Xác định tải trọng do tác động nổ của bom đạn thông thường lên tầng hầm phòng không

71 S¬ 28 - 2017 Xác định tải trọng do tác động nổ của bom đạn thông thường lên tầng hầm phòng không Determining static load equivalent to the explosive effect of conventional bomb on the basement Phạm Minh Hà(1), Vũ Huy Hoàng(2) Tóm tắt Trong thành phố, ngoài các công trình dân dụng còn tồn tại một hệ thống công trình phòng thủ được xây dựng để đề phòng trường hợp chiến tranh xảy ra. Tầng hầm nhà cao tầng, một bộ phận của hệ thống phòng thủ, cần được thiết kế lưỡng dụng (sử dụng cả trong thời bình và trong thời chiến) để có thể trở thành nơi trú ẩn an toàn cho cư dân trong thời chiến và phục vụ các mục đích quốc phòng khác. Tuy nhiên, do Việt Nam hiện chưa có các quy định liên quan đến tầng hầm phòng thủ nên các tầng hầm nhà cao tầng mới chỉ được thiết kế với mục đích sử dụng thông thường trong thời bình. Bài báo giới thiệu một số khái niệm về tầng hầm phòng không và cách xác định tải trọng do tác động nổ của bom đạn thông thường lên tầng hầm nhà cao tầng theo quy định của tiêu chuẩn thiết kế của Trung Quốc. Từ khóa: Tải trọng nổ, tác dụng nổ, bom đạn, tầng hầm, tải trọng tĩnh tương đương Abstract Basements under buildings are important parts of defense network in the city in case a war outbreaks. They should be designed to serve normal activities of occupants during peacetime but be able to switch quickly into shelters in wartime. Although pre-design of basement as defense structure is significant, Vietnam has not yet issued regulations and standards relating to defensive basement, and recent built civil building basements are only designed for peacetime use. Thus, the article will introduce some concepts in air-defended basement design with GB50038-2005, Chinese code in civil air defense for basement, for further reference of lawmakers and designers. The metioned content is of determining static load equivalent to the explosive effect of conventional bomb on the basement. Keywords: Blast load, bomb, basement, equivalent static load (1) Cục giám định nhà nước về chất lượng công trình xây dựng – Bộ Xây dựng Email: phamhadhkt@gmail.com (2) Giảng viên, Khoa Xây dựng Trường đại học Kiến trúc Hà Nội Email: hoangvptv@yahoo.com 1. Đặt vấn đề Khi chiến tranh xảy ra, bên cạnh các hoạt động phòng vệ quân sự, một trong những công việc đầu tiên cần thực hiện là di tản dân thường đến nơi an toàn. Tuy nhiên, với tính chất hiện đại của vũ khí ngày nay, chiến tranh có thể diễn biến rất nhanh, khi đó cần phải có nơi trú ẩn tại chỗ để giải quyết tức thì vấn đề an toàn cho người dân, đặc biệt là trong các thành phố lớn, nơi có số lượng dân cư tập trung. Hệ thống trú ẩn an toàn trong thành phố có quy mô rất lớn, cần phải tận dụng các hệ thống ngầm sẵn có của thành phố, trong đó có tầng hầm của các tòa nhà dân dụng. Hơn thế nữa, tầng hầm phòng thủ kết hợp với các công trình ngầm khác tạo thành mạng lưới phòng thủ chung của cả thành phố còn là nơi trú ẩn, tác chiến của các lực lượng bám trụ bảo vệ thành phố. Để các tầng hầm có đủ khả năng chống các loại bom đạn theo yêu cầu, cần