Resistencia al fuego de las estructuras metálicas. Pinturas intumescentes

Resistencia al fuego de las estructuras metálicas. Pinturas intumescentes Frederic Marimon Albert Jiménez Ignacio González Departamento de Resistencia de Materiales y Estructuras en la Ingeniería

1. COMPORTAMIENTO FRENTE AL FUEGO 2. PINTURAS INTUMESCENTES 3. ENSAYOS EXPERIMENTALES - UPC 4. MODELO DE CÁLCULO. NORMAS Y CÓDIGOS 5. EJEMPLOS 6. CONCLUSIONES

PROPIEDADES MECANICAS DEL ACERO AFECTADAS POR LA TEMPERATURA 2 Tensió (N/mm ) 300 20 C 250 200 C 300 C 200 400 C 150 500 C Límit elàstic efectiu (600 C) 600 C 100 50 Límit de proporcionalitat (600 C) Mòdul elàstic (600 C) 700 C 800 C 0 0,5 1,0 1,5 2,0 Deformació Gráfico tensión (N/mm 2 ) - deformación (%) en funció de la temperatura para el acero S275

PANDEO POR FLEXIÓN EN PILARES VUELCO LATERAL EN VIGAS ABOLLADURA EN LAS PLACAS Tensión crítica elàstica de abolladura Disminución de la carga crítica elástica Clasiificación de las secciones Momento crítico elàstico Aumento de la esbeltez ( 1,2)

RESPUESTA TÉRMICA del perfil IPE 600 frente al fuego normalizado ISO 834 CASO A IPE 600 sin protección CASO B IPE 600 con una protección de mortero de vermiculita de 20 mm 9

PLACAS ENSAMBLADAS MORTEROS PROYECTADOS PINTURAS INTUMESCENTES

La pintura intumescente Degradación de la capa superficial de residuos carbonosos (char degradation Formación de una capa de residuos carbonosos (char formation) Intumescencia (intumescence) Los agentes de la pintura generan gases. Fase exotérmica Fusión (melting) Fase endotérmica

Aplicaciones de las pinturas intumescentes

Protocolo de aplicación y control Proyecto europeo FP7- SteelProst (2013-15) http://cordis.europa.eu/result/rcn/57322_en.html

Proyecto Final de Carrera - E.T.S Ingeniería Industrial de Barcelona UPC CARACTERITZACIÓ DEL COMPORTAMENT TERMOMECÀNIC DE LES PINTURES INTUMESCENTS Estudiantes Guillermo Abril y Mario Tortosa (2012) Directores Frederic Marimon - ETSEIB Ana Lacasta - Laboratori del Foc - EPSEB Soporte de empresas Euroquímica Laboratorio Applus https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/16607/mem%c3%b2ria_pfc.pdf?sequence=1&isallowed=y

Campaña experimental UPC Diseño de experimentos para la obtención de la conductividad térmica de la pintura λ [W/(m K)] según: 3 espesores iniciales d p [mm]: 600, 1000 y 1200 mm 2 factores de sección de la placa de acero A/V [m-1]: espesores de acero 6 y 10 mm 3 rampas variando la velocidad de calentamiento [ºC/min]

Dispositivo especial de ensayo UPC

Resultados UPC Obtención de la conductividad térmica de la pintura λ [W/(m K)] según su espesor inicial d p [mm], el factor de sección del acero A/V [m-1] y la velocidad de calentamiento [º/min] d p = 600 mm d p = 1000 mm d p = 1200 mm CONCLUSIONES 1) La conductividad térmica de la pintura depende del espesor inicial de la misma y el factor de sección de la placa de acero 2) No se observaron diferencias significativas respecto a la velocidad de calentamiento, aunque éstas eran bajas y no resulta concluyente

