ارزیابی مقاومت ستون های بتن آرمه در برابر حریق

چکیده
 

بحث طراحی ساختمان های بتنی در برابر حریق نخستین بار در کشور در مبحث نهم مقررات ملی مطرح گردیده است. به منظور ارزیابی ضوابط این آیین نامه در مورد ستون ها، در این تحقیق به کمک نرم افزار ANSYS به مدل سازی و تحلیل حرارتی چند نمونه ستون میانی و کناری با ابعاد و ضخامت پوشش مختلف در یک طبقه از ساختمان در معرض حریق استاندارد پرداخته شده است. پس از تحلیل حرارتی و یافتن دمای نقاط مختلف مقطع در طول زمان حریق، با استفاده از جداول فصل نوزدهم مبحث نهم مقررات ملی ساختمان (رابطه ی بین مقاومت و دما) کاهش مقاومت فولاد و بتن تعیین شده و نمودار کاهش مقاومت محوری ستون به مقاومت اولیه به دست آمده است. با استفاده از نمودارهای به دست آمده مدت زمان مقاومت ستون ها در برابر حریق ارزیابی و با ضوابط مبحث نهم مقایسه شده است.

کلید واژه ها: ستون بتن آرمه، دوام در برابر حریق، تحلیل حرارتی
 

مقدمه
 

هدف از این تحقیق بررسی ضوابط حداقل ارائه شده، ابعاد ومشخصات ستون ها به منظور مقاومت در برابر حریق، در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان با استفاده از تحلیل حرارتی چند نمونه ستون با پارامترهای مختلف می باشد که در ادامه مشخصات آن ها ارائه شده است.

مشخصات ستون های مورد بررسی
 

در این تحقیق به دلیل اهمیت ستون ها در پایداری سازه، به بررسی 8 مقطع ستون و تحلیل حرارتی آن ها به منظور ارزیابی ضوابط آیین نامه پرداخته شده است. پارامترهای متغیر عبارت اند از:
1- پوشش بتن روی میلگرد
2- ابعاد
3- جهات قرارگیری مقطع در معرض حریق
در ضمن بعضی از پارامترها ثابت در نظر گرفته شده است. رده ی بتن ستون ها C25، رده ی فولاد S400 و نسبت میلگرد در حد متوسط (2 درصد) در نظر گرفته شده است. لازم به ذکر است که توزیع دما در طول عضو به صورت یکنواخت فرض شده است و در نتیجه تحلیل حرارتی اعضا به صورت دوبعدی بررسی شده است. از اثرات لاغری ستون نیز صرف نظر شده است.
مشخصات 8 نمونه ستون مورد بررسی و نام گذاری آن ها عبارت اند از:
1- مقطع ستون به ابعاد cm30× cm30 با فاصله ی 3 سانتی متری سطح خارجی مقطع از میلگرد از چهار طرف در معرض حریق (C30F3-2)؛
2- مقطع ستون به ابعاد cm30× cm30 با فاصله 3 سانتی متری سطح خارجی مقطع از میلگرد در داخل دیوار (C30W3-2)؛
3- مقطع ستون به ابعاد cm30× cm30 با فاصله ی 6 سانتی متری سطح خارجی مقطع از میلگرد از چهار طرف در معرض حریق (C30F6-2)؛
4- مقطع ستون به ابعاد cm30× cm30 با فاصله ی 6 سانتی متری سطح خارجی مقطع از میلگرد در داخل دیوار (C30W6-2)؛
5- مقطع ستون به ابعاد cm40× cm40 با فاصله ی 4 سانتی متری سطح خارجی مقطع از میلگرد از چهار طرف در معرض حریق (C40F4-2)؛
6- مقطع ستون به ابعاد cm40× cm40 با فاصله ی 4 سانتی متری سطح خارجی مقطع از میلگرد در داخل دیوار (C40W4-2)؛
7- مقطع ستون به ابعاد cm40× cm40 با فاصله ی 8 سانتی متری سطح خارجی مقطع از میلگرد از چهار طرف در معرض حریق (C40F8-2)؛
8- مقطع ستون به ابعاد cm40× cm40 با فاصله ی 8 سانتی متری سطح خارجی مقطع از میلگرد در داخل دیوار (C40W8-2)؛

