Hvordan brand får kontorbygningsgulve til at kollapse

Ingeniører og teknikere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) brugte måneder på omhyggeligt at genskabe de lange betongulve understøttet af stålbjælker, der almindeligvis findes i højhuse i kontorbygninger, kun for bevidst at sætte strukturerne i brand, ødelægge dem på en brøkdel af den tid, det tog at bygge dem.

Disse nøje planlagte eksperimenter producerede revnede betonplader og forvrængede stålbjælker, men fra murbrokkerne opstod et væld af ny indsigt i, hvordan virkelige strukturer opfører sig og i sidste ende kan svigte i ukontrollerede bygningsbrande. Resultaterne af undersøgelsen, rapporteret i Journal of Structural Engineering , angiver, at strukturer bygget til at kode ikke altid er udstyret til at overleve de kræfter, der induceres af ekstreme temperaturskift, men de opnåede data her kan hjælpe forskere med at udvikle og validere nye designværktøjer og byggekoder, der styrker brandsikkerheden.

I USA, brandsikre materialer sprøjtes eller males på vægtbærende bjælker eller søjler for at bremse deres temperaturstigning i tilfælde af brand. Disse materialer, som typisk er de eneste brandmodstandsforanstaltninger integreret i bygningers skeletter, kræves ifølge bygningsreglementet at være tyk nok til at forsinke strukturelle forringelser i et vist antal timer. Ansvaret for at slukke brande eller forhindre dem i at sprede sig, imidlertid, falder typisk på tiltag uden for det strukturelle design, såsom sprinkleranlæg og lokale brandvæsener.

Den nuværende tilgang til brandsikkerhed er typisk tilstrækkelig til at beskytte de fleste bygninger mod sammenstyrtning; imidlertid, der er sjældne situationer, hvor brandsikringssystemer og brandslukningsindsats ikke er nok. Under alvorlige omstændigheder som disse, hvor brande raser på en ukontrolleret måde, flammer kan nogle gange brænde så varmt, at de overvælder forsvaret af brandsikringen og forsegler konstruktionens skæbne.

Ligesom den røde væske i et termometer stiger på en varm dag, komponenter i en bygning vil undergå termisk forlængelse ved forhøjede temperaturer. Men mens væsken har plads til at udvide sig, stålbjælker, som dem der bruges til at holde etager i kontorbygninger, er typisk bundet i deres ender til støttesøjler, som typisk forbliver kølige og bevarer deres form i længere tid på grund af yderligere brandsikring og forstærkning af den omgivende struktur. Med meget lidt slingreplads, bjælker, der varmes op under brande, kan presse op mod deres kompromisløse grænser, potentielt bryde deres forbindelser og få gulve til at kollapse.

For bedre at forberede bygninger til worst-case scenarier, konstruktionsdesign kan være nødvendigt at tage højde for de kræfter, der indføres af brande. Men fordi opførselen af ​​en brændende bygning er kompleks, konstruktionsingeniører har brug for hjælp til at forudsige, hvordan deres design ville holde sig i en egentlig brand. Computermodeller, der simulerer bygningsbrande, kunne give uvurderlig vejledning, men for at disse værktøjer skal være effektive, en betydelig mængde eksperimentelle data er nødvendige først.

"Hovedformålet med dette eksperiment er at udvikle data fra realistiske strukturer og brandforhold, der kan bruges til at udvikle eller validere beregningsprogrammer, " sagde Lisa Choe, NIST konstruktionsingeniør og hovedforfatter af undersøgelsen. "Så kan programmerne udvides til forskellige bygningskonfigurationer og bruges til design."

Konstruktioner bliver sjældent brandtestet i realistisk skala. Standardtest gør brug af laboratorieovne, der typisk kun rummer individuelle komponenter eller små samlinger uden den slags endeforbindelser, der bruges i bygninger. Størrelse er mindre af et problem for NIST, imidlertid. Inden for National Fire Research Laboratory (NFRL), ingeniører kan bygge og sikkert brænde strukturer så høje som to etager og har et væld af værktøjer til rådighed til at inspicere ødelæggelsen.

Efterligner designet af gulve fra højhuse kontorbygninger, Choe og hendes kolleger ved NFRL dannede betonplader oven på stålbjælker, der spænder over 12,8 meter (42 fod) - en typisk længde i kontorbygninger og også den længste brandtestede i USA. Gulvene var suspenderet i luften, fastgjort i deres ender til støttesøjler enten ved dobbelt vinkel eller forskydningsfligforbindelser, som er forskelligt formet, men begge almindelige.

For at gøre testbetingelserne endnu mere virkelighedstro, ingeniørerne brugte et hydraulisk system til at trække ned på gulvene, simulerer vægten af ​​passagerer og bevægelige genstande som møbler. Bjælkerne blev også belagt med brandsikringsmateriale med en brandmodstandsevne på to timer for at opfylde kravene til byggeloven, sagde Choe.

Inde i et brandsikkert rum, tre naturgasbrændere brændte gulvene nedefra, frigiver varme lige så hurtigt som en rigtig bygningsbrand. Mens rummet blev varmet op, forskellige instrumenter målte de kræfter, som bjælkerne følte, sammen med deres deformation og temperatur.

Da temperaturen i rummet oversteg 1, 000 C, de ekspanderende bjælker, efter at være blevet spærret mellem to støttesøjler, begyndte at spænde tæt på deres ender.

Intet gulv kom frit ud af brandtestene, men nogle modstod mere end andre. Efter omkring en times opvarmning, forskydningsfligforbindelserne på en bjælke - nu dykket ned med mere end to fod - brækket, fører til kollaps. Bjælkerne med dobbeltvinkelforbindelser, imidlertid, slå varmen og forblev intakt. Det er, indtil de væltede ned timer efter, at ovnene var lukket, efterhånden som strålerne afkølede og trak sig tilbage opad, bryde dobbeltvinkelforbindelserne.

Mens undersøgelsens lille stikprøvestørrelse betyder, at konklusioner om bygninger generelt ikke kunne drages, Choe og hendes team fandt ud af, at bjælkerne med dobbeltvinkelforbindelser udholdt større kræfter og deformationer fra temperaturændringerne end dem med forskydningsfligforbindelser.

"Påvirkningen af ​​den termiske forlængelse og sammentrækning er noget, som vi ikke bør ignorere for design af stålkonstruktioner udsat for brande. Det er det store budskab, " sagde Choe.

Mod målet om mere robuste designs, disse resultater giver uvurderlige data for forskere, der udvikler prædiktive brandmodeller, der kan lægge et fundament for bygninger, der ikke kun modstår forbrændinger, men ildens kraft.