راهکارهای پیشگیری در برابر آتش سوزی در سازه های چوبی

ساختمان های تاریخی نماد فرهنگی و اصالت هر کشوری هستند. هر ساله صدها ساختمان تاریخی در اثر آتش سوزی به صورت کامل یا نسبی تخریب می شوند. علت عمده تخریب کامل یا نسبی این ساختمان ها عدم وجود سیستم‌های حفاظتی و کاربری نامتناسب در این ساختمان ها است به عنوان نمونه می توان بنای تاریخی کاخ “کوشک” سرهنگ آباد معروف به “چهلستون” اردستان که در زیر تصویر آن قابل مشاهده است را نام برد.

ساختار سازه ای بناهای تاریخی در ایران از دو بخش دیوارهای باربر و سقف تشکیل شده است. در کشور ما به صورت عمده از مصالح بنایی از قبیل سنگ، خشت، گل و … برای ساخت دیوارها استفاده شده است که در برابر آتش بسیار مقاوم هستند. برای ساخت سقف نیز با توجه به منطقه آب و هوایی از سقف های شیبداریا تخت شده  که چوب در آن به عنوان بخش باربر و سایر مصالح ساختمانی به عنوان پوشش نهایی بکار رفته اند.
در این نوشتار سعی شده است به بررسی دیوار و مصالح ساخت آن در برابر آتش و سپس به بررسی سقف و نازک کاری داخلی که عمده ضعف بنای تاریخی(بخصوص چوب) در برابر آتش است، پرداخته شود.

دیوارهای باربر و جدا کننده
برای ساخت دیوارهای داخلی و خارجی با توجه به موقعیت جغرافیایی و منابع در دسترس از سنگ، آجر، خشت،گل و … در ساخت دیوارهای باربر استفاده شده است. آنچه در مصالح بنایی بسیار با اهمیت است ضریب انتقال حرارت آن است که باتوجه به اینکه اغلب دیوارها با مصالح ساختمانی می باشند جزء باربر ساختمان بوده و ضخامت زیاد و انتقال حرارت آنها بسیار پایین است.آنچه از بررسی آتش سوزی های اخیر بدست آمده، با توجه به ضخامت زیاد دیوارها و همچنین با توجه به اینرسی حرارتی بالا، این گونه سازه ها در برابر آتش آسیب کمتری دیده و پایدار باقی می مانند. البته دیوارهای بناهای تاریخی که دارای نازک کاری یا آستر کاهگل هستند ، دچار اشتعال می شوند.

سازه سقف
بر اساس شرایط اقلیمی در ایران از دو نوع سقف مسطح و شیبدار استفاده شده است. در هر دو حالت چوب عامل اصلی تحمل و انتقال بار از سقف به دیوارهای باربر است. این بخش از سازه بسیار آسیب پذیرتر از دیوارهای حمال در برابر آتش است.

چوب و خواص آن
چوب دارای ساختار سلولوزی بسیار پیچیده است. برای ساخت سازه های چوبی بیشتر از چوب های سپیدار و چنار به دلیل استحکام و تغییر شکل کم استفاده می شود. چوب های سخت دارای صمغ کمتری بوده و آهسته تر می سوزند ولی چوب های نرم دارای صمغ بیشتر بوده و با سرعت بیشتری می سوزند. ضریب انتقال حرارت چوب در دمای 25 درجه سانتیگراد بین 4/0 تا 04/0 است. با توجه به ضریب انتقال حرارت پایین (اینرسی حرارتی بالا)، در اثر حرارت، لایه بیرونی چوب مقاومت خود را از دست داده و می سوزد. در نتیجه لایه ای از زغال که ضریب انتقال حرارت بسیار پایین تری نسبت به چوب را دارد در اطراف هسته مرکزی آن تشکیل شده که مانع انتقال حرارت به لایه های داخلی می شود.در بررسی انواع چوب با سه مشخصه نرخ زغال شدن، کاهش مقاومت، الاستیسیته هسته مرکزی مواجه هستیم.

اتصالات در سازه های چوبی
یکی از عمده دلایل ناپایداری سازه چوبی بخصوص در سازه های تاریخی، اتصالات نامناسب و ناپیوستگی بین اتصالات اعضاء است. در استانداردهای بین المللی برای اتصال اعضاء چوبی از روش های مختلفی استفاده شده که در زیر تعدادی از این روش های اتصال توضیح داده می شود.
1-  ورق های فلزی (اتصال برشی)
برای اتصال اعضای چوبی و ایجاد مفصلی مستحکم با استفاده از ورق های فلزی از دو روش زیر استفاده می شود:
الف ) مانند شکل الف شیارهایی در دو عضو در محل مفصل ایجاد شده و با استفاده از ورق های فلزی و پیچ، پرچ، میخ یا پین قطعات به یکدیگر متصل می شوند.
ب)  همانند شکل ب ورقهای فلزی همچون یک لفاف اطراف اتصال قرار گرفته و با استفاده از قطعات اتصال به یکدیگر مهار می شوند.

الف) اتصال برشی  با استفاده از قطعات فلزی       ب) اتصال با ورقهای فلزی محاط بر مفصل

2- اتصال مستقیم اعضای چوبی
در این روش اعضای چوبی در محل مفصل مستقیماً با استفاده از میخ، پرچ و…. به یکدیگر متصل می شوند.

