Come il fuoco fa crollare i pavimenti di un edificio per uffici

Come il fuoco fa crollare i pavimenti di un edificio per uffici
All’interno di un compartimento ignifugo, i ricercatori del NIST hanno sottoposto repliche a grandezza naturale dei pavimenti di edifici per uffici agli incendi prodotti da tre bruciatori alimentati a gas. Credito: NIST

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 per uffici, solo per dare fuoco deliberatamente alle strutture, distruggendole in una frazione del tempo impiegato per costruirli.

Questi esperimenti attentamente pianificati hanno prodotto lastre di cemento incrinate e travi in ​​acciaio contorte, ma dalle macerie è emersa una serie di nuove intuizioni su come si comportano le strutture del mondo reale e possono eventualmente fallire in incendi incontrollati negli edifici. I risultati dello studio, riportati nel Giornale di ingegneria strutturaleindicano che le strutture costruite secondo il codice non sono sempre attrezzate per sopravvivere alle forze indotte da sbalzi estremi di temperatura, ma i dati qui acquisiti potrebbero aiutare i ricercatori a sviluppare e convalidare nuovi strumenti di progettazione e codici edilizi che rafforzano la sicurezza antincendio.

Negli Stati Uniti, i materiali ignifughi vengono spruzzati o verniciati su travi o colonne portanti per rallentare il loro aumento di temperatura in caso di incendio. Questi materiali, che sono tipicamente le uniche misure di resistenza al fuoco integrate negli scheletri degli edifici, devono essere sufficientemente spessi per ritardare il deterioramento strutturale per un certo numero di ore. La responsabilità di estinguere gli incendi o impedirne la propagazione, tuttavia, ricade in genere su misure al di fuori della progettazione strutturale, come i sistemi antincendio 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; tuttavia, ci sono rare situazioni in cui i sistemi antincendio e gli sforzi antincendio non sono sufficienti. In circostanze terribili come queste, dove gli incendi divampano in modo incontrollato, le fiamme a volte possono bruciare così calde da sopraffare la difesa dell’ignifuga e suggellare il destino della struttura.

Proprio come il liquido rosso in un termometro sale in una giornata calda, i componenti di un edificio subiranno un allungamento termico a temperature elevate. Ma mentre il liquido ha spazio per espandersi, le travi in ​​acciaio, come quelle utilizzate per sostenere i pavimenti negli edifici per uffici, sono generalmente legate alle loro estremità a colonne di sostegno, che in genere rimangono fresche e mantengono la loro forma più a lungo grazie all’ulteriore protezione antincendio e al rinforzo della struttura circostante. Con pochissimo spazio di manovra, le travi che si riscaldano durante gli incendi potrebbero premere contro i loro confini intransigenti, interrompendo potenzialmente le loro connessioni e provocando il crollo dei pavimenti.

Per preparare meglio gli edifici agli 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 caso di incendio reale. I modelli informatici che simulano gli incendi negli edifici potrebbero fornire una guida inestimabile, ma affinché tali strumenti siano efficaci, è necessaria prima 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 affermato Lisa Choe, ingegnere strutturale del NIST e autrice principale dello studio. “Quindi i programmi possono essere espansi 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 assiemi senza i tipi di connessioni terminali utilizzati negli edifici. Le dimensioni sono un problema minore per il NIST, tuttavia. All’interno del National Fire Research Laboratory (NFRL), gli ingegneri possono costruire e bruciare in sicurezza strutture alte fino a due piani e hanno a disposizione una pletora di strumenti per ispezionare la distruzione.

Come il fuoco fa crollare i pavimenti di un edificio per uffici
La connessione della linguetta di taglio (a sinistra) è un’unica piastra piatta saldata alla colonna di supporto e imbullonata su un lato della trave in acciaio. La connessione ad angolo doppio (a destra) è composta da due piastre a forma di L, o gambe ad angolo, saldate alla colonna di supporto e imbullonate su entrambi i lati della trave in acciaio. In questo studio, le travi collegate ad angolo doppio hanno subito maggiori deformazioni e temperature prima di cedere. Credito: B. Hayes/NIST

Imitando il design dei pavimenti di grattacieli per uffici, Choe e i suoi colleghi della NFRL hanno formato lastre di cemento su travi in ​​acciaio che si estendono per 12,8 metri (42 piedi) di lunghezza tipica negli edifici per uffici e anche le più lunghe testate al fuoco negli Stati Uniti. I solai erano sospesi in aria, fissati alle loro estremità per sostenere colonne mediante connessioni a doppio angolo oa linguette a taglio, di forma diversa ma entrambe comuni.

Per rendere le condizioni di prova ancora più realistiche, gli ingegneri hanno utilizzato un sistema idraulico per abbattere i pavimenti, simulando il peso degli occupanti e di 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, ha affermato Choe.

All’interno di un vano ignifugo, tre bruciatori alimentati a metano incendiavano i pavimenti dal basso, rilasciando calore con la stessa rapidità di un vero incendio in un edificio. Durante il riscaldamento del compartimento, vari strumenti hanno misurato le forze percepite dai raggi insieme alla loro deformazione e temperatura.

Poiché le temperature all’interno del compartimento superavano i 1.000 °C, le travi in ​​espansione, essendo state vincolate tra due colonne di supporto, iniziarono a deformarsi vicino alle loro estremità.

Nessun pavimento è uscito indenne dai test antincendio, ma alcuni hanno resistito più di altri. Dopo circa un’ora di riscaldamento, le connessioni della linguetta di taglio di una trave, essendosi abbassate di oltre due piedi, si sono rotte, portando al collasso. Le travi con attacchi a doppio angolo, invece, hanno battuto il caldo e sono rimaste intatte. Cioè, fino a quando non sono crollati ore dopo che i forni erano stati spenti, poiché le travi si sono raffreddate e si sono contratte verso l’alto, rompendo i collegamenti a doppio angolo.

Mentre la piccola dimensione del campione dello studio significa 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 forze e deformazioni maggiori dai cambiamenti di temperatura rispetto a quelle con connessioni a linguetta di 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”, ha affermato Choe.

Per l’obiettivo di progetti più solidi, questi risultati forniscono dati inestimabili per i ricercatori che sviluppano modelli predittivi di incendio che potrebbero gettare le basi per edifici che resistono non solo alle ustioni, ma anche alla forza del fuoco.


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