LIBRO EUROPA ISTRUCTE GUIA AVANZADA DE SEGURIDAD CONTRA INCENDIO (ESPAÑOL)

Guía de la ingeniería
avanzada de
seguridad contra
incendios
de estructuras
Agosto de 2007
Agosto de 2007
Guía para la ingeniería avanzada de
seguridad contra incendios de
estructuras
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
ONSTITUCIÓN DEL GRUPO DE TRABAJO
M Green BE CEng M IStructE M ICE (Buro Happold) Presidente
J Brighton* CEng FIStructE ( Grupo W SP)
P Chana** BSc(Eng) PhD CEng FIStructE M ICE (British Cement Association) R
Jones*** CEng M IStructE M IGasE FBEng (London Borough of Southwark) B Kirby
BSc PhD FIFireE CEng (Corus Fire Engineering)
B Lane BA BAI PhD CEng M IFireE M IEI M SFPE (Arup Fire) J
Lavender BSc IEng M IFireE (Chiltern International Fire) T
Lennon BEng BA (Building Research Establishment)
G Newman BSc(Eng) CEng M IStructE M IFireE (The Steel Construction Institute)
R Plank BSc(Eng) PhD CEng M IStructE M ICE (Universidad de Sheffield)
R P o p e † M A M Sc DPhil CEng FIStructE FI M echE ACIArb (Consultor)
J Purkiss BSc(Eng) PhD CEng M IStructE M ICE (Universidad de Aston/Consultor)
M i e m b rosd e r e p r e s e n t a c i ó n
A Buchanan BE(Civil)(Honours) M S (Calif) PhD (Universidad de Canterbury, Nueva Zelanda)
G Faller†† M Sc CEng M IStructE M IFireE (Arup Fire)
K Fisher††† BSc M Sc Tech PhD (Consultor)
D Hobbs (ex Viceprimer Ministro)
J Y R Liew Beng M Eng PhD PE CEng M IStructE (Universidad Nacional de Singapur)
J Milke BSc M Sc PhD PE (Universidad de M aryland, EE.UU.)
C onsultor
C G Bailey BEng PhD CEng FICE M IStructE M IFireE (Universidad de M anchester)
Secretario del Grupo de Trabajo
B Chan BSc(Hons) A M I M echE (Institución de Ingenieros Estructurales)
en representación de la Association of Fire Consultants
en representación de The Concrete Centre
*** en representación de la London District Surveyors Association
†
en representación de la British Constructional Steelwork Association
e n representación de la Institución de Ingenieros de Incendios
† † † en representación de la Asociación para el Desarrollo del Ladrillo
*
**
Con o c i mientos
La Institución agradece el patrocinio proporcionado para esta Guía por Arup, British Constructional Steelwork
Association, The Concrete Centre, Corus y FEDRA.
Publicado por The Institution of Structural Engineers, International HQ, 11 Upper Belgrave Street, Londres SW1X 8BH
ISBN 978-0-901297-46-4
2007 La Institución de Ingenieros Estructurales
Imágenes de la portada: Para más detalles, véanse las figuras 6.1, 6.3, 6.4 y 6.7.
La Institution of Structural Engineers y los miembros del grupo de trabajo que ha elaborado esta guía se han esforzado por
garantizar la exactitud de su contenido. No obstante, las orientaciones y recomendaciones dadas deben ser revisadas siempre por los
usuarios de la Guía a la luz de los hechos de su caso particular y de cualquier asesoramiento especializado. La Institución, los miembros
del Grupo de Trabajo, sus empleados o agentes no aceptan ninguna responsabilidad por negligencia o de otro tipo en relación con esta
Guía y su contenido. Toda persona que utilice esta Guía deberá prestar especial atención a lo dispuesto en esta condición.
Queda prohibida la reproducción total o parcial de esta publicación, su almacenamiento en un sistema de recuperación de datos o
su transmisión de cualquier forma o por cualquier medio sin la autorización previa de la Institution of Structural Engineers, con
la que puede ponerse en contacto en 11 Upper Belgrave Street, Londres, S W 1X 8BH.
iv
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
C ONTENIDOS
GLOSARIO
V
PRÓLOGO
VII
1INTRODUCCIÓN
1
1.1
Antecedentes
1
1.
2Estado de la Gu í a
1
2MÉTODO DE DISEÑO
2.1
Introducción
2.
2Descripción general del
proceso de diseño
2.2.
1Determinar las necesidades y los objetivos
2.2.
2Determinar los criterios de rendimiento aceptables
2.2.
3Evaluar el nivel básico de complejidad para cumplir los requisitos/objetivos
2.2.4Realizar una revisión cualitativa
2.2.5Evaluar el valor y las limitaciones
2.2.6Realizar un diseño estructural detallado contra incendios basado en el
rendimiento
2.2.7Validación , verificación y revisión
2.2.8
Comparar el análisis con los criterios aceptables
2.2.
