عملکرد تحت اثر آتش سوزی پوشش ضدحریق در سازه‌های فولادی پس از زلزله

پوشش ضدحریق در سازه‌های فولادی در آتش سوزی پس از زلزله

یکی از مسائل و معضلات مهم پس از هر زلزله، آتش‌سوزی است. بدین دلیل که هر رویداد لرزه‌ای، آسیب‌هایی به مخازن سوخت، خطوط انتقال گاز و تجهیزات الکتریکی را به همراه دارد که  موجب جرقه یک آتش‌سوزی بزرگ می‌شود که با توجه به بحران‌های پس از یک زلزله، استفاده از زیرساخت‌های شهری مانند سیستم آتش‌نشانی شهری امکان‌پذیر نبوده و از طرفی سیستم‌های فعال ضد آتش مانند آبپاش‌های داخل ساختمان‌ها از کار افتاده‌اند. لذا در چنین شرایطی سیستم‌های غیرفعال ضدآتش عملکرد مناسبی از خـود نشـان داده و باعـث جلوگیری از آسیب جدی در اثر آتش‌سوزی پس از زلزله به سازه‌ها شوند. پوشش ضدحریق در سازه‌های فولادی و مواد پاششی ضد آتش در مواقع آتش‌سوزی با جلوگیری از نفوذ حرارت باعث عملکرد مناسب سازه می‌شوند.

در سال‌های اخیر مطالعات فراوانی درباره تأثیر این آتش‌سوزی‌ها پس از زلزله روی قاب‌های خمشی فولادی انجام شده است. نتایج حاصل از یکی از مطالعات نشان داد که فلسفه طراحی لرزه ای سازه‌های فـولادی قـاب خمشی تأثیر چشمگیری در عملکرد سازه به هنگام آتش‌سوزی دارد. در سال 2007 مطالعه دیگری، بـه ترتیب با استفاده از تحلیل استاتیکی غیرخطی بار افزون و تحلیل ترمومکانیک به ارزیابی عملکرد قاب فولادی پرتال تحت آتش‌سوزی پس از زلزلـه پرداخت. نتایج نشان داد مکانیزم خرابی قاب پرتال در آتش‌سوزی پس از زلزله در صورتی که عملکرد سازه در طول زلزله از حالت بهره‌برداری تجاوز نکند، تأثیر چندانی در مقاومت در برابر آتش‌سوزی نخواهد داشت.

بررسی روی سناریوهای مختلف استحکام سازه‌های فولادی پس از زلزله مطابق با رویکرد طراحی بر اساس عملکرد که شامل سطوح عملکرد بهره‌برداری بدون وقفه، سطح عملکرد جانی و سطح عملکرد خرابی نیز ارائه‌شده است.

نقش پوشش‌های ضدحریق در مقاومت قاب‌های فولادی در برابر آتش‌سوزی در بسیاری از مطالعات مورد توجه قرار گرفته است. مقایسه رفتار اعضای فولادی دارای پوشش ضدحریق و اعضای بدون پوشش ضدحریق تحت اثر آتش‌سوزی و انجام آزمایش بررسی رفتار مکانیکی پوشش ضدحریق در ناحیه اتصال تیر به ستون از جمله بررسی‌های انجام شده در این زمینه هستند. در مطالعات مذکور مشاهده شد در سطح مشخصی از جابه‌جایی نسبی طبقات، پوشش ضدحریق تیرها در محل تشکیل مفصل پلاستیک دچار آسیب می‌شود. علاوه بر این، مطالعات عددی تکمیلی جهت بررسی تأثیر آتش‌سوزی بر روی پوشش‌های آسیب‌دیده بیانگر این بود که در نواحی نزدیک به اتصال تیـر بـه سـتون، آسـیب پوشش می‌تواند باعث بالا رفتن دما در آن ناحیه و به نفوذ حرارت در نواحی نزدیک ستون شود. بعدها با استفاده از شبیه‌سازی عددی به بررسی تأثیر آسیب پوشش در طی زلزله و عملکرد آن در برابر افزایش حرارت پرداخته شد که نتایج حاصله نشانگر کاهش ظرفیت اتصال و مقاومت در برابر آتش‌سوزی در ناحیه آسیب‌دیده بود.

