چگونه سازه های فولادی نسوز کنیم؟

سازه های فولادی دارای یک ضعف مهم هستند: مقاومت ضعیف در برابر آتش. برای اطمینان از حفظ استحکام و سختی سازه‌های فولادی برای مدت طولانی در هنگام آتش‌سوزی، حفاظت از جان و مال، اقدامات حفاظتی متعدد در برابر آتش اغلب در پروژه‌های مهندسی عملی اجرا می‌شود.

این مقاله اقدامات مختلف حفاظت از آتش را بر اساس اصول اساسی آنها شرح می دهد و مزایا و معایب آنها را با هم مقایسه می کند.

اقدامات حفاظت از حریق سازه های فولادی بر اساس اصول به دو دسته تقسیم می شوند: روش های عایق حرارتی و روش های خنک کننده آبی. هدف مشترک آنها این است که اطمینان حاصل شود که اجزا از دمای بحرانی خود در یک بازه زمانی مشخص تجاوز نمی کنند. تمایز در رویکرد نهفته است: روش‌های عایق حرارتی از انتقال حرارت به اجزا جلوگیری می‌کنند، در حالی که روش‌های خنک‌کننده آب اجازه می‌دهند گرما به اجزا برسد و سپس برای رسیدن به هدف، آن را از بین می‌برد.

درجه بندی مقاومت در برابر آتش یک سازه فولادی به مدت زمان مقاومت در برابر آتش در طول آزمایش آتش سوزی استاندارد اشاره دارد که از لحظه قرار گرفتن در معرض آتش تا از دست دادن پایداری، یکپارچگی یا عایق حرارتی اندازه گیری می شود.

توجه به این نکته ضروری است که در حالی که خود فولاد مشتعل نمی شود یا نمی سوزد، خواص آن به طور قابل توجهی تحت تأثیر دما قرار می گیرد. در 250 درجه، چقرمگی ضربه فولاد کاهش می یابد. و بالاتر از 300 درجه، نقطه تسلیم و استحکام نهایی آن به طور قابل توجهی کاهش می یابد. در آتش سوزی های واقعی، با شرایط بارگذاری ثابت، دمای بحرانی که در آن سازه های فولادی پایداری تعادل استاتیکی را از دست می دهند، حدود 500 درجه است، در حالی که دمای معمولی آتش به 800-1000 درجه می رسد. در نتیجه، سازه‌های فولادی تحت دماهای آتش بالا به سرعت دچار تغییر شکل پلاستیکی می‌شوند که منجر به شکست موضعی و در نهایت باعث فروپاشی و شکست کل سازه می‌شود.

سازه های فولادی باید از اقدامات حفاظتی در برابر آتش برای اطمینان از درجه بندی مقاومت در برابر آتش کافی برخوردار باشند. این امر از گرم شدن سریع اجزای فولادی تا دماهای بحرانی در هنگام آتش‌سوزی جلوگیری می‌کند، از تغییر شکل بیش از حد منجر به فروپاشی سازه جلوگیری می‌کند و در نتیجه زمان ارزشمندی برای اطفاء حریق و تخلیه ایمن به دست می‌آورد و تلفات مربوط به آتش را به حداقل می‌رساند.

روش های سد حرارتی
روش‌های مانع حرارتی، که بر اساس پوشش‌های نسوز و مواد کپسوله‌سازی طبقه‌بندی می‌شوند، شامل تکنیک‌های پاشش و کپسوله‌سازی می‌شوند. روش اسپری با پوشش یا پاشش پوشش های نسوز از اجزاء محافظت می کند. روش کپسوله سازی را می توان بیشتر به کپسوله سازی توخالی و کپسوله سازی جامد تقسیم کرد.

