Взрывостойкость

Устойчивость при взрывах конструкций ж/б панелей SCIP. Самый большой обзор испытаний SCIP на взрывную нагрузку в Сети

6 Июня 2022

Время чтения: 9-12 минут

Поделиться

Тогда как конструкции массово используемых стройтехнологий не рассчитаны на то, чтобы выдерживать взрывную нагрузку, ж/б сэндвич-панели SCIP превосходно справляются с этой задачей. Это дополнительное преимущество не только повышает стоимость недвижимого актива, но и может иметь решающее значение, когда речь идет о сохранении человеческой жизни внутри дома в случаях, когда здание оказывается на пути действия взрыва.

Обсуждаем поражающие факторы при взрыве, поведение многослойных анизосеточных ж/б конструкций. Так получилось, что сегодня это самый большой в Сети обзор испытаний SCIP на взрывоустойчивость: 4 SCIP-марки, 6 испытаний, 5 стран мира, 2 видео. Бонус: 11 вариантов повышения устойчивости SCIP ко взрывам.

Введение

Здания эксплуатируются по 100 и более лет, и все десятилетия они должны быть устойчивы и безопасны, в том числе и при взрывах. Защита гражданских зданий от угрозы террористической деятельности с применением взрывных устройств, или случайного взрыва бытового газа, должна обеспечить минимальный урон недвижимости, а люди внутри должны оставатся максимально невредимыми. В наше неспокойное время, это одна из наиболее важных задач для инженеров-строителей.

«Требования энергоэффективности, устойчивости к землетрясениям и взрывным нагрузкам — сегодня основные потребности современных зданий», — объясняют в Пакистанском Инженерно-технологическом Университете. [ 1 ].

И хотя известно, что ни одно жилое здание не может быть спроектировано так, чтобы противостоять любой террористической угрозе, конструкторы могут озаботиться улучшением характеристик материалов и строительных конструкций. Это возможно, если лучше понимать их поведение при взрывной нагрузке, факторы лучше обеспечивающие устойчивость конструкции, и наконец, внедрять недорогие умные строительные системы, способные рассеивать образующуюся при взрыве энергию, а также устойчивые к разваливанию.

Одной из таких интеллектуальных устойчивых систем строительства является SCIP. Здесь мы познакомим вас с экспериментальными исследованиями поведения стен из SCIP при взрывных нагрузках. На фактических данных вы убедитесь, что SCIP это прочный, устойчивый ко взрывам строительный материал, который намного лучше защищает людей от ударов взрывной волны.

Перед тем как мы приступим к рассмотрению стеновых материалов и технологий, сделаем краткий обзор природы взрыва и его последствий для конструкций и их обитателей.

Поражающие факторы взрыва

Взрыв — это огромный и внезапный выброс энергии. Резкое высвобождение энергии создаёт волну давления в окружающей среде, называемую ударной волной.

Расширение горячих газов во время взрыва порождает в окружающем воздухе волну давления. По мере удаления волны от центра взрыва, внутренняя её часть перемещается по области ранее сжатой, а теперь нагревающейся ведущей частью волны. Поскольку волны давления движутся со скоростью звука, температура составляет около 3000°-4000 °C, а давление воздуха составляет около 300 килобар, что приводит к увеличению этой скорости. Внутренняя часть волны начинает двигаться быстрее и постепенно догоняет ведущую часть волн. Максимальное избыточное давление возникает на фронте ударной волны и называется пиковым избыточным давлением. За фронтом ударной волны избыточное давление очень быстро падает примерно до половины пикового избыточного давления и остается почти постоянным в центральной области взрыва. Через короткое время давление за фронтом может упасть ниже давления окружающей среды (см. изобр.). [ 2 ]

Графики природы ударной волны во время взрыва. Воздействие ударной волны на здание

Природа ударной волны во время взрыва: сила взрыва ударяющей по зданию, типичный профиль избыточного давления взрыва и др. Открыть иллюстрацию в новом окне

Интенсивность взрыва зависит от количества взрывчатого вещества W и расстояния R между источником взрыва и целью. Во время появления взрывной волны tA, давление в этом месте внезапно возрастает до пикового значения избыточного давления PSO по сравнению с давлением окружающей среды Po. Затем давление падает до уровня окружающей среды в момент времени td, затем снижается до пониженного давления PSO- (создавая частичный вакуум), прежде чем в конечном счёте вернуться к условиям окружающей среды в момент времени td + td-. [ 3 ]

В общем, есть два вида взрывчатых веществ, которые должны беспокоить инженеров при проектировании конструкций, рассчитанных на противодействие таким аномальным нагрузкам, а именно взрывчатые вещества низкой и высокой взрывчатости. Они отличаются используемым зарядом взрывчатого вещества, что является одним из основных факторов при определении характера взрывной нагрузки. Нагрузки на конструкцию от слабых и бризантных взрывчатых веществ различны из-за характера разложения вещества. Маломощные взрывчатые вещества имеют сходное время нарастания и затухания. Другим важным отличием взрывчатых веществ является продолжительность загрузки, которая колеблется от 10 до 100 миллисекунд. Это сравнительно долго по сравнению с продолжительностью времени загрузки от мощного взрыва, которое составляет порядка 10 миллисекунд или меньше, время его линейного нарастания почти ничтожно мало по сравнению со временем затухания.

