Comportamiento frente al fuego de sistemas de forjado colaborante de acero

Investigación numérica del método de cálculo simplificadoEne. 2011

2Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

• Objetivos del estudio paramétrico • Propiedades del estudio paramétrico

– Tamaño de red del forjado– Niveles de carga– Condiciones de unión ente forjado y columnas de acero– Grado de resistencia al fuego: R30, R60, R90 y R120

• Análisis por elementos finitos– Modelo numérico del panel de forjado– Propiedades termo-mecánicas de materiales empleados en AEF

• Validación del modelo numérico – Análisis térmicos– Análisis estructurales

• Efecto de continuidad en el límite del panel• Resultados del estudio paramétrico

– Flecha del forjado– Capacidad de elongación de las barras de armadura

• Conclusión

Contenido de la presentación

3Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Objetivos del estudio paramétrico Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

• Antecedentes– Ensayo FRACOF de fuego estándar a gran escala

• Excelente comportamiento frente al fuego de los sistemas de forjado colaborante (con efecto tensil de membrana)

• Máx θ del acero ≈ 1000 °C, duración del fuego > 120 min

• Detalles de construcción en Francia • Flecha ≈ 450 mm

• Objetivo– Comprobación del método de cálculo simplificado en

todo su ámbito de aplicación total (usando modelos de cálculo avanzados)

• Límite de flecha del forjado• Elongación del acero de armadura

4Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

6 m x 6 m 6 m x 9 m 9 m x 9 m 6 m x 12 m 9 m x 12 m

Vigas principalesVigas secundarias protegidas

Vigas intermedias desprotegidas

7,5 m x 15 m 9 m x 15 m

• Tamaño de red del forjado

Propiedades del estudio paramétrico (1/3)Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

Combinación de carga según EC0 en situación de fuego en edificios de oficinas:G (Carga muerta) + 0,5 Q (Carga aplicada) G= Peso propio + 1,25 kN/m²Q= 2,5 & 5 kN/m²

• Niveles de carga

5Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

• Condiciones de unión ente el forjado y las columnas de acero

Propiedades del estudio paramétrico (2/3)Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

Panel de forjado

Panel de forjado

ColumnaColumna

Con unión mecánica entre forjado y columnas

Sin unión mecánica entre forjado y columnas

6Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

• Grado de resistencia al fuego: R30, R60, R90 y R120

Propiedades del estudio paramétrico (3/3)Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

0

200

400

600

800

1000

1200

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Tempe

rature [°C]

Time [min]

R30

R120R90

R60

Calentamiento de las vigas de contorno (Máx.

550 °C)

7Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Modelo de elementos finitos

• Modelo híbrido basado en varios tipos de elementos finitos con código computacional ANSYS

Beam24 : viga de acero, cubierta de acero, y nervadura de hormigón

PIPE16 (elemento uniaxial 6 GL): conexión entre viga y forjado de hormigón

BEAM24 : columna de acero

SHELL91 ( multicapa 6 GL): parte sólida de forjado de hormigón

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

8Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Propiedades del panel de forjado

• Vigas S235• Cubierta de acero trapezoidal COFRAPLUS60 (0,75 mm de

espesor) • Hormigón de peso normal C30/37• Malla de armadura S500• Posición media de la malla (desde la parte superior) = 45 mm

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

58 m

m 101mm 107 mm

62 mm

120 mm (R30)130 mm (R60)140 mm (R90)150 mm (R120)

9Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Propiedades termo-mecánicas (1/2)

• Propiedades termo-mecánicas del acero:

– Propiedades termo-mecánicas del EC4-1.2– Masa unitaria independiente de la temperatura (ρa = 7850 kg/m3)– Relaciones tensión-deformación:

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2

Stre

ss [M

Pa]

Strain [%]

20 °C

100 °C

200 °C

300 °C

400 °C

500 °C

600 °C

700 °C

800 °C

900 °C

1000 °C

1100 °C

1200 °C

10Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Propiedades termo-mecánicas (2/2)

• Propiedades termo-mecánicas del hormigón:

