Системний підхід до безпечного скління

У наш час без скла не обходиться практично жодна будівля. Більш того, тенденції розвитку архітектури свідчать про зростання площ скління. Скло - матеріал крихкий і при руйнуванні може стати причиною серйозних травм і поранень. Реалізація програм безпечного скління для мегаполісів, зокрема для захисту від наслідків терористичних актів, - актуальна проблема нашого часу.



Росія зіткнулася з проблемою захисту людей від тероризму пізніше інших економічно розвинених країн, таких, як США, Великобританія, Німеччина, Іспанія, де вже кілька років існують державні стандарти в галузі безпечного скління. Таким чином, відповіддю на теракти є не тільки активні антитерористичні заходи, але й профілактична робота, що зводить до мінімуму наслідки дій терористів.

До інших причин руйнування скла, що призводить до значних людських і матеріальних втрат, відносяться техногенні катастрофи та природні катаклізми. Ми невипадково об'єднуємо ці події. В основі руйнівної дії вітру або урагану лежить енергія руху повітря, а в разі вибуху - енергія повітряної ударної хвилі. Інші причини руйнування скла - акції вандалізму і спроби проникнення. У цих випадках відбувається локальне вплив на скло -яким знаряддям - молотком, сокирою, прутом, пляшкою із запальною сумішшю.

У США і в країнах Західної Європи знайшли прийнятне рішення проблеми зниження травматизму і збитку від осколків скла. Воно полягає в застосуванні спеціальних самоклеючиїх віконних полімерних плівок, які перешкоджають розльоту осколків, що утворилися при вибуху або урагані. Підкреслимо, що ці плівки не роблять скло небитким. Під впливом повітряної ударної хвилі великої енергії скло неминуче потріскається, проте його фрагменти виявляться міцно приклеєні до плівки. Товщина плівки невелика - близько 0,2-0,3 мм, проте випробування показали, що цього достатньо, щоб звичайне скло товщиною 4 мм при вибуху 100 кг тротилу на відстані близько 40 м від будинку не завдало ніякої шкоди здоров'ю та майну людини. Енергія вибуху перетворює незміцнене скло в смертоносний град гострих осколків. Якщо ж прикласти цю енергію до скла з плівкою, прикріпленою до рами по периметру, вона майже цілком витрачається на руйнування скла, розтягнення і розрив полімеру і, як наслідок, практично не переходить у кінетичну енергію уламків. У названих країнах застосування плівки у складі скління будівель і споруд з масовим перебуванням населення, на об'єктах хімічної промисловості, а також об'єктах особливої ​​значущості визнано необхідним і обумовлюється в будівельних нормах і правилах США і Європейського союзу.

З початку 90 -х років за кордоном проведено близько десятка вибухових випробувань, в ході яких підривалися заряди вибухової речовини масою до тонни в тротиловому еквіваленті. Результати випробувань свідчать про незаперечні переваги віконних плівок. Російським фахівцям немає потреби повторювати виконану роботу. Погано те, що Росія, як би не хотіла, не може прямо зараз приступити до виробництва власної плівки. Наші внутрішні проблеми негативним чином позначилися на стані заводів з виробництва плівкових полімерних матеріалів. Так що при сучасному стані справ без імпортної плівки нам поки не обійтися.

Виявилося, однак, що застосування тільки віконної плівки для створення безпечного скління недостатньо, а в ряді випадків навіть призводить до погіршення ситуації. Це відбувається, наприклад, коли на скління впливає повітряна ударна хвиля великої (більше 5 мкс) тривалості, що реалізується при терористичних вибухах великої потужності (більше 10 кг TNT), або в разі малої маси вибухової речовини, але за наявності перевідбиттів в замкнутому або напівзамкнутому просторі (як це було в переході під Пушкінською площею в серпні 2001 року). Недостатнім також виявляється застосування плівки в разі вибуху побутового газу (дефлаграції), а також коли треба перешкодити спробі проникнення в приміщення через вікно або масових акцій вандалізму.

Слабкими місцями скління з плівкою є області примикання скла в стулці, стулки в рамі, рами в прорізі.

Установка плівки на скло без використання спеціальних засобів її кріплення до рами поки залишається найдешевшим, а значить, і найпопулярнішим способом створення ВИБУХОЗАХИСНИХ скління. В англомовній літературі такий спосіб установки плівки на склі носить назву daylight, що в перекладі означає « денне світло ». При установці плівки між її краєм і рамою неминуче залишається невеликий зазор, від 2 до 5 мм. Саме ця незахищена область скління є його слабкою ланкою. У випадках потужних вибухів відбувається випадання плівки зі склом з стулки, що випало полотнище набуває значну енергію і здатне привести до людських жертв і майновому збитку. Плівка, наклеєна на скло способом daylight, не здатна перешкодити спробам проникнення, якщо прикладати зусилля до області примикання скла до стулки.

За кордоном ця проблема вирішується за допомогою так званих систем закріплення захисних віконних плівок. Вони являють собою спеціальні елементи, що з'єднують плівку, скло і раму в єдину міцну конструкцію, здатну більш ефективно протистояти вибуховому навантаженню.

В даний час найпопулярнішими системами прикріплення плівки до рами є:
- Силіконовий герметик (Wet Glazing system);
- Спеціальні жорсткі захвати (catch bars), або утримуючі шнури (Life Line system);
- Пластикові самоклеючі кріпильні елементи (Gull Wing system);
- Система Фреймгард (FrameGard anchoring system), що представляє собою пластикові або алюмінієві елементи кріплення з двостороннім або чотиристороннім закріпленням.

