tomo 6 itea protecciÓn - incendio

8/12/2019 TOMO 6 ITEA PROTECCIÓN - INCENDIO

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Protección:Incendio

Instituto Técnicode la Estructura

en Acero

I T E A

6



ÍNDICE DEL TOMO 6

PROTECCIÓN: INCENDIO

Lección 6.1: Introducción a la Seguridad ante el incendio.................. 1

1 APROXIMACIÓN GLOBAL A LA SEGURIDADFRENTE A UN INCENDIO............................................................................... 4

1.1 Pérdidas debidas a los incendios ........................................................ 4

1.2 El riesgo de incendio............................................................................. 5

1.3 Objetivos de la seguridad frente a los incendios............................... 6

1.4 Distintos enfoques para la seguridad ante un incendio.................... 7

1.4.1 Enfoque estructural para la seguridad en un incendio.......... 8

1.4.2 Enfoque de vigilancia ................................................................ 9

1.4.3 Enfoque de extinción ................................................................. 10

1.5 Efectividad económica .......................................................................... 10

2 REVISIÓN DE LOS MÉTODOS DE EVALUACIÓNDE LA RESISTENCIA ESTRUCTURALDURANTE UN INCENDIO DE LOS ELEMENTOS CARGADOS ................... 12

2.1 Requerimientos de resistencia frente al incendio actuales:Método de Evaluación 1 ........................................................................ 12

2.2 Requerimientos de resistencia basados en la

T- equivalente = Método de Evaluación 2 ............................................ 132.3 Métodos de cálculo basados en

incendios reales = Método de Evaluación 3........................................ 14

2.3.1 Introducción................................................................................ 14

2.3.2 Incendios compartimentados = Métodos de Evaluación 3a.. 15

2.3.3 Modelos de incendio = Método de Evaluación 3b.................. 15

2.4 Algunas reflexiones sobre los requerimientos de resistenciadurante un incendio cuando se usan medidasde protección activas............................................................................. 16

3 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 18

I

ÍNDICE



5 CAPACIDAD RESISTENTE DE ELEMENTOS MIXTOS................................ 45

5.1 Viga mixta ............................................................................................... 45

5.2 Forjados mixtos...................................................................................... 465.3 Pilares mixtos......................................................................................... 46

6 CONEXIÓN ENTRE ELEMENTOS................................................................. 48

7 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 49

8 BIBLIOGRAFÍA............................................................................................... 49

9 BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL.......................................................................... 49

Lección 6.4: Métodos Prácticos de Alcanzar la Resistenciaal Incendio ........................................................................... 51

1 INTRODUCCIÓN............................................................................................. 54

2 ESTRUCTURAS NO PROTEGIDAS............................................................... 56

3 ESTRUCTURAS DE ACERO PROTEGIDAS ................................................. 57

4 CONSTRUCCIÓN MIXTA................................................................................ 61

5 SECCIONES DE ACERO PARCIALMENTE EXPUESTAS............................ 63

6 PROTECCIÓN MEDIANTE PANTALLAS....................................................... 647 ESTRUCTURA EXTERIOR............................................................................. 65

8 REFRIGERACIÓN POR CIRCULACIÓN DE AGUA FRÍA............................. 66

9 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 67

10 BIBLIOGRAFÍA............................................................................................... 67

11 BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL.......................................................................... 67

Lección 6.5: Ejemplos de cálculo ........................................................... 69

EJEMPLO 1: TEMPERATURA CRÍTICA DE UN ELEMENTO CARGADO ........ 72

EJEMPLO 2: TEMPERATURA CRÍTICA DE UNA VIGA .................................... 73

EJEMPLO 3: TEMPERATURA CRÍTICA DE UNA COLUMNA........................... 74

EJEMPLO 4: PROTECCIÓN FRENTE AL INCENDIO DE VIGAS DE ACERO..... 75

EJEMPLO 5: MOMENTO RESISTENTE DE UNA VIGA MIXTA......................... 76

EJEMPLO 6: TEMPERATURA EQUIVALENTE DE UN INCENDIO REAL ........ 78

III

ÍNDICE



ESDEP TOMO 6PROTECCIÓN: INCENDIO

Lección 6.1: Introducción a la Seguridadante el Incendio

1



3

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Se introducirá una aproximación global a

la seguridad ante los incendios. Se dará un repa-so general de los métodos de análisis de la resis-tencia ante un incendio de elementos sometidosa cargas.

CONOCIMIENTOS PREVIOS

Ninguno.

LECCIONES AFINESLección 6.2: Principios de Análisis

Termodinámico

Lección 6.3: Principios de AnálisisEstructural

Lección 6.4: Métodos Prácticos deLograr la Resistencia contrael Incendio

RESUMEN

Con el objetivo de presentar el concepto

de seguridad ante un incendio, que tenga encuenta los aspectos estructurales, de deteccióny de extinción, se describirán las pérdidas duran-te un incendio, la probabilidad o riesgo de unincendio y los objetivos de la seguridad ante unincendio. Se investigará la eficiencia económicay se presentarán los distintos enfoques de eva-luación de la resistencia estructural ante unincendio. También se describirán los efectos delas medidas activas de protección frente a incen-dios.



4

1. APROXIMACIÓN GLOBALA LA SEGURIDAD FRENTEA UN INCENDIO

1.1 Pérdidas debidas alos incendios

Una investigación a escala internacionalsobre las pérdidas ocasionadas por incendiosarroja los siguientes resultados:

Perdidas humanas: 4 a 34 muer tes pormillón de habitantes.

Pérdidas económicas: 1,6 a 5,9 0/00 delPIB (Producto Interior Bruto).

Para obtener una perspectiva globalsobre el riesgo de pérdidas humanas en incen-dios en edificios es interesante comparar lasestadísticas con otras causas de accidentesmortales:

A pesar de que el riesgo de pérdida devidas en incendios es muy bajo en comparacióncon otras causas de muertes, existe una tenden-cia a que los incidentes que provocan muertesmúltiples, es decir, alrededor o por encima de 5defunciones, tengan un eco muy importante endiarios y en la opinión pública. Comparten esta

consideración con actividades como el transpor-te aéreo o los terremotos.

Un desglose de las defunciones debidasa incendios, atendiendo a su localización, mues-tra que entre el 80 y el 85% de las muertes que

se producen en casas particulares y tan solo un10% en edificios públicos. Por otra parte, aproxi-madamente el 95% de todas las muertes sedeben principalmente al humo y muy pocas a lastemperaturas alcanzadas.

Una investigación sobre los incendios nodomésticos en Holanda y Francia demuestra quelas pérdidas económicas en los contenidossuperan las pérdidas las sufridas en los propiosedificios [4]

Pérdidas en los contenidos 43% )Pérdidas asociadas o consecuentes 6% )4/5

Pérdidas de los mismos edificios 21% )1/5

Esto indica que el daño ocasionado al con-tenido y las pérdidas consecuentes, son más sig-nificativos que los daños a los propios edificios.

El coste global de los incendios enEuropa incluye las siguientes partidas:

(en 0/00)

• pérdidas en los edificios y en sus conteni-dos 2 - 5

• pérdidas asociadas 0.2 - 3• muertes 0.3 - 2

Actividad Accidentes mortales por persona,para una media estimada de vida de 70.

Motocicletas (G.B.) 4,1Vuelos regulares (EE.UU.) 1,5Media por enfermedad (EE.UU.) 0,7Conducir un coche (EE.UU.) 0,6Conducir un coche (G.B.) 0,4En casa - media (excluida enfermedad) 0,02En casa - sobre total de personasno disminuidas 0,01Incendios en hoteles (G.B.) 0,01Incendios en casas particulares (G.B.) 0,001Desastres naturales (EE.UU.) 0,0001

Tabla 1 Comparación de estadísticas de defunciones debidas a diferentes causas accidentales. Fuentes [1] [2] [3])



5

APROXIMACIÓN GLOBAL…

• costes de los servicios de incendios 1 - 3

• costes administrativos de los seguros deincendios 1 - 3

• costes en investigación y concienciación0.1 - 0.5

• costes de las medidas de seguridad insta-ladas en edificios 2 - 5

y varían entre el 1.3 y el 2% del P.I.B.. Elúltimo punto, es decir, el coste de las medi-das de seguridad, representa, como media,entre el 1 y el 3% del total de los costes deledificio. En la mayoría de los países un

desembolso importante en medidas deseguridad conlleva una reducción de laspérdidas, tanto directas como indirectas yde vidas humanas . A pesar de ello es demáxima importancia analizar la efectividadeconómica de estas medidas, o en otraspalabras, los frutos aportados por cada

inversión en cada una de las medidas deprotección adaptadas. Esto se hará en elapartado 1.5.

1.2 El riesgo de incendio

El medio más usual de cuantificar el riesgode incendio se expresa de la siguiente manera:

Rincend. = P x Lext

donde Rincend. = Riesgo de incendio

P = la probabilidad de ocurrencia de unincendio

Lext = extensión probable del total de perdi-das.

Rincend. < Raceptada

Racceptada representa el riesgo admisible,que varía en cada país.

El riesgo R nunca puede ser nulo y esnecesario aceptar un cierto nivel de riesgo paracada tipo de edificio y uso del mismo. Este niveldependerá del número de habitantes, su facili-

dad para evacuar el edificio y el valor de los bie-nes expuestos al incendio.

La tabla 2 suministra algunas indicacio-nes sobre la ocurrencia de incendios en diferen-tes tipos de edificios.

La extensión probable de las perdidasvaría con el uso del edificio, y es una funcióndel grado de compartimentación, tipo de edifi-cio, distribución de las unidades de alarma yextinción (rociadores/CO2/Halón), resistenciaestructural al incendio y de la actuación de losbomberos.

La probabilidad de que un incendio se

propague sin control está fuertemente relaciona-da con el tipo de medidas activas de protección

Distintos usos del edificio Fuente Número de incendios pormillón de m2 superficie

en planta y por año

INDUSTRIAL Gr an Bretaña [5] 2Alemania [6] 2CIBW 14 [7] 2

OFICINAS Gran Bretaña [5] 1EE.UU. [8] 1CIBW 14 [7] 0.5 + 5

HOGARES Gran Bretaña [5] 2Canada [9] 5Alemania [10] 1CIBW 14 [7] 0.05 + 2

Tabla 2 Probabilidad de ocurrencia de un incendio



6

disponibles, tal y como se indica en la tabla infe-rior (tomada de la referencia CIB W14 Workshop“Structural Fire Safety” [7]).

1.3 Objetivos de la seguridadfrente a los incendios

La seguridad frente a los incendios debepreocuparse, fundamentalmente, de alcanzardos objetivos:

1. reducir la pérdidas humanas en elinterior o los alrededores de edificiosen llamas.

2. reducir las perdidas económicas y enpropiedades en el interior o alrededo-res de los edificios afectados.

En la mayoría de los países la res-ponsabilidad de alcanzar estos objetivos sehaya repartida entre las autoridades civiles,quienes tienen que fijar en sus leyes losniveles de seguridad para proteger lasvidas humanas, y las compañías de asegu-radores que incentivará la reducción deperdidas a través de sus primas.

Muchas veces estos objetivos puedenparecer incompatibles, o incluso beligerantes.Por ejemplo, los rociadores y los aparatos de

detección automática son contemplados máscomo protectores de las propiedades que delas vidas, y las compañías aseguradoras ofre-cen substanciales descuentos en las primascuando son instalados. Sin embargo, no figu-ran apenas en la mayoría de las normas sobreedificaciones, pero el hecho de su existenciasugiere que son extremadamente efectivospara salvar vidas.

De hecho las medidas necesarias

para ahorrar perdidas materiales y huma-nas son muy similares.Figura 1a Reducción del riesgo de pérdidas humanas

Tipo de medidas activas Probabilidad de propagaciónincontrolada

Servicios públicos de bomberos 100/1000

Rociadores 20/1000Sistemas de alarma combinados conbomberos entrenados y emplazados “in situ” ≥ 10/1000 : 1/1000

Tanto rociadores como bomberosemplazados “in situ” ≥ 1/10.000

Tabla 3



Las figuras 1a y 1b muestran un mediosistemático para identificar la mayor parte delas opciones disponibles para reducir perdidas.En ellas puede verse que prácticamente todaslas medidas reducen el riesgo de perdidas

humanas, así como el de perdidas económi-cas, directas o indirectas. Lo que realmente sepone de relieve es que la seguridad global fren-te a un incendio debe ser alcanzada por laimplantación y consecución de unos enfoquesadecuados de seguridad ante el incendio.

1.4 Distintos enfoques para laseguridad ante un incendio

Estos planteamientos o enfoques sedefinen como paquetes óptimos de medidas

estructurales, técnicas y organizativas quepermiten alcanzar objetivos definidos, con-sensuados por la Propiedad, las autorida-

des administrativas y el diseñador.

A la hora de desarrollar posiblesenfoques de seguridad frente a los incen-dios, es esencial comprender el desarrollonormal de un incendio incontrolado como elmostrado en la figura 2.

En una figura muy similar, figura 3,se muestran las posibles razones para eléxito o el fracaso de unas medidas preven-

tivas bien definidas.Analizando esta figura se puede

entender que existen tres planteamientosbásicos que permiten controlar el riesgo deun incendio, a saber:

• un planteamiento puramente estructu-ral que admite la superación del puntode “flash-over” dentro de un númerolimitado de habitáculos.

• un enfoque basado en un sistema de

alarmas que evite la superación del“flash-over”.

• un tercero que pretenderá evitar lapropagación mediante sistemas deextinción.

7


Figura 2 Desarrollo del incendio incontrolado

Figura 1b Reducción de riesgos de pérdidas de bienes



1.4.1 Enfoque estructural parala seguridad en un incendio

Éste consistirá en una combinación deuna adecuada compartimentación y una estruc-tura resistente a las altas temperaturas; éstapuede ser la mejor opción en el caso en el queel uso normal del edificio permita la instalaciónde suelos y paredes resistentes al calor.

En este caso se admitirá que el incendiopodrá alcanzar el “flash-over” o punto de propa-gación antes de que comiencen las accionespara su extinción.

El tiempo de resistencia al incendio debefijarse con el objetivo de que el fuego no seextienda fuera del habitáculo establecido.Consecuentemente, la capacidad de los elemen-tos resistentes para soportar carga (eventual-mente) y su aislamiento deben mantenersedurante la duración estimada del incendio.

Los componentes combustibles de losedificios deberán ser diseñados o protegidos demanera que se prevenga el peligro de propaga-ción. Un ejemplo es el de tejados con dos capas,donde la capa no combustible debe cubrir a lacombustible. El diseño de fachadas deberá evitarque las llamas asciendan al piso superior.

