اخبار
در حال خواندن
اثر گرما و حرارت بر فلزات
0

اثر گرما و حرارت بر فلزات

توسط میلاد سکاکی۱۵ بهمن, ۱۳۹۵

تامین ایمنی کافی و رعایت اقتصادی  یک عضو سازه ای اساسا از ان جهت طرح میشود که از ایمنی کافی برخوردار باشد به این مفهوم که در مقابل بارهای وارده و تحت انواع شرایط محتمل از پایداری برخوردار باشد.بدون شک اثر حرارت بر فلزات میتواند باعث بروز خسارت های بزرگی شود که باید برای امنیت انسان ها و ساختمان های دیگر باید در نظر گرفته  تا از تخریب ساختمان جلوگیری شده و امنیت ساختمان ها و انسان ها تضمین شود اما گرما چه بلایی سر فلزات می آورد؟

می‌دانیم که گرما و سرما بر روی فلزات  اثر گذاشته و آن‌ها را منبسط یا منقبض می‌کند. بدین معنی که اگر یک میله‌ی فلزی که در دمای معمولی یک متر می‌باشد را حرارت دهیم طول آن افزایش پیدا می‌کند و اگر آن را سرد کنیم طول آن کاهش می‌یابد البته این افزایش و کاهش آنقدر زیاد نیست. توجه داشته باشید که مثلاً اگر یک میله‌ی ۱ متری فلزی را گرما دهیم، افزایش طول آن ۵۰سانتی‌متر(به معنی افزایش ۵۰درصدی) یا حتی ۲۰ سانتی‌متر(به معنی افزایش ۲۰ درصدی) نمیشود  در واقع اندازه‌ی انبساط یا انقباض در فلزات خیلی کمتر از این‌هاست مثلاً حدود ۱ تا ۳ میلیمتر درطول یک متر یعنی چیزی  حدودیک الی سه دهم درصد .

با این وجود همین مقدار کم انبساط یا انقباض فلزات در صنعت وتکنولژی و حتا درأمور روزمرّه‌ی زندگی ما انسان‌ها با اهمیّت می‌باشد.برای مثال:ریل‌های راه‌آهن که تماماً از فولاد یا آهن ساخته می‌شوند و چرخ‌های قطار بر روی آن حرکت می‌کنند. این ریل‌ها در تابستان بدلیل افزایش گرمای هوا منبسط شده و در زمستان بدلیل کاهش دما ممکن است منقبض شوند.

اگر این ریل‌ها را پشت سرهم کار بگذازند ریل‌ها بدلیل انبساط ممکن است به هم فشار آورده و مانند تصویر کج شوند و باعث خارج شدن قطار از ریل بشوند. برای جلوگیری از کج شدن ریل‌ها در تابستان، ریل‌ها را با فاصله‌ی اندکی از هم کار می‌گذارند (درز انبساط ) که موقع انبساط باعث کج شدن یا تغییر شکل همدیگر نشوند.

کج شدن ریل های قطار بر اثر گرما

 فلزّات بر اثر حرارت طولشان افزایش پیدا می‌کند امّا افزایش طول هر فلز با فلزات دیگر متفاوت است  بدین معنا که اگر دو فلز ناهمسان را در یک حرارت مشخصی قرار دهیم هر دوی آن‌ها افزایش طول می‌دهند امّا این افزایش، یکسان نیست و به جنس فلز بستگی دارد و برای فلزّات مختلف اعداد متفاوت دارد که در جدول اعداد آن را ملاحظه می‌کنید .

