محافظت از ستون فولادی در مقابل آتش

 معیار عملکردی برای ستون فولادی ( Steel columns ) در معرض آتش آن است که قادر به تحمل بارهای وارده برای یک مدت زمان مشخص، هنگامی که تحت افزایش دمای ناشی از آتش قرار می‌گیرد، باشد. از آنجایی که مشخصات مکانیکی فولاد در دماهای بالا کاهش می‌یابد، طول زمانی که ستون می‌تواند عملکرد مورد انتظار خود را حفظ کند به وسیله کاهش نرخ انتقال حرارت به فولاد قابل افزایش است. نرخ انتقال حرارت به فولاد از طریق جذب انرژی گرمایی به کمک یک عامل محافظتی، قابل کاهش است. برای مثال این مکانیسم در ستون ‌فولادی لوله‌ ای پرشده با آب استفاده شده است که در این حالت، زمان مقاومت در برابر آتش به وسیله ظرفیت جذب گرمای آب افزایش می‌یابد.

بتن دارای ویژگی ظرفیت ذخیره حرارتی بالاتر و ضریب هدایت حرارتی پایین‌تری نسبت به فولاد است. بنابراین فولاد و بتن برای بهبود عملکرد ستون در دماهای بالا می‌توانند با هم ترکیب شوند. مقاطع لوله‌های فولادی پرشده با بتن و مقاطع فولادی مدفون شده در بتن، مثال‌هایی از چنین سیستم‌های ترکیبی هستند. اما روش معمول برای تأخیر در انتقال حرارت به فولاد، حفاظت از ستون فولادی به کمک یک ماده عایق حرارتی است. با استفاده از این روش مدت زمان کافی برای مقاومت در مقابل آتش یک ستون فولادی به وسیله اجزای ضخامت مناسبی از پوشش محافظت‌کننده قابل دسترسی است. ضخامت لایه محافظت‌کننده که زمان رسیدن به دمای بحرانی را افزایش می‌دهد، به کمک روش‌های تحلیلی یا اطلاعات آزمایشگاهی قابل تعیین است.

 

معیار دما در محافظت از ستون فولادی

اطلاعات دمایی از آزمایش‌های ستون‌ های تحت بار در معرض آتش، نشان می‌دهند که گسیختگی ستون به میزان منطقی بر اساس دمای فولاد مقطع قابل پیش‌بینی است. تأیید شده است که توانایی یک ستون در تحمل بارهای وارده تا زمانی که آتش‌سوزی باعث افزایش دمای متوسط مقطع به حدود ۵۴۰ درجه سانتی‌گراد نشود، ادامه می‌یابد. اما دما اغلب به‌عنوان دمای بحرانی در نظر گرفته می‌شود و بیانگر دمایی است که در آن مقاومت ستون حدود ۴۰ درصد کاهش می‌یابد. این حدود دمایی می‌تواند به عنوان اساس تحلیل‌های انتقال حرارت استفاده شود و همچنین بیانگر معیارهای گسیختگی در آزمایش یک ستون محافظت شده است.

 

معیار ضریب مقطع

اگر یک مقطع ستون فولادی  ( Steel columns ) در معرض حریق قرار گیرد، هرچه دارای محیط بزرگ‌تری باشد تحت حرارت بیشتری قرار می‌گیرد. به همین ترتیب یک مقطع با مساحت سطح بیشتر، چاه حرارتی بزرگ‌تری را تشکیل می‌دهد و به عبارتی حرارت بیشتری برای بالا بردن دمای آن لازم است. به این ترتیب دمای یک مقطع ضخیم و کوچک کندتر از یک مقطع بزرگ و نازک افزایش می‌یابد. لذا حاصل تقسیم محیط در معرض حرارت به مساحت سطح یک مقطع، می‌تواند شاخص مناسبی برای سرعت افزایش دمای آن مقطع باشد، به طوری که هر چه حاصل تقسیم این دو مقدار بزرگ‌تر باشد، به محافظت بیشتری نیاز داشته و ضخامت پوشش محافظ باید بیشتر باشد. بنابراین بسیار مهم است که جدول ضخامت پوشش محافظت‌کننده در برابر آتش برای ضرایب مقطع مختلف تهیه و ارائه شود.

