hormigón y fuego - associació de consultors d'estructures
TRANSCRIPT
Estructuras de
hormigón y fuegoMiquel Rodríguez Niedenführ-STATIC Ingenieria
INDICE
INDICE
Comportamiento de estructuras de hormigón
frente al fuego
Tratamiento según EHE.
Tratamiento según EN 1992-1-2
Comportamiento
de estructuras de
hormigón frente
al fuego
INTRODUCCIÓN
El hormigón es un material que presenta un buen
comportamiento frente a la acción del fuego ya
que es incombustible, no permite el paso del humo a través de el y provee un buen
aislamiento térmico.
El recubrimiento de la armadura previsto por
durabilidad ya provee de por si una protección
frente al fuego.
Debido a las secciones de hormigón y sus dimensiones son tal que ofrecen una buen aislamiento térmico al núcleo de la sección.
INTRODUCCIÓN
Además las estructuras de hormigón suelen ser
robustas y permiten el daño local sin
comprometer la integridad global de la estructura.
Aun así se hace necesario conocer el
comportamiento del hormigón frente al fuego
para garantizar una seguridad estructural en
situación de incendio adecuada.
INTRODUCCIÓN
Actualmente los campos de investigación de
estructuras sometidas al fuego son:
Propiedades térmicas de los materiales en función
de la temperatura.
Análisis del diagrama Momento-Curvatura en
función de la acción del fuego. Validación de los
modelos simplificados de sección reducida de
hormigón.
INTRODUCCIÓN
Modos de rotura durante y después del incendio.
Análisis de métodos no destructuvos para
establecer la capacidad del hormigón después del
incendio.
INTRODUCCIÓN
Ensayos a escala “grande” o real para analizar el
comportamiento estructuarl de los distintos
elementos.
INTRODUCCIÓN
Análisis de las uniones/conexiones en Estado Límite
Último.
Desarrollo de los códigos estructurales.
Existen varias curvas de fuego para simular su
acción.
La curva de fuego más utilizada es la
establecida en la ISO 834, la ASTM E119, la de
hidrocarburos, y la de fuego exterior.
INTRODUCCIÓN
Todas las curvas representan una relación
tiempo-temperatura creciente, y no presentan la
rama descendente de enfriamiento.
INTRODUCCIÓN
Todas las curvas representan una relación
tiempo-temperatura creciente, y no presentan la
rama descendente de enfriamiento.
Estas curvas no tienen en cuenta las condiciones
de ventilación, ni la carga de fuego, ni las
dimensiones del compartimiento.
La curva de fuego escogida es la que más se
adeque en cada situación.
Para edificación la más utlizada es la ISO 834 y la ASTM E119.
INTRODUCCIÓN
Las consecuencias de la aplicación del incendio
a una estructura de hormigón es que en un
primer lugar aumenta la temperatura y luego se “enfría”.
La calor se introduce en la estructura según los
siguientes mecanismos:
Cconvección debido al gas.
Radiación:
Debido al gas
Debido a la llama
Debido a otros elementos calentados.
INTRODUCCIÓN
Durante la fase de enfriamiento este se produce
por:
Convección al gas envolvente.
Radiación hacia otros elementos del
compartimiento, incluidas las cenizas.
Para elementos compartimentadores el calor
también se disipa por la cara no expuesta al
fuego que está a temperatura ambiente
(convección).
INTRODUCCIÓN
La distribución de temperaturas en una estructura sometida a fuego no es uniforme.
A lo largo del tiempo la distribución de temperaturas va variando de forma considerable en cada punto del elemento.
En elementos metálicos la distribución es másuniforme debido a que la conductividad térmicadel acero es de 45 W/mK, y la del hormigón 2 W/mK.
Además debido a la masividad de las secciones de hormigón la distribución de temperatura es variable de por si.
INTRODUCCIÓN
La variación de temperaturas dentro de una sección dependen de:
El incremento de la temperatura a lo largo del tiempo. A mayor crecimiento de temperatura mayor son las diferencias interiores. (por ejemplo la curva de hidrocarburos genera mayores diferenciasque la ISO 834).
La severidad del incendio (a mayor tiempo mayordiferencia de temperaturas).
La forma de la sección.
Las propiedades térmicas del hormigón. Áridocalcáreo tiene menor conductividad que el silíceo. El hormigón ligero aun tiene ménos conductividad.
