Estudio del comportamiento mecánico de puertas metálicas bajo fuego mediante modelización numérica

Abstract

[ES] Las puertas cortafuegos de acero son esenciales para la estrategia pasiva de protección contra incendios de cualquier edificio o estructura. El objetivo de este trabajo es analizar el comportamiento de una puerta corredera de acero de grandes dimensiones, bajo la acción del fuego. Para ello se desarrollará un modelo numérico FEM (método de elementos finitos).

De acuerdo con el Código de Procedimientos de Pruebas contra el Fuego (Fire Test Procedures Code, FTP) de la Organización Marítima Internacional (OMI), cuando una puerta contra incendios tiene unas dimensiones mayores al tamaño estándar de las puertas probadas en laboratorio (2,4x2,5 m) se pueden seguir dos alternativas para validar la puerta. El primero es colocar la puerta en unas instalaciones de dimensiones mayores, siendo la alternativa utilizar el procedimiento establecido en el código. Este método consiste en utilizar un modelo de elementos finitos para analizar la puerta y un modelo físico equivalente a la puerta, pero de menores dimensiones, para calibrar el modelo numérico, tanto térmica como mecánicamente.

El objetivo de este trabajo es estudiar el comportamiento de una puerta cortafuegos de grandes dimensiones bajo la acción del fuego, para desarrollar un modelo numérico que se acerque a la realidad.

Se realizaron varios estudios sobre el comportamiento del material bajo el fuego y se desarrollaron varios modelos para garantizar la validación del modelo final. El objetivo principal era entender el comportamiento, validar el modelo y desarrollar un modelo final simple de la puerta de acero.

El modelo desarrollado representa la estructura externa de una puerta corredera de acero y el modelo fue creado utilizando ABAQUS, un programa de modelado FEM. La curva temperatura-tiempo utilizada para simular la acción del fuego sigue la distribución de la curva de fuego estándar ISO 834. El mecanismo de fallo común de estas puertas es el pandeo, por lo que el cálculo y el análisis se han centrado en este tema.

[EN] Steel fire doors are essential for the passive fire protection strategy of any building or structure. The aim of this thesis is to analyse the behaviour of a wide sliding steel door under fire by developing a FEM (Finite element method) model.

According to the Fire Test Procedures Code (FTP code) of the International Maritime Organization (IMO)[1], when a fire resistance door is larger than those which can be accommodated in the standard specimen size (2.4x2.5 m) two alternatives can be followed to approve the door, accommodate it into a larger test furnace or use the procedure established in the code for evaluation of the fire performance. The method established in the code includes the performance of FEM models to analysed the door and calibrate the model, thermal and mechanical, with an equivalent tested the door. The objective of this thesis is to study the behaviour of a wide steel door under fire to develop a model that approaches reality. So, several studies of the material behaviour under fire were performed and several models were developed to ensure the validation of the final model.

The main focus was to understand the behaviour, validate the model and developed a simple final model of the steel door. The model developed represents the external structure of a sliding steel door and the model was created using ABAQUS, a FEM modelling program. The temperature field used to study the door¿s behaviour follows the Standard fire curve ISO 834. The common failure mechanism of these doors is buckling so the calculus and analysis was focus on this topic.

After processing the different models and developing the final one, it was found that the external structure of the steel door by itself does not provide a lot of mechanical resistance against buckling. So, internal connectors or stiffeners are necessary to connect the frontal steel plates. A proper definition of the boundary conditions is fundamental to analyse the behaviour and approach the model to a more realistic one. It was also found that is possible to perform one way coupled analysis instead of merging a thermal model with a mechanical model. This is useful because instead of two analysis the same results can be obtained performing only one.