Protección Ignífuga

Estructuras de Acero para Edificios de Altura Curso de Actualización - 2002

Cátedra de Estructuras Metálicas - Facultad de Ingeniería – Universidad de Buenos Aires Profesor Titular Ordinario Ing. Eduardo Juárez Allen Profesor Adjunto Interino Ing. Gustavo Darín Jefe de Trabajos Prácticos Ing. Rubén Cristo Ayudantes de Trabajos Prácticos: Ing. Mariano Ameijeira e Ing. Andrés González

CCAAPPIITTUULLOO 88 PPRROOTTEECCCCIIOONNEESS CCOONNTTRRAA FFUUEEGGOO ( Bibliografía: “Estructuras de Acero en Situación de Incendio” Valdir Pignatta e Silva, Zigurate Editora, San Pablo. “Fire Resistance and Protection of Structural Steelwork” R. M. Lawson, SCI, UK.)

1) Conceptos Básicos - Objeto

Con el objeto de aclarar algunas ideas sobre el riesgo de la iniciación y desarrollo de un incendio y sus posibles efectos sobre la estructura de un edificio, debemos explicar que, en general, el incendio es producido por la ignición de elementos combustibles ubicados en el espacio definido o contenido por la estructura y eventualmente, por la combustión de la estructura misma (como en el caso de estructuras de madera). Los materiales que puedan dar lugar a la iniciación, desarrollo y permanencia de un incendio - además de la combustión de los conductores eléctricos a consecuencia de cortocircuitos, o bien derrames de combustibles o pinturas – son los que constituyen los revestimientos de madera de pisos, revestimientos de paredes y cielorrasos, muebles, etc. La combustión de estos elementos se desarrolla independientemente del tipo de estructura de la construcción y tienen sus propias leyes de propagación del calor y del desarrollo de temperaturas de gases y materiales. Como proyectistas de una estructura debemos saber que la forma en que este fenómeno influye en las estructuras depende de la propia naturaleza de éstas. Si la estructura es de madera u otro material combustible, el fuego se propagará casi inevitablemente a la misma y la madera será un componente más de la combustión. En cambio si las estructuras son de acero u hormigón, la situación es bien diferente. En efecto, como el acero es un excelente conductor del calor, debemos evitar que las cantidades de calor producidas por la combustión, se propaguen a la estructura impidiendo además, los consecuentes



incrementos de temperatura de la misma. Es un hecho bien conocido, que el acero pierde sus características resistentes a partir de ciertos valores elevados de la temperatura a la que se encuentra sometido (ver Figura 1). Por lo tanto, la estructura de acero debe protegerse y deben colocarse en forma deliberada, aislaciones ignífugas que impidan la transferencia de calor a la misma. En cambio, el hormigón tiene características térmicas distintas y además la armadura, por razones constructivas, adquiere naturalmente una aislación que la protege, que es la que le brinda el recubrimiento normal que poseen los miembros estructurales de hormigón. No obstante, podemos observar en las figuras siguientes (Figuras 1.1 y 1.2), la pérdida de las características mecánicas del hormigón comparadas con las del acero. Los descensos del Módulo de Elasticidad son más bruscos en el hormigón que en el acero y un poco menos acentuados en la tensión de fluencia. La diferencia de comportamiento entre ambos materiales, está dado por el tiempo en que estas pérdidas se producen; naturalmente, en el hormigón el proceso de calentamiento es más lento y da más tiempo a las operaciones de combate contra fuego y de salvataje.

2) Medidas de Seguridad Contra el Fuego 2.1) Cualesquiera sean las medidas de seguridad contra el fuego, el objetivo de las mismas debe ser fundamentalmente:

a) Evitar la pérdida de vidas en un edificio o de los edificios adyacentes o de los alrededores.

b) Permitir la evacuación a tiempo de los ocupantes del edificio, la llegada de los equipos de extinción y las operaciones de combate contra el incendio.

c) Minimizar las pérdidas de la propiedad o de los costos financieros.

Las medidas de seguridad son establecidas, por lo general, reglamentariamente o por la autoridad competente (Municipalidades, Cuerpos de Bomberos, etc.). Si bien los riesgos de muerte por incendio son relativamente bajos (30 veces menor que el riesgo de muerte de los sistemas de transporte), se debe tener en cuenta que la muerte se produce en general por asfixia en los primeros minutos del siniestro.

A pesar del bajo riesgo de mortalidad, la protección de la vida humana debe ser siempre una prioridad del proyectista, quien debe tomar los debidos cuidados procurando adoptar la solución óptima.

Estas medidas de seguridad son adoptadas relacionando una probabilidad de siniestro aceptada, con el costo que el logro de la misma origina. Dependen entre factores, del número de ocupantes, del tipo de utilización o del destino de la edificación, de la altura, de exigencias gubernamentales, etc.



2.2) Las medidas de protección o de combate contra el fuego pueden ser:

a) Prevención Mediante la utilización de materiales no inflamables Proyecto de instalaciones respetando las normas técnicas

b) Rápida extinción Red de hidratantes Equipo de detección, reductores de potencial severidad y extinción del fuego (lluvias automáticas – sprinkler -, extinguidores, detectores de humos). Dispositivos de alerta y señalización. Brigada local del edificio contra incendio.

c) Compartimentación

Barreras que impidan la propagación del fuego. Puertas corta fuego, sellado de conductos, sellado de montantes, etc.

d) Rápida evacuación de las personas

Sistemas simples de eliminación de humos. Caminos de fuga o evacuación bien señalizados y protegidos. Distancias reducidas a las escaleras de escape protegidas.

Estas medidas se refieren en general a la protección de la vida humana y son independientes del material que constituye la estructura. La necesidad de protección de la estructura de cualquier tipo, se debe analizar desde el punto de vista económico, considerando los costos adicionales de los seguros (primas), los costos de la preservación o protección de la estructura resultantes de los costos de las terminaciones y de los equipamientos del edificio, los riesgos por los daños a patrimonios de terceros, etc.

3) Acción Térmica 3.1) Curvas de Incendio La acción térmica sobre una estructura es la que se produce durante un incendio como consecuencia de la diferencia de temperatura entre los gases del ambiente en llamas y los componentes de la estructura. El principal instrumento para el estudio y análisis de la acción térmica, es la curva (Figura 2) que muestra la evolución de la temperatura de los gases en función del tiempo transcurrido, en un ambiente sin protecciones contra incendio, aptas para extinguir el

fuego. A partir de esa curva, es posible determinar la temperatura que alcanzan los componentes estructurales y determinar su resistencia para esas condiciones.