Последствия взрыва

Непосредственными последствиями взрыва, являются распространяющееся в атмосфере избыточное давление взрывной волны, образующиеся при взрыве осколки, и локальная сильная вибрация грунта, напоминающая сейсмические волны [ 4 ] — такое «мини-землетрясение» может разрушать здание даже если бомба не попадает в здание.

Взрыв бомбы внутри или в непосредственной близости от здания, может привести к катастрофическим повреждениям внешних и внутренних несущих конструкций здания, обрушению стен и перекрытий. Например в блочном и кирпичном строительстве, повреждение и прогрессирующее обрушение конструкции под действием взрывных нагрузок представляет собой динамический процесс — вынимая часть конструкции, она обрушивается вся.

Представляет опасность и вылет больших оконных проёмов, дверей, поражение осколками стекла, отключение систем безопасности жизнедеятельности. Гибель и травмы людей могут быть вызваны многими причинами, включая прямое воздействие взрывной волны, обрушение конструкции, попадание обломков, порезы стеклом, пожар и задымление.

В большинстве случаев структурные повреждения и опасность остекления были основными причинами смерти и травм в зданиях после осколочно-фугасного взрыва. [ 5 ]

Цель инженеров-строителей работающих над защитой от взрывов — локализация повреждений в непосредственной близости от взрыва и предотвращение прогрессирующего обрушения конструкций здания.

Взрывобезопасные конструкции

Какой стеновой материал защитит от взрыва лучше? Утверждение, что газобетон, СИП-ДСП и прочий «фуфлострой» имеет низкую взрывостойкую эффективность, обычно не встречает возражения, а вот что кирпичная кладка не является надёжным решением, понимания обычно меньше. Есть много работ, которые показывают, что «неплоскостная уязвимость ограждающей кладки при динамическом нагружении из-за риска гибели людей считается критической, что подчеркивается во многих исследованиях, особенно в случае землетрясений и взрывов обломков» [ 6 ].

Веками долговременные фортификации строили из камня или кирпича. Развитие артиллерии, особенно появление фугасных снарядов, продолговатых и наполненных бризантным взрывчатым веществом, для этих материалов поставило жирную точку. Снаряды обладали такой разрушительной силой, что существование кирпичных оборонительных сооружений потеряло всякий смысл: во время Гражданской войны в США форт южан Пуласки, артиллерия разобрала за 24 часа, в то время как его строительство длилось 20 лет. Нужен был материал прочнее и им стал бетон.

Железобетон

Благодаря сочетанию высокой прочности, функциональности, долговечности и низких затрат на техническое обслуживание, бетон сегодня наиболее широко используемый строительный материал в мире [ 7 ]. И для взрывоустойчивых конструкций лучшим так же является железобетон — сегодня это самый широкоиспользуемый материал для строительства как ответственных гражданских сооружений (посольство, правительственный объект, атомная электростанция, мост, плотина и др.), так и военных противоударных оборонных объектов (ДОТ, бункер, каземат, бомбоубежище и т.д.).

Если бетон хорошего качества, достаточно армирован сталью и главное достаточно массивный, он лучше других предотвращает перфорацию и катастрофическое разрушение конструкции в результате взрывной нагрузки. «Зайти за монолит» по выражению военных, означает надёжно укрыться в строении из бетона. Но эта надёжность весьма условна, поскольку любая толщина бетона пробивается либо более высоким расходом боеприпасов, либо путём применения боеприпаса большей мощности, например, снаряд САУ «Малка» («Пион») или M110 «складывает» 3-5 этажное здание.

Наиболее серьезной взрывоопасной и ударно-нагруженной угрозой для объектов гражданской и военной инфраструктуры, являются взрывообразующие снаряды (EFP). В настоящее время не существует эффективных средств защиты объектов инфраструктуры от EFP.

Толщина стен ДОТов линии Мажино (1928-1936 гг.) составляла 3,5-4 метра бетона, ДОТы линии Маннергейма первого периода постройки (1920-1937 гг.) имели ж/б стены толщиной в 2 метра. ДОТы линии Сталина имели толщину стен 1,3-1,5 м. Вряд ли вы готовы строить обычную жилую недвижимость с толщиной стен даже 60 см, для «малоэтажки» это нонсенс, в этом случае у вас растёт себестоимость и падает ликвидность. Каково же решение?

Асим Аббас (Пакистан)

«Существующий фонд зданий во многих городских районах Пакистана представляет собой в основном железобетонные и каменные несущие стены, но практика показывает что они не способны сохранять свою структурную целостность под воздействием сильных взрывных нагрузок из-за ряда проблем. В то же время, существует ряд инженерных решений, которые помогают уменьшить воздействие ударной волны на здание. Одним из наиболее эффективных решений — интеграция сопротивления ударным волнам в оболочку здания, и ж/б сэндвич-панели SCIP делают это». [ 1 ]

Многослойные ж/б конструкции

То, что многослойные панели справляются со взрывной нагрузкой лучше однослойных, известно давно. В 1941 году СССР запускает в серийное производство сборные ж/б ДОТы военного инженера Г.А. Булахова. Подобно деревянному срубу, ж/б балки соединяли «в чашу», сруб при этом выходил двойным, с наружными и внешними стенами, между которыми заливали бетон или делали каменную забутовку. Толщина боковых и фронтальных стен ДОТа составляла 90 см, тыльной стороны 60 см. Двойные стены не требовали обустройства противооткола — в случае попадания в наружную стену снаряда выкрашивания бетона изнутри не происходило [ 8 ].

