مقاوم سازی سازه های فولادی در برابر حریق، آزمون استاندارد آتش سوزی
آزمون استاندارد آتش سوزی
اطلاعات عمومی
یک روش استاندارد انجام آزمون آتش سوزی با مدت زمان و شدت کنترل شده برای مقایسه دقیق نتایج حاصل از بررسیهای مختلف ضروریست . این مسئله ابتدا در سال 1903 با پیشنهادی ارایه شده توسط کمیته بریتانیایی پیشگیری از آتش سوزی مطرح شد و در کنگره بین المللی آتش سوزی در لندن تصویب شد . این پیشنهادات بعدها از نظر عملی در ایالات متحده اصلاح شدند ، و در سال 1918 م . ، در یک کنفرانس مشترک بین انجمن آمریکایی آزمون مواد (ASTM) و انجمن ملی حفاظت از آتش (NFPA) ، اولین استانداردهای آمریکایی تصویب شدند . شرکت آزمایشگاه‌های بیمه گر (UL) در مدت کوتاهی پس از آن ، از انتشار اولین نسخه از یک استاندارد جداگانه در سال 1929 که توسط موسسه استانداردهای ملی آمریکا تایید شده بود ، پیروی کرد .
امروزه ، ASTM E119, NFPA 251 , ANSI/UI 263 تبدیل به استانداردهایی برای آزمون حفاظت از آتش المانهای ساخت و ساز در ایالات متحده شده اند . آنها روشهای آزمون یکنواختی را برای دیوارها ، پارتیشنها ، ستونها ، تیرها و مجموعه های سقف و کف فراهم می نمایند . روشها و الزامات مورد نیاز برای المانهای آزمایش شده تحت هر یک از این سه استاندارد تقریبا" با یکدیگر یکسان هستند . برای اهداف راهنما مرجع این مطلب ، استاندارد ASTM E119 مرجع خواهد بود.
توضیح روش
این روش با انتخاب نمونه شروع می شود و ساختار آن مورد آزمایش قرار می گیرد طوری که نمونه را در داخل یا بالای کوره آزمایش قرار می دهند و مطابق با رابطه استاندارد زمان- دما ، نمونه را در معرض افزایش دما قرار می دهند . یک نوع کوره برای سیستمهای سقف و کف در شکل1 نشان داده می شود .
ترموکوپل‌ها به المان متصل می شوند و درصورت مقتضی ، حفاظت از آتش بکار برده می شود . نمونه هایی که معرف مجموعه های کف و سقف هستند همواره تحت فشار نیرو هستند که به طور معمول با ظرفیت طراحی کامل آنها برابر است . شرایط بارگیر کاهشی مجاز است ، اما در عمل مجموعه مورد نظر بایستی دارای همان محدودیت بکار رفته در ظرفیت بار باشند . روشهای آزمون استاندارد به ستونها اجازه می دهند تا با یا بدون بار آزمایش شوند . با این حال ، ستونها تقریبا همواره در یک شرایط بدون بار آزمایش می شوند که علت آن تعداد محدود امکانات در دسترس برای آزمون ستون بارگذاری شده می با
آنگاه المان در معرض دماهای کوره منطبق بر منحنی استاندارد زمان – دما قرار داده می شوند . به منظور ایمنی پرسنل و کارکنان آزمایشگاه ، آزمایش تحت فشار جزئی منفی کوره انجام می شود . بسته به معیار خاص استاندارد برای نوع المان آزمایش شده ( دیوار ، ستون ، سقف ، کف یا تیر ) و رتبه بندی مطلوب ( محدود یا نامحدود ) ، آزمایش زمانی انجام می شود که یک معیار دمای محدود برآورده می شود یا اینکه المان دیگر نمی تواند از بار طراحی اش پشتیبانی نماید . فهرستی از معیار محدود برای استاندارد ASTM E119 در جدول1 نشان داده می شود . این استاندارد همچنین روشهای آزمون جایگزینی را برای المانها بدون کاربرد بارهای طراحی فراهم می کند .