Como se puede observar la curva presenta una región inicial de bajas temperaturas (pre-flashover), durante la cual el incendio es considerado de bajas proporciones, sin riesgo para la vida humana o para la estructura. Durante ese intervalo de tiempo si las medidas de protección activa fueron eficientes, no será necesaria ninguna verificación adicional de la estructura.

El momento en que se verifica el aumento brusco de la pendiente de la curva, es denominado instante de incendio generalizado, conocido también como flashover, y ocurre cuando el contenido de toda la carga de combustible presente en el ambiente entra en ignición.



El incendio se transforma entonces, en uno de grandes proporciones, abarcando todo el compartimiento y la temperatura de los gases se eleva rápidamente (Fase de Calentamiento) hasta que se produce la extinción de todo el material combustible; a partir de ese momento, habrá una reducción gradual (Fase de Enfriamiento) de la temperatura de los gases. Si las medidas de protección activa no fueron suficientes para extinguir el incendio durante el pre-flashover y hubiera interés en la protección patrimonial, entonces será necesario verificar la seguridad de la estructura.

Con ese objeto, se modela el incendio mediante una curva que tendría su iniciación en el instante del flashover. Ensayos realizados en áreas compartimentadas, han demostrado que dicha curva depende de las características y cantidad del material combustible y del grado de ventilación del ambiente en estudio. Ese modelo, que intenta simular el incendio de la manera más próxima a la realidad como sea posible, es conocido como modelo de incendio natural.

3.2) Áreas Compartimentadas

Las reglamentaciones actuales exigen que, en las edificaciones corrientes, hayan áreas compartimentadas. Un área compartimentada es por definición, aquella en la que el uso adecuado de ventilaciones verticales y horizontales y parapetos (antepechos) haga mínima la probabilidad de propagación de fuego fuera de la misma. 3.3) Material Combustible La cantidad de material combustible se expresa generalmente como una masa de madera térmicamente equivalente a la suma de todo el material combustible del comportamiento estudiado por unidad de superficie de piso (Kg de madera / m2) o en el Sistema Internacional de Medidas, SI, en MJ / m2 con relación al área total (o solamente el área de piso). La cantidad de material combustible o carga de incendio por unidad de superficie q (en mega joules por m2) se calcula de la siguiente forma:

r r

t

m HqA

⋅∑=

en la que: mr: es la masa total de cada componente que constituye la carga de incendio y que no puede

ser excedida durante la vida útil de la edificación. Hr: poder calorífico específico de cada componente de la carga de incendio (MJ/kg) At: superficie total, incluyendo cerramientos (paredes, piso y techo) y aberturas. El poder calorífico de la madera, ropas, algodón, seda, granos, cuero, papel, paja y lana vale entre 17 a 21 MJ / Kg. Es por este motivo que, por simplicidad, se admite que la carga de incendio está integrada totalmente de madera. Para fijar ideas, conviene recordar y comparar que el poder específico de materiales como el petróleo, polietileno, grasa lubricante, etc. es de aproximadamente 44 MJ / Kg. Por lo tanto, la carga de incendio que incluya hidrocarburos debe ser analizada con parámetros adecuados.



3.4) Grado de Ventilación El grado de ventilación está representado por el factor v que mide la cantidad o superficie de aberturas relativas del ambiente (Figura 4), con respecto a la superficie total del mismo:

t

A hvA⋅=

v: factor de aberturas en m1/2

A: superficie total de las aberturas que dan al exterior del edificio, incluyendo ventanas, que se suponen rotas durante el incendio.

At: superficie total incluyendo cerramientos (paredes, pisos y techo) y aberturas. h: altura media de las aberturas:

( )i ih Ah

A⋅∑=

hi: altura de la abertura i, siendo:

iA A=∑ 3.5) Factor de Masividad

El factor de masividad o factor de forma Fm, de la sección de una barra es la relación entre el perímetro expuesto y el área de la sección.

mPFA

=

P: perímetro de la sección transversal del perfil expuesta al fuego. A: área de la sección transversal del perfil expuesto al fuego.

Aplicando el concepto de masividad a los casos ilustrados en la Figura 5, obtendremos: 1) Pilar W 530x300 (W 21x201) con las cuatro caras expuestas al fuego:

P � 2x58.5+2x31.9+4x14.8 = 240 cm A = 382 cm2

1m 2

240 cmF 62.8 m382 cm

−⋅= = ⋅⋅



2) Viga W 690x125 (W 27x84) con sólo tres caras expuestas al fuego:

P � 2x67.8+1x25.3+4x12.1 = 209.3 cm A = 160 cm2

1m 2

209.3 cmF 131 m160 cm

−⋅= = ⋅⋅

Se puede observar que dos componentes estructurales, con igual superficie expuesta, el de mayor sección transversal necesitará una mayor cantidad de calor para alcanzar la misma temperatura.

En la Figura 5.1 se muestra en forma gráfica, de qué manera es computado el coeficiente de forma para casos de tres y cuatro caras protegidas. En el caso a el ala superior está protegida constructivamente, mediante la losa o pared que se apoya sobre la misma.