Многослойные cэндвич-конструкции выигрывают у несоставных, поскольку могут поглощать энергию взрыва либо за счёт сжатия и сдвига сердцевины, либо за счёт изгиба и растяжения верхнего и нижнего слоя. Это поведение также полезно в случае ударной нагрузки.

«Многослойная ж/б сэндвич-панель SCIP оптимально распределяет материал там, где есть потребность» — поясняет доктор гражданского строительства государственного исследовательского университета в Ирвайне (Калифорния, США), защитивший диссертацию по теме «Оптимизация конструкции SCIP» Эхсан Мирнатеги [ 9 ].

Логотип университета в Ирвине (Калифорния)

«Слои бетона в SCIP можно сравнить с полками двутавровой балки (I-beam), поскольку они несут нагрузку изгибающих напряжений, которым подвергается балка, где один слой в сжатии, другой — в растяжении. Точно также как и стенка двутавровой балки, соединители работают на сдвиг в сердечнике этой панели. Сердечник противостоит сдвиговым нагрузкам, увеличивает жесткость конструкции за счет разделения наружных бетонных оболочек, обеспечивает непрерывную поддержку фланцев или оболочек для получения панели с равномерной жесткостью» [ 9 ].

Анизосетка вместо стрингеров

Бетон имеет слабость в сопротивлении растягивающим напряжениям, что проявляется в виде фрагментации, сколах и коробления поверхностей. Во время взрыва образовавшиеся фрагменты могут перемещаться с высокой скоростью что угрожает безопасности людей, находящихся внутри и вблизи конструкции. Чтобы улучшить характеристики ж/б конструкций нужно повысить прочность на растяжение и пластичность, а это возможно если использовать не периодическую арматуру, силовое действие которой аналогично стрингерным рёбрам, а стальную сварную сетку.

«Согласно существующим формулам пробития, конструкционные элементы, для защиты от баллистических ударов снарядов, имеют более высокие характеристики. Но с ростом прочности бетона, из-за его относительно высокой хрупкости, увеличиваются отколы на задней поверхности конструкции. Поэтому важно повысить ударную вязкость элементов ж/б конструкций. Одним из решений является армирование проволочной сеткой и волокнами» [ 10 ].

А если стальную сетку усилить вспомогательными ребрами жесткости, то получаем ортогональную сетку — жесткий и прочный объемно-пространственный каркас иерархической анизосетчатой усиленной панели (Hierarchical Anisogrid Stiffened Panels, HASP). «Анизосетчатые элементы конструкции обладают значительными преимуществами по сравнению с традиционными аналогами со стрингерными ребрами за счет исключительной прочности и жесткости однонаправленных композитных ребер, которые используются в качестве основных несущих элементов» [ 11 ].

Дж. Гордон, «Конструкции или почему не ломаются вещи» (1978)

«Материалы, поведение которых напоминает поведение решетки, называются анизотропными (или иногда аллотропными), что по-гречески означает «различные в различных направлениях». Дерево, ткани и почти все биологические материалы анизотропны, причем каждый по-своему. Ткань для одежды является самым распространенным рукотворным материалом, и она в высшей степени анизотропна. Различия между материалом и конструкцией довольно туманны, и ткань, хотя портные и называют её материалом, на самом деле представляет собой конструкцию, состоящую из отдельных нитей, перекрещивающихся под прямым углом, и ведёт себя при действии нагрузкой почти так же, как и решетчатая стенка балки или фермы». [ 21 ]

Анизосетки (анизогрид, Anisogrid), изосеточные или анизорешетчатые конструкции — представляют собой решетчатые структуры (они же сетчатые оболочки), состоящие из повторяющегося симметричного рисунка пересекающихся окружных, винтовых и/или осевых ребер [ 12 ].

Примеры анизосеточных решений в современной технике и природе

Изосеточные решения широко распространены в живой природе, как во флоре, так и в фауне. В наши дни анизосеточные решения считаются перспективными. Открыть изображение в новом окне

Благодаря превосходной весовой эффективности и стойкости к повреждениям, элементы конструкций из анизосеток нашли широкое применение в авиационной, морской и аэрокосмической промышленности. С целью создания конструкций критического веса анизосетчатые композитные оболочки применяются для космических ракет-носителей, в качестве промежуточных ступеней и конических переходников с 80-х годов как у нас, так и в NASA.

Сетчатые конструкции являются основными несущими платформами (цилиндрическая часть оболочки) отечественных космических аппаратов [ 13 ], их использование снижает вероятность повреждения аппарата и повышает его надежность. Композитные сетчатые конструкции имеют хорошие перспективы для использования в качестве несущих элементов планера самолета [ 14 ].

Они обладают значительными преимуществами перед традиционными аналогами со стрингерными ребрами за счёт исключительной прочности и жесткости однонаправленных композитных ребер, которые используются в качестве основных несущих элементов [ 15 ]. В частности, ребра жесткости могут увеличить жесткость на изгиб и сдержать общий изгиб панели: «сетчатые конструкции демонстрируют высокую устойчивость к продольному изгибу за счет способности перераспределять нагрузку по множеству направлений» [ 16 ].

Геодезические конструкции (Geodetic structure) являются ещё одним вариантом сетчатых оболочек, их отличает сферическое (купольное) исполнение, которое даёт отличное сопротивление сдвиговым нагрузкам. Такая конструкция допускает локальное повреждение ребер без заметного снижения несущей способности.

