Los ingenieros y técnicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST pasaron meses recreando meticulosamente los largos pisos de concreto soportados por vigas de acero que se encuentran comúnmente en edificios de oficinas de gran altura, solo para incendiar deliberadamente las estructuras, destruyéndolas en una fraccióndel tiempo que tomó construirlos.
Estos experimentos cuidadosamente planificados produjeron losas de concreto agrietadas y vigas de acero retorcidas, pero de los escombros surgieron una gran cantidad de nuevas ideas sobre cómo se comportan las estructuras del mundo real y eventualmente pueden fallar en incendios incontrolados de edificios. Los resultados del estudio, reportados en el Revista de Ingeniería Estructural , indica que las estructuras construidas para codificar no siempre están equipadas para sobrevivir a las fuerzas inducidas por los cambios extremos de temperatura, pero los datos obtenidos aquí podrían ayudar a los investigadores a desarrollar y validar nuevas herramientas de diseño y códigos de construcción que refuercen la seguridad contra incendios.
En los Estados Unidos, los materiales ignífugos se rocían o pintan sobre vigas o columnas que soportan peso para reducir el aumento de la temperatura en caso de incendio. Estos materiales, que suelen ser las únicas medidas de resistencia al fuego integradas en los esqueletos de los edificios,Los códigos de construcción requieren que sean lo suficientemente gruesos para retrasar el deterioro estructural durante un cierto número de horas. Sin embargo, la responsabilidad de apagar incendios o evitar que se propaguen generalmente recae en medidas fuera del diseño estructural, como los sistemas de rociadores y localesdepartamentos de bomberos
El enfoque actual para la seguridad contra incendios suele ser suficiente para proteger la mayoría de los edificios del colapso; sin embargo, hay situaciones raras en las que los sistemas de protección contra incendios y los esfuerzos de extinción de incendios no son suficientes. En circunstancias extremas como estas, donde los incendios se desatan sin control,las llamas a veces pueden arder tanto que abruman la defensa de la ignifugación y sellan el destino de la estructura.
Al igual que el líquido rojo en un termómetro se eleva en un día caluroso, los componentes de un edificio sufrirán un alargamiento térmico a temperaturas elevadas. Pero mientras el líquido tiene espacio para expandirse, las vigas de acero, como las que se usan para sostener pisos en edificios de oficinas, generalmente están unidos en sus extremos a columnas de soporte, que generalmente se mantienen frías y mantienen su forma durante más tiempo debido a la resistencia al fuego adicional y al refuerzo de la estructura circundante. Con muy poco espacio para moverse, las vigas que se calientan durante los incendios podrían presionar contra sulímites intransigentes, potencialmente rompiendo sus conexiones y haciendo que los pisos colapsen.
Para preparar mejor los edificios para el peor de los casos, los diseños estructurales pueden tener en cuenta las fuerzas introducidas por los incendios. Pero debido a que el comportamiento de un edificio en llamas es complejo, los ingenieros estructurales necesitan ayuda para predecir cómo se mantendrían sus diseños en una situación realfuego. Los modelos de computadora que simulan incendios en edificios pueden proporcionar una guía invaluable, pero para que esas herramientas sean efectivas, primero se necesita una cantidad considerable de datos experimentales.
"El objetivo principal de este experimento es desarrollar datos a partir de estructuras realistas y condiciones de incendio que puedan usarse para desarrollar o validar programas computacionales", dijo Lisa Choe, ingeniera estructural del NIST y autora principal del estudio. "Entonces los programas puedenexpandirse a diferentes configuraciones de edificios y usarse para el diseño "
Las estructuras rara vez se prueban con fuego a una escala realista. Las pruebas estándar hacen uso de hornos de laboratorio que generalmente solo acomodan componentes individuales o conjuntos pequeños sin los tipos de conexiones finales que se usan en los edificios. El tamaño es menos problemático para el NIST,sin embargo, dentro del Laboratorio Nacional de Investigación de Incendios NFRL, los ingenieros pueden construir y quemar estructuras de forma segura de hasta dos pisos y tener una gran cantidad de herramientas disponibles para inspeccionar la destrucción.
Imitando el diseño de los pisos de los edificios de oficinas de gran altura, Choe y sus colegas en el NFRL formaron losas de concreto sobre vigas de acero de 12.8 metros 42 pies, una longitud típica en edificios de oficinas y también la prueba de fuego más larga enEstados Unidos. Los pisos estaban suspendidos en el aire, sujetos en sus extremos para soportar columnas, ya sea por doble ángulo o por conexiones de lengüeta de corte, que tienen formas diferentes pero ambas comunes.
Para hacer que las condiciones de prueba sean aún más reales, los ingenieros utilizaron un sistema hidráulico para tirar de los pisos, simulando el peso de los ocupantes y los objetos móviles como muebles. Las vigas también fueron recubiertas con material ignífugo con una duración de dos horas.clasificación de resistencia al fuego para cumplir con los requisitos del código de construcción, dijo Choe.
Dentro de un compartimento ignífugo, tres quemadores alimentados con gas natural incendiaron los pisos desde abajo, liberando calor tan rápido como un incendio real en un edificio. Mientras el compartimento se calentaba, varios instrumentos midieron las fuerzas que sentían las vigas junto con su deformación y temperatura.
A medida que las temperaturas dentro del compartimento superaron los 1,000 C, las vigas de expansión, que se habían limitado entre dos columnas de soporte, comenzaron a doblarse cerca de sus extremos.
Ningún piso salió de las pruebas de fuego sin escocés, pero algunos resistieron más que otros. Después de aproximadamente una hora de calentamiento, las conexiones de la lengüeta de corte de una viga, que ahora se han sumergido más de dos pies, se fracturaron,conduciendo al colapso. Las vigas con conexiones de doble ángulo, sin embargo, vencieron el calor y permanecieron intactas, es decir, hasta que se cayeron horas después de que se apagaran los hornos, ya que las vigas se enfriaron y se contrajeron hacia arriba, rompiendo las conexiones de doble ángulo.
Si bien el pequeño tamaño de la muestra del estudio significa que no se pudieron extraer conclusiones sobre los edificios en general, Choe y su equipo descubrieron que las vigas con conexiones de doble ángulo soportaron mayores fuerzas y deformaciones por los cambios de temperatura que aquellas con conexiones de lengüeta de corte.
"La influencia del alargamiento y la contracción térmica es algo que no debemos ignorar para el diseño de estructuras de acero expuestas a incendios. Ese es el gran mensaje", dijo Choe.
hacia el objetivo de diseños más robustos, estos resultados proporcionan datos invaluables para los investigadores que desarrollan modelos predictivos de incendios que podrían sentar las bases para edificios que resistan no solo las quemaduras, sino la fuerza del fuego.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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