4) Verificación de la Resistencia

Si se conoce la curva temperatura/tiempo de un incendio, el factor de masividad de la pieza estructural y algunas expresiones de la termodinámica (transferencia de calor), será posible determinar la curva temperatura/tiempo del miembro en estudio (con o sin aislamiento térmico), establecer la máxima temperatura alcanzada por el miembro y poder dimensionar o verificar al mismo para esa temperatura. Siempre que sea posible, se debe tratar de reducir la duración del incendio, con la intención de reducir al mínimo la probabilidad de su propagación por fuera del área compartimentada. De igual forma, se debe procurar reducir la temperatura máxima alcanzada por la temperatura de acero para economizar material. Veremos a continuación dos gráficos que correlacionan los parámetros: carga de incendio q, factor de masividad Fm con el grado de ventilación v y la temperatura máxima en la estructura de acero. A partir de la observación de los gráficos y otras consideraciones, podemos obtener las siguientes

conclusiones:

PARAMETRO DURACIÓN DEL INCENDIO TEMPERATURA MÁXIMA DE LA ESTRUCTURA DE ACERO

Carga de incendio (q) Aumenta con q Aumenta con q

Factor de Masividad (Fm) Aumenta con Fm

Grado de Ventilación (v) Disminuye con v Depende de Fm, v y q

5) Curva de Incendio Normalizado Teniendo en cuenta que para cada situación la curva temperatura/tiempo se altera, se convino adoptar una curva normalizada, para que pueda utilizarse en el análisis experimental de estructuras o de los materiales aislantes térmicos, en hornos de los Laboratorios de Investigaciones. A falta de estudios más realistas, esa curva normalizada para ensayos podrá ser adoptada como curva temperatura/tiempo de los gases. Este modelo es conocido como Incendio Normalizado; las



curvas normalizadas más conocidas son las recomendadas por la ISO (International Organization for Standardization) y por la ASTM, siendo esta última adoptada en 1918. Las curvas normalizadas no consideran las condiciones particulares de cada ambiente y solamente poseen un tramo ascendente, admitiendo por lo tanto, que las temperaturas de los gases sean siempre crecientes con el tiempo, independientemente de la cantidad de combustible.

( )g g,0ISO 834: 345 log 8 t 1θ θ− = ⋅ ⋅ + en la cual: θg: temperatura de los gases en el ambiente en llamas (ºC) θg,0: temperatura de los gases en el instante t=0, generalmente admitida en 20ºC. t: tiempo (minutos).

ASTM E 119 - Temperatura de los gases en función del Tiempo

Tiempo (minutos)

Temperatura (ºC)

Tiempo (minutos)

Temperatura (ºC)

0 20 55 916 5 538 60 927 10 704 65 937 15 760 70 946 20 795 75 955 25 821 80 963 30 843 85 971 35 862 90 978 40 878 120 1010 45 892 240 1093 50 905 480 1260

Notas: Curva adoptada por la ASTM en 1918, fundamentada en una propuesta de UL – Underwriters Laboratory – Chicago – USA, se supone que los datos han sido obtenidos de incendios reales.

Otras curvas que indicaremos, son las tres correspondientes al Eurocode 1 (1995):



a) Curva normalizada para incendio en ambientes con material combustible formado predominantemente por materiales celulósicos, cuya expresión es igual a:

( )g g,0ISO 834: 345 log 8 t 1θ θ− = ⋅ ⋅ +

b) Curva normalizada para incendios en ambientes con material combustible constituido por hidrocarburos:

( )0.17t 2.50tg 1080 1 0.33 e 0.68 e 20

t : tiempoenminutos.

θ − ⋅ − ⋅= ⋅ − ⋅ − ⋅ +

c) Curvas parametrizadas, están dadas por expresiones similares a la anterior, pero como parámetros intervienen, por ejemplo, la masa específica, el calor específico, la conductividad térmica fijando alguno rangos de validez. Cabe destacar, según se puede observar en el gráfico de la Figura 9, la importante diferencia de temperaturas que se alcanzan en los momentos iniciales del incendio en uno y en otro caso.

La utilización del modelo de incendio

normalizado no permite determinar la máxima temperatura que alcanza el miembro estructural, exigiendo prestablecer tiempos normalizados en función de las dimensiones y del tipo de utilización de la edificación, con la finalidad de encontrar en la curva temperatura/tiempo del miembro estructural, una temperatura ficticia que pueda ser utilizada en el dimensionamiento. A pesar de mayor simplicidad, el modelo de incendio normalizado lleva generalmente, a resultados antieconómicos.

6) Resistencia y Seguridad Estructural La exposición del acero a altas temperaturas produce un deterioro de sus propiedades físicas y químicas, provocando una reducción de la resistencia y rigidez. Cabe destacar que este fenómeno tiene consecuencias similares en el hormigón armado. A continuación presentamos el diagrama de tensiones deformaciones del acero ASTM A36 en función de la temperatura (Figura 11) y curvas que demuestran la reducción del límite de fluencia y del módulo de elasticidad de los aceros estructurales y del hormigón, en función del aumento de temperatura (Figura 12).



La reducción de la resistencia de los aceros debe ser considerada en el dimensionamiento de piezas estructurales sujetas a altas temperaturas. Sin embargo, teniendo en cuenta la excepcionalidad de la ocurrencia de un incendio se permite, en esa situación, moderar los coeficientes de seguridad, es decir, los valores de las cargas para el cálculo serán menores de los que se consideran a temperatura ambiente, de lo cual resultarán también menores solicitaciones en la estructura. La seguridad de la estructura se verifica como satisfactoria, cuando el valor de cálculo de la resistencia de cada miembro estructural, reducido debido al aumento de la temperatura, supera el valor requerido por la solicitación, reducido también por factores de excepcionalidad de la situación de incendio.

7) Revestimientos Protectores Ignífugos 7.1) Mezcla de Asbesto Las mezclas de Asbesto están constituidas de fibras de amianto (silicato de magnesio) con cemento. El amianto o asbesto es una piedra fibrosa que se deshace en las manos al ser tocada, se encuentra en la naturaleza rellenando las fracturas entre las rocas.

La mezcla atomizada junto con agua, era aplicada sobre las superficies metálicas, en forma de spray.



