تاثیر آتش بر سازه
- شناسه خبر: 19911
- تاریخ و زمان ارسال: 11 آبان 1396 ساعت 17:00
قدرت تخریب آتش ناشی از میزان حرارت آزادشده در هنگام آتشسوزی است. بخشی از این گرما در فضای آتش پخش میشود و مابقی جذب مواد ساختمانی و اعضاء میشود. درنتیجه اعضای سازهای استحکام مکانیکی خود را از دست میدهند و در یک دمای بحرانی تخریب و یا دچار آسیب جدی میشوند. میزان خسارت ناشی از آتش، ارتباط مسقیم با مدت و دمای ایجادشده دارد. با وجود آمار بالای آتشسوزی در ایران و هزینه سالیانه زیاد ناشی آتشسوزی، متأسفانه در طراحی سازهها به این امر توجه لازم نمیشود. در این تحقیق در ابتدا رفتار سازهها در برابر حرارت و آتش مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته و در ادامه نیز چند روش که جهت مقابله با آتش مورد استفاده قرار گرفته، بررسی میگردد.
کشور عزیزمان ایران روی بخشی از کمربند آلپ – هیمالیا قرار دارد و به همین دلیل هرساله شاهد وقوع زمینلرزههای ویرانگری در سطح کشور هسیتم. باتوجه به آسیبدیدن تاسیسات برق شهری و خطوط انتقال گاز در هنگام زلزله، آتشسوزی پس از وقوع زلزله میتواند باعث آسیبرساندن به ساختمانها شود. باتوجه به اینکه بین ساختمانهای موجود فاصله لازم وجود ندارد، لذا آتشسوزی به سرعت گسترش پیدا خواهد کرد.
در این زمان چند عامل سبب تشدید اثر آتشسوزی خواهد شد که مختصرا به بررسی آنها پرداخته میشود:
۱- درهنگام زلزله تعداد زیادی از دیوارهای جداکننده و پوشش روی اعضای سازهای آسیب میبینند که خود باعث صدمهپذیری آنها نسبت به حرارت میشود. این مسئله در اسکلتهای فلزی از اهمیت بیشتری برخوردار است.
۲- وقوع زلزله شدید باعث ایجاد مفصل الاستیک و تغییر شکلهای دائمی در بسیاری از اعضاء میشود که درنتیجه سازه نسبت به هرگونه افزایش تنش، مقاومت کمتری نشان خواهد داد.
۳- در اثر زلزله، بسیاری از مسیرهای تردد صدمه دیده و تخریب میشوند. درنتیجه دسترسی خودروهای امدادی و آتشنشانی به مکانهای وقوع حادثه با مشکل روبرو میشود.
طبقه همکف در اکثر ساختمانهای مسکونی موجود، محل توقف وسائل نقلیه است و معمولاً ستونها و مهاربندهای این طبقه، دارای پوشش محافظ نیستند. باتوجه به اینکه مقاومت فولاد بدون پوشش درهنگام آتشسوزی استاندارد، حدود ۱۵ دقیقه است، نیاز به بررسی مقاومت سازهها در برابر آتش و مقاصد طراحی، آتشسوزی استاندارد با تابع دما- زمان مشخص در آئیننامهها تعریف میشود. نمونههای اعضای ساختمانی در کورههای آزمایشگاهی با تغییرات دما نسبت به زمان منطبق با آتش استاندارد، آزمایش میشوند.
ساختمانهای بلند باتوجه به عدم دسترسی خودروهای آتشنشانی و ساختار سازهای، نسبت به آتش، حساستر هستند. در این ساختمانها، استفاده از شبکههای بارندۀ خودکار، شبکه کشف و اعلام حریق، سیستم کنترل دود، استفاده از مولد برق اضطراری و اتاق کنترل مرکزی الزامی است.