تحلیل حرارتی
 

تحلیل حرارتی به وسیله ی نرم افزار ANSYS و با مشخصات زیر انجام شده است:

توزیع حرارت حریق
 

در هر لحظه زمانی، حرارت اطراف تیر و ستون های بتن آرمه کاملاً یکنواخت فرض شده است. در مدل سازی دمای اولیه محیط اطراف مقاطع تیر و ستون 20 درجه ی سانتی گراد و دمای اولیه ی خود مقاطع نیز 20 درجه ی سانتی گراد در نظر گرفته شده است. بنابراین در ANSYS دمای تمام گره ها در ابتدای آزمایش به صورت یکسان برابر دمای محیط (20 درجه سانتی گراد) وارد می شود.
ضوابط آین نامه ها برای حفاظت در برابر حریق، برپایه ی نتایج آزمایشگاهی (روش آزمایش استاندارد برای عضوها در برابر حریق) است. در مدلس ازی این مقاطع، تیر، ستون در معرض شرایط گرمایی شبیه داخل کوره، مطابق تابع دما – زمان مشخص می شوند و در آیین نامه قرار می گیرند.
روش های آزمایش استاندارد متعددی در سطح جهان وجود دارد که از لحاظ ساختار مشابه یکدیگر هستند و معتبرترین آن ها روش آزمایش جهانی دوام در برابر حریق برای عضوهای ساختمانی ISO 834 است.
در این مدل سازی، در محیط نرم افزار ANSYS افزایش دمای حریق مطابق ISO 834 با رابطه ی در نظر گرفته شده است. مدت تحلیل حرارتی از لحظه ی شروع افزایش دما 4 ساعت در نظر گرفته می شود و ما از 20 درجه ی سانتی گراد تا 1133 درجه ی سانتی گراد افزایش می یابد.
جدول 1: تغییرات مقاومت بتن و فولاد با افزایش دما [3]

بتن
 

 

T	300	400	500	600	700	800	1000
fcT/fc	92/0	77/0	6/0	45/0	34/0	23/0	0

 

فولاد:
 

 

T	300	400	500	600	700	800
FyT/Fy	93/0	81/0	64/0	55/0	12/0	0

بازه ی 4 ساعتی تحلیل حرارتی به 48 مرحله ی 300 ثانیه ای (5 دقیقه ای) تقسیم شده است و در هر مرحله دمای محیط اطراف مقطع با توجه به رابطه ی استاندارد حریق محاسبه و به مقطع اعمال می شود و تحلیل حرارتی انجام می گیرد. پس از حل مسأله ی توزیع حرارت در سطح مقطع، در همان بازه ی 300 ثانیه ای تعیین دمای تمام گره ها مشخص می گردد. پس از این مرحله، بازه ی بعدی 300 ثانیه ای شروع و دمای جدید مطابق رابطه ی استاندارد جهانی حریق محاسبه و مسأله ی تحلیل حرارتی و توزیع دما در سطح مقطع حاصل می شود.
در مجموع هر مسأله 48 بار حل می شود و 48 توزیع حرارتی در طول 4 ساعت به دست می آید.
 

تغییر مشخصات حرارتی فولاد و بتن با افزایش دما
 

با افزایش دما، مشخصات حرارتی فولاد و بتن از جمله چگالی، گرمای ویژه، ضریب هدایت گرمایی، ضریب همرفتی تغییر می کنند که در مدل سازی مسائل تیر و ستون در برنامه ANSYS، این تغییرات در قسمت material models وارد می شوند تا در هر مرحله ی زمانی برنامه ANSYS با توجه به مقدار تعیین شده در آن دما به تحلیل حرارتی مسأله در همان بازه ی زمانی بپردازد. تغییرات مشخصات حرارتی مصالح از مرجع انتخاب شده است.

