comportamiento frente al fuego de las … chapa colaborante... · losas mixtas de chapa nervada...

1

COMPORTAMIENTOCOMPORTAMIENTOFRENTEFRENTE AL AL FUEGOFUEGO DE DE LAS LAS LOSASLOSAS MIXTASMIXTASFrederic MarimonDr. Ingeniero IndustrialProfesor del Departamento de Resistencia de Materiales y Estructuras en la Ingeniería.E.T.S Ingenieros Industriales de BarcelonaUniversidad Politécnica de Catalunya

JORNADA TÉCNICA CÁTEDRA G.O.CUniversidade de Vigo 28 de junio de 2007

UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA

1 LA ESTRUCTURA MIXTALA ESTRUCTURA MIXTA

2.4 EjemploEjemplo numnumééricorico. . UtilizaciUtilizacióónn de tablasde tablas

3 MODELIZACIMODELIZACIÓÓN N AVANZADAAVANZADA

2.2 El El problemaproblema mecmecáániconico

2.3 ModelizaciModelizacióónn simplificadasimplificada segsegúúnn UNE ENVUNE ENV--1994, Parte 1.21994, Parte 1.2

2.1 El El problemaproblema ttéérmicormico

2 COMPORTAMIENTOCOMPORTAMIENTO FRENTEFRENTE AL AL FUEGOFUEGO DE LAS DE LAS LOSASLOSAS MIXTASMIXTAS

2

11 LA ESTRUCTURA MIXTALA ESTRUCTURA MIXTA


Pilares mixtos

Vigas mixtas

Losas mixtas de chapa nervada

composite column floor = beam + slab

composite beam

composite slab

No contempladas en el CTE (2006)

3

LOSAS MIXTAS ACERO-HORMIGÓN

• Métodos de protección de las losas mixtas ante el incendio

Llosa mixta amb recobriment aïllant Llosa mixta amb sostre aïllant

Llosa mixta amb armadura addicional

RECUBRIMIENTO AISLANTE FALSO TECHO AISLANTE

ARMADURA ADICIONAL

Ámbito europeo:Eurocódigos estructurales

Acciones de incendio sobre estructuras Eurocódigo-1 EN 1991 Parte 2.2 Estructuras de hormigón Eurocódigo-2 EN 1992 Parte 1.2Estructuras de acero Eurocódigo-3 EN 1993 Parte 1.2Estructuras mixtas acero-hormigón Eurocódigo-4 EN 1994 Parte 1.2

Euronormas de ensayo de resistencia al fuego Exigencias generales EN 1363 / Clasificación de productos EN 13501Ensayos al fuego para estructuras de acero EN 13381 Partes 1, 2 y 4

Ámbito nacional:Código Técnico de la Edificación CTE DB-SI Seguridad en caso de IncendioReglamento de Seguridad contra Incendios en Establecimientos Industriales RSIEIEstructuras de Hormigón Estructural Instrucción EHEEstructuras de Acero en la Edificación Instrucción EAE (*)

Ámbito autonómico y local:Legislación autonómica (CAM, Generalitat de Catalunya, …)Ordenanzas municipales (Barcelona, Madrid, Valencia, …)

(*) en preparación

ASPECTOS NORMATIVOS ESTRUCTURALES

4

VERIFICACIÓN DE LA RESISTENCIA AL FUEGODE UNA ESTRUCTURA MIXTA

NIVEL I UTILIZACIÓN DE VALORES TABULADOS EN GRÁFICOS O TABLAS

• Procedentes de ensayos de laboratorio

• Sólo curva normalizada ISO-834. Geometrías restringidas

• Resultados conservadores

NIVEL II MODELOS SIMPLIFICADOS

• Desarrollados en las normativas y contrastados experimentalmente

• Sólo curva normalizada ISO-834

NIVEL III MÉTODOS DE ANÁLISIS AVANZADO

• Resolución general del problema termomecánico en función del tiempo

LOSAS MIXTAS

LOSAS MIXTAS

2 2 COMPORTAMIENTOCOMPORTAMIENTO FRENTEFRENTE ALALFUEGOFUEGO DE LAS DE LAS LOSASLOSAS MIXTASMIXTAS


5

Acciones Mecánicas CTE

En situación normal de dimensionamiento:

γG=1,35 cargas permanentes G (peso propio)

γQ=1,5 cargas variables Q (sobrecarga de uso)

En el caso de situación accidental de incendio:

γGA=1,0 las acciones características permanentes G se toman sin mayorar

ψ1.1= dependiendo del uso del edificio. Entre 0,5 (oficinas) y 0,9 (almacén, no contemplado CTE).

