Problemi di costruzione: espansione dei metalli

Articolo e foto di Gregory Havel

"L'acciaio si espanderà dallo 0,06% allo 0,07% in lunghezza per ogni aumento di 100°F della temperatura. Il tasso di espansione aumenta con l'aumento della temperatura. Riscaldato a 1.000°F, un elemento in acciaio si espanderà di 9 pollici e mezzo su 100 piedi di lunghezza... Se le travi in ​​acciaio sono trattenuti, come da una struttura in muratura, e la temperatura dell'incendio è mantenuta a circa 1.000°F, l'espansione dell'acciaio può causare lo spostamento della muratura, con conseguente crollo parziale o totale." (Brannigan's Building Construction for the Fire Service, quarta edizione, pagina 206) Se la muratura o i muri di cemento che trattengono la trave sono abbastanza massicci da non essere spostati, l'aumento della lunghezza della trave e il suo indebolimento dovuto al calore ne causeranno la deformazione. e fallire nel mezzo della campata. Queste informazioni ci sono state trasmesse a partire dai nostri corsi Pompiere I e II.

La foto 1 mostra un insieme di pareti in muratura e cemento, colonne in acciaio, capriate in travi in ​​acciaio e travetti in barre. Le capriate delle travi e i travetti delle barre sono vincolati tramite collegamento alle pareti o tramite saldature e bulloni tra loro. Nella progettazione non è prevista alcuna tolleranza per la dilatazione dell'acciaio strutturale, poiché la variazione di temperatura tra il giorno e la notte o tra l'inverno e l'estate è considerata insignificante. In un edificio dotato di aria condizionata, l'intervallo di temperatura normale potrebbe essere inferiore a 20°F. In un edificio non riscaldato in un clima freddo, è probabile che l’intervallo di temperatura sia inferiore a 100°F. L'espansione e la contrazione dell'acciaio diventano preoccupanti quando si verifica un incendio all'interno dell'edificio.

In qualsiasi edificio di grandi dimensioni, i tubi metallici supportati da acciaio strutturale possono essere lunghi centinaia di piedi. Quando questi tubi trasportano acqua riscaldata o refrigerata per il riscaldamento e il condizionamento dell'aria, la loro temperatura interna può variare da 40°F a 200°F. Quando trasportano vapore, la loro temperatura interna può variare dalla temperatura ambiente a oltre 300°F. Quando trasportano acqua calda e fredda domestica, la loro temperatura interna può variare da 40°F a 150°F. Le normative edilizie e di altro tipo richiedono che questi tubi siano isolati per risparmiare energia.

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I tubi d'acciaio si espandono quando riscaldati alla stessa velocità dell'acciaio strutturale. I tubi di rame si espandono quando riscaldati a una velocità superiore di circa il 40% rispetto all'acciaio. Anche se l'espansione e la contrazione all'interno del normale intervallo di temperatura operativa del tubo potrebbero non essere sufficientemente elevate da causare il cedimento delle pareti o la deformazione del tubo, possono essere rumorose e, se non controllate, potrebbero causare perdite sui giunti dei tubi.

Un modo per controllare la dilatazione dei tubi è l'uso di giunti di dilatazione. Un tipo utilizza una sezione di tubo metallico ondulato flessibile o un tubo di gomma a intervalli nel lungo tratto del tubo. Un altro tipo è un raccordo a giunto scorrevole con tenuta meccanica o O-ring. Entrambi funzionano bene quando sono nuovi, ma alla fine perderanno e dovranno essere sostituiti.

Un altro metodo è l'uso di circuiti di espansione, utilizzati da più di 100 anni. La foto 2 mostra i circuiti di espansione in due tubi di acciaio, che porteranno l'acqua calda per il riscaldamento in inverno e l'acqua refrigerata per il condizionamento dell'aria in estate. Questa installazione utilizza raccordi Victaulic® con guarnizioni in gomma per temperature più elevate rispetto a quelle utilizzate nei sistemi antincendio automatici. In questo edificio, i tratti di tubo saranno vincolati al centro del tratto tra i circuiti di espansione.

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La foto 3 mostra i circuiti di espansione in un gruppo di tubi isolati che trasportano acqua sanitaria calda e fredda, acqua calda per riscaldamento e vapore. In questo sistema, i vincoli si trovano al centro degli anelli di espansione anziché al centro dei tratti di tubo.

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Oggi i giunti di dilatazione vengono solitamente utilizzati dove non c'è spazio per i circuiti di dilatazione. Sebbene richiedano meno manodopera per l'installazione rispetto ai circuiti di espansione, spesso costano più dei materiali per i circuiti di espansione. Inoltre, richiedono la sostituzione periodica.