روش اسپری

به طور معمول، پوشش‌های نسوز روی سطوح فولادی اعمال می‌شوند یا پاشیده می‌شوند تا یک لایه عایق حرارتی{0}مقاوم در برابر حریق تشکیل دهند و درجه مقاومت سازه‌های فولادی در برابر آتش را افزایش دهند. این روش ساخت و ساز ساده، وزن سبک، مقاومت طولانی مدت در برابر آتش را ارائه می دهد و با شکل هندسی اجزای فولادی محدود نمی شود. این هزینه{3}}اثربخشی و کاربردی بودن خوب را ارائه می‌دهد و به طور گسترده آن را به کار می‌گیرد. پوشش‌های نسوز سازه‌های فولادی انواع مختلفی دارند که به طور کلی به دو دسته طبقه‌بندی می‌شوند: پوشش‌های لایه نازک-کلاس B (یعنی پوشش‌های نسوز آتش‌زای سازه‌های فولادی) و پوشش‌های فیلم-ضخیم کلاس H.

پوشش های نسوز کلاس B معمولاً دارای ضخامت پوشش 2-7 میلی متر هستند. مواد پایه آنها رزین آلی است که در دماهای بالا باعث انبساط و ضخیم شدن آنها می شود. درجه مقاومت در برابر آتش آنها می تواند به 0.5 تا 1.5 ساعت برسد. پوشش‌های نسوز ساختار فولادی نازک{9}}از پوشش نازک، وزن سبک و مقاومت در برابر لرزش خوب برخوردارند. برای سازه‌های فولادی داخلی در معرض دید و سازه‌های فولادی سقف سبک که در آن‌ها درجه مقاومت در برابر آتش 1.5 ساعت یا کمتر مشخص شده است، پوشش‌های نسوز سازه فولادی نازک{11}}توصیه می‌شود. پوشش‌های نسوز نوع H معمولاً ضخامت پوششی بین 8 تا 50 میلی‌متر دارند و سطح دانه‌ای دارند. در اصل از مواد عایق حرارتی معدنی تشکیل شده‌اند و دارای چگالی کم و هدایت حرارتی هستند. درجه مقاومت در برابر آتش می تواند به 0.5 تا 3.0 ساعت برسد. پوشش‌های نسوز ساختاری ضخیم{20}}به طور کلی غیر قابل احتراق-، مقاوم در برابر پیری هستند و دوام قابل اعتمادی ارائه می‌دهند. برای سازه‌های فولادی مخفی داخلی،-همه{24}}ساختارهای فولادی بلند، و سازه‌های فولادی کارخانه‌های صنعتی چند طبقه که به درجه مقاومت در برابر آتش 1.5 ساعت یا بالاتر نیاز دارند، باید پوشش‌های نسوز ساختاری با لایه ضخیم انتخاب شوند.

روش کپسولاسیون

1) روش کپسولاسیون توخالی: معمولاً از تخته های نسوز یا آجرهای نسوز برای پوشاندن اجزای فولادی در امتداد محیط بیرونی آنها استفاده می شود. اکثر سازه های فولادی در کارخانه های پتروشیمی داخلی از سنگ تراشی آجر نسوز برای محافظت از اجزای فولادی استفاده می کنند. این روش دارای استحکام و مقاومت بالایی در برابر ضربه است اما دارای معایبی از جمله نیاز به فضای قابل توجه و ساخت و ساز پیچیده است. استفاده از پانل های نسوز سبک مانند تخته های سیمانی تقویت شده با الیاف، تخته های گچی، یا تخته های ورمیکولیت به عنوان لایه های بیرونی نسوز. روش محفظه جعبه-برای اجزای فولادی بزرگ مزایایی از جمله سطوح صاف و مسطح، هزینه کم، حداقل تلفات مواد، عدم آلودگی محیطی و مقاومت در برابر پیری را ارائه می‌دهد که چشم‌اندازهای امیدوارکننده‌ای را برای پذیرش گسترده ارائه می‌دهد.

2) روش محفظه جامد: به طور معمول شامل پوشاندن اجزای فولادی با ریختن بتن برای محصور کردن کامل آنها است. این روش برای ستون های فولادی مرکز مالی جهانی پودونگ شانگهای استفاده شد. از مزایای آن می توان به مقاومت بالا و مقاومت در برابر ضربه اشاره کرد، اما از معایب آن می توان به فضای قابل توجهی که توسط لایه محافظ بتنی اشغال شده و ساختار نسبتاً پیچیده، به ویژه بر روی تیرها و مهاربندهای فولادی، اشاره کرد.

