Aplicación de métodos numéricos al análisis de estructuras de madera en situación de incendio

Resumo

En este trabajo se ha aplicado el método de los elementos finitos al análisis de una estructura de madera en situación de incendio, concretamente a una unión carpintera de tipo cola de milano redondeada entre una viga y una vigueta de forjado. No obstante, la metodología desarrollada es extrapolable a otros casos particulares de elementos o sistemas estructurales de madera en situación de incendio. Para lograr el objetivo propuesto, se realizaron una serie de ensayos experimentales de carbonización de elementos estructurales de madera ensamblados con uniones en cola de milano. Se emplearon probetas de pícea laminada encolada y de castaño laminado encolado, sometiéndolas, en horno acreditado, a las cargas térmicas que indica la curva normalizada tiempo-temperatura de la norma ISO 834-1. En el entorno de las uniones se introdujeron una serie de termopares que registraron la temperatura a lo largo de la duración del ensayo. Finalizados los ensayos también se calculó la velocidad de carbonización de las probetas. Posteriormente se realizó un modelo virtual por el método de los elementos finitos de las probetas ensayadas experimentalmente, y se las sometió a un análisis transitorio térmico que emulaba los ensayos experimentales, con las cargas térmicas correspondientes. Se registraron las temperaturas en las mismas ubicaciones geométricas de los termopares del ensayo experimental, y por contraste entre estos registros y los datos del ensayo experimental, se ajustó el modelo de elementos finitos hasta validarlo. Se creó también un modelo de elementos finitos de tipo estacionario mecánico que emulaba el comportamiento en situación ordinaria de una unión en cola de milano. El modelo se validó contra los resultados de otras investigaciones de este tipo de unión existentes en la literatura. Al modelo mecánico se le aplicaron las temperaturas resultantes del modelo térmico, obteniéndose un modelo termo mecánico que emule el comportamiento de una unión en cola de milano en situación de incendio. Empleando el modelo creado se lanzaron 160 casos distintos del modelo de unión en cola de milano de una viga de 200 mm x 320 mm de sección y una vigueta de 100 mm x 200 mm x 4.200 mm, ambas de madera lamina de pícea, y en esos casos se variaron distintos parámetros que conforman la geometría de la unión. En los ensayos experimentales realizados se obtuvo una velocidad de carbonización para castaño de 0,54 mm/min, y de entre 0,67 y 0,70 mm/min para pícea. En estos mismos ensayos se comprobó que tras 30 minutos de incendio, la temperatura en el centro de la espiga de la unión en cola de milano alcanza una temperatura un 20 % más elevada en picea que en castaño. Se empleó el índice de rotura según el criterio de Tsai Wu para determinar el valor de los parámetros geométricos definitorios de la unión que arrojan resultados resistentes óptimos, pero el hecho de que dicho índice esté diseñado para situación ordinaria provoca que los resultados obtenidos no fuesen definitivamente concluyentes, y aunque se intentó mejorar el empleo del índice aplicándolo volumétrica y no puntualmente, resultó ser un mejor indicador del comportamiento mecánico de cada geometría la deformación de las probetas, es decir, la flecha, tal y como ya apuntaban algunos autores en los antecedentes. En situación ordinaria la flecha alcanzada por la vigueta es de entre 8,3 y 8,5 mm. Tras 1800 segundos de incendio, la flecha observada en la vigueta es de entre 31,0 y 49,2 mm, lo que supone un incremento de entre el 374 y el 577 % respecto a la situación ordinaria a temperatura ambiente. Los parámetros geométricos que definen la unión no se demostraron determinantes, aunque sí influyentes, en el comportamiento de la misma en situación de incendio. La geometría que menos flecha presentaba en situación ordinaria es también la flecha que menos aumenta tras 30 minutos de incendio, y la geometría de mayor flecha en situación ordinaria es la que ve como esta se incrementa en mayor medida tras el incendio. La correlación entre las temperaturas en el entorno de la unión en el ensayo experimental, y las obtenidas en los modelos de elementos finitos, indican que existe cierto grado de exposición a acciones térmicas en las caras internas de la unión. El grado de dicha exposición, su cuantía, es determinante en el comportamiento mecánico de la unión en situación de incendio: suponer que la unión está perfectamente protegida y no recibe cargas térmicas en su interior supone una reducción en la flecha de entre el 14 y el 20 % respecto a un grado de exposición correspondiente al observado en los ensayos experimentales de este trabajo.