Estructuras de hormigón y fuego. Miquel Rodríguez Niedenführ-STATIC Ingenieria

Transcripción

1 Estructuras de hormigón y fuego Miquel Rodríguez Niedenführ-STATIC Ingenieria

2 INDICE

3 INDICE Comportamiento de estructuras de hormigón frente al fuego Tratamiento según EHE. Tratamiento según EN

4 Comportamiento de estructuras de hormigón frente al fuego

5 INTRODUCCIÓN El hormigón es un material que presenta un buen comportamiento frente a la acción del fuego ya que es incombustible, no permite el paso del humo a través de el y provee un buen aislamiento térmico. El recubrimiento de la armadura previsto por durabilidad ya provee de por si una protección frente al fuego. Debido a las secciones de hormigón y sus dimensiones son tal que ofrecen una buen aislamiento térmico al núcleo de la sección.

6 INTRODUCCIÓN Además las estructuras de hormigón suelen ser robustas y permiten el daño local sin comprometer la integridad global de la estructura. Aun así se hace necesario conocer el comportamiento del hormigón frente al fuego para garantizar una seguridad estructural en situación de incendio adecuada.

7 INTRODUCCIÓN Actualmente los campos de investigación de estructuras sometidas al fuego son: Propiedades térmicas de los materiales en función de la temperatura. Análisis del diagrama Momento-Curvatura en función de la acción del fuego. Validación de los modelos simplificados de sección reducida de hormigón.

8 INTRODUCCIÓN Modos de rotura durante y después del incendio. Análisis de métodos no destructuvos para establecer la capacidad del hormigón después del incendio.

9 INTRODUCCIÓN Ensayos a escala grande o real para analizar el comportamiento estructuarl de los distintos elementos.

10 INTRODUCCIÓN Análisis de las uniones/conexiones en Estado Límite Último. Desarrollo de los códigos estructurales. Existen varias curvas de fuego para simular su acción. La curva de fuego más utilizada es la establecida en la ISO 834, la ASTM E119, la de hidrocarburos, y la de fuego exterior.

11 INTRODUCCIÓN Todas las curvas representan una relación tiempo-temperatura creciente, y no presentan la rama descendente de enfriamiento.

12 INTRODUCCIÓN Todas las curvas representan una relación tiempo-temperatura creciente, y no presentan la rama descendente de enfriamiento. Estas curvas no tienen en cuenta las condiciones de ventilación, ni la carga de fuego, ni las dimensiones del compartimiento. La curva de fuego escogida es la que más se adeque en cada situación. Para edificación la más utlizada es la ISO 834 y la ASTM E119.

13 INTRODUCCIÓN Las consecuencias de la aplicación del incendio a una estructura de hormigón es que en un primer lugar aumenta la temperatura y luego se enfría. La calor se introduce en la estructura según los siguientes mecanismos: Cconvección debido al gas. Radiación: Debido al gas Debido a la llama Debido a otros elementos calentados.

14 INTRODUCCIÓN Durante la fase de enfriamiento este se produce por: Convección al gas envolvente. Radiación hacia otros elementos del compartimiento, incluidas las cenizas. Para elementos compartimentadores el calor también se disipa por la cara no expuesta al fuego que está a temperatura ambiente (convección).

15 INTRODUCCIÓN La distribución de temperaturas en una estructura sometida a fuego no es uniforme. A lo largo del tiempo la distribución de temperaturas va variando de forma considerable en cada punto del elemento. En elementos metálicos la distribución es más uniforme debido a que la conductividad térmica del acero es de 45 W/mK, y la del hormigón 2 W/mK. Además debido a la masividad de las secciones de hormigón la distribución de temperatura es variable de por si.

16 INTRODUCCIÓN La variación de temperaturas dentro de una sección dependen de: El incremento de la temperatura a lo largo del tiempo. A mayor crecimiento de temperatura mayor son las diferencias interiores. (por ejemplo la curva de hidrocarburos genera mayores diferencias que la ISO 834). La severidad del incendio (a mayor tiempo mayor diferencia de temperaturas). La forma de la sección. Las propiedades térmicas del hormigón. Árido calcáreo tiene menor conductividad que el silíceo. El hormigón ligero aun tiene ménos conductividad.