Ensayos según UNE-EN 13381-8 (+ETAG 018) UNE-EN 13381-8:2015 Métodos de ensayo para determinar la contribución a la resistencia al fuego de los elementos estructurales. Parte 8: Protección reactiva aplicada a los elementos de acero. BASES GENERALS Ensayo de diferentes tipos de sección (H, I, tubulares) Ensayo de diferentes espesores de pintura Ensayo de diferentes imprimaciones (si es el caso) Ensayo de diferentes substratos (aceros especiales, galvanizados, si es el caso) Elementos en posición vertical de diferente longitud. Columnas cortas y largas. Elementos en posición horizontal. Vigas descargadas y con carga. CORRECCIÓN DE LOS RESULTADOS Estadísticos Corrección mediante el factor de pegabilidad. Stickability Ratio corrección = Pilares altos / Pilares cortos Ratio corrección = Vigas cargadas / Vigas descargadas

? l Conductividad térmica variable [W/(m K)] UNE-EN 13381-8 [ºC] ISO 834

Tablas y programas de ordenador R60 EN 13381-8 SD198 (Appendix B15)/BS 476:Part 21

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Dominios de comprobación Tiempo: t fi.d > t fi.requ Métodos avanzados de análisis: a) Problema térmico b) Problema mecánico Resistencia: R fi.d.t > E fi.d.t Temperatura: cr.d > d Comprobación con los modelos simplificados UNE-EN 1993-1-2 Método exclusivo para la estructura metálica. De gran tradición de uso en la tecnología de las pinturas intumescentes

5.1 Celosia Warren con perfiles tubulares - R30 ACCIONES: CÓDIGO TÉCNICO DE EDIFICACIÓN CTE-DB SE AE VERIFICACIÓN: RSCIEI Eurocódigo 3 UNE-EN 1993 Parte 1.2 G _Carga permanente 0,72 kn/m 2 S _ Sobrecarga de nieve 0,40 kn/m 2 1 = 0,2 2 = 0 h 1.000 m W _ Sobrecarga de viento Luz de la celosía Canto de la celosía Cordón superior Cordón inferior Diagonales Zona C q b =0,52 kn/m 2 Categoría IV c e =1,56 c p según zona cubierta L= 26 m H= 1,5 m SHS 200x8 mm S355JR SHS 200x8 mm S355JR SHS 100x6 mm S355JR 1 = 0,5 2 = 0 Requisito RSCIEI Riesgo Alto. R30 Estudio R15, R30 y R45

W_ Sobrecarga de viento Presiones (+) Succiones (-)

LONGITUDES DE PANDEO Cordón superior SHS 200x8 (tramo central) Pandeo en el plano Lcr,y 2.861 mm distancia entre nudos Pandeo fuera del plano L 5.722 mm distancia entre puntos de arriostramiento cr,z Cordón inferior SHS 200x8 (tramo central) y Pandeo en el plano Lcr,y 2.861 mm distancia entre nudos Pandeo fuera del plano Lcr,z 11.445 mm distancia entre puntos de arriostramiento z z y

VERIFICACIÓN A TEMPERATURA AMBIENTE 20º Agotamiento porcentual ELU [%] Agotamiento porcentual ELU [%] de los elementos, incluida inestabilidad (1), a temperatura ambiente 20º y con los coeficiente de mayoración de las cargas correspondientes. Valor máximo del agotamiento 65% en el cordón superior (1) DIAMONDS v.2015, según UNE-EN 1993 Parte 1.1 Método A

5.1.1 EL PROBLEMA MECÁNICO; OBTENCIÓN cr RESOLUCIÓN DEL PROBLEMA MECÁNICO EN SITUACIÓN DE INCENDIO OBTENCIÓN DE LA TEMPERATURA CRÍTICA, TRAMO CENTRAL SHS 200X8 (S275JR) DEL CORDÓN SUPERIOR cr. La combinación de cargas más desfavorable G + 0, 2 S N = - 307 kn (compresión) fi,ed M = 2, 4 kn m (para efectuar un primer cálculo manual se supone despreciable el efecto del momento flector y, fi,ed Cálculo de la carga crítica elástica de Euler en situación de incendio t=0 s (20º) 2 2 4 N E I 210.000 y 2 35.699.168 mm mm 3 Según eje de flexión y - y N cr,y = = = 9.029 10 N 2 2 L cr,y (2.861mm) 2 2 N 4 E I 210.000 y 2 35.699.168mm mm 3 Según eje de flexión z - z N = = cr,z 2 2 = 2.257 10 N Lcr,z (5.722 mm) Cálculo de la esbeltez relativa en situación de incendio t=0 s (20º) 2 N A f 5924 mm 355 y,20º 2 mm curva de pandeo Según eje de flexión y - y ly = = 0, 48 3 UNE-EN 1993-1.2 y 0,76 Ncr,y 9.029 10 N 2 N A f 5924 mm 355 y,20º 2 mm curva de pandeo Según eje de flexión z - z lz = = 0,97 3 UNE-EN 1993-1.2 z 0,51 Ncr,z 2.257 10 N min 0,51

