Tratamiento de las estructuras de Acero y del hormigón en los Documentos Básicos del CTE REFLEXIONES

Transcripción

1 Autores: J A Chica Páez Responsables de Sistemas de Acero para la Construcción LABEIN - TECNALIA C/ Geldo - Parque Tecnológico de Bizkaia Edificio Derio Vizcaya J Unanua Caballero Director de Promoción del Acero ITEA Parque Tecnológico de San Sebastián Paseo Mikeletegui 56 Planta 1ª Oficina Donosti San Sebastián Tratamiento de las estructuras de Acero y del hormigón en los Documentos Básicos del CTE REFLEXIONES Sobre la estructura del CTE El CTE regula las exigencias básicas que deben cumplir los edificios (NO OBRA CIVIL) y consta de una estructura compuesta por dos partes: Parte I: contiene disposiciones de carácter general (ámbito de aplicación, estructura, clasificación de usos, etc.), así como las Exigencias Básicas que deben satisfacer los edificios. Parte II: constituida por los Documentos Básicos DB, cuya adecuada utilización garantiza el cumplimiento de las exigencias. Estos DB están compuestos por procedimientos, reglas técnicas y ejemplos de soluciones permiten cumplir con los niveles de prestación establecidos. El CTE adopta un enfoque basado en prestaciones, en el cual se establecen explícitamente los objetivos y el modo de alcanzarlos, sin obligar al uso de un procedimiento o solución determinados (ver artículo 5): Por lo tanto, el enfoque del CTE ante el diseño de estructuras de acero y de hormigón es completamente imparcial: PODREMOS EMPLEAR CUALQUIER SOLUCIÓN DE 1/8

2 RECONOCIDO PRESTIGIO QUE SIRVA PARA PROPORCIONAR PRSTACIONES EQUIVALENTES A LAS OBTENIDAS APLICANDO LOS DOCUMENTOS BÁSICOS: Para el caso del acero sería posible, según este artículo, aplicar el EUROCÓDIGO 3 para el proyecto de estructuras de acero. Otra cosa serán las barreras que pudieran introducir OCTs, promotores... sin no se creen que el EUROCÓDIGO es al menos tan fiable con el Documento Básico del Acero Sobre los Documentos Básico del CTE para el Hormigón En cuanto al hormigón, NO HAY DOCUMENTO BÁSICO SOBRE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO (ver artículo 10) Dada la magnífica evolución que ha tenido la EHE, desde las precedentes EH, y siendo un documento conocido y compartido por la comunidad del diseño estructural en hormigón, entiendo que esta es una solución óptima para evitar impactos ocasionados por nuevos documentos. Podríamos decir que el CTE no introduce sobresaltos en los especialistas en hormigón armado y además acepta los desarrollos, consolidados y futuros, de la EHE Sobre los Documentos Básico del CTE para el Acero Para el caso del Acero la situación no es tan clara como en el caso del hormigón. Existe un Documento Básico de Seguridad Estructural Acero: DB-SE-A Este documento plantea un primer problema: supone un cambio RADICAL respecto de la NBE-EA 95. Es el primer documento made in Spain sobre acero en más de 30 años. Esto no es culpa del CTE sino de los que nos dedicamos a esto de la construcción en acero dado que no hemos sabido o podido mover a la administración como en el caso de la EHE. Sin duda alguna no se han puesto los recursos. Por lo tanto, aunque tenemos algo nuevo después de 30 años, alguien podría argumentar que los eurocódigos desde sus versiones ENV ya están disponibles desde la década de los 90, editados en español por AENOR y además se incluyen en las asignaturas de estructuras de la universidad. Y tendrían razón. El caso es que el DB-SE-A es una reducción del Eurocódigo 3 al ámbito de la edificación y además se incluyen simplificaciones tratando de adecuar su uso a edificación no convencional (residencial). Esto sin duda es bien intencionado pero el hecho es que pasamos de más de 1000 páginas del Eurocódigo 3 a las 166 del DB-SE- A. Perdemos mucha información y el estado del arte en Europa. Por otro lado, aunque la base del DB-SE-A es el Eurocódigo 3, es más que discutible como se ha filtrado el Eurocódigo para introducir algunos contenidos directamente mientras que en otros hay claras contradicciones. A continuación algunas muestras: Coeficientes parciales según CTE, DB SE-A 2.3.3: 2/8

