بخشی از مقاله
چکیده
در اثر آتش سوزی پارامترهای طراحی بتن دچار تغییر می شود، مطالعه یکی از این پارامترها موضوع این مقاله خواهد بود. پارامتر مورد نظر کاهش پیوستگی بین بتن و فولاد در اثر آتش سوزی و حرارت بالا می باشد. در اثر حرارت بالا، بیشتر پارامترهای بتن دچار کاهش مقاومتی خواهد شد و کاهش پیوستگی بین بتن و فولاد باعث می شود که مقدار وصله ای که برای میلگردهای خمشی داخل بتن در نظر گرفته شده است دیگر در حرارت بالا جوابگوی وظیفه وصله نمی باشند و باعث نقطه ضعف و خرابی تیرها از این محل می شوند.
در یک قرن اخیر تعداد زیادی حوادث حریق که پس از زلزله در نقاط مختلف جهان روی داده و باعث تلفات جانی و مالی قابل توجهی شده اند؛ رخ داده است. در آتش سوزی سانفرانسیسکو که در سال 1906 که بر اثر وقوع زلزله به بزرگای 8/2 در مقیاس ریشتر رخ داد، 28000 ساختمان بکلی ویران گردید و باعث مرگ بیش از 3000 شد. %95 از خسارت مالی و ویرانی ها در اثر وقایع حریق پس از زلزله ناشی است.
مقدمه
بتن پر مصرف ترین مصالح ساختمانی است. در بیشتر کشورهای جهان نسبت مصرف بتن به فولاد از 10 به 1 نیز فراتر رفته است . میزان مصرف امروز بتن در جهان بیش از 5.5 میلیون تن در سال است. بتن از نظر تنش نهایی ، قابل مقایسه با فولاد نیست، اما با این حال بتن پر مصرفترین مصالح مهندسی است. دلایل متعددی را برای این موضوع می توان ذکر نمود.مقاومت بالای بتن در مقابل آب، بر خلاف بسیاری از مصالح دیگر، از آن ماده ای مناسب برای کنترل و ذخیره کردن و حمل و انتقال آب ساخته است.
از دلایل دیگر کاربرد گسترده بتن، شکل گیری عالی آن است بتن می تواند با استفاده از قالب مناسب، به شکل مورد نظر درآمده و برای ساخت اجزای مختلف سازه به کار رود. علت این امر خاصیت شکل گیری بتن تازه است که به راحتی به درون قالب ها با شکل های مختلف ریخته می شود. پس از چند ساعت قالب باز شده و در جایی دیگر مصرف می شود و بتن به شکل مورد نظر، و به صورت جسم سخت شده و مقاوم در می آید.
از دلایل دیگر کاربرد وسیع بتن در ساختمان و سازه های مختلف، سهولت دسترسی و ارزانی نسبی این مصالح است. مصالح اصلی تشکیل دهنده بتن -سیمان پرتلند و سنگدانه- امروزه تقریبا در همه جا در دسترس است و نسبتا ارزان محسوب می شود. به علاوه در مقایسه با بسیاری از مصالح ساختمانی، تولید بتن نیاز به انرژی اولیه کمتری دارد، زیرا مقادیر زیادی از مواد زائد و ضایعات صنعتی می توانند مجددا به عنوان مواد سیمانی یا سنگدانه در ساخت بتن مصرف شوند.
بتن می تواند برای تحمل بارها، محصور کردن فضاها، پوشش سطوح و پر کردن حجم ها در عموم سازه ها به کار رود. به نظر می آید کاربرد بتن به عنوان یک مصالح ساختمانی در آینده گسترش بیشتری داشته باشد. در عین حال استفاده مناسب از بتن مستلزم آگاهی از مشخصات مواد، واکنش های بین تشکیل دهنده ها، رعایت نکات فنی مختلف در طرح اختلاط مواد و اجرا می باشد، تا ماده ای با مشخصات فنی مورد نظر، با مقاومت، دوام و عملکرد مناسب به دست آید.
رفتار بتن تحت حرارت
مقاومت مصالح ساختمانی در برابر آتش، در واقع به نوعی انعکاس وابستگی خواص آن ها به دما است. با بالا رفتن دما، خواص حرارتی و فیزیکی ماده تغییراتی خواهد داشت. این تغییرات، چگونگی انتقال حرارت به داخل ماده، تغییرات ابعادی، چگونگی نیروهای فیزیکی و شیمیایی بین مولکول ها و ذرات ماده و در نتیجه مقاومت مکانیکی آن را تحت تأثیر قرار می دهد. چگونگی تغییرات خواص مواد با افزایش دما و ارتباط آن با رفتار مصالح در برابر آتش نیز بحث می شود.