تغییر طول دو میله جوش نخورده شده

اثر دما بر خواص فلز

اثر دما بر خواص جریان (Effect Of Temperature On Flow Properties) و منحنی تنش – کرنش که از تست کشش به‌ دست می‌ آید به‌ طور کلی به این شکل است که با بالا رفتن دما، استحکام کم شده و شکل پذیری زیاد می‌ شود. با این حال ممکن است تغییرات ساختاری مانند رسوب کردن، پیر سختی یا تبلور مجدد در محدوده دمایی ویژه‌ ای رخ دهد که موجب تغییر این رفتار کلی شود. فرآیند های فعال شده توسط گرما به تغییر شکل کمک کرده و در دما های بالا استحکام را کاهش می‌ دهند. در دما های بالا و یا زمان طولانی، تغییرات ساختاری ناشی از تغییر شکل مرتبط به زمان یا خزش رخ می‌ دهد.

تغییر منحنی تنش – کرنش فولاد نرم با دما به‌ طور شماتیک در شکل زیر نشان داده شده است.

نمودار تنش-الاستیته

حال سوال اینجاست که چرا باید این اثر را در در سازه و ساختمان ها در نظر گرفت.پاسخ در کنترل و کاهش میزان خسارت مالی و جانی است.به عنوان مثال استفاده از رنگ عایق در اسکلت و ستون های ساختمان علاوه بر احتمال عدم تخریب ساختمان بر اثر اتش سوزی باعث افزایش مدت زمان تخلیه انسان ها از ساختما و افزایش مدت زمان برای مهار اتش را به همراه دارد.

علت بروز حادثه ای که متاسفانه اخیرا در کشور ما رخ داد احتمالا عوامل گفته شده میتواند دخیل باشد یعنی تغیر حالت فلز بر اثر حرارت و نبود عایق حرارتی در اسکلت آن.

پوشش ضد حرارتی سازه های فلزی

معمولا سازه‌های فلزی دارای پوشش ضد حرارت هستند. این پوشش جلوی انتقال میزان زیادی از حرارت به فلز که آن را تا مرحله گسیختگی پیش می‌برد را می‌گیرد. اما سازه قدیمی ساختمان پلاسکو فاقد چنین پوششی بوده است. به این ترتیب شانس بروز گسیختگی چند ناحیه‌ای بالا می‌رود که در مورد سازه‌های فلزی بسیار خطرناک است. این سازه‌ها به طور عمومی می‌توانند در مقابل گسیختگی‌های ناحیه‌ای مقاومت کنند، اما گسترش آتش به دلیل انفجار دوباره در ساختمان دامنه گسیختگی را زیاد کرده و منجر به فروپاشی شده است. در سال ۲۰۱۱ محققان با ساختن مدلی تلاش کردند نحوه فروپاشی برج‌های دوقلو و ساختمان شماره ۷ را توضیح دهند.

پف ایجاد شده نشن گرعدم انتقال حرارت به سازه ی فلزی است

محققان مواد نشان داد که بخش‌های فلزی این سازه‌ها در اثر حرارات و پاشش آب دچار فروپاشی مقاومتی شده بود. به این ترتیب نیازی نیست که فولاد به کار رفته در سازه فلزی ذوب شود، اگر حرارت به قدر کافی بالا برود رفتار فلز در مقابل نیرو تغییر می‌کند. این موضوعی است که تقریبا هرکسی در جهان مهندسی و علم از آن با خبر است. به این ترتیب به نظر می‌رسد ترکیبی از حرارت، شوک حرارتی، نبود ایمنی لازم ( باعث انفجار دوم شده است)، ظریب ایمنی ناکافی در هنگام طراحی، زیاد شدن وزن بر اثر آب، خستگی اسکلت فلزی و نبود پوشش ضد حرارت احتمالا دست به دست هم داده و باعث فروپاشی ساختمان بر اثر آتش‌سوزی‌ای شده‌اند که گویا بر خاطر انفجار یک گاز پیک‌نیکی آغاز شده بود.