3
2
2
2
5
6
7
7
7
8
8
8
COMPORTAMIENTO EN CASO DE INCENDIO
10
3.1
3.2
10
13
13
14
14
15
15
15
16
17
19
20
20
21
21
22
3.3
4
9Presentación del diseño para su comprobación por terceros
2
Introducción
Incendio localizado
3.2.1Modelos de penacho de incendio
3.2.2Método
simplificado recogido en PD 7974-1
3.2.3Modelos de dos zonas
3.2.4
Dinámica de fluidos computacional
Fuego totalmente desarrollado
3.3.1
Relaciones normalizadas temperatura-tiempo
3.3.2
Equivalencia temporal
3.3.3
Curvas de fuego natural
3.3.4
Modelos de zonas
3.3.5
Dinámica de fluidos computacional
3.3.6
Modelos de llama externa
3.3.7
Utilización de datos de prueba
3.3.8
Estudios paramétricos clave para determinar los fuegos de diseño para la
evaluación estructural
3.3.9
Supresión automática
RESPUESTA TÉRMICA
23
4.1
23
Introducción
4.2Principios básicos de la transferencia de calor
4.3
Datos de la prueba
4.4Modelos de cálculo simplificados
4.4.1 Elementos de
acero
4.4.2Piezas de hormigón
4.4.3 Elementos compuestos
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
24
26
26
26
27
27
iii
4.4.4Miembros de
4.5
albañilería
27
Métodos analíticos avanzados
5
28
COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL
29
5.1
5.2
29
31
31
31
31
32
32
32
32
33
33
33
34
36
36
Introducción
Principios básicos
5.2.1
Dilatación térmica y curvatura térmica
5.2.2
Deformaciones de fluencia y transitorias
5.2.3
Desconchados
5.3Métodos de cálculo
sencillos
5.3.1 Elementos de
acero
5.3.2 Elementos compuestos
5.3.3Piezas de hormigón
5.3.4Miembros de la
madera
5.3.5Miembros de
albañilería
5.4
Comportamiento de todo el edificio y uso de modelos de elementos finitos
5.4.1
Principios generales
5.4.2
Modelo conceptual
5.4.3
Evaluación del fracaso
5.4.4
6
Evaluación de la sensibilidad
C ASE ESTUDIOS
37
6.1
Introducción
37
6.2
6.3
6.4
Plaza de los Reyes
Ac ademia y Centro Ecuestre Al Shaqab
Aeropuerto de Heathrow Muelle 6
37
39
40
6.5
Casa Abbey Mill
42
REFEREN C ES
ANEXO A
iv
36
44
DATOS DE ENSAYO DISPONIBLES
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
46
GLOSARIO
C FD: Los modelos de dinámica de fluidos
computacional (CFD) se utilizan para resolver
el movimiento de fluidos dentro de un compartimento
para predecir el humo y el desarrollo del fuego.
Emisividad: Indica la eficiencia de una superficie
emisora como radiador, con un rango entre cero y
1.0. Un radiador ideal de "cuerpo negro" tiene un
valor de emisividad de 1,0.
C o m p o r t a m i e n t o contra incendios: Espacio de un
edificio delimitado por elementos de separación
(por ejemplo, paredes o suelos) cuya resistencia al
fuego se ha comprobado. El espacio puede abarcar una
o varias plantas.
Fuego lo ad: La energía liberada por
combustión de materiales en un espacio.
la
Flashover: Transición relativamente rápida entre el
fuego localizado esencialmente en torno a los primeros
objetos incendiados y la conflagración general cuando
todas las superficies del compartimento están
ardiendo.
Incendio completamente desarrollado: Fase del incendio
posterior a la inflamación en la que arden
todos los combustibles del compartimento.
Incendio lo c alizado: Incendio que afecta sólo a una zona
limitada de la carga de fuego en el compartimento y en
el que no se ha producido flameo.
C urvas naturales de incendio: Relación temperaturatiempo de los gases de incendio en un compartimento
determinada en función de las propiedades físicas del
compartimento, la carga de fuego y las condiciones de
ventilación.
Plu m e m o d e ls: Modelo matemático para representar
la columna ascendente de fuego y humo de un incendio
localizado.
Curvas estándar de ensayo de exposición al fuego: Curva
de exposición al fuego bien definida que se
utiliza en los ensayos de fuego estándar para
verificar la resistencia al fuego.
Tiem po quivalen te: Definido como el tiempo de
exposición en un ensayo estándar de resistencia al fuego
que produce el mismo efecto de calentamiento en una
estructura en un compartimento determinado.
