Estudio y simulación del comportamiento térmico de elementos de compartimentación
- Autores: David Lázaro Urrutia
- Directores de la Tesis: Daniel Alvear Portilla (dir. tes.), Orlando Víctor Abreu Menéndez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Paulo Alexandre Gonçalves Piloto (presid.), Jorge Rodríguez Hernández (secret.), Felipe Álvarez Rabanal (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: UCrea
- Resumen
El incendio es uno de los fenómenos más peligrosos que pueden afectar a un edificio, infraestructura o sistemas de transporte. El control de la propagación del fuego es muy importante de cara a aumentar el tiempo disponible para que las personas evacúen con seguridad. Una de las medidas de protección pasiva más importantes en la seguridad contra incendios en edificios, instalaciones o medios de transportes son los sistemas de compartimentación. Se pueden encontrar una gran cantidad de sistemas de compartimentación formados por una gran variedad de materiales y tipologías, cada uno con unas características específicas. La clasificación de la resistencia al fuego de los sistemas de compartimentación se realiza sometiéndolos a ensayos normativos que indican el tiempo que el sistema aguanta sometido a un calentamiento normalizado [1-3].
Dada la gran cantidad de posibilidades disponibles en la definición de estos sistemas, un método capaz de predecir la resistencia al fuego de los sistemas, previo a la realización de los ensayos normativos de resistencia al fuego, puede generar un importante ahorro de tiempo y económico. En este sentido son de gran utilidad herramientas como los modelos de simulación computacional. En la actualidad la mayoría de los modelos computacionales desarrollados para predecir el comportamiento de los sistemas de compartimentación se centran en el estudio de la transferencia térmica sin considerar la caída de las placas de yeso laminado que sufren estos sistemas al ser sometidos a los ensayos de resistencia al fuego o a un incendio real. Esto ha hecho que muchos modelos se validen frente a ensayos a media escala, en los cuales, dada la menor esbeltez de los sistemas, se disminuye la ruptura y caída de las placas debido a las tensiones mecánicas generadas [4-6]. En los últimos años han aparecido modelos que combinan la respuesta mecánica y térmica de los sistemas de yeso laminado, pero no realizan esos cálculos de forma simultánea [7]. Así mismo, la influencia de las láminas de cartón en la resistencia al fuego no ha sido estudiada previamente, sino que se analizan las placas de yeso laminado como si solo estuvieran formadas por yeso. Sin embargo, las propiedades de resistencia mecánica que aportan las láminas de cartón son indudables, tal y como indica Cramer [8] pese a no realizar un análisis del cartón. Todo esto pone de manifiesto la necesidad de estudiar la influencia de las tensiones mecánicas en los ensayos de resistencia al fuego y de definir un modelo capaz de predecir la resistencia de los sistemas de yeso laminado considerando la posible caída de placas.
En la presente tesis, en primer lugar se realizó un análisis termogravimétrico y otro térmico de distintos materiales existentes en los sistemas de compartimentación, lo que permitió analizar la descomposición térmica y obtener las propiedades térmicas de los materiales estudiados para su posterior introducción en el modelo.
A continuación, se desarrolló una nueva metodología de ensayo en cono calorimétrico, diseñándose y fabricándose un nuevo portamuestras para el estudio de la transferencia térmica a través de los sistemas de compartimentación [9]. Este análisis experimental simplificado ha permitido estudiar la influencia de los esfuerzos mecánicos en la resistencia de los sistemas de compartimentación.
Seguidamente, se realizó la definición del modelo de predicción del comportamiento de elementos de compartimentación. Este modelo se ha elaborado mediante el empleo del modelo de simulación computacional de incendios FDS con la consideración de la hipótesis de que la resistencia mecánica a flexión en las placas de yeso laminado es debida a las láminas de cartón que conforman las placas de yeso. Esta hipótesis se desarrolló en base a los ensayos experimentales realizados previamente.
Del análisis del comportamiento térmico de los materiales realizado en la tesis, se ha observado que la mayor parte de la pérdida de masa del cartón tiene lugar en el mismo rango de temperaturas para la atmósfera de nitrógeno y de aire. Esta pérdida de masa es de aproximadamente el 60 % de la masa inicial, y tiene lugar entre 300 ºC y 375 ºC. Esto ha permitido considerar la hipótesis de que el cartón es el componente que resiste mecánicamente contra la flexión.
Adicionalmente, de los ensayos en el cono calorimétrico se ha podido observar el efecto de la deshidratación del yeso en la cara no expuesta. Se observa como esta reacción absorbe el calor que le llega a la muestra disminuyendo su paso a través del sistema. También se ha observado el aumento casi exponencial de la temperatura en la cara no expuesta una vez el yeso se ha deshidratado completamente.
El modelo computacional de fallo de los sistemas de placas de yeso laminado basado en el comportamiento del cartón ha sido validado mediante el modelado de cuatro ensayos estándar de resistencia al fuego, obteniéndose resultados del tiempo de fallo con errores relativos inferiores al 10,4%.
Bibliografía [1] UNE-EN 1363-1 Fire resistance tests. Part 1: general requirements; 2015.
[2] UNE-EN 1364-1 Fire resistance tests for non-loadbearing elements—part 1: walls; 2000.
[3] UNE-EN 1364-2 Fire resistance tests for non-loadbearing elements—part 2: ceilings; 2000.
[4] Keerthan P, Mahendran M. Numerical studies of gypsum plasterboard panels under standard fire conditions. Fire Safety Journal. 2012; 53-105-119.
[5] Jones BH. Performance of Gypsum Plasterboard Assemblies Exposed to Real Building Fires. Christchurch, New Zealand; 2001.
[6] Kolaitis D, Founti M. Development of a solid reaction kinetics gypsum dehydration model appropriate for CFD simulation of gypsum plasterboard wall assemblies exposed to fire. Fire Safety Journal. 2013; 58:151–159.
[7] Gunalan S, Mahendran M. Finite element modelling of load bearing cold-formed steel wall systems under fire conditions. Eng Struct 2013;56:1007-1027.
[8] Cramer SM, Friday OM, White RH, Sriprutkiat G. Mechanical properties of gypsum board at elevated temperatures. In Fire and materials 2003: 8th International Conference; January 2003; San Francisco, CA, USA. London : Interscience Communication Limited. p. 33-42.
[9] Alvear D, Lázaro D, Lázaro PG, Puente E, inventors; Portamuestras y método para la realización de ensayos de fuego de elementos multicapa. España patent ES-2551030_B2. 2016 Mar 30.