3 Coeficiente relativo a la plastificación del material: γ M0 = 1,05 Coeficiente relativo a los fenómenos de inestabilidad: γ M1 = 1,05 Coeficiente relativo a la resistencia última del material o sección, y a la resistencia de los medios de unión: γ M2 = 1,25 pretensados en Estado Límite de Servicio: γ M3 = 1,10 pretensados en Estado Límite Último: γ M3 = 1,25 pretensados y agujeros rasgados o con sobremedida: γ M3 = 1,40 Coeficientes parciales según el Eurocódigo 3, EN y para uniones EN : Coeficiente relativo a la resistencia de la sección transversal: γ M0 = 1,00 Coeficiente relativo a la resistencia de elementos frente a fenómenos de inestabilidad: γ M1 = 1,00 Coeficiente relativo a resistencia de la sección transversal a fractura cuando está sometida a tracción: γ M2 = 1,25 Coeficiente relativo a la resistencia de los tornillos, roblones, bulones, soldaduras y de las chapas a aplastamiento: γ M2 = 1,25 pretensados en Estado Límite de Servicio: γ M3,ser = 1,10 pretensados en Estado Límite Último: γ M3 = 1,25 Coeficiente para resistencia de tornillos inyectados: γ M4 = 1,00 Coeficiente para la resistencia de uniones de perfiles tubulares en vigas de celosía: γ M5 = 1,00 Coeficiente para la resistencia de bulones en Estado Límite de Servicio: γ M6,ser = 1,00 Coeficiente para la precarga de tornillos de alta resistencia: γ M7 = 1,10 Qué justifica emplear unos coeficientes mayores que los establecidos por el consenso europeo plasmado en el Eurocódigo? Además tendremos un tercer documento en breve la EAE y se esperan nuevas contradicciones!! Sobre los Documentos Básico del CTE que afectan al diseño en Acero Temas relacionados con las acciones y definición de los estados límite de servicio parecen estar más pensados para edificación de hormigón armado y por lo tanto no permiten sacar beneficio de las soluciones en acero. Nos referimos a algunos contenidos de los documentos contenidos en los Documentos Básicos DB-SE y DB-SE AE: Sobrecargas de cubiertas del DB-SE-AE (Tabla 3.1): 3/8

