RESISTENCIA A FUEGO EN ESTRUCTURAS DE ACERO Y HORMIGÓN ARMADO. DISPOSICIONES REGLAMENTARIAS

Ripani, Marianela1; Folino, Paula1; Xargay, Hernán1,2

Dr, Ing. Civil; Dr. Ing. Civil; Esp. Ing. Civil 1Laboratorio de Métodos numéricos en ingeniería (LMNI). Laboratorio de Materiales y

Estructuras (LAME). Facultad de Ingeniería UBA (FIUBA). INTECIN-CONICET. 2Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA).

E-mail: mripani@fi.uba.ar

RESUMEN

La respuesta estructural frente a un incendio constituye un aspecto critico que debiese tenerse en cuenta en el diseño de toda obra de ingeniería civil. En el caso de un siniestro, se debe procurar la estabilidad de la estructura durante un periodo de tiempo razonable, en el que pueda llevarse a cabo la evacuación de las personas. Existen diversos métodos para el análisis de las estructuras en situación de incendio, cuya complejidad va desde la aplicación de curvas de fuego estándar en simples elementos estructurales, hasta la modelación numérica de estructuras reales por medio de herramientas computacionales capaces de resolver el problema de la dinámica de los fluidos. En cuanto a reglamentaciones, existen diversas normas europeas y americanas dedicadas al respecto. Tal es el caso particular del Eurocodigo, que presenta un enfoque más orientado al desempeño estructural, y el ACI en conjunto con la AISC que tienen una orientación más prescriptiva del diseño frente a fuego. En este trabajo se presentan los aspectos principales de las normas citadas, comparándose, además, con aquellas disposiciones presentadas por el CIRSOC 2005.

ABSTRACT

Fire protection is a fundamental issue of structural design in civil engineering. In case of an accident, the stability of the structure must be ensured for a reasonable period of time, in which the evacuation of people can be carried out. There are several methods for structural design in a fire situation, the complexity of which ranges from the application of standard fire curves in simple structural elements to the numerical modeling of real structures by means of computational tools capable to solve the dynamics of fluids problem. Regarding regulations, there are various European and American standards dedicated to this topic. Such is the case of the Eurocode, which has a more structural performance-oriented approach, and the ACI in conjunction with AISC, which have a more prescriptive point of view of fire design. This paper presents the main aspects of the cited standards, also comparing them with those provisions presented by CIRSOC 2005.

INTRODUCCIÓN

La acción del fuego en las obras civiles es un fenómeno termo-fisico-mecánico que no debería ser pasado por alto en el diseño de ningún tipo de estructura. Si bien, el fuego o la exposición a altas temperaturas son acciones que, según el destino de la obra, probablemente no tengan lugar durante su vida útil, podrían desencadenar sucesos catastróficos en el caso de presentarse y de no haberse tomado los recaudos necesarios al momento del diseño. Como pauta general, una obra civil debe ser diseñada y construida de modo tal que, en caso de incendio, se mantenga estable durante un periodo de tiempo razonable [1, 2]. Esto tiene como principal objetivo mantener a salvo la vida de las personas, dándoles el tiempo necesario para abandonar el edificio o alejarse del siniestro. En obras civiles de gran envergadura, el diseño frente a fuego implica un concepto más amplio que el del diseño estructural, ya que se pone en juego un estudio multidisciplinario que es llevado a cabo por la ingeniería de protección contra incendios. En dicho estudio se contempla principalmente la prevención de los incendios, se planifican las vías de escape para el caso de siniestros, se diseñan los sistemas de detección, alarma y supresión del fuego, así como también, los sistemas de gestión de gases, de protección de los medios de escape y de los sistemas estructurales, entre otros [3]. En cuanto al estudio del desempeño estructural en condición de incendio, se deben determinar tres pilares fundamentales (1) las condiciones del incendio o caracterización del fuego; (2) la respuesta térmica de la estructura y los mecanismos de transferencia de calor; y (3) la respuesta mecánica de los elementos estructurales, antes y después de la degradación de los materiales con el aumento de la temperatura.

Existen diferentes enfoques para el diseño del incendio. Estos van desde los modelos más simples que se valen de curvas estandarizadas tiempo – temperatura, hasta los modelos más complejos que utilizan métodos computacionales para la resolución de las ecuaciones diferenciales de la dinámica de los fluidos. En la Figura 1 se muestra un resumen de los métodos más utilizados para la caracterización de un incendio. Dentro de los métodos mencionados, la relación tiempo – temperatura dada por la norma ISO-834 [4] es la curva más frecuentemente adoptada en el campo reglamentario.

Figura 1. Métodos de caracterización de un incendio.