17 INTRODUCCIÓN La primera consecuencia del calentamiento del hormigón es la variación de sus caractarísticas mecánicas. Se reduce la resistencia y la rigidez. Otra consecuencia es la elongación del material que genera nuevas tensiones en el elemento. Aunque el elemento no tenga el movimiento impedido al ser la distribución de temperatura no uniforme ya se generan tensiones internas debido a la acción térmica.

18 INTRODUCCIÓN Los fenómenos que se pueden producir por la acción del fuego son: SPALLING: pérdida del recubrimiento del hormigón debido a gradientes térmicos importantes en el paramento del hormigón. ELONGACION: Los elementos en función del calor recibido tendrán elongaciones. DEFORMACIONES DIFERENCIALES: piezas que reciben calor de forma no uniforme se mueven de forma desigual generando curvaturas.

19 MATERIALES La resistencia a la compresión se ve reducida.

20 MATERIALES El módulo de elasticidad se ve reducido.

21 MATERIALES El límite elástico del acero se ve reducido, sobre todo el de la armadura activa. El módulo de elasticidad del acero se ve reducido por el incremento de temperatura. La adherencia hormigón-acero también se ve afectada por el incremento de temperatura.

22 ANALISIS Se podrá hacer un análisis general teniendo en cuenta la distribución de temperaturas, las propiedades del material, y las acciones en situación accidental. Se puede hacer un análisis seccional mediante el método de la isoterma 500 o método de las zonas. Se puede hacer un análisis mediante tablas. El método de la isoterma ofrece resultados correctos para flexión pura. Par flexo-compresión no tanto.

23 ANALISIS Para grandes excentricidades el método de la Isoterma 500 es muy conservador. Para altas temperaturas el método de la isoterma puede estar del lado de la inseguridad.

24 Tratamiento según EHE

25 INTRODUCCIÓN La EHE aborda el comportamiento de las estructuras frente al fuego en el anejo 6. El objetivo del anejo es ofrecer una serie de recomendaciones de aplicación a estructuras de hormigón estructural que deben cumplir: Evitar colapso prematuro de la estructura (función portante) Limitar la propagación del fuego (función separadora)

26 INTRODUCCIÓN El anejo presenta métodos simplificados y tablas que están del lado de la seguridad. Son condición suficiente no necesaria. Son métodos que tienen en cuenta los problemas seccionales derivados de la acción del fuego. Se acepta aplicar metodos más avanzados incluso experimentales. La acción del fuego considerada es según la curva normalizada tiempo-temperatura especificada en la UNE-EN Se pueden adoptar otros modelos de fuego según establece UNE-EN

27 INTRODUCCIÓN Estructuras laminares como aquellas con pretensado exterior no se podrán comprobar con métodos simplificados. Hormigones de clase superior a HA-80 quedan excluidos. En estructuras que trabajan por forma el efecto de las deformaciones impuestas por causas térmicas son fundamentales y no están contempladas en los métodos simplificados. Por eso es necesario un análisis especial

28 Anejo 6 - EHE Se considera que la resistencia al fuego de una estructura es la capacidad para mantener durante un periodo de tiempo determinado la función portante, así como la función separadora (aislamiento e integridad). La resistencia se comprueba con la curva normalizada tiempo-temperatura especificada en la UNE-EN La resistencia al fuego se especifica en minutos. Los intevalos habituales son:

29 Anejo 6 - EHE El comportamiento frente al fuego de una estructura se puede clasificar según tres criterios: R: Capacidad portante. E: Estanqueidad al paso de llamas y gases calientes. I: Aislamiento térmico en caso de fuego.

30 Bases de cálculo Los esfuerzos obtenidos por la acción del fuego se obtienen considerando la combinación de acciones correspondiente a la situación accidental: Los coeficientes parciales de seguridad de los materiales es de 1.0

31 Bases de cálculo Se puede evitar considerar la combinación accidental utilizando el factor de reducción:

32 Métodos de comprobación Método general teniendo en cuenta los efectos de la acción del fuego considerando el efecto físico. Se debe considerar las propiedades del material en función de la temperatura. Se debe considerar la distribución de la temperatura en la estructura. Se considerará la rigidez de la estructura y las condiciones de contorno para obtener los efectos de las dilataciones y deformaciones térmicas.