– Propiedades termo-mecánicas del EC4-1.2– Masa unitaria en función de la temperatura según EC4-1.2– Criterio de fluencia de Drucker-Prager– Factores de reducción por compresión de EC4-1.2:

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

0 200 400 600 800 1000 1200

Temperature [ C]

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

11Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Validación del modelo numérico (1/2)

• Comparación con el ensayo frente al fuego (análisis de transferencia de calor)

Vigas de acero desprotegidas Vigas secundarias protegidas

Vigas principales protegidas Forjado colaborante

ABC

ABC

ABC

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo

numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

FB

ACD

E

12Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Validación del modelo numérico (2/2)

• Comparación con el ensayo frente al fuego (flecha)

0

100

200

300

400

500

0 15 30 45 60 75 90 105 120Time (min)

Dis

plac

emen

t (m

m)

Mid-span of unprotected

central

Mid-span of protected edge

secondary beamsMid-span of protected

primary beams

Central part of the floor

Test Simulation

Curva deformada simulada del forjado

tras el ensayo

Comparación de la flecha (forjado y vigas)

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo

numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

13Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Efecto de las condiciones de contorno

CORNER

CORNER

9 m

9 m

9 m 9 m

S2S1

S3 S4

Condiciones restrictivas

S2S1

S3 S4

• Conclusión– Predicción de una flecha más importante en la red de la

esquina, con 2 bordes continuos, más que en otras 3 redes con 3 ó 4 bordes continuos.

Red estructural de un edificio real Modelo ANSYS

Objetivos

Propiedades del

estudio paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio paramétrico

Conclusión

14Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Propiedades del estudio paramétrico (1/4)

Uns

afe

Safe

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

SDM

lim

it [m

m]

Advanced numerical model [mm]

R 30 R 60 R 90 R 120

Con unión mecánica entre forjado y columnas en cálculos avanzados

• Comparación de la flecha de AEF con la flecha máxima admisible según el MCS (método de cálculo simplificado)

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

15Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Propiedades del estudio paramétrico (2/4)

Sin unión mecánica entre forjado y columnas en cálculos avanzados

• Comparación de la flecha de AEF con la flecha máxima admisible según el MCS (método de cálculo simplificado)

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

SDM

lim

it [m

m]

Advanced numerical model [mm]

R 30 R 60 R 90 R 120

Uns

afe

Safe

10%

16Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Propiedades del estudio paramétrico (3/4)

• Comparación del tiempo en el que la flecha de AEF alcanza la luz 30 con la resistencia al fuego según el MCS (método de cálculo simplificado)

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

1

2

3

0,5 2,5 4,5 6,5 8,5 10,5 12,5 14,5

R 30

R 60

R 90

R 120

9m x 9m6m x 6m 6m x 9m 6m x 12m 9m x 12m

t Spa

n/30

/ tFi

re R

esis

tanc

e

9m x 15m7.5m x 15m

• Conclusión– No se alcanza el criterio de luz 30 en AEF en el tiempo de

resistencia frente el fuego según la predicción del MCS

17Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

0%

1%

2%

3%

4%

5%

0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5

R 30 R 60 R 90 R 120

9m x 12m6m x 12m9m x 9m6m x 9m6m x 6m 7.5m x 15m 9m x 15m

Def

orm

ació

n m

ecán

ica

máx

. del

ace

ro d

e ar

mad

ura

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

Propiedades del estudio paramétrico (4/4)

• Capacidad de elongación de las barras de armadura

• Conclusión– Elongación del acero de armadura < 5 % = capacidad mínima

de elongación admisible según EC4-1.2.

18Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

Conclusión

• El método de cálculo simplificado - MCS resulta seguro en vista de los resultados del cálculo avanzado

• Con respecto a la elongación de la malla de acero de armadura, por regla general permanece por debajo del 5 %.

• Las uniones mecánicas entre el forjado y las columnas pueden reducir la flecha de un sistema de forjado colaborante en una situación de incendio, pero no son necesarias como detalle de construcción.

• El MCS es capaz de predecir con seguridad el comportamiento estructural del forjado colaborante de acero y hormigón sometido a un fuego estándar.