دیوارها یک آزمون اضافی جریان شیلنگ آب آتش نشانی را تحمل می کنند که شامل تخلیه جریان تحت فشار آب روی دیوار و مشاهده تاثیر آن و آثار خنک کنندگی می باشد . آزمون جریان شیلنگ ممکن است برای نمونه آزمایش شده ای بکار برده شود که بلافاصله از آزمون پایداری در برابر آتش پیروی می کند ، یا ممکن است برای یک نمونه دوبل بکار برده شود که در معرض آزمون پایداری آتش برای نیمی از رتبه بندی طبقه ای آن باشد . رتبه بندی مقاومت در برابر آتش ، که بر حسب ساعت بیان شده ، از آزمون استاندارد آتش با اندازه گیری زمان گذشته شده تا حصول معیار شکست استخراج می شود .
شکل1-کوره معمولی برای آزمون مجموعه سقف و کف
جدول1 معیارهای حدی استاندارد ASTM E119
| دیوار های و پارتیشن های نحمل کننده بار |
|---|
| المان دیگر نمی تواند بار اضافی خود را حفظ نماید . |
| احتراق ضایعات پنبه روی سطح غیر نمایان . |
| یک دریچه و سوراخ باعث می شود که آب طی آزمایش جریان شیلنگ آب آتش نشانی فراتر از سطح غیر نمایان ظاهر شود . |
| دما روی سطح غیر نمایان در هر نقطه بیش از 325 درجه فارنهایت (181 درجه سانتیگراد ) بالا می رود |
|
میانگین دما روی سطح غیر نمایان بیش از 250 درجه فارنهایت ( 139 درجه سانتیگراد ) بالا می رود |
| دیوار ها و پارتیشن های بدون تحمل |
|---|
| احتراق ضایعات پنبه روی سطح غیر نمایان . |
| یک دریچه و سوراخ باعث می شود که آب طی آزمایش جریان شیلنگ آب آتش نشانی فراتر از سطح غیر نمایان ظاهر شود . |
| دما روی سطح غیر نمایان در هر نقطه بیش از 325 درجه فارنهایت (181 درجه سانتیگراد ) بالا می رود . |
| دما روی سطح غیر نمایان بیش از 250 درجه فارنهایت ( 139 درجه سانتیگراد ) بالا می رود . |
| ستون های بارگذاری شده |
|---|
| المان دیگر نمی تواند بار اضافی خود را حفظ نماید . |
| ستون های بدون بار |
|---|
| میانگین دما فراتر از 1000 درجه فارنهایت ( 538 درجه سانتیگراد ) می رود . |
| دما در هر نقطه فراتر از 1200 درجه فارنهایت (649 درجه سانتیگراد ) می رود . |
| مجموعه های محدود سقف و کف و تیرهای بارگذاری شده |
|---|
| المان دیگر نمی تواند بار اضافی خود را حفظ نماید . |
| احتراق ضایعات پنبه روی سطح غیر نمایان .(فقط رتبه بندی مجموعه ) |
| در مدت زمان بیشتر از نیم ساعت یا یکساعت ، میانگین دمای فولاد فراتز از 1100 درجه فارنهایت (539 درجه سانتیگراد ) می رود . |
| در مدت زمان بیشتر از نیم ساعت یا یکساعت ، دما در هر نقطه فراتر از 1300 درجه فارنهایت (704 درجه سانتیگراد ) می رود . |
| مجموعه های محدود سقف و کف و بارگذاری شده |
|---|
| دما روی سطح غیر نمایان در هر نقطه بیش از 325 درجه فارنهایت (181 درجه سانتیگراد ) بالا می رود .(فقط رتبه بندی مجموعه ) |
| دما روی سطح غیر نمایان بیش از 250 درجه فارنهایت ( 139 درجه سانتیگراد ) بالا می رود .( فقط رتبه بندی مجموعه ) |
| مجموعه های محدود سقف و کف و تیرهای بارگذاری شده |
|---|
| المان دیگر نمی تواند بار اضافی خود را حفظ نماید . |
| احتراق ضایعات پنبه روی سطح غیر نمایان .(فقط رتبه بندی مجموعه ) |