В даний час і за кордоном, і в Росії визнана необхідність системного підходу до проблеми безпечного скління. Такий підхід передбачає, що технічні вимоги до безпечного скління повинні поширюватися не тільки на скло як носія потенційної небезпеки, але і на всі інші елементи світлопрозорих огороджувальних конструкцій, зокрема на пристрої закріплення скла в рамі, рами в отворі і т.д., забезпечуючи безпека скління в цілому.

Щоб дати уявлення про системний підхід до проблеми створення вибухобезпечного скління, необхідно визначити два основних поняття.

Скління будівель і споруд - це будь-які світлопрозорі конструкції, що містять скло і пристрої його закріплення (вікна, скляні двері, вітрини, скляні елементи фасадів тощо). Наприклад, якщо мова йде про вікно, то в поняття «скління» включаються всі елементи, що заповнюють віконний отвір: скло, рама, запірні механізми, елементи кріплення.

Повітряна ударна хвиля (ВУВ) — це те, що виникає при вибуху і розповсюджується в повітрі областю, в якій відбувається різке збільшення щільності, тиску і температури речовини (фаза стиснення), а також наступна за нею область, де ті ж параметри нижче, ніж у незбуреному середовищі (фаза розрідження). Основними характеристиками ВУВ є пікове значення надлишкового тиску повітря, тривалість і величина питомого імпульсу фази стиснення і ці ж параметри для фази розрідження.

Розрахунки показують, що вплив ВУВ на скління носить імпульсний характер, і це треба враховувати при проектуванні конструкцій скління.

Раніше властивостям рам з точки зору стійкості до вибуховим навантажень приділялося дуже мало уваги. Це зумовлювалося тим, що скло було найслабшим елементом вікна, воно розбивалося в першу чергу і не передавало істотні зусилля на раму.

Можливість проектування, конструювання та тестування скління по частинах (окремо скло, окремо рама, окремо кріпильні елементи) істотно спростила б весь процес організації вибухобезпечного скління. Це дозволило б створити реєстр вибухобезпечних стекол різних рівнів стійкості, такий же реєстр для рам, кріплень, запірних механізмів. Далі створення безпечного скління звелося б до простого комбінування. Однак специфіка взаємодії скління з ВУВ не дозволяє знехтувати взаємним впливом елементів скління в процесі цієї взаємодії.

В даний час методики розрахунку віконних систем створені для статичних навантажень, наприклад вітрових. На жаль, ця методика виявляється непридатною в нашому випадку. Вітрове навантаження є статичним, тоді як вплив ВУВ на скління - це імпульсне навантаження, що складається з двох фаз: позитивної і негативної. Їх послідовне дія викликає у всіх елементах скління вимушені коливання, які потім переходять у вільні Взаємне коливальний рух елементів скління відносно один одного вже не дає можливості знехтувати їх взаємним впливом один на одного (можливі резонанси, биття тощо).

Таким чином, скління має бути безпечно в цілому, отже, на скління в цілому повинні поширюватися технічні вимоги, воно має бути піддано випробуванням, сертифікат відповідності повинен містити інформацію про всю світлопрозору конструкцію, що зазнала випробувань.

Для цілей проектування безпечного скління необхідно створити модель поведінки скління із захисною полімерною плівкою при послідовному дії позитивної та негативної фаз ВУВ.

Фахівцями створено математичну модель, яка за допомогою рівнянь описує поведінку скління під дією ВУВ. Вона дає можливість визначити величини сил, що діють у всіх елементах скління, що дозволить конструкторам проводити розрахунки на міцність елементів скління, виходячи з вимог різних класів вибухобезпеки.

А це відкриває шлях до проектування вибухобезпечного скління по заданому класу вибухобезпеки, а також дозволить конструкторам проводити розрахунки на міцність елементів скління, виходячи з вимог різних класів вибухобезпеки.

Діючі в склінні сили залежать від пружності віконної плівки таким чином, що чим менше пружність плівки, тим менше ці сили. У цьому якраз проявляється демпфіруюча дія плівки, прикріпленої до рами.

Як було вже сказано, захисну дію віконних плівок при різних навантаженнях ВУВ в даний час може бути оцінено тільки при реальних вибухових випробуваннях, що вимагає залучення значних матеріальних засобів. Кількість випробувань можна скоротити, якщо оцінювати вибухобезпечність скління різного типу за розрахунковою методикою. Доопрацювання та апробація запропонованої моделі дозволять проводити класифікацію та сертифікацію скління на вибухобезпечність за допомогою їх моделювання на комп'ютері.

Основні напрямки робіт з реалізації системного підходу в безпечному склінні:
- Створення та апробація математичної моделі відгуку скління на імпульсний вплив;
- Розробка і створення типових і унікальних конструкцій скління, що витримують імпульсні навантаження;
- Створення захисного скління від несанкціонованого проникнення та актів масового вандалізму;
- Розробка і створення конструкцій, безпечних при внутрішніх дефлаграціонним вибухах.

Кінцева мета всієї роботи - впровадження в практику будівельного комплексу нових елементів і систем світлопрозорих конструкцій у вибухобезпечному виконанні для забезпечення захисту населення від осколків скла, що утворюються при впливі ВУВ в результаті терористичних актів, природних катаклізмів і техногенних катастроф, а також в результаті актів масового вандалізму.
Поки існує реальна загроза тероризму, нам не піти від вирішення пов'язаних з ним проблем. Адже кожен знає, що впевненість і спокій - необхідні складові гідного життя.


За матеріалами московської науково -практичної конференції «вибухостійкого і вибухобезпечність промислових, транспортних і цивільних об'єктів»