火灾如何导致办公楼地板倒塌

 
美国国家标准技术研究院(NIST)的工程师和技术人员花了几个月的时间精心重建由高层办公大楼中常见的钢梁支撑的长混凝土地板，只是故意使建筑物起火，将其破坏了一小部分。建立它们所花费的时间。
这些精心计划的实验产生了开裂的混凝土板和扭曲的钢梁，但是从瓦砾中产生了许多新的见解，可以了解现实结构的行为方式，并最终导致无法控制的建筑火灾。这项研究的结果发表在《结构工程杂志》上，表明，为编码而建造的结构并非总是能够承受极端温度变化所产生的力，但此处获得的数据可以帮助研究人员开发和验证新的设计工具，并加强消防安全的建筑法规。
在美国，在发生火灾时，将防火材料喷涂或喷涂到承重梁或柱上，以减缓其温度升高。这些材料通常是集成到建筑物骨架中的唯一防火措施，建筑规范要求这些材料必须足够厚，以将结构劣化延迟一定小时。但是，灭火或防止火势蔓延的责任通常落在结构设计之外的措施上，例如洒水系统和当地消防部门。
当前的消防安全方法通常足以保护大多数建筑物免于倒塌。然而，在极少数情况下，消防系统和消防工作还不够。在这种严峻的情况下，如火如荼地蔓延开来，火焰有时会燃烧得如此灼热，以至于压倒了防火的防御力并封死了建筑的命运。
就像温度计在炎热的天气中的红色液体上升一样，建筑物的组件也会在高温下经历热伸长。但是，尽管液体有扩展的空间，但钢梁(如用来固定办公楼地板的钢梁)通常在其末端绑在支撑柱上，由于额外的防火和加固作用，支撑柱通常保持凉爽并保持更长的形状周围的结构。由于摆动空间很小，在火灾中发热的光束可能会压在其不妥协的边界上，从而可能断开其连接并导致地板塌陷。
为了更好地为最坏的情况准备建筑物，结构设计可能需要考虑火灾引起的力。但是，由于燃烧建筑物的行为很复杂，因此结构工程师需要帮助预测他们的设计在实际火灾中的状态。模拟建筑物火灾的计算机模型可以提供宝贵的指导，但是要使这些工具有效，首先需要大量的实验数据。
NIST结构工程师，研究的主要作者Lisa Choe说：“该实验的主要目的是从现实的结构和火灾条件中开发出可用于开发或验证计算程序的数据。” “然后，程序可以扩展到不同的建筑物配置，并用于设计。”
很少对结构进行真实的防火测试。标准测试使用的实验室熔炉通常只容纳单个组件或小型组件，而没有建筑物中使用的那种末端连接。但是，对于NIST而言，尺寸问题不大。在国家消防研究实验室(NFRL)中，工程师可以建造和安全燃烧高达两层楼的建筑物，并拥有大量检查破坏的工具。
Choe和她的同事们模仿了高层办公楼的地板设计，在跨过12.8米(42英尺)的钢梁顶上形成了混凝土板，这是办公楼的典型长度，也是美国最长的防火测试。地板悬挂在空中，通过双角或剪力片连接固定在其端部以支撑柱子，它们的形状不同，但都很常见。
为了使测试条件更加逼真，工程师使用液压系统将地板拉下，模拟了乘员和可移动物体(如家具)的重量。 Choe说，梁还涂有防火等级为两个小时的防火材料，以满足建筑规范的要求。
在一个防火隔间内，三个天然气燃烧器从下方火炬扑灭了地板，释放出的热量像真实的建筑火灾一样迅速。当车厢变热时，各种仪器会测量梁受到的力以及梁的变形和温度。
当隔室内的温度超过1,000°C时，被限制在两个支撑柱之间的扩展梁开始在其末端附近弯曲。
耐火测试没有地板是苏格兰的，但是有些经受得住得多。加热大约一小时后，一根梁的剪切翼片连接处(现在已经下降了两英尺多)破裂，导致坍塌。但是，具有双角连接的梁会发热量并保持完好无损。就是说，直到关闭炉子后数小时倒塌，因为梁冷却并向上收缩，从而破坏了双角连接。
尽管这项研究的样本量较小，但无法得出有关建筑物的一般结论，但Choe和她的团队确实发现，与双角连接的梁相比，双角连接的梁承受的力和变形要大得多。
Choe说：“热伸长和收缩的影响对于暴露于火灾的钢结构设计是不容忽视的。这是一个重要信息。”
为了实现更强大的设计目标，这些结果为研究人员开发可预测的火灾模型提供了宝贵的数据，这些模型可以为不仅抵抗燃烧而且抵抗火灾的建筑物奠定基础。