تأثير الحريق على الهياكل المعدنية وطرق حمايتها

تُستخدم الهياكل المعدنية في المصانع والمستودعات
والمراكز التجارية والمباني متعددة الطوابق لما توفره من سرعة في التنفيذ
وخفة في الوزن وقدرة على تغطية البحور الواسعة. لكن خواص الفولاذ تتغير عند
تعرضه لحرارة الحريق؛ إذ يتمدد وتتناقص صلابته ومقاومته، وقد يفقد العنصر
قدرته على حمل الأحمال أو الاستقرار قبل أن يصل إلى درجة الانصهار. لذلك
تعتمد سلامة المنشأ على تصميم مقاوم للحريق، واختيار نظام حماية مناسب،
وتنفيذه وفحصه وفق متطلبات المشروع.

ماذا يحدث
للفولاذ أثناء الحريق؟

انخفاض المقاومة
والصلابة

مع ارتفاع درجة حرارة الفولاذ، تتغير خواصه الميكانيكية
تدريجيًا، فتقل مقاومته وصلابته. وهذا يعني أن الكمرة أو العمود قد يتشوه
تحت الأحمال التي كان يتحملها بأمان في الظروف العادية. ويتطلب تصميم
المنشآت في الحريق مراعاة الخواص الحرارية والميكانيكية للمواد، وانتقال
الحرارة، والاستجابة الإنشائية للعناصر والإطار ككل. [1]

لا توجد درجة حرارة واحدة تصلح باعتبارها «درجة فشل
الفولاذ» في جميع الحالات؛ فالحرارة الحرجة تتأثر بنسبة الحمل على العنصر،
ونوعه وشكله، ودرجة تقييد تمدده، ومدة التعرض للحريق، ونظام الحماية
المستخدم. لذلك لا يصح اعتماد رقم عام بوصفه حدًا ثابتًا لكل الأعمدة
والكمرات.

التمدد الحراري
والقوى الإضافية

يتمدد الفولاذ عند التسخين. وإذا كان العنصر حر الحركة،
فقد يظهر التمدد على شكل زيادة في الطول أو تغير في الشكل. أما إذا كانت
نهاياته أو اتصالاته مقيدة، فقد تتولد قوى إضافية تؤثر في الوصلات والعناصر
المجاورة والإطار الإنشائي. وبعد التبريد، قد لا يعود العنصر إلى شكله
الأصلي، خصوصًا إذا تعرض لتشوهات كبيرة أثناء الحريق. [2]

الانبعاج والتشوه

عندما تنخفض صلابة الفولاذ، تصبح العناصر المعرضة للضغط
أكثر قابلية للانبعاج. وقد تظهر تشوهات موضعية في صفائح المقطع أو انبعاج
عام في الأعمدة. كما يمكن أن تتأثر الوصلات والمسامير واللحامات، خصوصًا إذا
تعرضت لحرارة غير متجانسة أو لتقييد التمدد.

توضح الصورتان التاليتان حالة منشأة ذات هيكل معدني بعد
الحريق. وهما توثّقان المظهر المرئي فقط؛ ولا تكفيان وحدهما لتحديد المقاومة
المتبقية أو صلاحية العناصر للاستخدام.

صورة 1 – تظهر تشوهات وهبوط ظاهر في بعض عناصر السقف
المعدني بعد الحريق. يجب التحقق ميدانيًا من مقدار الانحناء وسلامة الوصلات
قبل تقييم إمكانية الإصلاح أو إعادة الاستخدام.

صورة 2 – لقطة أقرب لعناصر السقف قرب منطقة اتصال بعد
الحريق. لا يمكن استنتاج درجة حرارة الفولاذ أو مقاومته المتبقية من الصورة
وحدها.

هل يجب أن ينصهر الفولاذ حتى يفقد قدرته الإنشائية؟

لا. ليس من الضروري أن ينصهر الفولاذ حتى يفقد العنصر
قدرته على حمل الأحمال. الخطر الأساسي هو تدهور المقاومة والصلابة، مع
التمدد والتشوه واحتمال الانبعاج أو فشل الوصلات. وتوضح مراجع المعهد
الوطني الأمريكي للمعايير والتقنية أن الفولاذ قد يفقد نسبة كبيرة من
مقاومته عند درجات حرارة مرتفعة، مع بقاء درجة الانصهار أعلى بكثير من
درجات الحرارة التي قد تسبب فقدانًا إنشائيًا خطيرًا. [3]

طرق حماية
الهياكل المعدنية من الحريق

تهدف أنظمة الحماية إلى إبطاء انتقال الحرارة إلى
الفولاذ، بحيث يبقى العنصر قادرًا على أداء وظيفته للمدة المطلوبة في تصميم
الحريق. ويُختار النظام بناءً على تصنيف مقاومة الحريق المطلوب، وشكل العنصر،
وموقعه، والظروف البيئية، ومتطلبات التشطيب والصيانة.

