مقاومت ساختمان های بتنی در برابر آتش

مقدمه:

ساختمان های با اسکلت بتنی تقویت شده با میلگرد یا به اصطلاح بتن آرمه، یکی از رایج ­ترین روش ­های ساخت سازه می­باشد. این روش ویژگی­ ها و مزایای منحصر بفردی دارد که ازجمله می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

یکپارچگی ساختار (پیوستگی) 

سازه­ های با اسکلت بتنی از نظر استحکام، مقاومت  بالایی دارند. این سازه ­ها با توجه به ماهیت ریختگی درمحل، قابلیت ساخت با اشکال مختلف را فراهم می­سازند. با وجود امکان طراحی جزئیات آرماتورها برای توزیع تنش‌ها، سازه پایداری کلی خود را در صورت بروز آسیب­ های موضعی یا تنش بیش از حد مطابق [ACI 318] حفظ خواهد کرد.

مقاومت در برابر آتش

مقاومت در برابر آتش، به قابلیت یک ماده یا سیستم برای تحمل آتش و یا ایجاد حفاظ مقاوم در برابر آن گفته می­شود. بتن مسلح، به دلیل وجود سیمان و سایر ترکیبات، ذاتاً در برابر آتش مقاوم است. ساختمان های بتن آرمه در طول سالیان مختلف، در مقابله با آتش عملکرد خوبی از خود نشان داده­اند. در این گزارش بر جنبه­ های مقاومت در برابر آتش ساختمان ­های بتنی مسلح تمرکز خواهیم داشت.

در طول تاریخ زندگی بشر، آتش ­سوزی‌های بزرگ و کوچک، توانایی خود در آسیب رساندن به جان و مال انسان را نشان داده‌اند. از نظر تاریخی، برخی از آتش سوزی­ های قابل توجه که صدها ساختمان را درگیر کرده اند، عبارتند از:

بوستون،سال ­های 1631، 1653، 1679، 1872; چارلستون، سال 1740; دیترویت، سال 1805; نیویورک، سال 1835; ساوانا، سال 1840; آلبانی، سال 1848; پیتسبورگ، سال1845; سانفرانسیسکو، سال ­های 1849، 1851، 1906; فیلادلفیا، سال 1850; شیکاگو، سال1871; هوبوکن، سال 1900; جکسونویل، سال 1901; بالتیمور، سال­های 1904; 1914; پاریس و تگزاس، سال 1916; و آتلانتا، سال1917.

در سال 2013، طبق گزارش انجمن ملی حفاظت در برابر آتش (NFPA)، بیش از 1.2 میلیون آتش سوزی رخ داد که طی این اتفاق بیش از  3200 نفرکشته و 15900 نفر غیرنظامی مجروح شدند، همچنین بیش از 11.5 میلیارد دلار خسارت مستقیم به اموال وارد شد. این 1.2 میلیون آتش سوزی، شامل 487500 مورد آتش سوزی ساختمان بوده که باعث طی آن 2855 نفر کشته و 14074 غیرنظامی مجروح شدند و 9.5 میلیارد دلار خسارت مالی شده است.

از آنجایی که در دنیای امروز، آتش سوزی یک خطر بزرگ محسوب می­شود و طبق سابقه تاریخی و آمارهای شوم پیشین ، مقاومت ساختمان ­ها در برابر آتش برای حفاظت از جان و مال انسان ­ها در برابر خطرات ناشی از آتش سوزی، بار مهم و اثرگذار است. برای کاهش خطر آتش سوزی، آیین نامه­ های ساختمانی جنبه ­های مختلف ساخت و ساز ساختمان را تنظیم و کنترل می­­­کنند؛ از جمله  این الزامات، استفاده از مواد غیر قابل احتراق و محافظت کنده دربرابر آتش و همچنین طبقه ­بندی مقاومت در برابر آتش بسته به نوع کاربری، میزان فضای سازه، تعداد طبقات و مکان ساختمان می­باشد.