عوامل مؤثر بر رفتار سازهها در هنگام آتشسوزی:
عوامل مختلفی بر رفتار سازهها در هنگام آتشسوزی، مؤثرند که مهمترین آنها به شرح زیر است:
– اندرکنش سازهای: برخلاف عضو منفرد، رفتار یک قاب سازهای در زمان آتشسوزی، تحت تاثیر اندرکنش اعضای سازهای متصل در قسمتهای مجاور آتش و سایر قسمتها قرار دارد. این مساله برای رفتار کل قاب سودمند است. زیرا تخریب برخی از اعضای سازهای، لزوماً باعث به مخاطره افتادن پایداری کل سازه نمیشود. در این حالت اعضای باقیمانده، مسیر دیگری برای انتقال بار قسمتهای تخریبشده، بوجود میآورند.
– اتصالات: زمانیکه در اثر آتشسوزی در یک تیر ساده با اتصالات برشی، خیز بوجود میآید، اتصالات انتهایی کمی در مقابل دوران مقاومت میکنند که درنتیجه لنگر انتهایی بوجود میآید. لذا لنگر وسط دهانه و پدیدۀ غشایی، یکطرفه کاهش مییابد. مقاومت در برابر لنگر و کشش اتصال، باعث افزایش مقاومت تیر در برابر آتش تا زمان گسیختگی اتصال میگردد. این اثر سودمند در قابهای فولادی چند دهانه با اتصالات ساده، مشخصتر است. در بیشتر مدلسازیها فرض میشود که مشخصات پیش از آتشسوزی یک اتصال، پس از آن نیز ثابت میماند. به نظر میرسد که رفتار اتصالات معین میکند که تخریب موضعی باشد و یا به صورت پیشرونده درآید .
– قیدهای انتهایی: پاسخ سازهای یک عضو تحت شرایط آتشسوزی میتواند با توجه به شرایط انتهایی آن به شدت تغییر کند. برای بار و آتش یکسان، یک تیر با دو انتهای صلب، نسبت به یک تیر یک سر ساده و یک سر غلطک، تغییر شکل کمتری میدهد و مدت زمان بیشتری مقاومت میکند. افزودن قید محوری در ابتدا به دلیل نبود درجه آزادی برای انبساط محوری، باعث افزایش تغییر شکل میشود. با افزایش گرما، سرعت افزایشی تغییر شکل کاهش مییابد.
– بارگذاری: یک عامل تعیینکننده در رفتار عضو در معرض آتشسوزی، بار اعمالی آن است. تخریب سازه زمانی اتفاق میافتند که بار اعمالی از بار نهایی بیشتر شود. دوام در برابر آتش یک عضو با کاهش بار اعمالی، افزایش مییابد .
– تاثیر مواد ضد آتش: مواد ضد آتش باید با ضخامتی پایدار، روی فولاد را پوشش دهند. صدمه وارده به مواد ضد آتش در اثر ضربه، باعث کاهش قابلیت مواد به عنوان پوشش میشود. درنتیجه پوشش باید در برابر سایش، ضربه، ارتعاش و دمای بالا مقاومت کند. مواد ضد آتش ممکن است در نتیجه کرنش حرارتی ناشی از تفاوت انبساط حرارتی فولاد و پوشش ضد آتش و یا انحنای عضو فولادی، فرو بریزند. پوششهای ضد آتش ممکن است در اثر از دستدادن چسبندگی به فولاد، تخریب شوند.
- خاموشکنندهای آتش: در آتشسوزی یک ساختمان، افزایش دمای اعضای مجاور آبپاشها محدود میشود. درنتیجه مقاومت اعضاء در برابر آتش، افزایش مییابد.
– نامعینی سازههای معین: سازههای معین با تشکیل اولین مفصل الاستیک تخریب میشوند، ولی با تشکیل مفصل الاستیک در سازه نامعین، یک درجه از نامعینی کاسته میشود و سازه همچنان میتواند در برابر آتش مقاومت کند.
توزیع دما: باتوجه به پوشش محافظ و آرایش اعضا، آنها دارای دمای متفاوت در سطح مقطع و طول خود هستند .