Este material fue utilizado durante mucho tiempo, como material de protección pasiva de estructuras de acero, hasta que su aplicación fue prohibida en Estados Unidos varias décadas atrás y más recientemente en Francia, debido a los riesgos sanitarios atribuidos al polvo de amianto, cuyas fibras son consideradas altamente cancerígenas. 7.2) Mezcla de Vermiculita Son mezclas de agregado liviano, a base de vermiculita, que pertenece al grupo de minerales micáceos, silicatos hidratados de composición variada, originados de la alteración de las micas, con punto de fusión en torno a los 1370 ºC. La vermiculita, cuando se encuentra enriquecida, pierde agua, se hincha y se expande adquiriendo la forma de un verme (gusano). Pesa de 100 a 130 kg/m3, valor reducido en comparación a la arena, cuyo peso es de alrededor de 1600 kg/m3. En el mercado es comercializada en forma de grumos, para el dosaje en obra, o premezclada en seco con aditivos y cemento, para el posterior agregado de agua. Los espesores de las capas varían de 10 a 40 mm, con densidades que varían de 300 a 800 kg/m3, dependiendo del tipo de la mezcla y de la capacidad de aislamiento requerida. Pueden ser aplicadas por medio de spray o por procesos manuales, con el uso de espátulas. 7.3) Lienzo de Fibra Cerámica Es un producto obtenido de la electrólisis de sílice y alúmina. Las fibras que lo componen son multidireccionales y entrelazadas por un proceso continuo de cosido que confiere a los lienzos resistencia al manoseo y erosión. Su punto de fusión ocurre aproximadamente a los 1760ºC siendo la temperatura límite de uso 1260ºC. Son suministradas en rollos de 7620 mm de largo, 610 mm de ancho y espesores de 13 a 51 mm con densidades de 96 a 128 kg/m3. Puede ser utilizada tanto en la técnica de revestimiento tipo caja, como ser adaptada al contorno de la pieza. Cuando se adapta al contorno del perfil el material puede ser fijado mediante espigas soldadas a las piezas metálicas y a arandelas en su otro extremo para trabar el sistema o bien, en lugar de arandelas, a flejes metálicos. Las espigas, de acero galvanizado, son soldadas automáticamente por soldadoras especiales de arco eléctrico. El espaciamiento entre espigas, tanto en sentido horizontal como vertical debe ser del orden de los 300 mm. El método tipo caja es más económico porque reviste factores de forma más bajos y menores superficies a revestir, por eso no se recomienda su utilización para perfiles con una altura de alma mayor a 150 mm. En este caso se hace necesario el empleo de una tela como base para apoyo de los lienzos. Las telas deberán ser fijadas a las espigas de anclaje por medio de arandelas de presión, de acero galvanizado. Por no resistir la humedad y la abrasión los lienzos cerámicos deben emplearse en locales protegidos y cubiertos por alguna terminación superficial. 7.4) Lienzo de Lana de Rocha La Lana de Rocha se produce a partir de la alteración de piedras basálticas, cuyas fibras están dispuestas en forma aleatoria. Los lienzos se proveen en densidades de 144 kg/m2, para soluciones en forma de caja y una densidad de 96 kg/m2 en las aplicaciones de revestimiento de perfiles metálicos adheridos a su contorno. SU punto de fusión está por encima de los 1200ºC. 7.5) Pinturas Intumescentes Son consideradas como revestimientos retardadores del fuego, por poseer la propiedad de demorar la propagación de las llamas y la consecuente elevación de la temperatura del acero al que está protegiendo.



Se trata de un fenómeno por el cual el calor provoca una reacción en cadena, transformando la película delgada de 55 µm a una capa voluminosa de 2500 µm de espesor, parecida a una esponja, que actúa como aislante térmico. Estos productos son generalmente degradables en presencia de agua, cuando son utilizados para proteger la superficie de estructuras de acero expuestas a la intemperie necesitan una pintura de base y otra de terminación compatibles con la pintura intumescente. 7.6) Mezcla compuesta de Yeso y Fibras - “Cementitious Fireproofing” El yeso se obtiene de la gipsita (sulfato de calcio hidratado), cosida a baja temperatura. Cuando se calienta, su contenido de agua comienza a evaporarse, retarda la transmisión del calor creándose un material de considerable resistencia térmica. Finalmente cuando el agua se extingue, comenzará a desintegrarse. Para aumentar la resistencia del yeso, se le agregan pequeñas cantidades de determinadas fibras que lo refuerzan de manera que se desintegre a altas temperaturas. El Monokote MK-6 de Grace, por ejemplo, consiste en una mezcla a base de yeso (80%), fibras naturales de celulosa (12%) y componentes inertes para el producto. Es suministrado en la forma de “polvo seco” en bolsas de 22 Kg al cual se le adiciona agua potable en forma controlada, después de una rápida mezcla está en condiciones de ser aplicado. Esta aplicación se realiza mediante una máquina proyectora tipo “spray”. Los espesores varían de 10 a 60 mm dependiendo del factor de forma de los perfiles y del tiempo de protección requerido. La densidad del producto es de 240 kg/m3. Por sus características, debe ser utilizado para elementos estructurales no expuestos a la intemperie.



NORMA BRASILERA NBR 14323:1999

(Con el agregado de fórmulas equivalentes de la LRFD-AISC) 1) Propiedades Mecánicas del Acero: 1.1) Límites de Fluencia y del Módulo de Elasticidad de los Aceros en función de la Temperatura:

Fluencia de Acero Laminados en caliente: y ,y ,

y

FK

Fθ

θ =

Fluencia de Aceros trefilados: yo,yo,

yo

FK

Fθ

θ =

Módulo de Elasticidad para todo tipo de

Acero: E ,y

EK

Eθ

θ =

Estos factores fueron obtenidos para velocidades de calentamiento de 2ºC/min a 50ºC/min considerando una temperatura ambiente de 20ºC.

Fy,θ: Es el límite de fluencia a la temperatura θ de los aceros laminados en caliente. Fy: Es el límite de fluencia a la temperatura de 20ºC de los aceros laminados en caliente. Fyo,θ: Es el límite de fluencia a la temperatura θ de los aceros trefilados en caliente. Fyo: Es el límite de fluencia a la temperatura de 20ºC de los aceros trefilados en caliente. Eθ: Es el módulo de elasticidad a la temperatura θ de todos los aceros. E: Es el módulo de elasticidad a la temperatura de 20ºC de todos los aceros.

Temperatura del Acero θθ

ºC

Factor de Reducción para el límite fluencia

de los Aceros Laminados en

Caliente Ky, θθ

Factor de Reducción para el límite fluencia

de los Aceros Trefilados

Ky, θθ

Factor de

Reducción para el Módulo de Elasticidad de

todos los Aceros

KE, θθ

20 1.00 1.00 1.00

100 1.00 1.00 1.00 200 1.00 1.00 0.90 300 1.00 1.00 0.80 400 1.00 0.94 0.70 500 0.78 0.67 0.60 600 0.47 0.40 0.31 700 0.23 0.12 0.13 800 0.11 0.11 0.09 900 0.06 0.08 0.0675 1000 0.04 0.05 0.045 1100 0.02 0.03 0.0225 1200 0.00 0.00 0.00



1.2) Masa Específica: ρ = 7850 kg / m3

1.3) Alargamiento : ( )6a

l 14 10 20l

∆ θ−= ⋅ ⋅ −

1.4) Calor Específico: a o

Jc 600kg C

= ⋅⋅

1.5) Conductividad Térmica: a o

W45min C

λ = ⋅⋅

2) Consideraciones básicas para el dimensionamiento estructural

1) Los componentes estructurales deben ser proyectados a temperatura ambiente. 2) La verificación de una estructura en situación de incendio debe realizarse mediante los

resultados obtenidos en ensayos, o por medio de un cálculo simplificado o bien mediante un método avanzado de análisis estructural y térmico.