| میانگین دمای ثبت شده توسط چهار ترموکوبل فراتر از 1100 درجه فارنهایت ( 593 درجه سانتیگراد ) است .(فاصله نمونه ها بیش از 4فوت از مرکز می باشد ) |
| دما در هر نقطه فراتر از 1300 درجه فارنهایت (704 درجه سانتیگراد ) می رود .(فاصله نمونه ها بیش از 4فوت از مرکز می باشد ) |
| میانگین دما ی ثبت شده توسط تمام ترموکوبلها بیش از 1100 درجه فارنهایت (593 درجه سانتیگراد ) می باشد (.(فاصله نمونه ها 4فوت یا کمتر از مرکز می باشد ) |
| دما روی سطح غیر نمایان در هر نقطه بیش از 325 درجه فارنهایت (181 درجه سانتیگراد ) می شود ( فقط رتبه بندی مجموعه ) |
| دما روی سطح غیر نمایان بیش از 250 درجه فارنهایت (139 درجه سانتیگراد ) می شود ( فقط رتبه بندی مجموعه ) |
| میانگین دمای ثبت شده توسط تمام ترموکوبلهای واقع شده روی هر دهنه از دسته های فولادی سقف یا کف فراتر از 1100 درجه فارنهایت (593 درجه سانتیگراد ) می باشد ( واحدهای در نظر گرفته شده برای استفاده در دهنه ها بزرگتراز مقادیر آزمایش شده می باشند ) |
| تیرهای فولادی و شاه تیرهای بدون بار |
|---|
| میانگین دما فراتر از 1000 درجه فارنهایت (538 درجه سانتیگراد ) می باشد . |
| دما در هر نقطه فراتر از 1200 درجه فارنهایت (649 درجه سانتیگراد ) می باشد . |
آزمایش استاندارد آتش سوزی
آزمایش استاندارد آتش سوزی برای استانداردهای ASTM E119, NFPA 251 , ANSI/UL 263 یکی است . از زمانی که تست آتش سوزی برای اولین بار در سال 1918 در ایالات متحده ثبت و مستند شد ، تقریبا" بدون تغییر باقی مانده است . سرعت انجام تست آتش سوزی تحت کنترل منحنی استاندارد زمان – دما می باشد ، همانطور که در شکل نشان داده شده است . مشخصات این منحنی شامل افزایش سریع دما و مدت زمان طولانی می باشد . دماها به طور مداوم با زمان افزایش پیدا می کنند و هیچ دوره زمانی خنک کنندگی وجود ندارد .
دماهای کوره برای مطابقت دادن با منحنی بر مبنای قرائت‌های صورت گرفته حداقل هر 5 دقیقه طی 2 ساعت نخست آزمون و هر 10 دقیقه پس از آن تنظیم می شوند .دقت آزمون با مقایسه سطح زیر منحنی بکاربرده شده زمان – دما با منحنی استاندارد زمان – دما بدست آورده می شود . آزمایش‌ها برای سیستمهای با مقادیر 1 ساعت یا کمتر موفق در نظر گرفته می شوند اگر مساحت‌ها 10 درصد یکدیگر باشند ، مقادیر 2 ساعت یا کمتر به دقت 7.5 درصدی نیاز دارد و مقادیر بزرگتر از 2 ساعت به دقت 5 درصدی نیاز دارند .
علاوه بر آزمون استاندارد آتش سوزی ، ASTM همچنین روشی برای آزمایش المانهایی فراهم می کند که در معرض آتش سوزیهای استخر هیدروکربن قرار گرفته اند . این استاندارد با مشخصه ASTM E1529 شامل یک مقدار بزرگتر از افزایش دما و شدت آن بزرگتر از شدت آزمایش استاندارد آتش سوزی می باشد .
شکل2-منحنی استاندارد زمان – دما
محدودیتهای آزمایش استاندارد آتش سوزی
آزمایش استاندارد آتش سوزی ، خط مبنای کاری برای مقایسه عملکرد ساختمان‌های مختلف مقاوم در برابر آتش فراهم می کند . با این حال ، به دلیل مفروضات و محدودیتهای ذاتی آن ، آزمایش نبایستی برای پیش بینی رفتار یک المان تحت شرایط واقعی آتش سوزی ساختمان به اشتباه بنا شود . در این رابطه ، آزمایش استاندارد آتش سوزی در معرض چندین محدودیت قرار دارد .
