reaccion al fuego madera

CURSO CONSTRUCIÓN EN MADEIRA CÁLCULO ESTRUTURAS

23-24 Outubro 20086-7 Novembro 2008

Título: Comprobación a lume

Ponente: Azahara Soilán Cañás

Organismo/Empresa: CIS Madeira

COMPORTAMIENTO DE LA MADERA FRENTE A FUEGO

UNE 13501: Clasificación en función del comportamiento frente al fuego de los productos de construcción y elementos para la edificación.

UNE EN 13501-1:2002 : Clasificación a partir de datos obtenidos en ensayos de reacción al fuego.

COMBUSTIBLE

Madera Celulosa + Lignina Carbono, hidrógeno y oxígeno

Clasificación general: A1, A2, B, C, D, E y FCasos de suelos: subíndice: FL (flooring)

D-s2, d0


Material combustible que no ha superado los valores exigidos para las clases anteriores

Producción de gotas o partículas en llamas: nula

Producción de humo: media

A1 (piedra y hormigón): M0A2 (yeso): M0B (madera impregnada con productos ignífugos): M1/M2C (pared cubierta con tableros derivados de la madera): M3D (Madera y tableros derivados sin tratamiento ignífugo): M3/M4E (tableros de fibras de baja densidad): M4F (algunos plásticos): -

Reacción al fuego: Equivalencias aproximadas UNE 23727 y Euroclases UNE-EN 13501

Reacción al fuego de madera maciza

La capa carbonizada actúa de aislante y mantiene el interior de la pieza frío, conservando sus propiedades físico mecánicas constantes.

La pérdida de capacidad portante de la madera se debe a la reducción de la sección.

Factores desfavorables en el comportamiento a fuego:

- Alta relación superficie/volumen.

- Aristas vivas y secciones con partes estrechas.

- Madera con fendas.

- Densidad baja de madera.

Zona intacta: parte de la madera que conserva intactas sus propiedades de resistencia.

Zona de pirólisis: parte de la madera cuyas propiedades se ven afectadas por el efecto de la temperatura.

Zona carbonizada: parte de la madera que ha perdido su capacidad resistente y actúa como aislante.


Hipótesis implícitas en el método:

-Se analizan elementos estructurales individualmente.

-Las condiciones de contorno y apoyo iguales a las iniciales.

-En elementos de madera no es necesario considerar dilataciones térmicas.

Este método se basa en las siguientes consideraciones:

-Los valores de resistencia de cálculo y rigidez se consideran constantes durante el incendio.

-Kmod en situación de incendio se considera igual a la unidad.

-Una sección reducida de madera.

Método de cálculo propuesto en el CTE

Método de la sección reducida


Sección reducida: resultado de eliminar de la sección inicial la profundidad eficaz de carbonización, def, en las caras expuestas, alcanzada durante el periodo de tiempo considerado.

tch: tiempo de inicio de carbonización de superficies protegidas

dchar,n: profundidad carbonizada nominal de cálculo

d0: de valor 7 mm

K0: Para superficies no protegidas:t≥20 min K0=1t<20 min K0=t/20

Para superficies protegidas:

tch≤20 min K0=t/20tch≥20min t=0 K0=0

t≥tch K0=1


Resistencia al fuego de los elementos principales estructurales



Profundidad carbonizada

Se considerarán superficies expuestas a fuego y los elementos protegidos cuando el tiempo de carbonización sea menor que el tiempo de exposición al fuego considerado.

Profundidad de carbonización nominal de cálculo dchar,n: distancia entre la superficie exterior de la sección inicial y la línea que define el frente de carbonización.

dchar,n= βnt

βn: velocidad de carbonización nominal

t: tiempo de exposición al fuego

Madera sin protección


Frondosa Conífera

Resultado de ensayo a fuego:

Idéntica sección de partida

Idéntica duración de incendio

- 1 muestra conífera

- 1 muestra frondosa


Estimación de sección reducida en vigas sin protección en tres de sus cuatro caras.Vigas principales de forjado de madera maciza de conífera de densidad media 420 kg/m3 (C24) y de 200x320 mm de sección. Uso residencial vivienda (60 minutos de resistencia a fuego).