Los ensayos que se realicen para la obtención de resultados deben ser ejecutados por laboratorios nacionales o extranjeros calificados y de acuerdo con la norma específica. El dimensionamiento por medio de métodos simplicados debe realizarse utilizando el método de estados límites. En el mismo debe tenerse en cuenta el debilitamiento progresivo de los



materiales con el incremento de temperatura y la posibilidad, como consecuencia, del colapso estructural o de alguna unión. Los métodos avanzados de análisis estructural y térmicos son aquellos en que los principios de ingeniería de incendio son aplicados en forma realística en situaciones específicas.

3) Combinación de Acciones para los Estados Límites Ultimos en Situación de Incendio A los efectos del dimensionamiento de un componente estructural, la situación de incendio es un estado de cargas más, con la diferencia que la misma de integrará en una combinación última excepcional con un tiempo de actuación muy pequeño. Las combinaciones pueden ser expresadas:

1) En locales en que no hay predominio del peso de equipamiento y que permanecen fijos por largos períodos de tiempo, ni de elevadas concentraciones de personas:

n

gi Gi Q,exc Qi 1

F F 0.2 Fγ=

⋅ + + ⋅∑

2) En locales en que hay predominio de peso de equipamiento y que permanecen fijos por largos

períodos de tiempo, o de elevadas concentraciones de personas: n

gi Gi Q,exc Qi 1

F F 0.4 Fγ=

⋅ + + ⋅∑

3) en bibliotecas, archivos, depósitos, oficinas y garages:

n

gi Gi Q,exc Qi 1

F F 0.6 Fγ=

⋅ + + ⋅∑

FG: es el valor nominal de la acción permanente. FQ,exc: es el valor nominal de las acciones térmicas. FQ: es el valor nominal de las acciones variables debidas a las cargas accidentales. γG: es valor del coeficiente de de ponderación para las acciones permanentes, igual a: 1.1, para la acción permanente desfavorable de pequeña variabilidad. 1.2, para la acción permanente desfavorable de gran variabilidad. 1.0, para la acción permanente favorable de pequeña variabilidad. 0.9, para la acción permanente favorable de gran variabilidad.

4) Las barras de contravientos deberán ser dimensionadas para la siguiente combinación de acciones:

n

gi Gi Q,exc wi 1

F F 0.5 Fγ=

⋅ + + ⋅∑

FW: es el valor nominal de la acción debida al viento. 4) Resistencias de cálculo Para la situación de incendio las resistencias nominales de cálculo deben ser determinadas usando el coeficiente de resistencia:

fi,a 1.0φ =



5) Factor de masividad El índice de aumento de temperatura de un elemento estructural de acero en situación de incendio es proporcional al factor de masividad:

uA

Para elementos sin protección

muA

Para elementos sin protección, en las que:

u: es el perímetro del elemento estructural de acero expuesto al incendio. um: es el perímetro efectivo del materila de protección contra incendio A: es el área de la sección transversal (bruta) del elemento de acero.

6) Método simplificado de dimensionamiento 6.1) Campo de Aplicación: El campo de aplicación del método simplificado descripto más adelante, se aplica a las barras prismáticas de acero constituidas por perfiles laminados y soldados no híbridos, a las vigas misxtas y pilares mixtos en los cuales el perfil de acero utilizado es laminado o soldado no híbrido y a las losas de hormigón con tableor de hormigón. 6.2) Capacidad estructural y resistencia: Las condiciones de seguridad de una estructura en situación de incendio pueden ser expresadas por:

( )fi,d fi,dS ,R 0Φ ≥

Cuando la seguridad es verificada aisladamente en relación a cada uno de los esfuerzos actuantes, las condiciones de seguirdad por expresarse de la siguiente forma:

fi,d fi,dS R≤ en esta expresión es:

Sfi,d: es la solicitación o resistencia requerida en situación de incendio obtenida de acuerdo al punto 3).

Rfi,d: es la resistencia de cálculo correspondiente al elemento estructural, para el estado límite último en consideración, en situación de incendio.

La resistencia de cálculo en situación de incendio Rfi,d no podrá tomarse superior a la obtenida para la temperatura ambiente según el procedimiento de la especificación LRFD. La resistencia de cálculo en situación de incendio Rfi,d debe ser determinada considerando la variación de las propiedades mecánicas del acero con la temperatura, conforme a 1.1). En el punto 7), Rfi,d será Mfi,Rd, Nfi,Rd, etc., separadamente o en combinación y los valores correspondientes de la solicitación Mfi,Sd, Nfi,Sd, etc. represntan Sfi,d. La resistencia de las uniones entre los elementos estructurales, no necesita ser verificada puesto que la

resistencia térmica m

m unión

tλ

de protección contra incendio de la unión, no será menor que el valor

mínimo de resistencia térmica m

m miembro

tλ

de protección contra incendio de cualquier miembro unido, en

las cuales:



tm: es el espesor del material de protección contra incendio (t m = 0 cuando no hay protección). λm: es la conductividad térmica del material de protección contra incendio.

