ساختمان‌های فولادی و مقاومت آن‌ها در برابر آتش

چرا ساختمان‌های فولادی به حفاظت در برابر آتش نیاز دارند، علیرغم غیرقابل اشتعال بودن فولاد

غیرقابل اشتعال بودن ذاتی فولاد در مقابل آتش در مقابل آسیب‌پذیری حرارتی آن در شرایط آتش‌سوزی

فولاد سازه‌ای خودش آتش نمی‌گیرد و به رشد شعله‌ها نیز کمک نمی‌کند، اما هنگامی که در معرض حرارت شدید قرار می‌گیرد، به‌سرعت استحکام خود را از دست می‌دهد. مواد قابل اشتعال مانند چوب در واقع آتش را تغذیه می‌کنند، در حالی که قاب‌های فولادی هیچ سوختی را به آتش اضافه نمی‌کنند؛ این امر هم احتمال وقوع آتش‌سوزی و هم سرعت گسترش آن در ساختمان‌های تجاری با رتبه‌بندی نوع I یا II را کاهش می‌دهد. با این حال، گاهی اوقات افراد فکر می‌کنند فولاد ساختمان‌ها را کاملاً در برابر آسیب‌های ناشی از آتش ایمن می‌سازد. اما واقعیت این است که فولاد هادی بسیار خوبی برای حرارت است و گرما را در تیرها و ستون‌ها بسیار سریع‌تر از سایر مواد منتشر می‌کند. علاوه بر این، با افزایش دما، فولاد به‌صورت نامساوی در نقاط اتصال و تکیه‌گاه‌ها منبسط می‌شود و تنش‌های جدی ایجاد می‌کند که می‌تواند در طول یک آتش‌سوزی، پایداری کل سازه را به خطر بیندازد.

آستانه‌های حرارتی بحرانی: زمانی که فولاد از استحکام سازه‌ای خود می‌افتد (۵۵۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد)

هنگامی که قطعات فولادی در معرض دمای بین ۵۵۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرند، از مقاومت آن‌ها به‌طور شدیدی کاسته می‌شود. چنین دماهایی در آتش‌سوزی‌های ساختمانی واقعاً رایج هستند و اغلب تنها پنج تا پانزده دقیقه پس از آغاز گسترش ناکنترل شعله رخ می‌دهند. بر اساس تحقیقات انجمن طراحی سازه‌های فولادی (AISC) در سال ۲۰۲۳، در دمای حدود ۵۵۰ درجه سانتی‌گراد، فولاد سازه‌ای تنها حدود نیمی از مقاومت عادی خود در دمای محیط را تحت تأثیر تنش حفظ می‌کند. پس از عبور از این نقطه، تیرها و ستون‌های فولادی تحت وزن خود شروع به خم‌شدن و تاب‌خوردن می‌کنند که ممکن است منجر به فروپاشی تدریجی کل سازه شود. به همین دلیل، مهندسان امروزی ایمنی در برابر آتش تلاش زیادی می‌کنند تا سرعت رسیدن فولاد به این دماهای خطرناک را کند کنند. آن‌ها برای این منظور به‌طور گسترده‌ای از اقدامات محافظتی غیرفعال استفاده می‌کنند. بدون چنین محافظت‌هایی، آزمون‌های استاندارد نشان می‌دهند که قطعات فولادی در آزمون‌های آزمایشگاهی مقاومت در برابر آتش بر اساس استاندارد ASTM E119 به‌راحتی می‌توانند در عرض ده دقیقه از دمای ۵۳۸ درجه سانتی‌گراد فراتر روند.

دستیابی به رتبه‌بندی‌های مورد نیاز مقاومت در برابر آتش در ساختمان‌های فولادی

رتبه‌بندی‌های مقاومت در برابر آتش، یا به‌طور معمول FRRها، اساساً مدت زمانی را که اجزای مختلف یک ساختمان می‌توانند در شرایط آتش‌سوزی تحمل کنند، اندازه‌گیری می‌کنند. هنگامی که به‌طور خاص درباره‌ی سازه‌های فولادی صحبت می‌کنیم، برخی از اجزای کلیدی مانند ستون‌ها، سیستم‌های کف و تیرهای اصلی نیازمند رتبه‌بندی‌های حفاظتی هستند که از ۱ ساعت تا ۴ ساعت متغیر است. الزام دقیق بستگی به عواملی مانند نوع اشغال‌کنندگان فضای مورد نظر، ارتفاع ساختمان و وجود تعداد کافی خروجی‌ها دارد. بر اساس استانداردهای کد ساختمان بین‌المللی، ساختمان‌های بلندتر عموماً نیازمند حفاظت‌های قوی‌تری هستند. ستون‌های آسمان‌خراش‌ها معمولاً باید معیارهای ۳ تا ۴ ساعته را برآورده کنند، در حالی که تیرهای حمایتی ثانویه ممکن است تنها به حدود ۱ یا ۲ ساعت حفاظت نیاز داشته باشند. این الزامات زمانی به این منظور است که ساختمان‌ها مدت کافی برای خروج ایمن ساکنین از محل ایستاده بمانند. این موضوع از این جهت منطقی است که فولاد از دمای حدود ۵۵۰ درجه سانتی‌گراد به بعد شروع به از دست دادن قابل توجه استحکام خود می‌کند.

