Вікна: стійкість до вибуху

За даними ООН¹, близько 80% поранень та смертей серед цивільного населення у разі вибухів під час терактів чи бомбардувань спричинені первинними і вторинними осколками. Вторинні осколки утворюються у результаті руйнування конструкцій будівель, дорожнього покриття тощо. І 80% уражень від осколків та уламків – це травми від скла. Тобто близько 64% (80%*80%) усіх смертей та поранень внаслідок вибуху завдаються розбитим віконним склом. Скло у вікнах і скління фасадів є найслабшим елементом будинку з точки зору стійкості до ударної хвилі. Осколки звичайного «сирого» скла мають гострі краї та розлітаються з великою швидкістю що становить небезпеку для людей.

Чи можна вплинути на наслідки вибухів?

Якщо більш ніж половина поранень і смертей стаються не від самого вибуху і не від уражаючих елементів снаряда, а через розбите вибухом скло, то чи можливо змінити статистику, наприклад, в особливо вразливих місцях: дитячих садочках, школах, лікарнях?

Таке питання поставили Іван Богдан, волонтер та гендиректор WINKHAUS Ukraine, та Михайло Орленко, директор компанії Викна-Стар, ТМ.

• Share

Слева направо: Михаил Орленко, директор компании «Вікна-Стар», и Иван Богдан, гендиректор Winkhaus Ukraine Фото: Winkhaus

Передісторія. Пошук комплектації вибухостійких вікон в Україні

Останні роки Winkhaus Україна, OKNA.ua та ряд інших компаній віконного ринку широко популяризували використання зламостійких вікон². І в Україні з'явилися ліцензовані компанії³, які виробляли сертифіковані зламостійкі вікна класу RC2.

Спостереження за руйнуваннями після обстрілів агресора підказали шлях пошуку комплектації вибухостійких вікон. Зламостійкі вікна, що відповідають рівню захисту RC2, після обстрілів виглядали набагато краще, ніж звичайні. Це спонукало до ґрунтовного вивчення питання: чи не можна вдосконалити вікна на базі RC2 так, щоб вони були безпечними під час вибухів?

• Share

Окна с классом взломостойкости RC2 после взрыва Фото: Winkhaus

Загальна історія вивчення наслідків вибухів для будівель

Загалом дослідження наслідків вибухів для будівель активізувалося після Другої світової війни. У другій половині 20-го століття було проведено багато досліджень характеристик вибуху та взаємодії ударної хвилі з будівлями та спорудами^4,5,6,7. Проведено серію експериментів та розроблено емпіричні та напівемпіричні методи розрахунку параметрів ударної хвилі.

Ударна хвиля є причиною утворення осколків скла, що рухаються з великою швидкістю. Ідеальна ударна хвиля виглядає так, як показано на Графіку 1. Різкий сплеск повітряного тиску спричиняє руйнування та залежить від часу дії позитивного тиску. Після цього у хвилі виникає від’ємний тиск, але його пік незначний порівняно з головним піком.

• Share

График 1. Идеальная ударная волна Фото: MDPI

Для розрахунку впливу вибуху на будинки і споруди насамперед потрібні два основні параметри ударної хвилі — піковий надлишковий тиск (P_so-P_o) та тривалість позитивної фази (t_o).

Числові методи розрахунку стають важливими у разі прогнозування загроз, у тому числі в щільній міській забудові та при врахуванні складних форм будівель.

Стандарти вибухостійкості вікон

Слід зазначити, що вибухостійкі, зламостійкі та кулетривкі вікна — це різні вікна. Ці властивості не є тотожними.

Перші стандарти вибухостійкості вікон у світі почали з’являтися на початку 2000-х. Найбільш застосовувані стандарти⁸:

• ● EN 13123-1,2 Windows, doors and shutters - Explosion resistance.
• ● GSA-TS01-2003 (General Services Administration / Standard Test Method for Glazing and Window Systems Subject to Dynamic Overpressure Loadings, 2003).
• ● ISO 16933:2007 (International Organization for Standardization / Glass in Building – Explosionresistant security glazing - Test and classification for arena air-blast loading, 2007).
• ● PDC-TR 10-02 (US Army Corps of Engineers, Protective Design Center / Blast Resistant Design Methodology for Window Systems Designed Statically and Dynamically, 2012).
• ● ASTM F1642-17 (American Society for Testing and Materials / Standard Test Method For Glazing And Glazing Systems Subject To Airblast Loadings, 2017).
• ● ASTM F2912-17 (American Society for Testing and Materials / Standard Specification For Glazing And Glazing Systems Subject To Airblast Loadings, 2017).
• ● ASTM F2248-19 (American Society for Testing and Materials / Standard Practice For Specifying An Equivalent 3-Second Duration Design Loading For Blast Resistant Glazing Fabricated With Laminated Glass, 2019).