INTRODUCCIÓN
La primera consecuencia del calentamiento del
hormigón es la variación de sus caractarísticas
mecánicas. Se reduce la resistencia y la rigidez.
Otra consecuencia es la elongación del material
que genera nuevas tensiones en el elemento.
Aunque el elemento no tenga el movimiento
impedido al ser la distribución de temperatura
no uniforme ya se generan tensiones internas
debido a la acción térmica.
INTRODUCCIÓN
Los fenómenos que se pueden producir por la
acción del fuego son:
SPALLING: pérdida del recubrimiento del hormigón
debido a gradientes térmicos importantes en el
paramento del hormigón.
ELONGACION: Los elementos en función del calor
recibido tendrán elongaciones.
DEFORMACIONES DIFERENCIALES: piezas que
reciben calor de forma no uniforme se mueven de
forma desigual generando curvaturas.
MATERIALES
La resistencia a la compresión se ve reducida.
MATERIALES
El módulo de elasticidad se ve reducido.
MATERIALES
El límite elástico del acero se ve reducido, sobre
todo el de la armadura activa.
El módulo de elasticidad del acero se ve
reducido por el incremento de temperatura.
La adherencia hormigón-acero también se ve
afectada por el incremento de temperatura.
ANALISIS
Se podrá hacer un análisis general teniendo en cuenta la distribución de temperaturas, las propiedades del material, y las acciones en situación accidental.
Se puede hacer un análisis seccional medianteel método de la isoterma 500 o método de las zonas.
Se puede hacer un análisis mediante tablas.
El método de la isoterma ofrece resultadoscorrectos para flexión pura. Par flexo-compresiónno tanto.
ANALISIS
Para grandes excentricidades el método de la
Isoterma 500 es muy conservador.
Para altas temperaturas el método de la
isoterma puede estar del lado de la inseguridad.
Tratamiento
según EHE
INTRODUCCIÓN
La EHE aborda el comportamiento de las
estructuras frente al fuego en el anejo 6.
El objetivo del anejo es ofrecer una serie de
recomendaciones de aplicación a estructuras
de hormigón estructural que deben cumplir:
Evitar colapso prematuro de la estructura (función
portante)
Limitar la propagación del fuego (función
separadora)
INTRODUCCIÓN
El anejo presenta métodos simplificados y tablasque están del lado de la seguridad. Son condiciónsuficiente no necesaria. Son métodos que tienen en cuenta los problemas seccionales derivados de la acción del fuego.
Se acepta aplicar metodos más avanzados inclusoexperimentales.
La acción del fuego considerada es según la curvanormalizada tiempo-temperatura especificada en la UNE-EN 1363-1.
Se pueden adoptar otros modelos de fuego segúnestablece UNE-EN 1991-1-2
INTRODUCCIÓN
Estructuras laminares como aquellas con
pretensado exterior no se podrán comprobar
con métodos simplificados.
Hormigones de clase superior a HA-80 quedan
excluidos.
En estructuras que trabajan por forma el efecto
de las deformaciones impuestas por causas
térmicas son fundamentales y no están
contempladas en los métodos simplificados. Por eso es necesario un análisis especial
Anejo 6 - EHE
Se considera que la resistencia al fuego de una
estructura es la capacidad para mantener
durante un periodo de tiempo determinado la función portante, así como la función
separadora (aislamiento e integridad).
La resistencia se comprueba con la curva
normalizada tiempo-temperatura especificada
en la UNE-EN 1363-1.
La resistencia al fuego se especifica en minutos. Los intevalos habituales son: 30-60-90-120-180-240
Anejo 6 - EHE
El comportamiento frente al fuego de una
estructura se puede clasificar según tres criterios:
R: Capacidad portante.
E: Estanqueidad al paso de llamas y gases calientes.
I: Aislamiento térmico en caso de fuego.
Bases de cálculo
Los esfuerzos obtenidos por la acción del fuego
se obtienen considerando la combinación de
acciones correspondiente a la situación accidental:
Los coeficientes parciales de seguridad de los
materiales es de 1.0
Bases de cálculo
Se puede evitar considerar la combinación
accidental utilizando el factor de reducción:
Métodos de comprobación
Método general teniendo en cuenta los efectosde la acción del fuego considerando el efectofísico.
Se debe considerar las propiedades del material en función de la temperatura.
Se debe considerar la distribución de la temperatura en la estructura.