درک رتبه‌بندی مقاومت در برابر آتش (FRR): از حفاظت ۱ ساعته تا ۴ ساعته برای ستون‌ها، سقف‌های کامپوزیتی و سیستم‌های کف

فرآیند اخذ گواهینامهٔ FRR بر اساس آزمون‌های استاندارد قرارگیری در معرض آتش ASTM E119 انجام می‌شود که روند رشد و مدت زمان واقعی آتش‌سوزی‌ها را در شرایط عملیاتی شبیه‌سازی می‌کند. ستون‌ها به دلیل نقش حیاتی‌شان در تحمل بارها، عموماً نیازمند بالاترین سطوح حفاظتی بین ۳ تا ۴ ساعت هستند. سقف‌های کامپوزیتی کف معمولاً نیازمند حداقل حفاظتی در حدود ۲ ساعت هستند. در مورد تیرهای خرپایی با تخلخل باز، دستیابی به رتبهٔ FRR معادل ۱ ساعت برای ساختمان‌هایی که خطر کمتری دارند، کافی و مناسب است. این رتبه‌های مقاومت در برابر آتش، نوع اقدامات محافظتی غیرفعالی را که مشخص می‌شوند، تعیین می‌کنند. به عنوان مثال، در مورد تیرهای استاندارد I شکل، اعمال پوشش متورم‌شونده با ضخامت حدود ۱۵ میلی‌متر معمولاً برای اکثر کاربردها نیاز به حفاظت ۲ ساعته را برآورده می‌کند.

مقایسه عملکرد: تیرهای فولادی، اتصالات و مجموعه‌های کامپوزیتی محافظت‌شده در مقابل محافظت‌نشده

فولاد بدون محافظت در دمای ۵۵۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد در عرض ۱۵ دقیقه به‌صورت فاجعه‌باری از کار می‌افتد و پیوستگی سازه‌ای و ایمنی جانی را به خطر می‌اندازد. محافظت سازه‌ای در برابر آتش (Passive Fire Protection) این بازه زمانی را به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد:

تیرهای پوشیده‌شده با پوشش متورم‌شونده، اتصالات مقاوم‌شده در برابر آتش و صفحات کف مرکب محافظت‌شده، به‌صورت مجموعه‌ای سازه‌ای را برای مدتی بیش از ۱۲۰ دقیقه پایدار نگه می‌دارند و امکان تخلیه ایمن را فراهم می‌سازند — که این مدت بسیار بیشتر از پنجره باریک بقای فولاد بدون محافظت است.

سیستم‌های محافظت سازه‌ای در برابر آتش برای ساختمان‌های فولادی

ساختمان‌های فولادی به‌طور گسترده‌ای به محافظت از خود در برابر آتش به‌صورت غیرفعال (Passive Fire Protection) متکی هستند تا بدون نیاز به فعال‌سازی دستی، استحکام سازه‌ای خود را حفظ کنند. این سیستم‌ها در طول رویدادهای آتش‌سوزی، علاوه بر ایجاد جداسازی لازم (Compartmentation)، عایق‌بندی حرارتی و پیوستگی باربری را نیز فراهم می‌کنند و هم اهداف ایمنی جانی و هم الزامات انطباق با مقررات را برآورده می‌سازند.

مواد مقاوم در برابر آتش با اعمال اسپری (SFRM): استانداردها، نحوه اعمال و دوام

مواد ضد حریق مبتنی بر سیمان یا مواد ضد حریق تقویت‌شده با الیاف (SFRMs) مطابق استاندارد ASTM E605 اعمال می‌شوند و مستقیماً به سطوح فولادی چسبیده می‌شوند. دستیابی به ضخامت یکنواخت پوشش بسیار حائز اهمیت است، زیرا این امر برای دستیابی به رتبه‌بندی مقاومت در برابر آتش به مدت ۱ تا ۴ ساعت ضروری است. با این حال، انجام این کار نیازمند ابزارهای تخصصی و متخصصان آموزش‌دیده است. اگرچه این مواد در اشکال پیچیده و سطوح گسترده‌ای که سایر گزینه‌ها در آن‌ها عملکرد ضعیفی دارند، به‌خوبی کار می‌کنند، اما اثربخشی واقعی آن‌ها به‌طور قابل‌توجهی به کنترل شرایط نصب بستگی دارد. پس از اعمال کامل این مواد، انجام بازرسی‌های دوره‌ای برای شناسایی مشکلاتی مانند نفوذ آب، برخوردهای فیزیکی یا جدایی لایه‌ها از یکدیگر ضروری می‌شود. این بازرسی‌ها به حفظ عملکرد مناسب در طول زمان و اطمینان از رعایت الزامات ایمنی کمک می‌کنند.

