יעילות קירות מגן בהגנה על דלתות מרחבים מוגנים

בין האילוצים "היותר כואבים" לאדריכל המתכנן מבנה, הם דרישות פיקוד העורף למיגון על דלתות מרחבים מוגנים. דלת המרחב המוגן הינה אלמנט חלש יחסית למבנה המרחב המוגן העשוי מבטון מזוין. שימוש בדלת הדף רגילה, ללא דרישות מיגון נוספות, כפופה לעמידה בדרישות מפרט פיקוד העורף של בחינת שטחי הפתחים בקירות החיצוניים ומרחקם מדלת הממ"ד

להלן תרשים הסבר ל"משפך החזית", המוגדר באות א כאשר הקיר החיצוני מרוחק מדלת הממ"ד A מטרים:

במפרט פיקוד העורף מופיעות 2 טבלאות המרכזות את המרחקים ושטחי הפתחים המותרים הן במשפך החזית והן במשפך הצידי:

למשל, במשפך החזית, במידה ומרחק דלת הממד מהקיר החיצוני הוא 6 מ', ואין מחיצות בלוקים בין הקיר החיצוני למרחב המוגן, אפשר שיהיה בקיר זה פתח ששטחו לא יעלה על 1.2 מ"ר (מצב המסומן בטבלה במעגלים אדומים). אם שטח הפתח בקיר החיצוני גדול מערך זה, יש להקים קיר שיגן על דלת הממ"ד ויתוכנן כך שיכסה את הדלת וזאת על ידי מתיחת קוים בין קצוות הפתח לקצוות דלת הממ"ד. אפשרות נוספת היא להחליף את דלת ההדף בדלת מוגברת דגם "דלית" שעמדה בנסויים. הבעיה היא, שנכון לכתיבת שורות אלה, דלת זו מיוצרת רק על ידי יצרן אחד בלבד המורשה על ידי פקע"ר ומחירה יקר מאד. לחילופין, ניתן לבחור בדלת הדף רסיסים דירתית משופרת. זאת דלת הכבדה פי 4 בערך ויקרה יותר מהדלת הרגילה.

מטרת עבודה זאת הוא לבחון את יעילות קירות המגן על פי הנחיות פקע"ר. 

גל ההדף מפיצוץ קרקעי, מתקדם במהירות לכל הכיוונים בצורת חצי כדור. כאשר קיימת הפרעה בדרכו של הגל, כגון קיר, ייוצרו תופעות של מערבולות, החזרות ושינויי כיוון לפני ואחרי הקיר. במקרים אלה, התופעה סבוכה ביותר ומחייבת ביצוע חישובים או נסויים להערכת רמת הלחץ והאימפולס שיגיעו למטרה. קיימות תוכנות אשר יכולות לספק קרובים, בזמן ריצה קצר, למציאת הלחצים והאימפולסים שיפעלו על דלת הממ"ד, דוגמת BLASTX. יחד עם זאת תוכנות אלה מתקשות במידול של עקיפת מכשולים. לחילופין, עדיף להשתמש בתוכנות המבצעות סימולציה נומרית (CFD).

תוכנות אלה מצריכות זמן מחשב רב, וכן ידע ונסיון של המשתמש על מנת לבחור פרמטרים נכונים וצפיפות רשת תאים מתאימה. בתוכנות המשמשות לסימולציות נומריות מחושבים, בכל רגע נתון, כל המשתנים על בסיס חוקי השימור של המסה, התנע והאנרגיה, התוכנות המבצעות את הסימולציות נקראות תוכנות הידרודינמיות או בשם הכולל "הידרוקוד" (Hydrocodes). 

בעבודה זאת השתמשתי בתוכנת (SPEED (Shock Physics Explicit Eulerian Dynamics. התוכנה פותחה על ידי החברה הגרמנית NUMERICS והיא מוכוונת לשימוש בחישובים של פיצוץ. כמובן שלא ניתן לבדוק את כל הקונפיגורציות הקיימות במיקום ובגודל של פתחים אבל כפי שנדרש ממתכנן מבנים, יש לבדוק את זו שתיתן ערכים מקסימלי של לחץ ואימפולס.

ערכים מקסימלים יתקבלו כאשר:

1. הדירה במפלס קרקע – אל מול מרכז הפיצוץ
2. מרכז הפתח בקיר החיצוני נמצא מול מרכז דלת הממ"ד
3. כאשר אין בין הקיר החיצוני לבין הממ"ד מחיצות

להלן המצבים שחושבו על ידי:

1. חלון אחד בשטח 1.2 מ"ר אל מול דלת הממ"ד במרחק של 6 מ'
2. שני חלונות בשטח כולל של 2.4 מ"ר אל מול דלת הממ"ד במרחק של 6 מ'
3. שלושה חלונות בשטח כולל של 3.6 מ"ר אל מול דלת הממ"ד במרחק של 6 מ'
4. ויטרינה בשטח של 8.8 מ"ר אל מול דלת הממ"ד במרחק של 6 מ'
5. ויטרינה בשטח של 13.2 מ"ר אל מול דלת הממ"ד במרחק של 6 מ'
6. שני חלונות בשטח כולל של 2.4 מ"ר אל מול דלת הממ"ד במרחק של 6 מ'  עם קיר מגן כנדרש
7. שלושה חלונות בשטח כולל של 3.6 מ"ר אל מול דלת הממ"ד במרחק של 6 מ'  עם קיר מגן כנדרש
8. ויטרינה בשטח של 8.8 מ"ר אל מול דלת הממ"ד במרחק של 6 מ' עם קיר מגן כנדרש
9. ויטרינה בשטח של 13.2 מ"ר אל מול דלת הממ"ד במרחק של 6 מ'  עם קיר מגן כנדרש
10. שלושה חלונות בשטח כולל של 3.6 מ"ר אל מול דלת הממ"ד במרחק של 6 מ' אבל בין החלונות יש מרווח של 150 ס"מ

