چکيده
 

بحث طراحي ساختمان هاي بتني در برابر حريق نخستين بار در کشور در مبحث نهم مقررات ملي مطرح گرديده است. به منظور ارزيابي ضوابط اين آيين نامه در مورد ستون ها، در اين تحقيق به کمک نرم افزار ANSYS به مدل سازي و تحليل حرارتي چند نمونه ستون مياني و کناري با ابعاد و ضخامت پوشش مختلف در يک طبقه از ساختمان در معرض حريق استاندارد پرداخته شده است. پس از تحليل حرارتي و يافتن دماي نقاط مختلف مقطع در طول زمان حريق، با استفاده از جداول فصل نوزدهم مبحث نهم مقررات ملي ساختمان (رابطه ي بين مقاومت و دما) کاهش مقاومت فولاد و بتن تعيين شده و نمودار کاهش مقاومت محوري ستون به مقاومت اوليه به دست آمده است. با استفاده از نمودارهاي به دست آمده مدت زمان مقاومت ستون ها در برابر حريق ارزيابي و با ضوابط مبحث نهم مقايسه شده است.

کليد واژه ها: ستون بتن آرمه، دوام در برابر حريق، تحليل حرارتي
 

مقدمه
 

هدف از اين تحقيق بررسي ضوابط حداقل ارائه شده، ابعاد ومشخصات ستون ها به منظور مقاومت در برابر حريق، در مبحث نهم مقررات ملي ساختمان با استفاده از تحليل حرارتي چند نمونه ستون با پارامترهاي مختلف مي باشد که در ادامه مشخصات آن ها ارائه شده است.

مشخصات ستون هاي مورد بررسي
 

در اين تحقيق به دليل اهميت ستون ها در پايداري سازه، به بررسي 8 مقطع ستون و تحليل حرارتي آن ها به منظور ارزيابي ضوابط آيين نامه پرداخته شده است. پارامترهاي متغير عبارت اند از:
1- پوشش بتن روي ميلگرد
2- ابعاد
3- جهات قرارگيري مقطع در معرض حريق
در ضمن بعضي از پارامترها ثابت در نظر گرفته شده است. رده ي بتن ستون ها C25، رده ي فولاد S400 و نسبت ميلگرد در حد متوسط (2 درصد) در نظر گرفته شده است. لازم به ذکر است که توزيع دما در طول عضو به صورت يکنواخت فرض شده است و در نتيجه تحليل حرارتي اعضا به صورت دوبعدي بررسي شده است. از اثرات لاغري ستون نيز صرف نظر شده است.
مشخصات 8 نمونه ستون مورد بررسي و نام گذاري آن ها عبارت اند از:
1- مقطع ستون به ابعاد cm30× cm30 با فاصله ي 3 سانتي متري سطح خارجي مقطع از ميلگرد از چهار طرف در معرض حريق (C30F3-2)؛
2- مقطع ستون به ابعاد cm30× cm30 با فاصله 3 سانتي متري سطح خارجي مقطع از ميلگرد در داخل ديوار (C30W3-2)؛
3- مقطع ستون به ابعاد cm30× cm30 با فاصله ي 6 سانتي متري سطح خارجي مقطع از ميلگرد از چهار طرف در معرض حريق (C30F6-2)؛
4- مقطع ستون به ابعاد cm30× cm30 با فاصله ي 6 سانتي متري سطح خارجي مقطع از ميلگرد در داخل ديوار (C30W6-2)؛
5- مقطع ستون به ابعاد cm40× cm40 با فاصله ي 4 سانتي متري سطح خارجي مقطع از ميلگرد از چهار طرف در معرض حريق (C40F4-2)؛
6- مقطع ستون به ابعاد cm40× cm40 با فاصله ي 4 سانتي متري سطح خارجي مقطع از ميلگرد در داخل ديوار (C40W4-2)؛
7- مقطع ستون به ابعاد cm40× cm40 با فاصله ي 8 سانتي متري سطح خارجي مقطع از ميلگرد از چهار طرف در معرض حريق (C40F8-2)؛
8- مقطع ستون به ابعاد cm40× cm40 با فاصله ي 8 سانتي متري سطح خارجي مقطع از ميلگرد در داخل ديوار (C40W8-2)؛

تحليل حرارتي
 

تحليل حرارتي به وسيله ي نرم افزار ANSYS و با مشخصات زير انجام شده است:

