کدام طبقه آپارتمان در برابر بارهای انفجاری امن‌تر است؟ / نقاط امن آپارتمان‌ها کجاست

در شرایط فعلی که خطر تهدیدهای نظامی و حملات موشکی به بافت‌های شهری، خیلی از افراد را نگران کرده، توصیه‌های ایمنی متعددی برای حفظ سلامت شهروندان ارائه می‌شود.

به گزارش خبرآنلاین، در این راستا درک علمی از رفتار سازه در برابر بارهای انفجاری، به یک بحث ضروری و حیاتی تبدیل‌شده است.

باید این را در نظر داشت که بارهای انفجاری به دلیل ماهیت دینامیکی، ناگهانی و شدت زیادشان، رفتار کاملاً متفاوتی از بارهای لرزه‌ای و زلزله دارند؛ در حالی که اکثر ساختمان‌ها در هنگام ساخت برای مقاومت در برابر زلزله طراحی‌شده‌اند.

به همین خاطر قصد داریم تا در این مقاله با بررسی مکانیسم‌های تخریب و توزیع فشار در ارتفاع سازه به این موضوع بپردازیم که کدام طبقات در ساختمان و کدام فضاها در منازل، از ضریب ایمنی بالاتری برخوردارند.

برهم‌کنش موج انفجار با سازه‌های شهری

برای آنکه بتوان بهتر به بررسی ایمنی طبقات پرداخت، باید قبل از هر چیز ماهیت موج انفجار و نحوه تعاملش با بدنه ساختمان را تحلیل کنیم.

انفجار ناشی از برخورد موشک یا بمب، فرآیندی است که در آن انرژی شیمیایی در کسری از میلی‌ثانیه به گازهای فوق‌العاده داغ و پرفشار تبدیل می‌شود. این انبساط ناگهانی، هوای اطراف را فشرده کرده و موجی به نام "موج شوک"ایجاد می‌کند که با سرعتی فراتر از صوت در محیط منتشر می‌گردد.

موج انفجار دارای دو فاز اصلی است:

• فاز مثبت: که در آن فشار به‌سرعت به مقدار اوج می‌رسد.
•  فاز منفی: که در آن فشار به زیر فشار اتمسفر سقوط کرده و نوعی مکش ایجاد می‌کند.

وقتی موج انفجار به نمای یک ساختمان برخورد می‌کند، پدیده‌ای به نام "فشار بازتابی" رخ می‌دهد که می‌تواند شدت نیرو را بین ۲ تا ۸ برابر فشار اولیه افزایش دهد. این افزایش فشار، تابعی از زاویه برخورد و صلبیت سطح است.

در بافت‌های متراکم شهری ایران، وجود ساختمان‌های مجاور باعث ایجاد اثر کانال‌سازی می‌شود که در آن موج انفجار بین نمای ساختمان‌ها بازتاب شده و فشار در ترازهای پایین خیابان به‌شدت تقویت می‌گردد. درواقع، فاصله واقعی از مرکز انفجار و وزن ماده منفجره تعیین‌کننده‌اند؛ یعنی با افزایش فاصله، شدت تخریب کاهش می‌یابد.

در انفجارهای سطح زمین، طبقات بالاتر فشار کمتری دریافت می‌کنند؛ اما در حملات موشکی هوایی، طبقات پایین توسط طبقات بالایی سپر می‌شوند و امکان آسیب دیدن طبقه‌های پائینی کمتر خواهد بود.

چرا طبقات پایین امن‌تر هستند؟

گرچه هر طبقه خطرات خاص خودش را دارد، اما با در نظر داشتن چند فاکتور مهندسی و مکانیکی، طبقه‌های پایین در حملات هوایی و موشکی، ایمنی بیشتری دارند.

براساس مقررات ملی ساختمان، در طراحی ساختمان‌های مسکونی ایران، ستون‌های طبقات پایین به دلیل تحمل بار مرده و زنده تمام طبقات بالایی، دارای ابعاد بزرگ‌تر، درصد آرماتور بیشتر و صلبیت بالاتری هستند. این افزایش مقاومت فشاری و ابعادی، باعث می‌شود تا طبقات پایین در برابر نیروهای جانبی ناشی از موج انفجار مقاوم‌تر باشند و با در نظر داشتن اینکه ستون‌های طبقات بالایی ظریف‌تر طراحی می‌شوند، در برابر بارهای ناگهانی عرضی، پتانسیل شکست بیشتری دارند.

درعین‌حال طبقه‌های پایینی به فونداسیون ساختمان متصل هستند و فونداسیون به‌عنوان یک تکیه‌گاه صلب، انرژی لرزه‌ای و ارتعاشی ناشی از انفجار را به زمین منتقل می‌کند.

طبق اعلام کارشناسان، گرچه شتاب در ترازهای پایه زیاد است، اما جابجایی کلی ساختمان در طبقات پایین به‌مراتب کمتر از طبقات بالاست و در ساختمان‌های بلند، پدیده اثر تلاطم باعث می‌شود تا طبقه‌های بالایی در اثر موج انفجار جابجایی‌های بزرگی را تجربه کنند که همین منجر به واژگونی اشیاء و تخریب دیوارهای غیرباربر می‌شود.