לדוגמא להלן תרשים מצב מס' 9 של ויטרינה גדולה מול הממד עם קיר מגן:

דוגמא נוספת למצב מס' 6 של 2 חלונות אל מול הדלת המוגנת בקיר:

הפיצוץ חושב כהמיספרי, קרקעי, במשקל ובמרחק בהתאם לאיום היחוס וכמקובל בנסויי פיקוד העורף. החישוב בוצע תוך ניצול תנאי סימטריה להקטנת זמני החישובים. ערכי הלחץ חושבו על גבי נקודה הנמצאת במרכז דלת הממ"ד (למעשה הנקודה הוזזה כ-10 ס"מ הצידה על מנת שלא תשב בדיוק על ציר הסימטריה). גובה החדר 3 מ'. בקצה החדר במרחק 6 מ' נוסף קיר ניצב המדמה קיר חוץ צידי או לחילופין קיר מפריד בין דירות. החישוב בוצע למשך של 40 מילי-שניות מרגע הפיצוץ.

בתרשים הבאים נראה לדוגמא את המודל החישובי במצב של 3 פתחים בשטח כולל של 3.6 מ"ר אל מול הדלת הדירתית ועם קיר מגן. אנו רואים כאן למעשה פתח וחצי עקב הסימטריה:

התרשים הבא מתאר את קונטור הלחצים במישור אופקי בגובה 1 מ' לאחר 10 מילי-שניות מהפיצוץ וזאת עבור מצב של 2 פתחים בקיר חיצוני:

התרשים הבא מתאר את קונטור הלחצים במישור אנכי העובר במרכז החלון לאחר 15 מילי-שניות מהפיצוץ, כאן רואים כי גל ההדף חדר למבנה, פוגע ברצפה ובתקרה:

בתרשים הבא נראה את גרף הלחצים במרכז הדלת במצב של 3 פתחים בשטח כולל של 3.6 מ"ר אל מול הדלת הדירתית ועם קיר מגן:

הטבלה הבאה מרכזת את הלחצים והאימפולסים הפועלים על דלת הממ"ד בכל המצבים שתוארו לעיל. כאשר הערכים הכתובים בצבע ירוק מתארים מצבים שיאושרו על ידי פיקוד העורף. ערכים הכתובים באדום הם עבור מצבים שלא יאושרו:

ניתן לראות כי ככל ששטח הפתחים גדל, כך גדלה יעילות קיר המגן בהפחתת האימפולסים על הדלת. ניתן לתהות על פי התוצאות מדוע פיקוד העורף מאשר מצב של ויטרינה גדולה עם קיר מגן, מצב שייתן אימפולס של  272 psi-msec ולחץ של 67 psi, אבל 2 חלונות ללא קיר מגן לא יאושרו, מצב שבו האימפולס על הדלת יהיה רק מחצית ( 136 psi-msec.) והלחץ רק 47 psi.

חישוב תגובת הדלתות

חישוב תגובת הדלתות לגרפי הלחצים שחושבו לעיל, בוצע בעזרת תוכנת SBEDS שפותחה על ידי חיל ההנדסה האמריקאי. הדלת במידת פתח 80 ס"מ ועל פי תכנית דלת המופיעה בתקנות. להלן ריכוז תוצאות של תגובת הדלתות לכל המצבים:

התוצאות ניתנות בשלושה פרמטרים - 

• זוית הסיבוב המקסימלית של הדלת על יד המשקוף (במעלות)
• משיכות – המבטאת את המעבר מהתנהגות אלסטית לפלסטית (בערכים נמוכים מ 1 הדלת נשארת במצב אלסטי)
• שקיעה סופית של מרכז הדלת במ"מ

הערכים הכתובים בצבע ירוק מבטאים נזק קל בלבד לדלת הממ"ד.

הערכים הכתובים בצבע כתום מבטאים  נזק מתון לדלת הממ"ד.

הערכים הכתובים בצבע אדום מבטאים נזק כבד (על גבול הפריצה) לדלת הממ"ד.

כאשר הפתחים גדולים (מצב של ויטרינה אל מול דלת הממ"ד), קיר המגן הינו אלמנט חיוני ואשר בזכותו הדלת תינזק רק באופן מתון. אם פיקוד העורף מסתפק בנזק מתון לדלת, ניתן היה לוותר על קיר המגן בכל שאר המצבים האחרים.

לסיום אציין כי העבודה נעשתה רק למקרה אחד של מרחק 6 מ' בין הדלת לקיר החוץ וזאת ללא מחיצות. כמו כן, אין בעבודה זאת התייחסות לנושא הרסיסים. מומלץ לבצע עבודה כזאת גם למצבים נוספים (מרחקים שונים לקיר חיצוני, שטחי פתחים, השפעת מחיצות בלוקים וכד'). חשוב לציין כי לאחרונה היתה פגיעה ישירה של רקטה עם מטען משוער של 20 ק"ג בבנין בעיר רחובות. כתוצאה מהפיצוץ דלת הממ"ד התקמטה והועפה פנימה לתוך הממ"ד. דלתות ממ"ד (עם או בלי קיר מגן ) אינן אמורות לעמוד בפני פגיעה ישירה.