאמר מציג שלושה מקרי בוחן שבהם בוצע תיקוף (Validation) של הסימולציות מול ניסויים אמיתיים:
- עומסי הדף (ERDC): הוכחת התאמה מלאה בין סימולציה לשקיעה של קיר בטון בניסוי חי.
- שילוב הדף ורסס (BIT): דימוי פיצוץ פגז 76 מ"מ בקרבת מבנה והשפעת הרסיסים על הרס הבטון.
- חדירת פגזים (FOI): שחזור ניסוי חדירה של פגז 152 מ"מ בבטון תוך השוואת מודלי חומר שונים לדיוק מרבי.
5. חזון והמלצות למשק הישראלי
- צמצום פער הידע: המעבר מתכנון מבוסס "כללי אצבע" וטבלאות לתכנון מבוסס סימולציה הוא הכרחי לשיפור המיגון.
- דמוקרטיזציה של הטכנולוגיה: שימוש בכלי קוד פתוח (כמו OpenRadioss) מאפשר למשרדי תכנון קטנים וגדולים כאחד לאמץ שיטות מתקדמות ללא חסם כלכלי.
- זהירות מקצועית: סימולציה היא כלי חזק, אך ללא כיול (Calibration) מול ניסויים, התוצאות עלולות להיות ויזואליות בלבד ולא פיזיקליות (GIGO).סיכום
סיכום
מדינת ישראל היא מעצמה ביטחונית וטכנולוגית, אך בתחום ההנדסה האזרחית, הפער בין הידע שקיים בתחום המיגון ותופעות הדינאמיות (לאנליזות המחושבות ב Explicit Dynamics) והידע הקיים במשרדי התכנון, עדיין רחב.
הטמעת יכולות סימולטיביות מתקדמות, בתכנון היא צעד הכרחי גם במשרדי התכנון וגם באקדמיה. המעבר מתכנון מבוסס "כללי אצבע" לתכנון מבוסס סימולציה מתוקפת ומכוילת יביא לרמת הנדסה גבוהה יותר, והבנה של תופעות מגוונות.
להורדת המאמר המלא >>
אין תגובות