1- مقدمه

در ساختمان‌های معمولی در فنلاند و همچنین در سایر کشورهای اروپایی، نیاز به مقاومت در برابر حریق 60 تا 120 دقیقه برای سازه‌های باربر ،بسیار رایج است. به طور معمول محافظت در برابر آتش غیرفعال و بسیار گران قیمت، بوسیله  رنگ ضد حریق، صفحات گچی، پشم سنگ یا مواد دیگر برای پوشش و محافظت از سازه برای برآورده کردن مقاومت در زمان آتش سوزی وافزایش زمان برای ازدیاد دما برای سازه های فولادی مورد نیاز است. این روش ها به طور طبیعی راه های ساده ای برای دستیابی به مقاومت در برابر آتش هستند، اما مشکلاتی به همراه  هزینه های بالا نیزدر این روش ها وجود دارند .هدف از این تحقیق، بررسی این موضوع بود که آیا اثر خنک کنندگی سیستم های آبپاش یا اسپرینکلر ، حفاظت در برابر آتش سازه های فولادی را بدون نیاز به حفاظت غیرفعال در برابر آتش تضمین می کند یا خیر؟ مشخص است که استفاده از پاشش آب در بیشتر موارد، در صورت عملکرد صحیح ، آتش را محلی نگه می دارد.

با استفاده از اسپرینکلر ، مقاومت سازه در برابر آتش را می توان به طور همزمان به دست آورد و ایمنی زندگی ساکنان یا کاربران ساختمان را تضمین کرد. هنگامی که سیستم اسپرینکلر آتش نشانی به درستی طراحی، نصب و نگهداری شود، خطر کار نکردن آن بسیار کم است. همانطور که مشخص است سیستم های اسپرینکلر در انواع خاصی از ساختمان با معیارهای خاصی مورد نیاز است. این استاندارد از کشوری به کشور دیگر حتی در کشورهای اتحادیه اروپا متفاوت است.

2-  تحقیق تجربی

2-1- مقدمات آزمایش

در این تحقیق یک سالن با اسکلت فلزی ساخته شد، سیستم آبپاش تا سقف نصب شد و خرپاها، تیرها و ستون‌های فولادی مورد مطالعه و سایر قسمت‌های ساختمان به دتکتورهای دما مجهز شدند. این سیستم در برابر استاندارد ISO-fire آزمایش شد. بار آتش سوزی توسط مشعل اسپری هپتان که در مرکز وزیر سازه های مورد مطالعه قرار داشت و با کمک سه نازل آتش را پخش می کرد، تولید شد.

دماها ازروی خرپاهای فولادی لوله ای، تیرها و ستون ها اندازه گیری شد. همچنین دمای اتصالات، مهاربندی و ورق فولادی اندازه گیری شد. ارتفاع خرپا ی فولادی حدود 1.5 متر بود که از مقاطع عرضی با اندازه های مختلف ساخته شده است. دماها از قسمت های مختلف خرپا اندازه گیری شد. ساختارهای دیگر نیز به گونه‌ای انتخاب شدند که سازه‌های با اندازه کوچک‌تر را که معمولاً مورد استفاده هستند را نشان دهند تا امکان استفاده از نتایج آزمایش به ساختمان ها در مقیاس  بزرگ‌تر ، قابل استفاده باشند .

2-2- خاموش کننده های آب

درآزمایش‌ها، سه نوع نازل آبپاش مورد آزمایش قرار گرفت. جریان آب به مقدار نرمال مورد استفاده در طراحی ساختمان تنظیم شد. فشار روی سطح بسیار پایین تنظیم شد.

آبپاش ها یک جریان آب چتری شکل ایجاد می کنند. پاشش آب عمدتاً برای فرونشاندن یا حداقل محدود کردن گسترش آتش در اطراف تعیین می شود. در زمان آزمایش، همانطور که در تحقیق مشخص شده، آب به طور مستقیم و بسیار موثر سازه ها را خنک می کند.

2-3- شبیه سازی ها

آزمایش آتش نیز با استفاده از FDS (شبیه ساز دینامیک آتش) شبیه سازی شد. گرمایش سازه ها مورد مطالعه قرار گرفت. در تصویر زیر ،این سیستم در یک ساختمان تجاری واقعی در فنلاند استفاده می شود. این نوع سیستم سازه ای در شرایط آتش سوزی نیز شبیه سازی شد.

3- نتایج

در آزمایش‌های آتش‌سوزی، با استفاده از مشعل‌های اسپری هپتان در زیر سیستم سازه تنظیم شد. دمای سازه های نصب شده در طول آزمایش اندازه گیری شد. برای مجموعه تعریف شده از مقاطع، دمای سازه های فولادی از سطح بحرانی درزمان قرار گرفتن در معرض آتش استاندارد بالاتر نمی رود. این را می توان از شکل های 2 و 3 مشاهده کرد.

بر اساس این آزمایشات، یک راهنمای طراحی اولیه برای طراحی سازه و همچنین برای طراحی سیستم آبپاش معرفی شد. در این دستورالعمل محدودیت های سازه ها، مقاطع عرضی و ابعاد سازه ها تعیین شده است. برای آبپاش ها اصول طراحی مربوط به جریان آب، تعداد و محل نازل های آبپاش مشخص شده است.

4- مطالعه موردی  : در یک مرکز خرید به نام “FUTURUM” در Hradec Králové، جمهوری چک

4-1-  شرح ساختمان

در ابتدا، سازه باربرمرکز خرید Futurum به صورت سازه بتنی با دو طبقه ایجاد شد. مغازه ها در طبقه اول و دوم قرار داشتند، پشت بام به عنوان پارکینگ استفاده می شد. اخیراً تصمیم گرفته شده که یک طبقه آن را افزایش دهند. برای کاهش وزن، طراحی وتوسعه استراکچر فولادی مطرح شد. مغازه های جدید در طبقه سوم به سینمای چند منظوره موجود در گوشه سمت چپ پایین ساختمان متصل شد ، به شکل 4 مراجعه کنید.

