Ingenjörer och tekniker vid National Institute of Standards and Technology (NIST) ägnade månader åt att noggrant återskapa de långa betonggolven som stöds av stålbalkar som vanligtvis finns i höga kontorsbyggnader, bara för att medvetet sätta eld på strukturerna, förstöra dem på en bråkdel av den tid det tog att bygga dem.

Dessa noggrant planerade experiment producerade spruckna betongplattor och förvrängda stålbalkar, men från spillrorna uppstod en mängd nya insikter om hur verkliga strukturer beter sig och så småningom kan misslyckas i okontrollerade byggnadsbränder. Resultaten av studien, redovisas i Journal of Structural Engineering , indikerar att strukturer byggda för att koda inte alltid är utrustade för att överleva de krafter som induceras av extrema temperaturförändringar, men de data som samlas in här kan hjälpa forskare att utveckla och validera nya designverktyg och byggnormer som stärker brandsäkerheten.

I USA, brandskyddsmaterial sprutas eller målas på viktbärande balkar eller pelare för att bromsa deras temperaturökning i händelse av brand. Dessa material, som vanligtvis är de enda brandbeständighetsåtgärderna integrerade i byggnaders skelett, enligt byggnormerna måste de vara tillräckligt tjocka för att fördröja strukturell försämring under ett visst antal timmar. Ansvaret att släcka eller förhindra att bränder sprids, dock, faller vanligtvis på åtgärder utanför den strukturella utformningen, såsom sprinklersystem och lokala brandkårer.

Den nuvarande strategin för brandsäkerhet är vanligtvis tillräcklig för att skydda de flesta byggnader från kollaps; dock, det finns sällsynta situationer där brandskyddssystem och brandbekämpningsinsatser inte räcker. Under svåra omständigheter som dessa, där bränder rasar på ett okontrollerat sätt, lågor kan ibland brinna så varma att de överväldigar försvaret av brandskyddet och förseglar konstruktionens öde.

Precis som den röda vätskan i en termometer stiger en varm dag, komponenter i en byggnad kommer att genomgå termisk förlängning vid förhöjda temperaturer. Men medan vätskan har utrymme att expandera, Stålbjälkar, som de som används för att hålla upp golv i kontorsbyggnader, är vanligtvis bundna vid sina ändar till stödpelare, som vanligtvis håller sig svala och bibehåller sin form längre på grund av ytterligare brandskydd och förstärkning av den omgivande strukturen. Med väldigt lite rörelseutrymme, strålar som värms upp under bränder kan pressa sig mot deras kompromisslösa gränser, potentiellt bryta deras anslutningar och få golv att kollapsa.

För att bättre förbereda byggnader för värsta scenarier, konstruktionskonstruktioner kan behöva ta hänsyn till de krafter som införs av bränder. Men eftersom beteendet hos en brinnande byggnad är komplext, byggnadsingenjörer behöver hjälp med att förutsäga hur deras konstruktioner skulle hålla i en verklig brand. Datormodeller som simulerar byggnadsbränder kan ge ovärderlig vägledning, men för att dessa verktyg ska vara effektiva, en stor mängd experimentella data behövs först.

"Huvudsyftet med detta experiment är att utveckla data från realistisk struktur och brandförhållanden som kan användas för att utveckla eller validera beräkningsprogram, sa Lisa Choe, NIST konstruktionsingenjör och huvudförfattare till studien. "Då kan programmen utökas till olika byggnadskonfigurationer och användas för design."

Konstruktioner brandtestas sällan i realistisk skala. Standardtester använder sig av laboratorieugnar som vanligtvis endast rymmer enskilda komponenter eller små enheter utan de typer av ändanslutningar som används i byggnader. Storlek är ett mindre problem för NIST, dock. Inom National Fire Research Laboratory (NFRL), ingenjörer kan bygga och på ett säkert sätt bränna strukturer så höga som två våningar och har en uppsjö av verktyg tillgängliga för att inspektera förstörelsen.

Efterliknar designen av golv från höga kontorsbyggnader, Choe och hennes kollegor vid NFRL formade betongplattor ovanpå stålbalkar som spänner över 12,8 meter (42 fot) - en typisk längd i kontorsbyggnader och även den längsta brandtestade i USA. Golven hängde i luften, fästa vid sina ändar till stödpelare antingen med dubbla vinkel- eller skjuvfliksanslutningar, som är olika formade men båda vanliga.

För att göra testförhållandena ännu mer verklighetstrogna, ingenjörerna använde ett hydraulsystem för att dra ner på golven, simulerar vikten av passagerare och rörliga föremål som möbler. Balkarna var också belagda med brandskyddsmaterial med två timmars brandbeständighet för att uppfylla byggnormens krav, sa Choe.

Inuti ett brandsäkert fack, tre naturgasdrivna brännare brände upp golven underifrån, avger värme lika snabbt som en riktig byggnadsbrand. Medan facket värmdes upp, olika instrument mätte de krafter som balkarna kände tillsammans med deras deformation och temperatur.

Eftersom temperaturen i facket översteg 1, 000 C, de expanderande balkarna, ha varit instängd mellan två stödpelare, började spänna sig nära deras ändar.

Inget golv kom ut från brandtesterna utan skott, men vissa stod emot mer än andra. Efter cirka en timmes uppvärmning, skjuvfliksanslutningarna på en balk – som nu har sjunkit ner mer än två fot – spruckit, leder till kollaps. Balkarna med dubbla vinkelanslutningar, dock, slå värmen och förblev intakt. Det är, tills de ramlade ner timmar efter att ugnarna stängdes av, när strålarna svalnade och drog sig tillbaka uppåt, bryta de dubbla vinkelanslutningarna.

Även om studiens lilla urvalsstorlek innebär att slutsatser om byggnader i allmänhet inte kunde dras, Choe och hennes team fann att balkarna med dubbla vinkelanslutningar uthärdade större krafter och deformationer från temperaturförändringarna än de med skjuvfliksanslutningar.

"Påverkan av den termiska förlängningen och sammandragningen är något som vi inte bör ignorera för konstruktionen av stålkonstruktioner som exponeras för bränder. Det är det stora budskapet, " sa Choe.

Mot målet med mer robust design, dessa resultat ger ovärderlig data för forskare som utvecklar prediktiva brandmodeller som kan lägga en grund för byggnader som inte bara motstår brännskador, men eldens kraft.