Es importante resaltar que todos los ele-mentos usados en la división o compartimenta-

ción, como los muros o paredes, techos y even-tualmente los tejados deben cumplir 3 criteriospara poder ser clasificados dentro de una clase

de resistencia al incendio (30/60/90...).

• un criterio de resistencia de carga que ase-gure la estabilidad del elemento.

• un criterio de aislamiento que demuestre sucapacidad aislante.

• un criterio de impenetrabilidad, que se ase-gurará de que las llamas y los humos nopueden atravesarlo.

Aquellos elementos estructurales con unafunción resistente, pero que no forman parte delos sistemas de separación, sólo han de cumplirel primer criterio.

La resistencia al incendio de los compo-nentes de un edificio suele fijarse en las normasapropiadas, y se expresa normalmente en uni-dades de tiempo.

El período de tiempo de resistencia anteun incendio suele expresarse en múltiplos de 30minutos, por ejemplo 30, 60, 90 minutos, y siem-pre en relación al incendio normalizado descritoen la norma ISO. Esto significa que un compo-nente capaz de cumplir su función durante el tiem-po prescrito cuando es sometido aun régimen detemperaturas como el descrito en la norma ISO.

Algunos bloques de oficinas que sehan construido recientemente son excelentesejemplos de este concepto.

La variación temporal de la temperaturaen un incendio normalizado puede diferir bas-tante de la que se presenta en uno real, perolas normas modernas de diseño permitendeterminar la resistencia para incendios rea-les, tal y como se describe en el párrafo 1.5. Elcriterio de tiempo no debe ser confundido conel tiempo de evacuación de los ocupantes o deintervención del cuerpo de bomberos.

Desde el punto de vista de la estructu-ra y sus ocupantes suele ser más efectivo el

8

Figura 3 Medidas prevención contraincendios y condiciones decontrol



uso de otros enfoques alternativos, que evitenque el punto de “flash-over” sea sobrepasadomediante el uso de medidas de protección acti-

vas. Las medidas de detección y alarma o en sis-temas de extinción.

1.4.2 Enfoque de vigilancia

Estos enfoques están basados en instru-mentos automáticos de detección y transmisiónde señales de alarma a un equipo de bomberos(con servicio 24 horas al día), preferentementecon base en el propio edificio.

Un sistema de este tipo (figura 4) quelleve asociada una resistencia estructural frentea un incendio limitada o incluso inexistentepuede representar la mejor solución cuando eluso habitual del edificio desaconseja la compar-timentación del espacio.

También se usa con más frecuencia parausos con densidades de cargas de combustiblesmuy reducidas, para edificios entre bajos ymedios en los que es previsible que el incendiose desarrolle lentamente y allí donde se dispon-ga de un equipo de bomberos efectivo y de inter-vención rápida.

• Detección del incendio

Los sistemas automáticos son activadospor tres medios: humo, calor o llamas.Funcionan mecánica, eléctrica y electróni-

camente. Es preferible el uso de los detec-tores de humos, por ser éstos considerable-mente más efectivos que los otros. Cuando

los detectores comienzan a funcionar, laalarma se dispara automáticamente. Paraque la efectividad sea máxima, la alarmadebe ser transmitida de día o de noche a laestación de bomberos más cercana. Lossistemas de alarma con sirenas sonorasson prácticamente los únicos efectivos con-tra incendios provocados.

Los rociadores funcionan como elementosde extinción, pero también como sistemas

de alarma “lentos” (al detectar sólo elaumento de calor).

• Extinción

La efectividad en la extinción de un incendiodepende en gran medida del tiempo emple-ado por los bomberos en llegar al edificio yacceder al incendio.

El medio más fácil para la extinción es eluso de extintores manuales, en el caso enel que haya personas que detecten el incen-dio y que sean lo suficientemente hábilespara usarlos con eficacia.

Los equipos de extinción pueden ser bienbomberos públicos, o bien equipos priva-dos con base en el propio edificio. Estosúltimos tienen la ventaja de estar familia-rizados con el local y tener que recorrer

distancias menores paraalcanzar el foco, pero en

todos los casos es necesa-rio dotar al edificio de rutasde acceso adecuadas paralos vehículos. Tanto paralos bomberos, como paralos rociadores es necesarioun suministro de agua ade-cuado, con una protecciónque esté preparada parabajas temperaturas. En unhabitáculo el radio de

acción efectivo para unbombero es de hasta 20 m..

9


Figura 4 Enfoque contraincendios de alarma.



1.4.3 Enfoque de extinción

Están basados en sistemas de

extinción automáticos como rociado-res, CO2 o Halón, con transmisiónautomática de alarma a un equipo debomberos y a los propietarios. En lafigura 5 se ilustra su funcionamiento.

Los propietarios suelen tenermiedo del posible daño causado porestos sistemas en el material o lamaquinaria existente en el edificio.Pero es preciso saber que los rocia-

dores únicamente abren sus válvu-las en los lugares donde la tempera-tura alcanza el valor límite, entre los70° y los 140°C y, además el 75% delos fuegos que se producen en ins-talaciones con rociadores llegan acontrolarse con un máximo de 1 a 4bocas rociadoras. Esto representaque tan sólo se mojarían los conte-nidos en un área de 50 m2. Estos sistemasautomáticos de alarma informan al propietario ya los bomberos al mismo tiempo. El manteni-miento de estos sistemas de detección y extin-ción se debe hacer anual e incluso semestral-mente por personas especializadas.

Estos enfoques alternativos de alarma yextinción están obteniendo mayor y mayor acep-tación en muchos países. El prospecto “Steeland Fire Safety: a global approach”, editado porel comité de promoción del acero del EUROFER,incluye una investigación sobre la extensión que

los sistemas de protección del acero reducidos,e incluso inexistentes, están consiguiendo a nivelinternacional.

1.5 Efectividad económica

Los tipos de uso y de diseño estructuralson las dos variables fundamentales que gobier-nan la cantidad de medidas de protección anti-incendios necesarias, y por lo tanto el coste totaldel modelo de seguridad contra el incendio. Lasconsideraciones a tener en cuenta durante el

diseño de la estructura antes cargas

de servicio y las que han de tenerseen cuenta ante el incendio debenintegrarse desde el comienzo deldiseño, de tal manera que se obten-ga un nivel de seguridad óptimo conuna mínima inversión. Este objetivosólo puede alcanzarse medianteuna adecuada comunicación entrelos diseñadores de los edificios y lasautoridades encargadas de la pro-tección de incendios, desde el

comienzo de la planificación de losedificios.

10

Figura 5 Enfoque contraincendios de extinción

Figura 6 Relación entre los gastos en medidas preventivas y pérdidasesperadas (esquemática)



Un análisis de la relación entre los costesy los beneficios indica que con similares inversio-nes los beneficios pueden variar grandemente.

La figura 6 muestra que, cuando el nivelde gastos, y por lo tanto, el de seguridad seaumentan, las pérdidas esperadas originadaspor un incendio disminuyen. Esta relación se harepresentado esquemáticamente por la línea detrazos. La curva de pérdidas frente a inversionespresenta una forma hiperbólica lo que significaque pasado un cierto punto, se obtiene un bene-ficio muy pequeño al incrementar el nivel de pro-tección.

De esta relación entre gastos y perdidasesperadas es posible deducir la proporción entregastos y costes globales debidos al incendio(perdidas esperadas + gastos)

Obsérvese la curva continua, cuyo míni-mo representa la solución.

En este contexto, conviene no olvidar quelos gastos no deben ser inferiores a un ciertovalor mínimo, relacionado con los costes de losrequisitos de seguridad para salvaguardar lavida humana y/o el nivel mínimo aceptabledesde el punto de vista de los seguros. Estemínimo ha sido representado también en la figu-ra.

Finalmente, otro aspecto que habrá queconsiderar con atención es el criterio por el cualse va a juzgar el comportamiento de la estructu-ra cuando ésta se encuentre sometida a unincendio. Si se plantea la implementación de

cualquier medida con el objetivo de mejorar laseguridad, ha de tenerse en cuenta el efecto deestas últimas. La experiencia en los incendios de

gran tamaño demuestra que éstos pueden dañarla estructura hasta un punto que requiera sudemolición, incluso aun cuando no haya colap-

sado. El dinero invertido en protección contra uneventual colapso debería contemplarse, enton-ces, como una pérdida. En casos como éstepodría ser mejor o bien limitar las precaucioneshasta un determinado nivel que permita garanti-zar la evacuación de los ocupantes durante elincendio, o bien, seleccionar un enfoque deseguridad alternativo.

En un análisis detallado de costes y bene-ficios se requiere un planteamiento diferenciado,

que mediante el cálculo de los costes de lasmedidas de seguridad para distintos enfoques,permita una optimización de los mismos. La fór-mula básica es la siguiente:

En la mayoría de los casos, enfoquesalternativos se muestran más efectivos que elque persigue la integridad estructural.

Para los arquitectos y los ingenieros, lacuestión crucial consiste en el establecimientodel nivel de los requerimientos que han de cum-plir, que englobe, tanto el enfoque global de

seguridad ante el incendio, como una optimiza-ción de la eficiencia económica de los distintosenfoques de seguridad modernos.

Coste

mantenimientoanual

imas anualespara el enfoque

de seguridadseleccionado

+

+

Pr

Costeanual de laseguridad

frente al incendio

Suma de todaslas

inversionesen seguridad

ershipotecario

=

⋅

%int

11


interés

Primas



2. REVISIÓN DE LOS MÉTODOSDE EVALUACIÓN DE LARESISTENCIA ESTRUCTURALDURANTE UN INCENDIO DELOS ELEMENTOS CARGADOS

La resistencia durante un incendio estágobernada por dos modelos:

• un MODELO DE TRANSMISIÓN DELCALOR

• un MODELO ESTRUCTURAL

los cuales tienen 3 ó 4 niveles de sofisti-cación.

Los métodos tradicionales de cálculo sebasan en la curva normalizada del incendio,desde el punto de vista del modelo de transmi-sión del calor, pero existen métodos cuantitativosque se sustentan en incendios reales.

La tabla 4 permite visualizar los tres méto-dos existentes para el cálculo, donde

Felemento es la resistencia al incendio medi-da en minutos para el elementoelegido.

Frequerida es la resistencia requerida.

LOS MÉTODOS DE CÁLCULO 1 Y 2 SON SIS-TEMAS DE CLASIFICACIÓN

F-requerida y F-elemento se agrupan encategorías mediante tablas o mediante cálculo,

en clases o categorías de resistencia, empezan-do con 15 y 30 minutos, y continuando en saltosde 30/60/90.... minutos.

LOS MÉTODOS DE EVALUACIÓN 3(a + b) SON SISTEMAS DE CÁLCULO que usanen sus operaciones las características de fuegosreales, y donde se ha de comprobar la estabili-dad de la estructura.

Cada uno de estos métodoses presentado en mayor detalleseguidamente, junto con una des-cripción de las ventajas que puedenpresentar mejores aproximaciones ala realidad.

2.1 Requerimientos deresistencia frente alincendio actuales:Método de

Evaluación 1La expresión “requerimientosde resistencia actuales” quiererepresentar los valores de resisten-cia fijados por las distintas normati-vas nacionales. Todas ellas usan cla-ses de resistencia al incendio(15/30/60/90 minutos) que represen-tan el tiempo que puede resistir unelemento la acción de un incendionormalizado, tal como el descrito por

la curva de exposición al calor de lanorma ISO834 (UNE 23-093-81 en

12

Figura 7 Concepto de temperatura equivalente



España). El nivel de exigencia es una función delnúmero de plantas y, dependiendo del país,puede variar con el uso del edificio y la carga de

combustible del contenido del mismo.

2.2 Requerimientos de resistenciabasados en la T- equivalente =Método de Evaluación 2

El concepto de duración efectiva o equi-valente de un incendio supone un primer, peroimportante, paso hacia un planteamiento másdiferenciado o específico. La duración equiva-

lente es una cantidad que relaciona un incen-dio no normalizado o real con el estándar, enel modo que se ha representado en la figura7, y que puede calcularse conocida la densi-dad de la carga de combustible y las condi-ciones de ventilación del compartimento con-siderado.

En aproximaciones más refinadas de estemétodo, se puede considerar la influencia de laspropiedades térmicas de los componentes deledificio que rodean al compartimento bajo laacción del incendio.

Para cada uso de un determinado edificio,y para cada tipo de compartimento, el conceptode T-equivalente ofrece una aproximación razo-nable a un incendio real.

La resistencia requerida F-requerida = γ .T-equivalente, siendo γ un factor de seguridad.Normalmente este coeficiente se considera uni-tario, siempre que se considere el 100% de la

carga de combustible.

En la actualidad la F-requerida se fijacomo la correspondiente a la clase inmediata-mente superior, con un intervalo de 15 ó 30minutos.

Este método está pensado para conse-guir que elementos calculados para un γ . T-equivalente resista la acción de un incendio realsin colapsar, incluso en el caso de que no se

produzca la intervención de brigadas de bom-beros.

Esta es la principal característica del con-cepto de T-equivalente.

Una ventaja importante de esta idea esque la cantidad tremenda de datos e informaciónacumulados durante la realización de ensayosde incendios, puede ser usada para verificar losresultados de cualquier cálculo.

Muchos países han adoptado oficialmen-te este método de una manera más o menossofisticada.

La guía de cálculo para la seguridad

estructural durante incendios preparada durantela reunión W14 del CIB (Conseil Internacionel duBâtiment) [7], ofrecela siguiente formula para laT-equivalente.

Te = c . w . qf

donde qf es la densidad de carga de combusti-ble en relación con el área del com-partimento del incendio. El apéndice 1de la guía de diseño suministra un vis-tazo muy detallado de la evaluación,cálculo individualizado y valores esta-dísticos de las cargas de combustible.

Las siguientes tablas presentan un abanicode valores medios para una densidad de carga decombustible variable en MJ/m2 de varios usosconocidos (factor de combustión igual a 1):

viviendas 330 : 780 MJ/m2

hospitales 100 : 330 MJ/m2

hoteles 310 : 330 MJ/m2

oficinas 80 : 550 MJ/m2 (excluyendo archivos,almacenes, biblioteca yhabitaciones especia-les)

colegios 215 : 340 MJ/m2 (excluyendo pasillosy almacenes)

c. comerciales 400 : 900 MJ/m2 (exc luyendoEE.UU. )

aparcamientos 200 : 300 MJ/m2

13

REVISIÓN DE LOS MÉTODOS…



El valor fijo de la densidad de combustible(fijo par un determinado edificio) para estos usosvaría entre 50 MJ/m2 (aparcamiento) y 450

MJ/m2 (sala de profesores en un colegio).