روش های خنک کننده با آب

روش‌های خنک‌سازی آب شامل خنک‌سازی با اسپری آب و خنک‌سازی با آب-پر می‌شود.

خنک کننده اسپری آب
خنک کننده اسپری آب شامل نصب سیستم های آبپاش اتوماتیک یا دستی در بالای سازه فولادی است. در حین آتش سوزی، فعال شدن آبپاش ها یک لایه آب مداوم بر روی سطح فولادی تشکیل می دهد. هنگامی که شعله های آتش به سطح فولاد می رسد، آب تبخیر شده گرما را جذب می کند و رسیدن سازه به دمای حدی خود را به تاخیر می اندازد. این روش در ساختمان مهندسی عمران در دانشگاه تونگجی اجرا شد.

خنک کننده با آب-

خنک‌سازی پر شده از آب شامل پر کردن اعضای فولادی توخالی با آب است. گردش آب در داخل سازه فولادی گرمای تولید شده توسط خود فولاد را جذب می‌کند و سازه را قادر می‌سازد تا دماهای پایین‌تری را در هنگام آتش‌سوزی حفظ کند و از کاهش ظرفیت بار-به دلیل گرمایش بیش از حد جلوگیری کند. برای جلوگیری از خوردگی و یخ زدگی، آب باید حاوی مواد بازدارنده زنگ و ضد یخ باشد. این روش برای ستون های فولادی در ساختمان فولادی 64 طبقه ایالات متحده در پیتسبورگ، ایالات متحده استفاده شد.

روش‌های عایق حرارتی از مواد مسدودکننده گرما برای کند کردن انتقال حرارت به اجزای ساختاری فولادی{0}}استفاده می‌کنند. به طور کلی، عایق‌ها قابلیت اقتصادی و عملی بهتری را ارائه می‌دهند و به طور گسترده در کاربردهای مهندسی واقعی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حالی که خنک کردن آب یک اقدام موثر در حفاظت در برابر آتش است، الزامات طراحی سازه ای تخصصی و هزینه های بالاتر، پذیرش گسترده آن را در عمل مهندسی محدود کرده است.

از آنجایی که عایق حرارتی به طور گسترده در حفاظت در برابر آتش سازه های فولادی استفاده می شود، بخش زیر به مقایسه مزایا و معایب روش های پوشش اسپری و کپسوله سازی در اقدامات عایق حرارتی می پردازد.

مقاومت در برابر آتش

از نظر مقاومت در برابر آتش، روش کپسوله سازی بهتر از روش پوشش اسپری است. مواد محصور کننده مانند بتن و آجرهای نسوز در مقایسه با پوشش های نسوز معمولی مقاومت بالایی در برابر آتش نشان می دهند. علاوه بر این، مقاومت پانل های نسوز جدید در برابر آتش از پوشش های نسوز پیشی می گیرد. حد مقاومت در برابر آتش آنها به طور قابل توجهی بالاتر از مواد عایق ضد حریق با ضخامت یکسان برای سازه های فولادی است و حتی از پوشش های نسوز آتش زا فراتر می رود.

ماندگاری

مواد کپسوله‌سازی مانند بتن دوام بالاتری از خود نشان می‌دهند و در برابر تخریب عملکرد در طول زمان مقاومت می‌کنند. دوام یک چالش حل نشده برای پوشش های نسوز سازه های فولادی است. پوشش‌های نسوز نازک و فوق‌العاده نازک مبتنی بر آلی-، چه در داخل یا خارج از منزل اعمال شوند، ممکن است تجزیه، تخریب یا پیری اجزای آلی خود را تجربه کنند. این منجر به پوسته پوسته شدن، پودر شدن یا از بین رفتن خواص ضد حریق می شود.

