שיפורי מיגון הם דרכים לחזק קירות קיימים כנגד הדף

שיפורי מיגון הם דרכים לחזק קירות קיימים כנגד הדף, לקבלת מרחב מוגן דירתי או לחיזוק קירות של מבני ציבור.

מטרת השיפור אינה ליצור מרחב מוגן שווה ערך לעמידותו של ממ"ד הבטון התקני, או להחליף קיר מגן יעודי, אלא לנסות להבטיח רמת מיגון טובה יותר מרמת המיגון הנמוכה מאד של קירות הבני הקיימים במרבית דירות המגורים ומבני הציבור בישראל.

כאשר מדברים על "שיפורי מיגון" יש להבחין בין שני מצבים :

שיפורי מיגון המחוייבים בהיתר בנייה - בכל בנייה חדשה או תוספת בנייה, יידרש היתר בנייה, המותנה בקבלת אישורי פיקוד העורף. במקרים מיוחדים יאפשר מהנדס המחוז של פיקוד העורף תכנון וביצוע שיפורי מיגון, במקום מרחב מוגן סטנדרטי (מקרים בהם ביצוע ממ"ד סטנדרטי אינו אפשרי מסיבות שונות). ככל הידוע לי, נכון לכתיבת שורות אלה, מדובר בשיפורי מיגון הכוללים צפוי קירות הבני ביציקת בטון (או בהתזה), החלפת החלון והדלת לאלמנטים מוגנים. בהוראות פיקוד העורף קיימים הנחיות המגדירות את פרטי התכנון הנדרשים. שיטות אחרות של שיפורי מיגון אינן מאושרות.

כאן המקום לציין כי שיפורי מיגון כנ"ל כרוכים בתוספת משקל עצמי משמעותי על קורות ותקרות. לא בכל דירה זה אפשרי ומתבקשת בדיקה יסודית ואישור קונסטרוקטור.  במקרים רבים בדיקה שכזאת אינה פשוטה בהיעדר תוכניות. בנוסף, שיטה זאת של שיפורי מיגון לא זולה וביצועה ארוך יחסית וכרוך בהפרעה ולכלוך רב.

שיפורי מיגון וולונטריים - מבקש פלוני לחזק חדר בביתו , וזאת מתוך רצון להגביר את ביטחונו ובטחון משפחתו ואין לו צורך בקבלת היתר מהרשויות (למעט מקרים של שנויי חזית, כמו התקנת חלון הדף, שאז ייתכן שפלוני יידרש לקבל היתר בנייה ו/או הסכמת שכנים). במקרים אלה יכול פלוני לפנות ליועץ מיגון או למספר חברות העוסקות בכך ולקבל פתרון מהיר יותר ואולי אף זול יותר. האמור לעיל נכון גם לארגון המבקש לשפר מיגון לחדרים או אולמות במבנים שלו.

על מנת להבהיר, ממ"ד מתוכנן לפיצוץ קרוב של טיל כבד ללא רסס משמעותי, יחד עם זאת יש לממ"ד יכולת טובה לעמידות גם כנגד רסיסים.

"שיפורי מיגון" יעמדו בפיצוץ מרוחק יותר של טיל כבד, אבל יכולת העמידה כנגד רסיסים היא נמוכה ביותר.

המשך המאמר יעסוק בהסברת שיטות שיפורי המיגון השונות ובשיטות לחישוב.

בתרשים הבא אנו רואים תגובה אופינית של קיר בלוקים לעומס פיצוץ כאשר הבלוקים מועפים לתוך החדר.

בתמונה הבאה נראה תוצאות נסוי כאשר ניתן להעריך כי הנזק לבובות אדם זה גם מה שיקרה לאנשים אמיתיים

על מנת לסבר את האוזן ,הרי קיר ממ"ד ,מתוכנן במקור לאימפולס מסויים הנובע מפגיעה קרובה של טיל כבד (ללא רסס משמעותי) . קיר בלוקים לעומת זאת יוכל לעמוד באימפולס של עד כ 10% מהאימפולס לעיל כמובן שבתלות בסוג הבלוקים , איכות הבנייה גובה הקיר ועוד.

מטרת "שיפורי מיגון" היא להעלות את תסבולת הקיר לערך של כ 30% - 40% מהאימפולס שקיר ממ"ד תקני מתוכנן לשאת.

השיטות לביצוע שיפורי מיגון מבוססות בעיקר על הוספת שכבה גמישה כציפוי פנימי של הקיר, כאשר השכבה מעוגנת הן לרצפה ווהן לתקרת הבטון.