Globalmente, los valores de densidadesde carga combustible pueden agruparse en lassiguientes categorías:

BAJA menos de 250 MJ/m2

(no es posible el flashover): aparca-mientos

MEDIA 500 a 1000 MJ/m2: viviendas, hospita-

les, hogares, ofici-nas, escuelas, etc.

ALTA 1000 a 2000 MJ/m2: fabricación ya lmacena jem a t e r i a l e scombustibles<150 kg/m2

MUY ALTA más de 2000 MJ/m2: almacenes,depósitos.

donde c es un factor de conversión que reflejael efecto de la inercia del comparti-mento

donde W es un factor de ventilación para todaslas aperturas (ventanas, puertas,aberturas, claraboyas) que permitanla evacuación del calor y la entrada deaire fresco al compartimento.

Básicamente el valor de Frequerida debe ser:

Frequerida = γ = te

donde γ es un factor de seguridad parcialpara cubrir los imponderables del modelo. Paracasos normales, γ se toma igual a uno, debido aque parte de la carga de combustible se incendiafuera del compartimento y que la combustiónnunca es total.

Casos normales Frequerida = te. Para te calculada

con la hipótesis de que el 100% del contenidodel compartimento se quema dentro de él.

Internacionalmente, el método de tempe-ratura equivalente fue introducido por la reuniónW14 del CIB [7]. Las medidas activas de protec-

ción se han de tener en cuenta.

2.3 Métodos de cálculo basadosen incendios reales = Métodode Evaluación 3

2.3.1 Introducción

Estos métodos que se van a presentar a

continuación son los últimos y más sofisticadosmedios para definir el correcto nivel de resisten-cia estructural frente a un incendio.

La disponibilidad de métodos de cálculobasados en el ordenador ha permitido la consi-deración de cualquier modelo para la transmi-sión del calor.

En cualquier caso, el grado de aproxima-ción del incendio a la realidad puede variar enfunción del modelo seleccionado. Los siguientesmodelos son los más empleados:

• el modelo de compartimento del incendio sesupone constante después de haberse pro-ducido el “flashover”.

• modelos con distribución no uniforme de latemperatura en el compartimento incendia-do (modelos zonificados o de campo)

Todos estos métodos de cálculo se basan

en el empleo al unísono de modelos estructura-les y de transmisión de calor más refinados. Laverificación consiste en verificar la estabilidad dela estructura durante la acción de un incendioreal, para las cargas presentes en el momentodel incendio.

Otra ventaja de estos métodos, que con-viene ser tenida en cuenta, es la posibilidad deemplearse, con ligeras modificaciones, para veri-ficar la resistencia de la estructura durante un

período limitado de tiempo, suficiente para ase-gurar la evacuación.

14



El interés de estos métodos de cálculo severá reforzado por la nueva generación de Euro-normas [8, 9], las cuales consideran el incendio

como una situación accidental.

2.3.2 Incendioscompartimentados =Métodos de Evaluación 3a

Este método puede aplicarse en casosdonde los habitáculos independientes son de untamaño como el que es habitual en hoteles, cole-gios y viviendas, etc. y una distribución uniforme

de la carga de combustible. Para estos casos lasimplificación de considerar la distribución detemperatura en el habitáculo uniforme es correc-ta. Este método precisa el establecimiento delvalor del siguiente conjunto de variables:

• La cantidad de material combustible unifor-memente distribuido en el habitáculo = den-

sidad de carga de combustible (fija y móvil);

• La velocidad de combustión de los distintos

materiales;

• La geometría del compartimento;

• La ventilación del mismo;

• El comportamiento térmico de los muros ysuelos que forman el habitáculo.

Algunas de variables pueden ser aproxi-madas o incluso ignoradas. Las dos variables

más influyentes son:• La densidad de carga de combustible.

• La ventilación del compartimento.

Esta influencia de estos dos factores hasido ilustrada en las figuras 8a y 8b.

Corresponden a modelossimplificados de incendioscompartimentados. Lasactuales teorías que sopor-tan estos métodos despre-cian el período anterior al“flashorver”, por lo que larespuesta de la estructuraestá principalmente gober-nada por la evolución de latemperatura una vez supe-rado dicho punto.

2.3.3 Modelado del

incendio =Método deEvaluación 3b

Estos métodos tra-tan de evaluar la evolu-ción del incendio como unproblema no uniforme, lacual, para un espaciodeterminado y para unatemperatura de la carga

de combustible, estarágobernada por:

15


Figura 8a Evaluación de la temperatura del gas en función de la ventilación (porcen-taje de área abierta sobre área total)



• La localización de foco inicial del incendio

• El crecimiento de dicho foco inicial

• El tamaño, geometría, ventilación e inerciatérmica del compartimento.

Por lo tanto, el desarrollo de la temperatu-ra será función de:

• Tiempo, y

• La localización de un determinado elemen-to estructural en el habitáculo.

Estos modelos deben ser calibrados.Se han llevado a cabo ensayos internaciona-les en grandes espacios (CTICM Francia..) oen laboratorios con grandes instalaciones(Finlandia/Espoo) lo que ha permitido medirla variación de la temperatura de los incen-dios reales en diferentes puntos . Estos méto-dos son útiles para los casos de incendios

localizados en grandes espacios o grandeshabitáculos.

2.4 Algunas reflexionessobre losrequerimientos deresistencia duranteun incendio cuandose usan medidasde protección activas

Si es posible evitar la ocurren-cia del “flashover” mediante el uso demedidas de protección activas (siste-mas de alarma, equipos de extinciónadecuados, rociadores, CO2, Halón),

la estructura nunca se verá en peligropor el incendio.

Consecuentemente, con inde-pendencia de cualquier enfoque quese adopte para determinar las condi-ciones de protección, éstas puedenser reducidas o eliminadas, siempreque exista una probabilidad elevada deéxito de las medidas de protecciónactiva instaladas.

De hecho un número cada vez mayor depaíses como Suecia, Suiza y Alemania permitenreducir o hasta eliminar los requisitos de resis-tencia cuando la probabilidad de que no se pro-duzca el “flashover” o de que el foco del incendioesté muy localizado es suficientemente alta.Algunos otros países también están siguiendoesta tendencia. Estos enfoques alternativos selimitarán a ocupaciones en las que no se espe-ran cambios significativos en su uso y en edifi-cios con un número limitado de edificios. El prin-

cipal argumento en contra de estos enfoquesalternativos es la fiabilidad de las medidas acti-vas, en el sentido de que, si fallan en su objetivode suprimir el foco inicial, entonces una estructu-ra con una capacidad de resistencia reducidapuede representar un considerable peligro. Encada caso se deben considerar los riesgos decolapso.

El enfoque de modelado del incendio esun modo apropiado de demostrar la efectividad

de los enfoques alternativos. De hecho, ladependencia entre los requerimientos estructu-

16

Figura 8b Influencia de la densidad de carga de fuego en la temperatu-ra del gas (factor ventilación fv = 0.091m –1/2)



rales y riesgos potenciales se acepta universal-mente, pero la dependencia de medidas noestructurales (que gobiernan la frecuencia de

incendios graves) no alcanza la misma acepta-ción como parámetro de diseño. La modelizacióndel fuego permitirá, en último caso, cuantificar eincorporar en el cálculo la influencia de medidasactivas de seguridad.

Para el método de evaluación 2 (T-equiva-lente), la guía de diseño del CIB propone multi-plicar el valor de la te calculada tal como se des-

cribe en el punto 2.2 por un factor diferencial quecuantifique la existencia de medidas de preven-ción. Este factor variará en función del nivel deseguridad, efectividad y fiabilidad de las medidasde protección implementadas, y en cualquiercaso es menor que la unidad.

17


Figura 9 Resumen sobre métodos de valoración

M é t o d o s d e c l a s i f i c a c i ó n

I n c e n d i o N a t u r a l I n c e n d i o e s t á n d a r

M é t o d o s d e

i n g e n i e r í a

M é t o d o s d e

v a l o

r a c i ó n

I n c e n d i o n a t u r a l

( M o d e l o s )

T e m p e r a t u r a






3. RESUMEN FINALLos objetivos de la seguridad ante el incendioconsisten en reducir la pérdida de vidas y

propiedades o pérdidas económicas, duranteincendios en edificios o vecindarios.

Los conceptos de seguridad ante el incendioque se utilizan para este propósito son gruposde medidas de prevención estructurales, téc-nicas y de organización, tomadas por el pro-pietario, el jefe de bomberos y el arquitecto.

Hay diferentes conceptos de seguridad dispo-nibles, incluyendo conceptos estructurales, decontrol y extinción.

La definición que dan arquitectos e ingenierosdel nivel de requisitos de resistencia al fuegose basa en un acercamiento a la seguridadglobal ante el fuego y a un menor coste-efec-tividad de los modernos conceptos de seguri-dad.

Son varios los métodos de valoración utiliza-dos, incluyendo sistemas de clasificación ymétodos de ingeniería.

4. BIBLIOGRAFÍA

[1] Kletz T.A., Symposium on Loss Prevention inChemical Industry - Inst. Chem. Eng., Newcastleon Tyne, 1971.

[2] Sowby F.D., Symposium on TransportingRadioactive Materials, April 1964.

[3] Fry J.F., Inst. Fire Eng. Edinburgh (1970) 30 77.

[4] Field Survey on the Role of Steel Structures

in Industrial Fires. Evaluation of EuropeanResearch carried out in France and in theNetherlands. ECSC-Agreement Number: 7219-SA-307 & 607.

[5] Baldwin R. and Thomas P.H., Passive andactive fire protection - the optimum combination.Fire Research Station. Fire Research NoteNumber 963, London, 1973.

[6] DIN 18 230: Baulicher Brendschutz im

Industriebau. Teil I: Technerisch erforderlicheFeuerwiderstandsdauer. Deutches Institut fürNormung e.V., Berlin.

[7] CIB (Conseil International du Batiment) W14Workshop “Structural Fire Safety”: AConceptional Approach Towards a ProbabilityBased Design Guide on Structural Fire Safety.Fire Safety, Volume 6, Number 1, 1983. ElsevierSequoia S.A., Lausanne.

[8] Eurocode 1: “Basis of Design and Actions onStructures”: Part 2.7: Actions on StructuresExposed to Fire, CEN (in preparation).

[9] Eurocodes 2-6: “Design of Concrete, Steel,Composite, Timber and Masonry Structures”:Parts 10: Structural Fire Design, CEN (in prepa-ration).

18



5. BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL

1. European Convention for Constructional

Steelwork, “Design Manual on EuropeanRecommendations for Fire Safety of SteelStructures”, ECCS Publication 35, Brussels,ECCS, 1985.

2. Robinson, J., “Fire Protection and FireEngineering”, Chapter 34 - Steel Designers’Manual 5th ed, Oxford, Blackwell ScientificPublications, 1992.

3. Fire Protection for Structural Steel inBuildings, SCI P-013, 2nd Revised Ed,Association of Fire Protection Contractors and

Manufacturers, ASFPCM, Aldershot, 1992.

5. Handbook of Fire Protection Engineering, 1stEd, National Fire Protection Association, NFPA,USA, 1988.

6. Steel and Fire Safety - A Global Approach,Eurofer Steel Promotion Committee Brochure,Eurofer, Brussels, 1990.

19

BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL




Lección 6.2: Principios de Análisis Termodinámico

21



23

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Se introducen los principios básicos para

el análisis térmico en las situaciones de incendio.


Conocimientos básicos deTermodinámica.

LECCIONES AFINES



Lección 6.4: Métodos Prácticos deLograr la Resistencia contrael Incendio

Lección 6.5: Ejemplos de Cálculo

RESUMEN

Se presentan los modelos térmicos y las

reglas simples para el cálculo de la respuestatérmica transitoria de elementos de acero, bienprotegido o sin proteger. Se introducirá el con-cepto “factor de la sección” para los perfiles lami-nado de acero. Se estudiarán, asimismo, los ele-mentos (columnas y forjados) mixtos.



24

1. INTRODUCCIÓN

Un incendio es un fenómeno complejo

que puede tomas muchas formas y durante sudesarrollo pueden presentarse deferentes reac-ciones químicas.

Desde un punto de vista estructural, sólopresentan interés aquellos incendios que pue-den provocar daños a la estructura, y en estecaso, el incendio debe ser contemplado comouna situación accidental.

Los criterios de diseño para la seguridad

durante los incendios requieren la elección demodelos estructurales y térmicos

El incendio se suele representar por unacurva temperatura-tiempo, que representa latemperatura media alcanzada durante un incen-dio en un compartimento pequeño o en un hornode los usados para ensayos de incendios. Lasnormas internacionales se basan en un incendionormalizado definido por una exposición térmicadada por la curva ISO-834 (figura 1). En algunoscasos se puede usar los incendios reales cuyasrelaciones temperatura-tiempo son diferentes enfunción de la densidad de combustible o de lascondiciones de ventilación de cada caso (figuras2a y 2b).

En análisis más complejos se puedenusar diferentes modelos para representar el

desarrollo de la temperatura en diferentes zonasde un compartimento o en la vecindad de él.Este es el caso, por ejemplo, de edificios indus-triales muy grandes o para columnas externas alas ventanas de un edificio.

La respuesta de un elemento estructuralexpuesto a un incendio está gobernada por elflujo de calor recibido, puesto que las propieda-des mecánicas de los materiales disminuyen alaumentar la temperatura y, como consecuencia,la resistencia estructural se reduce.

El colapso de la estructura seproduce en el momento en el que laresistencia estructural se reducehasta el valor de las acciones. El perí-

odo de resistencia puede ser peque-ño, si la temperatura crece de mane-ra rápida. Los elementos de aceropresentan un comportamiento muydesfavorable en este aspecto, debidoa la alta conductividad térmica delmaterial. El calentamiento de todo elperfil se produce de una manera rápi-da. Como contraste, los elementosmixtos tienen un compartimiento másfavorable debido a la gran inercia tér-

mica de los elementos y a la baja con-ductividad térmica del hormigón.Figura 1 Curva normalizada ISO de incendio

Figura 2a Evolución de la temperatura del gas para dife-rentes densidades de carga de combustible(Factor de ventilación fv = 0,091 m1/2)



25

INTRODUCCIÓN

En esta lección se tratarán los aspectosbásicos del análisis térmicos. Se comenzará conla ecuación general para la transferencia de

calor, para simplificarla posteriormente en elcaso de elementos de acero. Se despreciaránlos gradientes térmicos a través de la sección ya lo largo del elemento.

