Download Diapositiva 1 - Construcción en Acero

Dimensionamiento de
estructuras metálicas y mixtas
en situación de incendio
Leonardo Massone Sánchez
Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile
Santiago, Chile
Marzo 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
Diseño contra Incendio
1. Introducción
2. Principios termodinámicos
3. Principios estructurales
4. Resistencia al fuego
CONTENIDO
1. Introducción
DISEÑO
CONTRA INCENDIO
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.
1. Introducción
PÉRDIDAS
• 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).
SEGURIDAD DE LAS
PERSONAS Y LOS BIENES
1. Introducción
Reducir riesgo
de Incendio
Reducir riesgo
para la vida en incendios
Reducir pérdidas en
Edificio y Contenidos
Rápida Acción
de Bomberos
Reducir focos
del Incendio
Desde otras
Propiedades
Desde el
Edificio
Aislamiento de
Muros
Gestión y
Mantenimiento
Elección de
Materiales
SEGURIDAD DE LAS
PERSONAS Y LOS BIENES
1. Introducción
Rápida detección de humos
Compartimentación
Limitar humos
Ventilación
Elección de Materiales
Rociadores
Reducir riesgo para
la vida en incendios
Reducir pérdidas en
Edificio y contenidos
Reducir causas
de muerte
Limitar extensión
del Incendio
Gestión y Mantenimiento
Compartimentación
Reducir causas
de pérdidas
Rociadores
Rápida detección de calor
Rápida acción
de Bomberos
Elección de Materiales
Limitar calor
Ventilación
Rociadores
SEGURIDAD DE LAS
PERSONAS Y LOS BIENES
1. Introducción
Ingeniería
Anti-incendios
Limitar calor
Reducir riesgo
para la vida
en incendios
Reducir pérdidas
en edificio
y contenidos
Rápida acción
de bomberos
Reducir
Daño del
Edificio
Reducir
Riesgo de
colapso
Diseño
Estructural
Poseer
Resistencia
requerida
Protección
pasiva
SEGURIDAD DE
LOS BIENES
1. Introducción
Reducir riesgo
Para la vida
en incendios
Detectores
de humo
Pronta
Alarma
Rápida acción
de bomberos
Detectores calor
rociadores
Evacuar
Personas
Fácil
Evacuación
Fáciles
Salidas
Medidas salida de
emergencia
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/(rscs) = difusión térmica,
rs = 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
- La cantidad de calor transferida por unidad de longitud es:
donde:
Dt = 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)
qf = temperatura de gases (°C)
qs = temperatura del acero durante el intervalo de tiempo Dt (°C)
Dqs = aumento de temperatura del acero durante el intervalo de tiempo Dt (°C)
A = área de la sección transversal del elemento (m2).
- Eurocódigo 3 Parte 1.2
(convergencia numérica)
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.),
qcr = temperatura crítica del elemento, el factor de la sección Am/A y
d = espesor del material de aislamiento
li = 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
– 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.
RESISTENCIA
ESTRUCTURAL
3. Principios estructurales
• Resistencia de tracción
– Disminución de tensión de fluencia con el aumento de
temperatura.
TRACCIÓN
3. Principios estructurales
TRACCIÓN
• Resistencia de tracción
– Degradación de la curva tensión-deformación por aumento de
temperatura.
TRACCIÓN
3. Principios estructurales
• Elementos estructurales a tracción
Pu
Pu  f y A
P ≤ Pu
P  f s (q ) A  f y (q ) A
 (q ) 
f (q )
P
 s
Pu
fy
q
donde:
fy = tensión de fluencia del acero
A = área de la sección transversal del elemento de acero
fs = tensión de fluencia del acero disminuida por efecto de la temperatura
q = temperatura del elemento
 = coeficiente de reducción de la tensión de fluencia
P = fuerza axial de tracción actuando sobre el elemento
Pu = fuerza axial máxima resistente de tracción del elemento a temperatura ambiente
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.
COMPRESIÓN
3. Principios estructurales
• Elementos estructurales a compresión
 (q )  k
-
P
Pu
P y Pu consideran el
efecto del pandeo
Pu
P ≤ Pu
q
donde:
k = 1.2, factor empírico que considera entre otros deformaciones máximas mayores a la
deformación de fluencia
VIGAS
3. Principios estructurales
• Vigas
– Vigas simplemente apoyadas
donde:
Z = módulo plástico de la sección
Mu = capacidad a flexión reducida producto de
la temperatura
– Vigas continuas
• Redistribución de momentos
producto del comportamiento
plástico
Pu
q
Mu
COLUMNAS
3. Principios estructurales
• Flexo-compresión en columnas
P
M
donde:
Mp, Np = representan las capacidades a flexión y
esfuerzo axial a temperatura ambiente
cmin = menor de los coeficientes de pandeo entre
las direcciones transversales
ky y kz = factores de reducción para los ejes “y” y “z”
q
3. Principios estructurales
• Elementos mixtos
– Gradientes de temperatura
– Efecto de aislamiento de
elementos compuestos con
hormigón
– Contribución del componente
de acero:
donde:
Ai = área del ala inferior, del alma y del ala
qi = temperatura representativa de la sección
z = distancia entre los puntos de aplicación de
los esfuerzos de compresión y tracción
– Momento flector:
MIXTOS
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)
hormigón
acero
Columna mixta
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.
4. Resistencia al fuego
ESTRUCTURAS
PROTEGIDAS
• 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.
CONSTRUCCIÓN
MIXTA
4. Resistencia al fuego
• 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
SECCIONES DE ACERO
PARCIALMENTE EXPUESTAS
• 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
• Algunos métodos
económicos:
- Casquillo de
angular fijado al alma
de la viga, protegiendo
el ala superior y parte
del alma de la viga.
• Se pueden conseguir tiempos
de resistencia al incendio de
30, 60 y 90 minutos.
SECCIONES DE ACERO
PARCIALMENTE EXPUESTAS
4. Resistencia al fuego
• 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.
PROTECCIÓN MEDIANTE
PANTALLAS
Cielo falso
tabique
4. Resistencia al fuego
OTRAS
CONSIDERACIONES
• 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.