1.1.

1.1.1

kQkG

kkGAfi QG

QGγγψγη

++

=

3,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Q / G k,1 k

η fi

ψfi,1= 0,7

ψfi,1= 0,5

ψfi,1= 0,2

ψfi,1= 0,9

Factor de reducción de cargas, η fi , de forma simplificada para cargas gravitatorias

Acciones Térmicas CTE

Ignición Fuego latente

Antes del puntode inflamación

Después del puntode inflamación

1000-1200°C

Punto deinflamación

Ignición

Comienzo delfuego

Palabras clave: Calentamiento Enfriamiento TiempoControl: Inflamabilidad Temp./ desarrollo

del humoCarga de fuego

densidadVentilación

ISO 834 curva estándarde fuego

Curva de fuego natural

Temperatura R 120

E 120

I 120

120 min

Fuego normalizado ISO 834

Fuego natural

En el CTE pueden adoptarse otros modelos de incendio como: las curvas paramétricas o, los modelos de incendio de una o dos zonas o de fuegos localizados o métodos basadosen dinámica de fluidos (CFD, según siglas inglesas) tales como los que se contemplan en la norma UNE-EN 1991-1-2:2004.

6

R Criterio de resistencia estructural

E Criterio de integridad

I Criterio de aislamiento térmico

A una viga sólo se le exigen requerimientos

de resistencia mecánicaante el incendio.

Por ejemplo, R 120(120 min a ISO 834)

E I máx. 140 ºC (180ºC)

R

R

CatalàEspañolEnglishFrançais

IsolacióAislamiento térmicoInsulationIsolationI

EstanqueïtatIntegridadIntegrityÉtanchéitéE

ResistènciaResistencia (Capacidad portante)

ResistanceRésistanceR

En general, a un forjado se le exigenrequerimientos de resistencia mecánica y de

sectorización ante el incendio.

Por ejemplo, REI 120 (120 min a ISO 834)

Curva ISO-834 de la temperatura media de los gases en función del tiempo

½½ h 1 h 1h h 1 h 1h ½½ 2h 3h2h 3h

7

Stee

lCon

struc

tion I

nstitu

te(2

001)

Ensayo normalizado de una losa mixta. Viga metálica sin recubrimiento

Quemadorescontrolados por

termopares

Stee

lCon

struc

tion I

nstitu

te(2

001)

Ensayo normalizado de una losa mixta. Vigametalica protegida mediante recubrimiento

8

CRITERIOS DE RUINA EN LOS ENSAYOS EXPERIMENTALES

11 CRITERIO DE DEFORMACIÓN LÍMITEFlecha máxima : w > L/30, L/20 …

22 CRITERIO DE VELOCIDAD DE DEFORMACIÓNAumento rápido de la flecha : dw/dt > L2/9000h

33 CRITERIO DE TEMPERATURAElevación de la temperatura en la cara superior

LA CONCLUSIÓN PRÁCTICA DE LOS ENSAYOS NORMALIZADOS, Y ADOPTADA POR Eurocódigo 4,

Parte 1.2

« La resistencia al fuego normalizado de una losamixta, carente de cualquier medida suplementaria, es

al menos de 30 minutos (REI 30)»

9

Stee

lCon

struc

tion I

nstitu

te(2

001)

Cardington test (1995-2004) – Comportamiento global de la estructura

EfectoEfecto diafragmadiafragma

Registro de temperaturas mediantetermocámaras y termopares

Fisuración interna de la losa mixta en el vano central y en los nudos

10

2.1 El El problemaproblema ttéérmicormico


LA TEORÍAEcuación de Fourierθ Temperatura °C ó K

t Tiempo s

k Conductividad W/(m°K)

c Calor específico J/(kg°K)

ρ Densidad kg/m3

• ISO-834

• Curva paramétrica

• Curva de fuego natural

θt

θp

θs

11

ComoComo alternativaalternativa se se utilizanutilizan loslos resultadosresultadosde de loslos ensayosensayos experimentalesexperimentales

2.2 El El problemaproblema mecmecáániconico


12

y = 1

y = 3.5577E-14x5 - 1.5344E-10x4 + 2.5468E-07x3 - 1.9994E-04x2 + 7.1511E-02x - 8.3497E+00R2 = 9.9995E-01