توزيع حرارت حريق
 

در هر لحظه زماني، حرارت اطراف تير و ستون هاي بتن آرمه کاملاً يکنواخت فرض شده است. در مدل سازي دماي اوليه محيط اطراف مقاطع تير و ستون 20 درجه ي سانتي گراد و دماي اوليه ي خود مقاطع نيز 20 درجه ي سانتي گراد در نظر گرفته شده است. بنابراين در ANSYS دماي تمام گره ها در ابتداي آزمايش به صورت يکسان برابر دماي محيط (20 درجه سانتي گراد) وارد مي شود.
ضوابط آين نامه ها براي حفاظت در برابر حريق، برپايه ي نتايج آزمايشگاهي (روش آزمايش استاندارد براي عضوها در برابر حريق) است. در مدلس ازي اين مقاطع، تير، ستون در معرض شرايط گرمايي شبيه داخل کوره، مطابق تابع دما – زمان مشخص مي شوند و در آيين نامه قرار مي گيرند.
روش هاي آزمايش استاندارد متعددي در سطح جهان وجود دارد که از لحاظ ساختار مشابه يکديگر هستند و معتبرترين آن ها روش آزمايش جهاني دوام در برابر حريق براي عضوهاي ساختماني ISO 834 است.
در اين مدل سازي، در محيط نرم افزار ANSYS افزايش دماي حريق مطابق ISO 834 با رابطه ي در نظر گرفته شده است. مدت تحليل حرارتي از لحظه ي شروع افزايش دما 4 ساعت در نظر گرفته مي شود و ما از 20 درجه ي سانتي گراد تا 1133 درجه ي سانتي گراد افزايش مي يابد.
جدول 1: تغييرات مقاومت بتن و فولاد با افزايش 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 ي 4 ساعتي تحليل حرارتي به 48 مرحله ي 300 ثانيه اي (5 دقيقه اي) تقسيم شده است و در هر مرحله دماي محيط اطراف مقطع با توجه به رابطه ي استاندارد حريق محاسبه و به مقطع اعمال مي شود و تحليل حرارتي انجام مي گيرد. پس از حل مسأله ي توزيع حرارت در سطح مقطع، در همان بازه ي 300 ثانيه اي تعيين دماي تمام گره ها مشخص مي گردد. پس از اين مرحله، بازه ي بعدي 300 ثانيه اي شروع و دماي جديد مطابق رابطه ي استاندارد جهاني حريق محاسبه و مسأله ي تحليل حرارتي و توزيع دما در سطح مقطع حاصل مي شود.
در مجموع هر مسأله 48 بار حل مي شود و 48 توزيع حرارتي در طول 4 ساعت به دست مي آيد.
 

تغيير مشخصات حرارتي فولاد و بتن با افزايش دما
 

با افزايش دما، مشخصات حرارتي فولاد و بتن از جمله چگالي، گرماي ويژه، ضريب هدايت گرمايي، ضريب همرفتي تغيير مي کنند که در مدل سازي مسائل تير و ستون در برنامه ANSYS، اين تغييرات در قسمت material models وارد مي شوند تا در هر مرحله ي زماني برنامه ANSYS با توجه به مقدار تعيين شده در آن دما به تحليل حرارتي مسأله در همان بازه ي زماني بپردازد. تغييرات مشخصات حرارتي مصالح از مرجع انتخاب شده است.

متصل کردن گره هاي منطبق شده ي المان هاي خاموت و بتن
 

به دليل پيوستگي فولاد و بتن در تير و ستون هاي بتن آرمه و يکسان بودن تقريبي ضريب انبساط حرارتي آن ها، هرگونه تغيير مکان گره هاي منطبق شده ي المان هاي فولادي و بتن يکسان فرض مي شود. بنابراين در محيط نرم افزار ANSYS اين نقاط به اصطلاح couple شده اند.

نتايج تحليل حرارتي
 

پس از تحليل نتايح حرارتي مسائل ذکر شده، توزيع حرارتي در مقاطع به دست مي آيد. در اين مرحله دماي تک تک گره ها در هر بازه ي زماني در طول 4 ساعت مشخص مي شود. در نتيجه، براي هر مساله 48 بار توزيع حرارت (48 بازه ي 300 ثانيه اي) انجام مي شود و 48 کانتور حرارتي به دست مي آيد.
در شکل 1 نمونه ي يکي از اين کانتورهاي حرارتي نشان داده شده است.

ظرفيت باربري ستون هاي بتن آرمه در برابر حريق
 

پس از تحليل حرارتي در هر مرحله و مشخص شدن توزيع حرارت در مقطع تير يا ستون بتن آرمه، دماي گره ها در هر مرحله ي زماني به دست مي آيد. بر اساس دماي بتن و فولاد در هر ناحيه مقاومت کاهش يافته ي آن ها با افزايش دما بر اساس جدول 1 که از مبحث نهم گرفته شده است تعيين و در نهايت مقاومت مقطع ستون با توجه به مقاومت کاهش يافته ي مصالح تعيين مي گردد.
مطابق مبحث نهم مقررات ملي ساختمان در قطعات ميله اي تحت فشار محوري، حداکثر نيروي محوري مقاوم، در صورت استفاده از تنگ موازي به 80 درصد و در صورت استفاده از مارپيچ، به 85 درصد مقداري که در فرضيات طراحي مقطع بند 9-11-3 مشخص شده است، محدود مي گردد.
در اين تحقيق تنگ ها به صورت موازي فرض و حداکثر نيروي محوري محاسباتي از رابطه ي زير محاسبه مي شود:

با اعمال ضرايب کاهش مقاومت فشاري بتن و تنش تسليم فولاد در رابطه ي فوق داريم:

که با فرض:
(مقاومت فشاري مشخصه ي بتن، مگاپاسکال) و
(مقاومت مشخصه ي فولاد، مگاپاسکال داريم:
ضريب تنش مادل يکنواخت در بلوک فشاري مقطع =
که:

لازم به ذکر است که مقدار در جهت اطمينان با کاهش مقاومت بتن افزايش داده نشده است.
درصد کاهش مقاومت فشاري بتن در اثر افزايش حرارت=
درصد کاهش حد تنش جاري شدن فولاد در اثر افزايش حرارت =
مساحت کل مقطع، ميلي متر مربع =
و سطح مقطع کل ميلگرد طولي، ميلي متر مربع =

که به رابطه ي ساده شده ي زير مي رسيم:

رابطه ي فوق ظرفيت باربري محاسباتي ستون را مي دهد. با توجه به يکسان نبودن ما و مقاومت بتن و فولاد در مقطع، مقطع ستون به بيست و پنج ناحيه تقسيم شده و مقاومت بتن در هر ناحيه در هر بازه ي زماني تعيين گرديده است. همچنين فرض شده است که ميلگرد طولي به طور يکنواخت و به تعداد 8 عدد در مقطع قرار گرفته است که دما و مقاومت هر يک از 8 ميلگرد در هر بازه ي زماني تعيين شده است (شکل 2). در نهايت از جمع مقاومت هاي بتن و ميلگرد فولادي، ظرفيت باربري محوري ستون در هر بازه ي زماني تعيين شده است. تغيير ظرفيت باربري نمونه هاي ستون بر حسب زمان در اشکال 3 الي 6 ارائه شده است.

نتيجه گيري
 

بررسي نمودارهاي به دست آمده نشان دهنده ي تأثير قابل توجه افزايش ابعاد و ضخامت پوشش روي افزايش مقاومت ستون هاي بتني در برابر حريق است. همچنين مشخص است که دوام يک ستون مياني که از چهار طرف در معرض حريق قرار مي گيرد، از يک ستون کناري بسيار کم تر است.
البته نحوه ي قرار گيري ستون در معرض حريق در آيين نامه ي مبحث نهم مقررات ملي مورد اشاره قرار نگرفته است و بنا به قاعده بدترين شرايط يعني قرار گيري ستون از چهار طرف در معرض حريق ملاک تنظيم روابط آيين نامه بوده است. جدول 2 ضوابط الزامي ستون ها از نظر مقاومت در برابر حريق را نشان مي دهد.
جدول 2: ضوابط هندسي الزامي ستون ها از نظر مقاومت در برابر حريق [2]

 

رديف	مدت زمان مقاومت در برابر حريق (دقيقه)	حداقل کوچک ترين بعد مقطع ستون (b) (ميلي متر)	حداقل فاصله ي مرکز ميلگردهاي سفره ي خارجي تا وجه ستون (a) (ميلي 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 ميلي متر براي حدود 120 دقيقه، آن هم تأمين فاصله ي مرکز ميلگرد طولي تا سطح بتن، حداقل 50 ميلي متر (تقريباً معادل 40 ميلي متر پوشش روي ميلگرد طولي) کفايت مي کند. نتايج حاصل از تحليل نيز نشان دهنده ي اين است که براي ستون مياني به ابعاد 300 ميلي متر بعد از 120 دقيقه (7200 ثانيه) مقاومت ستون با پوشش 30 ميلي متر به حدود 55 درصد و با پوشش 60 ميلي متر به حدود 70 درصد مقاومت اوليه کاهش مي يابد. اگر با توجه به ضرايب ايمني موجود حدود 60 درصد مقاومت اوليه ملاک خرابي ستون فرض شود، تطابق خوبي بين نتايج تحليلي و آيين نامه اي مشاهده مي گردد.
براي تأمين 180 دقيقه مقاومت در برابر حريق، آيين نامه حداقل ابعاد 400 ميلي متر و تقريباً 40 ميلي متر پوشش را لازم مي داند. ستون با ابعاد 400 ميلي متر با پوشش 40 ميلي متر بعد از 180 دقيقه به 55 درصد مقاومت اوليه مي رسد که نشان دهنده ي اين است که در اين حالت ضوابط آيين نامه چندان اطمينان بخش نيست.
 

پي نوشت ها :
 

1- دانشجوي کارشناسي ارشد سازه
2- دکتراي سازه از دانشگاه صنعتي شريف، استاديار دانشکده ي عمران دانشگاه يزد
 

منابع:
1- مقررات ملي ساختمان مبحث سوم.
2- نشريه ي 112 سازمان مديريت و برنامه ريزي.
3- مقررات ملي 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