6.3) Distribución de la temperatura: En esta norma, al usarse el método simplificado de dimensionamiento para la obtención de la

resistencia de cálculo, para cada tipo de solicitación y de estado límite último analizado, se considera simplificadamente: una distribución uniforme de temperatura en la sección transversal y a lo largo de la longitud de los elementos estructurales de acero, o bien, una distribución no uniforme aplicando procedimientos estructurales favorables a la seguridad. En los puntos siguientes, relacionados a la determinación de la resistencia, son debidamente explicitados los estados límites últimos y la distribución de temperatua utilizada. 7) Resistencia de elementos estructurales de acero 7.1) Barras Traccionadas La resistencia de cálculo Nfi,Rd de una barra axilmente traccionada con distribución uniforme de temperatura en la sección transversal y a lo largo de su longitud, para el estado límite último de fluencia de la sección bruta, es igual a:

fi,Rd fi,a y , g yN K A Fθφ= ⋅ ⋅ ⋅

Ky,θ: es el factor de reducción del límite de fluencia del acero a temperatura θa de acuerdo Figura 1n. Ag: es el área bruta de la sección transversal. El estado límite de rotura de la sección neta no requiere ser verificado, dado que, debido a la presencia de material adicional en la unión, la temperatura en ésta será menor que en el resto de la barra. 7.2) Barras Comprimidas Esta sección se aplica a las barras axilmente comprimidas cuyos elementos componentes de la sección transversal respeten los límites establecidos por la NBR 8800 para las esbelteces correspondientes a la Clase 3 (OC. Pág. 24 Tabla 2) de abollamiento en período anelástico. La resistencia de cálculo Nfi,Rd de una barra axilmente comprimida con distribución uniforme de temperatura en la sección transversal y a lo largo de su longitud, para el estado límite último de pandeo por flexión, es igual a:

fi y , g yfi,Rd fi,a

a

K A FN

kθρ

φ⋅ ⋅ ⋅

= ⋅

ρ fi: es el factor de reducción de la resistencia a compresión, en situación de incendio. El valor de ρ fi se obtiene de la misma manera que el coeficiente ρ mediante la especificación de cálculo NBR 8800 pero usando la curva c de resistencia (α = 0.384), independientemente del tipo de sección transversal y del eje para el cual se verifica y con θλ en lugar de λ , o sea:

El parámetro de esbeltez θλ para la temperatura θa está dado por:

y ,

E ,

KK

θθ

θ

λ λ= ⋅



yF1 k Lr E

λπ

⋅= ⋅ ⋅

2

2

2

1 1 0.384 0.042

1

θ θ θθ

θ θ θθ

β λ λλ

ρ β βλ

= ⋅ + ⋅ − + ⋅

= − −

λ : es el parámetro de esbeltez para barras comprimidas, determinado de acuerdo a la Especificación

NBR 8800. Ky,θ: es el factor de reducción del límite de fluencia del acero a temperatura θa de acuerdo a Figura 1n. KE,θ: es el factor de reducción del módulo de elasticidad del acero a temperatura θa de acuerdo a

Figura 1n. ka: es un factor de corrección empírico de la resistencia de la barra en temperatura elevada y deberá

estar comprendido entre los siguientes valores:

a

a

para 0 0.2 : k 1.0

para 0.2: k 1.2θ θ

θ

λ λ

λ

≤ ≤ = +

> =

La longitud de pandeo para la situación de incendio puede ser determinada como se hizo en el proyecto a temperatura ambiente. 7.3) Barras Flexadas La barras flexadas incluidas en este procedimiento tienen los elementos componentes de su sección transversal diseñados de manera que no sufran pandeo local en régimen elástico, en coincidencia con la acción del momento flexor. El valor de los parámetros de esbeltez λλ para los estados últimos de pandeo local del ala comprimida, pandeo local del alma y pandeo lateral con torsión, en situación de incendio, cuyas siglas son PLM, PLA y PLT, debe ser determinado de acuerdo a la Especificación NBR 8800. En las vigas simplemente apoyadas, cubiertas con losas de hormigón, los valores de esbeltez correspondientes a la plastificación y a la iniciación de la fluencia, en situación de incendio, λp,θ y λr,θ respectivamente, deben determinarse usando los procedimientos del Anexo D de la NBR 8800, utilizados para la obtención de λp y λr a temperatura ambiente. Si la barra flexionada no cumple las condiciones indicadas en el párrafo anterior, λp,θ y λr,θ deben determinarse aplicando los procedimientos del Anexo D de la NBR 8800 indicados para la obtención de λp y λr a temperatura ambiente, pero multiplicando los valores del módulo de elasticidad E por KE,θ y los valores del límite de fluencia Fy y de la tensión residual Fr por Ky,θ . 7.3.1) Resistencia por flexión: La resistencia de cálculo para el momento flexor en una sección Mθ,Rd de una barra flexada (con excepción de un perfil T) está dada por:



( )

p,

,Rd ,a 1 2 y , pl

p, r ,

p,,Rd ,a 1 2 y , pl pl r

r , p,fi

p,

,Rd ,a 1 2 y , pl

p, r ,

y ,,Rd ,a pl pl

ParaFLM y FLA:Si :M k k K MSi :

M k k K M M M

ParaFLT :Si :M k k K MSi :

KM M M

1.2

θ

θ θ θ

θ θ

θθ θ θ

θ

θ

θ θ θ

θ θ

θθ θ

λ λ

φ

λ λ λ

λ λφ

λ λ

λ λ

φ

λ λ λ

φ

≤

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

< ≤

−= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − − ⋅

−

≤

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

< ≤

= ⋅ ⋅ − −( ) p,r

r , p,

r ,

E, cr,Rd ,a

M

Si :K M

M1.2

θ

θ θ

θ

θθ θ

λ λλ λ

λ λ

φ

−⋅ −

>⋅

= ⋅

en las que: Mcr: Es el momento de pandeo en régimen elástico a temperatura ambiente (Anexo D, NBR 8800). Mpl: Es el momento de pandeo en régimen plástico a temperatura ambiente.

pl yM Z F= ⋅

Mr: Es el momento flexor correspondiente a la iniciación de la fluencia de la sección transversal a

temperatura ambiente (Anexo D, NBR 8800). k1: Es un factor de corrección para distribución de temperatura no uniforme en la sección transversal,

indicado más adelante. k2: Es un factor de corrección para temperatura no uniforme a lo largo de la barra, indicado más

adelante. 1.2: Es un factor de corrección empírico de la resistencia de la barra a temperatura elevada. 7.3.2) Resistencia por corte: La resistencia de cálculo por esfuerzo de corte Vfi,Rd del alma de perfiles I, H, U y cajón, flexadas según el plano del alma, está dado por:

( )

p,

,Rd ,a 1 2 y , pl

p, r ,

p,,Rd ,a 1 2 y , pl

r ,

2p,

,Rd ,a 1 2 y , pl

Si :V k k K VSi :

V k k K V

Si :

V k k K 1.28 V

θ

θ θ θ

θ θ

θθ θ θ

θ

θθ θ θ

λ λ

φ

λ λ λ

λφ

λλ λ

λφ

λ

≤

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

< ≤

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

>

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

λ: es el parámetro de esbeltez del alma w

ht

λ =



λp,fi: es el parámetro de esbeltez del alma correspondiente a la plastificación, en situación de incendio, como se determina en la Especificación NBR 8800, multiplicando los valores de E y de Fy por los factores de reducción correspondientes.