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Temperature θ (ºC)

Coe

ffici

ent d

e re

duct

ion

k ma

x,

Acier selon EC-4 Part 1.2

Acier selon ECCS nº32

ACEROACERO

f f s max,s max,θθ = k = k max,max,θθ f f s y,20s y,20°°

γγ M,M,θ,θ,ss = 1,0= 1,0

k k max,max,θθ CoeficienteCoeficiente de de reduccireduccióónn de la de la tensitensióónn de de llíímitemite eleláásticostico para para el el aceroacero de de armararmar en en funcifuncióónn de la de la temperaturatemperatura

y = -5.6479E-15x5 + 1.7149E-11x4 - 1.6680E-08x3 + 5.2690E-06x2 - 1.0781E-03x + 1.0191E+00R2 = 9.9969E-01

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Temperatura θ (ºC)

Coe

ffici

ent d

e ré

duct

ion

kc,

Béton selon EC-4 Partie 1.2Béton selon ECCS nº32

HORMIGHORMIGÓÓNN

f f c,c,θθ = k = k c,c,θθ 0.85 f 0.85 f c,20c,20°°

k k c,c,θθ CoeficienteCoeficiente de de reduccireduccióónn de la de la resistenciaresistencia caractercaracteríísticasticaa a compresicompresióónn en en funcifuncióónn de la de la temperaturatemperatura

γγ M,M,θ,θ,cc = 1,0= 1,0

13

2.3 La La modelizacimodelizacióónn simplificadasimplificadasegsegúúnn UNEUNE--ENVENV 1994 Parte 11994 Parte 1--22


MODELO TÉRMICO SIMPLIFICADO

SÓLO SE CONTEMPLA LA UTILIZACIÓN DE ARMADURAS SUPLEMENTARIAS

NO SE CONSIDERA LA EXISTENCIA DE REVESTIMIENTOS AISLANTES O PLAFONES SUSPENDIDOS

H = 120 mm20 mm

u = 35 mm3

A = 200mm²/mneg

A = f(R)pos R60 6φ

R90 8φ

Malla 200x200 4φ

14

CRITERIOS GENERALES DE RESISTENCIA AL FUEGOCRITERIOS GENERALES DE RESISTENCIA AL FUEGO

R Criterio de resistencia estructural

E Criterio de integridad

I Criterio de aislamiento térmicoLAS LOSAS MIXTAS TIENEN

UNA FUNCIÓN RESISTENTE Y SECTORIZADORA

REI

I CRITERIO DE AISLAMIENTO TCRITERIO DE AISLAMIENTO TÉÉRMICORMICO

LIMITACIÓN A LA ELEVACIÓN DE LA TEMPERATURA EN LA CARA NO EXPUESTA DE LA LOSA

∆θ < 180 °C localmente (punto A)

∆θ < 140 °C en promedio

15

E CRITERIO DE INTEGRIDADCRITERIO DE INTEGRIDAD

CAPACIDAD DE LA LOSA PARA EVITAR LA PENETRACIÓN DE LAS LLAMAS O DE LOS GASES CALIENTES A TRAVÉS DE EVENTUALES FISURAS

• Este criterio de integridad se cumple siempre en el caso de las losas mixtas

• Adicionalmente, no hay desprendimiento de trozos de hormigón (spalling)

• Securidad para los equipos de intervención

• Protección de las armaduras a la exposición directa de las llamas

R CRITERIO DE RESISTENCIA ESTRUCTURAL

HIPÓTESIS 1

La chapa metálica no contribuye a la resistencia de la losaHIPÓTESIS 2

Se utiliza la teoría de las rótulas plásticas.

Análisis estructural P + P

16

Resistencia de la Resistencia de la secciseccióónn para Mpara M++θθ

140 °C

RepartoReparto de de temperaturastemperaturas para Mpara M++θθ

Tabla 4.9 ENV 1994-1-2:1994

Críticas a estas fórmulas en el Rapport TNO-ARBED-CTICM (1994) y en la publicación ECCS n°111 (2001)

CAMBIOS EN LA ACTUAL EN-1994 Parte 1-2 (2004) !!!