Идея использования сетчатой структуры в конструкции самолетов возникла ещё во времена Второй мировой войны. В США Дж. Йетсом в 1941 году был сконструирован двухместный деревянный аэроплан «The Pixweve CT-6» с применением сетчатой структуры в конструкции крыльев, фюзеляжа и элементов управления [ 17 ]. Авиационные изделия с тонкостенной сетчатой оболочкой получались лёгкими и прочными, и при этом относительно низкой стоимостью. Их внедрение в авиастроительную отрасль снижало массу самолета (на 28% легче традиционной конструкции), увеличивало ресурс и себестоимость, а также ремонтопригодность в неподготовленных для обслуживания условиях. Реализация анизогридной концепции вляется перспективным направлением развития конструктивно-технологических процессов в авиационной технике. [ 18 ]

Как мы видим, SCIP-панель имеет первичные элементы жесткости (сетка + бетон) и иерархическое усиление (соединители) композитное ещё одному слою (бетон + сетка), что вместе являет собой оптимизированную схему жесткой панели, способной противостоять взрывным нагрузкам. И обратите внимание, SCIP-конструкция не только обладает высокими механическими характеристиками, но и делает это при существенной экономии веса.

Анизосеточные ж/б сэндвич-панели при взрыве

Типичные режимы деформации усиленных панелей при взрыве

Подвергнутые взрывной нагрузке, анизосетчатые усиленные панели имеют 3 типичных режима деформации (см. рис.).

При первом элементы жесткости и оболочка деформируются целиком. Второй — локальный односотовый режим. Когда ребра жесткости достаточно прочны и сохраняют жесткость, нагрузка делит оболочку на небольшие одноячеистые панели, в этой ситуации ребра жесткости остаются недеформированными. Третий представляет собой гибридный режим, включающий общую и локальную одноклеточную деформацию.

Поскольку SCIP имеет все атрибуты иерархически усиленной анизосетчатой панели, причём это панель многослойная железобетонная, в случае импульсной нагрузки SCIP имеет эффективный механизм рассеивания энергии, создаваемой ударной волной, и демонстрирует выдающееся реакционне поведение при любых нагрузках: сдвиговых, осевых, и в том числе изгибных.

Механика сопротивления этих ферменных или коробчатых конструкций состоит из перераспределения внешних сил, которые передаются в осевом направлении через проволочные соединители, подвергая их либо растяжению, либо сжатию. Запас прочности достигается благодаря сочетанию материалов и гиперстатическому характеру их соединения, что превращается в важную способность противостоять всем видам нагрузок, даже непредсказуемым расчётом, таким как податливость грунта или удары транспортных средств.

Уже через 20 дней созревания бетона SCIP-панель способна поглощать большую часть взрыва. Под действием динамических нагрузок, панель демонстрирует упругость и пластичность, а также способность рассеивать энергию и устойчивость к разваливанию, что подтверждают лабораторные испытания, и реальные случаи устойчивости, например, при сильных землетрясениях — Нортридж (6,7), Кашмир (7,6), Гуам (7,8) и др. Об устойчивости конструкций SCIP к высоким динамическим ударным нагрузкам, «мягкому» и «жесткому» удару мы говорим тут.

Благодаря благоприятной способности рассеивания энергии и ударопрочности, сталебетонная композитная конструкция SCIP используется в сейсмостойких и взрывобезопасных конструкциях. Ниже мы покажем лабораторные исследования этой ж/б панели на взрывоустойчивость, вы увидите, что во всех случаях результаты испытаний были значительны. Доказано, что бетонные сэндвич-панели SCIP являются предпочтительными строительными элементами для защиты от взрывов за счёт рассеивания энергии, снижения давления взрыва.

«Проведённые с мощным взрывчатым веществом испытания в оптимизированной экспериментальной камере стойкости различных типов SCIP-панелей показали их отличную прочность и устойчивость» — объясняет SCIP Diedra (Аргентина) [ 19 ].

При взрывах нередки случаи пожаров, но 1,5-2 часа горения не причинят вреда SCIP-конструкции, есть варианты конфигурации панели, при котором они противостоят огню до 4 часов, подробнее об огнестойкости см. здесь.

Дополнительным бонусом является то, что в момент взрыва на улице и в здании пылевая взвесь минимальна, обычно она образуется от разрушения гипсокартонных простенков и потолков (они тут не применяются), рыхлых стеновых материалов вроде газо- пенобетона. Вместо штукатурки, которая также даёт много пыли, в панелях используется прочный торкретбетон, который не крошится, а откалывается частями.

Наружный вентилируемый фасад легко сносит взрывной волной, здание выглядит неряшливо и лишается утеплителя. Но по системе строительства SCIP такого нет — утеплитель за бетоннымй слоем, вентфасад здесь не нужен.

Конечно, не нужно строить иллюзий. Пятиэтажное здание танк стирает с лица Земли за 10-15 выстрелов. В случае SCIP-здания, просто потребуется выстрелов немного больше.

Исследование взрывной нагрузки SCIP в Пакистане (2018)

Чтобы проверить способность рассеивания удара вызванного взрывом многослойных железобетонных панелей SCIP, группа учёных из факультета гражданского строительства Инженерно-технологического университета (UET, Пакистан), провели экспериментальное исследование.

На взрывную нагрузку испытали 4 отдельно стоящие SCIP-панели, которые в 17 сценариях подвергались последовательному взрыву зарядами разной массы. Физическое поведение ж/б сэндвич-панелей было проанализировано с помощью визуального осмотра, построением процентного повреждения и кривых хрупкости, которе показывают взаимосвязь между интенсивностью повреждения с размером заряда и в масштабе расстояния.