Teniendo en cuenta que el acero posee una conductividad térmica elevada, en comparación con el hormigón, y que en general los elementos estructurales de acero poseen secciones transversales delgadas, es posible considerar que el perfil térmico en dichas secciones transversales es homogéneo. En estructuras de hormigón, esta simplificación no es posible, ya que, debido a la baja conductividad térmica del material y al volumen de los elementos estructurales, se pueden evidenciar considerables gradientes de temperatura en las secciones transversales. Dichos gradientes térmicos, generalmente, conllevan estados tensionales adicionales. En la Figura 2 se presentan algunos métodos de cálculo para la determinación de los perfiles térmicos en estructuras de hormigón [5], varios de ellos se encuentran contemplados en las guías de diseño y normativas vigentes [6-16].

Figura 2. Métodos para la determinación del perfil térmico en secciones de hormigón [5].

Cabe destacar que en estructuras de acero es muy frecuente el uso de elementos aislantes. Entre ellos se destacan los aerosoles cementicios (fibras minerales, vermiculita, etc), los tableros aislantes de yeso y fibras minerales, las pinturas intumescentes que funcionan como acabado decorativo que se expande cuando es expuesto a temperaturas elevadas, y por supuesto, el propio hormigón que constituye una matriz en la cual puede embeberse parcial o totalmente un perfil de acero. La función principal de estos materiales y elementos de protección y aislación es retardar el aumento de la temperatura en el material resistente.

Finalmente, una vez determinada la variación de la temperatura dentro del compartimento (recinto donde se desarrolla el fuego), en función del tiempo y del espacio y, consecuentemente, la temperatura de cada elemento estructural con el paso del tiempo, es posible abordar el diseño estructural en situación de incendio. En general, para llevar a cabo dicho diseño, se utilizan los métodos convencionales de dimensionamiento de estructuras, teniendo en cuenta que se trata de una situación accidental, lo cual influye directamente en la determinación de los coeficientes de mayoración de cargas y de minoración de resistencias [14]. Además, deben tenerse

en cuenta los esfuerzos y deformaciones adicionales generados por la dilatación térmica de los materiales, el comportamiento de los sistemas de unión bajo la acción de temperaturas elevadas (principalmente en estructuras metálicas), y la degradación fisico-mecánica de los materiales con el aumento de la temperatura, entre otros aspectos. La resistencia frente a fuego en función del tiempo, según las normas europeas, se divide en tres criterios: (1) de resistencia o capacidad de carga (R), (2) de separación e integridad (I), y (3) de separación y aislación térmica (E). Cada elemento de la estructura deberá cumplir uno o varios de los criterios mencionados [13,17]. Por ejemplo, un elemento estructural portante, según el destino y características geométricas de la obra civil podría requerir un criterio de resistencia R30, lo cual significa que deberá mantener su capacidad portante, al menos, durante 30 minutos en situación de incendio. Un elemento de separación no portante podría requerir un criterio E160, es decir, evitar la transferencia de calor de un recinto a otro durante 160 minutos, mientras que un criterio RE160 exigiría que dicho elemento además conserve su capacidad portante durante el tiempo establecido. En otros requerimientos para el diseño frente a fuego se pueden incluir la resistencia al daño explosivo, al colapso progresivo, al impacto de sismos en sistemas de protección y a la factibilidad de la estructura de ser reparada.

En síntesis, una vez conocidas las características del incendio, es decir del fuego, la temperatura en los elementos estructurales y las solicitaciones en la estructura a temperatura ambiente y/o bajo altas temperaturas, se podrán dimensionar los elementos estructurales y verificar, por ejemplo, el cumplimento de los criterios de resistencia a fuego previamente mencionados. La complejidad del análisis en cada uno de estos pasos del diseño frente a fuego determinará si se trata de un diseño prescriptivo o basado en el desempeño. En este trabajo se presenta un breve compendio de los métodos de diseño frente a fuego dados por el eurocódigo (EC) [14-17] y por las normas americanas (ACI) [12] y AISC [13] para estructuras de hormigón armado y metálicas, respectivamente. Se comparan las bases fundamentales de ambas normativas y se analiza la propuesta del reglamento argentino de estructuras de hormigón armado y de estructuras metálicas [19,20].

LINEAMIENTOS GENERALES DEL EUROCÓDIGO PARA EL DISEÑO EN ALTAS

TEMPERATURAS

Dentro de los tomos presentados por el eurocódigo (EC), todos aquellos que se refieren a la parte 1-2 son destinados al análisis de acciones [14] y al diseño de estructuras en condición de incendio. Dichas estructuras pueden ser de hormigón [15], de acero [16], mixtas [17], de madera, de mampostería o de aluminio.