فاجعه مرکز تجارت جهانی در مورد الزامات آئین نامه و مسائل مربوط به خطرات آتش سوزی حساسیت ­های زیادی را ایجاد کرده است. در شماره 2002 نوامبر-دسامبر مجله ساختمان جنوب، J. J. Messersmith، Jr. مقاله آموزنده­ای را با عنوان "مقاومت سازه­ای در برابر آتش برای ساختمان های بلند: گذشته و حال" نوشت. این مقاله بر تاریخچه الزامات رتبه بندی آتش سوزی در چندین آئین نامه اصلی ساختمان­ های شهری و روند کاهش درجه ­بندی حریق متمرکز شده است. آقای Messersmith کاهش الزامات درجه بندی آتش را به

1) اعتقاد برخی مبنی بر اینکه آئین نامه­ های قبلی بیش از حد محافظه کارانه بودند، و

2) تشویق به استفاده از دستگاه­ های اطفا خودکار نسبت داد. این مورد را می­توان به عنوان "معامله" توصیف کرد.

از نظر فلسفی، CRSI از یک رویکرد متعادل برای کاهش خطرات آتش­سوزی در ساختمان­ها پشتیبانی می­کند. یک رویکرد متعادل شامل موارد ذیل می­باشد:

1) دستگاه های تشخیص یا هشدار خودکار

2) مقاومت در برابر آتش مواد به علاوه مقاومت در برابر آتش کل سیستم سازه؛ و

3) دستگاه های اطفاء خودکار.

آئین ­نامه­ های ساختمانی:

در حال حاضر، برای ساختمان ­ها از دو آئین ­نامه به شرح ذیل استفاده می­شود:

1) آئین ­نامه بین­المللی ساختمان، 2015 [ICC (2015)]؛

2) NFPA 5000 ساخت و ساز ساختمان و آئین­نامه ایمنی [NFPA (2015)].

تعاریف:

نرخ مقاومت در برابر آتش یا نرخ آتش:

آئین نامه بین المللی ساختمان [ICC (2015)] مقاومت در برابر آتش را به عنوان دوره زمانی (معمولاً به صورت ساعت بیان می­شود) مشخصی تعریف می­کند که یک عنصر ساختمان (یک عضو سازه)، توانایی محدود کردن آتش و حفظ عملکرد و کارایی خود، ادامه می­دهد.

مواد غیر قابل احتراق:

ماده­ای که تحت شرایط پیش بینی شده، در اثر آتش یا حرارت، مشتعل نمی­شود و نمی­سوزد. موادی که استاندارد 136 ASTM E را پاس می­کنند، مواد غیر قابل احتراق در نظر گرفته می­شوند.

تست آتش سوزی ASTM E119:

تست‌های ذکر شده در تعریف IBC درجه‌بندی مقاومت در برابر آتش (آتش) به ASTM E119، «روش‌های تست استاندارد برای آزمایش‌های آتش‌سوزی ساختمان و مصالح ساختمانی» اشاره دارد. طبق استاندارد ASTM E119، سیستم ­هایی که در معرض آتش سوزی قرار می­گیرند از منحنی استاندارد زمان-دما پیروی می­کنند. درجه مقاومت در برابر آتش یک سیستم با طول مدت آزمایش تا رسیدن به یکی از نقاط بحرانی پایانی زیر تعیین می­شود:

1. پنبه نسوز در اثر عبور شعله یا گازهای داغ از شکاف ها یا حفرات سیستم مشتعل می­شوند. (نقطه پایان عبور شعله.)

2. دمای سطح بدون نور مجموعه در هر نقطه به طور متوسط 250 درجه فارنهایت یا حداکثر 325 درجه فارنهایت افزایش می یابد. (نقطه پایان انتقال حرارت.)

3. نمونه آزمایشی قادر به تحمل بارگذاری اعمال شده نیست - فروپاشی یک نقطه پایان آشکار است. (نقطه پایانی سازه­ای.)

