كيفية الهياكل الفولاذية المقاومة للحريق؟

تعاني الهياكل الفولاذية من نقطة ضعف خطيرة: ضعف مقاومة الحريق. لضمان احتفاظ الهياكل الفولاذية بقوتها وصلابتها لفترات طويلة أثناء الحرائق، وحماية الأرواح والممتلكات، غالبًا ما يتم تنفيذ تدابير متعددة للحماية من الحرائق في المشاريع الهندسية العملية.

ستتناول هذه المقالة بالتفصيل تدابير الحماية من الحرائق المختلفة بناءً على مبادئها الأساسية ومقارنة مزاياها وعيوبها.

تنقسم تدابير الحماية من الحرائق في الهياكل الفولاذية إلى فئتين بناءً على المبدأ: طرق العزل الحراري وطرق تبريد المياه. هدفهم المشترك هو التأكد من أن المكونات لا تتجاوز درجة حرارتها الحرجة خلال إطار زمني محدد. ويكمن الفرق في النهج: طرق العزل الحراري تمنع انتقال الحرارة إلى المكونات، بينما طرق التبريد المائي تسمح بوصول الحرارة إلى المكونات ومن ثم تبديدها لتحقيق الهدف.

يشير تصنيف مقاومة الحريق للهيكل الفولاذي إلى المدة التي يقاوم فيها الحريق أثناء اختبار الحريق القياسي، ويتم قياسه من لحظة تعرضه للحريق حتى يفقد الاستقرار أو السلامة أو العزل الحراري.

من المهم ملاحظة أنه على الرغم من أن الفولاذ نفسه لا يشتعل أو يحترق، إلا أن خصائصه تتأثر بدرجة كبيرة بدرجة الحرارة. عند 250 درجة، تقل صلابة تأثير الفولاذ؛ وما بعد 300 درجة، تنخفض نقطة الخضوع والقوة النهائية بشكل ملحوظ. في الحرائق الفعلية، مع ظروف التحميل الثابتة، تبلغ درجة الحرارة الحرجة التي تفقد فيها الهياكل الفولاذية استقرار التوازن الثابت حوالي 500 درجة، بينما تصل درجات حرارة النار النموذجية إلى 800-1000 درجة. ونتيجة لذلك، تحت درجات حرارة النار المرتفعة، تتعرض الهياكل الفولاذية بسرعة لتشوه البلاستيك، مما يؤدي إلى فشل موضعي ويؤدي في النهاية إلى انهيار الهيكل بأكمله وفشله.

يجب أن تشتمل الهياكل الفولاذية على تدابير الحماية من الحرائق لضمان معدلات مقاومة كافية للحريق. ويمنع هذا التسخين السريع لمكونات الفولاذ إلى درجات حرارة حرجة أثناء الحرائق، ويتجنب التشوه المفرط الذي يؤدي إلى انهيار الهيكل، وبالتالي يوفر وقتًا ثمينًا لمكافحة الحرائق والإخلاء الآمن، مما يقلل من الخسائر المرتبطة بالحرائق-.

طرق الحاجز الحراري
تشمل طرق العزل الحراري، المصنفة حسب الطلاءات المقاومة للحريق ومواد التغليف، تقنيات الرش والتغليف. تعمل طريقة الرش على حماية المكونات عن طريق طلاء أو رش طبقات مقاومة للحريق. يمكن تقسيم طريقة التغليف أيضًا إلى تغليف مجوف وتغليف صلب.

طريقة الرش

عادةً، يتم تطبيق الطلاءات المقاومة للحريق أو رشها على الأسطح الفولاذية لتكوين طبقة عازلة حرارية -مقاومة للحريق، مما يؤدي إلى تحسين تصنيف مقاومة الهياكل الفولاذية للحريق. توفر هذه الطريقة بنية بسيطة، وخفيفة الوزن، ومدة مقاومة ممتدة للحريق، وغير مقيدة بالشكل الهندسي للمكونات الفولاذية. فهو يوفر فعالية جيدة من حيث التكلفة-وتطبيقًا عمليًا، مما يجعله قابلاً للتطبيق على نطاق واسع. تأتي الطلاءات المقاومة للحريق للهياكل الفولاذية في أنواع مختلفة، ويتم تصنيفها على نطاق واسع إلى فئتين: طلاءات الأغشية الرقيقة من الفئة B - (أي الطلاءات المقاومة للحريق للهيكل الفولاذي) وطلاءات الأغشية السميكة من الفئة H - من الفئة H.

