Ingenieurs en technici van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben maandenlang nauwgezet de lange betonnen vloeren nagebouwd die worden ondersteund door stalen balken die vaak worden aangetroffen in hoge kantoorgebouwen, alleen om opzettelijk de structuren in vuur en vlam te zetten, vernietigen ze in een fractie van de tijd die nodig was om ze te bouwen.

Deze zorgvuldig geplande experimenten leverden gescheurde betonplaten en verwrongen stalen balken op, maar uit het puin ontstond een schat aan nieuwe inzichten in hoe constructies in de echte wereld zich gedragen en uiteindelijk kunnen falen bij ongecontroleerde bouwbranden. De resultaten van de studie, gerapporteerd in de Tijdschrift voor bouwtechniek , geven aan dat constructies die zijn gebouwd om te coderen niet altijd zijn uitgerust om de krachten te overleven die worden veroorzaakt door extreme temperatuurverschuivingen, maar de hier verkregen gegevens kunnen onderzoekers helpen bij het ontwikkelen en valideren van nieuwe ontwerptools en bouwvoorschriften die de brandveiligheid versterken.

In de Verenigde Staten, brandwerende materialen worden op dragende balken of kolommen gespoten of geverfd om hun temperatuurstijging in geval van brand te vertragen. Deze materialen, die typisch de enige brandwerende maatregelen zijn die zijn geïntegreerd in de skeletten van gebouwen, bouwvoorschriften vereisen dat ze dik genoeg zijn om structurele achteruitgang voor een bepaald aantal uren uit te stellen. De verantwoordelijkheid om branden te blussen of te voorkomen dat ze zich uitbreiden, echter, valt meestal op maatregelen buiten het structurele ontwerp, zoals sprinklerinstallaties en lokale brandweerkorpsen.

De huidige benadering van brandveiligheid is doorgaans voldoende om de meeste gebouwen tegen instorting te beschermen; echter, er zijn zeldzame situaties waarin brandbeveiligingssystemen en brandbestrijdingsinspanningen niet voldoende zijn. In barre omstandigheden als deze, waar branden ongecontroleerd woeden, vlammen kunnen soms zo heet branden dat ze de verdediging van de vuurvastheid overweldigen en het lot van de constructie bezegelen.

Net zoals de rode vloeistof in een thermometer op een warme dag stijgt, onderdelen van een gebouw zullen thermische rek ondergaan bij verhoogde temperaturen. Maar terwijl de vloeistof ruimte heeft om uit te zetten, stalen balken, zoals die gebruikt werden om vloeren in kantoorgebouwen te ondersteunen, zijn meestal aan hun uiteinden gebonden aan steunkolommen, die doorgaans koel blijven en langer hun vorm behouden door extra brandwerendheid en de versterking van de omringende structuur. Met heel weinig speelruimte, balken die tijdens branden opwarmen, kunnen tegen hun compromisloze grenzen drukken, mogelijk hun verbindingen verbreken en vloeren doen instorten.

Om gebouwen beter voor te bereiden op worstcasescenario's, structurele ontwerpen moeten mogelijk rekening houden met de krachten die door branden worden geïntroduceerd. Maar omdat het gedrag van een brandend gebouw complex is, structurele ingenieurs hebben hulp nodig om te voorspellen hoe hun ontwerpen in een echte brand stand zouden houden. Computermodellen die branden in gebouwen simuleren, kunnen van onschatbare waarde zijn, maar om die instrumenten effectief te laten zijn, er is eerst een aanzienlijke hoeveelheid experimentele gegevens nodig.

"Het belangrijkste doel van dit experiment is om gegevens te ontwikkelen van realistische structuur- en brandomstandigheden die kunnen worden gebruikt voor het ontwikkelen of valideren van computerprogramma's, " zei Lisa Choe, NIST bouwkundig ingenieur en hoofdauteur van de studie. "Dan kunnen de programma's worden uitgebreid naar verschillende gebouwconfiguraties en worden gebruikt voor het ontwerp."

Constructies worden zelden op realistische schaal getest op brand. Standaardtests maken gebruik van laboratoriumovens die doorgaans alleen plaats bieden aan individuele componenten of kleine assemblages zonder de soorten eindverbindingen die in gebouwen worden gebruikt. Grootte is minder een probleem voor NIST, echter. Binnen het Nationaal Brandonderzoek Laboratorium (NFRL), ingenieurs kunnen constructies van wel twee verdiepingen bouwen en veilig verbranden en beschikken over een overvloed aan gereedschappen om de vernietiging te inspecteren.

Het ontwerp van vloeren van hoge kantoorgebouwen nabootsen, Choe en haar collega's van de NFRL vormden betonnen platen bovenop stalen balken van 12,8 meter (42 voet) - een typische lengte in kantoorgebouwen en ook de langste brandtest in de Verenigde Staten. De vloeren hingen in de lucht, bevestigd aan hun uiteinden om kolommen te ondersteunen, hetzij door dubbele hoek- of breeklipverbindingen, die verschillend van vorm zijn, maar beide gemeengoed zijn.

Om de testomstandigheden nog realistischer te maken, de ingenieurs gebruikten een hydraulisch systeem om de vloeren naar beneden te trekken, het simuleren van het gewicht van inzittenden en verplaatsbare objecten zoals meubels. De balken waren ook gecoat in brandwerend materiaal met een brandwerendheidsclassificatie van twee uur om te voldoen aan de bouwvoorschriften, zei Choe.

In een vuurvast compartiment, drie op aardgas gestookte branders staken de vloeren van onderen in brand, even snel warmte afgeven als bij een echte bouwbrand. Terwijl het compartiment opwarmde, verschillende instrumenten maten de krachten die door de balken werden gevoeld, samen met hun vervorming en temperatuur.

Toen de temperatuur in het compartiment 1 overschreed, 000 C, de uitzettende balken, vastgehouden tussen twee steunkolommen, begonnen dicht bij hun uiteinden te knikken.

Geen enkele vloer kwam onbeschadigd uit de brandtesten, maar sommigen weerstonden meer dan anderen. Na ongeveer een uur opwarmen, de verbindingen van de afschuifklamp van een balk - die nu meer dan twee voet naar beneden is gezonken - gebroken, leidt tot ineenstorting. De liggers met dubbele hoekverbindingen, echter, sloeg de hitte en bleef intact. Dat is, tot ze uren nadat de ovens waren uitgeschakeld omvielen, terwijl de balken afkoelden en weer omhoog trokken, het verbreken van de dubbele hoekverbindingen.

Hoewel de kleine steekproefomvang van het onderzoek betekent dat er geen conclusies over gebouwen in het algemeen kunnen worden getrokken, Choe en haar team ontdekten wel dat de balken met dubbele hoekverbindingen grotere krachten en vervormingen door de temperatuurveranderingen doorstonden dan die met afschuifklampverbindingen.

"De invloed van de thermische rek en krimp is iets dat we niet mogen negeren voor het ontwerp van staalconstructies die worden blootgesteld aan branden. Dat is de grote boodschap, ' zei Choe.

Naar het doel van robuustere ontwerpen, deze resultaten bieden onschatbare gegevens voor onderzoekers die voorspellende brandmodellen ontwikkelen die een basis kunnen leggen voor gebouwen die niet alleen bestand zijn tegen brandwonden, maar de kracht van vuur.