در سال 2014 نیز نتایج مطالعه بر عملکرد قاب خمشی فولادی دو بعدی تحت اثر آتش‌سوزی پس از زلزله برای دو سطح عملکرد کارایی بی‌وقفه (مدرسه) و سطح عملکرد ایمنی جانی (مسکونی)، نشان داد سازه‌های تضعیف‌شده بر اثر زلزله، مقاومت آتش کمتری نسبت به سازه‌های بدون آسیب ناشی از زلزله دارند و همچنین سازه طراحی شده به عنوان مدرسه مقاومت آتش‌سوزی پس از زلزله بیشتری نسبت به سازه مسکونی دارد.

عملکرد اتصالات کاهش‌یافته بر روی سازه‌های قـاب خمشـی فـولادی دارای پوشش ضدحریق نیز تحت آتش‌سوزی پس از زلزله نشان داد که آسیب وارده به پوشش ضدحریق در اثر زلزله، تأثیر چندانی در پایداری  قاب خمشی فولادی ندارد.

در پژوهش حاضر جهت بررسی اثر پوشش ضدحریق بر روی رفتار قاب خمشی فولادی تحت آتش‌سوزی پس از زلزله، دو قاب خمشی که از نظر مقاطع و مشخصات هندسی یکسان بوده که یکی از آن‌ها بدون پوشش ضدحریق و دیگری دارای پوشش ضدحریق تنها بر روی ستون‌ها می‌باشد، در نظر گرفته شده است.

مدل مورد مطالعه 

در این مطالعه، عملکرد قاب‌های فولادی تحت آتش‌سوزی پس از زلزله با استفاده از مدل اجزای محدود مورد تحلیل و بررسی قرارگرفته است. قاب مورد نظر مربوط به ساختمان SAC9 می‌باشد که با استفاده از آیین‌نامه UBC 1994 در شهر لس انجلس بر روی خاک نوع سخت طراحی شده است. پلان ساختمان و نمای قاب خمشی فولادی به همراه مقاطع تیرها در شکل 1 نشان داده شده است. قاب مورد مطالعه با کادر سبز رنگ در شکل 1 مشخص شده است. همچنین مقاطع ستون‌ها در جدول 1 ارائه شده است. هندسه سازه شامل یک پلان مربعی با 5 دهانه 15/9 متری در هر دو جهت که فاصله دهانه‌ها یکسان است. تیرهای اصلی در فواصـل 15/9 متری و تیرهـای  فرعی در فواصـل 05/3 متری قرارگرفته‌اند. ساختمان مورد نظر دارای ارتفاع طبقات یکسان 96/3 متری است، ارتفاع طبقه زیرین 65/3 متر و ارتفاع طبقه همکف 49/5 متـر اسـت. همان‌طور که در شکل 1 ملاحظه می‌شود، ساختمان دارای 2 قاب خمشی فولادی در جهات اصلی و در پیرامون پلان قرار گرفته است (مقاطع با رنگ قرمز)، می‌باشد. پای ستون‌های قاب خمشی مفصلی بوده و در تراز سطح زمین از تغییر مکان جانبی قاب جلوگیری شده است. فاصله محل وصله ستون‌ها از تراز طبقات 83/1 متر می‌باشد. مدول الاستیسیته برای مصالح تیر و ستون برابر 1011×1/2 پاسکال و همچنین تنش تسلیم در تیرها و ستون‌ها به ترتیب برابر 10⁶×248 و 10⁶×345 پاسکال در نظر گرفته شده است. تغییرات تنش تسلیم و مدول الاستیسیته در برابر افزایش حرارت با استفاده از آیین‌نامه اروپا اعمال گردیده است.

