پوشش‌های حفاظت سازه در برابر آتش

اهمیت پوشش‌های ضدحریق

در دنیای امروز پیشرفت‌های علمی و دستاوردهای حاصل از آن دارای سمت و سویی است كه ارتقاى ایمنی و كاهش خطرات را در جهت بهبود كیفیت محیط زندگی و حفظ جان انسا‌ن‌ها نوید می‌دهد. شاید یكی از بزر‌گترین‌ تر‌س‌های بشر، به دام افتادن، سوختن و مرگ در آتش باشد. از این رو، حریق به عنوان یك پدیده خانما‌ن سوز، همیشه دامن‌گیر جامعه بشری بوده و خسار‌ت‌های مادی و معنوی جبرا‌ن‌ناپذیری را بر جای گذاشته است. به طور‌یكه انسا‌ن‌ها از قدیم الایام به تناسب امكانات و شرایط، تلاش خود را به كار بسته‌اند تا به‌ صورت همه جانبه آنرا مهار نمایند. مطلب حائز اهمیت به‌ هنگام وقوع آتش سوزی ایجاد شرایط لازم برای جلوگیری از توسعه حریق و كاهش خسارات جانبی و مالی است. به طور نمونه در یك ساختمان چند طبقه با سازه فولادی، چنانچه حریق در پاركینگ اتفاق افتد، به دلیل فشار بار وارده بر روی سازه فولادی، پل‌ها و ستو‌ن‌ها با حرارت حدود ۶۰۰ درجه سانتیگراد قابلیت تغییر فرم داشته و موجب واژگو‌ن شدن ساختمان می‌شود.

در این شرایط بدون آنكه حریق به طبقات بالا سرایت نماید، امكان واژگونی ساختمانی با توجه به وسعت حریق وجود دارد، لذا چنانچه سیستمی از محافظت كنند‌ه‌ها را بتوان بر روی ساز‌ه‌های فلزی اعمال نمود تا در طی مدت زمان مشخص از انتقال حرارت محیط به سطح فلز جلوگیری نماید خواسته‌های طراحی بر اساس عملكرد سازه در برابر آتش‌سوزی تامین شده است.

در مكا‌ن‌های عمومی مانند مراكز تجاری، موزه، سینما و دیگر اماكن عمومی كه پرتجمع هستند و جان انسا‌ن‌ها در معرض خطر حریق است با استفاده از مواد كندكننده و اعمال آن بر روی اجزای ساز‌ه‌ای و غیرساز‌ه‌ای می‌توان از توسعه حریق جلوگیری نمود. از انواع پوشش‌های ضدحریق، می‌توان از ملات‌های سیمانی نسوز، مواد خمیری اندودكننده و رنگ‌های ضدحریق و كندسوزها به عنوان آخرین دستاوردهای علوم و تكنولوژی نام برد. رنگ‌های ضدحریق، قابلیت ضدشعله‌وری داشته و نیز مانع انتقال حرارت به لایه‌های زیرین اجسام می‌شوند. وظیفه اصلی پوشش‌های ضد حریق جلوگیری یا به عبارتی دقی قتر به تاخیر انداختن گرما دیدن سازه و كاهش خسارات جانبی و مالی است.

مراحل اصلی آتش

مرحله اول، مرحله روش نشدن (ignition) نامیده می‌شود كه در این مرحله مواد سوختی موجود در محیط حرار‌ت‌دهی می‌شوند.

مرحله دوم، مرحله رشد آتش (growth) نامیده می‌شود. مشخصه این مرحله احتراق همراه با شعله مرئی است. وقتی كه شعله به میزان كافی رشد كند و به دمای بالا (حدود ۶۰۰ درجه سانتی-گراد) برسد مرحله آتش‌گیری (flashover) آغاز می‌شود كه مشخصه یك آتش مرحله سهو شروع سوختن (burning) است.

نرخ تبادل حرارت در این مرحله به شدت بالا رفته و تمامی مواد قابل سوختن مشتعل می‌شوند. نرخ تنفس (ventilation) از عوامل تعیین كننده شدت این مرحله از آتش‌سوزی ‌است، این بخش از آتش سوزی مخر‌بترین زمان و صدمه زنند‌ه‌ترین مرحله به اجزای ساختمان است. در نهایت با كاهش مواد سوختی آتش وارد مرحله افت (decay) می‌شود كه این اتفاق معمولاً پس از مصرفف ۷۰ درصد مواد سوختی موجود در محیط است.

اما از نكات بسیار مهم در رعایت نكات ایمنی در مهندسی سازه پیش‌بینی زمان رسیدن حرارت یك آتش‌سوزی به مرحله بحرانی است. به منظور
‌مد‌لسازی نحوه افزایش حرارت در یك آتش‌سوزی طبیعی تحقیقات فراوانی صورت گرفته است.

انتقال حرارت از آتش به سازه

عامل تعیین كننده اصلی در تخریب یك سازه بر اثر آتش، میزان حرارت انتقا‌ل یافته از آتش به سازه است. به صورت عمومی سه مكانیسم اصلی در انتقال حرارت وجود دارد كه شامل انتقال حرارت از طریق رسانش (conduction)، همرفت (convection)، و تابش (radiation) هستند.