Durante un incendio, la temperatura delacero se incrementa similarmente, aunque conun cierto retraso, a la temperatura del gas delfuego (figura 3). El retraso depende de la inerciatérmica del elemento, así como de la intensidaddel flujo de calor a través de su superficie exter-

na. Si el elemento ha sido revestido con un ais-lante, este retraso es mayor. Para elementosdesnudos éste depende del factor de la seccióndel elemento.

En la figura 3, se compara laevolución de la temperatura en unelemento para tres casos diferentes.La curva (a) representa el retardo enel calentamiento del elemento sinninguna protección, las curvas (b) y(c) se corresponden con elementos alos que se ha aplicado una capa deprotección, con y sin contenido dehumedad.

Figura 3 Influencia del aislamiento sobre la velocidad de calentamiento

Figura 2b Evolución de la temperatura del gas en funciónde la ventilación (porcentaje del área abiertafrente al área total de la fachada) para un incen-dio con una carga q = 30 kg/m2 de superficie demadera



26

2. ECUACIÓN DETRANSFERENCIA DE CALOR

El incremento de temperatura de un ele-mento estructural de acero depende del calortransferido entre el ambiente y dicho elemento.

De acuerdo con la segunda ley de termo-dinámica, el calor se transmite entre cualesquie-ra elementos que tienen una diferencia de tem-peraturas. Los mecanismos por los cuales dichaenergía térmica puede transmitirse desde zonasde mayor temperatura a zonas de menor tempe-ratura son la conducción, la radiación y la con-

vección.En la superficie exterior de un elemento

de un edificio se encuentran presentes los tresmecanismos. En el interior de los elementos, elcalor se transfiere de un punto a otro por con-ducción.

El enfoque más general para estudiar elincremento de temperatura en un elementoestructural envuelto en un incendio está basadoen la integración de la ecuación de Fourier detransmisión de calor dentro de un elemento. Laintegración de dicha ecuación permite obtener elbalance de energía entre el flujo neto de calorque fluye a través de las paredes, el flujo decalor en el interior del cuerpo por unidad de volu-men y de tiempo y la velocidad de cambio de laenergía interna. El cambio en la energía interna

causa el incremento en la temperatura.

Esta ecuación puede ser resuelta cuando

se conocen las condiciones iniciales y de contor-no.

Para un incendio, las condiciones inicialesconsisten en la distribución de temperaturas alcomienzo del análisis (generalmente la tempera-tura de la habitación al comienzo del incendio);las condiciones de contorno han de ser definidaspara cada superficie de la estructura.

Usualmente, las simulaciones de incendios

se basan en una evolución de la temperatura conel tiempo, como por ejemplo la de la curva ISO-834 TC 92. Sin embargo, se puede usar cualquierotra relación entre temperatura y tiempo.

Los métodos de cálculo numéricos sonnecesarios para poder resolver la ecuación deflujo de calor. Existe una gran disponibilidad deprogramas de ordenador, y es posible realizaranálisis térmicos de estructuras muy complejas.

En muchos casos, la forma general de laecuación puede ser simplificarse bastante. Enalgunos casos, la conductividad térmica, la densi-dad y el calor específico pueden suponerse inde-pendientes de la temperatura; la generación inter-na de calor no existe o puede ser despreciada; yproblemas tridimensionales pueden ser idealiza-dos en dos dimensiones e incluso en una.



3. CALENTAMIENTODE SECCIONESDE ACERO

Al no existir generación de calor enel interior de los elementos de acero ypuesto que el material es isotrópico, laecuación de transferencia de calor deFourier tomo la expresión:

(1)

La cantidad ks / ρscs se conocecomo difusión térmica y varía con la tem-peratura.

La densidad del acero (ρs) puede conside-rarse independiente de la temperatura (ρs =7850 kg/m3); mientras que la conductividad ks y elcalor específico Cs cambian con la temperatura(figuras 4 y 5), pero para cálculos simplificados esposible suponerlas constantes (cs = 520 J/kg°C y ks= 45 W/m°C, para todas las calidades de acero).

La solución de la respuesta transitoria sepuede obtener por métodos numéricos en suforma más general; pero la conductividad térmi-ca es tan elevada que puede despreciarse ladiferencia de temperaturas entre los distintospuntos de una sección transversal.

Esta simplificación significa que la resis-tencia térmica a flujo de calor es despreciable.Cualquier calor suministrado a la sección deacero, se supone instantáneamente distribuidapara conseguir una temperatura uniforme. Deesta manera el balance de energía puede refe-rirse no sólo a un elemento infinitesimal, sinotambién a toda la sección de material expuestoal calor (figura 6).

La cantidad de calor transferida por uni-dad de longitud en un intervalo de tiempo ∆t es:

∆ Q = K . Am . (θf – θs) . ∆ t (2)

donde:

K es el coeficiente total de transferen-cia térmica (W/m2°C)

Am es el área de la superficie perime-tral por unidad de longitud someti-do al incendio (m2 /m)

θf es la temperatura de gases (°C)

θs es la temperatura del acero duranteel intervalo de tiempo ∆ t (°C)

Si esta cantidad es absorbida en sutotalidad por la sección, o lo que es lo

mismo no se consideran las pérdidas decalor, la energía interna por unidad de lon-

k

c ts

s sρ θ

∂θ∂

∆2 =

27

CALENTAMIENTO DE SECCIONES DE ACERO

Figura 4 Calor específico del acero en función de la temperatura

Figura 5 Conductividad térmica del acero en función de la tempe-ratura



gitud de elemento se incrementa en la mismacantidad:

∆ Q = cs . ρs . A . ∆ θs (3)

donde:

A es el área de la sección transversal del ele-mento (m2).

La aumento de la temperatura del acero seobtiene por comparación de (2) y (3) como sigue:

(4)

Resolviendo esta ecuación incremental

paso a paso se obtiene el desarrollo de la tem-peratura del elemento durante el incendio. Paraasegurar la convergencia numérica de la solu-ción, se debe considerar un límite superior par elincremento de ∆ t. En el Eurocódigo 3 Parte 1.2[1] se sugiere que:

donde:

∆ t se mide en segundos

Am /A está en m-1

Es evidente que un parámetro importanteen la determinación del incremento de la tempe-ratura en la sección es el factor Am /A. Éste esconocido habitualmente como “factor de la sec-ción” (algunas veces definido como F/V, o A/V, oHp /A en diferentes países).

Cuando el perfil está en contacto con otroelemento, por ejemplo, con un encofrado de hor-migón, el cual tiene una conductividad térmicamuy inferior a la del acero, el perímetro efectivoexpuesto Am debe calculares teniendo en cuen-ta sólo la parte de la superficie directamenteexpuesta. Lo anterior exige la asunción de lacondición adiabática de la superficie de contac-to. El resultado es una solución conservadora:en realidad parte de la energía térmica pasa através del elemento más frío y, si se desprecia, elincremento de la temperatura en el elemento esmás alta.

Es muy importante entender este punto,puesto que es la clave para la decisión de si se

puede admitir una solución simplificada para el

∆tA Am

≤ ⋅2 5 104,

∆ ∆θρ

θ θss s

mf s

K

c

A

At= ⋅ ⋅ − ⋅( )

28

Figura 6

∆

∆∆

Figura 8 Secciones transversales típicas de diferentes forjados mixtos

Figura 9 Sección transversal de un pilar con un perfil en H

envuelto por hormigón armado, con armadurasen dirección longitudinal



problema térmico o si es necesario resolver laecuación de transferencia de energía completa.

En algunos casos puede ser apropiadoconsiderar los gradientes térmicos en la seccióntransversal de acero o el flujo de calor transmiti-do desde el acero al hormigón en solucionesconstructivas como los suelos con encofrado dechapa perfilada o en elemento mixtos ( ver lasfiguras 8 y 9). En ese caso se puede usar unmodelo de elementos finitos.

El Eurocódigo 3 parte 1.2 permite resolvermuchos problemas prácticos de una manera

simplificada [1].La información sobre la transferencia de

calor se presenta tanto en el caso de elementossin protección, como en el que existe dicha pro-tección. Se consideran dos tipos de proteccio-nes: materiales de aislamiento secos, y materia-les que contienen una cantidad suficiente dehumedad en su interior.

La publicación del ECCS “EuropeanRecommendations for Fire Safety of SteelStructures” [2] también ofrece una fórmula simplifi-cada que expresa la relación entre el tiempo, t, deexposición al incendio norma-lizado (expresado en minu-tos), la temperatura críticaTs,cr del elemento, el factorde la sección Am /A y las pro-piedades de los materialesdel aislamiento, su espesor dy su conductividad térmica λi.

Para elementos sin pro-tección la ecuación es:

t = 0,54 (θcr - 50) (Am /A)-0,6

Que puede serresuelta de dos maneras:

θcr = 1,85 t (Am /A)0,6 + 50

o

Am /A = 0,36 [(θcr - 50)/t]1,67

y que es valida para los siguientes rangos:

t = 10 a 80 min

θcr = 400 a 600°C

Igualmente, para las secciones protegidasligeramente con un material aislante, la ecuaciónes:

o

En la anterior ecuación d es el espesor dela protección (en metros) y λi es la conductividadtérmica del material (en W/m°C).

Estas ecuaciones se pueden presentar enun diagrama, muy práctico para los proyectistas(figura 10).

La ecuación (4) contiene los tres principa-les factores de los cuales depende el aumentode temperatura del acero: el coeficiente total de

d t AAcr

m i= − ⋅ ⋅0 0083140

15

,

,

θ λ

t dA

Acr

i m

= −

40 140

0 77

( )

,

θλ

29

CALENTAMIENTO DE SECCIONES DE ACERO

Figura 10 Relación entre el factor de uso, el factor de la sección y la resistencia alincendio

χ

υ

η

υ

λ



transferencia, el cociente entre el perímetroexpuesto del elemento Am y su sección transver-sal A; y la diferencia de temperaturas entre los

gases calientes y el acero.

El coeficiente de transferencia de calor, K,depende de los coeficientes de transferencia porconvección y radiación, αc y αr, y, si hay un ais-lante, de la conductividad térmica del material yde su espesor, de tal manera que:

(5)

Para condiciones normales de convenciónen un incendio (como las de un ensayo en unhorno) el valor de αc puede suponerse:

αc = 25 W/m2°C (6)

mientras que αr puede calcularse como:

donde εr es la emisividad resultante de las lla-mas, los gases de combustión y la superficie delacero. Su valor puede suponerse tal como semuestra, de acuerdo con el Eurocódigo 3 [1]:

εr = 0,5

El valor del factor de la sección (Am /A)puede variar en un abanico muy amplio. La veloci-dad de aumento de la temperatura en una secciónpequeña y gruesa será pequeña, mientras que enuna sección grande y delgada será más rápida.

Las diferencias entre los valores del factorde la sección es la principal causa del comporta-

miento de diferentes elementos expuestos alincendio. Si la inercia térmica es grande, el aumen-to de la temperatura será lento y la resistencia alincendio será mayor bajo las mismas cargas.

Los valores del factor de la sección pue-den encontrarse en numerosas publicaciones.Debe hacerse notar que el factor de la secciónrepresenta el cociente entre la superficie efectivaexpuesta al incendio y el volumen del elemento.

Cuando se ha aplica-do un protector, lasuperficie que debetenerse en cuenta noes la superficie exter-na del perfil, sino lainterior, como en elcaso de un encapsu-lado (figura 7).

α εθ θ

θ θr

r

f s

s s=−

⋅ +

− +

5 77 273

100

273

100

4

4

4

4

, ( ) ( )

Kdc r i

=+ +

1

1( )α α λ

30

Figura 7 Factores de sección para secciones aisladas



4.3 Respuesta térmica de forja-dos mixtos

Los forjados mixtos, en comparación conotros tradicionales, no sólo tienen una funciónportante, sino también una función de separaciónentre espacios. Como consecuencia, se debentener en cuenta los criterios de aislamiento e inte-gridad cuando se considera la determinación dela resistencia al incendio. Par forjados mixtos elcriterio de integridad no es difícil de cumplir.Normalmente el forjado se hormigona en obrapor lo que las juntas están adecuadamente sella-das. Las fisuras que pueden existir en el hormi-gón no tienen importancia puesto que la chapa

perfilada impide la penetración de las llamas o elhumo. Para estos forjados no es necesaria unacomprobación explícita de la integridad.

Los siguientes planteamientos debenconsiderar el análisis del criterio de aislamiento.Se han desarrollado reglas para la determina-ción de la distribución de temperaturas, puestoque dicha información es necesaria para evaluarla resistencia estructural. Estas reglas en el cál-culo del refuerzo necesario, puesto que sin dicho

refuerzo la resistencia de los forjados mixtosestá en torno a los 30 minutos.

Al igual que con los pilares com-puestos, es necesario usar un modelobidimensional de transmisión del calor

para los forjados mixtos. Estos modelosson demasiado elaborados para el dise-ño diario. Para solventar esta dificultad,el forjado mixtos se asimila a una losaplana con un espesor efectivo igual a unamedia ponderada de los espesores rea-les del forjado. Entonces, la distribuciónde temperaturas puede ser calculadapara distintos períodos de exposición alincendio. De dichas distribuciones sepuede deducir una regla para el cálculo

del espesor mínimo del forjado paracumplir los criterios de aislamiento. Estasreglas se muestran en la figura 14, juntocon algunos resultados de ensayos. Sepuede ver como los resultados seencuentran del lado de la seguridad.

32

Figura 14 Mínimo espesor efectivo de un forjado para alcanzar el cri-terio de aislamiento (∆t – 140°C)

E s p e s o r e f e c t i v o h e ( m m )

Figura 15 Temperatura en las armaduras adicionales

δ

δ

δ



La temperatura del refuerzo adicional juega un papel fundamental en el análisisestructural. Por ello, se han determinado ecua-

ciones de las que puede obtenerse estas tem-peraturas como una función de la posición de

las armaduras de refuerzo en la losa, (localiza-ción dada por u1, u2, u3) y el período de expo-sición a un incendio normalizado. La figura 15

muestra los resultados de algunos ensayos decomprobación.

33

RESPUESTA TÉRMICA…



5. RESUMEN FINAL• La respuesta de un elemento estructural

expuesto a un incendio está gobernada por

la velocidad de calentamiento, la cual estárelacionada con el factor de la sección delelemento.

• La ecuación que refleja el comportamientotérmico de un elemento estructural es laecuación de transferencia de calor deFourier. La solución general de esta ecua-ción sólo es posible mediante métodosnuméricos.