نحوه محاسبه و نمایش نمادی ضریب مقطع در کشورهای مختلف تا حدودی متفاوت است. در بریتانیا برای این ضریب از نماد  Hp/A استفاده می‌شود. Hp محیط قسمتی از مقطع است که در معرض آتش قرار دارد، در حالی که A مساحت سطح کنترل کل مقطع است. بنابراین Hp تا حدود زیادی به شکل هندسی پوشش محافظ بستگی دارد. در محافظت غشایی، محیط Hp برابر با مجموع ابعاد داخلی تخته‌های دور بند است، در حالی که در محافظت تماسی پروفیلی برابر با محیط خود مقطع فولادی است. برای تیرهای سیستم کف که یک وجه تیر به وسیله سیستم کف محافظت می‌شود، Hp فقط مجموعه محیط قسمتی است که می‌تواند در معرض آتش قرار بگیرد و وجه مجاور کف حذف می‌شود. شکل‌های ۱ و ۲ روش‌های محافظت سه وجهی یا چهار وجهی مقاطع و نحوه محاسبه Hp/A را برای آن‌ها نشان می‌دهد.

 

شکل 1 – انواع محافظت تماسی و غشایی

شکل 2 – روش محاسبه Hp/A برای پروفیل های مختلف

 

نماد مورد استفاده برای ضریب مقطع در آمریکا، W/D در کانادا، M/D و در آلمان، U/A است. در سیستم کانادایی، M جرم مقطع برای واحد طول بوده و واحد آن کیلوگرم بر متر است و D مساحت سطح مقطع است که به ازای واحد طول در معرض حریق قرار می‌گیرد. لذا واحد  M/D کیلوگرم بر مترمربع است. W سیستم آمریکایی همان جرم مقطع به ازای طول است، اما از سیستم امپریال استفاده می‌شود و D مشابه با U آلمانی یا Hp بریتانیایی، برابر با محیط در معرض حریق (یا به بیان دقیق‌تر محیط مورد محافظت) است. بنابراین واحد آن lb/ft2 است. نماد U/A در سیستم‌عامل آلمان عیناً مشابه به همان Hp/A بریتانیا است که در بالا ذکر شد.

 اگر دانسیته فولاد را ۷۸۵۰ کیلوگرم بر مترمکعب بگیریم، ضریب تبدیل دو سیستم بریتانیایی و آلمانی به کانادایی به صورت زیر خواهد بود:

M/D ÷ 7850= U/A = Hp/A

نرخ تغییر دما در یک جسم تابعی از جرم و مساحت سطح در معرض اختلاف دما است. بنابراین یک ضریب تعیین کننده مقاومت در برابر آتش ستون فولادی ( Steel columns ) ، ضریب مقطع W/D است که در آن W، وزن واحد طول عضو فولادی و D ، محیط داخل مصالح محافظت‌کننده در برابر آتش است. برای مقاطع لوله‌ای، پارامتر A/P نسبت مساحت مقطع فولادی به محیط معمولاً به جای  W/D استفاده می‌شود.

 هرچه نسبت W/D بزرگ‌تر باشد، نرخ تغییر دما آهسته‌تر است. بنابراین به عنوان یک قانون عمومی، مقاطع فولادی با نسبت‌های W/D بزرگ‌تر، عملکرد بهتری در آزمون‌های آتش نسبت به مقطع‌های محافظت شده مشابه ولی با W/D کوچک‌تر دارند.

 

بیشتر بخوانید:

۳ راه حل معمول برای تهویه ساختمان