رسانش حرارتی از طریق تماس جامدات با دمای متفاوت از یكدیگر اتفاق می‌افتد و نرخ آن تابعی از خواص ترمودینامیكی سطوح جامد نظیر ظرفیت حرارتی، دانسیته و سطح تماس است. انتقال حرارت از طریق همرفت از طریق جابهجایی سیالات به علت اختلاف دما رخ می‌دهد كه تابعی خطی از اختلاف دما است. انتقال حرارت تابشی كه از قو‌یترین مكانیسم‌های انتقال حرارت است. از طریق انتشار امواج الكترومغناطیس اتفاق می‌افتد و تابعیت توان ۴ از اختلاف دما دارد.

در یك سازه ساختمانی مكانیسم‌های اصلی انتقال حرارت تابش و رسانش هستند. با استفاده از عایق‌سازی مناسب سازه دمای ساختار فولادی دائماً پایینتر از دمای گاز مشتعل است، اما در فلز عایق نشده این اختلاف نهایتاً به صفر می‌رسد. اختلاف دمای بین سازه فولادی حمایت نشده و گاز مشتعل تابع عوامل متعددی نظیر شكل فیزیكی سازه فلزی و سطح تماس آن است. در تحقیقاتی كه بر روی آتش‌سوزی ساز‌ه‌ها صورت گرفته است. در مراحل اولیه آتش اختلاف دمایی تا حدود ۲۰۰ درجه سانتیگراد بین محیط و سازه فلزی مشاهده شده‌ اما این اختلاف معمولاً پس از یك ساعت از شروع آتش‌سوزی به مقداری بسیار كمی می‌رسد.

در عموم تحقیقات انجا‌م شده دمای سازه فلزی ظرف مدت كوتا‌هتری از۲۰ دقیقه از دمای بحرانی تسلیم می‌گذرد كه این امر اهمیت عایق سازی و حفاظت سازه فلزی در مقابل شعله را به خوبی نشان می‌دهد.

‌ارزیابی الزامات رنگ‌آمیزی سازه

رو‌ش‌های حفاظتی آتش به طور كلى موضوع مقابله یا حفاظت ساختمان در برابر آتش در سه روش كلى دسته‌بندى مى‌شود. اول جلوگیری از آتش (fire prevention) كه در‌ این روش باید تا حد امكان استفاده از مواد آتش‌زا را به حداقل می‌رساند. همچنین بررسی‌های ایمنی سیستم برق ساختمان، آموز‌ش‌های پرسنل و ساكنان، سیستم هشدار دهنده آتش و تعبیه خروجی‌های مناسب می‌توانند از فاكتورهای مهم در جلوگیری از آتش یا كاهش صدمات ناشی از آن باشند.

روش دوم حمایت در مقابل آتش فعال (active protection) است كه به اعمال اطفاى حریق چه به صورت دستی توسط آب یا گازكربنیك
و همچنین سیستم‌های اتوماتیك خاموش‌سازی آتش آ‌بپاش اطلاق می‌شود.

‌پوشش‌های ضدحریق پف كننده

پوشش ضدحریق متور‌م شونده یا حجیم شونده پوششی است كه به محض رسیدن اولین شعله به سطح آن شروع به تورم می‌نماید و یك فوم جامد مشكی ایجاد می‌نماید كه فوم پف كرده حاوی میلیو‌ن‌ها سلول كوچك، بسته و مقاوم در برابر حریق است. فوم به عنوان عایق، تماس شعله با‌ زیرآیند را به تعویق می‌اندازد و به عنوان یك مانع تاخیرانداز از گر‌م شدن سریع و احتراق سطح زیرین جلوگیری به عمل می‌آورد. این فوم عایق بسته به ضخامت اعمال از ۳۰ دقیقه تا حدود ۳ ساعت از رسیدن حرارت به سطح زیرین جلوگیری می‌نماید و گسترش شعله را به تاخیر می‌اندازد. در واقع مصالح و موادی كه در محیط قرار دارند، می‌تواند با اولین شعله، توسعه حریق را به دنبال داشته باشد.

استفاده و اعمال پوشش ضد حریق بر روی آن می‌تواند زمان سوختن چند ثانیه‌ای را به ساعت تبدیل كند كه این خود در شرایط بحران آتش سوزی، یك فرصت حیاتی غیرقابل تصور به شمار می‌رود.

انواع رنگ‌های ضد حریق چون رنگ‌های پف كننده پایه آبی و پوشش‌های ضدحریق بر پایه سیمان وجود دارند اما از پركاربردترین این رنگ‌ها،‌ رنگ‌های پف كننده پایه حلالی هستند كه این رنگ‌ها یك پوشش پایه حلالی حجیم شونده محافظ در برابر حریق جهت مصارف داخل و خارج ساختمان هستند و به منظور بالا بردن مقاومت‌ها در برابر حریق در پوشش تیرها و ستو‌ن‌های فولادی به كار می‌روند. در این رنگ‌ها از حلال برای رقیق‌سازی استفاده می‌شود. این نوع رنگ ضدحریق در محیط‌های باز و مرطوب بیشتر كاربرد دارد.