             جدول 1 : مقاطع ستون‌های قاب خمشی ساختمان SAC9

شناسه ستون	مقاطع
	ستون‌های داخلی		ستون‌های خارجی
A	W14x500		W14x370
B	W14x455		W14x370
C	W14x370		W14x283
D	W14x283		W14x257
E	W14x257		W14x233

 

شکل 1 :  نمای قاب خمشی ساختمان SAC9

همان‌طور که اشاره شد، در این پژوهش دو قاب خمشی یکسان که یکی از آن‌ها دارای پوشش ضدحریق بـر روی ستون می‌باشد و دیگری بدون پوشش ضدحریق، مورد مطالعه قرار گرفته است. هر یک از قاب‌های مورد مطالعه تحت 3 سناریو عمده قرار می‌گیرند کـه هـر یک از سناریوها دارای 3 حالت است. سناریو اول شامل وقوع آتش‌سوزی در دهانه کناری در یکی از طبقات 2، 3 و 4 و سناریو دوم آتش‌سوزی در دهانه وسط در طبقات مذکور است. در سناریو سوم آتش‌سوزی گسترده در یکی از طبقات 2، 3 و 4 مورد مطالعه قرار گرفته است. در جدول 2 نامگذاری مدل‌ها و سناریو اعمال شده در هر یک از آن‌ها ارائه شده است. در شکل2 سناریوها، برخی از مدل‌ها و اعضا تحت آتش‌سوزی (اعضا با رنگ قرمز) مشخص شده است.(تغییر مکان‌ها در شکل2 به صورت شماتیک است).

جدول 2 : مدل‌های مورد مطالعه

شماره مدل	پوشش ستون	سناریو	طبقه	شماره مدل	پوشش ستون	سناریو	طبقه
1	بدون پوشش	1	2	10	دارای پوشش	1	2
2	بدون پوشش	1	3	11	دارای پوشش	1	3
3	بدون پوشش	1	4	12	دارای پوشش	1	4
4	بدون پوشش	2	2	13	دارای پوشش	2	2
5	بدون پوشش	2	3	14	دارای پوشش	2	3
6	بدون پوشش	2	4	15	دارای پوشش	2	4
7	بدون پوشش	3	2	16	دارای پوشش	3	2
8	بدون پوشش	3	3	17	دارای پوشش	3	3
9	بدون پوشش	3	4	18	دارای پوشش	3	4

 

شکل 2 : الف) سناریو 1 (مدل‌های 1 و 10) ، ب) سناریو 2 (مدل‌های 6 و 15)، ج) سناریو 3 (مدل‌های 8 و 17)

 

صحت سنجی

 جهت صحت سنجی فرآیند تحلیل ترمومکانیک، قاب مورد آزمایش شده، با استفاده از نرم‌افزار آباکوس شبیه‌سازی شده و با نتایج حاصل از شبیه‌سازی مطالعات جیانگ مقایسه گردیده است. خواص فولاد تحت حرارت بر طبق آیین‌نامه اروپا در نظـر گرفته‌شده است. مشخصات مصالح و مقطع مورد استفاده و همچنین نتایج حاصل از تحلیل قاب مورد نظر در شکل 3 ارائه شده است.

شکل3 – مشخصات هندسی قاب ZSR و نتایج شبیه‌سازی

روش تحقیق

در این پژوهش جهت مدل‌سازی پدیده آتش‌سوزی پس از زلزله، تحلیل در سه فاز کلی انجام می‌گیرد. در فاز اول قاب، تحت بارگذاری ثقلی مورد تحلیل قرار می‌گیرد. در فاز دوم جهت اعمال بار زلزله، طبق آیین‌نامه FEMA  تغییر مکان هدف سازه مورد مطالعه برابر با 81 سانتی‌متر محاسبه شده و با استفاده از روش تحلیل استاتیکی غیرخطی توسط نرم‌افزار SAP2000 مورد تحلیل قرار می‌گیرد. در فاز سوم با حفـظ تغییر شکل‌های ناشی از تحلیل بار افزون، سازه بر اساس تحلیل‌های حرارتی که در ادامه به آن اشاره می‌شود، تحت آتش‌سوزی قرار می‌گیرد.

