קירות מגן כנגד פיצוץ - BLAST WALLS

קירות מגן הם מונח כולל לאלמנטים ורטיקליים המיועדים להגנה. ההגנה יכולה להיות בפני גלישת קרקע, הגנה אקוסטית, הגנה ממעבר אש, הגנה מירי, הגנה מהדף פיצוץ ועוד. המאמר הבא יתמקד בקירות המיועדים להגן בפני פיצוץ (BLAST WALLS).

הבעיה כולה של קירות מגן מתרכזת בתרשים הבא:

כאשר המשתנים בבעיה הם בעיקר: סוג המטרה עליה יש להגן, מרחק ממרכז הפיצוץ, כמות וסוג חומר הנפץ, נתוני הרסס, מרחק קיר המגן מהפיצוץ וגובהו.

המתכנן מקבל בדרך כלל את נתוני המטרה, רמת המיגון המבוקשת, מרחק וכמות חומר הנפץ ועליו להחליט על מיקום הקיר בכפוף לאילוצי השטח השונים, גובהו, עוביו ורוחבו, מאיזה חומרי בניה יבוצע ואיזה ביסוס יידרש לו.

 

תפקידי קיר המגן

  • הנחתת רמת הלחץ שתגיע למטרה לרמה מותרת
  • הקטנת האימפולס שיפעל על המטרה
  • חסימת רסיסים ראשוניים שיועפו לכיוון המטרה
  • מניעת ירי בכינון ישיר

 

היכן נדרש קיר מגן ?
ציבור המהנדסים והאדריכלים וודאי מכיר את קירות המגן הנדרשים אל מול דלת הכניסה למרחב המוגן הדירתי. כאן מדובר על מחיצה מבלוקים או מבטון מזויין שתפקידה להנחית (להקטין) את רמת ההדף ומהירות הרסיסים, שיגיעו לדלת ההדף של הממ"ד, שהינה אלמנט פגיע יותר להדף ורסס מאשר שאר קירות הממ"ד. אולם, לקירות המגן יש גם שימושים נוספים.

בקירות מגן משתמשים בתעשיות הביטחוניות להפרדה בין מתקנים נפיצים. כאן מטעני חומר הנפץ ידועים והמטרות עליהם יש להגן הם מבנים ומתקנים סמוכים.

בנוסף, זרועות הביטחון מקימים קירות מגן להגנה על מבני ציבור ושלטון, שגרירויות וכיו"ב וזאת אל מול איום של מכוניות תופת או מטענים מאולתרים.

גם איום של טילים או פצצות אויר מחייב קירות להגנת מתקנים רגישים, מצבורי חומ"ס (חומרים מסוכנים), מחנות צבא וכיו"ב.

 

סוגי קירות מגן מקובלים

  • קירות בטון מזוין
  • סוללות עפר
  • לוחות פלדה
  • שקי חול
  • מיכלים מלאי עפר - "הסקו"
  • גביונים (רשתות מלאות באבנים)
  • מיכלי פלסטיק מלאים במים

בצילום הבא נראים קירות בטון טרומי ניידים מסוג T

אלה יחידות ברוחב של 1 מ', בדרך כלל, המונפות באמצעות "אוזניים" מעוגנים בבטון. לקירות אלה שימוש נרחב בצה"ל ובצבאות זרים.

בצילום הבא נראה קיר מסוג "הסקו"

הקיר מורכב מיחידות של רשתות פלדה, עם צפוי פנימי של בד, הנפרשות בשטח לצורת קוביות (כמתואר בתרשים הבא) וממולאות בעפר בעזרת כלי צמ"ה.

בחירת סוג קירות מגן תלויה בנתוני שטח, מהירות הקמה נדרשת, מהם אמצעי הביצוע והמשאבים הקיימים, מהו האיום המסכן את המטרה וכו'.

 

תגובת קיר מגן להדף
קיר מגן יכול להגיב במספר אופנים עיקריים: תזוזה, כפיפה וסיבוב וכן בשילוב ביניהם.

תזוזת הקיר תחל כאשר כח החיכוך בין הקיר והתשתית יהיה גדול מכח החיכוך הסטטי הנובע ממשקל הקיר ומקדם החיכוך שבין החומרים. התזוזה אינה משמעותית ביחס לאופני התגובה האחרים האחרים והיא יותר רלוונטית בקירות נמוכים עם בסיס רחב. ככל שהקיר גבוה יותר, הוא יגיב על ידי סיבוב סביב ציר העובר בפינה התחתונה של הבסיס ורצון להתהפך.