Se considerará la rigidez de la estructura y las condiciones de contorno para obtener los efectos de las dilataciones y deformacionestérmicas.
Métodos de comprobación
Métodos simplificados se pueden utilizar siempre
que proporcionen resultados equivalentes o del
lado de la seguridad con respecto al método general.
Los métodos simplificados son una
comprobación de los ELU considerando los
elementos estructurales de forma aislada.
Los métodos simplificados desprecian los efectos
de las acciones indirectas (dilataciones, deformaciones, etc)
Métodos de comprobación
Existen dos métodos simplificados:
Método de tablas.
Método de la Isoterma 500ºC
Métodos de tablas
Se realizan una serie de comprobaciones
dimensionales de la sección transversal y los
recubrimientos mecánicos.
Se deberá calcular un recubrimiento
equivalente:
Métodos de tablas
Se deberá corregir el recubrimiento equivalente
en función de la temperatura y el tipo de
armado:
Métodos de tablas
Coeficiente de sobredimensionado:
De forma simplificada se puede consierar un
coeficiente de sobredimensionado de 0,5 de forma general y 0,6 para zonas de almacén.
Métodos de tablas
Las tablas se han considerado para áridos de
tipo silíceo.
Si se utilizan hormigones con áridos calcáreos se
pueden reducir ciertas dimensiones:
Métodos de tablas
Con hormigones con contenido de sílice inferior al 6% y hormigones de clase H-50 a H-80 se debenaumentar los siguientes valores:
En zonas con recubrimientos superiores a 50mm se deberá añadir una armadura adicional para evitar desprendimientos de hormigón colocando una malla de separaciones inferiores a 150mm en los dos sentidos.
Métodos de tablas-Pilares
Pilares expuestos por tres o cuatro caras:
Métodos de tablas-Muros
Muros expuestos por una o dos caras:
Métodos de tablas-Tirantes
Elementos a tracción:
Métodos de tablas-Vigas
Vigas expuestas a las tres caras:
Métodos de tablas-Losas
Losas expuestas a una cara:
Métodos de tablas-Forjados
reticulares
Forjados reticulares expuestos a una cara:
Métodos de tablas-Forjados
reticulares
Forjados reticulares expuestos a una cara (CTE):
Métodos de tablas-Forjados
reticulares
Par forjados con entrevigado de hormigón o
cerámico y revestimiento inferior se puede
considerar la tabla de losas macizas.
Métodos de tablas-Forjados
unidireccionales
Par forjados con entrevigado de hormigón o
cerámico y revestimiento inferior se puede
considerar la tabla de losas macizas.
Para forjados sin recubrimiento inferior o
entrevigado cerámico se deberá considerar la
tabla de vigas expuestas a tres caras.
Métodos de tablas-Capas
protectoras
Se puede alcanzar la resistencia al fuego
aplicando capas protectoras adicionales.
La resistencia de dichas capas se establece
según la norma UNE-ENV 13381-3
Si se realiza una capa protectora con mortero
de yeso se puede considerar 1.8veces el espesor
de hormigón equivalente.
Método de la isoterma 500
Para elementos de hormigón armado y
pretensado y resistencia del hormigón igual o
inferior a 50 MPa se puede aplicar el método de la isoterma 500.
Se deberán cumplir unas dimensiones mínimas:
Método de la isoterma 500
Capacidad portante:
Se establece el equilibrio seccional con las hipótesisde la EHE.
Se considera la sección de hormigón reducidaaquella parte de la sección con la temperatura del hormigón inferior a 500ºC. Las propiedades del hormigón sonlas mismas que a temperatura ambiente.
Las propiedades de la armadura se consideran en función de la temperatura que alcanzan.
Método de la isoterma 500
Propiedades de la armadura:
Se consideran todas las armaduras, incluso las que
están fuera de la sección reducida de hormigón.
Método de la isoterma 500
La distribución de temperaturas en la sección de
hormigón se puede establecer mediante unas
tablas o mediante el método de los elementos finitos.
La EHE presenta unas gráficas con la distribución
de temperaturas.
El árido considerado en las gráficas de isotermas
es de tipo siliceo.
Para hacer un análisis más ajustado de la distribución de temperaturas se debe utilizar MEF.
Método de la isoterma 500
Método de la isoterma 500 Con el Método de los Elementos Finitos se puede
particularizar el tipo de material (sobre todo el árido del hormigón) y ajustar la sección a formasaleatorias.
