Dimensionamiento de estructuras metálicas y mixtas en situación de incendio

1. 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

2. Diseño contra Incendio CONTENIDO • Introducción • Principios termodinámicos • Principios estructurales • Resistencia al fuego

3. 1. Introducción DISEÑOCONTRA 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.

4. 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).

5. 1. Introducción SEGURIDAD DE LAS PERSONAS Y LOS BIENES Aislamiento de Muros Desde otras Propiedades Reducir riesgo de Incendio Reducir focos del Incendio Gestión y Mantenimiento Desde el Edificio Reducir riesgo para la vida en incendios Reducir pérdidas en Edificio y Contenidos Elección de Materiales Rápida Acción de Bomberos

6. 1. Introducción SEGURIDAD DE LAS PERSONAS Y LOS BIENES Rápida detección de humos Compartimentación Limitar humos Ventilación Elección de Materiales Rociadores Reducir riesgo para la vida en incendios Reducir causas de muerte Limitar extensión del Incendio Gestión y Mantenimiento Reducir pérdidas en Edificio y contenidos Compartimentación Reducir causas de pérdidas Rociadores Rápida detección de calor Rápida acción de Bomberos Elección de Materiales Limitar calor Ventilación Rociadores

7. 1. Introducción SEGURIDAD DE LAS PERSONAS Y LOS BIENES Ingeniería Anti-incendios Limitar calor Reducir riesgo para la vida en incendios Diseño Estructural Reducir Daño del Edificio Reducir Riesgo de colapso Poseer Resistencia requerida Reducir pérdidas en edificio y contenidos Protección pasiva Rápida acción de bomberos

8. 1. Introducción SEGURIDAD DE LOS BIENES 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

9. 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

10. 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

11. 2. Principios termodinámicos FLUJO DE CALOR • Intensidad de flujo de calor • El uso de revestimiento aislantes retrasa el aumento de temperatura.

12. 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

13. 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)

14. 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

15. 2. Principios termodinámicos TRANSFERENCIA DE CALOR • Ecuación de transferencia de calor • ECCS (European Recommendations for Fire Safety of Steel Structures)

16. 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.

17. 3. Principios estructurales TRACCIÓN • Resistencia de tracción • Disminución de tensión de fluencia con el aumento de temperatura.

18. 3. Principios estructurales TRACCIÓN • Resistencia de tracción • Degradación de la curva tensión-deformación por aumento de temperatura.

19. 3. Principios estructurales TRACCIÓN • Elementos estructurales a tracción Pu P ≤ Pu 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

20. 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.

21. 3. Principios estructurales COMPRESIÓN • Elementos estructurales a compresión Pu P ≤ Pu • P y Pu consideran el efecto del pandeo q donde: k = 1.2, factor empírico que considera entre otros deformaciones máximas mayores a la deformación de fluencia

22. 3. Principios estructurales VIGAS • Vigas • Vigas simplemente apoyadas • Vigas continuas • Redistribución de momentos producto del comportamiento plástico Pu q Mu donde: Z = módulo plástico de la sección Mu = capacidad a flexión reducida producto de la temperatura

23. 3. Principios estructurales COLUMNAS • 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

24. 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 ala qi = temperatura representativa de la sección z = distancia entre los puntos de aplicación de los esfuerzos de compresión y tracción

25. 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

26. 4. Resistencia al fuego = emisividad del horno de ensayo ¿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

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. 4. Resistencia al fuego CONSTRUCCIÓN MIXTA • 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)

31. 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.

32. 4. Resistencia al fuego SECCIONES DE ACEROPARCIALMENTE 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.

33. 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.

34. 4. Resistencia al fuego PROTECCIÓN MEDIANTEPANTALLAS • 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

35. 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.