Analiza termiczna MES kontenera 20′ ISO w warunkach pożaru – Case Study

Dlaczego analiza termiczna kontenerów 20′ ISO jest kluczowa dla bezpieczeństwa?

W dobie rosnących wymagań w zakresie bezpieczeństwa konstrukcji stalowych, skuteczna analiza termiczna oraz ochrona przed skutkami pożaru stała się kluczowym wyzwaniem dla branży przemysłowej i logistycznej. Coraz częściej decydują o niej nie tylko wysokiej klasy materiały, ale również zaawansowane narzędzia inżynierskie, takie jak analiza termiczna MES, pozwalające przewidywać, jak konstrukcja zachowa się w najtrudniejszych warunkach.

Zadaniem zespołu CIM-mes Projekt była szczegółowa weryfikacja zachowania kontenera 20’ ISO 1CC w warunkach pożaru wewnętrznego z wykorzystaniem analizy termicznej MES. Dzięki wykorzystaniu metody elementów skończonych (MES) przygotowaliśmy symulacje, które pokazały, jak konstrukcja reaguje na różne scenariusze pożarowe – pod kątem termicznym oraz wytrzymałościowym.

Analiza termiczna MES kontenera w scenariuszach pożaru standardowego i węglowodorowego

Na początku projektu, wspólnie z klientem określiliśmy, jakim obciążeniom będzie poddana konstrukcja kontenera w trakcie takiego wyjątkowego zdarzenia jak pożar wewnętrzny , co stanowi punkt wyjścia do rzetelnej analizy termicznej. W zakresie analizy termicznej MES symulowaliśmy dwa scenariusze pożaru zgodnie z obowiązującą normą PN-EN 1991-1-2:2006 – pożar standardowy oraz pożar węglowodorowy. Każdy z nich różni się zarówno przebiegiem temperatury w czasie (krzywe pożarowe), jak i intensywnością (współczynnikiem) wymiany ciepła pomiędzy wewnętrznymi powierzchniami konstrukcji a temperaturą pożaru, co pozwala dokładniej odwzorować warunki analizowane w ramach analizy termicznej. Dzięki temu możliwa była precyzyjna ocena odporności ogniowej w zbliżonych do realnych, zróżnicowanych warunkach.

Wyniki analizy termicznej: krzywe pożarowe i maksymalne temperatury konstrukcji

Ze względu na cienkościenną budowę komponentów modułu, większość modelu MES została oparta na elementach powłokowych (shell). Wyjątek stanowiły punkty o kluczowej roli w przenoszeniu sił, takie jak łączniki narożne i elementy prętowe. W modelu termicznym skupiliśmy się na odwzorowaniu wymiany ciepła pomiędzy wewnętrznymi powierzchniami kontenera a przyjętymi krzywymi pożarowymi, oraz pomiędzy powierzchniami zewnętrznymi a otoczeniem, co jest kluczowe dla wiarygodnej analizy termicznej MES tego typu konstrukcji. Nie mniej istotną rolę miało dokładne sprawdzenie i zamodelowanie kontaktów pomiędzy komponentami modelu. Dzięki takiemu podejściu uzyskaliśmy realistyczny rozkład temperatur w całej konstrukcji.

Obliczenia termiczne zostały przeprowadzone jako nieustalone w czasie, obejmując symulację oddziaływania ognia na konstrukcję przez 3600 s (60 min) w ramach analizy termicznej. Wyniki tych analiz przedstawiono w formie map temperatury, obrazujących jej rozkład w różnych warstwach kontenera w wybranych momentach czasowych, oraz w postaci wykresów temperatury w czasie dla poszczególnych obszarów. Ta szczegółowa analiza pozwoliła wskazać elementy najbardziej narażone na utratę swoich właściwości mechanicznych wskutek przegrzania oraz stanowiła bazę do dalszych obliczeń wytrzymałościowych w modelu MES.

Dzięki wykorzystaniu symulacji termicznych MES mogliśmy szybko i precyzyjnie ocenić, jak zmienia się temperatura w różnych częściach kontenera podczas każdego ze scenariuszy pożarowych, co jest bezpośrednim efektem przeprowadzonej analizy termicznej. Uzyskane wyniki wyraźnie pokazały, że zarówno tempo nagrzewania się konstrukcji, jak i uzyskiwane maksymalne temperatury znacznie się różnią w zależności od typu pożaru. To z kolei przekłada się bezpośrednio na czas, po którym stalowa konstrukcja utraci swoją nośność.

Analiza MES nośności kontenera z uwzględnieniem wyników analizy termicznej

W kolejnym etapie projektu przeprowadziliśmy szczegółowe analizy wytrzymałościowe konstrukcji, aby określić, kiedy kontener przestaje spełniać wymagania bezpieczeństwa pod wpływem wyjątkowych warunków pożarowych, wykorzystując wyniki wcześniejszej analizy termicznej. Obliczenia wykonaliśmy w oparciu o normę PN-EN 1993-1-6, wykorzystując metodę nieliniowej analizy materiałowej (MNA), która pozwala uchwycić pracę stalowych powłok w wysokich temperaturach. Kluczowe właściwości materiałowe stali dla warunków podwyższonej temperatury zostały przyjęte według normy PN-EN 1993-1-2.

Analiza wytrzymałościowa obejmowała wszystkie założone obciążenia: ciężar własny kontenera, ciężar przewożonego ładunku, siły wiatru, a także rzeczywisty rozkład temperatur pożarowych uzyskany z symulacji termicznych w ramach wcześniejszej analizy termicznej. Kluczowym krokiem była iteracyjna weryfikacja, w którym momencie czasowym – przy wzrastających temperaturach – konstrukcja przestaje wytrzymywać narzucone obciążenia. W obu przypadkach (pożar standardowy i węglowodorowy) stwierdziliśmy, że graniczna temperatura, przy której następuje utrata nośności konstrukcji, wynosiła około 730°C. Praktycznie oznaczało to, że dla pożaru standardowego kontener zachowywał integralność przez około 50 minut (3 000 sekund), natomiast w przypadku znacznie bardziej intensywnego pożaru węglowodorowego – tylko przez 6 minut (360 sekund).

Podsumowując, obliczenia wytrzymałościowe zgodne z normami Eurokod, oparte na wynikach analizy termicznej i symulacji MES, potwierdziły spójne zachowanie kontenera w obu analizowanych scenariuszach. Kluczowe, praktyczne wnioski to jasno określony czas, przez jaki konstrukcja pozostaje spójna, oraz precyzyjna informacja o tym, jakie zagrożenie dla nośności stwarzają różne typy pożaru.