Capacidad resistente en situación de incendio t=0 s, con pandeo según el eje mas desfavorable z-z N = A f 0,51 5924 mm 355 1.072 kn 2 N fi,rd,t=0 min y,20º 2 mm Vamos a efectuar iteraciones desde 20º hasta la temperatura crítica, se igualan los esfuerzos resistentes y acción: cr, que es la situación final donde Situación final N N fi,rd fi,ed cr k k k f k f k z N fi,rd= min A f l l y, y, y, y, y, y E, (1) z, z fi, ke, ke, 20º 1, 00 355 1, 00 1, 00 0, 97 0,51 1.068 kn N 2 mm y, 400º 1, 00 355 0,70 1,20 1,16 0, 42 882 kn N 2 mm 500º 0,78 277 0, 60 1,14 1,10 0, 44 727 kn N 2 mm 600º 0, 47 167 0, 31 1,23 1,19 0, 40 400 kn N 2 mm 640º 0,37 131 0,24 1, 25 N 2 mm N 2 mm 1,21 0, 40 310 kn 641º 0,37 131 0,24 1,25 1,21 0,396 307 kn 1 Posible truco k k y, E, 1 / 0,85 1,20 Situación final N 307 kn N 307 kn 641º fi,rd fi,ed cr

Resultado del problema mecánico: Temperaturas críticas, cr, para cada barra individual 641º 649º 645º 676º 750º 866º 770º 750º 782º 750º 816º 750º 905º 750º UNIFICACIÓN DE RESULTADOS PARA EL DISEÑO Cordón superior e inferior SHS 200x8 mm cr = 641º Diagonales SHS 100x6... cr = 727º

5.1.2 EL PROBLEMA TÉRMICO Resolución numérica de la ecuación diferencial con l variable lvariable

Perfil SHS 200x8 (cordón superior) SHS 200x8 (cordón inferior) A/V (m-1) Temperatura crítica θ cr 128 m-1 641 ºC 128 m-1 750 ºC SHS 100x6 (diagonales) 173 m-1 727 ºC No necesario 213 μm Espesor recubrimento DFT (μm) R15 R30 R45 Método θ cr θ cr =500C Método θ cr θ cr =500C Método θ cr θ cr =500C No necesario 190 μm 265 μm 534 μm 325 μm (a 650C) 745 μm 532 μm 1.920 μm 707 μm (a 650 C) 2.407 μm Recubrimiento unificado de todos los tubos de la celosía con un espesor mínimo de 350 mm para cumplir el requisito R30

5.2 Viga IPE450 con vuelco lateral R60 ACCIONES: CÓDIGO TÉCNICO DE EDIFICACIÓN CTE-DB SE AE VERIFICACIÓN: Eurocódigo 3 UNE-EN 1993 Parte 1.2 G _Carga permanente 0,71 kn/m 2 + vigas secundarias 2xHEA280 S _ Sobrecarga de nieve 0,50 kn/m 2 1 = 0,2 2 = 0 h 1.000 m W _ Sobrecarga de viento Luz de la viga IPE450 Posición vigas secundarias Cargas puntuales Peso propio IPE450 Acero No hay posibilidad de inversión L= 10 m a=l/3= 3.333 mm F fi,ed = 19,56 kn G = 0,776 kn/m S275JR Requisito R60 Estudio R15, R30, R60 y R90