Se pueden analizar secciones con distintosmateriales.
Hay herramientas gratuitas como SAFIR y diamond, que con ciertas limitaciones permiten analizarsecciones “complejas” y su distribución de armaduras. Luego con programas como INCA2 se pueden analizar secciones de hormigóncualquiera, incluso con armadura fuera de la sección.
Método de la isoterma 500
Método de la isoterma 500
Método de la isoterma 500
Método de la isoterma 500
Método de la isoterma 500
Tratamiento
según EC-2
EUROCODIGOS
Para utilizar los eurocódigos para analizar la
resistencia al fuego de las estructuras de
hormigón será necesario considerar distintos documentos:
EN 1991-1-2: Acciones sobre estructuras sometidas a
fuego
EN 1992-1-2: Diseño de estructuras de hormigón
sometidas a la acción del fuego
EUROCODIGOS-EN 1991-1-2
Establece las bases de cálculo para considerar
las acciones.
Como la EHE define que se consdiera por
resistencia al fuego.
EUROCODIGOS-EN 1991-1-2
El análisis estructural de la acción del fuegocomporta:
Determinación de la curva temperatura-tiempo.
Determinar la distribución de temperatura en la estructura a lo largo del tiempo.
Obtener el comportamiento mecánico de la estructura en función de la temperatura.
Habrá que hacer un análisis mecánico y otrotérmico.
La acción del fuego se clasifica como accidental.
EUROCODIGOS-EN 1991-1-2
Se presentan las bases de cálculo para obtener
distintas curvas de tiempo-temperatura (exterior,
hidrocarburos, etc.).
El documento es el que se utilizará para realizar
un análisis general de la acción del fuego.
Establece distribución de fuego en el
exterior,etc...
EUROCODIGOS-EN 1992-1-2
Este documento equivale al anejo 6 de la EHE.
Al igual que la EHE el documento excluye estructuras laminares y estructuras con
pretensado exterior.
Este documento cubre hasta hormigones de
clase H-90 (en lugar de H-80 como la EHE) y
tambíen es apto para hormigones ligeros de
hasta clase H-55.
Para hormigones de clase superior a H-50 se dan especificaciones especiales (al igual que la EHE).
EUROCODIGOS-EN 1992-1-2
Los eurocódigos establecen que la estructura
resistente al fuego debe tener capacidad
portante y aislante.
Las bases de cálculo son las mismas que las de la
EHE. Se considera la combinación accidental
para obtener los esfuerzos y se considera un
factor de seguridad la unidad para los
coeficientes de minoración del material.
EUROCODIGOS-EN 1992-1-2
Los eurocódigos establecen que la estructura
resistente al fuego debe tener capacidad
portante y aislante.
Las bases de cálculo son las mismas que las de la
EHE. Se considera la combinación accidental
para obtener los esfuerzos y se considera un
factor de seguridad la unidad para los
coeficientes de minoración del material.
Se podrán obtener los esfuerzos de forma simplificada:
EUROCODIGOS-EN 1992-1-2
Se puede realizar un análisis general
considerando las acciones y esfuerzos de la
situación accidental y con las propiedades de los materiales variables en función de la
temperatura.
EUROCODIGOS-EN 1992-1-2
EUROCODIGOS-EN 1992-1-2
EUROCODIGOS-EN 1992-1-2
Los métodos de análisis, como en la EHE pueden
ser:
Método general.
Métodos simplificados
Tablas
Isoterma 500
Método de las zonas
Los métodos por tablas son un poco más específicos que los de la EHE.
Métodos tablas
Métodos tablas
Métodos tablas
Métodos tablas
Métodos tablas
Métodos Isoterma 500
Presenta el mismo método que la EHE.
Se presentan gráficas de distribución de temperaturas.
Métodos Isoterma 500
Al igual que la EHE se analiza la sección de
hormigón reducida con temperatura inferior a
500ºC, las armaduras con la capacidad resistente en función de su temperatura, aunque
esten fuera de la sección de hormigón, y se
aplica equilibrio con las ecuaciones constitutivas
habituales.
Métodos Isoterma 500
Método de las zonas
Es un método similar al de la Isoterma 500 pero
más laborioso.
Se subdivide la sección en partes de igual
espesor y a cada una de ellas se le asigna la
capacidad estructural en función de su
temperatura.
Permite ajustar el cálculo realizado con la
Isoterma 500.
Método de las zonas