Защита людей от поражения стеклянными осколками

В данной статье хотелось бы обратить внимание читателей на анализ конструктивных элементов, на которые воздействует взрывная волна. Замечено, что сила поражения людей и материальных ценностей зависит не только от силы взрывной волны, но и от конструктивных элементов зданий, устройств, механизмов и других предметов, в которых или около которых произведен взрыв.

Зная воздействие на конструктивные элементы можно в некоторой мере предвидеть смерть или ранение человека, причинение материального ущерба. В настоящей статье речь идет только о стеклянных осколках в зданиях. Практикой замечено, что самым слабым элементом защиты является стекло, которое при взрыве создает осколки, разлетающиеся на несколько метров, причиняя смерть или ранение человеку, а также большой материальный ущерб.

Анализ результатов недавних взрывов бомб, происшедших в мире, свидетельствует о том, что значительное большинство вызванных ими смертей и ранений было вызвано разлетавшимися осколками. Эти осколки, как правило, являются частями оболочек или слабых конструктивных элементов. Первые в целом составляют корпуса бомб или самодельных взрывных устройств (СВУ), которые могут быть дополнительно снаряжены гвоздями или какими-либо кусочками металла, разлетающимися при взрыве, как и у обычной ручной гранаты.

В случае же СВУ без этой дополнительной «начинки» осколки образуются при взрыве их оболочек или составных их частей. Бомбы, заложенные в транспортные средства, при взрыве дают наибольшее число осколков различных размеров.

К слабым конструктивным элементам относят те, которые разрушаются при взрыве от мощной ударной волны. Эти относительно слабые элементы разрушаются при взрыве в первую очередь. В застроенных районах такими слабыми элементами, несомненно, являются стеклянные окна, которые при взрыве создают осколки, разлетающиеся со скоростью более 15 м/с, вызывая смерти и ранения.

Для предотвращения подобных печальных исходов стеклянные окна укрепляются специальными методами, которые будут рассмотрены ниже. Однако прежде чем решить каким способом можно эффективнее защитить людей и собственность от угрозы поражения стеклянными осколками, следует проанализировать механику их появления.

Обычно при попытках спрогнозировать масштабы разрушений, могущих быть при взрыве бомб или случайных взрывах, полагают, что эти разрушения вызываются ударной волной. Соответственно, при расследованиях, проводимых уже после взрыва, единственным критерием оценки использованного при этом взрывчатого вещества (ВВ) зачастую являются масштабы произведенных разрушений.

При таком подходе игнорируется значительный эффект воздействия импульса, то есть отношения продолжительности положительной фазы ударной волны к весу ВВ. Таким образом, при данной величине пика сверхдавления, возникающего при взрыве, ударная волна будет более разрушительной, если она действует в течение более длительного времени.

Например, 90% стеклянных элементов конструкций зданий может разрушиться при значении пика сверхдавления, равном 6,3 килопаскалей, при взрыве бомбы с тротиловым эквивалентом в 1 тонну и только при значении 4,2 килопаскаля при взрыве бомбы весом в 10 т. Это весьма существенно иметь в виду, учитывая существующую угрозу крупных взрывов с использованием террористами бомб в виде транспортных средств, начиненных большим количеством ВВ.

Другим важным фактором, влияющим на масштабы нанесения потери, является мощность взрыва, которая зависит не только от количества и взрывной силы ВВ в тротиловом эквиваленте, а и от эффективности самого процесса взрыва. Эта эффективность зависит от множества факторов, включая: объем устройства, где помещено ВВ, и метод инициирования взрыва.

Например, случайное инициирование ВВ (пожаром) обычно вызывает некоторое снижение потенциальной мощи ВВ еще до того, как начнется взрыв. Общее падение мощности взрыва зависит во многом от меньшего ограничения пространства по сравнению с экспериментальными и обычными условиями, и во многом зависит от энергетического потенциала конкретного ВВ.