Profundidad eficaz de carbonización:

d0=7 mm

k0= 1 (t>20 min)

t= 60 min

βn=0,80 mm/min

def = dchar,n + k0·d0

dchar,n = βn·t

h=320 mm

b=200 mm

hef

bef

COMPORTAMIENTO DE LA MADERA FRENTE A FUEGO: EJEMPLO

mm 557·148 =+=efd

d0=7 mm

k0= 1 (t>20 min)

t= 60 min

βn=0,80 mm/min

Profundidad eficaz de carbonización:

def = dchar,n + k0·d0

dchar,n = βn·t

mm 480,80·60 d nchar, ==

h=320 mm

b=200 mm

hef

bef

hef = h - def = 320 – 55 = 265 mm

bef = b – 2·def = 200 – 2·55 = 90 mm

Sección reducida tras 60 min de fuego:

90x265 mm



Madera con protección

Para elementos protegidos la velocidad de carbonización varía durante el tiempo de exposición al fuego, debiendo considerarse los siguientes casos:

a) Inicio de carbonización por fallo de la protección:

1ª fase: Inicio de carbonización en el momento del fallo de la protección (tf).

2ª fase: A partir de tf la velocidad de carbonización será 2βn (para madera sin protección) hasta que se alcance una profundidad de carbonización igual al menor de los siguientes valores:

- 2 tf

-(25/ 2βn) + tf

3ª fase: A partir de ese momento la velocidad de carbonización nominal será igual a la de la madera sin protección.

ta

0 tf

0ta t

2βn βn

b) Inicio de carbonización antes del fallo de la protección:

1ª fase: Hasta que se inicia la carbonización del elemento tch.

2 ª fase: Desde tch hasta fallo de la protección, tf, se considerará como velocidad de carbonización la de la madera sin protección multiplicada por un coeficiente reductor k2 función del tipo de protector.

3ª fase: A partir de tf la velocidad de carbonización será 2β0 (para madera sin protección) hasta que se alcance una profundidad de carbonización igual al siguiente valor:

4ª fase: A partir de ese momento la velocidad de carbonización nominal será igual a la de la madera sin protección.

fn

nchfa t

kttt +

−−=

ββ

2

)·(25 2

0 tch0

ta tk2βn βn

tf

2βn

Mantas de lana de roca e≥20 mm y densidad ≥26 kg/m3 que mantenga cohesión hasta 1000 ºC se pueden tomar los valores de k2 de la tabla (interpolando para valores intermedios):

COMPORTAMIENTO DE LA MADERA FRENTE A FUEGO: MADERA CON PROTECCIÓN

Lf,req = hp + dchar,n + la

Para casos no especificados en el CTE, el tiempo de inicio de carbonización del elemento tch, el tiempo de fallo del revestimiento tf o la velocidad de carbonización para las distintas fases, deberán determinarse experimentalmente.

Tiempos de fallo de revestimientos de protección

Motivos del fallo: a) Carbonización o degradación del material de revestimiento.

Con tableros derivados de madera y tableros de madera maciza:

tiempo de fallo tf t ch inicio de carbonización del elemento protegido

b) Insuficiente longitud de elementos de fijación.

Longitud requerida:

hp: espesor del tablero

c) Separación o distancias inadecuadas de los elementos de fijación.

Longitud mínima de penetración: 10 mm

Profundidad de carbonización del elemento de madera


Inicio de la carbonización

1) Tableros de madera maciza o derivados de madera:

0βp

ch

ht =

Espesor del tablero, en caso de varias capas el espesor total (mm)

Para densidad de tablero de 450 kg/m3 y para espesor 20 mm:

Para valores distintos de espesor y densidad:

donde

Densidad característica kg/m3

Espesor del tablero en mm


2) Muros o forjados con tableros unidos a un entramado de madera:

Espesor del tablero en mm

Velocidad de carbonización básica de cálculo (mm/min)

3) Mantas de lana de roca e≥20 mm y densidad ≥26 kg/m3 que mantenga cohesión hasta 1000 ºC:

Densidad del material aislante en kg/mm3

Espesor del material aislante en mm


1. Puede despreciarse la compresión perpendicular a la fibra

2. En secciones rectangulares y circulares macizas puede despreciarse el cortante.

3. Se deberá comprobar que no se produce el fallo del arriostramiento en situación de exposición a fuego.

4. Se considera que no se produce el fallo del arriostramiento cuando el ancho y la sección son al menos el 60 % de lo requerido en situación normal, siempre y cuando la fijación se realice con clavos, tirafondos, pasadores o pernos.