La óptica del diseño frente a fuego presentada por el EC es amplia y abarca desde el enfoque prescriptivo hasta el diseño basado en el desempeño (o performance). Este último, facilita la aplicación del reglamento en una amplia variedad de obras civiles, promueve la comprensión del comportamiento de la estructura en situación de incendio y permite optimizar los costos, entre otras ventajas. Es decir, en el EC se pueden encontrar desde los métodos de diseño más simples hasta los más

sofisticados. Dentro de los mas simples se pueden mencionar los que utilizan información tabulada, curvas de fuego estándar y ábacos para la determinación del perfil térmico en las secciones transversales. El EC también presenta métodos más ingenieriles que utilizan curvas paramétricas para la variación de la temperatura con el paso del tiempo, y métodos de cálculo incrementales para la determinación del perfil térmico de las secciones críticas. Los modelos más avanzados hacen referencia a la mecánica de los fluidos para el análisis de la temperatura en el compartimento y en los elementos estructurales, así como también, al análisis no lineal de la estructura en condición de fuego.

Ecuación fundamental de resistencia a fuego según el EC

De manera similar a la condición fundamental de resistencia establecida a temperatura ambiente, en condiciones de incendio, se plantea que el efecto de las solicitaciones de diseño bajo fuego (Efi,d), debe ser menor o igual a la resistencia de diseño del elemento estructural bajo el mismo escenario (Rfi,d,t). Cabe destacar que las solicitaciones o esfuerzos incluyen los efectos de las dilataciones y deformaciones térmicas. Además, la resistencia a fuego puede verificarse en los dominios del tiempo y la temperatura, esto significa mantener la temperatura de diseño del elemento estructural (Td) por debajo de su temperatura critica (Tcr,d) o bien, que el tiempo requerido de resistencia e integridad (tfi,req) sea menor al tiempo para el cual fue diseñado (tfi,d). Los conceptos mencionados se resumen en las expresiones de la Ec. (1) y en la Figura (3).

𝐸𝑓𝑖,𝑑 𝑅𝑓𝑖,𝑑,𝑡; 𝑇𝑑 𝑇𝑐𝑟,𝑑; 𝑡𝑓𝑖,𝑟𝑒𝑞 𝑡𝑓𝑖,𝑑 (1)

Figura 3. Comparación entre las curvas de carga y de resistencia de un elemento estructural. Criterios de resistencia a fuego.

En cuanto al valor de diseño de una propiedad mecánica cualquiera ya sea de acero

u hormigón (Xfi,d), el EC establece una relación del tipo Xfi,d = (kT Xk)/M,fi, donde Xk es el valor de dicha propiedad a temperatura ambiente, kT es el factor de reducción (kT =

Xfi / Xk) y M,fi es el factor de seguridad en condición de fuego.

Un parámetro esencial que plantea el EC para el diseño de estructuras bajo la acción

del fuego es el grado de utilización (0). Básicamente es la relación entre el efecto de diseño en condición de incendio (Efi,d), respecto a la resistencia del material a temperatura ambiente (Rfi,d,0) utilizando factores de seguridad parciales para fuego. Entonces el grado de utilización queda definido por la siguiente expresión

0=

𝐸𝑓𝑖,𝑑 𝑅𝑓𝑖,𝑑,0⁄ .

Diseño de estructuras de acero frente a fuego según el EC

En primer lugar, el EC presenta las curvas de degradación de las propiedades termo-mecánicas del acero con el aumento de temperatura. Estas incluyen la disminución de la resistencia y de la rigidez y los cambios de ductilidad en las relaciones constitutivas de los ensayos de compresión y tracción uniaxial (ver Figura 4). Respecto a las propiedades térmicas se proveen relaciones de elongación, calor especifico y conductividad térmica dependiente de la temperatura.

Figura 4. Relaciones constitutivas y propiedades mecánicas del acero en altas temperaturas [16].

Como es bien sabido, a temperatura ambiente, el EC clasifica los elementos estructurales de acero en cuatro clases según el comportamiento de la sección critica: (1) secciones de diseño plástico, (2) secciones compactas, (3) secciones no compactas y (4) secciones esbeltas [16]. En condición de incendio, los cambios en la rigidez y resistencia del acero aumentan el riesgo de pandeo local, por lo tanto, resulta necesario redefinir las clases anteriormente nombradas. Con este fin, el EC redefine

el coeficiente = √235 𝑓𝑦⁄ , agregándole un factor 0.85 por el efecto de la

temperatura. En la Figura (5) puede verse un ejemplo de esto último.

Figura 5. Clasificación de las secciones de acero según su esbeltez [16,18].

Para conocer la temperatura critica de un elemento estructural de acero, es menester

determinar el grado de utilización (0) y la resistencia residual limite admitida. Además, en función de la curva tiempo-temperatura del compartimento (o curva de fuego) es posible determinar la temperatura del elemento estructural bajo estudio. Dicha temperatura dependerá del factor de forma de la sección, es decir del área expuesta respecto al volumen del elemento (Am/V). Finalmente, en la Figura (6) se muestran los pasos básicos a seguir para el diseño de un elemento estructural de acero frente a fuego.