λr,fi: es el parámetro de esbeltes del alma correspondiente a la iniciación de la fluencia en situación de

incendio, determinado segén la Especificación NBR 8800, multiplicando los valores de E y de Fy por los factores de reducción correspondientes.

Vpl: es el esfuerzo de corte correspondiente a la plastificación del alma por corte, determinada según

NBR 8800. k1: es un factor de corrección para distribución de temperatura no uniforme en la sección transversal,

cuyos valores son: Para una viga con sus cuatro caras expuestas: 1.00 Para una viga con tres lados expuestos con

una losa de hormigón sobre el cuarto lado: 1.40 k2: es un factor de corrección para distribución de temperatura no uniforme a lo largo de la viga,

cuyos valores son: En los apoyos de una viga estaticamente

indeterminada: 1.15

En todos los otros casos: 1.00 7.4) Barras sometidas a esfuerzos combinados de flexión y esfuerzos normales Esta sección es aplicable a barras de acero en situación de incendio, cuya sección transversal posea uno o dos eje de simetería, sujetas a los efectos combinados de fuerza normal de tracción o compresión y flexión alrededor de uno o de los dos ejes principales de la sección. Los elementos componentes de la sección transversal deben satisfacer los requisitos correspondientes a las barras comprimidas y a las barras flexadas, para los esfuerzos aislados de compresión y flexión respectivamente. Las cargas transversal deben ubicarse en los planos de simetría. 7.4.1) Esfuerzos combinados de flexión, compresión o tracción: deben verificarse mediante la siguiente condición de interacción:

y , ,Sd,Sd x , ,Sd

,Rd x , ,Rd y , ,Rd

MN M1

N M Mθθ θ

θ θ θ

+ + ≤

Nθ,Sd: es la resistencia requerida de la barra, considerada constante a lo largo de la barra, para la situación de incendio.

Nθ,Rd: es la resistencia de cálculo de esfuerzo normal, en situación de incendio, determinada de acuerdo

al punto 7.1) para barras traccionadas o igual a:

,Rd ,a y , g yN K A Fθ θ θφ= ⋅ ⋅ ⋅

para barras comprimidas. Mx,θ,Sd: es la resistencia a flexión requerida, para la situación de incendio, en la sección considerada

alrededor del eje x. My,θ,Sd: es la resistencia a flexión requerida, para la situación de incendio, en la sección considerada

alrededor del eje y.



Mx,θ,Rd: es la resistencia de cálculo a flexión, alrededor del eje x , determinada de acuerdo a 7.3) tomando Cb igual a 1 y el valor de λp,θ para el estado límite de pandeo local del alma de perfiles I y H, flexados alrededor del eje de mayor inercia, y de sección cajón cuando Nθ,Sd fuese de compresión, como se indica a continuación:

E , ,Sdp,

y , y g y , y

,Sd

g y , y

E ,p,

y , y

,Sd

g y , y

K E N3.5 1 2.8

K F A K F

Npara 0.207

A K F

K E1.47

K F

Npara 0.207

A K F

θ θθ

θ θ

θ

θ

θθ

θ

θ

θ

λ

λ

⋅= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

≤⋅ ⋅

⋅= ⋅

⋅

>⋅ ⋅

My,θ,Rd: es la resistencia de cálculo a flexión, alrededor del eje y, determinada de acuerdo a 7.3). 7.4.2) Esfuerzos combinados de flexión y compresión: además de verificarse la condición establecida en el punto 7.4.1), debe verificarse mediante la siguiente condición de interacción:

my y , ,Sd,Sd mx x, ,Sd

,Rd ,Sd ,Sdx , ,Rd y , , R d

,ex ,ey

C MN C M1

N N N1 M 1 M

N N

θθ θ

θ θ θθ θ

θ θ

⋅⋅+ + ≤

− ⋅ − ⋅

En la cual: Nθ,Sd: es la resistencia requerida de la barra, considerada constante a lo largo de la barra, para la

situación de incendio. Mx,θ,Sd: es la resistencia a flexión requerida, para la situación de incendio, en la sección considerada

alrededor del eje x. My,θ,Sd: es la resistencia a flexión requerida, para la situación de incendio, en la sección considerada

alrededor del eje y. Mx,θ,Rd: es la resistencia de cálculo a flexión, alrededor del eje x , determinada de acuerdo a 7.4.1). Nθ,Rd: es la resistencia de cálculo de esfuerzo normal de compresión, en situación de incendio,

determinada de acuerdo al punto 7.2) para barras comprimidas. Cmx y Cmy: se determinan de acuerdo al punto 5.6 de la NBR 8800. Nθ,ex y Nθ,ey: son las cargas de pandeo elástico por flexión en situación de incendio, en torno a los ejes

x e y respectivamente. Para cada uno de esos ejes se tiene:

g y , y,e 2

A K FN θ

θθλ

⋅ ⋅=

En la cual:

2θλ : es el coeficiente de esbeltez para barras comprimidas a temperatura θa, de acuerdo 7.2).



8) Elevación de la Temperatura del Acero

8.1) Estructuras Internas 8.1.1) Elementos estructurales sin protección contra incendio Para una distribución de temperatura uniforme en la sección transversal, la elevación de temperatura

a,t∆θ en grados Celsius de un elemento estructural de acero sin protección contra incendio, situado

en el interior de la edificación, durante un intervalo de tiempo ∆t, puede determinarse mediante:

a,ta a

uA t

c∆θ ϕ ∆

ρ

= ⋅ ⋅

⋅

en la que: u/A: es el factor de masividad para elementos estructurales de acero sin protección de

incendio, por unidad de longitud. Hay tablas (Tabla 3, NBR 14323) indicando expresiones para el cálculo de este factor, no obstante, a los efectos del cálculo no puede ser tomado menor a 10 m-1.