phải có quy hoạch quốc phòng mang tính tổng thể và quy định chi tiết áp dụng ngay trong thời bình. Trên thế giới, nhiều nước đã ban hành tiêu chuẩn thiết kế tầng hầm phòng không như Nga, Trung Quốc, Mỹ, Anh, Singapore... Ở Việt Nam, thiết kế tầng hầm chịu tải trọng do bom đạn gây ra trong thời chiến mới đang trong giai đoạn nghiên cứu. Vì chưa có chỉ dẫn cụ thể, thiếu các tiêu chuẩn liên quan đến kiến trúc, kết cấu, thông gió, cơ điện, phòng hỏa, thời gian gần đây hàng loạt tầng hầm được xây mới nhưng đều chưa được thiết kế phục vụ công tác phòng không nhân dân. Đã có đề tài nghiên cứu đề xuất giải pháp cải tạo tầng hầm hiện có để chuyển đổi thành mục đích phòng thủ khi cần thiết [4]. Tuy nhiên chúng ta cũng cần phải chủ động xây dựng các quy định về vấn đề phòng không nhân dân để áp dụng cho các tầng hầm xây mới. Để làm được việc này, bên cạnh việc tự nghiên cứu, chúng ta còn rất cần phải tham khảo, học tập kinh nghiệm của các nước trên thế giới. Dưới đây trình bày một số khái niệm liên quan đến tầng hầm phòng không và cách xác định tải trọng tĩnh tương đương với tác dụng nổ của bom đạn thông thường lên tầng hầm theo tiêu chuẩn thiết kế tầng hầm phòng không của Trung Quốc GB50038-2005, gọi tắt là Tiêu chuẩn GB50038-2005 [1]. 2. Một số khái niệm về tầng hầm phòng không 2.1. Phân loại Theo quy định của Trung Quốc, có nhiều cách phân loại tầng hầm phòng không khác nhau. Dưới đây chỉ trình bày cách phân loại theo công dụng của công trình phòng không nhân dân trong thời chiến. Theo đó, công trình phòng không nhân dân (trong đó bao gồm tầng hầm phòng không) được phân thành 5 loại: Sở chỉ huy phòng không nhân dân: Công trình đảm bảo hoạt động của các cơ quan chỉ huy phòng không nhân dân trong thời chiến. Công trình cứu hộ y tế: Công trình phòng không nhân dân có thể độc lập sơ cứu người bị thương. Theo phân cấp công trình y tế và nhiệm vụ, phân thành 3 cấp là bệnh viện trung tâm, bệnh viện cấp cứu và trạm cấp cứu. Công trình phục vụ lực lượng chuyên môn phòng không nhân dân: Lực lượng chuyên môn phòng không nhân dân là tổ chức được thành lập để thực hiện các công tác phòng không nhân dân, bao gồm giải cứu người, sửa chữa nhanh, cứu hộ y tế, phòng độc phòng dịch, thông tin liên lạc, vận chuyển và đảm bảo an ninh trật tự. Công trình phục vụ lực lượng chuyên môn phòng không nhân dân dùng trú ẩn và phục vụ một số công việc của lực lượng chuyên môn phòng không nhân dân, thường bao gồm nơi trú ẩn của con người và thiết bị (xe cộ). Khi chưa đủ điều kiện có thể chỉ phục vụ một trong hai công năng trên. Công trình trú ẩn: Chủ yếu phục vụ công tác trú ẩn của con người, phân làm 2 cấp: cấp 1 dùng để đảm bảo trú ẩn an toàn cho nhân viên thuộc cơ quan chính phủ, cơ quan quan trọng phục vụ sinh hoạt thông thường (bưu điện, điện lực, cấp 72 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª nước, thực phẩm...), các xí nghiệp quan trọng...; cấp 2 dùng để đảm bảo trú ẩn an toàn cho dân thường. Mạng lưới hỗ trợ: Các công trình dùng để phối hợp sự hoạt động của các công trình trên, chủ yếu bao gồm trạm điện khu vực, trạm cấp nước khu vực, kho vật tư phòng