Figura 6. Diseño frente a fuego en estructuras de acero [16].

Diseño de estructuras de hormigón frente a fuego según el EC

Del mismo modo que para el caso del acero, el EC presenta curvas y tablas con coeficientes de reducción de las propiedades termo-mecánicas del hormigón expuesto a altas temperaturas. Los hormigones referidos son de resistencia normal y se diferencian según posean agregados gruesos calcáreos o silíceos (ver Figura 7) [15]. Cabe destacar que, para las barras de acero embebidas en el hormigón, se utilizan las relaciones constitutivas y de variación de las propiedades termo-mecánicas ya presentadas para perfiles de acero.

El EC [15] presenta varios métodos simplificados para el diseño frente a fuego de estructuras de hormigón armado, entre ellos, el método de la isoterma 500 y el método de las zonas. También presenta un método simplificado basado en la estimación de la curvatura en elementos sometidos a flexión y esfuerzo normal con efectos de segundo orden. En este ultimo caso, se vale de la reducción de resistencia de la sección critica obtenida mediante el método de las zonas y agrega la determinación de una rigidez reducida (EI)Z para el hormigón en condición de incendio.

Figura 7. Relaciones constitutivas para el ensayo de compresión uniaxial en hormigón sujeto a altas temperaturas [15].

Es evidente que previo a la aplicación de cualquiera de los métodos de diseño mencionados, es necesario conocer el perfil térmico dentro de la sección transversal de hormigón armado. Esto puede abordarse por medio de ábacos dados para elementos macizos con características geométricas estándar, como se muestra en la Figura (8), también se pueden utilizar métodos sencillos de transferencia de calor, como el de Wickstrom [21] o el de Hertz [22], o en el caso de secciones más complejas se puede recurrir a la implementación de métodos computacionales para la resolución de las ecuaciones de balance térmico.

El método simplificado de la isoterma 500, consiste básicamente en determinar la posición de dicha isoterma dentro de la sección de hormigón armado y reducir la

sección de cálculo de hormigón al área donde las temperaturas son menores o iguales a 500ºC. Una vez obtenida el área efectiva, se calcula la resistencia de la sección crítica con los métodos convencionales de dimensionamiento, considerando que la resistencia a compresión de la sección remanente de hormigón es la que se utiliza a temperatura ambiente. Cabe destacar que las barras de acero, aunque presenten temperaturas mayores a 500ºC, no serán descartadas para el cálculo, pero se tendrá en cuenta la reducción de su resistencia en función de la temperatura alcanzada.

Por otra parte, el método de las zonas consiste en discretizar la sección transversal en zonas de igual temperatura media. En este caso, se determina la resistencia reducida de cada zona y el espesor a descartar por el efecto de las temperaturas elevadas a través de expresiones matemáticas sencillas. Este método provee resultados mas precisos que el método de la isoterma 500. Las barras de acero se tratan de igual modo que en el método de la isoterma 500. Cabe destacar que estos métodos pueden adaptarse a cualquier curva temperatura-tiempo.

Figura 8. Perfiles de temperatura dados por el EC [15] para elementos estructurales de hormigón con características geométricas determinadas.

El EC también provee procedimientos de diseño tabulados, lo cuales están circunscriptos a casos muy específicos. Esto significa que solo son validos para fuegos estándar con una exposición de hasta 240min, se aplican a hormigones de peso normal con agregados silíceos, consideran un grado de utilización igual a 0.7, el espesor del recubrimiento mecánico debe ser mayor o igual a 70mm y la temperatura critica del acero se considera igual a 500ºC, entre otras limitaciones. Se presentan

tablas que, en función de la cuantía de acero, la dimensión mínima del elemento estructural, el grado de utilización o nivel de carga a temperatura ambiente, relacionan las dimensiones del elemento estructural con su resistencia a fuego medida en minutos. Existen diferentes tablas que abarcan diferentes tipos de elementos estructurales, ya sean losas, vigas, columnas o muros, y combinan los diferentes criterios de resistencia a fuego R, E, I según corresponda.

Si bien todos los métodos mencionados anteriormente son validos para hormigones de resistencia normal (NSC), el EC menciona a los hormigones de alta resistencia (HSC) en un breve apartado, aclarando que en estos casos se deberán utilizar métodos avanzados de cálculo. También menciona la aplicación en HSC de los métodos simplificados y tablas solo para ciertas condiciones particulares, considerando que las secciones dañadas deben mayorarse en comparación con el NSC. En otras palabras, las secciones mínimas resistentes requeridas resultarán mayores para HSC, ya que el HSC es un material más frágil y frecuentemente suele presentar el fenómeno de spalling, que es el desprendimiento del material superficial en forma explosiva.