На основании результатов сделан вывод, что панель SCIP (в исследовании названа RCSP, одним из имён SCIP) по сравнению с другими обычными строительными системами используемыми в Пакистане, обладает большей способностью поглощать и рассеивать энергию генерируемую взрывом, и устойчива к осколкам. На основании сделанных оценок стен/панелей SCIP, учёные из UET настоятельно рекомендуют их для защитного барьера, устанавливаемых вблизи объектов критической инфраструктуры от взрывной нагрузки.

ОПИСАНИЕ ИСПЫТУЕМЫХ ОБРАЗЦОВ SCIP

Армирование испытываемой в полевых условиях на ударную нагрузку стеновой панели SCIP состояло из стальной сетки ячейкой 51 мм, Ø2,6 мм. Соединители также Ø2,6 мм, они расположены по диагонали с шагом 101 мм. Кроме того, тестировали с уменьшением толщины пенопластового сердечника. Общие размеры панелей 3048 мм х 1220 мм.

Бетонная смесь была приготовлена в пропорции 1:2:1 (цемент:песок:заполнители по весу), наносилась на лицевую сторону пенопластового сердечника толщиной 25,4 мм с помощью торкретирования с обеих сторон. Толщина нанесенного на обе стороны панели торкрет-бетона, составляла около 50 мм. Стены выдерживали в течение 7 дней, после чего на них нанесли штукатурный слой толщиной 12,7 мм, приготовленный в соотношении 1:3 (цемент: песок по весу). Затем они были отверждены в течение 14 дней.

Все стены были испытаны только в консольном состоянии, т.е. жёстко закреплённым одним концом при свободном втором. Это было сделано чтобы понять эффективность использования SCIP в качестве взрыво-защитного забора. Стены были прикреплены к ж/б фундаменту глубиной 38 см с помощью выпускных арматурных стержней 9,5 мм в U-образной форме, установленных на высоте 305 мм.

ВЗРЫВЧАТКА

Использовался детонирующий материал WA Box от WA Nobel PVT Ltd. Этот динамит на основе нитроглицерина, обладает отличными бризантными свойствами: плотность WA Box 1,40–1,45 г/см³, объем газа 860 л/кг, скорость в свободном состоянии +5000 м/с (тротил: = 7500 м/сек: тротиловый эквивалент =1,1). Для инициирования детонирующего материала использовались простые детонаторы со шнуром. Взрывы проводились с разным весом взрывчатых веществ (от 0,5 до 5 кг), а также с разного расстояния и местоположения.

АНАЛИЗ ПОВРЕЖДЕНИЙ

Анализ физических повреждений стенки SCIP делали после каждого взрывного испытания. Чтобы получить описательную шкалу повреждений для каждой стены, соотносили вес заряда и интенсивность повреждений. Затем коррелировали удельный процент повреждения стенки с весом заряда (табл. 16–23).

При увеличении массы заряда с 50% до 350% от исходных 0,50 кг, 3,5 кг (7-й взрыв), вызвали полное обрушение стен P17 и P35 на уровне фундамента из-за нарушения соединения между выпускным стержнем и панелью. Стены Р27 и Р45 разрушились после увеличения веса заряда до 5 кг (450% от исходного веса заряда) после 9-го взрыва. Было замечено, что при увеличении веса заряда процент повреждений увеличивается, что соответствует полиномиальной линии тренда, что может облегчить прогнозирование любого желаемого веса заряда для проектирования и оценки.

Дополнительно соотнесли шкалу расстояний (R/W 1/3); как описали Нго и др. [ 2 ], где R — расстояние источника взрыва от стены, а W — вес заряда, с уровнями повреждений. Можно заметить, что при уменьшении масштаба расстояния уровень повреждений стен становится тяжелее и увеличивается.

Испытания взрывной устойчивости ж/б сэндвич панелей в Пакистане

Испытания взрывной устойчивости ж/б сэндвич панелей SCIP в Пакистане, UET (Пешавар, 2018). Открыть изображение в новом окне

Выводы

⭐ По сравнению с обычными строительными системами SCIP обладает большей способностью поглощать и рассеивать ударную энергию, возникающую при взрыве, а также устойчива к разваливанию.

⭐ Взрыв внутри комнаты может нанести больший ущерб, чем взрыв вне комнаты. Это связано с тем, что ударные волны распространяются взад и вперёд в ограждении из-за явления отражения, пока стены и грунтовая среда не рассеют всю ударную энергию.

⭐ После последовательных взрывных работ внутри и снаружи ограждения в нижней 1/4 высоты стен наблюдалось в основном отслоение штукатурки, вздутие бетона и отслоение. Однако это приводит к оголению арматурных стержней и ослаблению их связи со стеной, что сопровождается выдергиванием стержней и последующим обрушением стен.

⭐ Из экспериментального исследования и анализа повреждений можно сделать вывод, что взрывная нагрузка, помимо отслаивания штукатурки и образования корки на бетоне, вызывает дробление при изгибе и растрескивание при сжатии в штукатурке и бетоне из-за изгибающих напряжений.

⭐ При увеличении веса заряда взрывчатого вещества также увеличивается ближний диаметр откола и корки. Однако диаметр образования корки более чувствителен к весу заряда по сравнению с диаметром отслаивания. На панели Р45 наблюдается максимальный диаметр корки и сколов.

