Ассоциация Производителей Энергоэффективных Окон
Ассоциация Производителей Энергоэффективных Окон




Системный подход в безопасном остеклении

«Стройка», №4, 2003

В наше время без стекла не обходится практически ни одно здание. Более того, тенденции развития архитектуры свидетельствуют о возрастании площадей остекления. Стекло – материал хрупкий и при разрушении может стать причиной серьезных травм и ранений. Реализация программ безопасного остекления для мегаполисов, в частности для защиты от последствий террористических актов, – актуальная проблема нашего времени.

Россия столкнулась с проблемой защиты людей от терроризма позже других экономически развитых стран, таких, как США, Великобритания, Германия, Испания, где уже несколько лет существуют государственные стандарты в области безопасного остекления. Таким образом, ответом на теракты являются не только активные антитеррористические мероприятия, но и профилактическая работа, сводящая к минимуму последствия действий террористов.

К другим причинам разрушения стекла, приводящим к значительным человеческим и материальным потерям, относятся техногенные катастрофы и природные катаклизмы. Мы неслучайно объединяем эти события. В основе разрушительного действия ветра или урагана лежит энергия движения воздуха, а в случае взрыва – энергия воздушной ударной волны. Другие причины разрушения стекла – акции вандализма и попытки проникновения. В этих случаях происходит локальное воздействие на стекло каким-либо орудием – молотком, топором, прутом, бутылкой с зажигательной смесью.

В США и в странах Западной Европы нашли приемлемое решение проблемы снижения травматизма и ущерба от осколков стекла. Оно состоит в применении специальных самоклеящихся оконных полимерных пленок, которые препятствуют разлету осколков, образовавшихся при взрыве или урагане. Подчеркнем, что эти пленки не делают стекло небьющимся. Под воздействием воздушной ударной волны большой энергии стекло неминуемо растрескается, однако его фрагменты окажутся крепко приклеены к пленке. Толщина пленки невелика – около 0,2–0,3 мм, однако испытания показали, что этого достаточно, чтобы обычное стекло толщиной 4 мм при взрыве 100 кг тротила на расстоянии около 40 м от здания не нанесло практически никакого вреда здоровью и имуществу человека. Энергия взрыва превращает неупрочненное стекло в смертоносный град острых осколков. Если же приложить эту энергию к стеклу с пленкой, прикрепленной к раме по периметру, она почти целиком расходуется на разрушение стекла, растяжение и разрыв полимера и, как следствие, практически не переходит в кинетическую энергию осколков. В названных странах применение пленки в составе остекления зданий и сооружений с массовым пребыванием населения, на объектах химической промышленности, а также объектах особой значимости признано необходимым и оговаривается в строительных нормах и правилах США и Европейского союза.

С начала 90-х годов за рубежом проведено около десятка взрывных испытаний, в ходе которых подрывались заряды взрывчатого вещества массой до тонны в тротиловом эквиваленте. Результаты испытаний свидетельствуют о неоспоримых достоинствах оконных пленок. Российским специалистам нет нужды повторять проделанную работу. Плохо то, что Россия, как бы ни хотела, не может прямо сейчас приступить к производству собственной пленки. Наши внутренние проблемы негативным образом сказались на состоянии заводов по производству пленочных полимерных материалов. Так что при современном положении дел без импортной пленки нам пока не обойтись.

Оказалось, однако, что применения только оконной пленки для создания безопасного остекления недостаточно, а в ряде случаев даже приводит к ухудшению ситуации. Это происходит, например, когда на остекление воздействует воздушная ударная волна большой (более 5 мкс) длительности, что реализуется при террористических взрывах большой мощности (более 10 кг TNT), либо в случае малой массы взрывчатого вещества, но при наличии переотражений в замкнутом или полузамкнутом пространстве (как это было в переходе под Пушкинской площадью в августе 2001 года). Недостаточным также оказывается применение пленки в случае взрыва бытового газа (дефлаграции), а также когда надо воспрепятствовать попытке проникновения в помещение через окно или массовым акциям вандализма.

Слабыми местами остекления с пленкой являются области примыкания стекла в створке, створки в раме, рамы в проеме.

Установка пленки на стекло без использования специальных средств ее крепления к раме пока остается самым дешевым, а значит, и самым популярным способом создания взрывозащитного остекления. В англоязычной литературе такой способ установки пленки на стекле носит название daylight, что в переводе означает «дневной свет». При установке пленки между ее краем и рамой неизбежно остается небольшой зазор, от 2 до 5 мм. Именно эта незащищенная область остекления является его слабым звеном. В случаях мощных взрывов происходит выпадение пленки со стеклом из створки, выпавшее полотнище приобретает значительную энергию и способно привести к человеческим жертвам и имущественному ущербу. Пленка, наклеенная на стекло способом daylight, не способна воспрепятствовать попыткам проникновения, если прикладывать усилия к области примыкания стекла к створке.

За рубежом эта проблема решается с помощью так называемых систем закрепления защитных оконных пленок. Они представляют собой специальные элементы, соединяющие пленку, стекло и раму в единую прочную конструкцию, способную более эффективно противостоять взрывной нагрузке.

В настоящее время самыми популярными системами прикрепления пленки к раме являются:

  • силиконовый герметик (Wet Glazing system);

  • специальные жесткие захваты (catch bars), или удерживающие шнуры (Life Line system);

  • пластиковые самоклеящиеся крепежные элементы (Gull Wing system);

  • система Фреймгард (FrameGard anchoring system), представляющая собой пластиковые или алюминиевые крепежные элементы с двусторонним или четырехсторонним закреплением.