LINEAMIENTOS GENERALES DE LAS NORMAS AMERICANAS PARA EL

DISEÑO EN ALTAS TEMPERATURAS

A continuación, se presentan de modo breve, las especificaciones del diseño frente a fuego dadas por las normas ANSI/AISC 360-16 (AISC) [13] y ACI 216 (ACI) [12], para estructuras de acero y de hormigón armado, respectivamente.

Diseño de estructuras de acero frente a fuego según la AISC

La norma AISC [13] que provee especificaciones para construcciones de acero, dedica su apéndice 4 al diseño estructural en condiciones de incendio. En dicho apartado establece definiciones acerca de las bases del diseño del fuego, es decir, las características del fuego, de los sistemas de protección contra incendio, de las propiedades termo-mecánicas del acero bajo altas temperaturas, entre otras. Además, establece que, ante la ausencia de provisiones específicas, la resistencia requerida de la estructura será determinada a partir de las cargas gravitacionales incluyendo el efecto accidental del fuego.

En lo que concierne a las propiedades mecánicas del acero en altas temperaturas, proporciona coeficientes tabulados para determinar el modulo de elasticidad (kE), la tensión de proporcionalidad (kp), la tensión de fluencia (ky) y la tensión ultima (ku) a diferentes temperaturas, respecto del valor a temperatura ambiente. También proporciona coeficientes de reducción tabulados para lsa propiedades mecánicas del hormigón en altas temperaturas, aclarando que el marco estructural y las cimentaciones deberán ser capaces de proporcionar la resistencia y la capacidad de deformación adecuadas para resistir las acciones estructurales desarrolladas durante el incendio y asegurando la integridad estructural.

Si bien la norma AISC proporciona métodos simplificados de diseño frente a fuego, aclara que esta permitido el uso de métodos de diseño avanzado que incluyan el análisis de la respuesta termo-mecánica de la estructura. Dicho análisis deberá seguir las bases de diseño del fuego y de la degradación de las propiedades termo-mecánicas dadas por la misma norma.

Los métodos simplificados de diseño frente a fuego propuestos por la AISC son aplicables a elementos estructurales individuales. Consideran que los esfuerzos solicitantes se mantienen constantes durante toda la duración del incendio y permiten la utilización de modelos unidimensionales para la determinación de la transferencia de calor. La resistencia nominal (Rn) del elemento estructural se calcula utilizando las propiedades materiales degradadas por la máxima temperatura alcanzada en el incendio de diseño. Cabe destacar que para temperaturas menores a 200ºC no se consideran los efectos de la degradación térmica.

Para el diseño de elementos estructurales con compresión dominante que puedan experimentar pandeo, la norma AISC establece una tensión critica de pandeo en alta temperatura, Fcr(T) dada por la expresión de la ecuación (2)

𝐹𝑐𝑟(𝑇) = [0.42√𝐹𝑦(𝑇) 𝐹𝑒(𝑇)⁄

] 𝐹𝑦(𝑇)

(2)

donde Fy(T) es la tensión de fluencia en alta temperatura y Fe(T) es la tensión crítica de pandeo elástico que depende del modulo de elasticidad E(T) degradado por la temperatura. En general, para el diseño por flexión, corte, torsión y esfuerzos combinados, la AISC aplica las mismas formulaciones utilizadas para temperatura ambiente, teniendo en cuenta que las propiedades del material son dependientes de la temperatura e incorporando rigideces y coeficientes específicos también dependientes de la temperatura.

Diseño de estructuras de hormigón armado frente a fuego según el ACI

A diferencia del EC, el reglamento ACI [12] tiene un enfoque mayormente prescriptivo. Utiliza la curva de fuego estándar dada por la norma ASTM E119 [23] para determinar la temperatura del gas, y define la resistencia a fuego como la capacidad del material o estructura de resistir y/o proporcionar protección contra un incendio. En este caso, se entiende por “resistir” a la condición de mantener su función estructural durante un tiempo determinado. Además, define la temperatura critica en elementos flexionados, como la temperatura del acero de refuerzo para la cual la resistencia a flexión nominal se reduce al momento solicitante de las cargas de servicio. El ACI agrega un criterio de máxima transmisión de calor que limita el aumento de la temperatura de las superficies no expuestas a un promedio de 121ºC. Además, establece el criterio de punto final de integridad, donde se prohíbe el paso de las llamas o de gases calientes, a través de un elemento estructural de aislación o separación, con el fin de evitar la ignición de un material combustible en un compartimento contiguo.

En términos generales, el ACI presenta métodos analíticos, principalmente basados en el uso de variables tabuladas, para la determinación de espesores y recubrimientos mínimos de los elementos estructurales frente a fuego. Los espesores mínimos tienen como principal objetivo actuar de barrera frente al fuego, mientras que los recubrimientos mínimos funcionan como protección de las armaduras de acero. El espesor mínimo en elementos estructurales simples se encuentra tabulado según el tipo de agregado grueso (silíceo, calcáreo, liviano, semi-liviano) y de la resistencia a fuego requerida que va de 1 a 4hs.

