سلوك الخرسانة في النيران الشديدة

ما هو تأثير الحريق على الهياكل الخرسانية؟

تتحد المواد الأساسية للخرسانة (أيّ الأسمنت والركام) كيميائيًا لتشكيل مادة خاملة أساسًا. كما ورد في منشور الخرسانة والنار الصادر عن مركز الخرسانة الأمريكي، الخرسانة لا تحترق ولا يمكن إشعالها مثل المواد الأخرى في المبنى ولا تنبعث منها أي أبخرة سامة عند تأثرها بالحريق. كما أنه لن ينتج عنه دخان أو جزيئات منصهرة، على عكس بعض المواد البلاستيكية والمعادن، لذلك لا يزيد حِمل النار.

والأهم من ذلك بالنسبة لتصميم السلامة من الحرائق، أن الخرسانة لديها توصيل حراري ضعيف نسبيًا. يتيح هذا المعدل البطيء لنقل الحرارة للخرسانة أن تكون بمثابة حاجز فعال بين المساحات المجاورة. معدّل زيادة درجة الحرارة من خلال المقطع العرضي لعنصر خرساني بطيء نسبيًا وبالتالي لا تصل المناطق الداخلية إلى نفس درجات الحرارة المرتفعة مثل السطح المعرض للنيران.

عندما يؤدي الحَريق إلى تعريض الخرسانة لِلحرارة العالية، يمكن أن يحدث تلف كبير بسبب صدمة درجة الحرارة للمادة. في الأساس، مثل معظم المواد الأخرى، تتمدد الخرسانة عند تسخينها. وعندما يتم تطبيق الحرارة الشديدة، ستتمدد الطبقات الخارجية بسرعة أكبر بكثير من الأقسام الداخلية. حيث لا تمتص المادة الخرسانية التمدد التفاضلي بسهولة، ممّا قد يتسبب في انفصال الطبقات وانفصالها في النهاية.

كما يمكن أن يحدث نفس التأثير بشكل عكسي عندما يتم إخماد الحريق بواسطة تيارات خرطوم أو أنظمة رشاشات آلية. في هذه الحالة، عندما تبرد الخرسانة الساخنة فجأة، قد تنكمش الطبقة الخارجية بمعدل مختلف وتتفكك. بالإضافة إلى ذلك، إذا اخترقت الحرارة الشديدة الخرسانة بما يكفي لإضعاف مكونات حديد التسليح داخل الخرسانة، فقد تتأثر السلامة الهيكلية للهيكل بأكمله سلبًا.

في حين أن الهياكل الخرسانية مثل الجسور الخرسانية في الطريق السريع تقاوم بالتأكيد أضرار الحرائق، يجب أن يتم التفكير دائمًا في تأثيرات أي حريق، حيث تتعرض الخرسانة أو البناء للحرارة العالية. في هذه الحالة، قد تتسبب آثار الحرارة أثناء حادث مستمر في حدوث إصابات خطيرة أو وفاة المستجيبين أو المدنيين الذين لم يبقوا على مسافة كافية من منطقة الانهيار. أثناء حالة الحريق يحدث تشظيًا شديدًا أو تشكل شقوقًا واضحة أو فولاذ هيكلي مكشوف أو انحرافًا للهيكل، فيجب عليك اتخاذ احتياطات فورية لإزالة جميع الأفراد من منطقة الانهيار.

ما هو سلوك الخرسانة في النيران الشديدة؟

تقدم هذه المقالة استعراضًا لأحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا للبحوث في تأثيرات درجات الحرارة المرتفعة على الهياكل الخرسانية، والتي تمتد إلى مجموعة من أشكال البناء، بما في ذلك أنظمة التطوير الجديدة. إنّ طبيعة الهياكل الخرسانية تعني أنها تؤدي بشكل عام أداءً جيدًا للغاية في حالة الحريق. ومع ذلك، تعتبر الخرسانة في الأساس مادة معقدة ويمكن أن تتغير خصائصها بشكل كبير عند تعرضها لدرجات حرارة عالية. الآثار الرئيسية للنار على الخرسانة هي فقدان قوة الانضغاط والتشظي والقذف القسري للمواد من سطح العضو.

تمثل الاستجابة للحرائق الواقعية للهياكل الخرسانية الكاملة تحديات أكبر بسبب تفاعلات العناصر الهيكلية، وتأثير الظواهر المعقدة صغيرة الحجم على نطاق واسع، والتغيرات المكانية والزمانية في التعرض، بما في ذلك مرحلة تبريد النار. يعتمد سلوك الخرسانة في النار الشديدة على تكوين وخصائص الهيكل الخرساني. حيث يُعد نوع الركام المستخدم وتصميم المزيج وحالة الرطوبة والعمر من العوامل التي تحكم سلوك الخرسانة في ظل التعرض الشديد للحريق. هنا سيتم شرح موجز عن السلوك الملموس تجاه النار في الهياكل الخرسانية.