4 Por que no se adoptan los valores recomendados por el Eurocódigo 1, de acciones, de la Tabla 6.10 para el caso de cubiertas no transitables: carga uniformemente repartida qk= 0,40 kn/m2 aplicada sobre una superficie de 10 m2, y una carga puntual Qk= 1,0 kn no concomitante con la anterior, en lugar de los valores de la figura anterior? Esto impide el empleo de cubiertas ligeras de acero. Temas semejantes aparecen con la definición de flechas y desplazamientos horizontales. Sobre el documento básico del CTE concerniente con la seguridad estructural ante incendio (DB SI) Es una novedad que el CTE considere el acero en su Documento Básico DB SI ya que la anterior EA 95 no contenía la verificación de la resistencia ante incendio de las estructuras de acero. (A la vez, la nueva EAE aparecida en 2004 también ha incorporado un apartado para la verificación de elementos de acero ante incendio) En el caso de las estructuras de hormigón, en la anterior EHE 98 sí existía un apéndice que trataba la seguridad estructural ante incendio de estructuras de hormigón. El DB SI da dos métodos para calcular la resistencia ante incendio de los elementos de hormigón, un método tabulado y el método de las isotermas de 500º C, ambos válidos exclusivamente frente a la curva de calentamiento estándar. (Ambos métodos son recogidos también en el documento 0 de la nueva EHE 2007). Dada esta diferencia fundamental de partida, en lo que concierne a la seguridad estructural ante incendio, se puede decir que el CTE representa un mayor impacto en la estructura de acero que en la de hormigón. Para estructuras de acero, el CTE da una metodología tabulada simplificada de uso restringido para calcular el espesor de protección pasiva necesario (basada en la aplicación del método basado en el dominio de la temperatura del eurocódigo 3) y una metodología general más compleja que permite calcular la temperatura crítica del acero desnudo, y si ésta se alcanza antes del tiempo exigido, calcular el espesor de la protección pasiva. Hasta ahora, salvo que se utilizara la versión previa del Eurocódigo 3 (ENV ), no había ningún documento que permitiese calcular la temperatura crítica de las secciones de acero. La manera habitual de tratar la estabilidad ante incendio de estructuras de acero era acudir directamente a las tablas de los fabricantes de protección pasiva. Estas tablas están definidas generalmente para temperaturas 4/8

5 críticas de ensayo inferiores a las reales, por lo que se definían espesores excesivos de protección. Más aún, el DB SI incorpora respecto a la normativa precedente en materia de seguridad ante incendio (NBE CPI 96) el criterio de fuego natural de manera explícita. La anterior NBE CPI 96 permitía de manera muy restringida y poco evidente el uso de curvas de calentamiento natural diferentes de la curva estándar. Sin embargo, el DB SI menciona de manera explícita el método del tiempo equivalente así como diferentes curvas y modelos de fuego natural (modelos de zonas, modelos de fuego localizado y CFD) aplicables, de manera general a todo tipo de estructuras (tanto de acero como de hormigón). Sin embargo, la aplicabilidad de tales métodos al acero es mucho más directa y sencilla que al hormigón, por lo que es el primero el que se beneficia más de su aplicación. Debido a las propiedades térmicas del acero, se puede asumir que ante la acción del incendio la temperatura es uniforme dentro de las secciones estructurales. Por tanto, se pueden usar métodos analíticos simplificados para calcular la evolución de la temperatura cuando se somete el acero a curvas distintas de la curva estándar (fórmulas D.1 y D.3 del Anexo D del DB SI). En el hormigón esto no es así, y se requiere de modelos numéricos de ordenador para calcular la distribución de la temperatura dentro de las secciones estructurales, hecho éste que complica su uso. La gran ventaja del uso de métodos de fuego natural en estructuras de acero es cuando se verifica la estabilidad estructural ante incendio frente a la acción de incendio localizada. Esta acción es inferior a la acción del fuego natural generalizado y mucho más baja que la curva de calentamiento estándar. Ante ella es muy probable que no sea necesario proteger las estructuras de acero, ya que la temperatura alcanzada en el acero desnudo tiende a ser más baja que su temperatura crítica. Sobre el tratamiento del acero en el DB SI respecto a otras normas relacionadas con la verificación ante incendio De la misma manera que el DB SI del CTE lo hace, la nueva EAE de 2004 también incorpora un apartado dedicado a la seguridad estructural ante incendio. La EN fue aprobada en 2005, derogando la anterior ENV de Es de esperar que en breve entre en vigor la UNE EN Esta coexistencia de tres normas diferentes relacionadas con la estructura de acero tiene la peculiaridad de que en lo que concierne a la estabilidad estructural ante incendio no hay un criterio común sobre algunos puntos concretos. El punto de mayor discordia es el tratamiento de la combinación de acciones en situación de incendio. Mientras que en la EN (y por tanto en la EN ) se recomienda usar el valor casi permanente de las acciones variables para las hipótesis de combinación, en el CTE y la EAE se recomienda, al contrario, utilizar el valor frecuente. 5/8