دوام سازه در برابر آتش:
دوام سازه در برابر آتش به عنوان مشخصه یک ساختمان، برای تحمل آتش و حفاظت از آن تعریف میشود. (ASTM2001a) برای تعریف دوام در برابر آتش، دو موضوع مطرح است. نخستین مساله قابلیت یک عضو در حفظ استحکام سازهای و پایداری، در هنگام قرارگیری در معرض آتش است. دومین مساله برای برخی عضوها مانند: دیوارها و سقفها، جلوگیری از گسترش آتش میباشد. به طور معمول دوام در برابر آتش، با قراردادن یک نمونه، تحت آزمایش استاندارد بهدست میآید. نتیجه آزمایش تحت عنوان درجه دوام در برابر آتش برحسب ساعت، بر پایه مدت زمانی که نمونه، ضوابط پذیرفتهشده در آزمایش را تامین کند، بهدست میآید .
درجه دوام لازم در برابر آتش برای اجزای مختلف ساختمان در آییننامهها آورده شده است که این درجه دوام به نوع کاربری، تعداد طبقات و مساحت طبقه بستگی دارد. باتوجه به این که آزمایش استاندارد یک تست مقایسهای است نه پیشبینیکنندۀ رفتار واقعی، درجه دوام در برابر آتش آزمایشگاهی، برای تخمین مدت زمانی که یک عضو میتواند در آتشسوزی واقعی، تخریب نشود، قابلاستفاده نیست.
به طور کلی درجه دوام در برابر آتش یک عضو سازهای تابعی است از:
۱- میزان بار اعمالشده به عضو
۲- نوع عضو (تیر، ستون و …)
۳- ابعاد عضو و شرایط تکیهگاهی
۴- جریان گرمایی حاصل از آتش در اطراف عضو
۵- نوع ماده تشکیلدهنده (بتن، فولاد و …)
۶- تاثیر افزایش دمای عضو سازهای بر مشخصات مکانیکی تشکیلدهنده آن
رفتار عضو سازهای در آتشسوزی بستگی به مشخصات مکانیکی و حرارتی آن عضو دارد .با افزایش دما، مقاومت عضو در برابر تغییر شکل معین، ضریب کشسانی و سختی کاهش مییابد. رفتار عضو سازهای در معرض آتش را میتوان توسط روشهای تحلیل سازه تخمین زد. در مقایسه با طراحی در دمای معمولی، تغییرات شکل و سایر مشخصات باید درنظر گرفته شود. تیرها و خرپاها ممکن است باتوجه به شرایط انتهایی، واکنشهای متفاوتی را نشان دهند. عضوی که دارای قید محوری نیست، درهنگام آتشسوزی بدون ایجاد نیروی محوری تغییر شکل مییابد. اما در عضوی که دارای قید محوری است، تنشهای محوری ایجاد میشود. عضوهایی که به هم متصل نیستند، ممکن است با غلبه بار وارده بر مقاومت موجود، تخریب شوند. ولی در عضوهای متصل به هم، به دلیل کاهش ضریب کشسانی، تغییر شکل قابلتوجه اتفاق میافتد، اما عضو دیرتر تخریب میشود. با کاهش ضریب کشسانی و تضعیف اتصال ستونها به کفها، لاغری ستون افزایش مییابد و درنتیجه حساسیت ستون به کمانش افزایش مییابد.
نکات زیر را از بررسی برجهای دوقلو میتوان برداشت کرد:
– سازندگان ساختمان، برخورد سازه را با یک هواپیما پیشبینی کرده بودند. آنها به نحوی برجها را طراحی کرده بودند که اگر هواپیمائی به آنها برخورد میکرد، بدون اینکه آسیب جدی به ساختمان وارد شود، هواپیما سقوط میکرد. اما متاسفانه پیشبینی اینکه احتمال برخورد هواپیمایی با موتور جت به برجها وجود دارد، در دستور کار طراحان قرار نگرفته بود. لذا این حادثه منجر به بروز چنین حادثه عظیمی گردید.
– طبق نظر برخی از محققین، انرژی آزادشده هنگام ایجاد انفجار در برجها از ۳۵ برابر انرژیای که از برخورد هواپیما با ساختمان بوجود آمد، بیشتر بود !
– پس از ریزش برجها، آوارهای بجامانده، آنقدر متراکم و کم به نظر میآید که دلیل آن میتواند این باشد که برجهای دوقلوی ۱۱۰ طبقهای از فولاد کموزن و یک هسته توخالی مرکزی ساخته شده بودند. بیش از ۹۵ درصد حجم این برجها هوا بود که پس از ریزش آنها و از بین رفتن فضای اضافه بین طبقات و هسته مرکزی، حجم آوار بجامانده کم به نظر میرسید .