⭐ Стальная сетка 2,60 мм немного сместилась внутрь пенополистирола и обнажилась. Никакого другого заметного эффекта на форму EPS, а также на стальную сетку не наблюдается.

⭐ При увеличении массы прогрессивного заряда с 50 % до 350 % от исходной величины заряда, равной 0,5 кг, стены ГЦТ при взрывной нагрузке 3,5 кг (7-й взрыв) вызывают полное обрушение стенок Р17 и Р35 на уровне фундамента из-за выдергивания армирующих стержней, разрыва его соединения с панелями. Также обрушились стены Р27 и Р45 после увеличения массы заряда на 5 кг (450%) при 9-м взрыве подряд. [ 1 ]

Испытания взрывоизбыточным давлением Emmedue, США (2009)

Чтобы выяснить защитные свойства несущих SCIP-панелей Emmedue (Италия), Университете Кентукки (Лексингтон, США) 17-18 сентября 2009 г. провели 6 испытаний избыточным давлением вызванного взрывом.

Они проводились в специальных камерах оптимизированных для создания взрывной волны, равномерно действующей на поверхность панелей. Использовались бризантные взрывчатые вещества. Во всех испытаниях сердечником панели был лист полистирола толщиной 8 см плотностью 18 кг/м³. Даже с одним слоем бетона конструкция панели очень прочная, во всех случаях целостность панели не нарушена.

ТЕСТ 1

Панель Emmedue PSM100: сетка Ø3 мм, торкретбетон 3 см с обеих сторон, цемент высокого сопротивления, Rck= 82,73 МПа. Избыточное давление вызванное взрывом: 0,103 МПа (10,5 т/м²). Испытание проводилось с использованием бризантного взрывчатого вещества в испытательной камере оптимизированной для создания равномерной ударной волны на лицевой стороне панели. Результат: На подверженной ударной волне стороне видимых трещин не появилось. Незначительные трещины на обратной стороне панели.

ТЕСТ 2

В этом тесте была протестирована та же панель, что и в тесте 1. Следовательно, испытанный образец уже испытал давление 0,103 МПа (10,5 т/м²) ударной волны предыдущего взрыва. Панель Emmedue PSM100: сетка Ø3 мм, торкретбетон 3 см с обеих сторон, цемент высокого сопротивления, Rck= 82,73 МПа. Избыточное давление вызванное взрывом: 0,206 МПа (21 т/м²). Результат: Незначительные трещины на стороне подверженной ударной волне. Другие трещины на обратной стороне панели.

ТЕСТ 3

Модифицированная панель Emmedue PSM100HP, одинарная сетка Ø3 мм для заполнения бетоном. Двойная сетка на противоположной стороне. Панель покрыта 5 см торкретбетоном только на стороне подверженной взрыву. Цемент высокого сопротивления, Rck= 82,73 МПа. Избыточное давление вызванное взрывом: 0,103 МПа (10,5 т/м²). Результат: Незначительные трещины на стороне подверженной ударной волне. На противоположной стороне стальная сетка деформировалась вокруг крепежной рамы панели.

ТЕСТ 4

Панель Emmedue PSM100HP, Двойная сетка с обеих сторон панели Ø3 мм. Панель покрыта 5 см торкретбетоном только на стороне подверженной взрыву. Цемент высокого сопротивления, Rck= 82,73 МПа. Избыточное давление вызванное взрывом: 0,206 МПа (21 т/м²). Результат: Незначительные трещины на стороне подверженной ударной волне. На противоположной стороне стальная сетка деформировалась вокруг крепежной рамы панели.

ТЕСТ 5

Панель Emmedue PSM100HP, Двойная сетка с обеих сторон панели Ø3 мм. Панель покрыта 5 см торкретбетоном только на стороне подверженной взрыву. Цемент высокого сопротивления, Rck= 82,73 МПа. Избыточное давление вызванное взрывом: 0,22 МПа (22,5 т/м²). В этом тесте была протестирована та же панель, что и в тесте 4. Следовательно, испытываемый образец уже испытал давление 0,206 МПа (21 т/м²) из-за ударной волны предыдущего взрыва. Результат: Дополнительные трещины на стороне подверженной воздействию ударной волны. На противоположной стороне стальная сетка деформировалась вокруг крепежной рамы панели.

ТЕСТ 6

Панель Emmedue PSM100, одинарная сетка с обеих сторон панели Ø5 мм. Панель покрыта 4 см торкретбетоном только на стороне подверженной взрыву. Цемент высокого сопротивления, Rck= 82,73 МПа. Избыточное давление вызванное взрывом: 0,289 МПа (22,5 т/м²). В этом тесте была протестирована та же панель, что и в тесте 4. Следовательно, испытываемый образец уже испытал давление 0,206 МПа (21 т/м²) из-за ударной волны предыдущего взрыва. Результат: На тыльной стороне панели обнаружены небольшие трещины. На лицевой стороне панели видимых трещин не появилось.

Тест взрывной нагрузки Hormi2, Эквадор (2010)

Группа Вооруженного Вмешательства и Спасения (GIR) Эквадора в 2010 году провела баллистический и антивзрывной тест в тире образцов стеновых панелей итальянской франшизы Emmedue SCIP Hormi2 (Эквадор). Все этапы испытаний тщательно документировались на фото/видео.