במקרה של פיצוץ , יופעל הדף על הקיר. בשלב הראשון של התגובה, שכבת המגן תקבל דפורמציה כלפי פנים החדר, כאשר התגובה היא או של כפיפה או של מתיחה ממברנית או שילוב של התגובות.

בשלב הריבאונד , לאחר שהשכבה הגיעה לתגובה מקסימלית , משתנה כוון התנועה כלפי חוץ כאשר הבלוקים יועפו כלפי חוץ. התרשים הסכימתי הבא מתאר את תגובת הקיר לאחר חיזוקו

תוצאות נסויים שנערכו בעולם, הצליחו להראות כי השיטות "עובדות". קירות הבלוקים הועפו במרבית המקרים כלפי חוץ אבל הצפוי הגמיש נשאר על כנו מבלי שנראו בו סימני קריעה או יצירה של פרקים פלסטיים.

בתמונה הבאה נראה את המצב לפני הפיצוץ בצד שמאל, כאשר החדר השמאלי אינו כולל את שיפור המיגון והימני כן כולל, בחלק הימני נראה את תוצאות הנסוי כאשר בחדר משמאל עפו הבלוקים פנימה ובצד ימין הקיר לא נפרץ ומספר בלוקים נשברו ונמצאים מחוץ לחדר

החומרים בהם משתמשים לשיפורי המיגון רבים ומגוונים, החל משכבת בטון מזוין שמיושמת ביציקה או בהתזה ,כפי שניתן לראות בפרט בתרשים הבא:

המשך, בפרופילי פלדה או בפחי פלדה וכלה בחומרים אקזוטיים יותר כמו סוגי פולימרים או בדים בליסטיים.הפולימרים השונים יכולים להיות עם שריון של סיבים ולהיות מיושמים הן בהתזה או ביריעות מוכנות.

בפרט הבא רואים שיפור מיגון בעזרת בד גיאוטכסטיל עם פרטי החיבור לרצפה ותקרה:

בתמונה הבאה נוכל לראות יישום בהתזה של פולימר.

הצפויים יכולים להיות מודבקים לקיר או לפחות צמודים לו, או בדים רפויים ומרוחקים מהקיר (כפי שניתן לראות בתמונה הבאה) ובכך נקבל יריעה שתשמש כ קצ'ר (קולטן) שתקלוט את רגמות הבלוקים שמתפרקים מהקיר. מיגון שכזה מתאים יותר לבצע כאשר אין מספיק זמן והאנשים אמורים לשהות במבנה זמן קצוב (במהלך מבצע צבאי, למשל).

בתמונה הבא נראה שיפור מיגון על ידי יריעה של פולימר שמודבקת לקיר הבלוקים לפני ניסוי.

וכאן נוכל לראות טוב יותר את פרט החיבור לרצפת הבטון:

החומרים האלה (פולימרים או בדים מיוחדים) הם בעלי חוזק וגמישות ואם למשל פלדה יכולה להגיע לעיבורים של עשרות אחוזים, כאן מדובר במאות ובאלפי אחוזים.

שיטה נוספת שראויה לציון היא שיפור על ידי הצמדת פחי פלדה מכופפים כך שהם יכולים לעבוד גם בכפיפה, מדובר בפטנט של חברה ישראלית (ג.ג מערכות מיגון) השיטה הוכיחה עצמה בניסויים.

בתמונה הבאה נראה צפוי של חדר מוגן, בשיטה זאת, במהלך עבודת הביצוע .

ובתמונה הבאה נראה קיר לאחר הפיצוץ במסגרת נסוי שהחברה ערכה

בכל שיטת חישוב שנרצה להשתמש , נזדקק לתכונות חומרי צפוי המגן. כאשר דנים בחומרים אלסטומרים צריך רק לשים לב לעובדה שדגימות נסויי מתיחה סטנדרטיות , נקרעות לאחר התארכות גדולה מאד, כאשר יש הקטנה משמעותית בעובי הדגימה וברוחב ה"צוואר". דבר זה גורם למאמצים אמיתיים גדולים ביותר, אבל אנחנו, לצרכי החישוב, זקוקים לעקום מאמץ – עיבור ה"הנדסי" שמתייחס למאמצים המחושבים על ידי כוח המתיחה, מחולק בשטח החתך הבסיסי של הדגימה.

כפי שנראה בתרשים הבא המתאר דיאגרמת מאמץ-עיבור של דגימה של פולימר, מצד שמאל המאמץ ה"אמיתי" ומצד ימין המאמץ ה"הנדסי".