6 Extracto del Eurocódigo 1 (EN ) Extracto del DB SE sobre combinaciones de acciones en situaciones extraordinarias. En consecuencia, según el Eurocódigo se recomienda no considerar la acción del viento en situación de incendio, mientras que según el CTE y la EAE sí se debe tener en cuenta. Por tanto, las resistencias obtenidas en el CTE y la EAE deben ser inferiores a las obtenidas según el Eurocódigo al introducir cargas horizontales desestabilizantes. Este efecto penalizante no se da para cubiertas ligeras no transitables. Para ellas, el valor de todas las acciones variables en situación de incendio, tanto en el CTE, como en la EAE y la EN es nulo. Bajo esta hipótesis de cargas sólo se verifican las cubiertas ligeras frente a su peso propio. Otra diferencia radica en la fórmula de cálculo de la evolución de la temperatura en secciones de acero desnudas. Las expresión 4.25 de la EN y la expresión del artículo 48.1 de la EAE tienen en cuenta el efecto sombra, mientras que la expresión D.1 del anexo D del DB SI del CTE no lo considera. El efecto sombra es el apantallamiento que las alas de los perfiles abiertos ejercen sobre las almas, lo que resulta en una reducción del flujo de calor neto que las secciones reciben y por tanto en una evolución de la temperatura más lenta. Por ejemplo, considerar este efecto sombra lleva a una reducción de entre el 25% y 40% del flujo de calor recibido en perfiles de la serie HE. Al no considerarlo el CTE, se penaliza el incremento de la temperatura en perfiles abiertos. 6/8

7 Consideración del efecto sombra en la EN Evolución de la temperatura en perfiles de acero según el DB SI del CTE. No consideración del efecto sombra El método de verificación en el domino de la resistencia del Eurocódigo 3 (apartado 4.2.3) y el método general para la verificación de la estabilidad estructural del acero del CTE (punto 3 del apartado D del anexo D del DB SI) se basan en el mismo principio. Ambos métodos se fundamentan en aplicar las mismas expresiones que se utilizan a temperatura ambiente pero afectando los valores de tensión de fluencia y del módulo de elasticidad de una reducción por la temperatura. Sin embargo, mientras que el método del CTE aplica estrictamente las mismas expresiones que a temperatura ambiente, el Eurocódigo 3 introduce alguna pequeña modificación: 7/8

8 CTE EN Consecuencia Clase de la sección Se considera la misma que a temperatura ambiente Diferente que a temperatura ambiente (se corrige el factor ε a temperatura ambiente por 0,85) Más restrictivo en la EN , las secciones se clasifican como inferiores y por tanto se reduce su capacidad de agotamiento máximo en flexión. Secciones clase IV Temperatura crítica 350º C Temperatura crítica 350º C o método de cálculo del Anexo E Más restrictivo según el CTE, con el anexo E de la EN se pueden alcanzar mayores tiempos resistidos Coeficientes de reducción de pandeo Χ (pandeo a flexión/ pandeo lateral) Coeficiente de imperfección α según curva C (α = 0,49) Coeficiente de imperfección α = 0,65 (235/f y ) 1/2 S235 - α = 0,65 S275 - α = 0,60 S355 - α = 0,53 ϕ = 0,5[1+(αλ θ -0,2)+λ θ 2 ] ϕ = 0,5(1+αλ θ +λ θ 2 ) CTE da coeficientes de reducción Χ más bajos en todas las temperaturas por lo que la carga de pandeo es superior. Esto tiende a aumentar la resistencia al fuego respecto a la EN Salvo para secciones clase IV, en general el método general del CTE es más benévolo en su formulación que el método basado en el dominio de la resistencia de la EN No obstante se debe tener en cuenta el comentario sobre la acción del viento, por lo que no se puede decir de manera general que el CTE dé resistencias mayores que la EN /8