M odelos zonales: M odelo matemático que divide el
sector de incendio en diferentes volúmenes de
control o zonas y define la temperatura en cada zona
basándose en la conservación de la masa y la
energía.
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
v
vi
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
PRÓLOGO
Esta guía se sitúa a la vanguardia del análisis avanzado de estructuras y surge de la necesidad imperiosa de predecir mejor el
comportamiento de estructuras reales en incendios reales. Es una continuación lógica y progresiva de la guía anterior,
Introducción a la ingeniería de seguridad contra incendios de estructuras. Se ha diseñado para ayudar al ingeniero a ofrecer un
nivel de delicadeza y flexibilidad para la resolución de problemas y un valor que no está disponible a través de la ruta
prescriptiva tradicional incorporada en la mayoría de las normativas de construcción.
Uno de nuestros mensajes más importantes se refiere a la eficacia del proceso, que es esencial para controlar la calidad
tanto para el diseñador como para la autoridad que aprueba. Apoya y toma prestado del informe del IStructE Guidelines
for the use of computers for engineering calculations, que hace hincapié en la necesidad de una responsabilidad clara y
un proceso de revisión eficaz. El planteamiento también ejemplifica la metodología que sería necesaria para
aumentar lógicamente los niveles de seguridad a fin de satisfacer las necesidades empresariales y responder
a fenómenos naturales extremos u otros escenarios inusuales.
El Grupo de Trabajo ha recibido excelentes comentarios de ingenieros y académicos de todo el mundo. Ello ha
permitido ampliar y profundizar en gran medida esta publicación, garantizando que la Guía pueda aplicarse en muchos
países, ya que se basa en los fundamentos de la ciencia y la ingeniería.
Me gustaría agradecer a todos los miembros del Grupo de Trabajo y a su Secretaria, Berenice Chan, su ayuda en la elaboración
de esta Guía. Además, me gustaría reconocer la importante contribución del profesor Colin Bailey, de la Universidad
de M anchester, que ha redactado la Guía bajo la dirección del Grupo de Trabajo. La elaboración de este documento
ha supuesto todo un reto, y el duro trabajo de Colin y su eficaz respuesta a las necesidades del Grupo de Trabajo,
en el momento oportuno, son muy de agradecer.
M Verde
Presidente del grupo de trabajo
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
vii
viii
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
1
INTRODUCCIÓN
1.1
Ba c k suelo
Esta Guía proporciona una visión general de los
métodos avanzados disponibles para el diseño de
estructuras resistentes al fuego y debe leerse
junto con la publicación anterior Introducción
a la ingeniería de seguridad contra incendios de las
estructuras1, que presentaba una serie de enfoques
de diseño sencillos e información básica útil.
Cada etapa del proceso de diseño avanzado
(modelización del incendio, determinación de la
transferencia de calor a la estructura y análisis
estructural a alta temperatura) se analiza, con
orientación sobre los distintos enfoques que pueden
adoptarse.
Tradicionalmente, los ingenieros de estructuras no se
aventuraban en el diseño contra incendios, debido a su
falta de conocimientos sobre el comportamiento del
fuego, confiando en su lugar en simples normas
prescriptivas y orientaciones, que garantizaban una
protección pasiva suficiente contra el fuego a los
miembros estructurales, basándose en ensayos estándar
contra incendios. Del mismo modo, los ingenieros de
incendios también se basaban en simples normas
prescriptivas, principalmente debido a su falta de
conocimientos de ingeniería estructural y de comprensión
de cómo se comportan las estructuras bajo la carga del
fuego. El diseño estructural contra incendios aúna las
disciplinas de la ingeniería estructural y la ingeniería
contra incendios, para permitir un enfoque de diseño
basado en el rendimiento que puede permitir la
construcción de edificios más económicos,
robustos, innovadores y complejos.
En la actualidad, el uso del diseño estructural
avanzado ante incendios no es común, ya que la
mayoría de los edificios se diseñan utilizando
los enfoques prescriptivos sencillos que se comentan
en la publicación anterior. Sin embargo, las ventajas de
utilizar enfoques de diseño avanzados son cada
vez más evidentes, lo que ha provocado un mayor
interés en su aplicación.
Las ventajas de adoptar enfoques de diseño
avanzados son2:
• Diseños generalmente más económicos, en
comparación con los enfoques prescriptivos simples,
sin dejar de mantener niveles aceptables de
seguridad de la vida.
• La
construcción
de
edificios
más
innovadores y complejos que no eran
posibles debido al carácter restrictivo de las
simples normas prescriptivas.
•
•
•
Esta Guía está dirigida al ingeniero de
estructuras y a los organismos de homologación.
