Contribution to the advanced analysis and prevention of the mechanisms of natural fire induced structural collapse in highrise buldings
- Autores: Ángel Guerrero Castells
- Directores de la Tesis: Francesco Pesavento (dir. tes.), Frederic Marimón Carvajal (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2009
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eugenio Oñate Ibáñez de Navarra (presid.), Ana María Lacasta Palacios (secret.), Dariusz Gawin (voc.), Silvia de la Flor López (voc.), Francesc Ferrando Piera (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
El progresivo incremento de la altura de los Edificios de Gran Altura (EGA) ha aumentado las consecuencias reales y potenciales cuando irrumpen en ellos incendios naturales. A la vista de dichas pérdidas, el objeto principal de esta Tesis es la contribución al análisis avanzado y prevención de los mecanismos de colapso estructural en EGAs inducidos por incendios naturales, mejorando el conocimiento actual de los fenómenos involucrados en los mecanismos de fallo estructural introducidos por la acción de dichos incendios naturales y de las consecuencias de ciertas estrategias de extinción de incendios. Durante el calentamiento del Hormigón de Alta Resistencia (HSC), tienen lugar diversos fenómenos complejos, con interacciones físicas, químicas y mecánicas que resultan en cambios significativos de sus propiedades, comportando una pérdida de la capacidad portante y de otras características de servicio de las estructuras de HSC. Un fenómeno significativo conducente a un mecanismo de fallo estructural específico de los HSCs es el Spalling Térmico. Esta Tesis fija el citado objeto, en primer lugar, en los dominios del análisis computacional del Spalling Térmico por medio del software de análisis higro-termo-quimo-mecánico (HTCM) más avanzado y basado en el denominado Modelo de Padua, el software High Temperature Concrete and Spalling o HITECOSP con los objetivos de: Desarrollar un abanico de nomogramas de Spalling con el objeto de evaluar la sensibilidad de los procesos HTCM involucrados en el comportamiento de los HSC, bajo condiciones de incendio natural, a determinados parámetros relevantes; Analizar si el Spalling es energéticamente viable en un abanico de casos reales; Discernir cuál es la contribución energética al Spalling Térmico por parte del gas comprimido y cuál es la correspondiente a la energía elástica constreñida (los dos factores clave conducentes, conjuntamente, al Spalling Térmico). Se han desarrollado más de 91 análisis HTCM, resultantes de la combinación de los valores de los parámetros considerados, a saber: el contenido inicial de humedad del HSC, su permeabilidad intrínseca, la intensidad del fuego, la resistencia a compresión, el conjunto de propiedades del HSC y el espesor del elemento estructural. Otra materia escasamente estudiada en relación con el objeto de la Tesis, es el análisis del efecto de las estrategias de extinción en el estado estructural de los EGAs durante incendios naturales. El choque térmico inducido por la aplicación de un chorro de agua sobre la superficie de un elemento estructural, produce una reducción significativa de la resistencia a flexión y a compresión, mientras que fenómenos de Spalling (Post-Spalling) pueden tener lugar durante y después de la extinción. Esta Tesis fija por tanto su objeto, en segundo lugar, en el dominio del análisis del efecto de un espectro de procesos de enfriamiento en el estado HTCM de un elemento estructural de nuevo con HITECOSP con los siguientes objetivos: Analizar el efecto de un espectro de procesos de enfriamiento en el estado HTCM de un elemento estructural, fabricado con HSC, durante el desarrollo de un incendio natural en un EGA; Desarrollar un análisis comparativo del estado HTCM final de un elemento estructural después de diferentes tipos y subtipos de procesos de enfriamiento, incluyendo la comparación de enfriamientos ambientales y de superficie, diferentes instantes de inicio y velocidades de los procesos de enfriamiento; Proporcionar suficiente información para analizar la influencia en el comportamiento HTCM de un elemento estructural, durante los procesos de enfriamiento, de diversos parámetros no relacionados con los propios procesos de enfriamiento. Dos casos de referencia han sido seleccionados y analizados en profundidad incluyendo numerosas variaciones de: tipo de enfriamiento bien enfriando los gases del escenario bien la superficie del elemento estructural, instante de inicio del proceso de enfriamiento y su velocidad. Este segundo encuadre de objetivos incluye el desarrollo de más de 20 Simulaciones de Dinámica de Fluidos Computacional por medio del software Fire Dynamics Simulator (FDS) para extraer la evolución de la temperatura en las superficies de los elementos estructurales durante diversas acciones de extinción. Finalmente se incluye un análisis heurístico del efecto de los procesos de enfriamiento en el estado HTCM de una columna cuadrada, fabricada con HSC, durante el desarrollo de un incendio natural en un EGA, entendiéndose como una extensión introductoria de los anteriores análisis a casos con flujos 2D como las columnas cuadradas, en las cuales el Spalling de esquina es el más peligroso.