1. منحنی زمان – دما برای آزمایش استاندارد آتش سوزی با افزایش سریع دما پس از افزایش مداوم دما مشخص می شود . تحقیقات نشان داده که ، در واقعیت ، آتش سوزی ساختمان می تواند به طرز کاملا" متفاوتی رفتار نماید . به جای افزایش سریع دما در منحنی استاندارد زمان – دما ، آتش سوزیهای ساختمان ممکن است طی مرحله اولیه احتراق با دماهای نسبتا" کند شروع شود . از این مرحله ، برخی از آتش سوزیهای ساختمان از طریق افزایش سریع دما در پدیده ای به نام " صاعقه " رخ می دهد که در آن تقریبا" هر جسم قابل احتراق در محفظه به طور همزمان آتش می گیرد .این آتش سوزیها بیشتر پیش می روند و به یک مرحله کاملا" توسعه یافته می رسند که در آنجا دماها بیشتر از دماهای منحنی استاندارد زمان – دما می باشند . آتش سوزیهایی که به حالت " تخلیه الکتریکی و صاعقه یا فوران " نمی رسند منجر به ایجاد شرایط حرارتی با شدت کمتر از طریق شعله آتش و یا لایه دود داغ می شوند .
آتش سوزیهای دیگر که فاقد اکسیژن کافی و یا سوخت لازم برای رسیدن به نقطه فوران می باشند ، ممکن است به صورت موضعی باقی بمانند و دماها را به خوبی تحت منحنی استاندارد گسترش دهند . سرانجام ، در حالیکه دماها در منحنی استاندارد زمان – دما به طور مداوم با زمان افزایش می یابند ، آتش سوزیهای ساختمان سرانجام به یک مرحله خنک سازی می رسند زیرا محتویات ساختمان خراج می شوند و در غیر اینصورت با مواد فعال حفاظت در بزابر آتش خاموش می شوند . یک نمودار شماتیک از نحوه آزمایش استاندارد آتش سوزی نسبت به آتش سوزی های ساختمان معمولی در شکل3 نشان داده می شود .
2. محفظه آزمایش مورد استفاده برای آزمایش استاندارد آتش سوزی دارای شرایط محیطی مختلف نسبت به آتش سوزی واقعی است . طی آزمایش ، نمونه ها تحت فشار منفی آزمایش می شوند تا ایمنی کارکنان آزمایشگاه حفظ شود . تحت شرایط واقعی آتش سوزی ساختمان ، فشارها معمولا" مثبت هستند . نمونه همچنین با تخلیه و تهویه کافی آزمایش می شوند تا احتراق کامل مهیا شود . تخلیه طی یک آتش سوزی واقعی ساختمان ممکن است محدود باشد .
3. المانهای باربر (حمال ) معمولا" تحت بارهای طراحی کاملا" اضافه شده مرده و زنده شان آزمایش می شوند . در صورتی که معیار طراحی بارگذاری محدود برای مجموعه تعیین شوند ، بار کاهش متناظر اعمال می شود . استاندارد هیچ گونه ارزیابی با احتمال وقوع کم از بار طراحی کامل طی یک رویداد آتش سوزی غیر عادی ارایه نمی دهد . در استاندارد " حداقل بارهای طراحی برای ساختمانها و دیگر سازه ها " که توسط جامعه مهندسان عمران آمریکا ( ASCE) ارایه شده ، کاهش قابل توجهی در بارهای زنده طراحی برای عناصر تجربه کننده رویدادهای غیر عادی مجاز می باشد .کاهش مشابهی در استاندارد " آیین نامه مدل در زمینه مهندسی آتش سوزی " برای فولاد سازه ای و منتشر شده توسط کنوانسیون اروپا ( ECCS) فراهم می شود .
4. از آنجا که کوره های استاندارد از نظر اندازه محدود می باشند ، اعضای با طولهای بزرگتر از قالب آزمایش را نمی توان در آن جا داد . استاندارد ASTM E119 این محدودیت را تایید می کند ، و به طراح هشدار می دهد که آزمایش " اطلاعات کاملی در باره عملکرد مجموعه های ساخته شده با اجزا یا با طولهایی غیر از اجزای آزمایش شده " فراهم نمی کند .