Para el ingeniero de estructuras, se presenta una
guía que permite la selección de un enfoque de
diseño
avanzado
adecuado,
junto
con
la
identificación de los procedimientos detallados y las
herramientas correspondientes, que pueden utilizarse en
cada fase del diseño. También se analizan las
características y parámetros importantes que deben
incluirse en el método de diseño elegido. Al
proporcionar orientación sobre un marco adecuado
para el proceso de diseño, junto con una sencilla
lista de comprobación del diseño, la Guía también es
beneficiosa para los organismos de homologación, ya
que permite formular las preguntas adecuadas y tomar
decisiones con conocimiento de causa.
Aunque los códigos a los que se hace referencia
en esta Guía son generalmente los aplicables en el
Reino Unido y Europa, dado que la metodología
utilizada se basa en los fundamentos de la
ciencia y la ingeniería, la Guía también tendrá
aplicabilidad internacional y podrá utilizarse con los
códigos locales pertinentes.
1.2
Situación del G uid e
La Institución de Ingenieros Estructurales ha elaborado
esta guía a modo de orientación y sólo está pensada para
ser utilizada como tal. No pretende ser el enfoque
definitivo en ninguna situación, ya que en todas las
circunstancias la parte mejor situada para decidir
el curso de acción adecuado será el ingeniero que
lleve a cabo el proyecto concreto.
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Una mejor comprensión del comportamiento
estructural real del edificio durante un posible
incendio.
La construcción de edificios más robustos
gracias a un planteamiento de diseño avanzado
que permite identificar y reforzar los eslabones
"débiles" de la estructura.
Un aumento de los niveles de seguridad
ofrecidos por los simples enfoques de diseño
prescriptivo, mediante la incorporación de un
diseño estructural avanzado contra incendios
dentro de una estrategia global contra
incendios.
Cap í tulo 1
1
2
2.1
MÉTODO DE DISEÑO
Introducción
El nivel legislativo mínimo de seguridad para el diseño
estructural contra incendios proporciona un riesgo aceptable
asociado a la seguridad de los ocupantes del edificio, los
bomberos y las personas que se encuentran en las
proximidades del edificio.
La
ingeniería
estructural
contra
incendios implica la consideración de la gravedad
probable del incendio, la transferencia de calor a la
estructura y el análisis estructural de las altas
temperaturas. En la mayoría de los casos, los
diseñadores no tienen en cuenta implícitamente estos
tres componentes y siguen simples normas
prescriptivas u orientaciones basadas en periodos de
resistencia al fuego. Ejemplos típicos de enfoques
prescriptivos consisten en la especificación de
un espesor de protección contra incendios aplicada a
los elementos de acero o la especificación de tamaños y
recubrimientos mínimos de las armaduras para los
elementos de hormigón. Las normas típicas relativas a la
respuesta estructural al fuego del hormigón, el acero, la
madera y la mampostería se describen en la
publicación anterior1 Introduction to the fire safety engineering
of structures, en el sitio web One-stop-shop in
engineering2
structural
fire
(w
w
w
w.structuralfiresafety.org) y en las referencias 3
a 8.
Aunque, hasta la fecha, la conocida prescripción
Las normas prescriptivas han demostrado ser, en
general, adecuadas para cumplir los requisitos
mínimos de seguridad de la vida humana, pero pueden
resultar antieconómicas, restrictivas y no permiten
comprender cómo se comportan realmente los
edificios en caso de incendio. Si se siguen las
normas prescriptivas, se espera que satisfagan la
normativa. Si se adopta un enfoque de la ingeniería
estructural contra incendios basado en las
prestaciones, en el que se tienen en cuenta la
gravedad del incendio, la transferencia de calor y
la respuesta estructural, se pueden conseguir
diseños más económicos y construir edificios más
innovadores y complejos. El enfoque basado en el
rendimiento también permite apreciar cómo se
comportarán realmente los edificios en caso de
incendio, con la opción de diseñar edificios más
robustos. Si se adopta un enfoque basado en las
prestaciones, recae en el proyectista la
responsabilidad de demostrar que se ha cumplido la
normativa.
Si, tras las conversaciones con el cliente, existe
2
Cap í tulo 2
la necesidad de aumentar los niveles
de seguridad para proteger el contenido
del edificio, la superestructura del
edificio, el patrimonio, la continuidad
de la actividad empresarial, la imagen
corporativa de los ocupantes o del
propietario,
y/o
el
impacto
medioambiental, entonces debe
considerarse un enfoque basado en
el rendimiento, dentro de un diseño
global basado en el riesgo, que
incorpore la gestión de la seguridad
contra incendios y medidas activas.