בתרשים הבא נראה תגובה כללית של קיר מגן לפיצוץ

כל עוד הקיר אינו מתהפך, ניתן לומר כי עמד במשימה. גם אם הקיר התהפך, יכול להיות שעדיין עמד במשימה, כי בזמן התגובה עד ההתהפכות הוא ביצע את משימתו כלומר, הנחתת ההדף ומניעת מעבר רסס. אם כי עלול להיות מצב בו הקיר בהתהפכותו, יפגע ויגרום נזק למטרה הנמצאת קרוב מאחוריו.

אולם, קיימת גם אפשרות שקיר הקרוב לפיצוץ, שאינו חזק דיו, יתרסק לחלקים שיואצו ויעופו לכוון המטרה (רגמות), כאן הקיר לא רק שאינו מגן, הוא אף מהווה גורם סיכון נוסף.

 

השפעת הקיר על הנחתת ההדף שיגיע למטרה
גל ההדף מפיצוץ קרקעי מתקדם במהירות לכל הכיוונים בצורת חצי כדור. כאשר קיימת הפרעה בדרכו של הגל, כמו קיר מגן, ייוצרו תופעות של מערבולות, החזרות ושנויי כיוונים לפני ואחרי הקיר. במקרים אלה, התופעה סבוכה ביותר ומחייבת ביצוע חישובים או נסויים להערכת רמת הלחץ והאימפולס שיגיעו למטרה. ההנחתה יכולה להיות בעשרות אחוזים.

בעבודה חישובית גדולה שבוצעה באוסטרליה הורצה הבעיה בתוכנה הידרו-דינמית, מאות פעמים, תוך שנויי פרמטרים. כאשר, בתרשים הבא נוכל לראות לדוגמא, את מצב הלחצים במרחב שבין חומר הנפץ למבנה המטרה לאחר 10 מילישניות כאשר גל ההדף גולש מעבר לקיר המגן (בצד השמאלי של התרשים) ולאחר 25 מילישניות כאשר גל ההדף פוגש את חזית מבנה המטרה.

נתוני ריצה זאת הם כדלקמן:

  • גובה בנין המטרה 20 מ'
  • מרחק חומר הנפץ מהמבנה 20 מ'
  • משקל מטען חומר הנפץ 1 טון ט.נ.ט
  • גובה קיר המגן 4 מ' ומרחקו ממרכז חומר הנפץ 12 מ'

בתרשים הבא נוכל לראות נתונים, שרוכזו ממספר ריצות מחשב, המראים את מקדם הקטנת הלחץ והאימפולס, לגובה המבנה, כאשר גובה קיר המגן הוא 2.5 מטר והמרחק בינו לבין חומר הנפץ משתנה.

הקו השחור מתאר את הערכים בהיעדר קיר מגן. כאן נוכל לראות כי הפחתת הלחצים בתחתית המבנה תנוע בין 40 ל 65 אחוזים מהלחץ ללא קיר המגן והפחתת האימפולס תהיה בין 30 ל 40 אחוזים.

מתוך תוצאות אלה נוכל לראות כי הקיר יהיה יותר אפקטיבי ככל שהוא קרוב יותר לחמר הנפץ, אבל, צריך לזכור שככל שהקיר קרוב לפיצוץ , יפעלו עליו אימפולסים ולחצים גבוהים יותר, מה שיחייב תכנון קיר כבד יותר שעלותו גבוהה. יכול להיות שמבחינה כלכלית עדיף היה למקם קיר גבוה יותר הקרוב דווקא למבנה המטרה.

חישוב קיר מגן
את הקיר מוצע לחשב בשתי דרכים. חישוב אחד יבטיח כי הקיר עומד בדרישות הדפורמציות הפלסטיות והגזירה, בהנחת סכימה של קיר קונזולי ורטיקלי הרתום בבסיסו. בהתאם, יחושבו עובי הבטון וכמות הזיון . החישוב הנוסף יבטיח מניעת היפוך הקיר, בהנחת התנהגות של אלמנט קשיח.
שיטה זאת היא על צד הביטחון כמובן, מאחר וחישוב משולב, של הכפיפה וההיפוך, מחייב חישובים דינאמיים לא ליניארים מורכבים.

