Los ingenieros y técnicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) pasaron meses recreando meticulosamente los largos pisos de concreto sostenidos por vigas de acero que se encuentran comúnmente en edificios de oficinas de gran altura. solo para incendiar deliberadamente las estructuras, destruyéndolos en una fracción del tiempo que llevó construirlos.

Estos experimentos cuidadosamente planificados produjeron losas de hormigón agrietadas y vigas de acero retorcidas, pero de los escombros surgieron una gran cantidad de nuevos conocimientos sobre cómo se comportan las estructuras del mundo real y cómo pueden eventualmente fallar en incendios incontrolados de edificios. Los resultados del estudio, reportado en el Revista de ingeniería estructural , indican que las estructuras construidas según el código no siempre están equipadas para sobrevivir a las fuerzas inducidas por 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 disminuir el aumento de 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 exigen que sean lo suficientemente gruesos como para retrasar el deterioro estructural durante un cierto número de horas. La responsabilidad de apagar incendios o evitar que se propaguen, sin embargo, típicamente recae en medidas fuera del diseño estructural, como sistemas de rociadores y departamentos de bomberos locales.

El enfoque actual de la seguridad contra incendios suele ser suficiente para proteger a 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 espantosas como estas, donde los incendios arden de manera descontrolada, Las llamas a veces pueden arder tanto que abruman la defensa de la protección contra incendios 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 que el líquido tiene espacio para expandirse, vigas de acero, como los que se utilizan para sostener pisos en edificios de oficinas, suelen estar unidas en sus extremos para soportar columnas, que normalmente permanecen fríos y mantienen su forma durante más tiempo debido a la protección contra incendios adicional y al refuerzo de la estructura circundante. Con muy poco margen de maniobra, Los rayos que se calientan durante los incendios podrían presionar contra sus límites intransigentes, potencialmente rompiendo sus conexiones y haciendo que los pisos colapsen.

Para preparar mejor los edificios para los peores escenarios, Es posible que los diseños estructurales deban 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 un incendio real. Los modelos informáticos que simulan incendios en edificios podrían 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 se puedan utilizar para desarrollar o validar programas computacionales, "dijo Lisa Choe, Ingeniero estructural del NIST y autor principal del estudio. "Luego, los programas pueden expandirse a diferentes configuraciones de edificios y usarse para el diseño".

Las estructuras rara vez se someten a pruebas de fuego a una escala realista. Las pruebas estándar utilizan hornos de laboratorio que, por lo general, solo admiten componentes individuales o conjuntos pequeños sin los tipos de conexiones finales que se utilizan en los edificios. El tamaño es un problema menor para NIST, sin embargo. Dentro del Laboratorio Nacional de Investigación de Incendios (NFRL), los ingenieros pueden construir y quemar de forma segura estructuras de hasta dos pisos y tener una gran cantidad de herramientas disponibles para inspeccionar la destrucción.

Imitando el diseño de pisos de edificios de oficinas de gran altura, Choe y sus colegas del NFRL formaron losas de concreto sobre vigas de acero que se extendían por 12,8 metros (42 pies), una longitud típica en edificios de oficinas y también la prueba de fuego más larga de los Estados Unidos. Los pisos estaban suspendidos en el aire, Sujetadas en sus extremos para soportar columnas, ya sea mediante uniones de lengüeta de doble ángulo o cortante, que tienen una forma diferente pero ambos son comunes.

Para que las condiciones de la prueba sean aún más reales, los ingenieros utilizaron un sistema hidráulico para derribar los pisos, simulando el peso de los ocupantes y objetos móviles como muebles. Las vigas también se recubrieron con material ignífugo con una clasificación de resistencia al fuego de dos horas para cumplir con los requisitos del código de construcción. Dijo Choe.

Dentro de un compartimento ignífugo, tres quemadores de gas natural incendiaron los pisos desde abajo, liberando calor tan rápidamente como un incendio real en un edificio. Mientras el compartimento se calentaba, varios instrumentos midieron las fuerzas sentidas por las vigas junto con su deformación y temperatura.

A medida que las temperaturas dentro del compartimento superaron 1, 000 C, las vigas en expansión, habiendo sido restringido entre dos columnas de soporte, comenzó a doblarse cerca de sus extremos.

Ningún piso salió de las pruebas de fuego sin manchas, pero algunos resistieron más que otros. Después de aproximadamente una hora de calentamiento, las conexiones de lengüeta de corte de una viga, que ahora se han hundido más de dos pies, se fracturaron, conduciendo al colapso. Las vigas con conexiones de doble ángulo, sin embargo, batió el calor y se mantuvo intacto. Es decir, hasta que se derrumbaron horas después de que se apagaran los hornos, a medida que las vigas se enfriaron y 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 encontraron 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 a las quemaduras, pero la fuerza del fuego.