В Україні діє аналог європейського стандарту випробування вікон на тривкість до вибуху — ДСТУ EN 13123-1:2006, ДСТУ EN 13123-2:2006. Першому класу вибухостійкості відповідає вікно, яке після вибуху 3 кг тротилу на відстані 5 метрів залишилося закритим та без утворення осколків зі сторони приміщення (EXR1 (NS)).

• Share

Фото: Winkhaus

З чим можна порівняти 3 кг тротилу? Міномети 120 мм калібру російського виробництва мають тротиловий заряд від 2,7 кг до 4,9 кг. Більшість — 3-3,5 кг⁹.

• Share

Минометные мины (выстрелы) 120 мм (10) Фото: Wikipedia

Перший й другий клас стійкості до вибуху дають значне зниження на ~64% ймовірності травмування у разі загроз, котрі відповідають умовам випробувань.

Умови проведення випробувань згідно зі стандартом приведені в таблиці.

ВІКНА, ДВЕРІ ТА ЖАЛЮЗІ. Стійкість до вибуху. Класифікація та технічні вимоги.
Частина 2. Діапазон випробування. (EN 13123-2:2004, IDT) ДСТУ EN 13123-2:2006

Що зроблено в Україні щодо тестування вікон на вибухостійкість

Пройдено шлях, який можна прослідкувати покроково.

Крок 1. Перший вибух

Випробування ПВХ вікон класу RC2 на відповідність двом класам вибухостійкості: EXR1 та EXR2 згідно ДСТУ EN 13123.

У випробуваннях обох класів бере участь 3 кг вибухової речовини в тротиловому еквіваленті. Різниця між першим та другим класом полягає у відстані:

• перший клас — вибухівка закладена на відстані 5 м від вікна,
• другий клас — 3 м.

«До першого тестового вибуху на полігоні було залучено дуже багато людей. Вікно виготовили та змонтували з увагою до найменших деталей, описаних у документаціях Winkhaus та рекомендацій «Вікна-Cтар». Після першого вибуху стало зрозуміло, що відбулася надзвичайна і дуже очікувана подія — віконна конструкція класу RC2 витримала ударну хвилю вибухостійкого EXR1 класу,» — розповів Іван Богдан.

Припущення та аналіз виправдалися.

Коли на полігоні вибирались віконні пройми для встановлення та підривання вікон, учасники вирішили не спрощувати собі життя з невеликим вікном, а навпаки, встановити конструкцію, наближену до масових зразків, встановлених в Україні. Бо вивчали не енерговитрати чи звукоізоляцію, а екстремальніші характеристики. Відповідно було вибрано вікно шириною 1780 мм, висотою 1460 мм з імпостом, одна частина глуха, друга — поворотно-відкидна. Це максимально наближено до традиційної української конструкції.

Сили, що діють на вікно ударною хвилею, пропорційні площі вікна. Відповідно, вікно 1780х1460 мм має протидіяти на 60% більшим силам у порівнянні з вікном 1200х1350 мм. Це істотна різниця при таких великих навантаженнях. І якщо вікно малих розмірів витримає тестування, то, звісно, це не означає, що такі результати будуть і для вікон більшого розміру.

Важливо було зрозуміти, як поводиться кожен елемент вікна: склопакет та його вклейка, фурнітура, імпост, монтажні кріплення.

У результаті першого випробування конструкція витримала навантаження першого класу вибухостійкості. Це дуже крутий результат та море адреналіну!

Крок 2. Планку підвищено

Оскільки зразок пластикового вікна пройшов випробування на перший клас вибухостійкості з першого разу, було вирішено спробувати перевірити ще одне вікно на другий клас вибухостійкості, коли відстань до вибухівки зменшена до трьох метрів.

З цим тестом було складніше. Було виявлено дуже багато слабких місць у конструкціях з ПВХ. Описувати їх зараз немає сенсу.

Результат: підготовлений зразок формально не пройшов випробування з технічної точки зору. Але з точки зору безпеки конструкція витримала навантаження. У чому різниця? Були розірвані кути, були проблеми з імпостом, тобто утворилися щілини більші, ніж передбачено стандартом: понад 10 мм. Але суть в тому, що зсередини конструкція вціліла: не розсипалася, не утворилися уламки, які могли б влетіти в середину приміщення та створити там проблеми людям.

Процес тестування надав багато інформації для аналізу. Стало зрозуміло, які слабкі місця існують у вікна. Виявилося, що ризик для людини був би мінімальним. Але віконні профілі з ПВХ, які виявилися надійними у першому класі, не подолали навантаження для другого класу вибухостійкості. Зменшення відстані на 2 метри при вибраних розмірах вікна виявилося критичним.