جهت اعمال بار حرارتی در فاز سوم تحلیل، تحلیل حرارتی با استفاده از نرم‌افزار ABAQUS انجام گرفته و نتایج این تحلیل در فاز سوم تحلیل مورد استفاده قرار گرفته است. منحنی آتش‌سوزی بر اساس ISO834 اعمال گردیده است. ضخامت پوشش ضدحریق در ستون‌هایی کـه در مدل‌های 10 الی 18 مورد استفاده قرار گرفته است در جدول 3 ارائه شده است. ضخامت پوشش بر روی ستون‌ها جهت مقاومت در برابر آتش‌سوزی 2 ساعته در نظر گرفته شده است. مشخصات حرارتی پوشش‌های ضد حریق بر اساس گزارش NIST اعمال گردیده است. بخشی از نتایج تحلیـل حرارتی در شکل 4 ارائه شده است. ستون‌های کناری مانند آنچه در شکل 4 ارائه شده است از سه جهت تحت آتش‌سوزی قـرار گرفتـه در حالی که ستون‌های داخلی از هر چهار طرف تحت اثر آتش‌سوزی می‌باشد.

جدول3 : ضخامت پوشش ضدحریق

مقطع	W14X500	W14X455	W14X370	W14X283	W14X257	W14X233
ضخامت(میلی‌متر)	10	12	13	13	13	13

 

                         شکل 4 : الف) نتایج تحلیل حرارتی در تیر W36X160، ب) ستون‌های داخلی، ج)ستون‌های خارجی

معیار شکست

مقاومت نسبی قاب بر اساس معیارهای شکست مختلف، مانند معیارهای شکست حرارتی و مقاومت ذکر شده در ASTM E119  تعیین می‌شود. معیار شکست برای ستون‌های فولادی، به این صورت است که وقتی ظرفیت محوری ستون در دمای بالا به حـدود 50 درصـد از مقاومت محوری در دمای محیط کاهش می‌یابد، اصطلاحاً ستون شکست خورده است. همچنین برای تیرها دو معیار شکست ارائه شده است، یکی بر اساس میزان انحراف و دیگری نرخ انحراف تیر می‌باشد. این معیارهای شکست مهم هستند، زیرا علاوه بر انحراف بیش از حد اعضای ساختمانی، در صورت عبور از این معیارها یکپارچگی سازه تضمین نمی‌شود.

به طور عمده، استفاده از میزان انحراف و نرخ انحراف برای حفظ ایمنی ساختمان قبل از هرگونه خرابی مفید است. حداکثر انحـراف مجـاز ­­متفاوت است و بستگی به عملکرد ساختاری تعریف شده دارد. اغلب انحراف برای سازه‌های معمولی محدود به  می‌شود، که در آن L طول تیر  است. از طرفی دشوار است که بگوییم شکست یکی از اعضا الزاماً منجر به زنجیرهای از شکست‌های بعدی می‌شود. در این پـژوهش از معیـار میـزان انحراف تیر استفاده‌شده است.

نتایج تحلیل

در این بخش نتایج تحلیل قاب‌های خمشی در سناریوهای مختلف ارائه می‌گردد. تغییر مکان وسط هر یک از تیرهایی که در سناریوهای 1 و 2 در معرض آتش‌سوزی قرار دارند در شکل 5 ارائه‌شده است. با توجه به شکل5 می‌توان نتیجه گرفت، در آتش‌سوزی‌های تک دهانه، محل وقوع آتش‌سوزی تأثیر چندانی در میزان مقاومت تیر نداشته و مقاومت تیر مستقل از محل قرارگیری آن است. میزان مقاومت در هر یک از سناریوهای 1 و 2 در جدول 4 ارائه‌شده است.