không, kho chứa xe máy phòng không, trạm lương thực, xí nghiệp sản xuất xe máy, đường giao thông phòng không, trạm cảnh báo... 2.2. Phân cấp Tiêu chuẩn GB50038-2005 đề cập đến hai loại tầng hầm phòng không: Tầng hầm phòng không loại A phải thỏa mãn yêu cầu về chống vũ khí nguyên tử, vũ khí thông thường và vũ khí sinh hóa; Tầng hầm phòng không loại B chỉ cần thỏa mãn yêu cầu về chống vũ khí thông thường và vũ khí sinh hóa. Theo khả năng phòng chống sóng xung kích do các loại vũ khí gây ra, tầng hầm phòng không được phân thành các cấp như sau: • Đối với vũ khí thông thường: có 6 cấp là 1, 2, 3, 4, 5 và 6; • Đối với vũ khí nguyên tử: có 9 cấp là 1, 2, 2B, 3, 4, 4B, 5, 6 và 6B. Cấp từ 1 đến 4 là phòng chống vũ khí thông thường, cấp từ 1 đến 4 và cấp 4B là phòng chống vũ khí nguyên tử, thường dùng cho công trình chỉ huy và cứu viện phòng không quốc gia. Tiêu chuẩn phòng vệ cụ thể thuộc về bí mật nhà nước. Phạm vi của Tiêu chuẩn GB50038-2005 là áp dụng cho tầng hầm phòng không phòng chống vũ khí thông thường cấp 5, 6 và vũ khí nguyên tử cấp 4, 4B, 5, 6 và 6B. Các quy định đối với kết cấu phòng chống vũ khí thông thường cấp 5, 6 được giới thiệu ở mục 3 dưới đây. Cấp phòng chống vũ khí và công dụng trong thời chiến của tầng hầm phòng không xây mới do cơ quan chủ quản về phòng không nhân dân trực thuộc ủy ban nhân dân các tỉnh, thành phố trực thuộc trung Bảng 1. Giá trị tiêu chuẩn của qce1 (kN/m2) Chiều dày lớp đất phủ mặt trên trần h (m) Cấp phòng chống vũ khí thông thường 5 6 0 ≤ h ≤ 0,5 110 ÷ 90 (88 ÷ 72) 50 ÷ 40 (40 ÷ 32) 0,5 < h ≤ 1,0 90 ÷ 70 (72 ÷ 56) 40 ÷ 30 (32 ÷ 24) 1,0 < h ≤ 1,5 70 ÷ 50 (56 ÷ 40) 30 ÷ 15 (24 ÷ 12) 1,5 < h ≤ 2,0 50 ÷ 30 (40 ÷ 24) - 2,0 < h ≤ 2,5 30 ÷ 15 (24 ÷ 12) - Chú thích: 1. Giá trị nhỏ của h tương ứng với giá trị lớn của qce1; 2. Khi xét đến ảnh hưởng của kết cấu bên trên, có thể lấy giá trị trong ngoặc đơn. Bảng 2. Giá trị tiêu chuẩn của qce2 trường hợp kết cấu tường ngoài trong đất chưa bão hòa (kN/m2) Chiều sâu mặt trên trần tầng hầm h (m) Loại đất Cấp phòng chống vũ khí thông thường 5 6 Khối xây BTCT Khối xây BTCT 0<h≤1,5 Sỏi cuội, cát hạt thô, cát hạt trung 85 ÷ 60 70 ÷ 40 45 ÷ 25 30 ÷ 20 Cát hạt nhỏ, cát bụi 70 ÷ 50 55 ÷ 35 35 ÷ 20 25 ÷ 15 Đất bụi 70 ÷ 55 60 ÷ 40 40 ÷ 20 30 ÷ 15 Đất dính, đất đỏ bazan 70 ÷ 50 55 ÷ 35 35 ÷ 25 20 ÷ 15 Đất dính cổ 80 ÷ 60 65 ÷ 40 40 ÷ 25 30 ÷ 15 Đất lún sụt 70 ÷ 50 55 ÷ 35 35 ÷ 20 25 ÷ 15 Bùn 50 ÷ 40 35 ÷ 25 25 ÷ 15 15 ÷ 10 1,5<h≤3,0 Sỏi cuội, cát hạt thô, cát hạt trung 40 ÷ 30 20 ÷ 15 Cát hạt nhỏ, cát bụi 35 ÷ 25 15 ÷ 10 Đất bụi 40 ÷ 25 15 ÷ 10 Đất dính, đất đỏ bazan 35 ÷ 25 15 ÷ 10 Đất dính cổ 40 ÷ 25 15 ÷ 10 Đất lún sụt 35 ÷ 20 15 ÷ 10 Bùn 25 ÷ 15 10 ÷ 5 Chú thích: 1. Giá trị ở cột khối xây được xác định trên cơ sở tầng hầm có chiều cao thông thủy ≤ 3m, bề rộng thông thủy ≤ 5m; giá trị ở cột bê tông cốt thép dựa trên cơ sở chiều cao tường ngoài tầng hầm ≤ 5m; 2. Giá trị nhỏ của h tương ứng với giá trị lớn của qce2. 