Para elementos compuestos por dos capas, una estructural (NSC) y otra aislante (LWC), el ACI [12] presenta un método de solución gráfica para obtener la resistencia a fuego en función de los espesores de dichas capas, según se muestra en la Figura (9). Básicamente, se obtienen dos resistencias a fuego: (1) cuando el lado aislante está expuesto al fuego y (2) cuando el lado estructural es el expuesto. Finalmente, la resistencia a fuego del elemento estructural será el resultado menor. Solo en caso de cubiertas o pisos se calcula solo un valor. También se presenta un método de resolución analítica para el caso de elementos compuestos, el cual puede aplicarse a mas de dos capas. En este caso, se calcula la resistencia a fuego individual (Rn) de cada capa, mediante tabla o ábaco, sin discriminar cual es la cara expuesta al fuego y luego se aplica la expresión de la ecuación (3)

𝑅 = (𝑅10.59+. . . +𝑅𝑛

0.59 + 𝐴1+. . . +𝐴1)1.7

(3)

donde R es la resistencia del compuesto en horas y An es el factor de aire para cada espacio entre capas individuales. El espesor de la capa de aire se debe mantener entre los 13 y los 19mm.

Figura 9. Determinación grafica de espesores mínimos para elementos compuestos por dos capas [12].

En cuanto a la determinación de los recubrimientos mínimos de hormigón para la protección de la armadura de acero, el ACI diferencia a los elementos estructurales

entre aquellos que son “restringidos” y aquellos que son “no restringidos”. El primer caso, se trata se trata de elementos colados in situ o premoldeados con vinculación hiperestática donde la potencial expansión térmica puede ser resistida por la construcción adyacente. El segundo caso hace referencia a elementos isostáticos y premoldeados. Entonces, los recubrimientos mínimos están dados en función de la vinculación del elemento, del tipo de agregado grueso, de la resistencia a fuego requerida en horas y, en algunos casos, de la existencia o no de un pretensado.

Para el caso específico de columnas, ACI provee las dimensiones mínimas en función del tipo de agregado grueso, de la resistencia a fuego requerida y de la cantidad de

lados expuestos al fuego, aclarando que estas dimensiones son válidas para f’c 85MPa. Cuando se trata de hormigones de resistencia mayor a 85MPa directamente establece que el lado mínimo deberá ser de 60cm. Respecto al recubrimiento en

columnas de hormigón armado, este debe cumplir la expresión r 25mm ∗R/hs 50mm, donde R es la resistencia a fuego requerida que va de 1 a 4hs.

Del mismo modo que en el EC [15], el ACI provee ábacos para la determinación del perfil térmico dentro la sección de hormigón. Dichos ábacos se muestran en le Figura (10) y requieren como datos de entrada, el tipo de agregado grueso, la distancia medida desde la cara calentada (en mm o pulgadas) y el tiempo transcurrido durante el ensayo de fuego (en minutos) que es proporcional a la temperatura del gas en la curva tiempo-temperatura estándar.

Figura 10. Determinación grafica de la temperatura en el hormigón [12].

Con respecto a la degradación del material, ACI presenta ábacos para la determinación de la caída de la resistencia a compresión uniaxial del hormigón en función de la temperatura, del tipo de hormigón y de las condiciones térmico-mecánicas de la realización del ensayo. Esto ultimo se refiere a (1) resistencia residual o ensayo en frio post calentamiento, (2) ensayo en caliente y (3) ensayo en caliente con aplicación de una tensión igual a 0.4f’c en forma previa al calentamiento. Puede

verse en la Figura (11) que el comportamiento es sensiblemente diferente en cada uno de estos ensayos. Una de las causas por la cual el ensayo en frio presenta una mayor caída de f’c depende de la micro fisuración que se presenta durante el enfriamiento. Cabe destacar que el ensayo en caliente con precarga representa una situación mas acorde a la realidad de una columna sometido a altas temperaturas y puede verse que resulta ser el caso más favorable en términos de resistencia residual.

Figura 11. Determinación grafica de la resistencia a compresión uniaxial del hormigón en altas temperaturas [12].

En cuanto al acero, el ACI presenta curvas para la caída de la tensión de fluencia del acero que dependen del proceso de fabricación del mismo (laminado en frio o en caliente).