متصل کردن گره های منطبق شده ی المان های خاموت و بتن
 

به دلیل پیوستگی فولاد و بتن در تیر و ستون های بتن آرمه و یکسان بودن تقریبی ضریب انبساط حرارتی آن ها، هرگونه تغییر مکان گره های منطبق شده ی المان های فولادی و بتن یکسان فرض می شود. بنابراین در محیط نرم افزار ANSYS این نقاط به اصطلاح couple شده اند.

نتایج تحلیل حرارتی
 

پس از تحلیل نتایح حرارتی مسائل ذکر شده، توزیع حرارتی در مقاطع به دست می آید. در این مرحله دمای تک تک گره ها در هر بازه ی زمانی در طول 4 ساعت مشخص می شود. در نتیجه، برای هر مساله 48 بار توزیع حرارت (48 بازه ی 300 ثانیه ای) انجام می شود و 48 کانتور حرارتی به دست می آید.
در شکل 1 نمونه ی یکی از این کانتورهای حرارتی نشان داده شده است.

ظرفیت باربری ستون های بتن آرمه در برابر حریق
 

پس از تحلیل حرارتی در هر مرحله و مشخص شدن توزیع حرارت در مقطع تیر یا ستون بتن آرمه، دمای گره ها در هر مرحله ی زمانی به دست می آید. بر اساس دمای بتن و فولاد در هر ناحیه مقاومت کاهش یافته ی آن ها با افزایش دما بر اساس جدول 1 که از مبحث نهم گرفته شده است تعیین و در نهایت مقاومت مقطع ستون با توجه به مقاومت کاهش یافته ی مصالح تعیین می گردد.
مطابق مبحث نهم مقررات ملی ساختمان در قطعات میله ای تحت فشار محوری، حداکثر نیروی محوری مقاوم، در صورت استفاده از تنگ موازی به 80 درصد و در صورت استفاده از مارپیچ، به 85 درصد مقداری که در فرضیات طراحی مقطع بند 9-11-3 مشخص شده است، محدود می گردد.
در این تحقیق تنگ ها به صورت موازی فرض و حداکثر نیروی محوری محاسباتی از رابطه ی زیر محاسبه می شود:

با اعمال ضرایب کاهش مقاومت فشاری بتن و تنش تسلیم فولاد در رابطه ی فوق داریم:

که با فرض:
(مقاومت فشاری مشخصه ی بتن، مگاپاسکال) و
(مقاومت مشخصه ی فولاد، مگاپاسکال داریم:
ضریب تنش مادل یکنواخت در بلوک فشاری مقطع =
که:

لازم به ذکر است که مقدار در جهت اطمینان با کاهش مقاومت بتن افزایش داده نشده است.
درصد کاهش مقاومت فشاری بتن در اثر افزایش حرارت=
درصد کاهش حد تنش جاری شدن فولاد در اثر افزایش حرارت =
مساحت کل مقطع، میلی متر مربع =
و سطح مقطع کل میلگرد طولی، میلی متر مربع =

که به رابطه ی ساده شده ی زیر می رسیم:

رابطه ی فوق ظرفیت باربری محاسباتی ستون را می دهد. با توجه به یکسان نبودن ما و مقاومت بتن و فولاد در مقطع، مقطع ستون به بیست و پنج ناحیه تقسیم شده و مقاومت بتن در هر ناحیه در هر بازه ی زمانی تعیین گردیده است. همچنین فرض شده است که میلگرد طولی به طور یکنواخت و به تعداد 8 عدد در مقطع قرار گرفته است که دما و مقاومت هر یک از 8 میلگرد در هر بازه ی زمانی تعیین شده است (شکل 2). در نهایت از جمع مقاومت های بتن و میلگرد فولادی، ظرفیت باربری محوری ستون در هر بازه ی زمانی تعیین شده است. تغییر ظرفیت باربری نمونه های ستون بر حسب زمان در اشکال 3 الی 6 ارائه شده است.