رفتار بتن در برابر آتش موضوع پیچیده ای است. بتن به طور معمولی از حدود %25 حجمی سیمان و %75 حجمی سنگدانه تشکیل شده است. هر دوی این ها می توانند تأثیری بالای در رفتار بتن در برابر آتش داشته باشند. همچنین هر یک از مواد افزودنی می توانند بر روی مقاومت و رفتار بتن در برابر آتش مؤثر باشند. به علاوه، نوع بتن و مقاومت آن تأثیر به سزایی در خواص بتن در برابر آتش دارد.خواص بتن های نسبتاً جدید مانند بتن های مقاومت بالا، بتن های عملکرد بالا و بتن های خود تراکم در برابر آتش بسیار متفاوت از بتن های معمولی است . به ویژه چگالی تراکم بالا و کاهش تخلخل در این بتن ها، پیچیدگی های بیشتری را از نظر مقاومت آنها در برابر آتش ایجاد می نماید.
یکی از پدیده های که باعث شکست بتن در برابر آتش می شود، پدیده ترکیدن - spalling - بتن در دمای بالا است. در بتن های معمولی، افزایش درصد تخلخل، کمک خوبی به افزایش مقاوت بتن در برابر آتش می نماید، اما این موضوع در بتن های مقاومت بالا مطلوب نیست، زیرا مقاومت مکانیکی کاهش می یابد. در بتن های توانمند و مقاومت بالا - HSC , HPC - و نیز در بتن های خود تراکم - SCC - ، زمینه ترکیدن بتن در برابر آتش متفاوت بوده و حتی بیشتر از بتن معمولی است. در بتن مقاومت بالا، به علت ساختار فشرده بتن، انتقال بخار و رطوبت خیلی سخت تر رخ می دهد و به این علت فشار بخار زیادی می تواند در لایه های نزدیک به سطح ایجاد شود. یعنی بتن مقاومت بالا شرایط مساعد تری برای وقوع ترکیدن نسبت به بتن های معمولی دارد.
بتن خود تراکم نیز که استفاده از آن در چند سال اخیر رشد بسیار سریعی داشته است، دارای مشکلات مشابهی است. برخی از کارشناسان ، بتن SCC را آینده بتن می دانند که از دلایل آن حذف ویبره، کاهش کار، نمای بسیار صاف و خوب، سرعت بالاتر بتن ریزی، کاهش سر و صدای بتن ریزی - که در مناطق شهری بسیار مزاحم است - ، چسبندگی خوب به آرماتور و غیره نام برده می شود. در عین حال مقاومت بتن SCC در برابر آتش و دمای بالا نیز همانندHPC کمتر از بتن معمولی است.
خواص بتن در دماهای مختلف به طور قابل ملاحظه ای به خواص تشکیل دهنده ها، به ویژه خمیر سیمان و سنگدانه ها بستگی دارد. قرارگیری بتن در برابر آتش و بالا رفتن دمای آن باعث می شود مقاومت بتن بسته به نوع تشکیل دهنده ها و ریزساختار بتن کاهش یابد. همچنین تغییرات ساختاری تشکیل دهنده ها یا تجزیه آنها می تواند منجر به تخریب لایه های بتن شود. مجموع این رفتارها منجر به کاهش مقاومت و نهایتاً گسیختگی یا شکست بتن در برابر آتش شود. خواص ماده در دمای بالا بر روی مقاومت آن در برابر آتش اثر دارد. خواص بتن به طور گسترده برحسب نوع و مقدار تشکیل دهنده ها تغییر می کند. واکنش هایی که با افزایش دما درخمیر سیمان و بتن رخ می دهد، و می توان به شرح زیر بیان نمود:
30 ؛ : с˚120 فرار آب قابل تبخیر و حذف کلی آب قابل تبخبر در .с˚120 : с˚170 - 110 تجزیه گچ و حذف آب از قسمتی از هیدرات های کربوآلومینات. : с˚550 - 450 از دست رفتن آب پیوندی به علت تخریب C-S-H و هیدرات های کربوآلومینات، و دهیدرکسی شدن پرتلندیت. 700؛: с˚900 دکربناتی شدن کربنات کلسیم. Royles با استفاده از تحلیل TGA/DTG اثر حرارت روی خمیر سیمان را بررسی کرد. نمونه مرجع مربوط به نمونه خمیر سیمان است که تحت دمای بالا قرار نگرفته است.
این آزمون سه افت وزنی سریع از خود نشان می دهد. اولی بین دماهای 100 تا 200 درجه سلسیوس، بر اثر از دست رفتن آب آزاد و مویینه و آب شیمیایی اترینگایت رخ می دهد. دومین افت وزنی در دمای с˚500 - 450 قابل مشاهده است که مربوط به دهیدروکسی شدن پرتلندیت است. سومین افت وزنی مربوط به دکربناسیون کربنات کلسیم ناشی از کلینکر و پرکننده است که در с˚750 مشاهده می شود .
