Проектування захисного укриття цивільного призначення

Жигилій, Дмитро Олексійович; Zhyhylii, Dmytro Oleksiiovych

Проектування захисного укриття цивільного призначення

Жигилій, Дмитро Олексійович; Zhyhylii, Dmytro Oleksiiovych

URI: https://repo.snau.edu.ua/xmlui/handle/123456789/15052

Дата: 2025

Короткий опис(реферат):

Робота складається із змісту, загальної характеристики роботи та її кваліфікаційних ознак, огляд досліджень за обраною темою, розділів основної частини, висновків за результатами магістерської кваліфікаційної роботи (українською та англійською мовами). Сформульовано мету, задачі, об’єкт та предмет дослідження, методи наукового дослідження. Результати досліджень: розроблена та верифікована симуляційна скінченно-елементна модель (цифровий двійник) обраного укриття, створена в програмному комплексі FreeCAD. За допомогою цієї моделі виконано числове дослідження напружено-деформованого стану конструкції під дією розрахункових впливів вибуху. Результати представлені у вигляді розподілів характеристик напружено-деформівного стану. Виявлено критичні зони концентрації напружень і узгоджено з виявленим армування та товщину конструктивних елементів. Таким чином, робота пропонує не просто аналіз проблеми, а конкретний інженерний інструментарій для проектування більш надійних та ефективних протиуламкових укриттів. Аналіз публікацій та досліджень. Аналіз наукових публікацій розкриває глибоку кризу цивільного захисту, спричинену повномасштабною війною в Україні. Систематичні удари сучасними засобами ураження, як-от крилаті ракети та БпЛА, продемонстрували конструктивну вразливість міської забудови та неадекватність застарілих протоколів безпеки. У пошуках ефективних рішень дослідження звертається до міжнародних прецедентів, зокрема до комплексної системи пасивної оборони Ізраїлю з її інтегрованими захищеними приміщеннями та модульними укриттями. Однак пряме копіювання цих рішень вимагає адаптації до специфічних загроз та умов України. Водночас, аналогія з сейсмостійким будівництвом виявляє фундаментальну проблему: комплексне підсилення всього існуючого фонду будівель є економічно та логістично нереалістичним. Це зумовлює зміну парадигми від глобального захисту до концепції локального виживання. Перспективним напрямом стає створення високоміцних захисних ядер або модулів безпеки безпосередньо всередині будівель. Такі елементи проектуються здатними витримати навіть прогресуюче обвалення основної конструкції, забезпечуючи збереження життя людей, що перебувають усередині. Цей підхід є особливо актуальним, оскільки існуючі комерційні рішення, як-от посилені меблі чи зовнішні бункери, визнані неадекватними для умов щільної міської забудови через недостатню міцність або логістичну недоступність. На цьому тлі вітчизняна практика демонструє активне реагування на нові виклики. Прийняття оновлених ДБН В.2.2-5:2023 та масове впровадження швидкоспоруджуваних протиуламкових укриттів (SafePlace, ARCA-NOVA) є практичним втіленням цієї нової філософії захисту. Це підкреслює гостру потребу в науково-обґрунтованому структурному аналізі для проектування та оптимізації таких споруд, що і є центральним завданням даної роботи. В основній частині роботи було проведено інженерне проектування захисної споруди у два етапи. Спочатку, на основі емпіричних формул, було визначено початкову товщину конструкції, необхідну для захисту від уламків. Паралельно було розраховано навантаження від вибухової хвилі, що стало другим ключовим фактором впливу. Для перевірки цього початкового проекту було створено комп'ютерну скінчено-елементну модель. Моделювання виявило критичний недолік: розрахована лише на уламки товщина виявилася недостатньою для того, щоб витримати тиск від вибуху, і конструкція зазнавала руйнування. На основі цих даних було прийнято головне конструктивне рішення  суттєво збільшити товщину всіх огороджувальних елементів. Повторний аналіз підтвердив, що посилена конструкція успішно витримує розрахункове навантаження. Таким чином, було доведено, що саме вплив вибухової хвилі, а не уламків, є визначальним фактором при проектуванні надійного укриття. У висновках підведено підсумок розв’язання проблеми проектування надійних захисних споруд в умовах сучасної війни, яка виявила недієвість застарілих інженерних підходів. Доведено, що проектування укриття виключно для захисту від уламків є критичною помилкою. Комп'ютерне моделювання показало, що конструкція, достатня для зупинки шрапнелі, зазнає руйнувань під дією тиску від вибухової хвилі. Головним практичним результатом стало наукове обґрунтування необхідності суттєво збільшити товщину всіх огороджувальних конструкцій. Показано, що посилена споруда здатна витримати комплексний вплив вибуху. Також було запропоновано ефективні архітектурні рішення, як-от вхід-лабіринт та оптимізована форма споруди. Робота демонструє, як за допомогою доступних інструментів можна виявити фундаментальні недоліки проекту та розробити значно надійніше інженерне рішення. Роботу було апробовано на міжнародній конференції The 10th International scientific and practical conference “Global trends in science and education” (October 20-22, 2025) SPC “Sci-conf.com.ua".