• En numerosos casos prácticos se puedenusar soluciones simplificadas para determi-nar la temperatura alcanzada por los perfi-les estructurales bajo la acción de un incen-dio.

6. BIBLIOGRAFÍA[1] Eurocode 3 Part 1.2, “Structural Fire Designof Steel Structures” CEN .

[2] European Convention for ConstructionalStelwork, “European Recommendations for FireSafety of Steel Structures”, ECCS Publication 30,Elsevier, 1983.

[3] European Convention for ConstructionalSteelwork, “Calculation of the Fire Resistance ofComposite Columns Exposed to the Standard

Fire”, 1986.

[4] European Convention for ConstructionalSteelwork, “Calculation of the Fire Resistance ofComposite Concrete Slabs with Profiled SteelSheet Exposed to the Standard Fire”, 1984.

7. BIBLIOGRAFÍA ADICCIONAL1. Eurocode 4 Part 1.2, “Structural Fire Designof Composite Structures” CEN

2. Quast, U., Hass, R. and Rudolph, K.,“STABA/F, A Computer Programme for theDetermination of Load Bearing and DeformationBehaviour of Uni-Axial Structural Elements underFire Action”, Technical University ofBraunschweig, March 1984.

3. Schleich, J. B., Dotreppe, J. C. and Franssen, J.M., “Numerical Simulations of Fire ResistanceTests and Steel and Composite StructuralElements or Frames“, Report presented at the FirstInternational Symposium on Fire Safety Science.Gaithersburg, Maryland, USA, October 1985.

34




Lección 6.3: Principios de Análisis Estructural

35



37

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Se realizarán cálculos para la determi-

nación de la capacidad resistente de los ele-mentos estructurales sometidos a incrementosen sus temperatura. Se ofrecen directricespara el cálculo de la velocidad de calentamien-to del acero y las estructuras mixtas durante unincendio.


Lección 6.1: Introducción a la Seguridad

ante el IncendioLección 8.3: Modos de Inestabilidad

Elástica

LECCIONES AFINES

Lección 3.3: Propiedades físicas de losAceros

Lección 6.2: Principios de AnálisisTermodinámicos

Lección 16.2: Análisis de Pórticos: AnálisisPlástico

RESUMEN

La resistencia última de un elementosestructural sometido a un incendio se calcula apartir de la carga aplicada durante dicho incen-dio y usando las teorías de plasticidad. Se dife-renciará entre elementos sometidos a flexión y

elementos comprimidos, así como entre seccio-nes uniformemente calentadas y secciones congradientes térmicos en su sección. Se presenta-rán los principales factores que influyen en laestabilidad durante un incendio. También seestudiará el comportamiento estructural de lospilares y forjados mixtos.



38

1. INTRODUCCIÓN

El incremento de la temperatura del

acero y el hormigón, en estructuras mixtas,conlleva un decremento en las propieda-des mecánicas, como la tensión de fluen-cia, el módulo de Young, y la tensión decompresión última del hormigón (figuras 1a 4). Por lo tanto, cuando un elemento deacero o mixto es sometido a un incendiosufre una disminución en su capacidadresistente. Si la duración e intensidad delincendio son lo suficientemente grandes, lacapacidad resistente puede caer hasta el

valor de las cargas aplicadas, tenien-do lugar el colapso de la estructura(figura 5). Esta situación se represen-ta de la siguiente manera:

Pu (θcrit) = P

donde:

P es la carga aplicada durante elincendio

Pu (θcr) es la resistencia portan-

te para una temperaturaθcrit (temperatura críti-ca), y

Pu es la resistencia a temperatu-ra ambiente.

El objetivo de estalección es suministrar losprincipios de análisis estruc-tural que gobiernan estasituación.

Figura 1 Curva tensión-deformación para el acero

σ

Figura 2 Resistencia del acero estructural a temperaturas elevadas

Figura 3 Resistencia a la compresión del acero



39

CARGA APLICADA

2. CARGA APLICADA

La carga aplicada se obtiene de la conside-

ración de la combinación accidental de las accio-nes mecánicas tales como: peso muer-to, cargas temporales, viento (sólo paralos arriostramientos) y nieve.

Debido a la baja probabilidadde ocurrencia simultánea de unincendio y de niveles de carga seve-ros, sólo se considerará la siguientecombinación accidental:

1,0 GK + ψ 1 QK,1 + Σ ψ 2,i QK,i

donde:

GK es el valor característico de lascargas permanentes

QK,1 es el valor característico delas acciones variables princi-pales

QK,i es el valor característico delresto de acciones variables

ψ 1 es la frecuencia de las principa-les acciones variables

ψ 2,i es la media de la frecuencia delas otras acciones variables.

Generalmente, en un incendio:ψ 1 = 0,5 y ψ 2,i = 0

A parte de los arriostramientos, QK,1 yQK,2 corresponden a las cargas impuestas y alas cargas de nieves.

Figura 4 Deformación máxima del acero

Figura 5 Ejemplos de disminución de la resistencia portante de unaestructura durante la exposición a un incendio



40

3. DETERMINACIÓN DE LACAPACIDAD RESISTENTEDURANTE UN INCENDIOEl cálculo de la capacidad resistente de

una estructura sometida al incendio se puedeefectuar de diferentes maneras, dependiendodel tipo de estructura y de los requerimientos deestabilidad durante el desarrollo del incendio.

El método de cálculo más simple es unanálisis en el cual la estructura es representadapor cada uno de sus elementos individualesexpuestos al incendio directamente. En estos cál-

culos, las condiciones de contorno y de apoyodeben tomarse iguales a las normales durante elservicio. Las fuerzas externas y los momentos decada elemento se deducen de un análisis estruc-tural bajo condiciones de servicio normales.

Este tipo de análisis es generalmentesuficiente cuando los requerimientos de estabili-dad en un incendio se expresan en función de la

duración frente a un incendio normalizado.

La capacidad resistente puede calcularsetambién a través de un análisis de parte o detoda la estructura, teniendo en cuenta la interac-ción entre varios elementos, la expansión, y lalocalización del incendio.

Este último tipo de análisis conduce a unconocimiento más exacto acerca del comporta-miento de la estructura durante un incendio. No

obstante, para estos cálculos se requiere el usode un modelo numérico y de la asistencia de unordenador.



4. CAPACIDAD RESISTENTEDE LOS ELEMENTOSESTRUCTURALES

La temperatura crítica (θcrit), que conduceal colapso de la estructura, se calcula suponien-do una distribución uniforme de la temperatura através de la sección transversal de los elemen-tos.

A continuación, se presentan varios ejem-plos de cálculo de la temperatura crítica, en losque se usará la teoría de la plasticidad.

Se considerarán cuatro tipos de elemen-tos: elementos sometidos a tracción, pilares,vigas y pilares-columnas [1].

4.1 Elementos sometidosa tracción

A temperatura ambiente, la tensión deresistencia última se expresa como:

Np = A . fy

donde:

A es la sección transversal del elemento,

fy es la tensión de fluencia

A una temperatura dada θ, uniforme en

toda la sección, la resistencia última a tracciónes:

Np (θ) = A . ψ (θ) . fy

ψ (θ) es la reducción de la resistencia a latemperatura θ, y se puede obtenerde la figura 2.

El colapso del elemento se producirá a latemperatura crítica θcrit en la cual:

Np (θcrit) = N

donde: N = las cargas aplicadas en lascondiciones de incendio.

Esta fórmula también puede expresarsecomo:

A . ψ (θcrit) . fy = A . σ

donde: σ = son las tensiones aplicadas encondiciones de incendio

Por lo tanto ψ (θcrit) = σ /fy

o, ψ (θcrit) = A σ /A.fy = N/NP = P/Pu

Por lo tanto, conociendo P/Pu es posibledeterminar, usando la figura 2, el valor crítico de

la temperatura del acero (θcrit) para la cual ψ (θcrit) es igual a P/Pu.

4.2 Pilares

En este caso, se puede realizar un cálcu-lo similar al de elementos sometidos a tracción,pero teniendo en cuenta los efectos del pandeode los pilares. Este efecto se cuantifica a travésde la modificación de la resistencia mediante uncoeficiente de pandeo. Con objeto de correlacio-nar estos resultados en pilares con el comporta-miento básico del acero a elevadas temperatu-ras, es necesario considerar un factor decorrección, κ , tal que:

ψ (θcrit) = κ P/Pu

Tanto P como Pu deben evaluarse usandoun coeficiente de pandeo apropiado. Este coefi-ciente para un pilar sometido a una temperaturaθ se expresa como:

donde: φ(θ) = 0,5 (1 + α (λ(θ) - 0,2) + –λ(θ)2)

y

Las condiciones de sustentación del pilardeben tenerse en cuenta. Generalmente las par-tes frías de los extremos de un pilar conducen a

un valor inferior de la esbeltez, λ, en compara-ción con el de las condiciones normales.

λ θ λ

π

θ

θ( )

( )

( )= ≈

f

E

f

E

y y

χ θφ θ φ θ λ θ

( )( ) ( ( ) ( ) ) /

=+ −

≤1

12 2 1 2

41

CAPACIDAD RESISTENTE…



El valor del factor de corrección, κ , esigual a 1,2. Éste es usado para compensar laelección de fy el cual está relacionado con la ten-

sión efectiva de fluencia (nivel de tensión en elcual la curva tensión-deformación tiende hacia laplataforma plástica a ciertas temperaturas) y nola tensión de fluencia para una deformación del0,2%.

4.3 Vigas

4.3.1 Vigas simplementesoportadasEl máximo momento flector para una viga

simplemente apoyada y con una carga uniforme(de valor P por unidad de longitud) es:

M = PL/8

y su correspondiente tensión máxima es:

σ = M / Se

donde:

Se es el modulo elástico mínimo de la sec-ción

Para alcanzar el colapso de acuerdo conla teoría plástica, es necesario que se forme unarótula plástica a mitad del vano. El fallo ocurrirácuando al carga total de la viga es:

Pu = 8 Mu /L

donde:

Mu es el momento flector resistente plásticodado por:

Mu = Z . fy

siendo Z el módulo plástico de la sección

Cuando la temperatura es igual a θ, estemomento flector resistente plástico es igual a:

Mu(θ) = Z . ψ (θ) . fy

Para una viga sujeta a una carga P, elcolapso ocurrirá a θcrit cuando:

Pu(θcrit) = P o Mu(θcrit) = M

es decir, cuando ψ (θcrit) = Se . σ /Z . fy = σ /(f . fy)= P/Pu

donde f = Z/Se es el factor de forma de lasección (≅ 1,10 a 1,3).

4.3.2 Viga continua

Cuando una viga está estáticamenteindeterminada, se deben presentar más de unarotula plástica para obtener el colapso. Paravigas diseñadas elásticamente, se debe usar uncoeficiente (χ) en el cálculo de la temperaturacrítica en las condiciones de fallo. Este coefi-ciente refleja la redistribución de momentos en laestructura intermedia (análisis plástico).

Por ejemplo, una viga continua con tresapoyos, uniformemente cargada, tiene un máxi-mo momento flector (M) en medio del vano,donde:

M = PL/8

es decir, igual al momento a mitad devano de una viga simplemente apoyada.

Durante un incendio, se formará una rótu-la plástica en medio de los apoyos al aumentarla temperatura cuando:

Mu(θ1) = M

La viga simplemente apoyada fallaría aesta temperatura (θ1), aunque una viga continuatodavía necesita un incremento de temperaturahasta la θcrit para que se forme otra rótula plásti-ca en estos vanos (figura 6), precipitando elcolapso de la viga.

La capacidad resistente de una viga con-tinua es:

Pu(θcrit) = 12 . Mu(θcrit)/L

42



por lo que ψ (θcrit) = 8.Se.σ /12 . Z . fy == P/Pu

El cociente 12/8 = 1,5 = χ es el coeficien-te de indeterminación estática, o el coeficientede redistribución plástico.

4.4 Viga pilar

Cuando una carga axial actúa conjunta-mente con un momento flector en un mismo ele-

mento estructural, su temperatura critica puedeser obtenida por la siguiente formula:

donde:

χmin es el menor de los coeficientes depandeo χy y χz en torno a los ejes yy o zz y

ky y kz son los factores de reducción para

los ejes yy y zz respectivamente (ver lecciones9.6.1 y 9.6.2)

4.5 Parámetros principales

Los distintos parámetros que tienen una

influencia importante sobre la temperatura críticapueden deducirse del estudio de la fórmula ante-riormente mencionada.

La fórmula general para elementos some-tidos a flexión es:

χ es el coeficiente presentado en la sec-

ción 4.3.2:y para columnas y vigas columnas es:

Esto muestra que ψ disminuirá y conse-cuentemente la temperatura crítica aumentará,cuando:

• la tensión (= carga aplicada) disminuye o,• la tensión de fluencia de la calidad del acero

aumenta o,

• el factor de forma (f) aumenta,

• el coeficiente de indeterminación estáticaaumenta.

La temperatura crítica también puedeincrementarse mediante el uso otras calidadesde acero con un comportamiento mejor a altastemperaturas.

4.6 Elementos de acero conuna distribuciónde temperaturas no uniforme

En la realidad es muy inusual que la tem-peratura a través y a lo largo de los elemento seauniforme.

Los gradientes térmicos se deben a

varias causas, por ejemplo, la presencia de unforjado o de una pared cerca del ala de un

ψ θχ

( )critmin p

i i

p i

N

N

k M

M= +

⋅Σ

ψ θ σ

χ( )crit

yf f=

⋅ ⋅

ψ θχ

( )critmin p

y y

p y

z z

p y

N

N

k M

M

k M

M= +

⋅+

⋅

⋅ ⋅l l

σ

yf f⋅ ⋅8

12

43


Figura 6

φ φ

φ φ

φφ

: Rótula Plástica



perfil laminado, la localización del incendio,las conexiones entre pilares y vigas (lo quesupone una concentración de acero), elemen-

tos colocados fuera del habitáculo incendiado,etc.. Estos gradientes tienen diferente influen-cia en el comportamiento mecánico de loselementos estructurales.

Para vigas, una temperatura inferior en elala superior supone un incremento en el momen-to flector último (figura 7). Tratándose de vigascontinuas, una temperatura menor en el área delapoyo intermedio contribuye a, bien un aumentoen el intervalo de tiempo necesario para alcan-

zar la temperatura a la que aparece la rótulaplástica, o bien, a un desplazamiento de la estarótula hacia una sección transversal con uncociente óptimo entre momento flector y tempe-ratura.