عادةً ما يكون للطلاءات المقاومة للحريق من الفئة B سماكة طلاء تبلغ 2-7 مم. المادة الأساسية هي الراتنج العضوي، مما يوفر بعض التأثير الزخرفي أثناء التمدد والسماكة في درجات الحرارة العالية. يمكن أن يصل معدل مقاومتها للحريق إلى 0.5 إلى 1.5 ساعة. تتميز الطلاءات المقاومة للحريق ذات الهيكل الفولاذي الرقيق - بطبقة رقيقة، وخفيفة الوزن، ومقاومة جيدة للاهتزاز. بالنسبة للهياكل الفولاذية الداخلية المكشوفة وهياكل السقف الفولاذية خفيفة الوزن حيث يتم تحديد معدل مقاومة للحريق يبلغ 1.5 ساعة أو أقل، يوصى باستخدام طبقات رقيقة من الطلاء المقاوم للحريق للهياكل الفولاذية. تتميز الطلاءات المقاومة للحريق من النوع H- عادةً بسماكة طلاء تتراوح من 8 إلى 50 مم وتتميز بسطح حبيبي. تتكون بشكل أساسي من مواد عزل حراري غير عضوية، وتتميز بكثافة منخفضة وموصلية حرارية. يمكن أن تصل معدلات مقاومة الحريق إلى 0.5 إلى 3.0 ساعات. تكون طبقات الطلاء الهيكلية السميكة المقاومة للحريق بشكل عام-غير قابلة للاحتراق، ومقاومة للتقادم، وتوفر متانة موثوقة. بالنسبة للهياكل الفولاذية الداخلية المخفية،-جميع-الهياكل الفولاذية عالية الارتفاع، والهياكل الفولاذية للمنشآت الصناعية متعددة الطوابق-التي تتطلب معدل مقاومة للحريق يصل إلى 1.5 ساعة أو أعلى، يجب اختيار طبقات طلاء هيكلية سميكة مقاومة للحريق.

طريقة التغليف

1) طريقة التغليف المجوف: تستخدم عادة الألواح المقاومة للحريق أو الطوب الحراري لتغليف المكونات الفولاذية على طول محيطها الخارجي. تستخدم معظم الهياكل الفولاذية في مصانع البتروكيماويات المحلية البناء بالطوب الحراري لحماية المكونات الفولاذية. توفر هذه الطريقة قوة عالية ومقاومة للصدمات ولكن لها عيوب بما في ذلك متطلبات المساحة الكبيرة والبناء المعقد. استخدام ألواح حرارية خفيفة الوزن مثل -ألواح الأسمنت المسلح بالألياف، أو ألواح الجبس، أو ألواح الفيرميكوليت كطبقات خارجية مقاومة للحريق. توفر طريقة التغليف الصندوقي- للمكونات الفولاذية الكبيرة مزايا تشمل الأسطح الناعمة والمسطحة، والتكلفة المنخفضة، والحد الأدنى من فقدان المواد، وعدم التلوث البيئي، ومقاومة التقادم، مما يوفر آفاقًا واعدة للتبني على نطاق واسع.

2) طريقة التغليف الصلب: تتضمن عادةً تغليف المكونات الفولاذية عن طريق صب الخرسانة لتغليفها بالكامل. تم استخدام هذه الطريقة للأعمدة الفولاذية في مركز بودونغ المالي العالمي في شنغهاي. وتشمل مزاياها القوة العالية ومقاومة الصدمات، ولكن تشمل عيوبها المساحة الكبيرة التي تشغلها الطبقة الواقية الخرسانية والبناء المعقد نسبيًا، خاصة على العوارض والأقواس الفولاذية.