5. آزمایش استاندارد مقاومت در برابر آتش ، کمک و سهم واندازه سازه قابل احتراق ( در شدت آتش سوزی ) را عنوان نمی کند که گاهی اوقات به منظور حفظ محدوده رابطه زمان – دما ی استاندارد ASTM E119 در کوره منجر به احتراق سوخت خیلی کم می شود . این اثر تا حدی موجب تخریب هدف مورد نظر از استاندارد برای فراهم کردن یک " روش ارزیابی تطبیقی یکنواخت برای انواع مختلف ساخت و ساز تحت یک نوع آتش سوزی می شود ، زیرا آزمایشه ای با مدت زمان مشابه روی نمونه های قابل احتراق و غیر قابل احتراق ، مقادیر متفاوتی از سوخت کوره را مصرف می کنند .
شکل3- منحنی زمان – دمای آزمایش استاندارد آتش سوزی در برابر آتش سوزیهای ساختمان معمولی
6. نتایج بدست آمده از استاندارد ASTM E119 ، اثراتی را که برخی از دریچه های متداول ، مانند خروجی های برقی و نفوذهای لوله روی عملکرد کلی مجموعه دارند در نظر نمی گیرد . اگرچه نفوذها در آزمایش در نظر گرفته می شوند ، اما به ندرت وجود دارند . استاندارد ASTM E814 معمولا" برای نفوذهای آزمایش در مجموعه های مقاوم به آتش سوزی استفاده می شود زیرا نمونه های کوچکتر قابل آزمایش می باشد . آزمایش همچنین برای شبیه سازی رفتار اتصالات بین کف و دیوار یا اتصالات بین ستونها وتیرها ، طراحی نمی شود .
7. ضرورتا" محودیت استاندارد ASTM E119 وجود ندارد ، اما توضیح مناسبی ذکر می شود که استاندارد ASTM E119 برای تست توانایی مجموعه های دیوار یا کف در محودیت ساختن تولید و حرکت دود و گازهای سمی – علل اصلی تلفات وصدمات در حوادث آتش سوزی ، نیست . سازه قابل احتراق ، در حالیکه برای مقاومت در برابر آتش رتبه بندی شده ، می تواند تا حد قابل توجهی در تولید دود مشارکت داشته باشد هرگاه در معرض آتش قرار داشته باشد .
مقاومت حرارتی
نمونه های آزمایش مورد استفاده در آزمایش استاندارد آتش سوزی بعنوان نماینده ای از سازه های ساختمانی انتخاب می شوند و برای آنها نتایج آزمایش اعمال خواهد شد . برای سیستمهای سقف و کف ( وبرای تیرهای مجزا ) این طرز نمایش همچنین شامل شرایط بازدارنده محیطی ( شرایط بازدارنده انتهایی برای تیرها یعنی تیرهای یکطرف گیردار ) با توجه به قالب آزمایش که درآنجا نمونه نصب می شود ، می باشد . در سال 1970 ، استاندارد ASTM E119 برای در نظر گرفتن دو شرط مختلف با محدودیت ( دوطرف بسته ) و بدون محدویت ( باز ) ، اصلاح شد .
این سیستم دسته بندی دوگانه برای طراحی داخل ایالات متحده و کانادا استفاده می شود . قبل از 1970 ، سیستم رتبه بندی ساده تری استفاده شد ، و شرایط محیطی ( انتهایی ) در استاندارد تعریف نشدند . با این حال ، تاثیر مفید محدودیت محیطی برای مجموعه های کف و سقف توسط متخصصان به خوبی شناخته شد و اکثر نمونه های رتبه بندی شده در شرایط محدود آزمایش شدند .
در ساخت و سازهای واقعی ، تداوم ساخت و ساز سقف و کف و چارچوبهای سازه ای را می توان با طبقه بندی محدود مدلسازی کرد . استاندارد ASTM E119 ساخت و ساز ساختمانی را بصورت محدود تعریف می کند هرگاه " سازه احاطه کننده یا نگه دارنده قادر به مقاومت در برابر شدت گرمای قابل توجه در محدوده دماهای بالای پیش بینی شده باشد ." این شرایط معرف اکثر شرایط میدانی می باشد . ضمیمه x.3 از استاندارد ASTM E119 چند حالت معرفی می کند که در آنها تیرها ، شاه تیرها ، تیرچه ها و سقف ها یا کف های فولادی در طبقه بندی محدود قرار نمی گیرند .