Por lo anterior, la reducción en la tempe-ratura de cualquier parte de la viga provoca unincremento en su resistencia estructural.

Estos gradientes térmicos pueden cuan-tificarse, bien mediante el cálculo de la capaci-dad resistente tal como se explica en la sección

5 o usando un coeficiente global, llamado factorKappa. El factor Kappa es un coeficiente globalque mide la influencia benéfica de los gradien-tes térmicos para vigas. Con este propósito lafórmula general para una viga se convierte en[2]:

donde:

κ = 1 para vigas simplemente apoyadasexpuestas por todas sus caras

= 0,7 para vigas simplemente apoyadasexpuestas por 3 lados

= 0,85 para vigas continuasexpuestas por todos suslados

= 0,60 para vigas continuasexpuestas por 3 lados

Par pilares, una tempe-ratura inferior en sus extremoshará decrecer la longitud depandeo. Sin embargo, un gra-diente térmico en la seccióntransversal, especialmente cuan-do esta sección se encuentracerca de la altura media, causa-rá una curvatura del pilar. Secreará un momento flector adi-cional, incrementando la tensiónen el pilar. A pesar de ello, en

general, el calentamiento nouniforme incrementa al resistencia de los pilarespuesto que las partes más frías están en disposi-ción de soportar más compresión.

ψ θ κ σ

χ( )crit

yf f=

⋅⋅ ⋅

44

Figura 7

θ θθ

α

θ

α

θ



5. CAPACIDAD RESISTENTEDE ELEMENTOS MIXTOS

Las secciones mixtas en las se combinanel acero y el hormigón, presentan gradientes tér-micos cuando son calentadas por uno o variosde sus lados. La capacidad resistente de lasvigas y los forjados se puede determinar hacien-do uso de la teoría plástica. Para calcular dichacapacidad resistente en un elemento que experi-menta un gradiente térmico, el método más sim-ple consiste en dividir dicha sección en elemen-tos con unas características mecánicas y unatemperatura propias.

5.1 Viga mixta

Una viga mixta (perfil de acero y forjadode hormigón) generalmente presenta, en undeterminado momento, el gradiente de tempera-tura mostrado en la figura 8.

En la zona con un momento positivo, elmomento flector último, suponiendo el eje neutrose encuentra en el espesor del forjado de hormi-

gón, se calculará considerando el equilibrio entrelas los esfuerzos de tracción (en el perfil deacero) y los de compresión (en la parte superiorde hormigón).

La suma de los esfuerzos en las tres par-tes de la sección de acero es:

donde:

Ai es el área del ala inferior, del alma y del alasuperior del perfil

θi es la temperatura representativa

El punto de aplicación de esta fuerza es eleje neutro plástico a elevada temperatura paralas tres partes del perfil.

Con el objetivo de equilibrar la estosesfuerzos, una capa del forjado de hormigón sedebe encontrar comprimido (figura 8b) de talmodo que:

T = C = b t Rc

donde:

b es la anchura efectiva del forjado.

t es el espesor de la zona comprimida

Rc es la resistencia última del hormigón

Esta ecuación es válida únicamente cuan-do la temperatura de la zona comprimida esaproximadamente uniforme. Si existe un fuertegradiente térmico a lo largo del canto de estazona, es necesario dividirla en diferentes capasen las que se presente una temperatura aproxi-madamente uniforme y sumar la contribución dedichas capas.

Sin embargo, normalmente estos forjadosmixtos tienen que cumplir un requerimiento de

aislamiento, o lo que es lo mismo, la temperatu-ra de su cara externa debe ser inferior a 140°C.

T A fi ii y= ⋅=∑ ψ θ( )1

3

45


Figura 8 Comportamiento de una sección mixta tras expo-sición a un incendio

θ θθ

θθ

θ



A esta temperatura, se puede suponer que laresistencia del hormigón es la misma que a tem-peratura ambiente.

La resistencia última a flexión de la sec-ción mixta es:

M+u(θ) = T . z

donde z es la distancia entre los puntosde aplicación de los esfuerzos de compresión ytracción.

Para vigas continuas, la determinación de

la capacidad resistente completa tambiénrequiere el cálculo del momento flector plásticonegativo (M –

u(θ)).

Para este momento flector negativo, elesfuerzo de tracción es soportado por las arma-

duras localizadas en la parte superior del forjadode hormigón y los esfuerzos de compresión lossoporta el perfil y, si es necesario, por la parte

inferior de la losa de hormigón.

En esta situación, se supone que la esta-bilidad en un incendio se mantiene si el momen-to flector isostático (M) de las cargas aplicadasen un vano es inferior o igual a la suma de loasresistencias flectoras positivas y negativas de lasección mixta, tal como sigue:

M+u(θ) + M –

u(θ)≤ M

5.2 Forjados mixtos

El cálculo del comportamiento de un forja-do mixto compuesto por losas de hormigón ychapa perfilada se realiza usando las mismasteorías que para los vigas mixtas.

La mayor modificación es que tras 30 minu-tos de exposición al incendio normalizado ISO, lachapa perfilada no se toma en cuanta para el cál-culo del comportamiento mecánico del elemento.

En este caso, únicamente las armadurasse pueden usar para compensar las tensionesde tracción puesto que la resistencia a traccióndel hormigón no contribuye a la capacidad resis-tente a elevadas temperaturas y es despreciada.La resistencia alcanzable para forjados sin arma-duras suele limitarse a 30 minutos.

5.3 Pilares mixtos

La teoría plástica simple no puede serusada para pilares (en contraste con las vigas ylas losas) y se necesita un enfoque elasto-plásti-co incremental.

Para pilares mixtos se presenta otra com-plicación que es consecuencia directa de la dis-tribución no uniforma de temperatura transver-salmente en la sección. La distribución originatensiones adicionales en la sección transversal

debido a las restricciones para la expansión tér-mica (figura 9).

46

Figura 9 Efecto de la restricción a la expansión térmicasobre la capacidad portante de un pilar mixto de

acero tubular relleno de hormigón expuesto a unincendio



Estas tensiones térmicas pueden teneruna influencia significativa en la capacidad resis-

tente de los pilares mixtos, tal como ha quedadoreflejado en las curvas de pandeo (figura 9).Ambas curvas corresponden a secciones tubula-

res rellenas de hormigón, después de 90 minu-tos de exposición a un incendio normalizado. Lacurva continua está basada en un modelo de cál-culo que tiene en cuenta las tensiones térmicas,la curva de puntos desprecia el efecto de dichatensiones térmicas.

Consecuentemente, el análisis estructuralde columnas mixtas debería basarse, idealmen-te, en modelos refinados, o lo que es lo mismo,en modelos que permitan un análisis térmico y

mecánico preciso.La complejidad numérica de dichos

modelos se incrementa exponencialmente con laprecisión exigida a dicho análisis. Esta compleji-dad tiene la desventaja, como por ejemplo loscasos en los que la información de diseño exigeun cuantioso número de cálculos. Por estasrazones, se han desarrollado modelos limitadosy aproximados. Éstos ocasionalmente requierenla introducción de factores de correcciónsemiempíricos. Los resultados obtenidos debe-rán tratarse con cuidado, y no se podrán extra-polar fuera del rango de aplicación de los experi-mentos en los que se basan.

La publicación del ECCS sobre el cálcu-lo de la resistencia frente a un incendio decolumnas compuestas suministra informaciónde diseño en forma de curvas de pandeo paravarias secciones transversales, perfiles y arma-duras y para períodos de exposición al incendionormalizado de 30, 60, 90 y 120 minutos [3]. Un

ejemplo de una hoja de diseño se encuentra enla figura 10.

47

CAPACIDAD RESISTENTE

Figura 10 Curvas de pandeo para perfiles de acero de altaresistencia rellenos de hormigón tras 60 min. deexposición a incendio

µ



6. CONEXIÓN ENTREELEMENTOS

No existe una dificultad especial en ladeterminación de la resistencia frente a unincendio de conexiones entre vigas y colum-nas. Debido a la concentración de acero en

estas zonas, la temperatura de la conexión esinferior a la de los elementos adyacentes.Pueden considerar los efectos beneficiosos de

la continuidad parcial de las vigas cuando exis-te una conexión que sólo se ha diseñado parasoportar esfuerzos cortantes a temperaturaambiente.

48



7. RESUMEN FINAL• El incremento de temperatura del acero y

el hormigón conduce a un descenso de las

propiedades mecánicas (modulo deYoung, resistencia ala fluencia, resistenciaúltima).

• las cargas aplicadas que deben conside-rarse en condiciones de incendio se obtie-nen de la combinación accidental deacciones.

• La temperatura crítica de los elementos esfácil de calcular igualando la capacidadresistente y las cargas aplicadas.

• Las columnas compuestas necesitan cálcu-los complicados pero existen gráficos dediseño para la aplicaciones habituales.

8. BIBLIOGRAFÍA[1] Barthelemmy, B. and Kruppa, J., “Résistanceau feu des structures acier - béton -bois”,Eyrolles, 1988.

[2] European Convention for ConstructionalSteelwork, “European Recommendation for Fire

Safety of Steel Structures”, Elsevier, Publication30, 1983.

[3] European Convention for ConstructionalSteelwork, “Calculation of the Fire Resistance ofCentrally Loaded Composite Steel-ConcreteColumns Exposed to the Standard Fire”,Publication 55, 1988.,

9. BIBLIOGRAFÍA ADICCIONAL1. Eurocode 3: “Design of Steel Structures”: Part1.2: Structural Fire Design (in preparation).

2. Eurocode 4: “Design of CompositeStructures”: Part 1.2: Structural Fire Design (inpreparation).

3. Eurocode 1: Part 2.7: “Actions on StructuresExposed to Fire” (in preparation).

4. European Convention for ConstructionalSteelwork, “Calculation of the Fire Resistance ofComposite Slabs with Profiled Steel SheetExposed to the Standard Fire”, Publication 32,1984.

49





Lección 6.4: Métodos Prácticos de Alcanzarla Resistencia al Incendio

51



53

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Se sondeará los medios prácticos de

alcanzar la resistencia al fuego de estructuras deacero con ejemplos de su aplicación. Se descri-birán los principios esenciales de diseño contrafuego de estructuras en Europa.



LECCIONES AFINES

Lección 6.2: Principios de AnálisisTermodinámico



RESUMEN

Las propiedades mecánicas de todos los

materiales de construcción habituales decrecencon el incremento de temperatura. Los elemen-tos de las estructuras de acero deben poseeruna resistencia suficiente para evitar su colapso,la penetración de llama o el aumento excesivo dela temperatura en su lado no expuesto. Se estu-diará la resistencia inherente de los materialessin proteger, así como la influencia de diferentessistemas de aislamiento y el comportamiento deelementos parcialmente expuestos y mixtos.También se tratara la influencia de la refrigera-

ción por agua en el control de la temperatura delos elementos.



55

INTRODUCCIÓN

Para que un elemento cumpla los requeri-mientos de resistencia, es necesario que la evo-lución de la temperatura durante el tiempo de

resistencia (teniendo en cuenta su factor de susección y su eventual aislamiento) es inferiorque la temperatura crítica necesaria para causarel fallo (también conocido como “temperaturacrítica”).

Para resistencias al incendio bajas (15,30 minutos) se puede conseguir la estabilidadmediante una estructura desprotegida. Unaresistencia de 60 minutos puede alcanzarse aveces sin aplicar ninguna protección mediante la

utilización de la interacción estructural o térmicadel acero y el hormigón. Para períodos mayores

de resistencia, la estructura de acero puede pro-tegerse mediante la aplicación de materiales ais-lantes, usando pantallas, o, en el caso de sec-

ciones tubulares estructurales, por la circulaciónde agua. Las estructuras mixtas pueden presen-tar una resistencia significativa.

Se estudiarán a continuación los métodosmás simples de alcanzar altas resistencias alincendio en estructuras de acero. Se ha de reco-nocer, sin embargo, que se está realizando unconsiderable trabajo de investigación y desarro-llo en Europa. Esta labor tiene como objetivooptimizar el proceso de diseño resistente al

incendio de estructuras de acero que conduzcaa reducciones en los costes de la construcción.



56

2. ESTRUCTURASNO PROTEGIDAS

Las estructuras sin proteger puedenalcanzar resistencias al incendio de hasta 30 y60 minutos si se cumplen más de una de lassiguientes condiciones:

• bajo nivel de carga

• valores bajos del factor de la sección, Am /A.

• alto grado de redundancia estática (puedeinfluir el diseño de las conexiones).

La figura 2 muestra un ejemplo en el quela resistencia al incendio de vigas de acero noprotegidas se presenta en función del factor dela sección, para diferentes valores del cocienteentre la carga real y la de colapso en condicio-nes de temperatura ambientes.

Cuando el cociente entre la carga aplica-da y la de colapso disminuye, la temperatura defallo, y por lo tanto el tiempo de resistencia, seincrementa. La resistencia puede incrementarse,consecuentemente, incrementando el tamañode los elementos, manteniendo el tamaño delelemento pero utilizando un acero de mayorresistencia, utilizando el efecto de las restriccio-

nes en las conexiones o, mediante la combina-ción de estos métodos.

Las velocidades de calentamiento de ele-mentos expuestos pueden determinarse siguien-do las Recomendaciones Europeas [1, 2] que sehan incorporado en el Eurocódigo 3[3]. Estoscálculos presuponen una distribución uniformede temperaturas a lo largo del elemento. Sinembargo, las investigaciones han demostradoque la temperatura del perfil tiene una importan-te influencia en la resistencia a fuego cuando sepresentan distribuciones de temperatura no uni-formes. Por ejemplo, en una viga que soporte el

peso de un forjado, la resistencia al incendio seincrementa debido a la transferencia de cargadesde la parte más caliente hacia la más fría dela sección. Este efecto se tiene en cuenta por lamodificación del factor `κ ’ en los métodos de cál-culo.

En un incendio, el calor se transfiere alacero predominantemente por radiación y lavelocidad de transferencia térmica está goberna-da por la emisividad resultante εr. El valor de εrcambiará de acuerdo a las características delhorno usado en los ensayos de incendio norma-lizados y de su posición relativa con respecto alas llamas. Valores típicos de εr se encuentran

entre 0,3 y 0,5, siendo un valorinferior en un incremento de laresistencia al incendio medida. Elefecto de esta variación en laresistencia de una viga no prote-gida se muestra en la figura 2.

La resistencia de pilares

de acero no protegidos expuestosal calor por los cuatro lados tam-bién depende del factor de la sec-ción y de la carga aplicada. Lospilares no protegidos con valoresdel factor de la sección de hasta30 m-1 tienen una resistencia afuego de 30 minutos cuando tra-bajan a plena capacidad decarga, según el Eurocódigo 3 [3].

