Ingegneri e tecnici del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno trascorso mesi a ricreare meticolosamente i lunghi pavimenti in cemento supportati da travi in ​​acciaio che si trovano comunemente nei grattacieli degli uffici, solo per incendiare deliberatamente le strutture, distruggendoli in una frazione del tempo impiegato per costruirli.

Questi esperimenti attentamente pianificati hanno prodotto lastre di cemento fessurate e travi di acciaio contorte, ma dalle macerie sono emerse molte nuove intuizioni su come le strutture del mondo reale si comportano e possono alla fine fallire in caso di incendi incontrollati degli edifici. I risultati dello studio, riportato in Giornale di ingegneria strutturale , indicano che le strutture costruite per codificare non sono sempre attrezzate per sopravvivere alle forze indotte da sbalzi di temperatura estremi, ma i dati ottenuti qui potrebbero aiutare i ricercatori a sviluppare e convalidare nuovi strumenti di progettazione e codici di costruzione che rafforzano la sicurezza antincendio.

Negli Stati Uniti, i materiali ignifughi vengono spruzzati o verniciati su travi o colonne portanti per rallentarne l'aumento di temperatura in caso di incendio. Questi materiali, che sono tipicamente le uniche misure di resistenza al fuoco integrate negli scheletri degli edifici, sono richiesti dai regolamenti edilizi per essere sufficientemente spessi da ritardare il deterioramento strutturale per un certo numero di ore. La responsabilità di spegnere gli incendi o impedirne la propagazione, però, tipicamente ricade su misure al di fuori del progetto strutturale, come i sistemi sprinkler e i vigili del fuoco locali.

L'attuale approccio alla sicurezza antincendio è in genere sufficiente per proteggere la maggior parte degli edifici dal crollo; però, ci sono rare situazioni in cui i sistemi di protezione antincendio e gli sforzi antincendio non sono sufficienti. In circostanze disastrose come queste, dove gli incendi infuriano in modo incontrollato, le fiamme a volte possono bruciare così calde da sopraffare la difesa dell'ignifugo e sigillare il destino della struttura.

Proprio come il liquido rosso in un termometro sale in una giornata calda, i componenti di un edificio subiranno allungamento termico a temperature elevate. Ma mentre il liquido ha spazio per espandersi, travi di acciaio, come quelli usati per sostenere i pavimenti degli edifici per uffici, sono tipicamente vincolati alle loro estremità a sostenere colonne, che in genere rimangono freschi e mantengono la loro forma più a lungo grazie a un'ulteriore ignifugazione e al rinforzo della struttura circostante. Con pochissimo margine di manovra, travi che si riscaldano durante gli incendi potrebbero premere contro i loro confini intransigenti, potenzialmente rompendo le loro connessioni e causando il crollo dei pavimenti.

Per preparare al meglio gli edifici per gli scenari peggiori, i progetti strutturali potrebbero dover tenere conto delle forze introdotte dagli incendi. Ma poiché il comportamento di un edificio in fiamme è complesso, gli ingegneri strutturali hanno bisogno di aiuto per prevedere come reggerebbero i loro progetti in un incendio reale. I modelli informatici che simulano gli incendi degli edifici potrebbero fornire una guida preziosa, ma affinché quegli strumenti siano efficaci, prima è necessaria una notevole quantità di dati sperimentali.

"Lo scopo principale di questo esperimento è sviluppare dati da strutture realistiche e condizioni di incendio che possono essere utilizzati per lo sviluppo o la convalida di programmi computazionali, " ha detto Lisa Choe, Ingegnere strutturale del NIST e autore principale dello studio. "Quindi i programmi possono essere estesi a diverse configurazioni di edifici e utilizzati per la progettazione".

Le strutture sono raramente testate al fuoco su scala realistica. I test standard utilizzano forni da laboratorio che in genere ospitano solo singoli componenti o piccoli assemblaggi senza i tipi di connessioni terminali utilizzate negli edifici. Le dimensioni sono un problema minore per il NIST, però. All'interno del National Fire Research Laboratory (NFRL), gli ingegneri possono costruire e bruciare in sicurezza strutture alte come due piani e avere a disposizione una miriade di strumenti per ispezionare la distruzione.

Imitando il design dei piani di grattacieli per uffici, Choe e i suoi colleghi della NFRL hanno formato lastre di cemento sopra travi di acciaio che si estendono per 12,8 metri (42 piedi), una lunghezza tipica negli edifici per uffici e anche la più lunga testata al fuoco negli Stati Uniti. I pavimenti erano sospesi in aria, fissati alle estremità per sostenere le colonne mediante collegamenti a doppio angolo o a taglio, che sono di forma diversa ma entrambi comuni.

Per rendere le condizioni di prova ancora più realistiche, gli ingegneri usavano un sistema idraulico per abbattere i pavimenti, simulando il peso degli occupanti e degli oggetti mobili come i mobili. Le travi sono state anche rivestite con materiale ignifugo con una resistenza al fuoco di due ore per soddisfare i requisiti del codice edilizio, disse Choe.

All'interno di un vano ignifugo, tre bruciatori alimentati a gas naturale hanno incendiato i pavimenti dal basso, rilasciando calore con la rapidità di un vero incendio in un edificio. Mentre il compartimento si riscaldava, vari strumenti misuravano le forze percepite dalle travi insieme alla loro deformazione e temperatura.

Quando le temperature all'interno del compartimento hanno superato 1, 000 C, le travi in ​​espansione, essendo stato vincolato tra due colonne di sostegno, cominciarono a piegarsi verso le loro estremità.

Nessun pavimento è uscito dalle prove di fuoco senza scrupoli, ma alcuni hanno resistito più di altri. Dopo circa un'ora di riscaldamento, le connessioni della linguetta di taglio di una trave, ora essendo scese di oltre due piedi, si sono fratturate, portando al collasso. Le travi con attacchi a doppio angolo, però, ha battuto il calore ed è rimasto intatto. Questo è, finché non crollarono ore dopo che i forni furono spenti, mentre le travi si raffreddavano e si contraevano verso l'alto, rompendo le connessioni a doppio angolo.

Sebbene la piccola dimensione del campione dello studio significhi che non è stato possibile trarre conclusioni sugli edifici in generale, Choe e il suo team hanno scoperto che le travi con connessioni a doppio angolo hanno sopportato maggiori forze e deformazioni dovute alle variazioni di temperatura rispetto a quelle con connessioni a taglio.

"L'influenza dell'allungamento e della contrazione termica è qualcosa che non dovremmo ignorare per la progettazione di strutture in acciaio esposte agli incendi. Questo è il grande messaggio, " disse Cho.

Verso l'obiettivo di design più robusti, questi risultati forniscono dati preziosi per i ricercatori che sviluppano modelli predittivi di incendio che potrebbero gettare le basi per edifici che resistono non solo alle ustioni, ma la forza del fuoco.