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Existen diferentes enfoques2, de complejidades variables, para un
diseño de ingeniería estructural contra incendios basado en el
rendimiento. La complejidad global del diseño depende de los
supuestos y métodos adoptados para predecir cada uno de los tres
componentes del diseño relativos a la gravedad del incendio, la transferencia de
calor y la respuesta estructural. La figura 2.1 muestra varios métodos
para predecir cada uno de los tres componentes del cálculo. Es
aceptable utilizar cualquier permutación de los componentes de
diseño mostrados en la Figura 2.1, con algunas orientaciones
generales sobre el uso de diferentes permutaciones que se ofrecen
en el apartado 2.2.3.
El aumento de la complejidad del diseño estructural en caso de
incendio conllevará un aumento de los costes de diseño, pero con la
ventaja de una mayor reducción de la incertidumbre de la respuesta del
edificio en caso de incendio y, normalmente, una economía resultante en los
costes generales del edificio.
2.2
Visión general del proceso de diseño
En la figura 2.2 se muestra esquemáticamente un proceso de diseño
Cada paso se describe con detalle en las secciones 2.2.1 a
2.2.9.
razonable2 .
2.2.1 Determinar los requisitos y objetivos
La seguridad de la vida es el requisito legislativo mínimo
fundamental para el diseño estructural de los edificios en caso de incendio.
Los requisitos de seguridad de vida comprenden razonable:
• Salida segura de los ocupantes del edificio o desplazamiento
seguro razonable de los ocupantes a zonas de refugio
designadas dentro del edificio.
• Condiciones operativas seguras para los bomberos.
• Seguridad de las personas que se encuentren en el interior o en las
proximidades del edificio (incluidos los bomberos) frente a la
amenaza de un posible derrumbe del edificio.
Los requisitos de seguridad contra incendios están cubiertos por
normativas que pueden ser funcionales o prescriptivas. Por ejemplo, el
Reglamento de Edificación de Inglaterra y Gales9 establece los
siguientes objetivos funcionales relativos a los aspectos estructurales de
la seguridad contra incendios:
• El edificio deberá diseñarse y construirse de forma que, en caso
de incendio, su estabilidad se mantenga durante un período
razonable.
• Para inhibir la propagación del fuego dentro del edificio, éste se
dividirá con una construcción resistente al fuego en la medida adecuada
al tamaño y al uso previsto del edificio.
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Cap í tulo 1
1
Modelos de
penacho
Sección 3.2.1
Incendio
localizado
Sección 3.2
Aumento
de la
complejida
d
Modelos de zonas
Apartado 3.2.3
CFD
Apartado 3.2.4
Comportamiento del
fuego
Sección 3
Curvas estándar de ensayo de
incendio
Apartado 3.3.1
Aumento
de la
complejida
d
Equivalencia temporal
Apartado 3.3.2
Fuego totalmente
desarrollado
Sección 3.3
Curvas de fuego natural
Apartado 3.3.3
Modelos de zonas
Apartado 3.3.4
CFD
Apartado 3.3.5
Datos de la prueba
Sección 4.3
Respuesta térmica
Sección 4
Aumento
de la
complejida
d
Modelos sencillos de
transferencia de calor
Sección 4.4
Modelos avanzados de
transferencia de calor
Sección 4.5
Comportamiento
estructural
Sección 5
Comportamiento de los
diputados
Sección 5
Aumento
de la
complejida
d
Comportamiento del marco
Sección 5
Comportamiento de todo el
edificio
Apartado 5.4
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Cap í tulo 2
3
Figura 2.1 Enfoques disponibles para los tres componentes del diseño estructural contra incendios 2
4
Cap í tulo 2
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Determinar los
requisitos y objetivos
Sección 2.2.1
Determinar los criterios
de rendimiento
aceptables Sección
2.2.2
Evaluar el nivel básico de
complejidad para cumplir
los requisitos y objetivos
Sección 2.2.3
El enfoque basado en el
rendimiento no es factible o no
se obtiene "valor" añadido
Enfoque basado en el rendimiento
Realizar una revisión
cualitativa
Apartado 2.2.4
Diseño no
realizable o
sin "valor" añadido
disponible en
Utilizar un enfoque
prescriptivo (documentos
aprobados y
orientaciones)
Evaluar el valor y las
limitaciones
Apartado 2.2.5
Diseño realizable y "valor" añadido obtenible
Llevar a cabo un diseño estructural detallado
contra incendios basado en el rendimiento
Apartado 2.2.6
Validación, verificación y revisión
Apartado 2.2.7
Diseño no
aceptable
Comparar el análisis con
los criterios aceptables
Sección 2.2.8
Diseño aceptable
Presentación
del
diseño
para
su
comprobación
por
terceros Sección 2.2.9
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Cap í tulo 2
5
Figura 2.2 Proceso de
6
Cap í tulo 2
diseño2
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Para cumplir estos requisitos de seguridad vital,
podría adoptarse un enfoque basado en el
rendimiento o las simples normas prescriptivas, como
se indica en los documentos aprobados10 o en las
orientaciones1-8,11.