Vigas:

1. Comprobar estabilidad frente a vuelco lateral sin arriostramiento.

2. En entalladuras la sección residual será al menos el 60 % de la requerida en situación normal.

Soportes:

1. Comprobar estabilidad frente a pandeo en caso de fallo de arriostramiento.

2. En estructuras arriostradas y si el incendio no abarca más de una planta:

Longitud pandeo: - 0,5 de la altura entre plantas intermedias

- 0,7 de la altura de la última planta.

REGLAS SIMPLIFICADAS PARA EL CÁLCULO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES

1. Valores de cálculo de las propiedades del material

kmod: en situación de incendio su valor es 1.kf: coeficiente que permite transformar el valor característico de una propiedad en su valor medio.

kf: 1,25 para madera macizakf: 1,15 para madera laminada encolada y derivados de la madera.

Xk:valor característico de la propiedad del material.γM: coeficiente de seguridad del material.

M

kfid

XkkXγ

··mod=

BASES DE CÁLCULO EN SITUACIÓN DE INCENDIO

2. Valores de cálculo de las acciones

Para situación extraordinaria:

∑∑>≥

++1

,,21

1,1,1, ··i

ikij

kjk QQG ψψSimplificando en caso de incendio:



he =265 mm

bef=90 mm

Comprobación de la resistencia a fuego de vigas principales de forjado de sección residual de 90x265 mm de madera de clase resistente C24. Uso residencial vivienda, con los momentos flectores.

H1: Momento generado por carga permanente: 13.730.000 N·mm

H2: Momento generado por sobrecarga de uso: 13.500.000 N·mm

M

km,fmoddm, γ

f··kkf =

kmod=1

kf = 1,25

fm,k = 24 N/mm2

γM = 1

2dm, N/mm 30

124·25,1·1f ==

Comprobación a flexión

Valor de resistencia de cálculo

Tensión de cálculo a flexión para Combinación 2:

∑≥

+1

1,1,1, ·j

kjk QG ψ



he =265 mm

bef=90 mm

M

km,fmoddm, γ

f··kkf =

kmod=1

kf = 1,25

fm,k = 24 N/mm2

γM = 1

2dm, N/mm 30

124·25,1·1f ==

Comprobación a flexión

Valor de resistencia de cálculo

Momento de cálculo para Combinación 2:

N·mm20.480.000.0000,5·13.50013.730.000·QψG1j

k,11,1jk, =+=∑ +≥

My,d = 20.480.000 N·mm

Comprobación de la resistencia a fuego de vigas principales de forjado de sección residual de 90x265 mm de madera de clase resistente C24. Uso residencial vivienda, con los momentos flectores.

H1: Momento generado por carga permanente: 13.730.000 N·mm

H2: Momento generado por sobrecarga de uso: 13.500.000 N·mm


2

y

dy,dy,m, N/mm 19,44

1.053.375

20.480.000

W

Mσ ===

322

rry mm 1.053.375

6

90·265

6

·hbW ===

172,030·9,044,19

f·k d,mcrit

d,m ≤==σ

Para la sección residual kcrit = 0,9


1. UNIONES CON PIEZAS LATERALES DE MADERA

1. a) Uniones no protegidas

Para pasadores, clavos o tirafondos en los que no sobresalga la cabeza de la superficie pueden suponerse resistencias al fuego superiores cuando se incremente el espesor, la longitud y el ancho de las piezas laterales, así como distancias a la testa y a los bordes desde los elementos de fijación, una cantidad afi.

βn: velocidad de carbonización nominal

Kflux: coeficiente de flujo de calor. Puede tomarse 1,5.

treq: tiempo requerido de resistencia a fuego (<30 min).

tfi,d: tiempo de resistencia de la unión según tabla.