Суть розробки, основні результати:

The thesis consists of a table of contents, a general characterization of the work and its qualification attributes, a review of research on the chosen topic, chapters of the main part, and conclusions from the Master's Thesis (in Ukrainian and English). The goal, objectives, object, and subject of the research, as well as the scientific research methods, are formulated. Research results. A simulation finite element model (a digital twin) of the selected shelter was developed and verified in the FreeCAD software package. Using this model, a numerical study of the stress-strain state of the structure under design blast effects was performed. The results are presented as distributions of stress-strain state characteristics. Critical zones of stress concentration were identified and correlated with the specified reinforcement and thickness of the structural elements. Thus, the work offers not just an analysis of the problem, but a specific engineering toolkit for designing more reliable and effective anti-fragmentation shelters. Analysis of Publications and Research. The analysis of scientific publications reveals a deep crisis in civil protection caused by the full-scale war in Ukraine. Systematic strikes with modern weapons, such as cruise missiles and UAVs, have demonstrated the structural vulnerability of the urban environment and the inadequacy of outdated safety protocols. In the search for effective solutions, the research turns to international precedents, particularly Israel's comprehensive passive defense system with its integrated protected spaces and modular shelters. However, the direct replication of these solutions requires adaptation to the specific threats and conditions of Ukraine. At the same time, an analogy with seismic-resistant construction reveals a fundamental problem: the comprehensive strengthening of the entire existing building stock is economically and logistically unrealistic. This necessitates a paradigm shift from global protection to the concept of local survival. A promising direction is the creation of high-strength protective cores or safety modules directly inside buildings. Such elements are designed to withstand even the progressive collapse of the main structure, ensuring the survival of the people inside. This approach is particularly relevant as existing commercial solutions, such as reinforced furniture or external bunkers, are deemed inadequate for dense urban environments due to insufficient strength or logistical inaccessibility. Against this backdrop, domestic practice demonstrates an active response to new challenges. The adoption of the updated SBN V.2.2-5:2023 and the mass implementation of rapidly deployable anti-fragmentation shelters (SafePlace, ARCA-NOVA) are practical embodiments of this new protection philosophy. This underscores the urgent need for a scientifically-grounded structural analysis for the design and optimization of such structures, which is the central task of this work. In the main part. The engineering design of the protective shelter was carried out in two stages. First, based on empirical formulas, the initial thickness of the structure required for protection against fragments was determined. In parallel, the load from a blast wave was calculated, which became the second key influencing factor. To verify this initial design, a computer-based finite element model was created. The simulation revealed a critical flaw: the thickness calculated only for fragments was insufficient to withstand the pressure from the blast, and the structure would fail. Based on this data, the main design decision was made to significantly increase the thickness of all enclosing elements. A re-analysis confirmed that the reinforced structure successfully withstands the design load. Thus, it was proven that the impact of the blast wave, not the fragments, is the decisive factor in designing a reliable shelter. In the conclusions, the solution to the problem of designing reliable protective structures in the context of modern warfare, which has revealed the ineffectiveness of outdated engineering approaches, is summarized. It is proven that designing a shelter exclusively for protection against fragments is a critical mistake. Computer modeling showed that a structure sufficient to stop shrapnel would be destroyed by the pressure from a blast wave. The main practical result is the scientific justification for the need to significantly increase the thickness of all enclosing structures. It is shown that the reinforced structure can withstand the complex impact of a blast. Effective architectural solutions, such as a labyrinth entrance and an optimized shape of the structure, were also proposed. The work demonstrates how, using accessible tools, one can identify fundamental design flaws and develop a much more reliable engineering solution. The work was tested at The 10th International scientific and practical conference “Global trends in science and education” (October 20-22, 2025)

Показати повний опис матеріалу