اتصال اعضای چوبی به روش مستقیم

تاثیر آتش بر چوب
چوب یک ماده سلولوزی بسیار پیچیده حاوی مقادیری آب است. در اثر حرارت ابتدا آب تبخیر شده و با افزایش دما تا 500 درجه فارنهایت تجزیه (پیرولیز) چوب آغاز و اشتعال چوب با تولیدگازهای قابل اشتعال آغاز شده و چوب به زغال تبدیل می شود. علاوه بر آب، بسیاری از عوامل و شرایط دیگر از قبیل نوع چوب، سختی یا نرمی،  حجم چوب و چیدمان آنها در فرآیند سوختن بسیار با اهمیت است. موقعیت قرارگیری اجزای چوبی در حین آتش سوزی یکی دیگر از مواردی است که بر فرآیند سوختن تاثیر گذار است.عضو چوبی می تواند از یک یا چهار جهت تحت تاثیر آتش قرار گیرد. چنانچه عضو از یک جهت تحت تاثیرآتش قرار گیرد نسبت به تاثیر چهار جهت آتش مقاومت بیشتری دارد.چگالی چوب یکی دیگر از خصوصیات مهم چوب است که بر سرعت سوختن چوب تاثیر گذار است. قطعات چوبی حجیم و سنگین که اصولا اعضای باربر ( تیرهای سقف، ستونها و … ) هستند برای مدت طولانی در برابر آتش مقاومت می کند. اما آنچه ضعف این سازه های چوبی را بیش از پیش مشهود می نماید ، وجود پنل های چوبی، قطعات نازک برای نازک کاری است که باعث تولید گرمای فراوان و افزودن شدت آتش سوزی می شود.

راهکار های مقاوم سازی چوب
روش های متفاوتی در طی سالیان سال برای مقاوم سازی سازه چوبی توسط مهندسان طراحی و اجرا  شده است.  ابتدایی ترین روش که برای سال ها در طراحی و ساخت به عنوان ساده ترین و در دسترس ترین راه توسط سازندگان استفاده از الوارهای سنگین است. الوارهای سنگین به صورت ذاتی در برابر سوختن مقاومت بیشتری دارد بنابراین نرخ زغالی شدن پایین تری دارند. از آنجا که فولاد مقاومت خود را در دماهای بالا به سرعت از دست می دهد، به این دلیل برای اتصالات با اجزای فولادی هرچند که تنها بخشی از آنها در معرض حرارت قرار می گیرد، اجرای مقاوم سازی برای آنها الزامی است. در استاندارد اروپا علاوه بر روش ها و متدهای روز دنیا همچون استفاده از رنگها، پوشش های نانو، مواد معدنی نیز دو روش کلی زیر نیز توصیه می شود.
1)  پوششهای مقاوم آتش برای محافظت از اجزای اتصال
همانگونه که قبلا بیان شد یکی از بزرگترین نقاط ضعف سازه های چوبی مفاصل و اجزای اتصال دهنده آنها میباشد. چنانچه عضو چوبی تحت تاثیر آتش سوزی قرار گیرد قطعات فلزی مفصل مقاومت خود را از دست داده، دچار تغییر شکل شده و در نهایت منجر به شکست و ناپایداری سازه خواهند شد. اجزای فلزی اتصال که مستقیما در معرض آتش قرار می گیرند به دلیل افزایش دما مقاومت خود را از دست می دهند. یکی از روش هایی که در استاندارد اروپا برای مقابله با افزایش دما و کاهش مقاومت توصیه شده، استفاده از مصالح با ضریب انتقال گرمای پایین است. استفاده از پنل های گچی و چوبی از ساده ترین روشهای مقاوم سازی در برابر آتش است. پنل های براساس رده بندی دارای ضریب هدایتی متفاوتی هستند که در دمای 20 درجه سانتیگراد کمترین مقدار و با افزایش دما هدایت حرارتی آن افزایش می یابد.
آنچه در استفاده از اینگونه مصالح برای مقاوم سازی بسیار مشهود است محدودیت زمانی مقاومت در برابر آتش سوزی است. برای افزایش مقاومت در برابر آتش سوزی می توان با افزایش ضخامت عضو و یا با استفاده از چند لایه از مصالح با ضریب هدایتی یکسان یا متفاوت، زمان مقاومت در برابر آتش را افزایش داد.
2- مقاوم سازی اعضای سازه ای و نازک کاری ها
امروزه روش های متنوعی با استفاده از مصالح پایه گچی، سیمانی، رنگ های منبسط شونده و نانو مواد برای مقاوم سازی اجزای ساختمانی برای پاشش بر روی سازه ها ساخته شده است. از آنجا که  برای ساخت سازه های تاریخی در ایران به طور معمول از چوب های گرد استفاده می شود. برای محافظت از اجزای سازه ای می توان از پاشش مصالح محافظ آتش استفاده کرد، اما آنچه که بیش از پیش اهمیت دارد محافظت از اجزای نازک کاری است. این مقاطع با توجه به اینکه مقاطعی نازک هستند و از ارزش هنری بالایی برخوردارند محافظت از آنها اهمیت بالایی دارد. در سالهای اخیر مواد پاششی که باعث مقاومت در برابر گسترش آتش هستند ساخته شده است. بسیاری از این مواد بر پایه نانو بوده و براین اساس می تواند تا دو ساعت از گسترش آتش بر روی چوب جلوگیری نمایند.

جمع بندی
در انتهای این نوشتار باید یادآور شد، چوب بعنوان یکی از پرکاربردترین مصالح در بناهای تاریخی شناسایی شده است. آتش سوزی مسجد جامع ساری در سال 1397یکی از گسترده‌ترین آتش سوزی‌ها در بناهای تاریخی بوده که بر اثر اتصالی سیم‌های برق رخ داده است. بنابراین با اندک تامل و بکارگیری راهکارهای مهندسی می توان سازه های چوبی را نسبت به حریق مقاوم کرد.