En caso de que el cliente lo solicite, el diseño de
seguridad contra incendios también podría ofrecer un nivel
superior al exigido por la legislación en materia de
seguridad contra incendios, para aumentar la protección del
edificio y su contenido. Para evaluar el "valor" de ampliar
el diseño contra incendios más allá de los requisitos
fundamentales de seguridad de la vida, suele ser necesaria
una evaluación del riesgo para evaluar los riesgos
aceptables teniendo en cuenta las pérdidas directas e
indirectas de cualquier posible incendio.
Cualquier aumento de la seguridad por encima de
los requisitos fundamentales de seguridad vital puede
dar lugar a la necesidad de proporcionar medidas
adicionales, lo que podría traducirse en unos costes
iniciales más elevados. Es importante que los requisitos y
objetivos se discutan con el cliente (y posiblemente
con las compañías de seguros) al inicio del proyecto y se
definan claramente.
Los requisitos, objetivos y criterios de rendimiento
de cada edificio son específicos de cada uno de ellos. El
proceso de Revisión Cualitativa del Diseño (QDR)
descrito en la norma BS 797412 es el método más adecuado
para aprovechar la experiencia y los conocimientos
de los miembros del equipo con el fin de definir
los datos de entrada para el análisis cuantitativo,
definir los criterios de aceptación y definir un
escenario de incendio razonable en el peor de los
casos. El enfoque, el calendario y las listas de
comprobación que se proporcionan en la BS 7974,
cuando se revisan en combinación con las
orientaciones de este documento, constituyen una
base útil para gestionar el enfoque general.
probabilístico requiere conocimientos especializados y queda fuera
del ámbito de la Guía. Para más información sobre el enfoque
probabilístico, consúltese la norma BS 797412.
Para cumplir los requisitos en materia de seguridad de las
personas que figuran en la sección 2.2.1, es necesario tener en cuenta
los siguientes puntos2 , si son pertinentes para el edificio considerado y
el planteamiento de diseño adoptado
2.2.2 Determinar criterios de rendimiento
aceptables
Los criterios aceptables dentro de un diseño
estructural contra incendios basado en el rendimiento
deben basarse en la estrategia global contra
incendios para el edificio.
Para determinar los criterios de aceptación puede
adoptarse un enfoque comparativo, determinista o
probabilístico, como se indica en la norma BS 797412. En
un enfoque comparativo, los niveles de seguridad
obtenidos a partir de un diseño basado en el
rendimiento se comparan con los niveles obtenidos a
partir de un enfoque prescriptivo simple para
garantizar que se alcanzan niveles de seguridad
equivalentes. En un enfoque determinista, se definen
unos objetivos que no deben superarse. Un enfoque
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Cap í tulo 2
7
que debe abordarse. Al considerar la
respuesta estructural aceptable,
debe
utilizarse
un enfoque
comparativo o determinista.
• La estructura debe permanecer estable
en el peor de los casos razonables
de incendio, teniendo en cuenta el
enfriamiento cuando proceda. Si se
utilizan curvas de fuego natural,
deberá tenerse en cuenta el efecto
de la fase de enfriamiento del
incendio en el comportamiento de
la estructura. Por ejemplo, en el
caso
de
estructuras
con
entramado
de
acero,
una
proporción significativa de las
conexiones debería poder soportar
razonablemente grandes fuerzas de
tracción
sin
pérdida
de
capacidad de corte vertical.
• La compartimentación vertical y
horizontal
debe
mantenerse
mientras dure el peor escenario
de incendio razonable. Deben
tenerse
en
cuenta
los
desplazamientos verticales de los
forjados y las vigas en la
proximidad de las paredes del
compartimento,
especialmente
cuando se adoptan métodos más
avanzados.
Estos
desplazamientos pueden ser de un
orden
superior
a
los
experimentados a temperatura
ambiente.
• Todas las vías de evacuación,
especialmente en caso de evacuación
escalonada, deben poder mantenerse
durante un período de tiempo
razonable.
• Los pozos de extinción de
incendios
no
deben
verse
comprometidos mientras dure el peor
escenario razonable de incendio.
• En consulta con los proveedores
especializados,
debe
considerarse el efecto de los
grandes movimientos estructurales en
cualquier
protección
contra
incendios, cortafuegos, sellado de
penetraciones e integridad de
conductos y compuertas para el
peor escenario de incendio
posible.
8
Cap í tulo 2
•
Si se identifica como un escenario de incendio crítico,
el riesgo y las consecuencias de la propagación
del fuego hacia arriba del edificio, a través de
las ventanas, deben considerarse dentro de la
estrategia de diseño estructural contra
incendios.
