مکانیسم آسیب حریق به ساختار بتن و روش‌های ارزیابی آن

آتش‌ سوزی باعث ترک‌خوردگی و خرد شدن سطح بتن، تجزیه شیمیایی و در نهایت سبب ریزش سازه می‌شود. این عوامل می‌تواند مشخصات بتن سازه، مثل مقاومت و دوام را به میزان قابل توجهی تغییر دهد. همچنین می‌تواند رفتار سازه را نیز تحت تاثیر قرار دهد. از این مطالب می‌توان برآورد نمود که آتش‌سوزی نیز می‌تواند خرابی‌های جبران ناپذیری را به سازه تحمیل کند. با سنجش رفتار سازه در برابر آتش و لحاظ نمودن آن در طراحی سازه به نوعی می‌توان از خطرات و آسیب‌های گسترده تا حدودی کاست و یا سرعت تخریب را کاهش داد. سازه‌ها گاهی بعد از وقوع آتش‌سوزی،می‌توانند تعمیر شوند و یا در موارد شدید،تخریب و از نو ساخته می‌شوند. بنابراین بررسی و ارزیابی خسارات ناشی از آتش سوزی برای تعیین وضعیت سازه بسیار مهم است. ارزیابی خسارت‌ها، می‌تواند به عنوان پایه‌ای برای تصمیم‌گیری در مورد این که آیا سازه نیاز به تخریب دارد یا قابل تعمیر است، استفاده شود. برنامه ارزیابی شامل تحقیقات اولیه و به دنبال آن تحقیقات دقیق است. در هر مرحله از بررسی آسیب، مشاهدات و آزمایش‌های خاصی برای تعیین شدت و وسعت خسارت انجام می‌شود. به عنوان مثال، از روشهای آزمایش غیر مخرب (NDT) می توان برای ارزیابی خواص دوام باقی مانده استفاده نمود. همچنین آزمایشهای مغزه‌گیری را می‌توان برای ارزیابی خواص مکانیکی باقی مانده انجام داد. در ادامه این مقاله به بررسی عمیق‌تر مکانیسم آسیب حریق به ساختار بتن و روش‌های ارزیابی آن پرداخته شده است .

مکانیسم آسیب آتش سوزی بر ساختار بتن

1. ترک خوردگی سطح

شبکه ترک‌‌های ریز سطحی در بتن، معمولاً در سنین اولیه بتن به دلیل جمع شدگی لایه سطحی رخ می‌دهد. آنها در اثر رطوبت کم، آتش، ناسازگاری حرارتی، آفتاب داغ، خشک شدن ایجاد می‌شوند. عمق این ترک‌ها 3 میلی‌متر و قطر شبکه‌ ترک‌خوردگی کوچکتر از 50 میلی‌متر است.

2. تجزیه شیمیایی

افزایش دما در هنگام آتش سوزی منجر به تبخیر آب و خشک شدن خمیر سیمان می‌شود. این پدیده موجب تجزیه‌ی هیدروکسید کلسیم و آلومینات کلسیم در بتن می‌شود. فرآیند تجزیه پس از تبخیر آب مویینگی و آب آزاد صورت می‌گیرد.تجزیه شیمیایی و فیزیکی و همچنین کم آبی خمیر سیمان به دلیل آتش سوزی منجر به تغییر رنگ بتن بر اساس درجه حرارت آتش می‌شود. این تغییر رنگ می‌تواند به عنوان نشانه‌ای ازقرارگیری بتن در معرض حرارت بالا باشد. بر این اساس، می‌توان خسارت ناشی از آتش سوزی بتن را برآورد نمود.جدول زیر می‌تواند به عنوان راهنما استفاده شود.

شرایط بتن	تغییر در ظاهر بتن و درجه حرارت معیار	تغییر رنگ	دما
بدون تاثیر	بدون تاثیر	بدون تغییر	0-290
بتن سالم می‌ماند اما مقاومت آن بطور قابل توجهی کاهش می‌یابد	دمای سطح 300 درجه سانتی‌گراد، ترک‌خوردگی عمیق در 550 درجه سانتی‌گراد و در 590 درجه سانتی‌گراد گسیخته می‌شود.	صورتی تا قرمز	290-590
بتن ضعیف و شکننده است	ورقه‌ای شدن و در معرض قرار دادن کمتر از 25٪ سطح آرماتور فولادی در دمای 800 درجه سانتی‌گراد، خمیر سیمان سبک و کم آب در دمای 890 درجه سانتی‌گراد	خاکستری مایل به سفید	590-950
بتن ضعیف و شکننده است	به صورت گسترده لایه لایه می‌شود	نخودی بژ	بیش از 950

نکته : مقاومت فشاری بتن تا 300 درجه سانتی‌گراد تغییر زیادی نمی‌کند. اما این دما، آستانه شروع از دست دادن مقاومت است. اما به دلیل به وجود امدن ترک‌های داخلی ناشی از انبساط حرارتی،مقاومت بطور قابل توجهی 30 الی 40 درصد کاهش می‌یابد. باید به این نکته توجه داشت که استحکام بتن پس از پایین آمدن دما، به حالت اولیه بازگردانده نمی‌شود.