طرق تبريد المياه

تشتمل طرق التبريد بالمياه على التبريد برذاذ الماء والتبريد المملوء بالماء.

تبريد رذاذ الماء
يتضمن التبريد برذاذ الماء تركيب أنظمة رش أوتوماتيكية أو يدوية فوق الهيكل الفولاذي. أثناء الحريق، يؤدي تفعيل الرشاشات إلى تكوين طبقة مياه مستمرة على السطح الفولاذي. عندما يصل اللهب إلى السطح الفولاذي، يمتص الماء المتبخر الحرارة، مما يؤخر وصول الهيكل إلى درجة الحرارة القصوى. تم تنفيذ هذه الطريقة في مبنى الهندسة المدنية بجامعة تونغجي.

ماء-تبريد مملوء

يتضمن التبريد المملوء بالماء-ملء الأجزاء الفولاذية المجوفة بالماء. يمتص الماء المتداول داخل الهيكل الفولاذي الحرارة الناتجة عن الفولاذ نفسه، مما يمكن الهيكل من الحفاظ على درجات حرارة منخفضة أثناء الحريق ومنع فقدان قدرة تحمل الحمولة- بسبب التسخين الزائد. لمنع التآكل والتجمد، يجب أن يحتوي الماء على مثبطات الصدأ وعوامل مضادة للتجمد. تم استخدام هذه الطريقة للأعمدة الفولاذية في مبنى الصلب الأمريكي المكون من 64 طابقًا في مدينة بيتسبرج بالولايات المتحدة الأمريكية.

تستخدم طرق العزل الحراري مواد عازلة للحرارة لإبطاء انتقال الحرارة إلى المكونات الهيكلية الفولاذية. بشكل عام، يوفر العزل جدوى اقتصادية وعملية أفضل، مما يجعله معتمدًا على نطاق واسع في التطبيقات الهندسية الفعلية. في حين أن التبريد بالمياه هو إجراء فعال للحماية من الحرائق، إلا أن متطلبات التصميم الهيكلي المتخصصة والتكاليف المرتفعة قد حدت من اعتماده على نطاق واسع في الممارسة الهندسية.

بما أن العزل الحراري يستخدم على نطاق واسع في الحماية من الحرائق في الهياكل الفولاذية، فإن القسم التالي يركز على مقارنة مزايا وعيوب طرق الطلاء بالرش والتغليف ضمن تدابير العزل الحراري.

مقاومة الحريق

من حيث مقاومة الحريق، تتفوق طريقة التغليف على طريقة الطلاء بالرش. تتميز مواد التغليف مثل الخرسانة والطوب الحراري بمقاومة فائقة للحريق مقارنة بالطلاءات التقليدية المقاومة للحريق. بالإضافة إلى ذلك، فإن مقاومة الحريق للألواح الجديدة المقاومة للحريق تفوق مقاومة الطلاءات المقاومة للحريق. حد مقاومتها للحريق أعلى بكثير من المواد العازلة المقاومة للحريق بنفس سماكة الهياكل الفولاذية، بل وتتجاوز تلك الخاصة بالطلاءات المقاومة للحريق المنتفخة.

متانة

تتميز مواد التغليف مثل الخرسانة بمتانة فائقة ومقاومة تدهور الأداء بمرور الوقت. تظل المتانة تحديًا لم يتم حله بالنسبة للطلاءات المقاومة للحريق للهياكل الفولاذية. قد تتعرض طبقات الطلاء المقاومة للحريق ذات الأساس العضوي-الرقيقة والرفيعة جدًا-، سواء تم تطبيقها في الداخل أو الخارج، إلى تحلل أو تحلل أو تقادم مكوناتها العضوية. يؤدي هذا إلى تقشر الطلاء أو المسحوق أو فقدان خصائص مقاومة الحريق.

