В последние десятилетия угроза террористических атак с использованием взрывных устройств, на долю которых приходится более 50 % всех инцидентов, заставляет инженеров по всему миру пересматривать подходы к проектированию элементов инфраструктуры. Колонны являются ключевыми несущими элементами жилых зданий и мостов. Их разрушение из‑за направленного взрыва может привести к мгновенному прогрессирующему обрушению всей конструкции.
Научная статья Blast Loaded Columns — State of the Art Review (2021) обобщает результаты многолетних натурных испытаний и численного моделирования, определяя наиболее эффективные методы повышения взрывостойкости колонн.
Для чего проводится данное исследование?
Главная цель этой научной работы — систематизировать накопленные данные о поведении различных типов колонн при взрывных нагрузках (от контактных подрывов до дальних взрывов). Исследование помогает выявить слабые места существующих конструкций, разработать рекомендации по их усилению (например, с помощью стальных кожухов или полимерных композитов) и создать новые стандарты безопасного проектирования. Понимание того, как геометрия, материалы и армирование влияют на остаточную несущую способность, позволяет спасти человеческие жизни и минимизировать экономический ущерб.
Как ведут себя колонны при взрыве?
В зависимости от конструктивных особенностей различные типы колонн демонстрируют принципиально разные уровни устойчивости к взрывным волнам.
Железобетонные колонны (RC)
Традиционные железобетонные колонны наиболее уязвимы к близким и контактным взрывам.
Характер разрушений. При близком подрыве они часто сталкиваются с хрупким разрушением, вызванным высокими сдвиговыми напряжениями у основания, а также с интенсивным скалыванием и дроблением защитного слоя бетона. При контактном взрыве в колонне может образоваться сквозная пробоина.
Особенности.Традиционное поперечное армирование в виде хомутов с фиксированным шагом малоэффективно, так как взрывная волна способна буквально «вырывать» отдельные элементы. Однако колонны, спроектированные по сейсмическим стандартам (со спиральным армированием и меньшим шагом хомутов), показывают значительно лучшую пластичность и меньшие деформации.
Трубобетонные колонны круглого сечения (CFST)
Этот тип представляет собой стальную трубу, полностью заполненную бетонной смесью.
Характер разрушений. Трубобетонные колонны демонстрируют высокую пластичность и вязкое поведение. Вместо разрушения они склонны к изгибу и локальному выпучиванию.
Особенности. Внешняя стальная труба эффективно сдерживает бетонное ядро, предотвращая скалывание и дробление. Самым важным преимуществом является полное отсутствие разлетающихся осколков бетона, которые в реальных условиях служат вторичным поражающим фактором. При этом для предотвращения среза у основания требуется надёжное защемление трубы в фундаменте.
Трубобетонные колонны с кольцевым сердечником (CFDST)
Конструкция CFDST состоит из двух концентрических стальных труб (внешней и внутренней), пространство между которыми заполнено бетоном.
Характер разрушений. Данные элементы показали наилучшие результаты среди всех исследованных типов колонн при близких и контактных взрывах. Они отлично поглощают энергию за счёт контролируемого локального смятия внешней оболочки.
Особенности. Внутренняя стальная труба выполняет роль центрального стержня, препятствующего сдвигу и обеспечивающего устойчивость конструкции. Для достижения максимальной эффективности исследователи рекомендуют удерживать отношение диаметра внутренней трубы к внешнему диаметру конструкции (d/D) на уровне не более 0,5, а также использовать высокопрочный бетон (UHPC).
Выводы
Исследование подтверждает, что переход от классического железобетона к композитным сталежелезобетонным конструкциям — в сочетании с применением высокопрочного порошково-активированного бетона (UHPC) и особенно трубобетонных колонн с кольцевым сердечником (CFDST) — радикально повышает живучесть сооружений при террористических угрозах.