معیارهای درجه بندی مقاومت در برابر آتش فرعی عبارتند از:

• برای اعضای بتن مسلح مهارنشدنی، در برخی موارد، میانگین دمای آرماتور کششی در هر بخش نباید از 1100 درجه فارنهایت تجاوز کند. برای تیرهای بتن آرمه مهار شده با فاصله بیش از 4 فوت در مراکز، دمای 1100 درجه فارنهایت نباید برای درجه آتش ­سوزی یک ساعت یا کمتر تجاوز کند. برای درجه بندی آتش بیش از یک ساعت، دمای 1100 درجه فارنهایت نباید در یک ساعت، بیشتر شود. تیرهای مهار شده، با فاصله 4 فوت یا کمتر در مراکز، و دال ها در معرض محدودیت دمای 1100 درجه فارنهایت قرار ندارند.
• برای دیوارها، توانایی مقاومت در برابر ضربه، فرسایش، و اثرات خنک کننده جریان شلنگ با اندازه خاص. این معیار برای تقلید از شیلنگ آتش نشانی در نظر گرفته شده است.

مواد غیر قابل احتراق

در IBC پنج نوع ساخت وجود دارد. سازه ­های نوع I و II آن دسته از ساختمان ­هایی هستند که در آن­ها عناصر ساختمانی فهرست شده در جدول 601 از مواد غیر قابل احتراق هستند. نوع III قاب چوبی با دیوارهای بیرونی چوب غیر قابل احتراق یا مقاوم در برابر آتش است، نوع IV چوب سنگین است و نوع V معمولاً به عنوان قاب چوبی در نظر گرفته می­شود. قابلیت احتراق مواد معمولاً با استفاده از تست استاندارد ASTM E 136 برای رفتار مواد در کوره لوله عمودی در دمای 750 درجه سانتیگراد تعیین می­شود.

آزمون دو معیار قبولی دارد. تحت معیارهای قبولی شماره 1:

الف( کاهش وزن نمونه نمی­تواند بیش از 50٪ باشد.

ب (دما در سطح نمونه و در مرکز هندسی نمونه در طول آزمایش ممکن است بیش از 54 درجه فارنهایت بالاتر از دمای تعادل کوره اندازه‌گیری شده قبل از معرفی نمونه نباشد. در طول 30 ثانیه اول آزمایش، هیچ شعله­ای از نمونه وجود ندارد.

در معیار قبولی شماره 2:

الف. اگر بیش از 50 درصد وزن نمونه از بین برود، ممکن است ماده همچنان به عنوان غیر قابل احتراق طبقه بندی شود، مشروط بر اینکه هر دو شرایط زیر رعایت شود.

ب. دمای سطح نمونه و مرکز هندسی نمونه در طول آزمایش ممکن است از دمای تعادلی کوره که قبل از معرفی نمونه اندازه گیری شده بود بالاتر نرود.

ج. هیچ شعله ای از نمونه در هیچ زمانی در طول آزمایش نمی تواند رخ دهد.

بتن و فولاد فراتر از الزامات غیر قابل احتراق هستند، بتن مسلح در آتش کارایی خوبی دارد - هم به عنوان یک سازه مهندسی شده و هم به عنوان ماده ای با خواص بی اثر (غیر قابل احتراق). خواص ذاتی مواد بتن خطر آتش سوزی را با کمترین هزینه اولیه به حداقل می رساند و در عین حال به حداقل تعمیر و نگهداری مداوم در طول عمر پروژه نیاز دارد. بتن مسلح به هیچ گونه حفاظت اضافی در برابر آتش نیاز ندارد زیرا ماده ای غیر قابل احتراق است (یعنی نمی سوزد) و سرعت انتقال حرارت پایینی دارد.

آزمایش آتش سوزی تیرهای ساخته شده با بتن با وزن معمولی با عرض 12 اینچ و پوشش معمولی 2.5 اینچ نشان داده است که برای نوردهی تا 2 ساعت دمای داخل بتن در مجاورت آرماتور فولادی تقریباً به 600 درجه فارنهایت تا 700 درجه فارنهایت می رسد. در این دماها حداقل از دست دادن مقاومت خمشی وجود دارد، بنابراین اطمینان حاصل می شود که یکپارچگی سازه در هنگام آتش سوزی به خطر نمی­افتد.