Para reducir la pérdida de negocio asociada al
riesgo de incendio, generalmente se requieren medidas
activas satisfactorias y una gestión de la
seguridad contra incendios para reducir el riesgo de
ignición del fuego y su posterior desarrollo. Es
importante que las medidas activas y los sistemas
de gestión se diseñen e instalen correctamente y se
mantengan adecuadamente. La gestión de la seguridad
contra incendios es un proceso que reduce el riesgo
de ignición y garantiza que, en caso de que se produzca
un incendio, todos los sistemas de seguridad contra
incendios estén en funcionamiento. En la norma BS
5588-1213 se ofrecen más orientaciones sobre la gestión
de la seguridad contra incendios.
Si se produce la ignición, es importante
asegurarse de que el fuego permanece dentro de la sala
de
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
origen, o dentro del compartimento de incendio
definido, manteniendo así al mínimo los daños
estructurales y al contenido del edificio.
Cabe mencionar que, siempre que se mantenga la
compartimentación vertical y horizontal, la magnitud
del desplazamiento de la estructura carece
relativamente de importancia a la hora de considerar la
reinstalación. Por ejemplo, el coste y el tiempo de
sustitución de un forjado con un desplazamiento de
100 m m es similar al coste y el tiempo de
sustitución de un forjado con un desplazamiento de
400 mm.
•
•
Edificios con estructura de acero
que
requerirían
protección
contra incendios aplicando el
enfoque prescriptivo.
Edificios de hormigón en los
que el tamaño de los
elementos se rige por las
dimensiones mínimas dadas por
el enfoque prescriptivo.
2.2.3 Evaluar el nivel básico de
complejidad para cumplir los
requisitos/objetivos
Para cumplir los requisitos/objetivos, debe
determinarse
un
enfoque
prescriptivo,
con
orientaciones bien definidas, o un enfoque basado en
el rendimiento, basado en los diversos métodos de la
figura 2.1.
Se supone que un enfoque prescriptivo cumple los
requisitos legislativos mínimos de seguridad de
la vida, aunque también proporcionará un nivel
desconocido de protección de la propiedad y el
medio ambiente. El carácter restrictivo de las normas
prescriptivas hace imposible su aplicación en algunos
edificios. Por ejemplo, cuando la estructura de acero
expuesta es una "característica" o en edificios como
centros comerciales, aeropuertos, etc., donde no es
posible aplicar las normas prescriptivas simples. Si este
es el caso, debe adoptarse un enfoque basado en
el rendimiento.
Un diseño estructural contra incendios
basado en el rendimiento consiste en definir el
comportamiento frente al fuego, la transferencia de calor a
la estructura y el análisis estructural a alta
temperatura. La figura 2.1 muestra los métodos
disponibles que cubren estos tres aspectos del
diseño.
La elección del enfoque de diseño dependerá
on2:
• los requisitos y objetivos definidos
• la experiencia del diseñador
• el rendimiento económico potencial
• la necesidad de considerar niveles de seguridad
superiores a los exigidos por la normativa
• la necesidad de diseñar edificios
complejos e innovadores.
Si sólo se tiene en cuenta la seguridad de la vida, se
pueden conseguir importantes ahorros de costes
utilizando un enfoque basado en el rendimiento.
Por ejemplo:
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Cap í tulo 2
9
Es posible utilizar cualquier permutación de los métodos
mostrados en la Figura 2.1 para definir el comportamiento
frente al fuego, la transferencia de calor y la respuesta
estructural. A continuación se ofrecen orientaciones generales2 para
considerar las distintas permutaciones:
• Debe tenerse en cuenta la precisión del diseño en su conjunto.
Por ejemplo, el diseñador tendría que considerar el efecto, y la
validez, de utilizar las simples relaciones estándar temperaturatiempo con modelos avanzados de transferencia de calor y respuesta
estructural, al llevar a cabo un enfoque determinista. Los
Eurocódigos14-19 permiten un enfoque de diseño de este tipo, pero hay
que tener en cuenta que no se gana mucho con predecir la transferencia
de calor y la respuesta estructural con un alto nivel de precisión
cuando la predicción del incendio es burda y se parece poco a
la realidad. Sin embargo, esta combinación puede ser apropiada cuando
se lleva a cabo un enfoque comparativo. Un ejemplo sería el
caso en el que se utiliza un fuego estándar y se recurre a un
análisis avanzado para comparar el comportamiento relativo de una
estructura simple que cumple las normas con el de una estructura
más compleja cuando no se dispone de datos de pruebas o de
diseño prescriptivo.