В настоящее время и за рубежом, и в России признана необходимость системного подхода к проблеме безопасного остекления. Такой подход предполагает, что технические требования к безопасному остеклению должны распространяться не только на стекло как носителя потенциальной опасности, но и на все другие элементы светопрозрачных ограждающих конструкций, в частности на устройства закрепления стекла в раме, рамы в проеме и т.д., обеспечивая безопасность остекления в целом.

Чтобы дать представление о системном подходе к проблеме создания взрывобезопасного остекления, необходимо определить два основных понятия.

Остекление зданий и сооружений – это любые светопрозрачные конструкции, содержащие стекло и устройства его закрепления (окна, стеклянные двери, витрины, стеклянные элементы фасадов и т.п.). Например, если речь идет об окне, то в понятие «остекление» включаются все элементы, заполняющие оконный проем: стекло, рама, запорные механизмы, крепежные элементы.

Воздушная ударная волна (ВУВ) – это возникающая при взрыве и распространяющаяся в воздухе область, в которой происходит резкое увеличение плотности, давления и температуры вещества (фаза сжатия), а также следующая за ней область, где те же параметры ниже, .чем в невозмущенной среде (фаза разрежения). Основными характеристиками ВУВ являются пиковое значение избыточного давления воздуха, длительность и величина удельного импульса фазы сжатия и эти же параметры для фазы разрежения.

Расчеты показывают, что воздействие ВУВ на остекление носит импульсный характер, и это надо учитывать при проектировании конструкций остекления.

Раньше свойствам рам с точки зрения стойкости к взрывным нагрузкам уделялось очень мало внимания. Это обуславливалось тем, что стекло было самым слабым элементом окна, оно разбивалось в первую очередь и не передавало существенные усилия на раму.

Возможность проектирования, конструирования и тестирования остекления по частям (отдельно стекло, отдельно рама, отдельно крепежные элементы) существенно упростила бы весь процесс организации взрывобезопасного остекления. Это позволило бы создать реестр взрывобезопасных стекол различных уровней устойчивости, такой же реестр для рам, крепежей, запорных механизмов. Далее создание безопасного остекления свелось бы к простому комбинированию. Однако специфика взаимодействия остекления с ВУВ не позволяет пренебречь взаимным влиянием элементов остекления в процессе этого взаимодействия.

В настоящее время методики расчета оконных систем созданы для статических нагрузок, например ветровых. К сожалению, эта методика оказывается неприменимой в нашем случае. Ветровая нагрузка является статической, тогда как воздействие ВУВ на остекление – это импульсная нагрузка, состоящая из двух фаз: положительной и отрицательной. Их последовательное действие вызывает во всех элементах остекления вынужденные колебания, которые затем переходят в свободные Взаимное колебательное движение элементов остекления относительно друг друга уже не дает возможности пренебречь их взаимным влиянием друг на друга (возможны резонансы, биения и т.п.).

Таким образом, остекление должно быть безопасно в целом, следовательно, на остекление в целом должны распространяться технические требования, оно должно быть подвергнуто испытаниям, сертификат соответствия должен содержать информацию обо всей светопрозрачной конструкции, подвергшейся испытаниям.

Для целей проектирования безопасного остекления необходимо создать модель поведения остекления с защитной полимерной пленкой при последовательном действии положительной и отрицательной фаз ВУВ.

Специалистами создана математическая модель, которая с помощью уравнений описывает поведение остекления под действием ВУВ. Она дает возможность определить величины сил, действующих во всех элементах остекления, что позволит конструкторам проводить прочностные расчеты элементов остекления, исходя из требований различных классов взрывобезопасности.

А это открывает путь к проектированию взрывобезопасного остекления по заданному классу взрывобезопасности, а также позволит конструкторам проводить прочностные расчеты элементов остекления, исходя из требований различных классов взрывобезопасности.

Действующие в остеклении силы зависят от упругости оконной пленки таким образом, что чем меньше упругость пленки, тем меньше эти силы. В этом как раз проявляется демпфирующее действие пленки, прикрепленной к раме.

Как было уже сказано, защитное действие оконных пленок при различных нагрузках ВУВ в настоящее время может быть оценено только при натурных взрывных испытаниях, что требует привлечения значительных материальных средств. Количество испытаний можно сократить, если оценивать взрывобезопасность остекления различного типа по расчетной методике. Доработка и апробация предложенной модели позволят проводить классификацию и сертификацию остекления на взрывобезопасность с помощью их моделирования на компьютере.

Основные направления работ по реализации системного подхода в безопасном остеклении:

  • создание и апробация математической модели отклика остекления на импульсное воздействие;

  • разработка и создание типовых и уникальных конструкций остекления, выдерживающих импульсные нагрузки;

  • создание защитного остекления от несанкционированного проникновения и актов массового вандализма;

  • разработка и создание конструкций, безопасных при внутренних дефлаграционных взрывах.

Конечная цель всей работы – внедрение в практику строительного комплекса Москвы новых элементов и систем светопрозрачных конструкций во взрывобезопасном исполнении для обеспечения защиты населения от осколков стекла, образующихся при воздействии ВУВ в результате террористических актов, природных катаклизмов и техногенных катастроф, а также в результате актов массового вандализма.

Пока существует реальная угроза терроризма, нам не уйти от решения связанных с ним проблем. Ведь каждый знает, что уверенность и спокойствие – необходимые составляющие достойной жизни.

М. ХАРЧЕНКО, к.ф.-м.н., директор;
И. ХАРЧЕНКО, к.ф.-м.н.;
Л. СЕЙДМАН, к.т.н., гл. технолог, ООО «Ton Филм»

По материалам московской научно-практической конференции «Взрывоустойчивость и взрывобезопасность промышленных, транспортных и гражданских объектов», 16-18 декабря 2002 г.