3. میکرو ترک‌ها و ورق ورق شدن بتن

ترک‌خوردگی در بتن با ایجاد ترک‌های کوچک و سپس جداسازی لایه‌های سطحی بتن به دلیل تغییر سریع دما، شروع می‌شود و در نهایت منجر به نمایان شدن آرماتور فولادی و تغییر شکل سریع آن‌ها در اثر حرارت می‌گردد. اگر دمای آتش حدود 600 درجه سانتی‌گراد باشد، نیمی از مقاومت تسلیم فولاد از بین می‌رود. همچنین اگر دمای آرماتورهای فولادی از محدوده 450-600 درجه سانتی‌گراد، شروع به پایین آمدن کند و سرد شود ، بر اساس نوع تولید میلگرد فولادی می‌توان مقاومت آن را به طور کامل به دست آورد. لایه لایه شدن ناشی از درجه حرارت بالا می‌تواند با تخریب یا انفجار ناگهانی قطعات بتنی از کوچک تا بزرک با ضخامت کمتر از چند سانتی‌متر شروع شود.

روشهای ارزیابی

1. تحقیقات مقدماتی

1.1 تمیز کردن

تمیزکردن مناسب اثرات دود بسیار مهم است. زیرا چنین آثاری باعث ترک‌خوردگی و لایه لایه شدن بتن به دلیل کربناسیون می‌شوند. علاوه بر این، تمیز کردن ساختمان آتش گرفته، به مشاهدات واضح‌تر و شناسایی دقیق‌تر از  المان‌های منحرف شده و کج شده کمک می‌کند. روش‌های مختلفی مانند پاشش آب، پاشش یخ خشک و شستشوی شیمیایی را می‌توان برای تمیز کردن بتن استفاده کرد. پاشش یخ خشک و شستشوی شیمیایی مطلوب‌تر است. زیرا از پدید آمدن آسیب‌های ثانویه به سازه بتنی جلوگیری می‌کند.

1.2 بازرسی بصری

بازرسی بصری نیاز به ثبت ترک‌ها، نشتی‌ها، تغییرشکل‌ها، ناهماهنگی‌ها، اعوجاج‌ها و همچنین مشاهده آسیب آرماتورهای فولادی دارد. علاوه بر این، هندسه و انحراف برخی از اعضای مشکوک سازه، باید اندازه گیری و ثبت شود.

1.3 شدت آتش سوزی

شدت آتش را می‌توان با استفاده از مصالح ساختمانی مقاوم در برابر آتش در ساخت ساختمان، کنترل نمود. در صورت وقوع آتش‌سوزی، می‌توان برای بررسی شدت و وضعیت سازه پس از آتش‌سوزی، مصالح مورد استفاده در سازه را برآورد نمود. بازرسی مصالح ساختمان و دانستن نقطه ذوب برخی از مصالح می‌تواند به عنوان راهنمایی برای تعیین حداکثر دمای آتش استفاده شود.

1.4 آزمایشات میدانی

اگر مراحل اولیه تحقیقات،اطلاعات کافی برای تعیین شدت آتش‌سوزی و تصمیم‌گیری در مورد ادامه فعالیت سازه در آینده را نشان ندهد، آزمایشات ساده میدانی مانند ضربه زدن با چکش یا اسکنه همراه با بازرسی بصری برای ارزیابی خسارات ناشی از آتش سوزی بتن در نظر گرفته می‌شود. زدن چکش به مواد بتنی و گوش‌دادن به صدای آن، یکی از روشهای متداول برای شناسایی آسیب وارده به عضو موردنظر است. بتن خوب و سخت معمولاً جامد و فشرده است در حالی که بتن ضعیف متلاشی و توخالی است. از اسکنه نیز برای بازرسی مناطق نرم شده روی سطح بتن استفاده می‌شود.

2. بررسی مفصل

بررسی دقیق خسارات ناشی از آتش سوزی بتن براساس یافته‌ها و توصیه‌ها طبق ارزیابی اولیه انجام می‌شود. در تحقیقات دقیق، هر دو آزمایش غیرمخرب و مخرب دخیل هستند.