Що далі?

Організатори випробувань отримали дуже класний матеріал та, у першу чергу, дуже крутий досвід. Є відео, фото, певний багаж знань, аналітика. І цього, загалом, було би достатньо, щоби поділитися із галуззю новим досвідом, важливим для всіх. Але Іван і Михайло вирішили зробити більше, щоби результати були не просто зафіксованим дослідженням.

У результаті вдалося знайти лабораторію, яка має акредитацію на такий тип випробувань. На наступні тести на вибухостійкість були запрошені експерти лабораторії, щоби перевірити дотримання всіх умов згідно ДСТУ.

За словами фахівців лабораторії, такі випробування в Україні проводяться вперше.

І знову домовленості з військовими, з полігоном, виготовлення нових конструкцій. Лабораторія вносить корективи в те, що потрібно зробити під час цієї процедури тестування.

Цього разу було вирішено провести вибух не лише з потенційно вибухостійкою конструкцією, але також і зафільмувати, що відбувається зі звичайним вікном: звичайним склопакетом, незламостійкою фурнітурою, простою профільною системою тощо. Аби мати відео і фотоілюстрацію того, що відбувається зі звичайним вікном під час вибуху. Демонстрація протиставлення дії ударної хвилі на різні вікна дає відповіді на багато питань.

«Звичайне» вікно було не найдешевшим, із середньою ціною для цієї категорії. У цьому випадку не важливо, які бренди компонентів вікна, важливо, що скло звичайне, вікно не має протизламних елементів. Компоненти подібні тим, які встановлені в більшості вікон в Україні.

Одну конструкцію підірвали. Підірвали другу. Результат позитивний. Зараз чекають від лабораторії протокол випробування, в якому буде написано:
компанія «Вікна-Стар», яка розробила систему віконних конструкцій за ліцензією Winkhaus класу RC2 і з напрацюваннями, які є у Вікна-Стар з монтажу, успішно пройшла випробування на перший клас вибухостійкості.
Вперше в Україні!

Крок 3. Другий клас вибухостійкості

Формально невдалі випробування з другим класом вибухостійкості призвели до подальших пошуків. Оскільки були моменти з якими не справлялась ПВХ-конструкція, її замінили на вікна з алюмінієвими профілями.

Що було зроблено?

За основу були взяти системи Reynaers MasterLine та SUNRISE (розроблена спеціально для відбудови України) та ліцензії RC2 від Winkhaus. Особливу увагу приділено склопакету, вклейці, фурнітурі.

Цього разу запросили представників іншої лабораторії, яка має військове спрямування та не менший досвід: займаються вибухостійкістю військової техніки.

Було проведено вибух з цими двома алюмінієвими конструкціями. Отримали позитивні результати для кожної.

Отже, чи відповіли випробування на питання: зламостійкі вікна класу RC2 дорівнюють вибухостійкості, наприклад, першого класу? Відповідь така: зламостійкість є базою, на якій можна вибудовувати вибухостійкі вікна. Але вона не є синонімом.
Щоби стверджувати, що конкретна конструкція класу RC2 зможе витримувати навантаження першого класу вибухостійкості, необхідно пройти процедуру тестування з представниками лабораторії, які підтвердять це.

Всього було проведено сім випробувань з вибухами. Кожен такий вибух і результат — це колосальний набір інформації, якої немає ніде.

На платформі OKNA.ua плануємо ще не раз повертатися до цієї теми, тож підпишіться на поштову розсилку та слідкуйте у соцмережах OKNA.ua.

Джерела:

1. BLAST PROTECTION FOR WINDOWS, UN Department of Safety and Security.
2. Безпека https://okna.ua/ua/library/bezpeka
3. Вікна з протизламністю RC2N https://okna.ua/ua/okna/sc-rc2n
4. Кінні, Г.Ф.; Graham, KJ Вибухові удари в повітрі ; Springer: Berlin, Germany, 1985.
5. Генріх, Дж. Динаміка вибуху та його використання ; Elsevier: Амстердам, Нідерланди, 1979.
6. Mills, C.A. The design of concrete structures to resist explosions and weapon effects. In Proceedings of the 1st International Conference on Concrete for Hazard Protections, Edinburgh, UK, 27–30 September 1987
7. Beshara, F.B. Modelling of blast loading on aboveground structures—I. General phenomenology and external blast. Comput. Struct. 1994, 51, 585–596
8. BLAST PROTECTION FOR WINDOWS, UN Department of Safety and Security.
9. 120-мм возимый миномёт 2Б11 https://w.wiki/7j66
10. https://w.wiki/7j6A