اثر بارگذاری حرارتی در سازه فولادی

و عدم استفاده از پوشش ضد حریق

1. پارامترهای موثر بر فولاد

حساسیت فولاد به دما یکی از ضعف‌های سازه‌های فولادی است. از آنجائیکه خواص مکانیکی فولاد در دماهای بالا به طور چشمگیر تضعیف می‌شود، ظرفیت باربری سازه‌های فولادی در آتش سوزی شدیدا کاهش می‌یابد. این نکته لزوم بررسی رفتار سازه تحت آتش را به خوبی نمایان می‌سازد. در ارزیابی مقاومت عملکرد اعضای فولادی در معرض حریق، یکی از عوامل مهم مورد نظر تأثیر حرارت برمصالح است به خصوص در مصالح فولادی که مقاومت تسلیم، شکل پذیری عضو و خواص الاستیک آن از قبیل مدول الاستیته، مدول پواسون و حد تناسب تنش، شدیداً تحت تأثیر افزایش دما قرار می‌گیرد. بنابراین برای تعیین دقیق مقاومت سازه در برابر حریق باید این خصوصیات مورد استفاده قرار گیرد. در این مقاله، مصالح به کار رفته، ترموپلاستیک می‌باشد. پارامترهای مکانیکی موثر در سازه‌های در معرض حریق به قرار زیر است:

• مدول یانگ E0 .
• تنش تسلیم موثر، Sy ،که نشان دهنده ظرفیت ماکزیمم مصالح است.
• ضریب انبساط حرارتیαt

در جدول 1 تغییرات این پارامترها با افزایش دما نشان داده شده است. اثرات ناشی از غیر خطی هندسی نیز در مطالعه سازه‌های در معرض حریق بسیار مهم است. یکی از مهمترین موارد پدیده کمانش است که در این تحلیل مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله بار آتش سوزی به صورت منحنی حرارت به اعضاء وارد می‌شود، منحنی حرارت مورد نظر منحنی اتش استاندارد iso834 می‌باشد.

از آنجاییکه در این تحقیق از نرم افزار ABAQUS برای مدل سازی و تحلیل استفاده شده است در ادامه به منظور نشان دادن توانایی نرم افزار نتایج حاصله از ان در مورد یک عضو سازه ای با نتایج تئوری مقایسه و صحت سنجی شده است.

2. صحت سنجی :

به منظور صحت سنجی نرم افزار یک تیر سه متری با تکیه گاه ساده و مقطع مستطیلی به ابعاد 0.3×0.3 در نظر گرفته شده است. این تیر تحت نیروی قائم ثابت 1410KN دروسط دهانه (شکل 1) قرار گرفته است. از انجاییکه در مرجع 2 تاریخچه زمانی تغییرمکان قائم نقطه 2 موجود بوده نتایج حاصله برای این نقطه با هم مقایسه شده اند. (شکل 2)

مقایسه نتایج به خوبی توانایی نرم افزار ABAQUS را در مدل سازی وتحلیل رفتار سازه‌های فولادی تحت آتش سوزی نشان می‌دهد.

3. تحلیل سازه ای فولادی در معرض حریق

در این قسمت رفتار یک سازه فولادی مورد بررسی قرار می‌گیرد. هدف از این تحلیل، در ابتدا، تاکید بر بعضی از اثرات خاص ناشی از بارگذاری حریق و ثانیاً ارزیابی تأثیر نوع سناریوی حریق بر نحوه فرو ریزش سازه است. در این بخش از انالیز کوپله تغییر مکان – حرارت استفاده شده است. در عین حال کلیه اثرات غیرهندسی نیزمورد توجه قرار گرفته است.

1-3. شرح سازه و ملاحظات اولیه

سازه مورد تحقیق، یک پارکینگ یک طبقه با عرشه باز به طول 32 متر و عرض 15 متر و ارتفاع ماکزیمم 3 متر است. عرشه از سه ردیف تیرهای اصلی که 7 ردیف تیرهای فرعی را نگه می دارد تشکیل شده است. جزییات سازه در شکل 3 نشان داده شده است.

همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است 4 سناریوی مختلف برای وقوع حریق در سازه بر اساس تحلیل زیسک اولیه مورد توجه قرار گرفته است .