– ساختمان شماره یک (WTC1) از جانب جبهه شمالی (تقریباً وسط) و در محدوده طبقات ۹۴ تا ۹۸ ضربه خورد. حداقل ۵ تکه ۳ ستونی کنده شد و به داخل پرتاب شد و قسمتی از کف که توسط این ستونها تحمل میشد، به صورت موضعی خراب شد. در اطراف مرکز، ستونها با تصادم بال هواپیما شکسته شدند. تصاویر نشان میدهد، حدود ۳۱ تا ۳۹ ستون در ارتفاع حدود ۴ طبقه در ضلع شمالی خراب شدند. البته میزان خساراتی که به ستونها و تیرهای هسته مرکزی وارد شد، نامعلوم است.
– ساختمان شماره ۲ (WTC2) از جانب ضلع جنوبی در طرف شرق، مورد اصابت قرار گرفت. پس از برخورد ۶ تکه ستون ۳ تایی در قسمت میانی خراب شدند و بخشی از کفهای طبقات ۷۸ تا ۸۴ آسیب دیدند. در قسمتهایی که مورد اصابت بال هواپیما قرار گرفته بودند، فقط ستونهای خارجی آسیب دیدند. عکسها مبین این است که حدود ۲۷ تا ۳۲ ستون در ضلع جنوبی ساختمان در ارتفاع ۵ طبقه آسیب دیدند.
درجهبندی سازهها از نظر میزان خطرپذیری:
برای درجهبندی سازهها از نظر میزان خطرپذیری آنها در هنگام آتشسوزی، انجام آزمایشهای متعدد روی نمونههای مصالح و حتی آزمایش در ابعاد واقعی روی قالبها ضروری است. با این وجود میتوان با شیوههای زیر، سازهها را طبقهبندی کرد. درجهبندی سازهها برای تعیین درجه دوام لازم برای عضوهای مختلف، موردنیاز است و میتواند در تدوین آییننامه طراحی ساختمانها در برابر آتش مورد استفاده قرار گیرد. اجزا و قطعات ساختمانی باتوجه به زمان مقاومت در برابر آتش به سه گروه تقسیم میشوند:
۱- مانع گسترش آتش: با حداقل نیم ساعت مقاومت در برابر اشتعال و سرایت آتش به طرف دیگر
۲- مقاومت در برابر آتش: با حداقل یک و نیم ساعت در برابر آتش و نیز پایداری در برابر فشار آب آتشنشانی
۳- بسیار مقاوم در برابر آتش: با حداقل سه ساعت مقاومت در برابر آتش
لازم به ذکر است، واژه مقاوم در برابر آتش زمانی است که یک جزء سازه میتواند آتش را بدون فروریختن تحمل کند و درجه حرارت در سمت نمایان و در سمت غیر نمایان از ۱۴۰ درجه سانتیگراد و در هر منطقه دیگر از ۱۸۰ درجه سانتیگراد بالاتر نرود. بنابراین تعریف اجزای اصلی سازه نظیر دیوارهای باربر، تیرها و ستونها بایستی در یکی از گروههای ۲ و ۳ قرار گیرند .عموماً مقابله با آتشسوزی با سه روش زیر انجام میشود:
– روش اول دفاعی، آبپاشهای خودکاری هستند که برای کنترل آتش در مراحل اولیه گسترش و خاموشکردن یا تحت کنترل درآوردن آن تا ورود ماموران آتشنشانی طراحی میشوند. این آبپاشها معمولاً قادر به کنترل آتشسوزیهای شدید نیستند.
– روش دوم دفاعی، مبارزه به روش دستی میباشد.
– روش سوم دفاعی، مقاومسازی ساختمانها و اجزای آن شامل: قابهای ساختمانی، کفها، جداکنندهها، حصار دور آسانسورها و پلهها میباشد. مهمترین قسمتهای قابهای سازهای شامل ستونها، شاهتیرها و خرپاها هستند.
