Dimensionamiento de estructuras metálicas y mixtas

en situación de incendio

Leonardo Massone SánchezDepartamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile

Santiago, ChileMarzo de 2007

Basado en material preparado por ESDEP (European Steel Design Education Programme). Elaboración, guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile

CONTENIDODiseño contra Incendio

1. Introducción

2. Principios termodinámicos

3. Principios estructurales

4. Resistencia al fuego

1. Introducción

El fuego, como situación no deseada, es la causante de muchas pérdidas humanas y

monetarias por destrucción de propiedades. El objetivo del Diseño Contra Incendios es

entregar la seguridad necesaria a los ocupantes de inmuebles. Esta seguridad depende de

varios factores relacionados con el diseño y construcción.

DISEÑOCONTRA INCENDIO

1. Introducción

• Las pérdidas humanas causadas por incendio son habitualmente producto del humo que estos generan y no por las altas temperaturas.

• Las pérdidas humanas, según una investigación a escala internacional, ocasionadas por incendios indica:– 4 a 34 muertes por millón de habitantes.

• Las pérdidas económicas por otra parte llegan a 1,6 a 5,9 0/00 del PIB (Producto Interior Bruto), generalmente concentradas en las pérdidas del contenido de los edificios (en el caso habitacional).

PÉRDIDAS

1. Introducción SEGURIDAD DE LAS PERSONAS Y LOS BIENES

Reducir riesgo para la vida en incendios

Reducir riesgode Incendio

Rápida Acciónde Bomberos

Reducir pérdidas en Edificio y Contenidos

Reducir focosdel Incendio

Desde el Edificio

Desde otrasPropiedades

Elección deMateriales

Gestión yMantenimiento

Aislamiento de Muros

1. Introducción SEGURIDAD DE LAS PERSONAS Y LOS BIENES

Reducir riesgo parala vida en incendios

Rápida acciónde Bomberos

Reducir pérdidas en Edificio y contenidos

Reducir causasde muerte

Reducir causas de pérdidas

Limitar extensión del Incendio

Limitar humos

Limitar calor

Elección de Materiales

Gestión y Mantenimiento

Rociadores

Compartimentación

Rociadores

Rápida detección de calor

Elección de Materiales

Ventilación

Rociadores

Rápida detección de humos

Compartimentación

Ventilación

1. Introducción SEGURIDAD DE LAS PERSONAS Y LOS BIENES

Reducir riesgopara la vidaen incendios

Reducir pérdidasen edificio

y contenidos

Reducir Daño delEdificio

Reducir Riesgo decolapso Poseer

Resistenciarequerida

Limitar calor

Protección pasiva

DiseñoEstructural

IngenieríaAnti-incendios

Rápida acciónde bomberos

1. Introducción SEGURIDAD DE LOS BIENES

Reducir riesgoPara la vidaen incendios

Evacuar Personas

Rápida acción de bomberos

Fácil Evacuación

Fáciles Salidas

Pronta Alarma

Medidas salida de emergencia

Detectores calor rociadores

Detectoresde humo

2. Principios termodinámicos TEMPERATURA - TIEMPO

• Curva temperatura-tiempo– Temperatura del gas en situación de incendio– Curva dependiente de la cantidad de combustible y las

condiciones de ventilación– Relevante en la estimación de los tiempos de colapso o falla de

elementos estructurales

Curva normalizada ISO-834

2. Principios termodinámicos PARÁMETROS

• Conductividad térmica– Acero: alta conductividad → rápido aumento de temperatura– Hormigón: baja conductividad → lento aumento de temperatura

• Inercia térmica:– Elementos masivos, de mayor inercia térmica, tienen aumentos

más lentos de temperatura

• Daño por temperatura– El aumento de temperatura disminuye la capacidad de las

estructuras– La disminución de la capacidad puede generar colapso si las

solicitaciones sobrepasan la capacidad

2. Principios termodinámicos FLUJO DE CALOR

• Intensidad de flujo de calor– El uso de revestimiento aislantes retrasa el aumento de

temperatura.

2. Principios termodinámicos TRANSFERENCIA DE CALOR

• Transferencia de calor– Superficie exterior de un elemento de edificio: El calor se

transfiere por conducción, convección y radiación. – Interior del elemento: sólo se transmite por conducción.

• Ecuación de transferencia de calor se puede escribir

ks/(scs) = difusión térmica,

s = densidad del acero = 7850 kg/m3 ,

ks = conductividad térmica ~ 45 W/m°C

cs = calor específico ~ 520 J/kg°C

2. Principios termodinámicos TRANSFERENCIA DE CALOR

• Ecuación de transferencia de calor

donde:t = intervalo de tiempo (s)K = coeficiente total de transferencia térmica (W/m2°C)Am = área de la superficie perimetral por unidad de longitud sometido al incendio (m2/m)f = temperatura de gases (°C)s = temperatura del acero durante el intervalo de tiempo t (°C)s = aumento de temperatura del acero durante el intervalo de tiempo t (°C)A = área de la sección transversal del elemento (m2).