ضریب اطمینان سازه ها

معمولا برای تامین ایمنی کافی در سازه باید شرایط بارگذاری را تا حدودی دست بالا و شرایط مقاومت اجزا را تا حدودی دست پایین در نظر بگیریم تا ضریب اطمینان کافی در مقابل شرایط عملی فراهم گردد هر چه ضریب اطمینان در طراحی بزرگتر باشد ایمنی بیشتری برای سازه در نظر گرفته میشود.دمایی که معمولا برای اسکلت فلزی مقاومتش را از دست می‌دهد بستگی به ضریب ایمنی در هنگام ساخت دارد. مثلا در مورد برج تجارت جهانی شماره ۷ ( ساختمانی که در حاشیه برج‌های دوقلو بود و بر اثر آتش‌سوزی فرو ریخت ) ضریب ایمنی ۳ ( عدد ۳ به این معنی است که ساختمان ۳ برابر بیشتر از میزان مورد نیاز در برابر تنش‌ها و نیروهای وارده، شامل زلزله، وزن خود ساختمان و باد و … مقاومت دارد) بوده است. این عدد به این معنی است اجزاء سازه باید ۶۷ درصد مقاومتشان را از دست بدهند تا دچار فروپاشی شوند که در این مورد حرارات مورد نیاز برای این میزان کاهش در مقاومت اجزا ۶۶۰ درجه سانتیگراد بوده است. در مورد ساختمان پلاسکو اما مشخص نیست ظریب ایمنی طراحی چه اندازه بوده است اما ظواهر امر نشان می‌دهند که ظریب ایمنی باید بسیار پایین‌تر از ۳ بوده باشد. بنابراین با توجه به عمر طولانی ساختمان که باعث ایجاد پدیده خستگی در اجزاء فلزی می‌شود، گرمای مورد نیاز برای فروپاشی اجزاء فلزی کمتر از ۶۶۰ درجه سانتیگراد بوده است. اما گرما به تنهایی در این فروپاشی نقش اصلی را نداشته است.

شوک حرارتی ناشی ازآب و آتش

استفاده از آب برای مهار آتش‌سوزی گسترده در ساختمان‌های اسکلت‌فلزی یک اشتباه استراتژیک به حساب می‌آید. آب علاوه بر این‌که به وزن ساختمان اضافه می‌کند، باعث ایجاد شوک حرارتی هم می‌شود. مخصوصا بروز این شوک در سازه‌ای که مرکز توزیع پوشاک بوده بسیار محتمل است. به دلیل وجود منسوجات آتش به سرعت گسترش یافته و درجه حرارت به سرعت بالا می‌رود. این حرارت اسکلت فلزی ساختمان را تحت تاثیر قرار می‌دهد و اگرهمان‌طور که در بالا گفته شد، به تنهایی باعث فروپاشی نشود، ریختن آب سرد بر این فلزهای گداخته باعث ایجاد شوک و تنش حرارتی در آن‌ها می‌شود. به این ترتیب ممکن است برخی اجزاء کلیدی سازه زیر این شوک و افزایش وزن ناشی از آب دچار خمش، پیچش و یا برش شوند. به این ترتیب واکنشی زنجیره‌ای رقم می‌خورد که به «فروپاشی پیش‌رونده» مشهور است. اتفاقی که با از هم گسیختن اجزاء کلیدی سازه رقم می‌خورد و شوک ناشی از فروپاشی طبقات بالایی، اجزای طبقات پایینی را هم از هم می‌گسلد. به این ترتیب رخدادی رقم می‌خورد، که نمونه کلاسیکش را در فروپاشی برج‌های دوقلو شاهد بودیم و سپس همین‌جا در ساختمان پلاسکوی تهران.

 

آب پاشی برای مهار اتش در ساختمان پلاسکو

حال سوال اینجاست که برای مقابله با این حجم از اتش سوزی و مهار ان چه راهکاری باید در پیش بگیرم؟برای جلوگیری از وقوع چنین وقایعی چه باید بکنیم؟

واکنش شما چیست؟
I like it
100%
interested
0%
Hate it
0%
What
0%
درباره نویسنده
میلاد سکاکی
دانشجوی مهندسی مکانیک

پاسخ بدهید