در مرکز ساختمان فضائی وجود دارد که نور طبیعی طبقات دوم و سوم را تامین می کند. مغازه ها از راهروی مرکزی که دراین فضا امتداد دارد،  قابل دسترسی هستند. مساحت ساختمان جدید 13000 متر مربع است، پارکینگ برای 121 خودرو در مرکز خرید وجود دارد. قاب های فولادی بر روی سقف سازه بتنی موجود پشتیبانی می شوند. ستون‌های تکیه‌گاه ساده از مقاطع RHS پر شده با بتن ساخته شده‌اند که خرپاها را نگه می‌دارند. دهانه معمولی خرپاها 16 متر است اما در برخی از قسمت های ساختمان از دهانه 8 متری استفاده می شود. خرپاها ازمقاطع rectangular hollow section  یا RHS  ساخته شده اند و باربرهای بالایی از مقاطع بصورت تیرآهن HEA هستند. دیوارها با پانل های ساندویچی پوشیده شده اند. قسمت باربر سقف از پنل های شاندویچی ساخته شده است.

4-2  طراحی برای مقابله با آتش

این ساختمان مجهز به سیستم اسپرینکلر، تشخیص خودکار حریق و سیستم خروجی  دود می باشد. مرکز فروش به محفظه های آتش نشانی متشکل از یک یا چند مغازه کوچکتر تقسیم می شود. مقاومت مورد نیاز در برابر آتش 30 دقیقه در نظر گرفته شده است.

پیش‌بینی مقاومت ساختمان در برابر آتش بر اساس طراحی آتش‌سوزی مبتنی بر عملکرد است. دما در محفظه آتش با استفاده از مدل زون (نرم افزار OZone ) محاسبه شد. وقوع آتش سوزی بصورت کاملاً توسعه یافته ، بعید است، بنابراین آتش سوزی موضعی در مغازه ها در نظر گرفته شد وبرهمین اساس سیستم آبپاش طراحی ونصب شد. چگالی بار آتش بر اساس ČSN EN 1991-1-2 ارزیابی شد. به دلیل توزیع غیریکنواخت بار آتش سوزی احتمالی، بار مشخصه چگالی بار آتش qf,k 1460 MJ/m2 و نرخ انتشار حرارت RHRf 500 kW/m2 به عنوان مقادیر دوگانه ارائه شده در استاندارد معرفی شدند. مساحت حریق 44 متر مربع در نظر گرفته شد.

دمای گاز به دست آمده توسط مدل منطقه و دمای خرپای بالائی  (بخش HEA 220 ) در شکل 6 نشان داده شده است. این نشان دهنده دمای ساختار”دوراز” آتش موضعی است، حداکثر دمای فولاد 366 درجه سانتی گراد است.

دمای قطعات ساختمان که در معرض آتش موضعی قراردارند ،در شکل 7 ارائه شده است. فرض شده که آتش موضعی می تواند در هر نقطه از محفظه آتش شروع شود، بنابراین قطعات ساختمان همیشه در مرکز آتش هستند. از آنجایی که طول شعله به حداکثر 5.2 متر می رسد ، درنتیجه شعله ها به سقف مغازه نمی رسد ولذا دمای خرپای بالایی کم است، اما دمای خرپای مورب در پایین به طور قابل توجهی بالاتر است زیرا این عناصر در شعله های آتش فرو می روند.

دمای خرپای بالایی ناشی از آتش موضعی 392 درجه سانتیگراد و دمای خرپای پایینی 540 درجه سانتیگراد است. دمای هر دو خرپا بالاتر از دمای حاصل از منطقه داغ است، بنابراین باید از مدل آتش موضعی برای طراحی آتش برای خرپاها استفاده شود.

5- خلاصه

یک تحقیق در مورد حفاظت از سازه های فولادی در مقابله با مواجهه با آتش سوزی در شرایط آتش استاندارد در فنلاند انجام شد. حفاظت سازه های فولادی در برابر آتش با استفاده از سیستم های اطفاء آب اتوماتیک یا اسپرینکلر مورد مطالعه قرار گرفت. چندین نوع آبپاش مختلف برای مطالعه دما در سازه های فولادی انتخاب واستفاده شد. این تحقیق با آزمایش آتش سوزی واقعی و همچنین شبیه سازی انجام شد.

هدف مطالعه درجه مقاومت احتمالی سیستم در برابر آتش با توجه به نتایج تحقیق بود. آتش با درجه R90 انجام شد.

محاسبه دما با استفاده از دو مدل در مرکز خرید FUTURUM ارائه شده است. از مدل آتش موضعی استفاده شد زیرا آبپاش ها از فلاش اور جلوگیری می کنند و آتش بصورت موضعی باقی می ماند. دمای عناصر فولادی بر اساس منطقه داغ محاسبه شده وبا استفاده از نرم افزار OZone دمای نقاط “دور” از آتش پیش بینی شد.

برای محاسبه دمای عناصر فولادی مستقیماً بالای آتش از مدل آتش موضعی استفاده شد. اثر آتش سوزی موضعی بیشتر از اثر منطقه داغ بود. در هر صورت دمای اسکلت فلزی از 550 درجه سانتیگراد تجاوز نکرد که امکان استفاده از سازه فولادی بدون حفاظ را برای سقف مرکز خرید تایید کرد.