در قیاس مستقیم رنگ‌های ضد حریق و كندسوز كنند‌ه‌ها در مقایسه با ملا‌ت‌های پایه سیمانی، مواد خمیری اندودكنند‌ه‌ها و سایر روكش‌های ضد حریق باید پارامترهایى چون فضای اشغا‌ل شده و زمان و سهولت اجرای اظاهر پوشش‌ها و وزن مخصوص را مد نظر قرار داد. رنگ‌های ضد حریق می‌توانند بنابر شرایط تعریف شده به طور متوسط از ۵۰‌۰ میكرون تا ۵۰۰۰ میكرون روی كلیه سطوح با هر زاویه‌ای و شكستگی اعمال شوند. در نتیجه فضایی را اشغال نكرده و به عنوان یك پوشش رنگ هستند، لیكن ملا‌ت‌های سیمانی در ضخامت چند سانتیمتر اعمال شده و در سازه فلزی، مسلح نمودن آن ضروری است كه این امر خود باعث اشغال فضای بیشتر می‌شود.

از سویى اجرای رنگ ضد حریق پس از آماد‌ه سازی سطح، به سهولت و در زمان بسیار كوتاه و با ابزارهای مختلف اعمال می‌شود، ولی جهت اجرای ملات‌های سیمانی نیاز به ابزار خاص و زمان بسیار طولانی است. ظاهر رنگ‌های ضد حریق بسیار صاف بوده و نیازی به عملیات ترمیم و ماستیك كاری ندارد. لیكن در ملا‌ت‌های سیمانی، به دلیل ناهمواری سطح، چنانچه سطح صافی مورد انتظار باشد، تامین این سطح سخت و پرهزینه است. مصالح در رنگ‌های ضد حریق به لحاظ وزن در واحد متر مربع حدود ۱ تا ۳ كیلوگرم را به خود اختصاص می‌دهند، ولی در پوشش‌های ضد حریق با ملات سیمانی، این وزن در واحد متر مربع به چندین برابر افزایش می‌یابد، به طور‌ی كه در مواردی باید در طراحی، این بار مرده را مورد محاسبه قرار داد.

‌نتایج آزمایش‌هاى رنگ‌های ضد حریق و روابط مقاومت آتش سوزی

بر اساس رو‌ش‌های حفاظتی آتش اعم از جلوگیری از آتش، حمایت در مقابل آتش فعال (Active Protection) و حمایت در مقابل آتش غیرفعال (Passive Protection) باید اذعان داشت، پوشش‌های ضد حریق به پوشش‌هایی اطلاق می‌شوند كه در دمای مشخصی لایه ضخیمی از فوم كربنی تشكیل می‌دهد كه این لایه به عنوان عایق در مقابل آتش مقاومت كرده و افزایش دمای سازه فلزی را به تعویق می‌اندازد. مكانیزم عملكرد اینگونه از پوشش‌ها بشرح زیر است.

پس از افروخته شدن آتش هنگامی كه دمای پوشش به حدود ۲۰۰ الی ۲۵۰ درجه سانت یگراد می‌رسد فعالیت پوشش آغاز می‌شود. در مرحله اول بایندر پوشش ذوب شده و انجام فعالیت‌های شیمیایی در محیط مایع را تسریع می‌كند.

در مرحله بعد مواد فعالی كه در اینگونه پوشش‌ها به عنوان اهداكننده اسید شناخته می‌شوند تجزیه شده و فسفریك اسید تشكیل می‌دهند. معمولاً در فرمولاسیون پوشش‌های ضد حریق از آمونیم پلی فسفات (APP) به عنوان اهداكننده اسید استفاده می‌شود.

اسید فسفریك در مرحله بعدی با موادی كه به آنها اهداكننده كربن (carbon donor) اطلاق می‌شود واكنش داده و استرهای پلی فسفریك  اسید تشكیل می‌دهند. این استرها با افزایش دما تجزیه شده و یك ماتریس كربنی تشكیل می‌دهند. در فرمولاسیون این رنگ‌ها از ماد‌ه‌ای به نام دمنده (blowing agent) استفاده می‌شود.

ساختار دمنده آمونیوم پلی فسفات

عمدتاً دمند‌ه‌ها از جنس ملامین بوده و با افزایش دما گاز ازت آزاد می‌كنند. این گاز در عین بی‌خطر بودن عامل فوم شدن ماتریس كربنی می‌شود و لایه ضخیمی از فوم ذغال كربن را بر روی سازه حفاظت شده با رنگ ضد حریق تشكیل می‌دهد.

حفاظت فوم تشكیل شده بر روی سازه بین ۲۰ تا ۱۰۰ برابر ضخامت اولیه پوشش است. این لایه تشكیل شده از فوم بسته به ضخامت اعمال شده می‌تواند بین ۳۰ دقیقه الی ۴ ساعت از سازه در مقابل افزایش حرارت دفاع كند و فرصت مناسب جهت تخلیه ساختمان برای ساكنان و همچنین اطفاى حریق برای آتش‌نشانان را فراهم می‌كند.