שיטת החישוב המקובלת, לבדיקת עמידות קיר בהדף פיצוץ ,היא לחשב את התגובה הדינמית במודל של דרגת חופש אחת ,מערכת של קפיץ, מסה ומרסן ,המדמה את תגובת נקודה מרכזית במבנה, המייצגת את התנהגות המבנה כולו .סך כל המסה האקויולנטית מרוכזת בנקודה זאת.
לצורך החישוב יש צורך בבנית עקום ה"קשיחות" או התנגדות – דפורמציה,

לאחר קביעת הערכים המייצגים של הקשיחות , המסה והריסון , פותרים את משוואות התנועה של המערכת לקבלת הדפורמציות של המבנה.

כאשר מדובר באלמנט מיגוני העובד בכפיפה, ישנן תוכנות מוכרות כמו SBEDS שמסוגלות לחשב את תגובת האלמנט תוך שמניחים כי הבלוקים מתפקדים כמסה נוספת הנילווית למסת האלמנט המיגוני.

כאשר המיגון מתפקד בצורה ממברנית יש צורך לייצר עקומת עומס – דפורמציה, אם נביט בדיאגרמת גוף חופשי הבאה:

נראה את העקום של הממברנה ואם נניח בקירוב טוב כי צורתו פרבולית , ניתן להראות את נוסחת האורך הכולל של הממברנה בתלות בשקיעה המקסימלית דלתא. את עקומת עומס – דפורמציה ניתן לייצר על ידי חישוב של האורך הממברנה כאשר אנו משנים את השקיעה דלתא בצעדים קטנים.

לכל אורך חדש מתוך המשואה השניה, נחלץ את העיבור אפסילון ומתוך הדיאגרמה ההנדסית של מאמץ – עיבור של החומר, נקבל את המאמץ, שאם נציב אותו בנוסחא השלישית נקבל את העומס המתאים לשקיעה.

גם כאן אם נוסיף את העומס של הבלוקים כמסה נוספת נוכל לחשב את התגובה. כמובן שהתגובה שמעניינת אותנו היא התגובה המקסימלית, כי בשלב הריבאונד ישתחררו הבלוקים והחישוב כבר לא יהיה נכון בעקבות הפחתת המסה.

בדוגמא הניראת כאן רואים את עקום ההתנגדות של יריעה פולימרית בעובי שמינית אינטש על גבי קיר בגובה 12 רגל.

צריך לשים לב שלמרות שהיריעה יכולה להגיע לדפורמציה של 60 אינטש בעומס של 4 PSI, יש עוד פקטורים שיכולים להשפיע על קריעה בטרם מגיעים לדפורמציה הזאת, כמו ריכוז מאמצים באזור החיבורים או באזורי המישקים שם נוצרות מרבית הדפורמציות. בנוסף,לא נרצה לתכנן מיגון שיתן דפורמציות כאלה שיכולות לתת "מכה בראש" למי שנמצא בחדר במרחק של מטר וחצי מהקיר, סביר יותר יהיה לתכנן לדפורמציות מקסימליות של 20-30 ס"מ ואז גם ניתן להבטיח שדפורמציות כאלה יתקבלו ללא קריעה מוקדמת של היריעה.

שימוש בשיטות חישוב מקובלות של שיפורי מיגון מראות כי השקיעות המקסימליות המתקבלות בחישוב ,גדולות מהשקיעות בפועל שהיו בנסויים.

נראה כאן דוגמא לחישוב שיפור מיגון בדרגת חופש אחת ,בעזרת תוכנת SBEDS לשם כך בחרתי באלמנט המיגון של פח מכופף שרוחבו 30 ס"מ שמתנהג בכפיפה להלן חתך של הפרופיל. הצפוי הוא על גבי קיר בלוקים שגובהו 280 ס"מ . מדובר על שיטה שעברה נסויים (שיטה של ג.ג מערכות מיגון)

חישוב הצפוי לעיל בתוספת מסת הבלוקים בתוכנת SBEDS, לפיצוץ מסוים במרחק מסוים יתן את התגובה המתוארת להלן

נראה מתוצאות החישוב כי מתקבלת דפורמציה מקסימלית של יותר מ 23 ס"מ וזוית סיבוב בסמכים של 9.4 מעלות. מדובר על דפורמציה גבוהה בהרבה ממה שנצפה בנסויים. יש בזה כמובן הגיון, כי בשיטת חישוב זאת מתעלמים מהפעולה המשותפת של המיגון יחד עם הבלוקים, אשר גם להם התנגדות מסוימת.