 

חישוב כנגד מניעת היפוך
חישוב שכזה פשוט יחסית ואמור להבטיח ,בשיטה אנרגטית ,שמרכז הכובד של הקיר לא יצא מתחום הבסיס. למשל בקיר המתואר להלן, הקיר יתהפך כאשר מרכז הכובד יעבור את הפינה הימנית התחתונה המהוה גם את נקודת הסיבוב.

במצב זה, הקיר יצבור אנרגיה פוטנציאלית השווה למכפלת משקלו בהפרש הגובה (dh) הנוצר עם התרוממות מרכז הכובד.

האנרגיה הקינטית שתגרום לכך תתקבל מהשוואת התקיפה לתנע. התקיפה (האימפולס - שהינו השטח מתחת לעקומת לחץ - זמן ), הפועל על הקיר עקב הפיצוץ, והתנע הינו מכפלת המסה במהירות. מתוך השואה זאת נקבל את המהירות וממנה את האנרגיה הקינטית.

אם האנרגיה הקינטית שווה לאנרגיה הפוטנציאלית, הקיר על סף ההיפוך. במידה והיא קטנה יותר, היחס בין האנרגיות ייתן את מקדם הביטחון הקיים כנגד היפוך.

כאשר מדובר על קיר המונח על פני הקרקע ,יהיה מקדם ביטחון רצוי גדול מ 2 ואפילו ערך של 3 מקובל. כאשר בסיס הקיר נמצא בתוך הקרקע, החישוב מסתבך במעט. הקיר, על מנת להתהפך צריך גם להתגבר על לחצי הקרקע.

לדוגמא נתון הקיר הבא, שגובהו 2 מטרים מעל פני הקרקע ובסיסו הטמון בקרקע הוא במידות של 90X50 ס"מ.

בתרשים מודל אלמנטים סופיים (במידות של 10 ס"מ לכל אלמנט). הקיר נחשף לפיצוץ בלחץ מקסימלי של 350 psi ואימפולס של 700 psi-msec. ערכים אלה נדרשים במפרט פיקוד העורף למיגון מתקנים המאחסנים חומרים מסוכנים. בחישוב אנרגטי, כפי שתואר לעיל ומתעלם מהקרקע, הקיר בוודאות מתהפך.

ניתן לבצע חישוב דינאמי לא ליניארי שמתאר את תווך הקרקע כמערכת קפיצים לא ליניארים, המסוגלים לקבל כוחות לחיצה בלבד. ואולם ,עדיף לעשות חישוב ליניארי דינאמי ,כאשר בחישוב ראשון ,נותנים קפיצים בכל הצמתות הבאות במגע עם הקרקע ובשלב הבא מריצים שוב, לאחר ביטול כל הקפיצים שהיו במתיחה במהלך התגובה בכוון ההיפוך.

ערכי קבוע הקפיצים מתקבל בהכפלת מודול המצע בשטח האלמנט. ערך מודול המצע מתקבל על ידי יועץ קרקע והוא נע במרבית המקרים בין 5 ל 20 ק"ג לס"מ3. בחישוב כאן בחרתי בערך של 15 ק"ג לס"מ3.

בתרשים לעיל נראה את תגובת הנקודה הימנית העליונה של הקיר כאשר התזוזה המקסימלית בשיעור של כ 27 ס"מ מתקבלת לאחר 60 מילישניות. ברור מכאן שהקיר לא יתהפך ויעמוד במשימתו.

ראוי גם לציין כי חישבתי כאן חישוב דו מימדי על רצועת קיר שפועל בה האימפולס המקסימלי. (הרצועה הקרובה ביותר למרכז חומר הנפץ), בפועל, בחישוב מרחבי, מימד האורך של הקיר שקיימות בו רצועות רחוקות יותר ממרכז הפיצוץ וזוית הפגיעה של גל ההדף נמוכה מ 90 מעלות וגם הלחץ מגיע לשם לאחר זמן ארוך יותר, מימד אורך זה מהווה גורם המרסן את תגובת הקיר כך שההזזות יהיו קטנות עוד יותר.

לסיכום, קירות מגן כנגד פיצוץ הינו נושא מעניין ומאתגר, המחייב הבנה מעמיקה הן באפקטים של חומרי נפץ ותחמושת והן בחישוב דינאמי של מבנים.