Что же еще влияет на масштабы ущерба? Как и у человека, возможность любого материала противостоять ударной волне при взрыве варьируется в зависимости от длительности ударного воздействия, его величины и положения объекта, подверженного взрыву по отношению к его эпицентру. Взрывная волна в виде фронта высокого давления распространяется по всем направлениям от этого эпицентра и «обтекает» объект воздействия взрыва. Кроме того, ударная волна сталкивается с различными препятствиями, и они отражаются и усиливают начальное ударное воздействие от взрыва.

Все эти факторы должны учитываться при создании необходимых средств защиты от осколков. Во многом эффект ударных волн зависит от углов их направленности и отражения. Обычно они воздействуют на объект под углом, меньшим 90 градусов, нанося тем самым так называемый «скользящий удар», и отражаются от него под тем же самым (эквивалентным) углом.

Отраженная ударная волна возникает, когда передний фронт начальной ударной волны наталкивается на препятствие под прямым углом, вызывая тем самым мгновенный рост ее воздействия, иногда в 2 или 3 раза по сравнению с начальным на том же самом удалении от объекта.

Что касается самого стекла, то оно обычно используется в виде больших листов размером 1х2 м или более и небольшой толщины (4-10 мм) и обычно укрепляется и поддерживается только по своим краям. Поэтому даже небольшое превышение давления (по сравнению с нормальным — расчетным) на него неизбежно приведет к его разрушению, а поскольку стекло является весьма хрупким материалом, то в условиях его обычного конструктивного оформления оно имеет тенденцию к разрушению под воздействием напряжения прогиба, возникающего вследствие действия ударной волны, направленной под прямым углом к плоскости поверхности стекла.

В частности, оконная рама (со стеклами) разрушится, когда величина напряженности, вызываемая вследствие максимального прогиба (обычно в центре поверхности стекла), превысит модуль ее разрушения. Поэтому относительной мерой прочности стеклянных рам является их модуль упругости от разрушения и, если напряжение прогиба в стекле, вызываемое его деформацией под воздействием взрыва, превысит величину этого модуля, стекло разрушится на мелкие осколки.

Различные типы стекла ведут себя при взрывах по-разному, а многие здания содержат стеклянные конструкции, выполненные из стекла разнообразных типов. Величина наносимого при взрыве ущерба, а вследствие этого и возможного поражения людей и собственности, как раз напрямую зависит от типа стекла. При взрыве оно трескается на острые продолговатые осколки различной величины, вызывая наиболее серьезные поражения.

Упрочненное стекло, иногда называемое безопасным, производится путем равномерного нагрева стеклянного полотна до точки его смягчения (более 700 градусов), а затем быстрого его охлаждения струями холодного воздуха, подаваемыми на обе поверхности стекла. Во время охлаждения периметр стеклянного полотна остывает быстрее, чем его центральная часть, а поэтому и затвердевает быстрее, создавая постоянную напряженность.

Для упрочнения стекла используются и химические методы. Упрочнение стекла приносит  двойную  пользу:
— по сравнению с обычным стеклом той же толщины упрочненное стекло более взрывостойко (примерно, в 2 раза);
— при взрыве оно разлетается на крошечные осколки с тупыми краями, снижая тем самым риск поражения.

Стекло с проволочной основой (обычно используемое в «пожарных» дверях) изготавливается из прокатного стекла, содержащим стальную сетку. Сторона квадратной ячейки армирующего полотна сетки обычно составляет 12,5 мм или 25 мм. Упрочнение, придаваемое стеклу этой сеткой, не увеличивает взрывоустойчивость стеклянного полотна, однако, при его разрушении под воздействием ударной волы сетка удерживает в себе кусочки стекла и предохраняет от проникновения сквозь него каких-либо объектов. Сетка также повышает огнестойкость стекла.

