9 •11事件十年之后,美国普渡大学(Purdue University)的研究人员仍然在继续研究,以制备更安全的钢铁结构,如建筑和桥梁,他们也设计新型核电站。
“我想让人们了解,在过去10年中,我们一直没有平静,”普渡大学的土木工程系副教授阿米特•瓦尔马(Amit Varma)说。“我们一直在努力使建筑结构更好,更安全。”
研究人员使用定制加热系统和专门的实验室,测试大型横梁等构件,他们已经制作模型,可以用于设计中,以改善防火安全。
这一新发现已被详细介绍,两篇研究论文本月发表,被美国土木工程学会(American Society of Civil Engineers)《结构工程杂志》(Journal of Structural Engineering)作为9 • 11特刊的一部分。这项工作的领导是瓦尔马,博士生里萨•崔(Lisa Choe)和研究生埃米力•威尔曼(Emily Wellman)。
建筑物火灾可能达到1000摄氏度的高温,或超过1800华氏度,而钢结构暴露在超过500摄氏度的温度时,强度会下降约40%。
建筑物的钢构件覆盖着防火材料,可以抵御极热的影响。
“因此,大火中空气可以达到1000度,但隔热的钢铁可能是在500度或以下,”瓦尔马说。 “但是,一旦钢超过600摄氏度,就会出现一些重大的问题。”
普渡大学的研究人员设计了一个系统,采用加热板来模拟火灾的影响。加热系统用来测试全尺度的钢柱,是在普渡大学罗伯特L.和泰利L.博文大型土木工程研究实验室(Robert L. and Terry L. Bowen Laboratory for Large-Scale Civil Engineering Research)进行的。加热板有电机线圈,像巨大的烤箱,放在靠近研究表面的位置。由于该系统是用来模拟火灾的影响,因此,这些测试结构都要承受液压设备的作用力,以模仿真正结构承受的负荷。
“我们希望建立一种实验方法,在结构实验室,工程师可以用它来研究建筑物在火灾中的性能,”他说。“以前的工作大多是在火灾实验室进行,所具有的实验资源不同于结构实验室。我们可以让这些结构失效,更要从根本上观察性能和失效,以建立模型,几乎没有像我们这样的测试或数据见于公共领域。”
博士生阿尼尔•阿格拉瓦尔(Anil Agrawal)领导的工作,是创建模型,精确说明钢构件遭受火灾并施加液压缸压力时,会发生什么。他们发现,与里萨•崔负责的研究实验结果相比,这一模型很准确。
“这些实验都非常难做,”瓦尔马说。“有一个可靠的模型来预测行为,就意味着,测试新的设计时,你没有必要做那么多的实验,。”
威尔曼领导的部分工作,侧重于大火如何影响建筑物的钢铁和混凝土楼板,以及它和建筑物的连接。复合材料设计是最常见的地板系统类型,用于钢结构中。
瓦尔马说:“传统观点认为,采用混凝土地板,会提高建筑物的耐火性。“我们发现,在最坏的情况下,这不一定是正确的,除非你专门设计地板,使它在火灾中性能良好。”
该研究的目的是了解,地板的钢梁和大楼柱子之间的连接会发生什么。极端高温会导致钢梁下垂。
瓦尔马说:“当它开始下垂时,问题是,这些连接会如何变化?这一直是业内的一个大问题。”
在密歇根州立大学(Michigan State University),研究人员分析了地板系统的关键连接处在专用烘箱中受到高温时的情况。结果有助于研究人员建立一种钢-混凝土楼板系统模型。
瓦尔马说:“做地板系统模型比做柱子模型困难得多,但我们最终会做到这一点。”
另一个论文将于12月发表在《美国钢结构工程研究所期刊》(American Institute of Steel Construction's Engineering Journal)上,这篇论文说明,如何使用这些模型来创建柱子设计规范。论文作者是阿格拉瓦尔,他也参与钢柱和整个建筑系统崩溃的建模。此项工作正在进行之中。
瓦尔马也领导研究测试新型核电厂设计。工作重点是测试像西屋电气公司(Westinghouse Electric Co)AP1000标准核电厂设计中使用的那些结构。工程师测试的组件属于“强化屏蔽建筑”,其中包含工厂的主要系统组件。
这种建筑包含内部钢壁容器和外部辐射屏蔽,使用的是所谓的钢-混凝土复合结构技术。而不是使用传统的钢筋混凝土,就是用钢筋加固的那种,钢-混凝土的方法是用钢板夹层,中间填满混凝土。
新的设计可以减少建设核电厂的成本,加快施工时间。复合材料的施工方法首次使用是在一个多世纪以前,但在核电厂使用的规范和标准尚不存在,瓦尔玛说,他是工业委员会副会长,正在写核电厂使用复合材料结构的新规范。
研究结果表明,这种设计可以承受强烈地震的冲击力。数据还表明,这种施工方法也称为装甲施工,创建的结构能够承受飞机或导弹攻击。
大火千度高温烤化钢结构
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