پوشش‌های متورم‌شونده: مزایا، محدودیت‌ها و بهترین روش‌های مشخص‌سازی

هنگامی که در معرض دماهایی در بازه تقریبی ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد تا حدود ۲۵۰ درجه قرار می‌گیرند، پوشش‌های متورم‌شونده شروع به انبساط شیمیایی می‌کنند. این پوشش‌ها لایه‌ای عایق از کربن ایجاد می‌کنند که به کند شدن سرعت گرم‌شدن فولاد کمک می‌کند؛ زیرا فولاد هنگام نزدیک شدن به آن نقطه خطرناک بالای ۵۵۰ درجه (جایی که احتمال شکست سازه‌ای افزایش می‌یابد) گرم می‌شود. این پوشش‌ها بسیار نازک هستند و بنابراین تأثیر چندانی بر دید معماری ساختمان ندارند، که این امر بازرسی بصری آن‌ها را آسان‌تر می‌سازد. با این حال، یک نکته مهم وجود دارد: دستیابی به ضخامت مناسب فیلم خشک مطابق استاندارد UL 1709 نیازمند توجه دقیق و مراقبت ویژه است. علاوه بر این، معایبی نیز دارد. مواد تشکیل‌دهنده این پوشش‌ها معمولاً هزینه اولیه بالاتری دارند و اگر سطح رطوبت در طول فرآیند پخت به‌درستی کنترل نشود، مشکلاتی ممکن است رخ دهد. کارشناسان صنعت عموماً توصیه می‌کنند از سیستم‌هایی استفاده شود که توسط طرف‌های مستقل ثالث، و به‌طور خاص برای انواع خاصی از کاربری‌ها، مورد آزمون قرار گرفته‌اند. این روش امکان انتخاب سیستمی را فراهم می‌کند که نه‌تنها از نظر حرارتی عملکرد خوبی داشته باشد، بلکه از نظر ظاهری نیز جذاب بوده و از نظر مالی در بلندمدت منطقی باشد.

انطباق با مقررات ساختمانی و صدور گواهینامه برای ساختمان‌های فولادی

سازه‌های فولادی باید مقررات ساختمانی دقیقی را رعایت کنند که استانداردهای ایمنی اولیه‌ای را در مورد مقاومت لازم و مقاومت در برابر آتش تعیین می‌کنند. اکثر مناطق ایالات متحده آمریکا اجرای «کد ساختمان بین‌المللی» (International Building Code) را الزامی دانسته‌اند که تقریباً در سراسر این کشور به رسمیت شناخته و اتخاذ شده است. این کد، استانداردهای ملی مختلفی را از جمله AISC 360 برای طراحی و ساخت سازه‌های فولادی در خود گنجانده است. این قوانین مواردی نظیر ردیابی منشأ مواد، نحوه اتصال اجزا به یکدیگر، روش‌های صحیح جوشکاری و بازرسی‌های کیفی لازم در طول اجرای ساختمان را پوشش می‌دهند. نهادهای مستقل گواهی‌دهنده با بررسی سوابق تولید، نتایج آزمون‌ها و نحوه مونتاژ اجزا در محل ساخت، اجرای این قوانین را ارزیابی می‌کنند. وظیفه اصلی این نهادها اطمینان از این است که ساختمان به طور واقعی به رتبه‌بندی مقاومت در برابر آتش طراحی‌شده دست یافته است. این فرآیند علاوه بر حفظ ایمنی افراد، به جلوگیری از دعاوی حقوقی کمک می‌کند و همچنین میزان حق بیمه‌ای که شرکت‌های بیمه برای پوشش این ساختمان‌ها دریافت می‌کنند را کاهش می‌دهد.

سوالات متداول

چرا فولاد را غیرقابل اشتعال در نظر می‌گیرند، اما همچنان نیاز به محافظت در برابر آتش دارد؟

فولاد غیرقابل اشتعال است، زیرا می‌سوزد یا سوختی برای آتش تأمین نمی‌کند. با این حال، فولاد در دماهای بالا از مقاومت سازه‌ای خود می‌کاهد و بنابراین نیاز به محافظت در برابر آتش دارد تا این کاهش مقاومت را کند کرده و از فروپاشی سازه در طول حریق جلوگیری شود.

فولاد در چه دمایی شروع به از دست دادن مقاومت خود می‌کند؟

فولاد بین دمای ۵۵۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد شروع به از دست دادن قابل توجه مقاومت خود می‌کند که دمایی رایج در حریق‌های ساختمانی است و لذا اقدامات محافظت در برابر آتش ضروری می‌شود.

رتبه‌بندی مقاومت در برابر آتش برای سازه‌های فولادی چگونه تعیین می‌شود؟

رتبه‌بندی مقاومت در برابر آتش بر اساس آزمون‌های استانداردی مانند ASTM E119 تعیین می‌شود که مدت زمانی را که اجزای مختلف تحت شرایط آتش تحمل می‌کنند، اندازه‌گیری می‌کند.

پوشش‌های متورم‌شونده چیستند؟

پوشش‌های متورم‌شونده (انتومسنت) در اثر گرما واکنش شیمیایی داده و لایه‌ای عایق‌کننده ایجاد می‌کنند که افزایش دما در فولاد را کند کرده و از شکست سازه‌ای جلوگیری می‌کند.