33 Métodos de comprobación Métodos simplificados se pueden utilizar siempre que proporcionen resultados equivalentes o del lado de la seguridad con respecto al método general. Los métodos simplificados son una comprobación de los ELU considerando los elementos estructurales de forma aislada. Los métodos simplificados desprecian los efectos de las acciones indirectas (dilataciones, deformaciones, etc)

34 Métodos de comprobación Existen dos métodos simplificados: Método de tablas. Método de la Isoterma 500ºC

35 Métodos de tablas Se realizan una serie de comprobaciones dimensionales de la sección transversal y los recubrimientos mecánicos. Se deberá calcular un recubrimiento equivalente:

36 Métodos de tablas Se deberá corregir el recubrimiento equivalente en función de la temperatura y el tipo de armado:

37 Métodos de tablas Coeficiente de sobredimensionado: De forma simplificada se puede consierar un coeficiente de sobredimensionado de 0,5 de forma general y 0,6 para zonas de almacén.

38 Métodos de tablas Las tablas se han considerado para áridos de tipo silíceo. Si se utilizan hormigones con áridos calcáreos se pueden reducir ciertas dimensiones:

39 Métodos de tablas Con hormigones con contenido de sílice inferior al 6% y hormigones de clase H-50 a H-80 se deben aumentar los siguientes valores: En zonas con recubrimientos superiores a 50mm se deberá añadir una armadura adicional para evitar desprendimientos de hormigón colocando una malla de separaciones inferiores a 150mm en los dos sentidos.

40 Métodos de tablas-pilares Pilares expuestos por tres o cuatro caras:

41 Métodos de tablas-muros Muros expuestos por una o dos caras:

42 Métodos de tablas-tirantes Elementos a tracción:

43 Métodos de tablas-vigas Vigas expuestas a las tres caras:

44 Métodos de tablas-losas Losas expuestas a una cara:

45 Métodos de tablas-forjados reticulares Forjados reticulares expuestos a una cara:

46 Métodos de tablas-forjados reticulares Forjados reticulares expuestos a una cara (CTE):

47 Métodos de tablas-forjados reticulares Par forjados con entrevigado de hormigón o cerámico y revestimiento inferior se puede considerar la tabla de losas macizas.

48 Métodos de tablas-forjados unidireccionales Par forjados con entrevigado de hormigón o cerámico y revestimiento inferior se puede considerar la tabla de losas macizas. Para forjados sin recubrimiento inferior o entrevigado cerámico se deberá considerar la tabla de vigas expuestas a tres caras.

49 Métodos de tablas-capas protectoras Se puede alcanzar la resistencia al fuego aplicando capas protectoras adicionales. La resistencia de dichas capas se establece según la norma UNE-ENV Si se realiza una capa protectora con mortero de yeso se puede considerar 1.8veces el espesor de hormigón equivalente.

50 Método de la isoterma 500 Para elementos de hormigón armado y pretensado y resistencia del hormigón igual o inferior a 50 MPa se puede aplicar el método de la isoterma 500. Se deberán cumplir unas dimensiones mínimas:

51 Método de la isoterma 500 Capacidad portante: Se establece el equilibrio seccional con las hipótesis de la EHE. Se considera la sección de hormigón reducida aquella parte de la sección con la temperatura del hormigón inferior a 500ºC. Las propiedades del hormigón sonlas mismas que a temperatura ambiente. Las propiedades de la armadura se consideran en función de la temperatura que alcanzan.

52 Método de la isoterma 500 Propiedades de la armadura: Se consideran todas las armaduras, incluso las que están fuera de la sección reducida de hormigón.

53 Método de la isoterma 500 La distribución de temperaturas en la sección de hormigón se puede establecer mediante unas tablas o mediante el método de los elementos finitos. La EHE presenta unas gráficas con la distribución de temperaturas. El árido considerado en las gráficas de isotermas es de tipo siliceo. Para hacer un análisis más ajustado de la distribución de temperaturas se debe utilizar MEF.