Cabe destacar que, además de los ábacos y tablas previamente mencionados, el ACI presenta algunos métodos analíticos para la determinación de la resistencia a fuego en elementos flexionados. Estos se basan en la curva de fuego estándar ASTM E-119 y no consideran los efectos de la restricción de la expansión térmicamente inducida. En primer lugar, estos métodos consisten en determinar la temperatura de los materiales y la caída de resistencia en los materiales hormigón y acero, según los ábacos ya descriptos. Luego, para el cálculo a flexión de las secciones criticas utilizan las resistencias reducidas en función de la temperatura alcanzada, y determinan una altura útil efectiva menor a la calculada para temperatura ambiente, descartándose las zonas expuestas a temperaturas mayores a 760ºC.

Para el caso de columnas formadas por perfiles de acero y protegidas con hormigón, el ACI propone una formulación analítica simple para la determinación de la resistencia a fuego (R), en función del espesor promedio de recubrimiento, de la geometría de la columna, de la conductividad térmica del hormigón, de la capacidad calorífica del acero, de la densidad de los materiales, entre otros aspectos. Un ejemplo es el caso (c) presentado en la Figura (12), donde la resistencia a fuego esta dada por la expresión de la ecuación (4)

𝑅 = 𝑅0(1 + 0.03𝑚) (4)

con R0 es la resistencia a fuego con contenido nulo de humedad

𝑅0 = 10 (𝑊

𝑝𝑠)

0.7

+ 17 (ℎ1.6

𝑘𝑐0.2) [1 + 26 (

𝐻𝑠

𝑊𝑐𝑐𝑐ℎ(𝐿 + ℎ))

0.5

]

(5)

y siendo Hs es la capacidad calorífica del acero a temperatura ambiente [12]

𝐻𝑠 = 0.11𝑊 + (𝑊𝑐𝑐𝑐

144) (𝑏𝑓𝑑 − 𝐴𝑠𝑡)

(6)

Figura 12. Tipo de columnas de acero protegidas por hormigón propuestas por el ACI para el cálculo de la resistencia a fuego [12].

Los recubrimientos mínimos de hormigón para las columnas de la Figura (12), están tabulados en función del tipo de perfil de acero y de la resistencia a fuego requerida.

PROPUESTA DEL REGLAMENTO CIRSOC-ACI PARA EL DISEÑO EN ALTAS

TEMPERATURAS

Como es bien sabido, el reglamento argentino de estructuras de hormigón armado CIRSOC 201-2005 [19] se basa en la norma americana ACI 318-05 [24], por lo tanto, para el diseño de estructuras de hormigón armado frente a fuego, tiene un enfoque similar al descripto para la norma americana, pero con un alcance aún más limitado. Establece que “la resistencia al fuego de los elementos y conjuntos de elementos de hormigón estructural simple, armado o pretensado, sin ningún tipo de revestimiento, diseñados de acuerdo con este Reglamento se deberá determinar de acuerdo con las especificaciones que se detallan a continuación, hasta tanto el CIRSOC redacte un documento específico” reconociendo que, de algún modo, aún es necesario profundizar en la temática del fuego en estructuras de hormigón armado.

Básicamente, el CIRSOC-21-2005 determina los espesores y recubrimientos mínimos para losas, vigas y columnas de hormigón armado, tabulados en función del tipo de agregado grueso (silíceos o calcáreos), del tipo de vinculación del elemento estructural (restringido o no restringido) y de la resistencia a fuego requerida (en

horas). Al igual que la norma americana, contempla tiempos de resistencia a fuego que van de 1 a 4hs.

Cabe destacar que para una resistencia a fuego de 4hs en losas no restringidas, los recubrimientos mínimos alcanzan valores de hasta 45mm cuando estas no son pretensadas, y de hasta 70mm cuando son pretensadas. En vigas y columnas no restringidas, el recubrimiento mínimo puede alcanzar los 80mm para la máxima duración del fuego.

En cuanto a espesores mínimos, los tabiques, losas de entrepisos y cubiertas de hormigón deberán tener una altura mínima de 180mm cuando se utilicen agregados silíceos y para una resistencia a fuego de 4hs. Las columnas que se encuentren en las condiciones mencionadas tendrán una dimensión mínima de al menos 360mm.

El reglamento CIRSOC 301-2005 [20] no provee especificaciones respecto al diseño frente a fuego de estructuras de acero para edificios. Solamente menciona que, dentro de la información contenida en la documentación del proyecto, se deben indicar los revestimientos u otros medios de protección contra el fuego que fueron previstos y que, además, la documentación conforme a obra deberá contener una memoria con indicación de la protección contra el fuego realizada. Además, aclara que la resistencia a efectos de fatiga es solo aplicable cunado las temperaturas son menores a 150ºC,

CONCLUSIONES

Si bien algunos de los reglamentos mencionados, como el EC, y el AISC 360, tienen un enfoque más orientado al diseño por desempeño y otros como el ACI 216 y el CIRSOC 201 hacen un tratamiento casi completamente prescriptivo, la mayoría de las normas y guías de diseño referidas al diseño de estructuras frente a fuego combinan ambos enfoques.