COMPORTAMIENTO FRENTE A FUEGO: UNIONES

Tomado de Estructuras de madera. Diseño y cálculo. R. Argüelles, F. Arriaga, J.J.Martínez.



1. b) Uniones protegidas

tch≥t req – 0,5·tfi,d tch: tiempo en el que se inicia la carbonización

treq: tiempo requerido para una exposición a fuego normalizado

tfi,d : tiempo de resistencia de la unión sin proteger

Unión protegida con tablero de madera o derivado de madera debe cumplir la condición:

Protección de la cabeza de los pernos con elementos de espesor afi:

Unión protegida con tapones o parches encolados. El espesor del parche se determinará por la expresión anterior:

La protección con tableros derivados de madera debe permanecer en su posición hasta que alcance el tiempo requerido de inicio de la carbonización del elemento protegido.



Uniones con clavos o tirafondos:

Distancia entre elementos de fijación al menos 100 mm a lo largo de los bordes de la pieza y de la menos 300 mm en las líneas interiores.

La distancia a los bordes desde los elementos de fijación debe ser como mínimo afi.

La profundidad de penetración en el elemento protegido de los elementos de fijación debe ser al menos igual a 6d.




afi




1. c) Uniones con placas de acero en el interior.

Placas de acero centrales con espesor ≥ 2 mm que no sobresalgan de la pieza de madera, el ancho bst debe cumplir las condiciones de la tabla:

Placas de acero con ancho menor que las piezas de madera pueden considerarse protegidas en los siguientes casos:

Espesor chapa ≤ 3 mm: dg> 20 mm R30

dg> 60 mm R60

Uniones con filetes encolados o tableros:

dg ó hp> 10 mm R30

dg ó hp> 30 mm R60



Uniones no protegidas: capacidad resistente según Anejo D: Resistencia al fuego de los elementos de acero

Uniones protegidas: aquellas recubiertas por madera o productos derivados con espesor mínimo igual a afi con tfi,d = 5 min.

3. TIRAFONDOS SOMETIDOS A CARGA AXIAL

-Tirafondos sometidos a carga axial y protegidos de la exposición directa al fuego.

-La capacidad resistente en caso de incendio se obtiene mediante un coeficiente reductor (factor de conversión η) que afecta a la capacidad resistente en situación normal.

2. UNIONES CON PLACAS DE ACERO AL EXTERIOR


d1,d2 y d3: distancias en mm

Si d2 ≥ d1+ 40 y d3 ≥ d1+20

tfi,d: tiempo requerido de resistencia a fuego en minutos.

Si d2 = d1+ 40 y d3 ≥ d1+20 mm

El factor de conversión η puede calcularse con las fórmulas anteriores sustituyendo tfi,d por 1,25·tfi,d

3. TIRAFONDOS SOMETIDOS A CARGA AXIAL


Muros y forjados -Separación entre ejes de montantes y viguetas de forjado ≤ 625 mm

-En muros, los paneles deben tener un espesor mínimo (t p, min):

tp,min= max lp: Separación entre las piezas del entramado

- En elementos constructivos con una sola capa en cada lado, los tableros deberán tener una densidad mínima de 350 kg/m3.

870

pl

Los tableros deben fijarse al entramado.

Separación máx entre clavos 150 mm y entre tirafondos 250 mm.

Profundidad mínima de penetración 8d para tableros portantes y 6d para no portantes.

Cantos de los tableros con holgura máxima de 1 mm, fijados al entramado en dos bordes opuestos. Para capas múltiples se aplicará a la capa externa.

En capas múltiples las juntas deben desfasarse ≥ 60 mm. Cada panel se fijará de manera individual.

Detalles de uniones de tableros

DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS

Tableros fijados directamente al elemento al que protegen.

Con varias capas, cada capa debe fijarse individualmente y las juntas deben desfasarse al menos 60 mm.

Separación entre elementos de fijación menor o igual que:

- 200 mm

- 17·hp (espesor del tablero)

Profundidad de penetración:

- 8d para paneles portantes

- 6d para paneles no portantes

Distancia a borde:

Min (1,5 hp ó 15 mm) ≤ Distancia a borde ≤ 3 hp (espesor de tablero)

min


Imágenes Manuel Guaita


Imágenes Manuel Guaita


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