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Ejemplo práctico: Torre Rembrandt, Amsterdam, Holanda SP018a-ES-EU Ejemplo práctico: Torre Rembrandt, Amsterdam, Holanda Esta torre de 135 m de altura fue construida utilizando construcción mixta (acero y hormigón). Una evaluación detallada de la ingeniería de seguridad ante incendio, efectuada después de la construcción, demostró el potencial para realizar ahorros en este tipo de construcción. Torre Rembrandt en Amsterdam Índice 1. El logro 2 2. Introducción 2 3. Estructura 2 4. Evaluación de la seguridad ante incendios 3 5. Información general 6 6. Referencias 6 Página 1 Ejemplo práctico: Torre Rembrandt, Amsterdam, Holanda SP018a-ES-EU 1. El logro Este edificio de gran altura fue diseñado en construcción mixta y se logró un altura mínima de planta a planta de 3,4 m utilizando secciones HE en vigas mixtas. Un estudio de ingeniería de seguridad ante incendio, de este edificio, demostró su potencial para lograr una reducción de costes de protección ante incendios de hasta 540 000 euros. 2. Introducción Este edificio de oficinas, de 36 plantas, está situado en Amsterdam. El diseño original de ingeniería de seguridad ante incendio se hizo según las regulaciones holandesas vigentes, el cual está basado en el sistema de clasificación tradicional. Se llevó a cabo un método de diseño alternativo, basado en la ingeniería de seguridad ante incendios, el cual se describe aquí. Se demostró el potencial para lograr ahorros sustanciales mediante este tipo de construcción. 3. Estructura El edificio tiene una altura de 135 m. Consiste en una estructura aporticada de acero, con columnas de acero en la fachada, arriostrada por un núcleo de hormigón, en el cual se han ubicado los ascensores y escaleras. Los forjados están hechos de losas mixtas apoyadas sobre vigas de acero utilizando perfiles HE. Las vigas están simplemente apoyadas, tanto en el núcleo de hormigón como en las columnas continuas. Una planta típica tiene 3,40 m de altura y cada planta tiene un compartimento para incendio. La forma en planta del edificio se muestra en la Figura 3.1. HE240M HE280AA HE280AA HE280AA HE280AA 1 Leyenda: 1 = Dirección del forjado de losa Figura 3.1 Planta típica donde se muestra el perfil empleado para las vigas Página 2 Ejemplo práctico: Torre Rembrandt, Amsterdam, Holanda SP018a-ES-EU 4. Evaluación de la seguridad ante incendios 4.1 Requerimientos convencionales Las regulaciones de Holanda exigen un nivel equivalente de seguridad ante incendios, tanto para edificios con alturas mayores a 70 m como para aquellos con alturas menores a 70 m. La exigencia funcional, es que el colapso no ocurra durante el período completo de exposición al fuego. Sin embargo, no está prohibido el uso de algún método alternativo para evaluar el nivel de seguridad. En el proceso de diseño, entre otras medidas, que incluyen un sistema de roceadores totalmente automatizado, se acordó entre el proyectista y las autoridades locales, una resistencia al fuego de 120 minutos, para la estructura portante principal. La resistencia estándar al fuego está determinada para elementos estructurales simples, expuestos a un fuego estándar. Con este método, se han ignorado las incertidumbres relacionadas a la interacción entre elementos estructurales y estructura global. No se han considerado, las cargas ni las deformaciones, introducidas por las restricciones a la expansión térmica, y las redistribuciones de las cargas aplicadas, pese a que es bien conocido que, estos factores, frecuentemente dominan otros efectos, en estructuras expuestas al fuego. Más aún, el efecto beneficioso de otras medidas que, atenúan el efecto del fuego en la estructura no se han podido tomar en cuenta. 