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La sfida del materiale: Perché il fuoco è un carico di progettazione essenziale per calcestruzzo preforato
I tendini pre-stressanti in acciaio sono la spina dorsale delle moderne strutture in cemento a lunga durata, dai garage e ponti ai pannelli di pavimentazione ad alta velocità e ai recipienti di contenimento nucleare. Questi elementi in acciaio ad alta resistenza sono tensibili per posizionare il cemento in compressione, consentendo disegni snelle ed efficienti. Tuttavia, le caratteristiche molto metallurgiche che rendono l'acciaio pre-stressante così potente lo rendono anche in modo unico e vulnerabile al fuoco.
Una strategia di protezione antincendio completa per il calcestruzzo prefornito deve affrontare l'intero percorso di carico, dal tendine stesso alle zone di ancoraggio e alla matrice di cemento circostante, che richiede agli ingegneri di andare oltre semplici tavoli prescrittivi e adottare una comprensione olistica del trasferimento di calore, della scienza materiale e della meccanica strutturale ad alte temperature.
La Fisica e la Metallurgia dell'acciaio prestressante in fuoco
L'acciaio prestressante è prodotto per ottenere elevatissimi punti di forza trazione, che vanno 1,720 MPa a 1.860 MPa. Questa forza si ottiene attraverso un processo di taglio freddo e di riciclo dello stress, che crea una microstruttura finemente sintonizzata. Quando esposto al fuoco, l'energia termica interrompe questa struttura. A temperature basse a 200°C, l'acciaio inizia a sperimentare
La temperatura si avvicina ai 400°C, il tasso di inquietudine dell'acciaio pre-stressante accelera notevolmente. La pressione o la deformazione dipendente dal tempo sotto stress, provoca la prolungamento permanente del tendine, riducendo direttamente l'efficace forza pre-stressante. A 600°C, un tipico filamento di pre-stressing avrà perso oltre l'80% della sua resistenza alla trazione in ambiente.
Curve di temperatura e trasferimento di calore
La progettazione per la sicurezza antincendio richiede una chiara definizione dell'esposizione al fuoco. Lo standard più comune per la costruzione è la curva di fuoco standard ISO 834], che simula un fuoco cellulosico completamente sviluppato. Questa curva si dilaga rapidamente, raggiungendo 600°C in cinque minuti e oltre 1.000°C in un'ora.
La conducibilità termica del calcestruzzo è relativamente bassa, che fornisce una protezione intrinseca. Tuttavia, la profondità della copertura in calcestruzzo è la singola variabile geometrica più importante nella protezione dei tendini. Un aumento di 25 mm in copertura può raddoppiare il tempo necessario per raggiungere una temperatura critica. Gli ingegneri devono utilizzare modelli di trasferimento termico convalidati per verificare che la copertura specificata sia adeguata per mantenere la temperatura del tendine sotto limiti critici per il periodo di resistenza al fuoco richiesto, come 60, 90 o 120 minuti.
La minaccia aggiuntiva di cemento Spalling
Anche con una copertura adeguata, un fenomeno noto come ] lo spalling esplosivo può rendere inutile la protezione passiva. In un fuoco, il vapore acqueo intrappolato nei pori di cemento costruisce una pressione interna immensa. Quando lo stress traslato da questa pressione aumenta la resistenza alla trazione del cemento, i pezzi della copertura esplodono dalla superficie.
Strategie di protezione antincendio passivi fondamentali per Tendons prestressanti
La protezione antincendio passiva (PFP) è la prima linea di difesa per i tendini strutturali, che è progettata per contenere o rallentare la diffusione del fuoco e per mantenere l'integrità strutturale dell'edificio.
Copertura di calcestruzzo sacreficiale
Il metodo più semplice e conveniente per proteggere i tendini prestressanti è quello di fornire uno spessore sufficiente di copertura di cemento. Il calcestruzzo agisce come una spugna termica, rallentando il tasso di trasferimento di calore all'acciaio. Codici ed edifici e standard, come ACI 216.1 e Eurocode 2, forniscono tabelle che collegano lo spessore di copertura richiesto ai periodi di resistenza al fuoco.
Materiali resistenti al fuoco (SFRM)
Se necessario, la copertura non può essere raggiunta a causa di vincoli di progettazione, o quando è necessaria una protezione aggiuntiva per le strutture esistenti, i SFRM sono spesso applicati. Questi materiali cementizi, gypsum, o vermiculite-based sono spruzzati direttamente sulla superficie del calcestruzzo. Essi forniscono uno strato di legame spesso e isolante che ritarda la penetrazione del calore.
Rivestimenti intuitivi e reattivi
Per le zone in cui è richiesta una sottile e completa apparenza, i rivestimenti intumescenti sono la soluzione preferita. Questi rivestimenti sono applicati come film sottili (di solito 1-3 mm per una valutazione di 2 ore sul cemento) ma si espandono sotto il calore per formare un fitto, basso contenuto di densità di carbone.