إنّ طبيعة الهياكل الخرسانية تعني أنها تؤدي بشكل عام أداءً جيدًا للغاية في حالة الحريق. ومع ذلك، فإنّ الخرسانة مادة معقّدة ويمكن أن تتغير خصائصها بشكل كبير عند تعرضها لدرجات حرارة عالية. الآثار الرئيسية للحريق على الخرسانة هي فقدان قوة الانضغاط والتشظي، والقذف القسري للمواد من العضو. وعلى الرغم من جمع الكثير من المعلومات حول كلتا الظاهرتين، لا تزال هناك حاجة لفهم أوسع لاستجابة الأعضاء الخرسانية لأنظمة التدفئة المختلفة وأداء الهياكل ذات الإطار الكامل المعرضة لحرائق واقعية.

يمكن أيضًا استخدام الأساليب القائمة على النموذج، لكن الطبيعة غير المتجانسة للمادة تجعل هذا الأمر صعبًا وهناك نقص في البيانات المتاحة من الهياكل الحقيقية للتحقق من صحتها. فقد تم إجراء عدد قليل جدًا من الاختبارات الكاملة، وعلى الرغم من إمكانية اكتساب بعض الأفكار المفيدة من الملاحظات وتقييم الأداء الملموس في الحرائق الحقيقية، لا يزال يلزم مزيد من العمل لتوسيع مجال المعرفة.

تأثير درجة الحرارة على خواص الخرسانة:

1. يمكن فهم سلوك الخرسانة عند تعرضها لدرجات حرارة عالية بسهولة من خلال معرفة تأثير درجة الحرارة على خصائص الخرسانة.
   
2. يؤثر الحريق على كثافة الهيكل الخرساني بنسبة قليلة جدًا. ومن ثم لا يوجد تأثير ملموس على التوصيل الحراري للخرسانة.
   
3. يزيد التعرض لدرجات الحرارة المرتفعة من الحرارة النوعية بنسبة 20% مقارنة بدرجة حرارة الغرفة.
   
4. تعمل درجة حرارة النار التي تزيد عن 500 درجة مئوية على تقليل مقاومة الانضغاط للخرسانة. وسلوك الخرسانة في درجات الحرارة المرتفعة.
   

ليس من المتوقع أن تتعرض الخرسانة لأي نوع من الذوبان تحت درجات حرارة عالية. من المتوقع أن تحدث تغييرات في تركيبتها المادية وخصائصها. ولكن في ظل بيئة من الحرارة الحرارية أو التعرض لنيران الهيدروكربونات، فإنّ الخرسانة لديها فرص للذوبان. يتم شرح سلوك الهيكل الداخلي الخرساني والتعزيز والقوة على النار أدناه:

1- تقوية الخرسانة تحت حريق شديد:

يعتمد سلوك التعزيز للتعرض للحريق على ما إذا كان مدلفنًا على الساخن أو ملفوفًا على البارد. هذا مصدر قلق كبير حيث يؤثر الحريق على الشد وقوة الخضوع ومعامل مرونة التسليح. يحدث هذا عند التعرض لدرجة الحرارة من 500 درجة مئوية إلى 300 درجة مئوية. هذا هو سبب توفير الغطاء المناسب للهياكل الخرسانية. القضية متوقعة فقط بعد تدمير الغطاء الخرساني. لكن في المناطق غير المتوقعة ذات الغطاء غير الكافي، يتأثر التعزيز ممّا يؤدي إلى تلف وانهيار.

2- الرطوبة في الخرسانة تحت النيران الشديدة:

ينتج عن التعرض للحريق في البداية تبخر الماء الموجود في المسام والهياكل الخرسانية. هذه إمّا مياه زائدة أو مياه مقيدة جسديًا. إذا كانت النفاذية أقل، لا يمكن نقل حرارة التبديد ممّا يزيد من ضغط البخار في المسام. مع زيادة ضغط البخار تبدأ الشقوق في الحدوث ممّا يؤدي إلى تشظي متفجر.

يمكن أن يحدث هذا التشظي المتفجر بعد بضع دقائق، وتتراوح المعدلات المبلغ عنها حتى 3 مم لكل دقيقة للخرسانة ذات الوزن الطبيعي وما يصل إلى 8 مم لكل دقيقة للخرسانة الكلية خفيفة الوزن. أنواع أخرى من التشظي مثل التشظي الموضعي والتقطيع (التخفيض التدريجي للمقطع العرضي) التي لوحظت في حرائق السليلوز الممكنة، لكن الانقسام المتفجر هو النوع الرئيسي خاصةً تحت حرائق الهيدروكربون.

3- قوة الخرسانة في النيران الشديدة:

كما هو مذكور في تأثير الحريق على الخرسانة، تقل قيمة القوة في ظل الزيادة السريعة للحريق. مع زيادة درجة الحرارة، تتأثر الركام وهيدرات الأسمنت سلبًا. في ظل الظروف القاسية مثل حرائق الهيدروكربون، يحدث تدمير كامل للركام وهيدرات الأسمنت.

أولاً: أداء الخرسانة تحت حريق الهيدروكربونات

يتأثر أداء الخرسانة تحت حريق الهيدروكربونات بالعوامل التالية:

• معدل ارتفاع درجة الحرارة في الخرسانة.
  
• محتوى الرطوبة في الخرسانة.
  
• نفاذية الخرسانة.
  

ينتج عن تأثير الهيدروكربون:

1. كمية عالية من التشظي.
   
2. فقدان قسم الخرسانة.
   
3. فقدان القوة.
   
4. تشكيل التشققات.