La viga primaria IPE450, de luz L = 10 m, está simplemente apoyada en los pilares de hormigón y recibe las cargas puntuales procedentes de les vigas secundarias en las posiciones C i D situadas a=l/3. Los apoyos, A y B, i las puntos de aplicación de las cargas, C y D, se pueden considerar como apoyos en horquilla de cara al fenómeno de inestabilidad por vuelco lateral; x = 0 i v=0. Momento flector debido a las cargas puntuales Momento flector debido al peso propio del perfil IPE450 77,6 kg/m Finalmente, el momento flector máximo en el centro de la viga

5.2.1 EL PROBLEMA MECÁNICO; OBTENCIÓN cr La inestabilidad interviene en la disminución del módulo de elasticidad del acero. Así, hay que encontrar la temperatura crítica per iteraciones, imponiendo que el momento resistente sea igual al valor del momento acción. En primer lugar, se calcula el momento crítico elastico resistente en situación de incendio t=0 s (20º) Tramo central C-D; el coeficiente C =1, 0 M l C 2 E I cr 1 2 Lcr.LT LT L G I 2 I z w cr,lt t 2 Iz EIz W 3 3 2 pl,y fy 1702 10 mm 275 N / mm 6 0,77 Mcr 794 10 N mm 1 794 kn m Coeficiente reductor l LT M W fi,rd LT pl,y por curva de pandeo UNE-EN 1993-1.2 vuelco lateral 0, 77 0,59 LT 275N 2 3 3 fy 0, 59 1702 10 mm mm 274kN m 10, Efectuamos iteraciones desde 20º hasta la temperatura crítica, se igualan los esfuerzos resistentes y Situación final acción: M y, fi,rd M y,fi,ed cr, que es la situación final donde cr

k k k f k f k M = f l l y, y, y, y, y, y E, (1) LT, LT fi,lt y,fi,rd fi,lt Wpl,y y, ke, ke, 20º 1, 00 275 1, 00 1, 00 0,77 0,59 274 kn m N mm 2 500º 0,782 215 0, 601 1, 14 0, 88 0,53 194 kn m N mm 2 615º 0, 434 119 0,283 N mm N mm 2 N mm 2 2 1,24 0,95 0, 49 100 kn m 650º 0,350 96 0,220 1,26 0, 97 0, 484 79 kn m 657º 0,333 92 0,207 1,27 0, 99 0, 480 75 kn m Situación final M 75 kn m M 75 kn m 657º y,fi,rd y,fi,ed cr

5.2.2 EL PROBLEMA TÉRMICO Resolución numérica de la ecuación diferencial con l variable lvariable

Perfil A/V(m -1 ) R15 R30 R60 Temperatura Método Método Método crítica θ cr 500C 500C 500C θ cr θ cr θ cr Método θ cr R90 500C IPE450 - S275JR 163 m-1 635C No necesario 115 μm 336 μm 579 μm 831 μm 1.930 μm 2537 μm Ensayo no disponible Recubrimiento con un espesor mínimo de 850 mm para cumplir el requisito R60

1. Las pinturas intumescentes tienen un comportamiento impredecible y errático. No tienen un modelo definido de cálculo y no se puede optimizar su diseño. MODELO DE COMPORTAMIENTO TÉRMICO MEDIANTE EL MÉTODO l VARIABLE O REGRESIÓN LINEAL, AMBOS CONTEMPLADOS UNE-EN 13381-4 2. Las pinturas intumescentes sólo permiten la protección de las piezas que trabajan a flexión sin inestabilidad. No está contemplados los fenómenos de inestabilidad estructural: el pandeo en pilares o el vuelco lateral en vigas. CÁLCULO DE LA TEMPERATURA CRÍTICA EN SITUACIONES DE INESTABILIDAD: PANDEO Y VUELCO LATERAL 3. Sólo existen unas tablas misteriosas que no proporcionan un modelo claro de comportamiento y las condiciones que han sido elaboradas LOS FABRICANTES PROPORCIONAN TABLAS COMPLETAS Y/O PROGRAMAS DE ORDENADOR ADAPTADOS 4. Sólo permiten justificar requisitos bajos, máximo R15 ó R30 JUSTIFICACIÓN SIN PROBLEMAS DE R60 EN LA MAYORÍA DE SITUACIONES

Muchas gracias por su atención Departament de Resistència de Materials i Estructures a l Enginyeria Universitat Politècnica de Catalunya