کارایی

کاربرد اسپری برای حفاظت در برابر آتش فولادی ساده است و به ابزار پیچیده ای نیاز ندارد. با این حال، پوشش‌های اسپری{1}}کنترل کیفیت ضعیفی دارند-حذف زنگ زدگی، ضخامت پوشش و رطوبت محیطی به سختی قابل مدیریت هستند. روش‌های کپسوله‌سازی، به‌ویژه برای مهاربندها و تیرها، پیچیده‌تر هستند، اما قابلیت کنترل عالی و کیفیت ثابت را ارائه می‌دهند. محدودیت های مقاومت در برابر آتش را می توان با تنظیم ضخامت مواد کپسوله دقیقاً کنترل کرد.

تاثیر زیست محیطی

استفاده از اسپری در حین ساخت و ساز، محیط را آلوده می کند، به خصوص که گازهای مضر می توانند تحت دمای بالا منتشر شوند. روش‌های کپسوله‌سازی هیچ گونه انتشار سمی در طول ساخت و ساز، استفاده معمولی یا در شرایط آتش‌سوزی ایجاد نمی‌کنند، که به نفع حفاظت از محیط زیست و ایمنی پرسنل در هنگام آتش‌سوزی است.

اقتصاد

روش اسپری شامل ساخت و ساز ساده، مدت زمان کوتاه پروژه و هزینه ساخت کم است. با این حال، پوشش های نسوز گران هستند و هزینه های نگهداری به دلیل مسائلی مانند کهنگی پوشش بالا است. روش بسته بندی هزینه های ساخت بالاتری دارد اما از مواد ارزان قیمت استفاده می کند و هزینه های تعمیر و نگهداری پایینی را متحمل می شود. به طور کلی، روش بسته بندی بازده اقتصادی بهتری ارائه می دهد.

قابلیت کاربرد

روش پاشش توسط هندسه اجزا محدود نمی شود و به طور گسترده برای محافظت از تیرها، ستون ها، دال های کف، سازه های سقف و سایر اجزاء استفاده می شود. به ویژه برای حفاظت در برابر آتش در سیستم های سازه ای فضایی مانند سازه های فولادی سبک، سازه های فضایی و سازه های فولادی نامنظم مناسب است. روش بسته بندی شامل ساخت و ساز پیچیده ای است، به ویژه برای اجزایی مانند تیرهای فولادی و مهاربندها. به طور کلی بیشتر برای ستون ها استفاده می شود و دامنه کاربردهای کمتری نسبت به روش اسپری دارد.

اشغال فضا

پوشش‌های نسوز مورد استفاده در کاربرد اسپری حداقل حجم را اشغال می‌کنند، در حالی که مواد محصورکننده مانند بتن و آجرهای نسوز فضا را مصرف می‌کنند و سطح قابل استفاده را کاهش می‌دهند. علاوه بر این، مواد کپسوله سازی به طور قابل توجهی سنگین تر هستند.

بر اساس تحلیل فوق می توان به نتایج زیر دست یافت:

1) انتخاب اقدامات حفاظتی در برابر آتش برای سازه های فولادی باید عوامل متعددی از جمله نوع عضو، دشواری ساخت، الزامات کیفیت، نیازهای دوام و کارایی اقتصادی را در نظر بگیرد.

2) با مقایسه کاربرد اسپری و روش‌های کپسوله‌سازی، کاربرد اسپری در درجه اول مزایایی را در تکنیک‌های ساخت و ساز ساده و حداقل تغییر در ظاهر اجزای- پس از کاربرد ارائه می‌دهد. کپسولاسیون در درجه اول مزایایی در هزینه کمتر، مقاومت در برابر آتش عالی و دوام دارد.

3) هر اقدام حفاظتی در برابر آتش دارای نقاط قوت و محدودیت های متمایز است. در کاربردهای مهندسی، ترکیب اقدامات چندگانه می‌تواند از مزایای مربوط به آنها استفاده کند و کاستی‌ها را جبران کند. اجرای اقدامات مختلف می تواند چندین لایه حفاظت در برابر آتش ایجاد کند.