اثر سپر دفاعی طبقه‌های بالایی

در حملات موشکی و بمباران‌های هوایی، تهدید معمولاً از سمت بالا یا با زاویه تند به ساختمان برخورد می‌کند. در این سناریو، سقف طبقه آخر و طبقات بالایی به‌عنوان سپر قربانی عمل می‌کنند. موج انفجار و ترکش‌های ناشی از برخورد موشک به سقف، بخش بزرگی از انرژی‌اش را در تخریب طبقه‌های بالاتر از دست می‌دهند.

اما طبقه‌های پایین درعین حال توسط توده‌های عظیم بتنی و فولادی طبقه‌های بالا هم محافظت می‌شوند. براساس آمارهای مهندسی، موشک‌های متعارف معمولاً توانایی نفوذ به بیش از دو یا سه سقف بتنی را ندارند، مگر اینکه از کلاهک‌های نفوذگر خاص استفاده‌شده باشد.

بنابراین، در یک ساختمان ۷ طبقه، طبقه‌های اول تا سوم، به دلیل حجم عظیمی از مصالح استفاده‌شده در طبقه‌های بالاتر، در برابر برخورد مستقیم ایمن هستند.

پایداری در برابر سقوط طبقات

یکی از ترسناک‌ترین نتایج احتمالی انفجار در ساختمان‌های بلند، فروپاشی پیشرونده است که در آن تخریب یک بخش منجر به شکست زنجیره‌ای کل سازه می‌شود. مکانیسم پنکیکی رایج‌ترین نوع این فروپاشی است که در آن کف‌های ساختمان بر روی یکدیگر سقوط می‌کنند.

بنا بر تحلیل‌های آماری، در صورت فروپاشی طبقه‌های بالا، طبقات پایین‌تر به دلیل تراکم بالای دیوارهای باربر و ستون‌های صلب، شانس بیشتری برای ایجاد مثلث‌های حیات خواهند داشت و در طبقه‌های بالاتر، به دلیل نبود تکیه‌گاه زیرین، سقوط با شتاب جاذبه رخ‌داده و احتمال زنده ماندن افراد به حداقل می‌رسد. به‌علاوه صلبیت سیستم پله و آسانسور که معمولاً در مرکز ساختمان‌های ایرانی با دیوارهای برشی بتنی ساخته می‌شوند، در طبقات پایین به دلیل اتصال مستقیم به زمین، پایداری فوق‌العاده‌ای در برابر بارهای ضربه‌ای دارند.

خطرات ثانویه: ترکش‌ها و نمای ساختمان

البته باید این را هم در نظر داشت که ایمنی فقط به پایداری اسکلت محدود نمی‌شود و بخش بزرگی از تلفات ناشی از انفجار در محیط‌های شهری، مربوط به پدیده‌های ثانویه مثل پرتاب شیشه، ترکش و سقوط نمای ساختمان است.

• شیشه‌ها

در ساختمان‌های بلند، پنجره‌ها ضعیف‌ترین حلقه در برابر موج انفجار هستند. شیشه‌های معمولی در اثر فشار انفجار به قطعات بزرگ و خنجر مانندی تبدیل‌شده و با سرعتی بین ۳۰ تا ۱۰۰ متر بر ثانیه به سمت داخل پرتاب می‌شوند. در طبقه‌های پایین، به دلیل وجود موانع شهری (درختان، دیوارهای محوطه و ساختمان‌های کوتاه مجاور)، موج انفجار مستقیم پنجره‌ها را کمتر هدف قرار می‌دهد؛ اما در طبقات بالا، نمای شیشه‌ای بدون هیچ مانعی در معرض موج قرار دارد.

شیشه‌های سکوریت، گرچه به قطعات کوچکی تبدیل می‌شوند ولی باز هم ممکن است در سرعت‌های بالا باعث جراحات جدی شوند.

• گردوغبار و آوار غیر سازه‌ای

تخریب دیوارهای جداکننده (تیغه‌ها) در اثر ارتعاشات شدید، ابری از گردوغبار غلیظی ایجاد می‌کند که می‌تواند باعث خفگی شود.

طبقات پایین به دلیل تهویه سخت‌تر در شرایط بحرانی، ممکن است با چالش اکسیژن روبرو شوند، اما از سوی دیگر، دسترسی نیروهای امدادی به این طبقات برای خروج مصدومان بسیار سریع‌تر و ایمن‌تر خواهد بود.

مکان‌یابی نقاط امن در آپارتمان‌ها

مقررات ملی ساختمان ایران الزاماتی را برای طراحی فضای امن در آپارتمان‌ها مطرح کرده که شناسایی این نقاط حیاتی است.

• هسته مرکزی و راهروها

در اکثر نقشه‌های آپارتمانی ایران، راهروهای منتهی به اتاق خواب‌ها یا فضای بین سرویس‌های بهداشتی، دورترین نقاط از پنجره‌ها و دیوارهای خارجی هستند. این فضاها که توسط چندین دیوار داخلی احاطه‌شده‌اند، بهترین پناهگاه موقت در داخل واحد مسکونی محسوب می‌شوند.