54 Método de la isoterma 500

55 Método de la isoterma 500 Con el Método de los Elementos Finitos se puede particularizar el tipo de material (sobre todo el árido del hormigón) y ajustar la sección a formas aleatorias. Se pueden analizar secciones con distintos materiales. Hay herramientas gratuitas como SAFIR y diamond, que con ciertas limitaciones permiten analizar secciones complejas y su distribución de armaduras. Luego con programas como INCA2 se pueden analizar secciones de hormigón cualquiera, incluso con armadura fuera de la sección.

56 Método de la isoterma 500

57 Método de la isoterma 500

58 Método de la isoterma 500

59 Método de la isoterma 500

60 Método de la isoterma 500

61 Tratamiento según EC-2

62 EUROCODIGOS Para utilizar los eurocódigos para analizar la resistencia al fuego de las estructuras de hormigón será necesario considerar distintos documentos: EN : Acciones sobre estructuras sometidas a fuego EN : Diseño de estructuras de hormigón sometidas a la acción del fuego

63 EUROCODIGOS-EN Establece las bases de cálculo para considerar las acciones. Como la EHE define que se consdiera por resistencia al fuego.

64 EUROCODIGOS-EN El análisis estructural de la acción del fuego comporta: Determinación de la curva temperatura-tiempo. Determinar la distribución de temperatura en la estructura a lo largo del tiempo. Obtener el comportamiento mecánico de la estructura en función de la temperatura. Habrá que hacer un análisis mecánico y otro térmico. La acción del fuego se clasifica como accidental.

65 EUROCODIGOS-EN Se presentan las bases de cálculo para obtener distintas curvas de tiempo-temperatura (exterior, hidrocarburos, etc.). El documento es el que se utilizará para realizar un análisis general de la acción del fuego. Establece distribución de fuego en el exterior,etc...

66 EUROCODIGOS-EN Este documento equivale al anejo 6 de la EHE. Al igual que la EHE el documento excluye estructuras laminares y estructuras con pretensado exterior. Este documento cubre hasta hormigones de clase H-90 (en lugar de H-80 como la EHE) y tambíen es apto para hormigones ligeros de hasta clase H-55. Para hormigones de clase superior a H-50 se dan especificaciones especiales (al igual que la EHE).

67 EUROCODIGOS-EN Los eurocódigos establecen que la estructura resistente al fuego debe tener capacidad portante y aislante. Las bases de cálculo son las mismas que las de la EHE. Se considera la combinación accidental para obtener los esfuerzos y se considera un factor de seguridad la unidad para los coeficientes de minoración del material.

68 EUROCODIGOS-EN Los eurocódigos establecen que la estructura resistente al fuego debe tener capacidad portante y aislante. Las bases de cálculo son las mismas que las de la EHE. Se considera la combinación accidental para obtener los esfuerzos y se considera un factor de seguridad la unidad para los coeficientes de minoración del material. Se podrán obtener los esfuerzos de forma simplificada:

69 EUROCODIGOS-EN Se puede realizar un análisis general considerando las acciones y esfuerzos de la situación accidental y con las propiedades de los materiales variables en función de la temperatura.

70 EUROCODIGOS-EN

71 EUROCODIGOS-EN

72 EUROCODIGOS-EN Los métodos de análisis, como en la EHE pueden ser: Método general. Métodos simplificados Tablas Isoterma 500 Método de las zonas Los métodos por tablas son un poco más específicos que los de la EHE.

73 Métodos tablas

74 Métodos tablas

75 Métodos tablas

76 Métodos tablas

77 Métodos tablas

78 Métodos Isoterma 500 Presenta el mismo método que la EHE. Se presentan gráficas de distribución de temperaturas.

79 Métodos Isoterma 500 Al igual que la EHE se analiza la sección de hormigón reducida con temperatura inferior a 500ºC, las armaduras con la capacidad resistente en función de su temperatura, aunque esten fuera de la sección de hormigón, y se aplica equilibrio con las ecuaciones constitutivas habituales.

80 Métodos Isoterma 500

81 Método de las zonas Es un método similar al de la Isoterma 500 pero más laborioso. Se subdivide la sección en partes de igual espesor y a cada una de ellas se le asigna la capacidad estructural en función de su temperatura. Permite ajustar el cálculo realizado con la Isoterma 500.

82 Método de las zonas