73 S¬ 28 - 2017 ương quyết định. 2.3 Các bộ phận cấu thành tầng hầm phòng không Các thành phần chính của tầng hầm phòng không bao gồm [4]: • Các phòng chính (phòng cho người ẩn nấp) • Các phòng phụ trợ như vệ sinh, y tế, kho chứa, bể chứa... • Các phòng cho hệ thống kỹ thuật như thông gió lọc độc, máy phát điện, thông tin liên lạc, cấp thoát nước... • Lối ra vào gồm hệ thống cửa và khoang đệm 3. Tải trọng tĩnh tương đương dùng để thiết kế kết cấu tầng hầm phòng không Tác động của sóng xung kích hoặc sóng nén do nổ lượng nổ là tải trọng động, thông thường được quy về tải trọng tĩnh tương đương tác động lên tầng hầm phòng không [5] (Hình 2). Tiêu chuẩn GB50038-2005 đưa ra các dạng sóng xung kích và sóng nén do nổ bom thông thường và bom hạt nhân cùng các công thức tính toán tải trọng tĩnh tương đương. Bên cạnh đó, tiêu chuẩn này còn cung cấp bảng tra trực tiếp các giá trị tải trọng để thuận tiện cho quá trình thiết kế. Trong quá trình tính toán kết cấu trần hoặc lối thoát trong nhà có thể xem xét đến ảnh hưởng của kết cấu bên trên đến tải trọng tác động lên tầng hầm phòng không nếu thỏa mãn một trong hai yêu cầu sau: • Kết cấu bên trên không ít hơn hai tầng, tường ngoài tầng 1 là tường xây hoặc bê tông cốt thép, đồng thời tổng diện tích lỗ đục trên một mặt tường ngoài bất kỳ không vượt quá 50% diện tích bề mặt tường ngoài đó. • Kết cấu bên trên chỉ có một tầng, vật liệu tường ngoài tầng dưới cùng và diện tích lỗ đục thỏa mãn yêu cầu trên, đồng thời kết cấu mái là bê tông cốt thép. a) Giá trị tiêu chuẩn của qce1 Khi tầng hầm phòng không đặt tại tầng hầm 1, tải trọng tĩnh tương đương qce1 của trần tầng hầm lấy theo bảng 1. Khi chiều dày lớp đất phủ mặt trên trần lớn hơn 2,5m đối với tầng hầm phòng chống cấp 5, lớn hơn 1,5m đối với tầng hầm phòng chống cấp 6, trần tầng hầm có thể không xem xét tác dụng của trọng tĩnh tương đương do tác động nổ của bom đạn thông thường, nhưng khi thiết kế kết cấu trần tầng hầm phải tuân thủ các yêu cầu cấu tạo đối với tầng hầm phòng không [1]. Khi tầng hầm phòng không đặt tại tầng hầm 2 và các tầng phía dưới, trần tầng hầm có thể không xem xét tác dụng của trọng tĩnh tương đương do tác động nổ của bom đạn thông thường, nhưng khi thiết kế kết cấu trần tầng hầm phải tuân thủ các yêu cầu cấu tạo đối với tầng hầm phòng không [1]. Đối với công trình có tầng hầm mở rộng hơn phần thân, trần tầng hầm mở rộng thêm có thể nằm sâu hơn mặt đất. Khi đó chiều dày lớp đất phủ mặt trên trần h có ảnh hưởng (A) (B) Các đơn vị phòng vệ (phân chia không gian để tránh phá hoại lan truyền) (1) Khoang đệm phòng độc thứ nhất (2) Khoang đệm phòng độc thứ hai (3) Phòng cởi quần áo (4) Phòng tắm khử độc (5) Phòng kiểm tra và mặc quần áo (6) Giếng thông gió (7) Đường hầm (Lối thoát ngoài nhà) (8) Hành lang an toàn trong nhà (9) Lối ra vào (10) Phòng chính cho người trú ẩn (11) Lối thoát trong nhà (12) Kỹ thuật (13) Chỉ huy phòng không nhân dân (14) Lối thoát dự phòng (15) Vệ sinh chung 1 – Cửa bảo vệ 2 – Cửa kín 3 – Cửa thường 4 – Miệng đường hầm 5 – Tường ngăn 6 – Tường ngoài 7 – Tường lắp cửa 8 – Tường chịu sóng a – Cửa vào phòng cởi quần áo b – Cửa vào phòng tắm khử độc c – Cửa ra khỏi phòng tắm khử độc d – Cửa ra khỏi phòng kiểm tra và mặc quần áo Hình 1. Ví dụ cấu tạo tầng hầm phòng không 74 