همانطور که در بالا ذکر شد، بار حریق با استفاده از منحنی آتش استاندارد و مستقیما به اعضا وارد شده است. بنابراین، به عنوان، مثال، در سناریوی 1 این منحنی در بعضی از تیرهای اصلی و فرعی و دو ستون قاب مرکزی مورد استفاده قرار گرفته است. با انجام آنالیز غیرخطی، می‌توان ملاحظات مربوط به مقاومت سازه در برابر حریق را در نظر گرفت و همچنین می‌توان دریافت که چگونه بعضی از اعضاء از قبیل ستون‌ها برای پایداری کل سازه مهم و اساسی هستند.

2-3. نتایج آنالیز غیرخطی

نتایج تحلیل در شکل 5 روند تغییرمکان گره نوک ستون درگیر در حریق سناریوی1 را نشان می‌دهد به طور واضح دو فاز قابل تعریف است. در فاز اول انبساط حرارتی موجب به وجود امدن تغییر مکان مثبت در این گره می‌شود. و سپس بعد از 600 ثانیه فاز دوم رخ می‌دهد. که در آن روند تغییر مکان بر عکس می‌شود که از یک مقدار مثبت به مقدار منفی می‌رسد که علت آن افت مقاومت و سختی ستون است، که به طور جانبی شکم می‌دهد.

اعمال حریق به ستون‌ها به دلیل بروز کمانش در ]ن‌ها موجب بروز یک حالت بحرانی در سازه می‌شود. در حقیقت، از لحظه ای که ستون ظرفیت باربری خود را از دست می‌دهد، دیگر قادر به تحمل بار وارده نیست و در جهت ضعیف آن شکم می‌دهد. ولیکن موقعیت بحرانی در سناریوی 4 متفاوت است. در این سناریو حریق فقط به بعضی از تیرهای فرعی اعمال می‌شود و هیچ ستونی را در بر نمی‌گیرد؛ در شکل 6، ناحیه تحت تأثیر حریق نشان داده شده است.

از این سناریو همچنین می‌توان دریافت که این سازه چگونه حتی درصورت بوجودآمدن تغییر مکان‌های بزرگی در تیرهای فرعی ظرفیت باربری خود را به خوبی حفظ می‌نماید. علت این است که این خرابی متمرکز نشده و پایداری کل سازه را بخطر نمی‌اندازد. با توجه به این نکته می‌توان نتیجه گرفت که در آنالیز حریق، رفتار کلی سازه مهمتر از رفتار انفرادی اعضای تشکیل دهنده سازه است. در واقع وقتی یک سازه نامعین است، مسیرهای مختلف بار وجود دارد، تغییر شکل‌های بزرگ بدون از دست دادن ظرفیت باربری ممکن است بوجود آیند و گسیختگی سازه ای باید به صورت متفاوت بررسی شود. این پدیده موجب به وجود آمدن ظرفیت ذخیره کافی می‌شود به طوری که اکثر چنین سازه‌هایی با یک میزان خرابی سازه ای معقول از حریق نجات می‌یابند. در شکل 7 تغییر شکل یافته نهایی مربوط به سه سناریوی اول نشان داده شده است که در آن ستون‌ها در حریق درگیر هستند.

4. نتیجه گیری

در این مقاله رفتار یک سازه فولادی تحت حرارت توسط نرم افزار ABAQUS مورد بررسی قرار گرفته است. صحت سنجی نرم افزار در مقایسه نتایج حاصله با نتایج تئوری انجام شده است. رفتار غیر خطی مصالح (رفتار ترموپلاستیک) و همچنین رفتار غیر خطی هندسی از جمله کمانش ناشی از حرارت مورد توجه قرار گرفته است. نتایج حاصل از این بررسی نشان می‌دهد، به منظور به دست آوردن دید مناسب از رفتار سازه تحت حریق بررسی رفتار همزمان اعضا باهم و در تقابل با یکدیگر بسیار مهم‌تر از رفتا اعضای تک است. معمولا مقاومت سازه در برابر اتش بیش از مقاومت تک تک اعضا در برابر آتش می‌باشد.