И, наконец, в строительстве используется и ламинированное стекло, которое состоит из двух или более слоев обычного или специально обработанного стекла, соединенных вместе одной или более пластиковыми прослойками (поливинилового бутирола), которые плотно прилегают к стеклу и весьма гибки. Ламинированное стекло ударопрочно. Когда об его поверхность ударяется какой-либо объект, оно просто трескается. Однако трещины возникают только в месте удара, а остальная поверхность стекла остается прозрачной. Пластиковые прослойки удерживают при ударе кусочки стекла на месте, снижая риск поражения от стеклянных осколков.

Все вышеперечисленные типы стекла могут быть использованы при изготовлении так называемого композитного стекла. Оно состоит из двух или более слоев обычного или специально обработанного стекла, отделенных друг от друга двумя или более промежутками, наполненными сухим воздухом или газом. Такая стеклянная конструкция значительно повышает их термостойкость и шумоизоляцию. Композитные стекла значительно повышают уровень защиты от ударной волны и осколков взрывных устройств.

В общем случае, стеклянная конструкция, состоящая из внешней поверхности, которая изготовлена из композитного стекла толщиной 6 мм, и внутренней, которая состоит из ламинированного стекла толщиной 7,5 мм, обеспечивает защиту, в четыре раза большую по сравнению с обычным сплавом.

Стеклянные конструкции могут быть упрочнены также и путем их покрытия полимерной плёнкой. Весьма прочная полимерная пленка наносится на стеклянную поверхность окна, так что при его разрушении стекло удерживается на пленке и не разрушается в виде многочисленных смертоносных осколков. Толщина пленки может быть различной, но чаще всего используются пленки толщиной в 100 и 175 микрон.

Использование противоосколочной пленки (ПОП) толщиной 100 микрон, нанесенной на поверхность обычного стекла толщиной 6 мм, обеспечивает сопротивляемость давлению в позитивной фазе 645 паскалей на см² в течение 1,7-2,0 миллисекунд. Когда воздействие ударной волны длится значительно дольше — до 12-20 миллисекунд, тогда пакет, состоящий из стекла и ПОП, просто выдавливается из рамы целиком и в таком виде падает в комнату.

Противоосколочная плёнка должна прикрепляться как можно ближе к краям рамы: зазор не должен превышать 2-3 мм, в противном случае могут появиться шальные осколки от незащищенных ПОП краев стекла. Качество клеящего вещества, прикрепляющего ПОП к стеклу, также весьма важно. Кроме того, необходимо обеспечить достаточное время для его действия до производства окончательной проверки плотности прилегания ПОП к стеклу. Большие царапины, морщины, разрывы, частицы грязи и воздушные пузырьки недопустимы.

Еще одним методом снижения количества поражающих стеклянных осколков являются взрывозащитные занавеси различных типов. Действие их весьма просто — они ловят осколки при разбитии стекла. Ширина занавеси должна быть вдвое больше ширины окна, а ее нижний край должен быть не выше 25 мм от пола. В силу своих размеров и прочности занавесь ловит всё стекло при его разрушении от взрывной волны. После чего стекло падает на землю (пол).

Для французских окон (то есть окон, доходящих до пола) занавеси должны изготовляться так, чтобы они имели свободный нижний конец, лежащий на полу, длиною в 1 м. Они должны регулярно чиститься, так как скатывающаяся грязь уменьшает их защитные качества, так что необходимо иметь и дополнительный комплект взрывозащитных занавесей.

Как же можно качественно и количественно оценить степень надежности мер, принимаемых для защиты от стеклянных осколков? К сожалению, об этом начинают задумываться уже после строительства зданий, а не при их проектировании. Алгоритм решения этой задачи тот же, как и в случае разработки других, также от размеров и расположения конструкции, которую необходимо защитить. Этот шаг необходим как в случае угрозы от небольших взрывных устройств, помещаемых внутри этих конструкций, так и угрозы от больших бомб в виде начиненных взрывчаткой транспортных средств, располагаемых вне защищаемых конструкций.