Nota su Applicazione e Manutenzione:[ Tutti i rivestimenti devono essere ispezionati regolarmente. I rivestimenti intumescenti possono degradare sotto luce UV e umidità. Un fornitore qualificato di protezione antincendio dovrebbe eseguire ispezioni per le specifiche del produttore, spesso ogni 1-5 anni, a seconda dell'esposizione ambientale.
Sistemi di assemblaggio e assemblaggio per Tendon esterni
Per i tendini esterni, come quelli utilizzati nei ponti o nei tetti dello stadio, i tendini sono situati al di fuori della sezione trasversale del cemento. In questi casi, sono protetti da ] sistemi di bordo a temperatura controllata[]] o ]] coperte in fibra ceramica]].
Progettazione per la Robustezza del Fuoco di Sistema-Level
La protezione della metà del tendine non è sufficiente: un design sicuro per il fuoco deve considerare l'intero sistema strutturale, inclusi collegamenti, continuità e percorsi di carico.
Assicurare la ridondanza strutturale
In un evento di fuoco, è ragionevole aspettarsi che alcuni tendini sperimentino una riduzione della forza. Una struttura robusta fornisce percorsi di carico alternativi in modo che se un tendine o un fascio perde la capacità, il carico può essere ridistribuito senza causare un crollo strutturale progressivo.
Zona di ancoraggio Vulnerabilità e protezione
La zona di ancoraggio è la parte più sensibile di un membro prestressato. La testa di ancoraggio e le zeppe sono spesso getti d'acciaio con alte concentrazioni di stress. Hanno pochissima copertura di cemento rispetto al tendineo mid-span. Inoltre, il rinforzo di scoppio nella zona di ancoraggio può essere denso, portando a potenziali vuoti di cemento.
Non incassato contro Tendon Comportamento in Fuoco
Il comportamento di un tendine in un incendio è fortemente influenzato dal fatto che sia legato o non collegato. In un sistema di collegamento , il tendine è invaso all'interno di un condotto. La grana fornisce una protezione termica e, se il tendine perde il legame, il cemento ancora fornisce un po' di restrizione.
Rispetto dei codici edili e degli standard di ingegneria del fuoco
La base giuridica per il design della sicurezza antincendio è il codice locale dell'edificio. La maggior parte dei codici di riferimento standard specifici per la determinazione della resistenza al fuoco.
Percorsi prescrittivi: ACI 216.1 e Eurocode 2 Parte 1-2
L'approccio prescrittivo prevede la selezione delle dimensioni dei membri e la copertura da tabelle fornite in standard quali ACI 216.1 / TMS 0216] ( Requisiti di codice per la determinazione della resistenza al fuoco di cemento e di muratura delle attrezzature]) o Eurocode 2 Parte 1-2.
Approcci di ingegneria antincendio basati sulle prestazioni
Per strutture complesse o ad alto rischio, spesso viene impiegato un design basato sulle prestazioni (PBD) che prevede la definizione di scenari di incendio specifici (ad esempio, un incendio localizzato in un garage), l'esecuzione di trasferimento termico e analisi strutturale, e dimostra che la struttura soddisfa i criteri di accettazione.
Criteri di accettazione per il test di resistenza al fuoco
I criteri di accettazione includono in genere l'adeguatezza strutturale (la capacità di supportare il carico di progettazione), la trasmissione della temperatura[] (limitando l'aumento della temperatura sul volto non esposto per prevenire l'accensione), e l'integrità (non le rotture di riferimento o le aperture di calore consentono passanti).
Prestazioni e manutenzione a lungo termine dei sistemi di protezione antincendio
Un sistema di protezione antincendio è efficace solo se rimane in posizione e si esibisce come previsto per la sua vita di progettazione.
Ispezione dei sistemi di protezione
I controlli regolari dovrebbero includere il controllo dello spessore della copertura di cemento utilizzando i contatori di copertura, ispezionando SFRM per la delaminazione, e il controllo dei sistemi di bordo per le lacune o lo slodgement. Nelle strutture di parcheggio, l'esposizione ai sali di de-icing può deteriorare sia il cemento che il rivestimento.
Riparazione e Retrofit di Tendoni Dannati
Dopo un incendio, le strutture prestressate possono apparire sonore ma hanno perso una forza prestressante significativa. I metodi di valutazione non distruttiva (NDE), come il monitoraggio acustico e la termografia a infrarossi, possono aiutare a individuare i tendini danneggiati. Tuttavia, la valutazione della forza di prestress residuo è impegnativa. La riparazione spesso comporta il taglio dei tendini danneggiati e la sostituzione con nuovi tendini esterni, o l'installazione di rinforzo supplementare.
Conclusioni
La vulnerabilità dell'acciaio ad alta resistenza alle temperature elevate richiede che gli ingegneri prestitino la copertura del calcestruzzo, valutino i rischi di ridimensionamento e specificano i sistemi di protezione antincendio passivi appropriati per tendini e ancoraggi. Integrando la sicurezza antincendio nel design strutturale iniziale e attenendosi a rigorosi protocolli di ispezione e manutenzione, possono essere utilizzati anche per la sicurezza dei fuochi.