Xapa d'acer

Armadura

Formigó

3u u2u1

u2

u3

u1

17

CompromisoCompromisoentre el entre el aislamientoaislamiento y y el el brazobrazo de de palancapalanca

R 60

R 90

R 120

R 180

R 240

Resistencia de la Resistencia de la secciseccióónn para para MMθθ−−

140 °C

18

DistribuciDistribucióónn de de temperaturastemperaturas en el en el hormighormigóónn MMθθ−−

Se supone que la distribución de temperaturas es independiente de heff

Table 4.10 UNE ENV 1994 Parte 1.2

140 °C

Resolución del problema termomecánico en el hormigón

19

Tabla similar a ECCS n°32 con actualización de la resistencia del hormigón según UNE-ENV 1994 Parte 1-2

Valores del área reducida de la sección Ac,r y de la excentricidad e

ANANÁÁLISIS GLOBAL PLLISIS GLOBAL PLÁÁSTICOSTICO

Por aplicación del teorema de los trabajos virtuales:

Resolución del caso particular de vano extremo:Hipótesis « aproximativa » de formación de la rótula plástica en el centro del vano

20

SISTEMAS ESTÁTICOS Y MECANISMOS DE RUINA

2.32.3 EjemploEjemplo numnumééricorico..UtilizaciUtilizacióónn de las tablasde las tablas


21

DATOS DEL PROBLEMADATOS DEL PROBLEMAQ+G

L L

LOSA MIXTA DE 2 TRAMOS

Distancia entre soportes: 4mAcero B500S:Hormigón C25/30 (densitad normal):Sobrecarga de uso:Peso propio: Resistencia al fuego requerida: R 90 REI 90

2,20º 500 /sy Cf N mm=

2,20º 25 /c Cf N mm=

26,00 /Q kN m=22,51 /G kN m=

CRITERIO I Cálculo del espesor eficaz heff :

heff

CUMPLE140 7080 0,5 70 104,5 100140 160effh mm mm+ = + ⋅ ⋅ = > +

22


La estrategia de diseño consiste en calcular, en primer lugar, el momento M- con la armadura de negativos existente φ 8 mm 150x150 mm.

A continuación, se calcula la armadura de positivos adicional que hay que colocar en cada onda para soportar M+.

Resistencia de la Resistencia de la secciseccióónn MMθθ−−

140 °C

( ) ( ) 6, , ,20º 4 335 500 104,5 20 17,1 10 11, 29 /Rd s neg sy C effM A f h u e kN m mθ

− −= ⋅ ⋅ − − = ⋅ ⋅ − − ⋅ = ⋅

8 150 150 mmφ × ⇒

, ,20º 2,

,20º

335 500 7882,35 /0,85 0,85 25s neg sy C

c rc C

A fA mm m

f⋅ ⋅

= = =⋅ ⋅

335 mm2/m

23

Valores del área reducida de la sección Ac,r y de la excentricidad e

Tabla similar a ECCS n°32 con actualización de la resistencia del hormigón según UNE-ENV 1994 Parte 1-2


( ) ( )2 22 0,85 6,00 2,51 414, 47 /

8 8 8Q G Lq L kNm m

κ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅⋅= = =

2

, ,0,5 14,47 0,5 11,29 8,83 /8Rd Rdq LM M kN m mθ θ

+ −⋅= − ⋅ = − ⋅ = ⋅

24

Resistencia de la Resistencia de la secciseccióónn MM++θθ

140 °C

DistribuciDistribucióónn de de temperaturastemperaturas para Mpara M++θθ

Tabla 4.9 UNE ENV 1994-1-2

Xapa d'acer

Armadura

Formigó

3u u2u1

u2

u3

u1

1 2 3

1 1 1 1 1 1 1 0,40654 61 50z u u u

= + + = + + =

2, 46z =

1285 350 1285 350 2, 46 424 ºs z Cθ = − ⋅ = − ⋅ =

25

y = 1

y = 3.5577E-14x5 - 1.5344E-10x4 + 2.5468E-07x3 - 1.9994E-04x2 + 7.1511E-02x - 8.3497E+00R2 = 9.9995E-01

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Temperature θ (ºC)