Испытания проводили как на одинарной панели (single panel) с толщиной утеплителя 80 мм (на видео это зона попадания 1-4) и 40 мм (зона попадания 5-8), так и панели с двойным утеплителем (duo panel), которая имеет вид «бетон-утеплитель-бетон-утеплитель-бетон» (зона попадания 9 и 10). Все панели имеют усиленное армирование — двойная сетка диаметром 2,5 мм на каждой стороне сердечника.

Все испытываемые панели Hormi2 имели:

  • усиленное армирование: двойная сетка диаметром 2,5 мм на каждой стороне от сердечника пенополистирол.
  • по 35 мм наружный и внутренний слой бетона.
  • бетон прочностью на сжатие 80 кг/см2 (7,8 МПа): смесь цемента, песка, латекса, микроволокон и добавок Enlumax Intaco.
  • комплексную гидроизоляцию для бетона Tespecon.

Результаты ниже на видео. Они характеризуются как хорошие, или очень хорошие:

  • Баллистика: Калибр 9 мм / 5,5 мм.
  • Взрывоустойчивость (с 6:00): Подствольная граната / ТНТ / С4.

«Среди различных проведенных испытаний компания Emmedue (Италия) провела серию испытаний на взрывостойкость различных типов панелей Emmedue, выполненных из различных видов высокопрочного бетона. Панели отлично выдержали различные испытания и показали устойчивость к взрыву 29,5 т/м²» — говорится в текстовом описании ролика на официальном YouTube компании Emmedue. О способностях выдерживать взрывы с горизонтальной силой более 29,5 тонн на квадратный метр сообщает и кенийская SCIP C-MAX® EPS, компания провела серию испытаний.

Пути повышения взрывопрочности ж/б сэндвич-панели

Любой из элементов конструкции панели SCIP может быть изменён, как в сторону увеличения её прочности, так и в сторону её удешевления. Чтобы повысить прочность панели можно «играть» следующими элементами:

  • толщина одного или 2-х бетонных слоёв,
  • состав бетонного слоя/слоёв,
  • размер ячейки стальной сетки,
  • диаметр стальной проволоки сетки,
  • диаметр стальной проволоки соединителей,
  • плотность соединителей,
  • угол атаки соединителей,
  • дополнительное/комбинированное армирование,
  • толщина и тип сердечника изолятора,
  • дополнительный лист-вкладыш между слоями бетона,
  • использование 2-х панелей чтобы получить 3-х слойную ж/б панель, например, модель Duo Panel у SCIP Emmedue.

При взрывных нагрузках теплоизолятор оказывает незначительное влияние на динамическое поведение SCIP, в то время как его толщина, а точнее узкое расстояние между соединителями повышает взрывостойкость. Два бетонных слоя в этом случае работают как единое целое, то есть панель композитна, подробнее об этом мы говорим тут.

Сэндвич-структуры с тетраэдрической решеткой

В связи с быстрым развитием современных технологий в военной области, идёт активный поиск альтернативы классическим монолитным панелям (RC), которые уже не могут соответствовать требованиям взрывозащиты. Интересно, что поиск приводит к тем же сэндвич-структурам с рёбрами жесткости. Обратите внимание на исследование устойчивости к взрывной нагрузке полностью металлической сэндвич-панели с тетраэдрической решеткой.

Исследователи обнаружили, что «в ядре тетраэдрической решетки возникают неравномерные деформации сжатия и деформации сдвига из-за неравномерной деформации лицевой и тыльной сторон листов». Они использовали максимальный остаточный поперечный прогиб для оценки импульсного сопротивления панели, и сравнили результаты измерений с результатами сотовых плит с шестигранной структурой с идентичными исходными материалами и относительной плотностью заполнителя. Сравнение показало, что сэндвич-структуры с тетраэдрической решеткой обладают лучшим импульсным сопротивлением воздушному взрыву. [ 20 ]

Фото с испытаний на нагрузку воздушным взрывом металлической сэндвич-панели с тетраэдрической решеткой

Испытания нагрузкой воздушного взрыва металлической сэндвич-панели с тетраэдрической решеткой. Открыть изображение в новом окне

Бизнес на строительстве бункеров

Безопасность — основополагающая потребность человека. И хотя выше мы говорили о том, что не существует укрытий, которые невозможно разобрать современными средствами поражения, всё-таки бункер это то место, где мы чувствуем себя защищеннее и по факту это действительно так.

11 февраля 2022 года мы предложили 25 идей бизнеса на 25 видах строительных продуктов, но уже через 2 недели стало понятно, что спрос на строительство взрывозащищённых бункеров будет расти и этот рынок в СНГ получает стабильный рост.

Один наш знакомый несколько лет успешно занимался бизнесом строительства бункеров в Украине. И хотя со спросом у него проблем не было, всё же он решил из него выйти. Дело в том, что он строил cast-in-place, то есть на месте, делал под ключ, включая секретные выходы для людей и коммуникаций. И в какой-то момент понял, что является нежелательным свидетелем устройства того или иного бункера, и что это для него небезопасно.



Выше на видео американец демонстрирует бизнес по строительству бункеров в цеховых условиях (modular precast, ЖБИ). На наш взгляд, это лучшее решение — ты отгружаешь готовую «коробку», даёшь инструкции для её установки и подведения коммуникаций, и даже не знаешь о месте его установки.

Может ли быть использована железобетонная SCIP-панель для строительства бункера? Да, с поправкой на толщину наружного слоя бетона, поскольку нужно учитывать давление грунта (как и воды при строительстве бассейна). А можно поставить 2 панели и между ними залить 3-й слой бетона — всё зависит от того, насколько прочным по мнению вашей клиентуры должен быть бункер. В зависимости от того, сколько тонн на квадратный метр давления взрыва он выдерживает, можно делать эконом, средний, и премиум-класс. По «начинке» аналогично.