- Eurocódigo 3 Parte 1.2 (convergencia numérica)

- La cantidad de calor transferida por unidad de longitud es:

2. Principios termodinámicos TRANSFERENCIA DE CALOR

• Ecuación de transferencia de calor– ECCS (European Recommendations for Fire Safety of Steel

Structures)– Elementos sin protección

• Validez

– Elementos con protección

Donde:

t = tiempo de exposición al incendio normalizado (min.),

cr = temperatura crítica del elemento, el factor de la sección Am/A y

d = espesor del material de aislamiento

i = conductividad térmica del material de aislamiento

2. Principios termodinámicos TRANSFERENCIA DE CALOR

• Ecuación de transferencia de calor– ECCS (European Recommendations for Fire Safety of Steel

Structures)

3. Principios estructurales RESISTENCIA ESTRUCTURAL

• Resistencia estructural– Capacidad disminuida por

aumento de temperatura. – Posible colapso

estructural si la reducción de la capacidad es tal que alcanza la solicitación actual

– Capacidad: tracción, compresión, flexión, etc.

3. Principios estructurales TRACCIÓN

• Resistencia de tracción– Disminución de tensión de fluencia con el aumento de

temperatura.

3. Principios estructurales TRACCIÓN

• Resistencia de tracción– Degradación de la curva tensión-deformación por aumento de

temperatura.

3. Principios estructurales

( ) ( )s yP f A f A

TRACCIÓN

• Elementos estructurales a tracción

u yP f A

( )( ) s

u y

fP

P f

donde:fy = tensión de fluencia del aceroA = área de la sección transversal del elemento de acero fs = tensión de fluencia del acero disminuida por efecto de la temperatura = temperatura del elemento = coeficiente de reducción de la tensión de fluenciaP = fuerza axial de tracción actuando sobre el elementoPu = fuerza axial máxima resistente de tracción del elemento a temperatura ambiente

Pu P ≤ Pu

3. Principios estructurales COMPRESIÓN

• Resistencia de compresión– El comportamiento del acero como material en compresión ante

el aumento de temperaturas es similar al acero en tracción.

3. Principios estructurales COMPRESIÓN

• Elementos estructurales a compresión

( )u

PkP

donde:k = 1.2, factor empírico que considera entre otros deformaciones máximas mayores a la

deformación de fluencia

Pu P ≤ Pu

- P y Pu consideran el efecto del pandeo

3. Principios estructurales VIGAS

• Vigas– Vigas simplemente apoyadas

– Vigas continuas• Redistribución de momentos

producto del comportamiento plástico

donde:Z = módulo plástico de la secciónMu = capacidad a flexión reducida producto de la

temperatura

Pu

Mu

3. Principios estructurales COLUMNAS

• Flexo-compresión en columnas

donde:Mp, Np = representan las capacidades a flexión y

esfuerzo axial a temperatura ambientemin = menor de los coeficientes de pandeo entre las

direcciones transversalesky y kz = factores de reducción para los ejes “y” y “z”

P

M

3. Principios estructurales MIXTOS

• Elementos mixtos– Gradientes de temperatura– Efecto de aislamiento de

elementos compuestos con hormigón

– Contribución del componente de acero:

– Momento flector:

donde:Ai = área del ala inferior, del alma y del alai = temperatura representativa de la secciónz = distancia entre los puntos de aplicación de

los esfuerzos de compresión y tracción

3. Principios estructurales MIXTOS

• Columnas mixtas– Gradientes de temperatura

• Tensiones adicionales por distribución no uniforme

• Ej.: variación curva carga vs. longitud de pandeo (90 minutos a exposición de incendio normalizado)

Columna mixta

hormigón

acero

4. Resistencia al fuego ¿CÓMO ALCANZAR LA RESISTENCIA REQUERIDA?

• Estructuras no protegidas– Resistencias al incendio de

hasta 30 a 60 minutos– Consideraciones:

• Bajo nivel de carga

• Bajo factor de la sección, Am/A

• Alto grado de redundancia estática

– Ej.: viga sin protección ensayo en horno

= emisividad del horno de ensayo

4. Resistencia al fuego ESTRUCTURAS PROTEGIDAS

• Protección pulverizada– Tipos: fibras minerales, derivados de la vermiculita, cementos

perlíticos y compuestos químicos que absorben calor.– Forma de aplicación: mezcla bombeada que se une al agua

pulverizada. El espesor de estos materiales varía desde los 10 a 100 mm.