Без определения (знания) этих критериев возможных сценариев проведения террористических бомбовых актов нельзя определить величину и продолжительность воздействия ударной волны, а также размеры возможных поражений от осколков самих взрывных устройств.

Эти расчеты дадут возможность определения величий воздействия ударной волны на различные части здания. Кроме того, как уже указывалось выше, возможно воздействие вторичной (или отраженной) ударной волны на всех уровнях здания, включая крышу. Полученные величины вместе с осмотром здания для оценки деталей материалов его конструктивных элементов, например, тип стекла, оконных рам и т.д. позволяют сделать прогноз возможного ущерба.

Для простых и одиноко стоящих зданий это может быть нетрудной задачей. Но в случае центральной части населённых пунктов, где имеется множество смежных зданий, улиц, тупиков, узких аллей, а также двориков, задача будет во много раз труднее (отражение ударной волны от других поверхностей, увеличенная продолжительность воздействия ударной волны и архитектурные особенности требуют анализа их влияния на возможные поражения, для проведения которых необходимо привлечение консультантов-специалистов в этой области).

Некоторые из мер защиты уже рассматривались выше, но даже такие очевидные из них, как применение ПОП требуют дополнительного анализа с применением критерия «затраты – эффективность». Например, затраты на покрытие ПОП каждого окна большого здания могут составить примерно 25-30 тыс. евро. Такая мера, несомненно, будет рекомендована поставщикам ПОП. В то же время привлечение консультанта-специалиста за гонорар в 2-3 тыс. евро может сэкономить свыше 20 тыс. евро, так как применение ПОП не всегда дает должную защиту.

Замена окон может быть не только дорогостоящей, но и трудоемкой, а иногда даже связана с трудностями получения специального разрешения у плановых органов, поскольку они изменят внешний вид здания. Хорошим выходом из положения является вставка ламинированных стекол толщиной 7,5 мм, которые обеспечат защиту, в три раза превышающую защиту обычных стекол. Однако, при этом необходимо помнить, что ламинированные стекла дают должный эффект только тогда, когда они надежно закреплены в рамах, предпочтительно с помощью силиконового клея, а сами рамы должны иметь пазы глубиной минимум 25 мм.

Всё сказанное выше, конечно, не основано на точных знаниях, однако, принятие неправильных решений еще более ухудшит ситуацию. Защитные меры гораздо проще реализуются на этапе проектирования здания. Разница в затратах на различные типы стекол значительно меньше по сравнению с их заменой. Кроме того, различные по длине стекла в здании можно спроектировать как можно глаже, тем самым уменьшая вероятность возникновения вторичных ударных волн.

В процессе проектирования также лучше сделать крышу здания достаточно выпуклой и гладкой с тем, чтобы ударная волна «перетекла» через здание. При этом неизбежны конфликты с архитектором, однако, в большинстве случаев они могут быть разрешены, компромисс достигнут, и в результате будет возведено значительно более безопасное здание.

Стекло всегда будет с нами, хотим ли мы того или нет. Архитекторы, сталкиваясь с жесткими финансовыми ограничениями и проблемами (как можно примирить современные коммерческие, социальные требования, улучшить энергоснабжение, сузить уровень шумов, увеличить защиту и безопасность) неизбежно будут обращаться к наиболее доступному строительному материалу – стеклу, и если заказчики, зная возможные последствия взрывов, не переубедят их на стадии проектирования, то им придется нести большие расходы на переделку уже построенных зданий.

Тем не менее, в заключение статьи следует подчеркнуть, что можно многое сделать для обеспечения лучшей защиты персонала и непрерывности функционирования организации с приемлемыми затратами при условии использования достаточно квалифицированных консультантов-специалистов в области обеспечения надежной защиты людей и материальной собственности от поражения при возможных взрывах.

/Михалыч, инструктор по стрелковому оружию и средствам ближнего боя, специально для «Армейского вестника»/