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª trực tiếp đến giá trị của qce1. Nếu mặt trên tầng hầm ngoài nhà nằm ngay sát mặt đất (trường hợp sử dụng mặt tầng hầm làm sân, đường), giá trị h lấy bằng 0. Khi xét giá trị qce1 cho trần tầng hầm nằm trong nhà, giá trị h cũng lấy bằng 0. b) Giá trị tiêu chuẩn của qce2 Giá trị tiêu chuẩn của tải trọng tĩnh tương đương qce2 dùng để thiết kế kết cấu tường ngoài lấy theo bảng 2 và bảng 3. Trường hợp mặt dưới trần tầng hầm phòng không cao hơn cao độ ngoài nhà, kết cấu tường ngoài tầng hầm phòng không sẽ chịu tác động trực tiếp của sóng xung kích do nổ bom đạn, nếu thiết kế kết cấu tường đạt đến trạng thái đàn hồi dẻo thì tải trọng tĩnh tương đương lấy bằng 400 kN/m2 đối với cấp 5 và 180 kN/m2 đối với cấp 6 phòng chống vũ khí thông thường. 4. Kết luận Tác động nổ của bom đạn là tải trọng động đã được quy đổi về tải trọng tĩnh tương đương thông qua các công thức chuyển đổi và đã được lập thành các bảng tra trực tiếp trong Tiêu chuẩn GB50038-2005 vì vậy việc áp dụng trong thiết kế rất thuận tiện. Với áp lực tính toán chênh nhau khoảng hai lần dẫn đến tải trọng tĩnh tương đương tác dụng lên kết cấu tầng hầm cấp 5 và cấp 6 cũng chênh lệch rất lớn (khoảng hai lần). Như vậy, chi phí cho tầng hầm kháng lực cấp 5 sẽ tăng lên đáng kể so với cấp 6. Tương tự với các cấp kháng lực cao hơn. Đây là sự xung đột giữa yêu cầu an toàn và hiệu quả kinh tế mà chính sách quốc phòng cần giải quyết. Việc thiết kế lưỡng dụng tầng hầm các công trình dân dụng, trong đó có tầng hầm nhà cao tầng, mặc dù làm phát sinh chi phí đầu tư, tuy nhiên là vấn đề rất quan trọng, cần được sự quan tâm đúng mức của chính quyền, đòi hỏi các cơ quan quản lý nhà nước cùng với các cơ quan chuyên môn tập trung xây dựng cơ chế phù hợp đồng thời nghiên cứu ban hành các quy định, quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan để triển khai áp dụng trong thực tế./. Tài liệu tham khảo 1. 中国人民共和国国家标准, 人民防空地下室设计规范 (Tiêu chuẩn GB50038-2005), 2010. 2. Nguyễn Hồng Sơn, Thiết kế kết cấu nhà chịu tác động của nổ sự cố, Nhà xuất bản Xây dựng, 2016. 3. 国家国防动员委员会、国家发展计划委员会、建设部、财 政部, 人民防空工程建设管理规定, 2003. 4. Nguyễn Trí Tá và các cộng sự, Nghiên cứu giải pháp cải tạo tầng hầm của nhà cao tầng làm công trình phòng thủ dân sự trong thời chiến, Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học, Học viện Kỹ thuật quân sự, 2016. 5. Hồ Sĩ Giao, Nổ hóa học - Lý thuyết và thực tiễn, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2010. 6. Vũ Đình Lợi, Giáo trình công sự, Học viện Kỹ thuật quân sự, 2005. Hình 2. Sơ đồ tải trọng tác dụng lên tầng hầm phòng không Bảng 3. Giá trị tiêu chuẩn của qce2 trường hợp kết cấu tường ngoài trong đất bão hòa (kN/m2) Chiều sâu mặt trên trần tầng hầm h (m) Tỷ lệ khí trong đất bão hòa α1 (%) Cấp phòng chống vũ khí thông thường 5 6 0 ≤ h ≤ 1,5 1 100 ÷ 80 50 ÷ 30 ≤ 0,05 140 ÷ 100 70 ÷ 50 1,5 < h ≤ 3,0 1 80 ÷ 60 30 ÷ 25 ≤ 0,05 100 ÷ 80 50 ÷ 30 Chú thích: 1. Nếu tỷ lệ khí α1 > 1% thì lấy giá trị qce2 theo đất chưa bão hòa; trường hợp 0,05% < α1 < 1% giá trị qce2 được nội suy; 2. Giá trị nhỏ của h tương ứng với giá trị lớn của qce2.