Figura 2 Resistencia al incendio de una viga de acero desprotegida como fun-ción del factor de la sección, diferentes niveles de carga y diferentesvalores de emisividad

ε

Ú

ε



3. ESTRUCTURAS DE ACEROPROTEGIDAS

En muchos edificios con pórticos deacero, se necesita una protección estructuralfrente al incendio para poder cumplir las exigen-cias de la legislación y para prevenir el colapsode grandes componentes del edificio durante unhipotético incendio. Existe una amplia variedadde medios de protección. Las formas más gené-ricas, como hormigón, ladrillo y mampostería seusan con asiduidad. Los materiales disponiblestambién incluyen sustancias proyectables, pro-ductos “secos” con forma de losas o tableros,

sustancias intumescentes que forman compues-tos carbonosos cuando se exponen al calor, ycompuestos que absorben el calor y que sufrencambios químicos en un incendio.

El espesor del aislamiento debe ser talque la temperatura del acero durante el tiempo deresistencia (teniendo en cuenta su factor de sec-ción) no exceda la temperatura crítica (o límite).Los estamentos de los gobiernos y los laborato-rios privados oficialmente aprobados han esta-blecido programas de ensayos de incendios paraprotecciones pasivas e intumescentes en especí-

menes cargados o descargados. Estos ensayosse han diseñado con el objetivo de determinartanto las características de aislamiento de un

material de protección como su comportamientofísico en las condiciones de un incendio para unamplio rango de tamaños de secciones de acero.Como resultado existen en la actualidad métodosanalíticos de los cuales pueden obtenerse esti-maciones fiables del espesor de protecciónmedio. La protección contraincendios puede apli-carse a un elemento de la estructura de diferen-tes modos, tal y como se muestra en la figura 3.

Protección pulverizada

La variedad de productos pulverizablesincluye productos de fibras minerales, productosderivados de la vermiculita, los cuales incluyen obien el cemento o bien en el yeso, productos decementos perlíticos y compuestos químicos queabsorben calor, como el oxiclorídico de magne-sio. La mayoría de estos sistemas forma unamezcla que es bombeada a través de una boqui-lla en el substrato de acero. La mezcla de mine-ral de cemento y fibra se une al agua pulverizadaen la cabeza de la boquilla. El espesor de estosmateriales varía desde los 10 a 100 mm con den-

sidades en el rango de los200 kg/m3 a los 1000 kg/m3.

Para alcanzar el niveldeseado de protección con-traincendios, es importante quese aplique el espesor de pro-tección especificado. La ins-pección de la calidad del recu-brimiento y la comprobación

del espesor son, pues, necesa-rios. Sin embargo, no existe uncriterio específico disponiblepara el número de comproba-ciones necesarias y los límitesde tolerancia aceptables.

Estos materiales pulve-rizables tienen varias ventajas.Son de aplicación rápida,baratos y pueden adaptarse a

la protección de elementosque presenten geometría com-

57

ESTRUCTURAS DE ACERO PROTEGIDAS

Figura 3 Formas de aplicar la protección contra el incendio



pleja, incluyendo los espacios entre los forjados dechapa y las vigas de acero. Sus desventajas son eldesorden que crean, pueden causar daños por

exceso de pulverización y algunas veces sufrenagrietamiento y contracciones. No suministran unaapariencia superficial atractiva a menos que se lestrate después.

Estos sistemas se aplican a elementosescondidos, como vigas sobre cubiertas suspen-didas. Existe la posibilidad de utilizar el colorpara integrar estas capas con el aspecto arqui-tectónico de la estructura. La composición de lapulverización debe ser compatible con el subs-

trato, ya sea acero imprimado o no.Las características de abrasión y la resis-

tencia al impacto se ven mejoradas si se aumen-ta su resistencia a la cohesión y su densidad.Estas protecciones son difíciles de reparar y porlo tanto es importante que cualquier materialauxiliar que vaya a ser unido a la estructura losea antes de la aplicación de la protección.

Sistemas Secos

Éstos incluyen sistemas basados en las

fibras minerales o la vermiculita, placas de fibramineral y lámina de fibras cerámicas. Los mate-riales derivados del cartón pueden ser adheridosen obra usando travesaños, atornillados a unpórtico a otras láminas. La densidad de estosmateriales varía entre los 165 y los 800 kg/m3.

Estos productos son fáciles de usar gene-ralmente. La extensión de las labores de compro-bación durante la instalación es menor que lanecesaria en el caso de sustancias pulverizadas,

puesto que estos productos se fabrican conespesores fiables. Ofrecen un cierto grado de fle-xibilidad en cuanto al programa en obra, son lim-pios, ocasionan muy pocos daños a las construc-ciones circundantes y presentan una superficiede acabado con mejor terminación. Algunos deestos productos son blandos y frágiles y son sus-ceptibles de sufrir daños; otros pueden dañarsecon el agua y por lo tanto sólo son apropiadospara su uso en el interior de las edificaciones. La

instalación no se adapta fácilmente a lugaresde geometría compleja. Otro problema quepuede presentarse es la incompatibilidadcon cierto tipo de substratos.

Los últimos desarrollos han incre-mentado el uso de los materiales de fibramineral. Éstos tiene una densidad en torno alos 100 kg/m3 y se fijan mediante el uso depuntas, soldadas a intervalos a la superficiede acero, y con arandelas de sujeción.

Las propiedades deseables, tanto de

los sistemas secos como de los pulveriza-bles, son:

• buen aislamiento térmico, es decir, bajaconductividad térmica y/o alta capaci-dad térmica.

• resistencia mecánica a los choques ylos impactos.

• buena adherencia a los elementos,para prevenir la separación del materialcuando se produzca el aumento de la

temperatura y de la deformación de loselementos estructurales.

58

Figura 4 Cálculo del espesor de aislamiento requerido para unaresistencia al incendio de 90 minutos



Para facilitar el uso de los materiales pulve-rizables y de los paneles, los laboratorios de pre-vención de incendios han preparado gráficosespeciales. Éstos pueden ofrecer el espesor de undeterminado material en función del factor de lasección, la temperatura crítica del elemento de laestructura, y del período de resistencia a un incen-dio requerido, tal como en el ejemplo de la figura 4.

Sistemas Intumescentes

Estos materiales se usan con el objetivode poder dar un aspecto decorativo a la estruc-

tura. Existe un abanico de pinturas de pequeñoespesor que pueden permitir satisfacer resisten-cia durante un incendio de hasta 90 minutos.

Estos productos son útiles fundamentalmentepara uso en el interior de los edificios. Hay otrasgamas de productos más gruesos, basados enproductos químicos epoxi, que pueden alcanzarresistencias de hasta 120 minutos. Estas protec-ciones presentan características de curado ade-cuadas cuando se usan en el exterior.

Espesores típicos de pinturas intumescentesusadas sobre secciones en I

Las pinturas de capa delgada o las espu-mas se entumecen bajo la influencia del calorpara dar lugar a un recubrimiento hasta 50 vecesmás grueso que la película original. Estos pro-ductos pueden aplicarse mediante pulverización,con brocha o con rodillo. Si se quiere aplicarcapas de mayor espesor es necesario realizarvarias aplicaciones. El espesor de película debecontrolarse con los equipos especialmente desa-rrollados para este menester. Sólo se han reali-zado un limitado número de investigacionessobre la durabilidad de estos productos, y comoconsecuencia en su adaptabilidad a mediosexternos. La mayoría de productos tienen unabuena resistencia al impacto y a la abrasión.

En la figura 5 se ha representado simplifi-cadamente la resistencia suministrada por pelí-culas de pintura intumescente.

Los ensayos han demostrado la necesi-dad de evaluar el comportamiento de las pintu-ras intumescentes a través de una variedad de

secciones y orientaciones del sustrato. A largoplazo se puede anticipar que este sistema de

59

ESTRUCTURAS DE ACERO PROTEGIDAS

Tipo producto Rango de espesores de pintura para diferentesperiodos de resistencia al incendio* (mm)

30 min 60 min 90 min 120 minCapas finas

de disolventes 0,25 – 1,0 0,75 – 2,5 1,50 – 2,50 –

Capas gruesasresinas-epoxi 4,0 – 5,0 4,0 – 11,0 6,0 – 16,5 6,0 – 16,5

* Datos correspondientes a Gran Bretaña

Figura 5 Protección suministrada por una sóla capa de espe-sor determinado de una pintura intumescente



protección contraincendios debería ser aplicadopor el estructurista.

Aunque estos materiales tienen resisten-cia al impacto y a la abrasión, pueden ocurrirdaños mecánicos, en particular en pilares, querequieran algún mantenimiento de pintura.

Especificación del espesor de proteccióncontraincendios

En el Eurocódigo 3: Parte 10 [3] se da unaecuación para calcular el incremento de tempe-

ratura del acero protegido. La conductividad tér-mica del material de aislamiento, λi, y su espesordi se utilizan en la relación λi /di. La capacidad deresistencia al calor del aislamiento está tambiénincluida. La conductividad térmica del materialde aislamiento varía con su temperatura media.Este cambio puede considerarse en cálculosmás precisos.

En cualquier caso, si no se dispone deinformación detallada y cuando se requiera sola-

mente un cálculo aproximado, el cálculo puedebasarse en valores medios de λi, que se consi-deren válidos para el rango de temperaturasdurante el incendio. Sepuede demostrar queen estas circunstanciasel tiempo que se tardaen alcanzar una ciertatemperatura en el aceroviene dado por el factor

.

El espesor deaislamiento requeridopor un elemento metá-lico estructural sepuede determinar utili-zando un nomogramaque relaciona tempe-ratura crítica, cargaaplicada, coeficientede sección y resisten-

cia al incendio. Porejemplo, considerando

una viga tipo IPE 500 con una relación decarga actuante/carga de colapso, η = 0,625que requiera una resistencia al incendio de 120

minutos y expuesta al calor en tres de suscaras. El nomograma para acero protegido semuestra en la figura 6 para una viga simple-mente apoyada que soporta una losa de hor-migón (k factor of 0,7). El producto η x k =0,625 x 0,7 = 0,438 y el coeficiente de sección,Am /A = 132 m-1, para una viga expuesta alcalor en tres de sus caras.

Del nomograma el valor que se obtiene

para el factor es 690 W/(m3.K) para los

120 min de resistencia al incendio con η x k = 0,438

(1)

Los factores de la conductividad térmica,λi, se pueden conseguir de los datos de losfabricantes y se dan ejemplos en el nomogra-ma. Por ejemplo, cuando λi = 0,1 W/m°C (típicopara muchos materiales de protección), elespesor requerido de aislamiento es, di ≥ 0,1 x0,19 = 19 mm.

d

A

m C

Wi

i

≥ =132

6900 19

2

, º

λi m

i

A

d A

⋅

λi m

i

A

d A

⋅

60

Figura 6 Uso de nomograma para ver el espesor de aislamiento requerido

A m

x λ

i / d ( W / m

K )

3

A

i



4. CONSTRUCCIÓN MIXTA

El uso de elementos mixtos de acero/hor-

migón en edificación está en continuo crecimien-to en el diseño de estructuras resistentes alfuego porque ofrecen distintas alternativas a losfactores que influyen en el incremento de tempe-ratura del acero [4, 5]. Una es la disposición y elvolumen del hormigón y otra es la posibilidad deredistribuir las tensiones internas en las partesprotegidas y más frías de la sección.

Pilares de acero huecos rellenos de hormigón

La sección transversal de este tipo depilares es rectangular o circular, como se mues-tra en la Figura 7 (a, b, c). Su función en caso deincendio depende principalmente del tamaño yde las propiedades a tracción y flexión del hor-migón. Si se utiliza hormigón en masa la resis-tencia al incendio es normalmente de 30 minutos(Figura 7a). En cualquier caso, se puede alcan-zar un tiempo de resistencia al incendio de 120minutos añadiendo armadura o refuerzo de fibrade acero (Figura 7b).

Los pilares de núcleo macizo de acerorevestidos de hormigón (Figura 7c) son un dise-ño más avanzado de las secciones de acerohuecas rellenas de hormigón, pero en las que lasección transversal de acero que soporta laparte principal de las cargas se encuentra prote-gida contra el fuego por capas de hormigón. Laresistencia al fuego de este tipo de pilares varía

desde 60 minutos a valores mayores, depen-diendo del espesor del hormigón. Estos pilaresse utilizan con carga centrada con pequeñascargas excéntricas.

61

CONSTRUCCIÓN MIXTA

Figura 7 Pilares y columnas tubulares rellenas de hormigón

Figura 8a Secciones cubiertas parcial o totalmente porhormigón

(a)

Figura 8b Secciones cubiertas parcial o totalmente porhormigón

(b)



Perfiles laminados revestidos de hormigón

Algunos tipos de estructuras mixtas en las

que los perfiles metálicos de vigas y pilares sefabrican resistentes al incendio.

Una de las grandes ventajas de los pilaresmixtos son las uniformes dimensiones exterioresde las secciones transversales en edificacionesde gran altura. Variando los espesores de la sec-ción de acero, las calidades de los materiales deacero y hormigón, y la cuantía de armado, lasección transversal de los pilares puede adap-tarse para soportar una carga creciente sin cam-

bios significativos de las dimensiones exteriores.Cada tipo de pilar mixto tiene ventajas específi-cas y rangos de aplicación.

La más antigua tipología de pilar, Figura8a, es la sección transversal de acero rellena dehormigón. Sus ventajas son un alto nivel resis-

tencia a cargas en condiciones de incendio y unaalta capacidad de soporte de cargas, no sólo enel caso de cargas centradas, sino también para

momentos flectores. La resistencia al incendioes normalmente de 90 minutos o mayor.

La segunda tipología, formada por sec-ción de acero con hormigón en el interior de lasalas, puede soportar cargas centradas conside-rables y momentos flectores elevados. La canti-dad de encofrado se reduce significativamente.Otras ventajas son una buena resistencia adaños mecánicos sin necesidad de refuerzos enlas esquinas y la posibilidad de utilizar nudos de

acero convencionales entre pilares y vigas metá-licas rellenas de hormigón de forma análogaentre alas, como se indica en la Figura 8b. Talessecciones mixtas pueden alcanzar cualquiernivel de resistencia a fuego que se desee.