عملیات آزمایش فعلی ، شرایط مهار شده را با محکم ساختن نمونه در برابر قالب آزمایش ، برای مثال با ریختن لایه بتنی محکم در مقابل اطراف قالب آزمایش ، یا با استفاده از لایه های فولادی در دو انتهای تیر ، شبیه سازی می کند . درجه بندیهای مهار شده در آزمایشهای تیر تحت کنترل مدت زمانی است که نمونه توانایی نگهداری و تحمل بار طراحی اعمال شده و اضافی تحت آتش سوزی می باشد . دسته بندیهای مهار شده برای طبقات فولادی با لایه های بتنی معمولا" تحت کنترل زمان هستند هرگاه افزایش دما روی سطح غیر نمایان از حدود مشخص شده تجاوز نماید (مگر اینکه در برخی موارد نادر ، توانایی نگهداری بار آزمایش زودتر از دست رفته باشد ) .تقریبا" تمام مجموعه های سقف و کف فولادی ، و نیز تیرهای مستقل بارگذاری شده ، در این شرایط محدود ومهار شده آزمایش می شوند .
دسته بندی محدود نشده به لحاظ تئوری نشان دهنده شرایطی هستند که در آن دو انتهای المان ، چرخش آزاد دارند و با حرارت منبسط می شوند . دسته بندیها در این شرایط بر مبنای توانایی های واقعی حمل بار سیستم نیستند . در عوض ، دسته بندی محدود نشده بر مبنای درک معیار دمای محدود و حدی هستند . این معیار محافظه کارانه نشان دهنده سطوح دمایی هستند که در آنجا عقیده بر این است که یک عضو با ساپورتهای انتهایی مهار نشده دیگر ممکن است قادر به نگهداری بار طراحی نباشند . زمانی که این حد برای بار نخست حاصل می شود بعنوان رتبه بندی محدود نشده ثبت می شوند .آنگاه آزمایش ادامه می یابد تا زمانی که یک دسته بندی محدود حاصل شود . هر دو دسته بندی مهار شده و مهار نشده از یک آزمایش تعیین می شوند .
دسته بندیهای مهارنشده نسبت به دسته بندیهای مهار شده با رتبه بندی زمانی یکسان ، اغلب به حفاظت بیشتری در برابر آتش نیاز دارند ( به اندازه 50 تا 100 درصد ) . بنابراین برای به حداکثر رساندن اثربخشی هزینه سیستم حفاظت از آتش، دسته بندیهای مهار شده بایستی درهر جایی که طراحی مجاز باشد تعیین شده و توانایی قضاوت کردن داشته باشند .
استاندارد ASTM E119 ، راهنمایی برای استفاده از دسته بندیهای مهار شده و مهار نشده در دستورالعملهای ضمیمه X3 را فراهم می کند . جدول X3 در این ضمیمه تمام انواع سیستمهای فولادی پیچ و مهره ای ، جوش داده شده و پرچ کاری شده را بصورت مهار شده دسته بندی می کند .
اطلاعات و راهنمایی بیشتری در زمینه استفاده از دسته بندیهای مهار شده و مهار نشده توسط Gewain and Troup فراهم شد .
خلاصه
علیرغم محدودیتهای ارایه شده در این فصل ، استاندارد ASTM E119 بصورت یک منبع گرانبها برای مقایسه عملکردهای نسبی حفاظت از آتش اجزا و مجموعه های مختلف سازه ای در ایالات متحده عمل می کند .با این حال ، مهم آن است که طراح ، مفروضاتی را درک کند که تحت آنها نتایج بدست آمده از این آزمایش دست یافتنی است و هنگام بکار گیری در طراحی ساختمان ، معتبر باقی می مانند .
منبع:
«دپارتمان سازه سامانه کارگشا»
راهنمای طراحی طراحی سازه های فولادی آیین نامه آمریکا AISC- فصل 19-مقاوم سازی قاب‌های سازهای فولادی در برابر آتش سوزی
————————————————————————————————————————————–
برای بهره مندی از خدمات محاسبات طراحی سازه در خواست خود را در لینک های مربوطه، در قسمت عنوان سوال-سازه ثبت نموده و فایل های مورد نیاز را بارگذاری کنید.
3-سبک سازی و بهینه سازی محاسبات طراحی
3-طراحی سقف کامپوزیت عرشه فولادی و کامپوزیت سنتی
