Como o incêndio causa o colapso do prédio de escritórios

Engenheiros e técnicos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) passaram meses recriando meticulosamente os longos pisos de concreto sustentados por vigas de aço comumente encontradas em arranha-céus, apenas para deliberadamente incendiar as estruturas, destruindo-as em uma fração do tempo que levou para construí-los.

Esses experimentos cuidadosamente planejados produziram lajes de concreto rachadas e vigas de aço contorcidas, mas surgiram dos escombros novos conhecimentos sobre como as estruturas do mundo real se comportam e podem eventualmente falhar em incêndios não controlados em edifícios. Os resultados do estudo, relatados no Journal of Structural Engineering , indicam que as estruturas construídas para codificar nem sempre são equipadas para sobreviver às forças induzidas por mudanças extremas de temperatura, mas os dados obtidos aqui podem ajudar os pesquisadores a desenvolver e validar novas ferramentas de design e códigos de construção que reforçam a segurança contra incêndio .

Nos Estados Unidos, os materiais à prova de fogo são pulverizados ou pintados em vigas ou colunas de sustentação de peso para diminuir o aumento de temperatura em caso de incêndio. Esses materiais, que normalmente são as únicas medidas de resistência ao fogo integradas aos esqueletos dos edifícios, exigem que os códigos de construção sejam espessos o suficiente para atrasar a deterioração estrutural por um certo número de horas. A responsabilidade de apagar incêndios ou impedir que eles se espalhem, no entanto, geralmente recai sobre medidas externas ao projeto estrutural , como sistemas de sprinklers e bombeiros locais.

A abordagem atual para segurança contra incêndio é normalmente suficiente para proteger a maioria dos edifícios do colapso; no entanto, existem situações raras nas quais os sistemas de proteção contra incêndios e os esforços de combate a incêndios não são suficientes. Em circunstâncias terríveis como essas, onde os fogos se enfurecem de maneira descontrolada, as chamas às vezes podem queimar tão quente que sobrecarregam a defesa do fogo e selam o destino da estrutura.

Assim como o líquido vermelho em um termômetro sobe em um dia quente, os componentes de um edifício sofrem alongamento térmico a temperaturas elevadas. Mas enquanto o líquido tem espaço para se expandir, vigas de aço, como as usadas para sustentar pisos de prédios de escritórios, são normalmente amarradas nas extremidades para apoiar colunas, que normalmente permanecem frias e mantêm sua forma por mais tempo por causa da proteção adicional contra incêndio e reforço da estrutura circundante. Com muito pouco espaço de manobra, vigas que esquentam durante incêndios podem pressionar contra seus limites intransigentes, potencialmente interrompendo suas conexões e causando o colapso do piso.

Para preparar melhor os edifícios para os piores cenários, os projetos estruturais podem precisar levar em conta as forças introduzidas pelos incêndios. Mas como o comportamento de um prédio em chamas é complexo, os engenheiros estruturais precisam de ajuda para prever como seus projetos se sustentariam em um incêndio real. Modelos de computador que simulam incêndios em edifícios podem fornecer orientações valiosas, mas, para que essas ferramentas sejam eficazes, é necessário primeiro uma quantidade considerável de dados experimentais.

"O principal objetivo desse experimento é desenvolver dados de estrutura realista e condições de incêndio que possam ser usadas para desenvolver ou validar programas computacionais", disse Lisa Choe, engenheira estrutural do NIST e principal autora do estudo. "Em seguida, os programas podem ser expandidos para diferentes configurações de construção e usados ​​para o design".

As estruturas raramente são testadas em escala realista. Testes padrão fazem uso de fornos de laboratório que normalmente acomodam apenas componentes individuais ou pequenos conjuntos sem os tipos de conexões finais usadas em edifícios. O tamanho é um problema menor para o NIST, no entanto. No Laboratório Nacional de Pesquisa de Incêndio (NFRL), os engenheiros podem construir e queimar com segurança estruturas de até dois andares e ter uma infinidade de ferramentas disponíveis para inspecionar a destruição.

Imitando o design de pisos de arranha-céus, Choe e seus colegas da NFRL formaram lajes de concreto sobre vigas de aço de 12,8 metros (42 pés) - um comprimento típico em edifícios de escritórios e também o mais longo teste de fogo nos Estados Unidos . Os pisos eram suspensos no ar, presos nas extremidades para apoiar as colunas por conexões com guias de ângulo duplo ou cisalhamento, que têm formas diferentes, mas são comuns.

Para tornar as condições de teste ainda mais fiéis à vida, os engenheiros usaram um sistema hidráulico para puxar o chão, simulando o peso de ocupantes e objetos móveis, como móveis. As vigas também foram revestidas com material à prova de fogo com uma classificação de resistência ao fogo de duas horas para atender aos requisitos do código de construção, disse Choe.

Dentro de um compartimento à prova de fogo, três queimadores a gás natural queimavam o chão por baixo, liberando calor tão rapidamente quanto um incêndio real em um prédio . Enquanto o compartimento esquentava, vários instrumentos mediram as forças sentidas pelas vigas, juntamente com sua deformação e temperatura.

À medida que as temperaturas dentro do compartimento ultrapassavam 1.000 ° C, as vigas em expansão, tendo sido restringidas entre duas colunas de suporte, começaram a dobrar perto de suas extremidades.

Nenhum piso saiu dos testes de incêndio sem escória, mas alguns resistiram mais que outros. Após cerca de uma hora de aquecimento, as conexões da guia de cisalhamento de uma viga - agora tendo caído mais de dois pés - fraturaram, levando ao colapso. As vigas com conexões de ângulo duplo, no entanto, vencem o calor e permanecem intactas. Ou seja, até que caíssem horas após o desligamento dos fornos, enquanto as vigas esfriavam e contraíam de volta para cima, interrompendo as conexões de ângulo duplo.

Enquanto o pequeno tamanho da amostra do estudo significa que não foi possível tirar conclusões sobre edifícios em geral, Choe e sua equipe descobriram que as vigas com conexões de ângulo duplo sofreram maiores forças e deformações devido às mudanças de temperatura do que aquelas com conexões com guias de cisalhamento.

"A influência do alongamento térmico e da contração é algo que não devemos ignorar no projeto de estruturas de aço expostas a incêndios. Essa é a grande mensagem", disse Choe.

Em direção ao objetivo de projetos mais robustos, esses resultados fornecem dados inestimáveis ​​para os pesquisadores que desenvolvem modelos preditivos de incêndio que poderiam estabelecer as bases para edifícios que resistam não apenas a queimaduras, mas também à força do fogo.