الدهانات
المنتفخة المقاومة للحريق

تُطبّق هذه الدهانات على سطح الفولاذ، وتنتفخ عند تعرضها
للحرارة لتكوّن طبقة عازلة تقلل سرعة ارتفاع حرارة العنصر. وتُستخدم عندما
يكون الفولاذ ظاهرًا ويراد الحفاظ على مظهره المعماري.

يجب تحديد سماكة الدهان وفق تصنيف مقاومة الحريق، وشكل
المقطع، ودرجة حرارة التصميم، وبيانات النظام المعتمد. كما ينبغي التأكد من
توافق البرايمر والطبقات النهائية مع نظام الحماية، والالتزام بتعليمات
الشركة المصنّعة والاختبارات المعتمدة. وتُعد الدهانات المنتفخة إحدى وسائل
الحماية التفاعلية الشائعة للفولاذ الإنشائي. [4]

مواد الحماية
المرشوشة

تُرش مواد معدنية أو إسمنتية أو ألياف معدنية على
العناصر الفولاذية لتكوين طبقة عازلة. وتناسب غالبًا المناطق التي لا تتطلب
سطحًا معماريًا مكشوفًا، مثل بعض المصانع والمستودعات والمناطق الخدمية.
ويعتمد نجاحها على تحضير السطح، والتصاق المادة بالفولاذ، والسماكة
المطلوبة، وطريقة التطبيق. وقد يتطلب النظام شبك تثبيت أو معالجة خاصة بحسب
المنتج وشكل العنصر. كما ينبغي فحص الطبقة بعد التنفيذ، خصوصًا في المناطق
المعرضة للصدمات أو الرطوبة أو الاهتزاز.

ألواح مقاومة
للحريق

يمكن تغليف الأعمدة والكمرات بألواح مصممة لمقاومة
الحريق. وتوفر هذه الطريقة سطحًا منتظمًا يمكن دمجه مع التشطيبات، لكنها
تحتاج إلى تفاصيل دقيقة عند الوصلات والزوايا والاختراقات، وإلى تثبيت
مناسب يمنع انفصال الألواح أو فتح الفواصل أثناء الحريق.

التغليف
بالخرسانة أو مواد البناء

يمكن حماية العناصر الفولاذية بتغليفها بالخرسانة أو
بمواد بناء مقاومة للحريق. ويعمل الغلاف على إبطاء وصول الحرارة إلى
الفولاذ، لكنه يزيد الوزن والأبعاد، وقد يؤثر في تفاصيل الاتصال والتشطيب.
لذلك يُفضّل إدراج هذا الحل ضمن التصميم الإنشائي والمعماري منذ
البداية.

تعبئة المقاطع
المجوفة

يمكن تعبئة بعض المقاطع المجوفة بالخرسانة أو استخدام
أنظمة مركبة تجمع بين التعبئة والحماية الخارجية. لكن مجرد ملء المقطع لا
يضمن تلقائيًا تحقيق مدة مقاومة حريق محددة؛ إذ تعتمد النتيجة على تصميم
المقطع والتسليح والتفاصيل المعتمدة. [5]

شكل الهيكل بعد
تطبيق الحماية

تُظهر الصورة التالية مثالًا توضيحيًا لداخل منشأة ذات
هيكل معدني بعد طلاء الأعمدة والكمرات والجمالونات بطبقة حماية فاتحة
اللون. وهي صورة مولّدة للتوضيح، وليست صورة تنفيذ موثّق، كما لا يمكن معرفة
السماكة الفعلية للطلاء من مظهر الصورة. فإذا كانت السماكة المحددة للمشروع
3500 ميكرون، أي 3.5 مم، فيجب التحقق منها موقعيًا بأجهزة قياس سماكة الطلاء
الجاف، والتأكد من مطابقتها لمتطلبات النظام المعتمد.

صورة 3 – توضيح بصري لهيكل معدني بعد تطبيق الحماية. لا
تثبت الصورة أن السماكة المنفذة تبلغ 3500 ميكرون؛ ويجب قياس السماكة
والتحقق من مطابقتها للمواصفات ميدانيًا.

كيف يُختار نظام
الحماية؟

يبدأ الاختيار بتحديد متطلبات مقاومة الحريق للمبنى
والعناصر وفق الكود والجهة المختصة. بعد ذلك تُراجع الأحمال وحالة العنصر،
وشكل المقطع، وعدد الجهات المعرضة للحريق، ومدة المقاومة المطلوبة، والظروف
المحيطة به. ثم تُحدد سماكة نظام الحماية من بيانات واختبارات النظام
المعتمد.