4.2 Método alternativo de seguridad ante incendios El objetivo del estudio de Ingeniería de seguridad ante incendios (ISAI - FSE en inglés) fue obtener una comprensión del comportamiento del fuego, incluyendo la interacción entre las elementos estructurales. Más aún, se modificó la protección térmica exigida en los elementos de acero, a fin de obtener un diseño eficiente en costos. Para este propósito, se desarrolló un MEF (Modelo de Elementos Finitos de ingeniería de seguridad ante incendios) con el programa para ordenador DIANA, en el cual se asumió un incendio totalmente desarrollado en un compartimento de fuego. El incendio estándar, fue reemplazado por una simulación del desarrollo del incendio, en un compartimento típico del edificio, con el programa para ordenador OZONE. El tamaño de las columnas arriostradas de acero, se va reduciendo en la parte superior del edificio, debido a que las cargas axiales son bajas. Un análisis simple de las columnas en cada planta, basado en una exposición a un incendio estándar, mostró que las columnas en el nivel 21° eran las más críticas. Por consiguiente, se modelizó este nivel. 4.3 Desarrollo del incendio El desarrollo del incendio se modelizó con el programa OZONE. Ya que la mayoría de ambientes para oficinas en la torre, no tienen tabiquería de división, se modelizó un gran compartimento de 32,40 × 32,40m, excluyendo el núcleo central de 14,40 m2. Las propiedades térmicas del núcleo de hormigón, las losas mixtas y el sándwich de construcción utilizado en la fachada (lámina de acero - lana mineral - granito) fueron modeladas con valores nominales para el hormigón, acero y lana mineral, tal como lo da el programa. Se tomó en cuenta el efecto de los rociadores. Una gran incertidumbre es la ventilación resultante de la rotura de las ventanas. Un resultado paramétrico, mostró que el efecto de la hipótesis, con relación a la rotura de las ventanas bajo el calor de los elementos de acero en el compartimento, es relativamente pequeño. El resultado, basado en la hipótesis de la rotura de todas las ventanas, al inicio del incendio, fue utilizado como "entrada" para el modelo MEF . Página 3 Ejemplo práctico: Torre Rembrandt, Amsterdam, Holanda SP018a-ES-EU 4.4 Respuesta térmica Se utilizaron modelos separados de MEF para determinar el tiempo, dependiendo de la distribución no uniforme de temperatura, de la sección transversal de la losa mixta de acero y hormigón, las vigas HE280AA y las vigas pesadas de esquina HE240M. La temperatura de las columnas fue obtenida mediante el programa OZONE, se pudo asumir una distribución uniforme de temperatura para dichas columnas en los lugares donde estuviera expuesta por los cuatro lados. La Figura 4.1 muestra una distribución típica de temperatura en la losa y en la viga. 700 600 500 400 300 200 150 100 75 50 HE280AA Symmetry line Línea de simetría Figura 4.1 4.5 350 300 200 150 100 50 Symmetry line Línea de simetría Distribución de la temperatura en la losa mixta después de 75 min. Exposición al fuego (izquierda) y en las vigas sin protección después de 50 min Respuesta estructural Se modelizó toda la planta del nivel 21°, incluyendo las columnas. En la base y en el extremo superior, las columnas fueron modelizadas con soportes rígidos, el extremo superior permite desplazamientos verticales. En la parte superior de las columnas, se aplicaron las cargas verticales debidas al resto del edificio, aplicando factores de seguridad parciales iguales a la unidad. Las vigas, columnas y nervaduras reforzadas de las losas mixtas, fueron modelizadas con elementos unidimensionales, integrados numéricamente, basados en la teoría de MindlinReissner. La losa de hormigón armado, se modelizó con elementos de cáscara con curvatura. La chapa de acero se modelizó como reforzada, considerando un desarrollo de la temperatura independiente para el ala inferior, el alma y el ala superior. La distribución de la temperatura no-lineal en la nervadura y en la losa, obtenida con los modelos de respuesta térmica, fue simplificada con una distribución de temperatura lineal, encima de la viga y elementos tipo cáscara. Para este propósito, la temperatura promedio se tomó