دیوارهای داخلی به‌عنوان فیلتر عمل کرده و انرژی موج انفجار و سرعت ترکش‌ها را قبل از رسیدن به مرکز ساختمان مستهلک می‌کنند.

• راه‌پله‌ها: ستون فقرات ایمنی

راه‌پله‌ها در ساختمان‌های مدرن معمولاً با دیوارهای برشی مسلح ساخته می‌شوند تا در برابر زلزله مقاوم باشند و همین ویژگی آن‌ها را در برابر انفجار هم مقاوم می‌کند.

پناه گرفتن در پاگرد پله‌ها و دور از پنجره‌های نمای پله، امنیت زیادی دارد.

• زیرزمین و پارکینگ: پناهگاه‌های طبیعی

زیرزمین‌ها به دلیل قرارگیری در زیر سطح زمین، از محافظت طبیعی خاک برخوردارند. موج انفجار و ترکش‌های افقی توانایی نفوذ به داخل زمین را ندارند. در صورت وجود تهویه مناسب و مسیر خروج اضطراری، پارکینگ‌های منفی در مجتمع‌های مسکونی، امن‌ترین نقاط کل سازه در برابر هر نوع حمله هوایی هستند.

تحلیل مقایسه‌ای ایمنی بر اساس تراز طبقات

بر اساس داده‌های استخراج‌شده و تجربیات جنگ‌های اخیر، می‌توان این نکات را در چنین جدولی خلاصه کرد:

نقش متریال و سیستم‌های ساختمانی در پایداری

تفاوت بین ساختمان‌های بتنی و فولادی در مواجهه با انفجار، موضوعی است که در انتخاب محل امن نقش کلیدی دارد.

• بتن آرمه: سد دفاعی صلب

بتن به دلیل چگالی بالا (حدود ۲۵۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب)، اینرسی فوق‌العاده‌ای در برابر موج فشار دارد. در ساختمان‌های بتنی، پیوستگی بین تیر و ستون باعث می‌شود که سازه در برابر بارهای ضربه‌ای به‌صورت یکپارچه عمل کند. پس  ساختمان‌های بتنی که بر اساس استانداردهای زلزله طراحی‌شده‌اند، مقاومت خوبی در برابر فروپاشی پیشرونده ناشی از انفجار دارند.

• اسکلت فلزی: انعطاف‌پذیری و چالش اتصالات

فولاد نسبت مقاومت به وزن بسیار بالایی دارد و این به ساختمان اجازه می‌دهد تغییر شکل‌های بزرگ را بدون شکست تحمل کند. البته در حملات موشکی، اتصالات پیچ و مهره یا جوشی در اسکلت فلزی نقاط بحرانی هستند.

اگر موج انفجار باعث شکست در اتصالات طبقه پایین شود، کل طبقات بالایی به‌صورت یکجا سقوط می‌کنند. لازم به ذکر است که فولاد در برابر حرارت ناشی از انفجار کلاهک‌های آتش‌زا به‌شدت ضعیف است و در دمای ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد پایداری‌اش را از دست می‌دهد.

راهنمای عملی شناسایی ستون و دیوار باربر

شناسایی ستون‌ها و دیوارهای باربر در آپارتمان‌های معمولی با چند نشانه ساده امکان‌پذیر است:

۱. ضخامت دیوار: دیوارهای با ضخامت بیش از ۲۰ یا ۳۰ سانتی‌متر معمولاً باربر هستند یا بخشی از ستون را در خود جای‌داده‌اند.

۲. موقعیت در نقشه:  دیوارهایی که محیط واحد را تشکیل می‌دهند  و یا دیوارهای اطراف راه‌پله و آسانسور، باربر و تقویت‌شده هستند.

۳. ستون‌های نمایان: در پارکینگ‌ها، ستون‌ها به‌وضوح دیده می‌شوند. امتداد عمودی این ستون‌ها در طبقات بالا، نقاط صلب ساختمان هستند. پناه گرفتن در کنج این ستون‌ها و دور از پنجره، ایمنی شما را افزایش می‌دهد.

۴. تیرهای سقفی: در آپارتمان‌هایی که تیرها از زیر سقف نمایان هستند، محل تقاطع تیر و ستون صلب‌ترین نقطه اتاق است.

ارتعاشات زمین و اثر آن بر پی ساختمان

انفجارهای بزرگ علاوه بر موج هوایی، شوک زمینی هم ایجاد می‌کنند که مشابه یک زلزله کوچک اما با فرکانس بسیار بالا عمل می‌کند.

این ارتعاشات در طبقه‌های پایین به‌صورت ضربه حس می‌شوند، اما به دلیل اتصال صلب به پی، باعث تشدید ارتعاش نمی‌شوند. در مقابل، طبقات بالاتر ممکن است با فرکانس‌های ارتعاشی ساختمان هماهنگ شده و دچار نوسانات مخرب شوند که منجر به شکست نمای سنگی و سقوط آن بر سر عابران یا ساکنان طبقات پایین در محوطه خواهد شد.

منابع: rgmcet، structurepoint، researchgate، academia