En general, los objetivos de la protección contra incendios consisten básicamente en limitar los riesgos de vida de los ocupantes y de las construcciones vecinas. Para ello, entre otros tipos de requerimientos, se establecen objetivos funcionales que se centran en asegurar la resistencia de la construcción durante un período de tiempo determinado, limitando la generación y propagación del fuego y del humo y proveyendo los medios de escape necesarios.

En este sentido, el EC y gran parte de las normas americanas relacionadas, establecen criterios de estabilidad o resistencia mecánica, integridad y aislación. La particularidad que presenta el EC, frente a otras normas, es la posibilidad de emplear tres niveles de análisis: (1) análisis de miembros aislados, (2) análisis de parte de la estructura y (3) análisis de la estructura completa. Particularmente, en el análisis de la estructura completa, se tienen en cuenta los cambios en las condiciones de vínculos y el desarrollo de nuevas rutas de carga, dando lugar a comportamientos de tipo catenaria, membrana, etc, que implican un análisis no lineal del campo geométrico y material.

En cuanto a las acciones térmicas, los códigos basados en el desempeño, como es principalmente el caso del EC, utilizan modelos matemáticos basados en la física, por

lo tanto, permiten seleccionar modelos de incendio adecuados a las características físicas de la situación, las dimensiones del compartimento, la ventilación, el combustible y las medidas de protección contra incendios. En este tipo de análisis se incluyen todas las acciones mecánicas y las condiciones de vinculo adecuadas utilizando modelos de cálculo avanzados.

Por otra parte, un análisis prescriptivo establece requerimientos fijos tales como las clasificaciones mínimas de resistencia al fuego. En este enfoque también se proveen los factores de seguridad, típicamente basados en la experiencia y se consideran curvas de fuego estándar, como la ASTM E119 o la ISO 834. Cabe destacar que, la mayoría de los códigos prescriptivos incluyen una cláusula de equivalencia que permite el uso de métodos basados en el desempeño para satisfacer la intención del código. El EC también provee una base prescriptiva para la determinación de las acciones térmicas provocadas por un fuego nominal.

En los códigos de EE. UU., no existe un marco equivalente al EC en cuanto al análisis global de las estructuras frentes a fuego, es decir, los cálculos tienden a centrarse en miembros individuales. En particular, la norma AISC, propone métodos prescriptivos para el cumplimiento del diseño basado en el desempeño y a su vez, deja abierta la posibilidad del uso de herramientas de calculo mas avanzadas para cumplir ciertos criterios de desempeño. Es decir, permite un análisis avanzado que incluya un análisis termo-mecánico, teniendo en cuenta la dependencia de la temperatura de las propiedades del material, los efectos de la expansión térmica, las grandes deformaciones y los posibles cambios en las condiciones de vinculo. Por otro lado, el ACI 216 posee un enfoque meramente prescriptivo donde la resistencia a fuego depende del tipo de ocupación y del tipo de estructura, asegurando implícitamente los criterios de estabilidad, integridad y aislación. Provee métodos gráficos de determinación de recubrimientos y dimensiones mínimas, como así también métodos analíticos simplificados de reducción de esfuerzos nominales. Los valores de diseño se basan en el ensayo de fuego estándar dado por ASTM E-119 y se pone especial énfasis en las condiciones restringidas o no restringidas de los elementos estructurales aislados.

Como es bien sabido, el CIRSOC 201 se encuentra en la línea del ACI, pero su alcance es aún más limitado, ya que solo presenta información tabulada para la determinación de espesores, lados y recubrimientos mínimos. El CIRSOC 201 no presenta la opción de algún método analítico simplificado y reconoce que, en un futuro, será necesaria una publicación especifica de la norma, dedicada al diseño de estructuras de hormigón frente a fuego. Por otra parte, el CIRSOC 301, no incluye recomendaciones de diseño para las estructuras de acero en condición de incendio.

Finalmente, se puede concluir que, en cuanto a profundidad del abordaje del diseño frente a fuego, el EC es el reglamento más detallado, ya que presenta diferentes métodos de análisis según el nivel de sofisticación requerido para el cálculo. Al EC le sigue el reglamento AISC-360 que presenta métodos de análisis simples, pero también incluye recomendaciones para la implementación de métodos avanzados. Por último, se encuentran las normas ACI y CIRSOC con un enfoque prescriptivo del diseño.

AGRADECIMIENTOS:

Se agradece la invaluable colaboración del Ing. Héctor Ludzik, por el aporte de bibliografía destacada y el intercambio de conocimientos que sirvieron de base al contenido de este trabajo. A los docentes Ing. Andres Malvar e Ing. Sergio Muñoz, colegas del curso de posgrado “Composición Estructural” (FIUBA) donde se abordan y discuten estos temas.

REFERENCIAS:

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