ρa: es la masa específica del acero, en kilogramos por m3. ca: es el calor específico del acero, en Joule por kilogramo y por grado Celsius. ϕ: es el valor del flujo de calor por unidad de área en watt por m2.

( )( ) ( )

c r

c c g a

4 48r res g a

con :

y : 5.67 10 273 273

ϕ ϕ ϕ

ϕ α θ θ

ϕ ε θ θ

⋅

−

= +

= −

= ⋅ ⋅ ⋅ + − +

ϕc: es el componente del flujo de calor debido a la convección, en watt por metro

cuadrado. ϕr: es el componente del flujo de calor debido a la radiación, en watt por metro

cuadrado. αc: es el coeficiente de transferencia de calor por convección igual a 25 W/m2.ºC. θg: la temperatura de los gases, en grados Celsius. θa: es la temperatura en la superficie de acero en grados Celsius. εres: es la emisividad resultante, que se puede tomear igual a 0.5.

∆t: es el intervalo de tiempo en segundos. El valor de ∆t no puede ser tomado mayor a:

1ut 25000

A∆

− = ⋅

no obstante, se recomienda no tomar ∆t superior a 5 segundos.



La variación de temperatura a,t∆θ puede deducirse a partir de las siguientes hipótesis:

• El elemento estructural esta totalmente inmerso en el ambiente en llamas

Se admite que la temperatura expuesta al fuego sea igual a la temperatura media de la pieza de acero. Las estructuras pertenecientes a los elementos de cerrramiento del compartimiento en llamas o las estructuras externas del edificio, también sujetas a la acción del fuego, alcanzaran temperaturas inferiores a a,t∆θ .

• La distribución de temperatura es uniforme en el elemento estructural.

Esta es una hipótesis válida para perfiles de paredes delgadas y es a favor de la seguridad, para secciones mas robustas.

• El flujo de calor es unidimensional en el elemento estructural.

La diferencia de temperatura entre las llamas de un incendio y de los elementos estructurales genera un flujo de calor, que vía radiación y convección, se transfiere a la estructura provocando su aumento de temperatura. En la pieza estructural, el incremento de temperatura es determinado considerando la condición de equilibrio térmico entre el calor emitido por el fuego y el calor absorbido por la pieza de acero.

La radiación es un proceso por el cual el calor fluye, en forma de propagación de ondas, de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. La expresión para el cálculo del flujo de calor emitido rQ por un radiador perfecto o ideal (cuerpo negro) fue encontrada experimentalmente por J. Stefan (1879) y deducida teoricamente por L. Boltzman en 1884. En cambio la convección es un proceso por el cual el calor fluye, en virtud del contacto que hacen gases en movimiento, sobre la superficie de otros cuerpos y a través de la cual, se produce el intercambio de calor, en uno u otro sentido, según el gradiente de temperatura. La expresión del flujo de calor por convección cQ fue obtenida por Newton en 1701.

De esta manera, la cantidad de calor Q& tendrá dos componentes r cQ y Q :

r cQ Q Q= +& y por el principio de conservación de la energía o del equilibrio térmico, debe ser:

absQ Q=&



8.1.2) Elementos estructurales envueltos en protecciones contra incendio La elevación de temperatura a,t∆θ de un elemento estructural ubicado en el interior de un edificio,

envuelto por un material de protección contra incendio, durante un intervalo de tiempo ∆t puede determinarse mediante la siguiente expresión:

( )m

mg,t a,t 10

a,t g,t g,tm a a

m m mm

a a

uA t e 1 para 0

t c 13

conc utc A

ξλ θ θ∆θ ∆ ∆θ ∆θξρ

ρξρ

⋅ − = ⋅ ⋅ − − ⋅ ≥ ⋅ ⋅ +

⋅ = ⋅ ⋅ ⋅

en la cual:

muA

: es el factor de masividad para elementos estructurales envueltos por material de

protección contra incendio (m-1). um: es el perímetro efectivo del material de protección contra incendio (perímetro de la cara

interna del material de protección limitado a las dimensiones del elemento estructural de acero), en m.

A: es el área de la sección transversal del elemento estructural, en m2. cm: es el calor específico del material contra incendio, en J/m ºC. tm: es el espesor medio del material de protección contra incendio en m.

g,t∆θ : es la temperatura de los gases en el tiempo t, en ºC.

a,t∆θ : es la temperatura del acero en el tiempo t, en ºC. λm: es la conductividad térmica del material de protección contra incendio, en W/m ºC. ρa: es la masa específica del acero, en kg/m3. ρm: es la masa específica del material de protección, en kg/m3. ∆t: es el intervalo de tiempo en segundos.

El valor de ∆t no se puede tomar mayor que mu25000A

⋅ . No obstante, se recomienda

no tomar ∆t mayor a 30 sec. Para materiales de protección contra incendio de tipo húmedo, el cálculo de elevación de

la temperatura del acero puede ser modificado para tener en cuenta un retardo en el aumento de temperatura del acero cuando se alcanzan los 100ºC.



8.2) Estructuras Externas Para la determinación de la elevación de la temperatura en estructuras exteriores, se debe tener en cuenta:

• El flujo de calor por radiación proveniente del interior del edificio. • Los flujos de calor por radiación y convección provenientes de las llamas generadas en el

interior del edificio y que emanan de las aberturas existentes. • Las pérdidas de calor por convección y radiación de la estructura de acero hacia el ambiente. • Los tamaños y las posiciones de los elementos componentes de la estructura. • Las protecciones o defensas deben ser colocadas en uno o mas lados de un miembro externo

para protegerla de la transferencia de calor por radiación. Estas defensas deben ser incombustibles y poseer una resistencia al fuego de por lo menos 30 minutos. Estas defensas deben sujetarse directamente a los lados de las piezas de acero que son protegidas y ser lo suficientemente anchas para proteger los costados, del flujo de calor por radiación previsto.

• Las temperaturas en las estructuras externas deben calcularse considerando que no hay transferencia de calor por radiación en los lados protegidos por las defensas.

• La elevación de temperatura puede ser determinada, de manera favorable a la seguridad, de acuerdo al procedimiento indicado en 8.1.2.

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