#

Если статья была вам интересна, вы можете показать её вашим друзьям и знакомым кнопкой Поделиться.

К Содержанию FAQ

Используемые источники

[ 1 ] Аббас Асим; Адиль Мохаммад; Ахмад Навид; Ахмад Изаз. «Поведение железобетонных многослойных панелей (RCSPs) при взрывной нагрузке» Департамент гражданского строительства, UET Пешавар, Хайбер-Пахтунхва, Пакистан. Журнал Engineering Structures, 181, 476–490. 2019. Ссылка

[ 2 ] Нго Т., Мендис П., Гупта А., Рамзи Дж. «Взрывная нагрузка и воздействие взрыва на конструкции — обзор». Специальный выпуск EJSE Нагрузки конструкций 2007:76–96. Ссылка

[ 3 ] TM 5-1300(UFC 3-340-02) U.S. Army Corps of Engineers (1990), «Сооружения, устойчивые к последствиям случайных взрывов», U.S. Army Corps of Engineers, Вашингтон, D.C., (also Navy NAVFAC P200-397 or Air Force AFR 88-22).

[ 4 ] Перейра Х.М., Кампос Х., Лоренсу П.Б. «Кирпичные засыпные стены под ударной нагрузкой с использованием закрытых подводных генераторов взрывных волн (WBWG)». Журнал Engineering Structures 2015;92:69–83.

[ 5 ] Ременников А.М. «Обзор методов прогнозирования воздействия взрыва бомбы на здания» Журнал Battlefield Technology, 2003;6:155–61. Ссылка

[ 6 ] Чэнцин Ву, Хун Хао «Безопасное масштабированное расстояние для железобетонных рамных конструкций с заполнением кирпичной кладкой, подвергающихся ударным нагрузкам» 2007. Ссылка

[ 7 ] Бетона ежегодно производится около 7,5 млрд м³, это примерно по 1 м³ на каждого жителя Земли.

[ 8 ] Юферев Сергей «Сборные железобетонные доты» 17.11.2015 Ссылка

[ 9 ] Эхсан Мирнатеги. Оптимизация конструкции цементно-армированной ортотропной многослойной композитной системы. Диссертация, Калифорнийский Университет в Ирвине (США). 2017 Ссылка

[ 10 ] А.Н. Данцигер Д.З. Янкелевский «Реакция высокопрочного бетона на сильный удар снаряда» Международный журнал ударной техники, Том 18, выпуск 6, сентябрь 1996 г., стр. 583–599. Ссылка

[ 11 ] А.В. Шатов, А.Е. Буров, А.В. Лопатин. «Потеря устойчивости композитной многослойной цилиндрической оболочки с решетчатым анизосетчатым заполнителем под действием гидростатического давления». 2020 Journal of Physics: Серия Конференций, сер. 1546 012139. Ссылка

[ 12 ] Васильев В.В., Разин А.Ф. «Анизосетчатые композитные решетчатые конструкции для космических и авиационных применений», Журнал «Композитные Структуры» №76, стр. 182-189. 2006.

[ 13 ] Васильев В.В., Барынин В.А., Разин А.Ф., Петроковский С.А., Халиманович В.И. «Анизогридные композитные сетчатые конструкции — разработка и применение в космической технике» Композиты и наноструктуры. 2009. №3. С. 38–50. Ссылка

[ 14 ] Васильев В.В., Разин А.Ф. «Перспективы применения сетчатых композитных конструкций в гражданской авиации» Полет. №11–12. С.3–12. 2016.

[ 15 ] Васильев В.В., Барынин В.В., Разин А.Ф. «Анизорешетчатые композитные решетчатые конструкции — разработка и применение в аэрокосмической отрасли», Журнал «Композитные Структуры» №94, стр. 1117-1127. 2012.

[ 16 ] Женг К., Джанг Д.З., Хуанг Ц.Ф., Шанг И.И., Джу С. «Анализ разрушающих нагрузок и оптимальная конструкция композитного решетчатого цилиндра при осевом сжатии», Журнал «Композитные Структуры» №131, стр. 885-894. 2015.

[ 17 ] Пауэлл К. «Геодезическая конструкция самолета». Журнал «Спортивная авиация». №8, Стр. 17–24. 1961.

[ 18 ] А.А. Прядицкий «Обзор исследований по проектированию сетчатых конструкций из композитов для авиа- и ракетостроения». УДК 629.7.023.002.3: 620.22-419 2014. Ссылка

[ 19 ] Техническое руководство Diedra, редакция 01, Буэнос-Айрес, Аргентина, 2014.

[ 20 ] Сяодун Цуй, Лунмао Чжао, Чжихуа Ван, Хань Чжао, Дайнин Фан «Динамический отклик металлических решетчатых сэндвич-конструкций на импульсную нагрузку» International Journal of Impact Engineering 43 (2012) 1e5. Ссылка

[ 21 ] Дж. Гордон, «Конструкции или почему не ломаются вещи» (1978) Изд. «Мир», Москва, 1980.

Напишите нам
Вы можете задать вопрос или написать ваше личное сообщение здесь, Telegram, WhatsApp, или электропочтой. Чтобы быть в курсе последних новостей, подпишитесь на наш канал или чат в Telegram.