igual al promedio de la temperatura por encima de la línea de simetría de los modelos de respuesta térmica, tal como se muestra en la Figura 4.1, y el gradiente térmico, se obtuvo, tal que la temperatura del refuerzo en el modelo estructural igualase la temperatura en el nudo, en el modelo de respuesta térmica. No ocurrió ningun fallo estructural considerado durante el incendio. La flecha de la losa fue 337 mm, luego de transcurridos 92 minutos, como se muestra en la Figura 4.2. En la etapa de enfriamiento, las flechas se redujeron, como se ilustra en la Página 4 Ejemplo práctico: Torre Rembrandt, Amsterdam, Holanda SP018a-ES-EU Figura 4.3. Se utilizaron modelos separados de MEF para determinar el tiempo, dependiendo de la distribución no uniforme de temperatura de las secciones transversales de la losa mixta de acero y hormigón, las vigas HE280AA y las vigas pesadas de esquina HE240M. La temperatura de las columnas fue obtenida mediante el programa OZONE, se pudo asumir una distribución uniforme de temperatura para dichas columnas donde estuvieran expuestas por los cuatro lados (véase la Figura 4.1 para un ejemplo). Time 1 92 min. Vertical deflections [mm] -3.47 -36.8 -70.1 -103 -137 -170 -203 -237 -270 -303 Max = 29.9 Min = -337 Y Z X HE280AA SB-floor 2 HE240M Leyenda: 1 Flechas verticales en el tiempo de = 92 mins [mm] (Max = 29.9 mm Min= -337 mm) 2 Losa SB Figura 4.2 Desplazamientos verticales de la losa time 1[min.] 0 0 -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 15 30 45 60 75 90 105 120 HE240 HE280A 2SB-floor 3 deflection [mm] 1 2 3 Tiempo [min] Losa SB Flecha [mm] Figura 4.3 Flechas de la losa y vigas Además de lo anterior, cálculos avanzados muestran que, como resultado de la redistribución de cargas, se origina esfuerzos significativos (cerca de las vigas HE240). Esta área puede ser crítica (debido al aplastamiento del hormigón), pero tal fenómeno no se manifiesta en un análisis a nivel de componente. Finalmente, debido a la eliminación de la protección contra el fuego de las vigas, se obtuvo una reducción significativa de los costes en aislamiento, comparados con un diseño bajo un incendio estándar, el ahorro estimado para este edificio de 36000 m2 fue de 540 000€ (precios al 2001). Página 5 Ejemplo práctico: Torre Rembrandt, Amsterdam, Holanda SP018a-ES-EU 5. Información general Cliente: Philips BV Arquitecto: ZZ+P Architects Diseño estructural: Samenwerkende Adviesbureaus Amstelhoek Compañía constructora: Sedijko Expertos en ingeniería de seguridad ante incendios: (ISAI) Centro para investigación de incendios (Centre for Fire Research) TNO Año de construcción: 1996 Altura total: 135 m Superficie en planta: 32,40 × 32,40m 6. Referencias [1] Steenbakkers, P. (2001) Brandveilig Ontwerpen van Hoogbouwconstructies, Deel I – Verkennend onderzoek, Graduation report TU Delft (in Dutch). [2] Steenbakkers, P. (2001) Brandveilig Ontwerpen van Hoogbouwconstructies, Deel II Case Studie Rembrandttoren, Graduation report TU Delft (in Dutch) InfoBEC–Bilbao Exhibition Centre Newsletter, Issues 1-4,Year 2003. Publicado por BEC. Página 6 Ejemplo práctico: Torre Rembrandt, Amsterdam, Holanda SP018a-ES-EU Registro de Calidad TÍTULO DEL RECURSO Ejemplo práctico: Torre Rembrandt, Amsterdam, Holanda Referencias(s) DOCUMENTO ORIGINAL Nombre Compañía Fecha Creado por Leen Twilt TNO 2003 Contenido técnico revisado por Mike Haller PARE 8/11/05 Contenido editorial revisado por Marc Brasseur PARE 8/11/05 1. Reino Unido G W Owens SCI 20/01/06 2. Francia A Bureau CTICM 20/01/06 3. Suecia A Olsson SBI 20/01/06 4. Alemania C Müller RWTH 20/01/06 5. España J Chica Labein 20/01/06 6. Luxemburgo M Haller PARE 20/01/06 G W Owens SCI 13/7/06 Traducción realizada y revisada por: eTeams International Ltd. 27/04/06 Recurso de traducción aprobado por: F Rey Labein 24/05/06 Contenido técnico respaldado por los siguientes socios de STEEL: Recurso aprobado por el Coordinador técnico DOCUMENTO TRADUCIDO Página 7