Contribution to the advanced analysis and prevention of the mechanisms of natural fire induced structural collapse in highrise buldings

Abstract

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.

The progressive gain of height of High-Rise Buildings (HRB) has increased the actual and potential consequences when natural fires irrupt. In sight of these losses, the major aim of this Thesis is to contribute to the advanced analysis and prevention of the mechanisms of natural fire-induced structural collapse in HRB, by improving the current knowledge of both the phenomena involved in the structural failure mechanisms introduced by natural fires action and of the consequences of certain fire fighting strategies developed during these fires. During heating of High Strength Concrete (HSC), there take place several complex, interacting physical, chemical and mechanical phenomena resulting in significant changes of the material inner structure and properties, leading to a loss of the load bearing capacity and of other important service features of concrete structures. A significant phenomenon leading to a structural failure mechanism very specific for the HSC used in HRBs and of a great practical importance is the Thermal Spalling. This Thesis settles, first, the abovementioned major aim in the domain of the computational Thermal Spalling analysis by means of the most advanced hygrothermo chemo-mechanical (HTCM) analysis software based on the so-called Model of Padova, High Temperature Concrete and Spalling software (HITECOSP) – with the objectives of: Develop a spectrum of spalling nomograms addressed to evaluate the sensitivity of the HTCM processes involved on the HSCs behaviour under a natural fire to some relevant parameters; Analyze if spalling is energetically possible in a variety of actual cases; Discern what is the energetic contribution of compressed gas to Thermal Spalling and what is that corresponding to the constrained elastic energy (namely, the two key factors leading, together, to Thermal Spalling). There are developed more than 91 HTCM analyses resulting from combinations of the parameters’ values initially considered: the initial moisture content of concrete, its intrinsic permeability, the rate of temperature increase, the porosity, compressive strength and, in general, the whole set of properties of concrete and the thickness of the structural element. Another scarcely studied matter related to the major aim of this Thesis is the analysis of the effect of fire fighting strategies on the structural state of the HRB during natural fires. Thermal shock, induced by the application of water jets on the surface of structural elements, produces a significant reduction in both the flexural strength the compressive strength, whereas Post-cooling spalling may occur after the fire is over, after cooling down or maybe even during extinguishing (especially those containing calcareous aggregates). This Thesis settles, second, the major aim in the domain of the analysis of the effect of a spectrum of cooling processes on the HTCM state of a structural element, manufactured with HSC, during the development of a natural fire in a HRB again with HITECOSP with the objectives of: Analyze the effect of a spectrum of cooling processes on the HTCM state of a structural element, manufactured with HSC, during the development of a natural fire in a HRB; Develop a comparative analysis to compare the final HTCM state of a structural element after the development of different types and subtypes of cooling processes, including comparisons about the Environment vs. Structural element’s Surface cooling attacks, among different start instants and for several velocities of the cooling processes; Provide enough information to analyze the influence on the HTCM behaviour of the structural element during the cooling processes of several parameters non-related to the own cooling processes. Two reference cases are selected where the extinguishing actions conditions are varied in order to cover the widest possible range of situations found by Fire-Fighting Services during a natural fire extinguishment: the type of cooling, the cooling start instant and its rate. This second settling of objectives also includes the development of more than 20 Computational Fluid Dynamics simulations by means of Fire Dynamics Simulator software (FDS) in order to work out the evolution of temperature at surfaces during several extinguishing actions. To conclude, the development of a heuristic analysis of the effect of cooling processes on the HTCM state of a square column, manufactured with HSC, during the development of a natural fire in a HRB, is also included, being understood as an introductory extension of the abovementioned analyses to cases with 2D fluxes such as square columns, where Corner Thermal Spalling is the most dangerous type.