2.1 آزمایشات غیر مخرب

از آزمایشات غیرمخرب مانند آزمایش سرعت پالس، هافسل، بیرون کشیدگی (Pull-off)،اسکن میلگرد، چکش اشمیت و… می‌توان برای مشخص کردن برخی ویژگی‌های بتن مانند مقاومت فشاری، یکنواختی بتن، شناسایی جانمایی میلگردها، خوردگی بتن و… استفاده نمود.

2.2 روشهای آزمایش مخرب

روش‌های آزمایش مخرب در مقایسه با آزمایش‌های غیرمخرب به زمان و تلاش بیشتری نیاز دارند. علاوه بر این، احتیاط در هنگام نمونه‌گیری ضروری است.انواع مختلف آزمایشات مخرب برای اهداف مختلف در دسترس است. آزمایش‌های مخرب را می‌توان به دو صورت آزمایشگاهی و میدانی انجام داد. این نوع از آزمایشات، اطلاعات مفصلی در مورد خواص مواد، عمق آتش‌سوزی و محل ترک‌ها ارائه می‌دهند. به عنوان مثال، آزمایش مغزه گیری که در آزمایشگاه، آزمایش می‌شود، عمدتا برای تعیین نسبت مواد سمی ، مدول الاستیسیته و مقاومت فشاری بتن استفاده می‌شود. نمونه های مغزه گیری شده باید با دقت از مکان‌هایی گرفته شوند که تأثیر آنها بر استحکام سازه حداقل باشد. همچنین نمونه‌ها باید بتوانند به طور همزمان داده‌های مورد نیاز را ارائه دهند.

نمونه‌های مغزه‌گیری از مناطقی که در معرض آتش قرار نداشته‌اند و مناطقی که در معرض آتش بوده‌اند، گرفته می‌شوند. نتایج هر دو آزمایش برای به دست آوردن معتبرترین اطلاعات در مورد تغییرات مشخصات بتن ناشی از دما مقایسه می‌شود. علاوه بر این، نمونه‌های مغزه را می‌توان برای دستیابی به اطلاعات در مورد ترک‌خوردگی در داخل یک عضو، چک کردن پیوند بتن با فولاد و همچنین دمای داخلی که با تغییر رنگ آشکار می‌شود، استفاده نمود.

روشهای آزمایش مورد استفاده برای جزئیات وضعیت بتن آسیب دیده از آتش سوزی
شرایط بتن سازه	روش آزمایش
حرارت واقعی به ساختمان سرایت کرده	بررسی مصالح ساختمان
حرارت واقعی به بتن سرایت کرده	بررسی بصری پایه بتنی بر اساس جدول 1 ،DTA و مشاهده مطالعات متالورژی فولاد
مقاومت فشاری	آزمایش بر روی هسته‌ها ، آزمایش چکش ضربه‌ای ، مقاومت در برابر نفوذ و تست‌های سونیسکوپ
صدا در نواحی دارای تنش شدید (قسمت فوقانی در مرکز تیر ؛ تکیه گاه تیر ؛ لنگرها برای تقویت در نزدیکی تکیه گاه ؛ گوشه های قاب)	چکش و اسکنه ، معاینه بصری و آزمایش سونیسکوپ
مدول الاستیسه	آزمایش بر روی هسته‌ها و مطالعات سونیسکوپ
هیدراسیون بتن	DTA ، تجزیه و تحلیل پتروگرافی و شیمیایی
عملکرد پوسته و سنگدانه	معاینه بصری و تجزیه و تحلیل سنگ نگاری
ترک خوردگی	معاینه بصری ، آزمایش سونیسکوپ و تجزیه و تحلیل سنگ نگاری
سطح سخت شدگی	سختی دری یا سایر آزمایشات
مقاومت در برابر سایش	آزمایش سایش لس آنجلس بر روی تراشه‌های بتنی
عمق خرابی	معاینه بصری برای ترک خوردگی، تغییر رنگ در هسته‌ها، تراشه و تجزیه و تحلیل سنگ نگاری
تغییر شکل تیرها	معاینه بصری برای ترک خوردگی، تغییر رنگ در هسته‌ها، تراشه و تجزیه و تحلیل سنگ نگاری
گسترش ناخالصی	معاینه بصری برای ترک خوردگی، تغییر رنگ در هسته‌ها، تراشه و تجزیه و تحلیل سنگ نگاری
تغییرات حرارت	بررسی بصری هسته‌ها برای از بین رفتن پیوند با فولاد و تغییر رنگ بتن در کنار فولاد
فولاد تقویت کننده ، فولاد ساختاری یا فولاد پیش تنیدگی	آزمایشات فیزیکی ، مطالعات متالورژی ، تغییرات ابعادی ، جابجایی و اعوجاج.
ظرفیت حمل بار	آزمایشات فیزیکی ، مطالعات متالورژی ، تغییرات ابعادی ، جابجایی و اعوجاج.