מטרת עבודה זאת היא להציע דרך לבצע חישוב דינמי של שיפורי המיגון, על מנת שניתן יהיה לתכנן טוב יותר שיפורי מיגון גם במקרים שהנתונים בשטח שונים מתנאי הנסויי.

בחרתי לבצע את החישוב בעזרת תוכנת מחשב של אלמנטים סופיים ,שהיא דינמית לא ליניארית. בחישוב של מבני מוטות ניתן לבצע חישוב לא ליניארי על ידי הכנסת פרקים פלסטיים בנקודות רצויות ולבצע חישוב לא ליניארי דינמי . התוכנה מאפשרת הכנסת פרקים פלסטיים בנקודות מבוקשות, להגביל כוחות מתיחה ולחיצה במוטות, וגם הכנסת פרקים פריכים שאינם תלויי דפורמציה אלא כח- כלומר אם הכח עובר ערך מסויים הפרק מפסיק להעביר כוחות.

החישוב המוצע הוא מישורי ולא מרחבי ולכן זמן החישוב קצר יותר.

כאן בחרתי לייצג את הבלוק , על ידי 3 מוטות כאשר שניים מהם מייצגים את השכבה הפנימית והחיצונית של הבלוק והמוט המחבר בין מוטות אלה מייצג את המחיצות האנכיות ואם גם יש אופקיות המחברות את השכבות האלה. המוט האמצעי יהיה בעל נתונים שישוו את המסה בין המודל לבלוק האמיתי. המוטות מבטון ב- 20 והם יתנו את הקשיחות האופינית של הבלוק , כאשר רב הדפורמציות יתרכזו במישקים . אלה מיוצגים על ידי מוטות מבטון ב- 10. המישקים מיוצגים כמוטות כאשר אני מגביל את כוחות המתיחה והלחיצה המקסימלית שהמוט מסוגל להעביר וכמו כן הוספתי פרק פריך של גזירה.

בצד שמאל של התרשים הבא נראה חתך של מודל בלוק הבנייה כאשר בצד ימין נראה מבט אקסונומטרי של הבלוק:

בתרשים הבא אנחנו רואים את מבנה קיר הבלוקים (לא רואים כאן את המוטות המיצגים את המישקים שבין הבלוקים ,אבל האמינו לי שהם קיימים במודל)

בחרתי להריץ את הבעיה ולבדוק עמידות קיר בלוקים ללא צפוי המגן ולאחר מכן עם שכבת המיגון, וזאת עבור פיצוץ שנבחן בניסוי.

בתרשים לעיל נראה את תגובת נקודת המרכז של הקיר במשך 50 מילישניות ובצד שמאל את צורת הקיר. כל הנקודות האדומות מעידות על כך כי המישקים נגזרו ולא מעבירים יותר כוחות גזירה, הדפורמציה המקסימלית אחרי 50 מילישניות היא כ 26 ס"מ שזה מעבר לעובי הקיר וברור שהקיר יאבד את יציבותו ויקרוס. מתוך הגרף נוכל לראות כי הבלוקים יעופו לחדר במהירות של כ 6.5 מטר לשניה.

בשלב הבא נציב את המיגון של הפח המכופף

ונראה מתוצאות הריצה ,בתרשים מטה, כי הדפורמציה המקסימלית המתקבלת היא כ 6.6 ס"מ בלבד, שזה מעט יותר מהדפורמציה המקסימלית שלוח הפח יכול לקבל בצורה אלסטית ואכן הנקודות הסגולות במרכז הלוח מציינות כי קבלנו דפורמציות פלסטיות אבל קטנות.

דבר נוסף שיש לקחת בחשבון בעת תכנון שיפורי מיגון הוא תכנון מאוזן של פרטי החיבור לרצפה ותקרה.

חיבור קשיח מידי ,שלא מאפשר תזוזות, עלול לגרום לכוחות מתיחה גדולים שיקרעו את הצפוי או לחילופין שיגרמו לשליפת ברגי העיגון.
חיבור חלש יכול לגרום לגזירת החיבור טרם שיספיקו להתפתח כוחות מתיחה או מומנטים מספקים באלמנט המיגוני.
לכן יש לתכנן פרטים שיאפשרו כפיפה פלסטית של פחי החיבור ובכך להקטין את כוחות המתיחה בממברנה,
בשיטת החישוב המוצעת ניתן גם ל"מדל" את פרט החיבור ולקבל את התגובה של הקיר בהתחשב בתכנון הפרט המוצע ולשפרו בהתאם.
אבל על כך במאמר אחר בעתיד.