– Inspección: calidad del recubrimiento y dimensión del espesor. – Ventajas: rápida aplicación, baratos y pueden adaptarse a la

protección de elementos que presenten geometría compleja.– Desventajas: desorden por su aplicación, pueden causar daños

por exceso de pulverización, pueden sufrir agrietamiento y retracciones, no suministran una apariencia superficial atractiva, y son difíciles de reparar.

• Sistemas Secos– Tipos: fibras minerales, placas de fibra mineral y lámina de fibras

cerámicas.– Forma de aplicación: Los materiales derivados del cartón pueden

ser adheridos usando travesaños, atornillados a un marco u otras láminas.

– Inspección: su verificación es rápida y simple, puesto que estos se fabrican con espesores fiables.

– Ventajas: fáciles de usar, con flexibilidad en cuanto al programa de la obra, limpios, ocasionan pocos daños a las construcciones circundantes y presentan una superficie con buena terminación.

– Desventajas: Algunos son blandos y frágiles; otros pueden dañarse con el agua. Son de difícil instalación en lugares de geometría compleja, y presentan incompatibilidad con cierto tipo de substratos.

4. Resistencia al fuego ESTRUCTURAS PROTEGIDAS

• Sistemas Intumescentes– Tipos: pinturas de pequeño espesor que pueden resistir un

incendio de hasta 90 minutos (interior de los edificios). Otros productos más gruesos que pueden alcanzar resistencias de hasta 120 minutos (exterior). Las pinturas se entumecen bajo la influencia del calor para dar lugar a un recubrimiento hasta 50 veces más grueso que la película original.

– Forma de aplicación: Estos productos pueden aplicarse mediante pulverización, con brocha o con rodillo.

– Inspección: El espesor de película debe controlarse con los equipos especialmente desarrollados para ello.

– Ventajas: dan un aspecto decorativo a la estructura, y la mayoría tienen una buena resistencia al impacto y a la abrasión.

– Desventajas: pueden ocurrir daños mecánicos, en particular en pilares, que requieran algún mantenimiento de pintura.

4. Resistencia al fuego ESTRUCTURAS PROTEGIDAS

• Columnas de acero y hormigón(a) Hormigón simple: resistencia al incendio es de 30 minutos.

(b) Hormigón reforzado: resistencia al incendio de 120 minutos añadiendo armadura o refuerzo de fibra de acero.

(c) Núcleo macizo de acero revestido de hormigón: La resistencia al fuego va desde 60 minutos, dependiendo del espesor del hormigón. Sólo para columnas con una excentricidad pequeña.

(a) (b) (c)

4. Resistencia al fuego CONSTRUCCIÓN MIXTA

• Perfiles laminados revestidos de hormigón– Tipos:

• Sección transversal de acero rellena de hormigón

• Sección de acero con hormigón en el interior de las alas

– Ventajas: gran resistencia a incendio (normalmente superior a 90 minutos) y una alta capacidad de soporte de cargas centradas y momentos flectores. Reducción de la cantidad de moldaje y buena resistencia a daños mecánicos.

4. Resistencia al fuego CONSTRUCCIÓN MIXTA

• Se puede obtener una importante resistencia al incendio redistribuyendo la tensión de las zonas de la sección expuestas al calor a las más frías (no expuestas).

• Algunos métodos económicos:

- Rellenar el hueco entre alas y alma (doble T) con bloques ligeros prefabricados de hormigón, no resistente a las cargas.

4. Resistencia al fuego SECCIONES DE ACEROPARCIALMENTE EXPUESTAS

• Algunos métodos económicos:

• Se pueden conseguir tiempos de resistencia al incendio de 30, 60 y 90 minutos.

- Casquillo de angular fijado al alma de la viga, protegiendo el ala superior y parte del alma de la viga.

4. Resistencia al fuego SECCIONES DE ACEROPARCIALMENTE EXPUESTAS

• Cielos falsos o tabiquería pueden ofrecer ventajas económicas combinando su función habitual con la de resistencia al incendio.

• Deben ser capaces de asegurar la integridad, el aislamiento y la estabilidad necesaria para impedir que el incendio se extienda a la zona hueca.

• Se puede conseguir cualquier nivel de resistencia a fuego que se requiera.

Cielo falso

tabique

4. Resistencia al fuego PROTECCIÓN MEDIANTEPANTALLAS

• Las columnas externas se ven menos solicitadas por el incendio (más frío).– columnas alejadas de puertas y ventanas disminuye la

exposición de las columnas al incendio. – columnas cercanas a puertas o ventanas pueden cubrirse con

pantallas.

• En el caso de riesgo de incendio severo, las uniones viga-columna serán preferentemente rígidas

• En elementos tubulares puede utilizarse el hueco interior de los tubos para enfriar el acero estructural (muy alta resistencia al incendio).

• Las vigas y columnas de perfiles laminados se pueden enfriar mediante rociadores de agua.

4. Resistencia al fuego OTRAS CONSIDERACIONES