جدول4 : زمان مقاومت سازه‌ها در سناریوهای اول و دوم

نام مدل	زمان مقاومت	نام مدل	زمان مقاومت	نام مدل	زمان مقاومت	نام مدل	زمان مقاومت	نام مدل	زمان مقاومت	نام مدل	زمان مقاومت
مدل1	73‘	مدل2	71‘	مدل3	61‘	مدل4	76‘	مدل5	73‘	مدل6	65‘
مدل10	88‘	مدل11	89‘	مدل12	70‘	مدل13	89‘	مدل14	89‘	مدل15	69‘

شکل5 : نمودار تغییر مکان وسط تیرهای درگیر در آتش‌سوزی

در شکل 6 وضعیت هر دو سازه در سناریو سوم ارائه‌شده است. همان‌طور که در شکل 6 ملاحظه می‌شود در سازه بدون پوشش، ستون‌های درگیر در آتش‌سوزی قبل از آنکه تیرها دچار خرابی شوند، کمانش کرده‌اند. زمان مقاومت سازه دارای پوشش در مدل‌های 16، 17 و 18 به ترتیب 88، 89 و 69 دقیقه بدست آمده است. تغییر مکان نقطه بالای ستون کناری مدل‌های 7، 8 و 9 در بام سازه در شکل 7 ارائه‌شده است.

  

شکل 6 : الف) مدل 7 (سازه بدون پوشش تحت سناریو 3)، ب) مدل 16 (سازه دارای پوشش تحت سناریو 3)

 

 

شکل7 : الف) نمودار تغییر مکان بالای بام (سازه بدون پوشش)، ب) نمودار خیز تیر(سازه دارای پوشش)

نتیجه‌گیری

با توجه به جدول4 ملاحظه می‌شود علاوه بر اینکه مقاومت سازه بدون پوشش در هر دو سناریو اول و دوم با در نظر داشتن معیار خرابی تیر، از سازه بدون پوشش کمتر بوده، بلکه با توجه به شکل5 و مقایسه دو سازه در سناریوهای مشابه، ملاحظه می‌شود در زمان وقوع خرابی(عبور خیز تیـر از معیار خرابی)،  ستون‌های درگیر در آتش‌سوزی به لحاظ هندسی دچار کمانش شده‌اند.

با توجه به شکل‌های 6 و 7 ملاحظه می‌شود، در سناریو سوم سازه دارای پوشش عملکردی مشابه سناریوهای اول و دوم از خود نشان داده، به‌طوری‌که هیچ‌یک از ستون‌ها دچار کمانش نشده و زمان مقاومت در برابر آتش نیز تغییر محسوسی نکرده است. همان‌طور که ملاحظه می‌شود در سناریو سوم سازه بدون پوشش دچار خرابی از ناحیه ستون شده و در زمان بسیار کمی مقاومت خود در برابر آتش‌سوزی را از دست داده، به طوری که تیرهای درگیر در آتش‌سوزی دچار خیز نشده عمده‌ای نشده‌اند.

با توجه به نتایج فوق می‌توان نتیجه گرفت سناریو و وسعت آتش‌سوزی بر روی سازهای که دارای پوشش ضدحریق بر روی ستون‌های خود است تأثیر چندانی ندارد و نوع خرابی به مشخصات و مقاومت تیر در برابر آتش‌سوزی وابسته است. در سازه‌ی بدون پوشش ضدحریق ملاحظه شد، سناریو آتش‌سوزی تأثیر بسزایی در رفتار کلی سازه خواهد داشت، به‌طوری‌که با گسترش آتش‌سوزی، عملکرد کلـی سـازه دچـار اخـتلال شـده و مقاومت لازم در برابر بارهای وارده را نخواهد داشت. با توجه به شکل7 الف ملاحظه می‌شود سازه در سناریو سوم دچار تغییر شکل‌های عمده‌ای شده و با توجه به تغییر مکان زیادی که در زمان بسیار کمی رخ داده است، دچار خرابی پیش رونده می‌شود.

با توجه به نتایج بالا پیشنهاد می‌شود در بهسازی و مقاوم‌سازی ساختمان‌ها در برابر آتش‌سوزی پس از زلزله، با توجه بـه محدودیت‌های اقتصادی و فنی، از پوشش‌های ضدحریق بر روی ستون‌ها استفاده کرد.