لا تكفي عبارة «دهان مقاوم للحريق» أو «رش مقاوم
للحريق» في المواصفات. ينبغي أن تحدد وثائق المشروع النظام المعتمد، وتصنيف
مقاومة الحريق، والسماكات، ومتطلبات تحضير السطح والتوافق، وطريقة التنفيذ
والفحص. وتتضمن مواصفة AISC لتصميم المباني الفولاذية ملحقًا مخصصًا للتصميم
الإنشائي في ظروف الحريق. [4]

التنفيذ والفحص
والصيانة

حتى النظام المناسب قد يفقد فعاليته إذا نُفذ بطريقة
خاطئة أو تضرر بعد التنفيذ. لذلك تشمل إجراءات ضبط الجودة:

• فحص نظافة السطح وإزالة الزيوت والصدأ والمواد التي
  تضعف الالتصاق.

• التحقق من توافق البرايمر والطلاء أو مادة
  الحماية.

• قياس سماكة الطبقة وفق متطلبات النظام، ومعالجة
  المناطق الناقصة.

• فحص الالتصاق والتثبيت والفواصل، خصوصًا حول الوصلات
  والاختراقات.

• حماية الطبقة من الصدمات والرطوبة والعوامل الجوية
  بحسب نوع المنتج.

• إعادة فحص المناطق المتضررة أثناء التشغيل
  والصيانة.

ويجب التمييز بين دهان الحماية من الحريق ودهان مقاومة
التآكل؛ فقد يحتاج العنصر إلى نظامين مختلفين، لكن توافق الطبقات وترتيبها
يجب أن يكونا موثقين، لأن بعض أنواع البرايمر أو الطلاء قد تؤثر في التصاق
الحماية أو أدائها. [6]

ماذا نفعل بعد
تعرض الهيكل لحريق؟

بعد الحريق، لا يكفي فحص اللون أو إزالة السخام للحكم
على سلامة الهيكل. يجب توثيق مدة الحريق ومناطق التعرض وشدته، ثم فحص
التشوهات والانبعاجات واللحامات والمسامير والوصلات والطبقات الواقية. وقد
يلزم قياس الاستقامة والأبعاد، أو إجراء اختبارات وتحليلات إنشائية. ويُتخذ
قرار الإصلاح أو الاستبدال أو إعادة الاستخدام بعد تقييم مهندس إنشائي
مختص؛ فبعض الأضرار لا تظهر بوضوح من المعاينة البصرية وحدها.

الخلاصة

تتأثر الهياكل المعدنية بالحريق بسبب ارتفاع حرارة
الفولاذ وما يصاحبه من انخفاض في المقاومة والصلابة، وتمدد حراري وتشوهات
قد تقود إلى الانبعاج أو فشل الوصلات. ويمكن حماية هذه الهياكل بالدهانات
المنتفخة أو المواد المرشوشة أو الألواح أو التغليف الخرساني، وفق نظام
مصمم لتحقيق مدة مقاومة الحريق المطلوبة. وتتحقق الحماية الفعلية عندما
يجتمع التصميم الصحيح مع التنفيذ والفحص والصيانة، مع تقييم متخصص لأي منشأ
تعرض لحريق.

المراجع

[1] NIST, Best Practice Guidelines for Structural Fire Resistance
Design of Concrete and Steel Buildings,
https://www.nist.gov/publications/best-practice-guidelines-structural-fire-resistance-design-concrete-and-steel-buildings

[2] NIST, Best Practice Guidelines,
https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/technicalnotes/nist.tn.1681.pdf

[3] NIST, FAQs – World Trade Center Towers Investigation,
https://www.nist.gov/world-trade-center-investigation/study-faqs/wtc-towers-investigation

[4] AISC, Fire Protection and Structural Design for Fire Conditions,
https://www.aisc.org/aisc/solutions-center/engineering-faqs/11-fire-protection/

[5] Steel Construction Info, Structural Fire Resistance and Steel
Fire Protection,
https://steelconstruction.info/topics/fire-and-steel-construction/

[6] AISC, Finishes, Coatings, and Fire Protection,
https://www.aisc.org/architecture-center/resources/finishes-coatings-and-fire-protection/

عنوان رابط مقترح:
fire-protection-of-steel-structures
وصف لمحركات البحث: تعرف على تأثير الحريق في مقاومة وصلابة الهياكل
المعدنية، وطرق حماية الأعمدة والكمرات والجمالونات، ومتطلبات فحص سماكة
الطلاء المقاوم للحريق.