قابلية التشغيل

يعد تطبيق الرش للحماية من الحرائق الفولاذية أمرًا بسيطًا ولا يتطلب أدوات معقدة. ومع ذلك، فإن-الطلاءات المطبقة توفر تحكمًا سيئًا في الجودة-من الصعب إدارة إزالة الصدأ وسمك الطلاء والرطوبة البيئية. تعد طرق التغليف أكثر تعقيدًا، خاصة بالنسبة للأقواس والعوارض، ولكنها توفر إمكانية تحكم فائقة وجودة متسقة. يمكن التحكم بدقة في حدود مقاومة الحريق عن طريق ضبط سمك مادة التغليف.

التأثير البيئي

يؤدي تطبيق الرش إلى تلويث البيئة أثناء البناء، خاصة أن الغازات الضارة يمكن أن تنبعث عند درجات الحرارة المرتفعة. لا تنتج طرق التغليف أي انبعاثات سامة أثناء البناء، أو الاستخدام العادي، أو في ظل ظروف الحريق، مما يفيد حماية البيئة وسلامة الموظفين أثناء الحرائق.

الاقتصاد

تتميز طريقة الرش بالبناء البسيط، ومدة المشروع القصيرة، وتكاليف البناء المنخفضة. ومع ذلك، فإن الطلاءات المقاومة للحريق غالية الثمن، وتكاليف الصيانة مرتفعة بسبب مشاكل مثل تقادم الطلاء. تتميز طريقة التغليف بتكاليف بناء أعلى ولكنها تستخدم مواد غير مكلفة وتتحمل نفقات صيانة منخفضة. بشكل عام، طريقة التغليف توفر كفاءة اقتصادية أفضل.

قابلية التطبيق

طريقة الرش ليست مقيدة بهندسة المكونات وتستخدم على نطاق واسع لحماية العوارض والأعمدة وألواح الأرضيات وهياكل السقف والمكونات الأخرى. إنها مناسبة بشكل خاص للحماية من الحرائق في الأنظمة الهيكلية المكانية مثل الهياكل الفولاذية الخفيفة، وهياكل الإطار الفضائي، والهياكل الفولاذية غير المنتظمة. تتضمن طريقة التغليف بناءًا معقدًا، خاصة بالنسبة للمكونات مثل العوارض الفولاذية والأقواس. يتم استخدامه بشكل أكثر شيوعًا للأعمدة وله نطاق تطبيقات أقل اتساعًا من طريقة الرش.

إشغال الفضاء

تشغل الطلاءات المقاومة للحريق المستخدمة في تطبيق الرش حجمًا صغيرًا، في حين تستهلك مواد التغليف مثل الخرسانة والطوب المضاد للحريق مساحة، مما يقلل من المساحة القابلة للاستخدام. بالإضافة إلى ذلك، مواد التغليف أثقل بكثير.

بناءً على التحليل أعلاه، يمكن استخلاص الاستنتاجات التالية:

1) يجب أن يأخذ اختيار تدابير الحماية من الحرائق للهياكل الفولاذية في الاعتبار عوامل متعددة، بما في ذلك نوع العضو، وصعوبة البناء، ومتطلبات الجودة، واحتياجات المتانة، والكفاءة الاقتصادية؛

2) بمقارنة طرق تطبيق الرش والتغليف، يوفر تطبيق الرش في المقام الأول مزايا في تقنيات البناء المبسطة والحد الأدنى من التغيير في مظهر المكون بعد -التطبيق. يوفر التغليف في المقام الأول مزايا تتمثل في انخفاض التكلفة، والمقاومة الفائقة للحريق، والمتانة؛

3) يمتلك كل إجراء للحماية من الحرائق نقاط قوة وقيود مميزة. في التطبيقات الهندسية، يمكن للجمع بين التدابير المتعددة الاستفادة من مزايا كل منها والتعويض عن أوجه القصور. يمكن أن يؤدي تنفيذ تدابير مختلفة إلى إنشاء طبقات متعددة من الحماية من الحرائق.