Coe

ffici

ent d

e re

duct

ion

k ma

x,

Acier selon EC-4 Part 1.2

Acier selon ECCS nº32

ACEROACERO k k max,max,θθ CoeficienteCoeficiente de de reduccireduccióónn de la de la tensitensióónn deldel llíímitemite eleláásticosticopara el para el aceroacero de la de la armaduraarmadura con la con la temperaturatemperatura de de 424 424 ººCC

max, 0,95k θ =

424 ºs Cθ =

( ) ( )3 6

2, 3

0,85 25 10 2 8,83 10150 50 150 500,95 500 0,85 25 10s posA

⋅ ⋅ ⋅ ⋅= ⋅ − ± − −

⋅ ⋅ ⋅

2, 190 /s posA mm m=

26

Moment resistent negatiu (Mθ,Rd-) en funció de la

quantia d'armadura (As,neg), de l'espessor eficaç del forjat (heff) i del temps de resistència al foc(R30, R60, R90)

80

75

70

65

60

55

50

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

1200 1000 800 600 400 200 0 200 400 600 800 1000 1200

As,neg [mm2/m]

Mθ,

Rd- [k

N·m

/m]

R 30

heff = 200 mm

180 mm

160 mm

140 mm

120 mm

100 mm

80 mm

heff = 60 mm

R 60

heff = 200 mm180 mm

160 mm

140 mm

120 mm

heff =100 mm

heff =80 mm

heff = 60 mm

heff = 80 mm

heff =100 mm

heff =120 mm

heff =140 mm

heff =160 mm

heff =180 mmheff = 200 mm

R 90

Acer B500S: 2, 20 º 500 /sy Cf N mm= , , 1, 0M sθγ =

Formigó C25/30: 2, 20 º 25 /c Cf N mm= , , 1, 0M cθγ =

Recobriment: 4 20u mm=

A s,neg u4 Ns

heffzneg

e c,θN

, ,Rd neg c negsM N z N zθ θ− = ⋅ = ⋅

, 20 º ,sy C s negsN f A= ⋅

, ,20 º ,0,85c c C c rN f Aθ = ⋅ ⋅

4neg effz h u e= − −

Diagrama elaborat d’acord amb la normativaEurocodi 4 Part 1-2

E.T.S. Enginyeria Industrial de Barcelona (2002) Bartolomé Salom Serra Frederic Marimon Carvajal

Quantia d'armadura suplementària (As,pos) en funció del moment resistent positiu (Mθ,Rd+)

i del cantell total de la llosa (h), per un temps de resistència al foc de 90 min (R 90)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

Mθ,Rd+ [kN·m/m]

As,

pos [m

m2 /m

]

h =1

20 m

m

h =1

40 m

m

h =1

30 m

m

h =1

50 m

m

h =1

60 m

m

h =1

70 m

m

h =1

80 m

m

h =1

90 m

m

h =2

00 m

m

s =

300

mm

s =

200

mm

s =

175

mm

s =

250

mm

φ6

φ6

φ6

(φ4) (φ4)

φ10

φ10

φ10

φ10

φ8

φ8

φ8

φ8

(φ14

)

φ12

φ12

(φ14

)φ1

2

φ12

R 90

φ6

Acer B500S: 2, 20 º 500 /sy Cf N mm= , , 1, 0M sθγ =

Formigó C25/30: 2, 20 º 25 /c Cf N mm= , , 1, 0M cθγ =

3 50u mm=

423 ºs Cθ =

max, 0,95k θ =

2 70h mm=

1 140l mm= 2 70l mm=

ENP

Nc ypos posx

h

b

3uposz

Ns,θ

A s,pos

0,85·fc,20 ºC

sØ

l1

l2

h2

, ,Rd s pos c posM N z N zθ θ+ = ⋅ = ⋅

, max, , max, ,20 º ,s s s pos sy C s posN f A k f Aθ θ θ= ⋅ = ⋅ ⋅

, 20º0,85c c C posN f y b= ⋅ ⋅ ⋅

3 0, 5pos posz h u y= − − ⋅ Diagrama elaborat d’acord amb la normativa Eurocodi 4 Part 1-2

E.T.S. Enginyeria Industrial de Barcelona (2002) Bartolomé Salom Serra Frederic Marimon Carvajal

27

3 MODELIZACI3 MODELIZACIÓÓN N AVANZADAAVANZADA


LOSA MIXTA LOSA MIXTA

Ejemplo de Nivel III

Distribución de temperaturas en una losa mixta después de una exposición de 60 minutos al fuego normalizado ISO-834

28

LOSA MIXTA LOSA MIXTA


Gracias por su atención

Frederic MarimonDr. Ingeniero IndustrialProfesor del Departamento de Resistencia de Materiales y Estructuras en la Ingeniería.E.T.S Ingenieros Industriales de BarcelonaUniversidad Politécnica de Catalunya

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