نتیجه گیری
 

بررسی نمودارهای به دست آمده نشان دهنده ی تأثیر قابل توجه افزایش ابعاد و ضخامت پوشش روی افزایش مقاومت ستون های بتنی در برابر حریق است. همچنین مشخص است که دوام یک ستون میانی که از چهار طرف در معرض حریق قرار می گیرد، از یک ستون کناری بسیار کم تر است.
البته نحوه ی قرار گیری ستون در معرض حریق در آیین نامه ی مبحث نهم مقررات ملی مورد اشاره قرار نگرفته است و بنا به قاعده بدترین شرایط یعنی قرار گیری ستون از چهار طرف در معرض حریق ملاک تنظیم روابط آیین نامه بوده است. جدول 2 ضوابط الزامی ستون ها از نظر مقاومت در برابر حریق را نشان می دهد.
جدول 2: ضوابط هندسی الزامی ستون ها از نظر مقاومت در برابر حریق [2]

 

ردیف	مدت زمان مقاومت در برابر حریق (دقیقه)	حداقل کوچک ترین بعد مقطع ستون (b) (میلی متر)	حداقل فاصله ی مرکز میلگردهای سفره ی خارجی تا وجه ستون (a) (میلی متر)
1 2 3 4 5 6	30 60 90 120 180 240	150 200 240 300 400 450	25 35 50 50 50 55

با توجه به جدول فوق، ابعاد 300 میلی متر برای حدود 120 دقیقه، آن هم تأمین فاصله ی مرکز میلگرد طولی تا سطح بتن، حداقل 50 میلی متر (تقریباً معادل 40 میلی متر پوشش روی میلگرد طولی) کفایت می کند. نتایج حاصل از تحلیل نیز نشان دهنده ی این است که برای ستون میانی به ابعاد 300 میلی متر بعد از 120 دقیقه (7200 ثانیه) مقاومت ستون با پوشش 30 میلی متر به حدود 55 درصد و با پوشش 60 میلی متر به حدود 70 درصد مقاومت اولیه کاهش می یابد. اگر با توجه به ضرایب ایمنی موجود حدود 60 درصد مقاومت اولیه ملاک خرابی ستون فرض شود، تطابق خوبی بین نتایج تحلیلی و آیین نامه ای مشاهده می گردد.
برای تأمین 180 دقیقه مقاومت در برابر حریق، آیین نامه حداقل ابعاد 400 میلی متر و تقریباً 40 میلی متر پوشش را لازم می داند. ستون با ابعاد 400 میلی متر با پوشش 40 میلی متر بعد از 180 دقیقه به 55 درصد مقاومت اولیه می رسد که نشان دهنده ی این است که در این حالت ضوابط آیین نامه چندان اطمینان بخش نیست.
 

پي نوشت ها :
 

1- دانشجوی کارشناسی ارشد سازه
2- دکترای سازه از دانشگاه صنعتی شریف، استادیار دانشکده ی عمران دانشگاه یزد
 

منابع:
1- مقررات ملی ساختمان مبحث سوم.
2- نشریه ی 112 سازمان مدیریت و برنامه ریزی.
3- مقررات ملی ساختمان، مبحث نهم.
4-Pukiss. J. A. (1996), "Fire Safety Engineering Design of Structures", Second edition, published by Elsevier.
5- Bratina, S., Cas, B., Saje, M., Planinc, I. (2005), "Numerical modeling of behavior of reinforced concrete columns in fire and comparision with Eurocode 2", International Journal of Solids and Structures 42 5715-5733.
6- Kodur, V. K.R., Wang, T.C., Cheng, F. P. (2003), "Predicting the fire resistance behavior of high strength concrete columns", Cement & Concrete Composites 24 141-153.
منبع: نشريه دانش نما، شماره 176-178