Forjados mixtos

Los forjados mixtos en los que se utilizachapa de acero perfilada son de uso muy fre-cuente en edificación, como se muestra en laFigura 9. Estos forjados pueden alcanzar unaresistencia al incendio superior a cuatro horas sinaplicar ninguna protección al techo. Forjados concuantías mínimas de armadura tienen una resis-tencia a fuego de al menos 30 minutos y unacapa simple de armadura puede proporcionaruna resistencia al incendio mayor de dos horas.Para tiempos mayores de resistencia al incendiopara forjados con altas cargas y grandes vanospuede ser necesaria armadura adicional.

62

Figura 9 Forjados mixtos con encofrado perdido de chapaperfilada



5. SECCIONES DE ACEROPARCIALMENTE EXPUESTAS

Elementos parcialmente expuestos porestar embebidos en muros, forjados u otros ele-mentos estructurales alcanzan una significativaresistencia al incendio redistribuyendo la tensiónde las zonas de la sección expuestas al calor alas más frías (no expuestas). Este efecto ocurrehaya o no efecto de interacción de estructuramixta. Se están dedicando recursos para cuanti-ficar este efecto.

Un método relativamente económico para

mejorar la resistencia al incendio de pilares desección de acero en doble T en cualquier ubica-ción, consiste en cerrar el hueco entre alas yalma con bloques ligeros prefabricados de hor-migón, no resistente a las cargas, fijado al aceromediante mortero, como se muestra en la Figura10. Ensayos de fuego han demostrado que pila-res metálicos de columnas universales (UC) detamaño de sección 203 mm x 203 mm x 52 kg/my superiores alcanzan un incremento de la resis-tencia a fuego de 30 minutos bajo carga total decálculo.

Otro ejemplo particular es el casquillo deangular soporte de forjado que se muestra en laFigura 11. El tiempo que tarda una viga metálica enalcanzar su temperatura límite en un incendio sepuede aumentar protegiendo la viga de la acción

directa de las llamas. Un métodoeconómico de proveer esta pro-tección es por medio de un cas-quillo de angular fijado al alma dela viga donde la losa prefabricadadel forjado de hormigón apoya,protegiendo así del incendio el alasuperior y parte del alma de laviga. La disminución de calor pro-ducida en la parte superior de laviga aumenta significativamente

el tiempo de resistencia a fuegode la viga de acero.

Resultados de investiga-ciones indican que seleccionan-do combinaciones adecuadas detamaño de la sección de acero ydel canto de la losa de hormigón,se pueden conseguir tiempos deresistencia al incendio de 30, 60y 90 minutos sin necesidad de

utilizar protecciones aligeradasresistentes al incendio.

63

SECCIONES DE ACERO…

Figura 10 Pilar de acero con el alma bloqueada

Figura 11 Disposición de forjado con angular sujeto a viga



7. ESTRUCTURA EXTERIOR

Los pilares situados al exterior del edi-

ficio permanecen más fríos durante el incen-dio que aquellos situados al interior. De estemodo se alcanzan estabilidades al incendiosuperiores a 30 minutos. Los métodos de cál-culo existentes para el comportamientomecánico de elementos cargados en caso deincendio conducen a las siguientes recomen-daciones:

• la mejor disposición de pilares es la másalejada de las puertas, protegidos por

un muro que tenga una resistencia alfuego adecuada, como se indica en laFigura 13, o protegidas por una pantallacuando el pilar esté situado frente a unaventana.

• si hubiera riesgo de condiciones severasde temperatura, las uniones entre vigas ycolumnas deben ser preferentementerígidas.

• generalmente, las vigas de soporte de forja-

do no necesitan protección en sus carasexteriores.

Un diseño simplificado se muestra en laFigura 14. Es adecuada la posición de los pila-res exteriores para evitar un excesivo incre-mento de temperatura para un edificio que tienetodas las ventanas en una fachada no expues-ta al viento.

65

ESTRUCTURA EXTERIOR

Figura 13 Columna en el exterior

Figura 14 Ejemplo de diseño de columnas exterioresentre ventanas



8. REFRIGERACIÓN PORCIRCULACIÓN DE AGUA FRÍA

La resistencia al incendio de elementostubulares puede mejorarse utilizando el huecointerior de los tubos para enfriar el acero estructu-ral. Llenando estos elementos con agua se obtie-ne una muy alta resistencia al incendio mientrasse mantiene la circulación de agua, Figura 15.

Se puede conseguir la circulación porconvección natural utilizando un cierto númerode elementos de interconexión (no todos ello

expuestos al fuego) con un cierto número detanques de almacenamiento, conectados direc-tamente a dispositivos de agua y drenaje o pormedio de bombas. Las investigaciones sehacen habitualmente en circuitos estáticos irre-llenables. Se añaden al agua productos quími-cos que eviten la corrosión (nitrato potásico) yrefrigerantes (carbonato potásico). En cualquiersistema, aunque la temperatura del agua puedeexceder los 100° C dependiendo de la presión,el acero permanecerá por debajo de su tempe-

ratura crítica.La apariencia exterior de la estructura de

acero no se ve afectada, lo que supone una ven-taja arquitectónica. El diseño es, en cualquiercaso, complejo y el método caro. Se utiliza habi-tualmente en edificios singulares o en estructu-ras que requieran elevados nivel de resistenciaal incendio.

Las vigas y pilares de perfiles laminadosse pueden enfriar mediante rociadores de agua.El proceso se activa cuando la temperaturaambiente excede un valor predeterminado. Elflujo de agua producido por un cierto número derociadores tiene que proyectarse de maneracontinuada a lo largo de toda la longitud del ele-mento.

66

Figura 15 Perfiles tubulares rellenos de agua



9. RESUMEN FINAL• El factor de calentamiento de un perfil de

acero se especifica por el factor de sección,

Am /A. Factores bajos conducen a factoresde calentamiento bajos.

• Para períodos cortos de resistencia alfuego, se puede conseguir la estabilidad sinproteger el acero.

• Para períodos largos de resistencia alfuego, la estructura de acero tiene que pro-tegerse aplicando un aislamiento al mate-rial, mediante pantallas o por circulación deagua en caso de secciones huecas.

• La elección de la protección al incendiodebe tener en cuenta la localización del ele-mento, aspectos estéticos y económicos.

10. BIBLIOGRAFÍA

[1] Design Manual on the EuropeanRecommendations for the Fire Safety of SteelStructures. ECCS-TC-3 - Brochure No. 35,European Convention for ConstructionalSteelwork, Brussels, 1985.

[2] European Recommendations for the FireSafety of Steel Structures: Calculation of theFire Resistance of Load Bearing Elements andStructural Assemblies exposed to the StandardFire. ECCS TC 3, Brochure No. 30. Elsevier

Scientific Publishing company, Amsterdam,1983.

[3] Eurocode 3: “Design of Steel Structures”: ENV1993-1-1: Part 1: General rules and rules for buil-dings, CEN, 1992. Part 10: Structural fire design.

[4] Eurocode 4: “Design of Composite Steel andConcrete Structures”: pr ENV 1994-1-1: Part 1.1:General rules and rules for buildings. Part 10:Structural fire design.

11. BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL

1. Compendium of UK Fire Test Data No. 1 -Unprotected Structural Steel, published in UK byDoE Fire Research Station and British SteelCorporation, 1988.

2. “Steel and Fire Safety - A Global Approach” -Eurofer, Brussels, Belgium: Published 1990.

3. Documentation SIA 82, “La Résistance au feudes parties de Construction Métallique” CentreSuisse de la Construction Metallique, Zurich,November 1986.

4. BS 5950: Part 8: 1990 - The Structural Use ofSteelwork in Building: Code of Practice for theFire Protection of Structural Steelwork. BritishStandards Institution.

67






69



71

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Se pretende familiarizar a los diseñadores

con los métodos más simples de cálculo de lostiempos de resistencia ante el incendio y losespesores de aislamiento para columnas y vigas(respectivamente para el acero o las estructurasmixtas).


Ninguno.

LECCIONES AFINES


Lección 6.2: Principios de AnálisisTermodinámico


Lección 6.4: Métodos Prácticos de Lograrla Resistencia contra elIncendio

RESUMEN

Se incluyen ejemplos resueltos sobre lossiguientes temas:

• Temperaturas críticas para columnas, vigasy demás elementos sometidos a cargas(ejemplos 1, 2, 3).

• Momento resistente de una viga mixta en

condiciones de incendio (ejemplo 5).• Tiempo equivalente de un incendio real

(ejemplo 6).

• Protección frente a incendios de vigas deacero (ejemplo 4).

En estos ejemplos se hace uso de losprincipios y ecuaciones presentados en las lec-ciones precedentes.



72

EJEMPLO 1: TEMPERATURACRÍTICA DEUN ELEMENTO CAR-GADO

La reducción de la resistencia con la tem-peratura es:

Temperatura θ 400 450 500 550 600 650

ReducciónResistencia ψ (θ) 1,00 0,93 0,78 0,63 0,47 0,33

Puesto que el comportamiento de un ele-mento en tensión es equivalente al comporta-miento básico del acero, se deduce que:

Haciendo una interpolación lineal de latabla anterior, se obtiene la temperatura críticaθcr = 590°C

ψ θ( ) ,= =P

Pu

0 5

Para P

P

C a en condiciones ites para un incendio

Tensin resistencia bajo temperaturas normalesu

= =arg lm

,0 5Tensión resistencia bajo temperaturas normalesCarga en condiciones límites para un incendio



73

EJEMPLO 2: TEMPERATURA CRÍTICA…

EJEMPLO 2: TEMPERATURACRÍTICA DE UNAVIGA

Se asume en este ejemplo que la vigasoporta un forjado de hormigón, y por lo tanto elala superior permanece más fría que el resto dela sección. Esta ventaja se cuantifica a través deun factor multiplicador de la carga, o factorkappa, κ , tal que:

κ = 0,7 par una viga soportando un forjadode hormigón.

Si se usa el mismo grado de carga que eldel ejemplo 1.

En este caso,

Para

Por interpolación lineal en la tabla dereducción de la resistencia del ejemplo 1, la tem-peratura crítica de la viga es, θcr = 645°C.

De este resultado se puede deducir queuna viga soportando un forjado de hormigóntiene una temperatura crítica que supera a la deun elemento en tensión, uniformemente calenta-da, en 55°C par el mismo grado de carga.

P

Pu

=

= × =

0 5

0 7 0 5 0 35

,

( ) , , ,ψ θ

P

P

C a viga en estado ite incendio

C a equivalente para fallo en condiciones normalesu

= arg lm

arg

ψ θ κ ( ) = ⋅ PPu

Carga equivalente para fallo en condiciones normales

Carga viga en estado limite incendio



74

EJEMPLO 3: TEMPERATURACRÍTICA DE UNACOLUMNA

En este ejemplo se supondrá que lacolumna esta arriostrada para evitar su pandeo.El factor multiplicador de carga, κ , para colum-nas es 1,2. Este valor tiene en cuenta la influen-cia de las grandes deformaciones en el colapsode la columna en condiciones de incendio:

Para , tal como en ejemplos

anteriores

ψ (θ) = 1,2 x 0,5 = 0,6

Por interpolación lineal en la tabla dereducción de la resistencia del ejemplo 1, la tem-peratura crítica de la columna es, θcr = 560°C.

De este resultado se puede deducir quela temperatura crítica de una columna supera ala de un elemento en tensión, en 30°C para elmismo grado de carga.

P

Pu

= 0 5,



EJEMPLO 4: PROTECCIÓNFRENTE ALINCENDIODE VIGAS DE ACERO

Del ejemplo 2, se puede tomar la tempe-ratura crítica de un viga, que es 645°C. De la lec-ción 6.2, el espesor de protección requerido (enmetros) es:

Dondees el factor área de un elemento (m-1)

λi es la conductividad térmica del material deprotección (W/m°C)

t es la resistencia al incendio (mins)

θcr es la temperatura crítica de una viga (°C)

En este ejemplo, se usan los siguientesvalores

= 200 m-1 (típica de vigas IPE)

λi = 0,15W/m°C (típica de muchos materiales deprotección)

t = 60 minutos

θcr = 645°C

d

= 15,6 mm (es decir, 6 mm)

= × × ×−

×0 0083 0 15 200 60

645 14010

133, ,

,

A

Am

A

Am

d A

A

ti

m

cr

= ×−

0 0083140

1 3

,

/

λθ

75

EJEMPLO 4: PROTECCIÓN FRENTE…

d

13,



Si ψ (600) ) κ × se deduce que: k = = 0,81 para vigas mixtas (comparese

con el 0,7 de vigas no mixtas)

0 47

0 58

,

,

M

M

u

77

EJEMPLO 5: MOMENTO RESISTENTE…



EJEMPLO 6: TEMPERATURAEQUIVALENTE DEUN INCENDIO REAL

De acuerdo con lo tratado en la lección6.1: se asumirá que el compartimento incendia-do puede ser caracterizado por los siguientesparámetros. La temperatura equivalente es:

Te = c w qf minutos

c = 0,10 para propiedades típi-cas en compartimentos

w = 1,5 para condiciones deventilación normales

qf = 450 MJ/m2 para edificios de ofici-

nas

Te = 0,1 x 1,5 x 450 = 67,5 minutos

78



DIAPOSITIVAS COMPLEMENTARIASDEL TOMO 6: PROTECCIÓN. INCENDIO

79



81

T6c1 El diseño debe cuidar la seguridad frente al incendio

T6c5 Proyección de spray mineral en vigas de la TorreMontparnasse, Paris

T6c2 El acero sufre deformaciones a altas temperaturasque pueden colapsar la estructura

T6c4 La protección contraincendio se requiere con fre-cuencia para aislar la estructura

T6c6 Protección de la estructura contraincendio mediantepaneles ligeros

T6c3 Las secciones grandes se calientan a menor veloci-dad que las pequeñas



82

T6c8 Las pinturas intumescentes favorecen la estética delas estructuras metálicas

T6c10 Los encamisados prefabricados son más caros quela protección con paneles

T6c9 Las pinturas intumescentes expanden con la tempe-ratura, aislando el material y proporcionando protec-ción contraincendio

T6c11 Algunos tipos de edificios no exigen protección con-traincendio, como los aparcamientos, donde se hanrealizado ensayos que demuestran que en caso deincendio las temperaturas que se alcanzan no soncríticas

T6c7 La lana de vidrio es un buen aislamiento contrain-cendio



T6c13 Daños producidos por el incendio en Broadgate,Londres, Reino Unido. El incendio duró 4,5 horas.La estructura de forjados mixtos no colapsó

T6c12 El uso de rociadores no sólo protegen el contenidode los edificios, sino que minimizan la necesidad deprotección contraincendio

T6c14 Daños producidos por el incendio en Broadgate,Londres, Reino Unido

tomo 6 itea protecciÓn - incendio

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