• El enfoque comparativo debe revisarse cuidadosamente para
asegurarse de que se está realizando una comparación real. En
particular, es importante asegurarse de que el uso de la curva
de fuego estándar no oculta ningún efecto perjudicial derivado de
un aumento más rápido de la temperatura que pueda producirse en
algunos incendios reales. Los efectos perjudiciales, como
temperaturas más altas o mayores diferencias de temperatura en la
estructura, pueden provocar una pérdida de resistencia más temprana o
mayores fuerzas en las conexiones. Sin embargo, las
temperaturas de las estructuras con propiedades aislantes
beneficiosas tienden a ir significativamente por detrás de la
temperatura del gas y es menos probable que sufran estos efectos
perjudiciales. Una inspección de las curvas de fuego natural y
estándar que muestre el retraso de la temperatura para la
estructura permitirá tomar una decisión informada sobre si el
enfoque comparativo es razonable.
• Si existen datos fiables de pruebas térmicas, relevantes para el
comportamiento frente al fuego supuesto, entonces esto puede
ser suficiente para sustituir la necesidad de un análisis térmico
para la entrada en el análisis estructural de elementos finitos.
• Los conocimientos y la experiencia del diseñador. El uso de
modelos zonales, CFD y modelos estructurales y de transferencia
de calor por elementos finitos requiere conocimientos
especializados y sólo debe utilizarlos personal con la
experiencia adecuada.
1
0
Cap í tulo 2
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
•
•
•
•
•
La precisión y disponibilidad de los
datos que representan la carga de fuego, la
ventilación y las propiedades térmicas de los
límites del compartimento, los índices de
liberación de calor, las propiedades de los
materiales y las cargas estáticas aplicadas.
Disponibilidad de software para modelos zonales, CFD
y de elementos finitos.
Tiempo disponible para llevar a cabo el diseño.
Coste de capital del proyecto. Para un proyecto de bajo
coste puede no estar justificado el uso de
modelos de incendio avanzados.
La importancia de considerar el comportamiento
estructural durante la fase de enfriamiento del
incendio. Si se considera importante el
comportamiento estructural durante la fase de
enfriamiento, no se pueden utilizar fuegos
estándar.
alcance debería considerar un enfoque más simplificado. Este
enfoque simplificado podría consistir en utilizar curvas
paramétricas o modelos zonales, modelos sencillos de transferencia
de calor y la respuesta de los elementos o de la estructura. Este
estudio permitirá
2.2.4 Realizar una revisión cualitativa
Como es habitual en cualquier proceso de diseño, debe
realizarse una revisión cualitativa de cómo se
comportará la estructura. En la mayoría de los casos, el
ingeniero de estructuras se basará en gran medida en
la experiencia y el juicio de ingeniería para obtener una
"sensación" de cómo se comportará la estructura en
condiciones de incendio. La revisión cualitativa puede
mejorarse realizando un estudio de alcance.
El alcance y la necesidad de realizar un estudio
de alcance dependerán de la complejidad del enfoque
de diseño final adoptado. Básicamente, el estudio de
alcance debe ser un planteamiento más simplificado que
el diseño final. El estudio de alcance permitirá al
diseñador evaluar si el diseño final, más complejo,
ofrece resultados razonables y, en algunos casos,
permitirá una evaluación temprana de si un
diseño complejo supondrá un ahorro de costes.
Por ejemplo2, considerando los enfoques
disponibles en la Figura 2.1, si el proyectista
decide realizar un cálculo de equivalencia temporal
para definir el comportamiento ante el fuego, utilizar
tablas sencillas (datos de ensayo) para definir la
respuesta térmica y el diseño de los miembros para
definir el comportamiento estructural, entonces, como
estudio de alcance, podrían considerarse las normas
prescriptivas (basadas en curvas de fuego estándar)
para verificar que los resultados finales son
razonables.
En el otro extremo de la complejidad del
diseño, si el diseñador decide utilizar CFD para
modelizar el comportamiento frente al fuego,
modelos avanzados de transferencia de calor para
predecir la transferencia de calor y el comportamiento
estructural de todo el edificio, entonces el estudio de
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Cap í tulo 2
1
1
para evaluar si merece la pena llevar a
cabo el diseño más complejo, y que
requiere más tiempo, y también
permitirá evaluar si los resultados
finales del complejo análisis son
razonables.
En algunos diseños complejos,
especialmente para la modelización
estructural por elementos finitos de
estructuras complicadas sometidas a
un calentamiento no uniforme, no será
posible que el estudio de alcance
proporcione la información necesaria
para evaluar si los resultados finales
son razonables. En este caso, el
diseñador tendrá que basarse en la
experiencia y el juicio de los
ingenieros.
•
•
llevar a cabo el diseño?
¿Se dispone de suficientes conocimientos científicos?
(Por ejemplo, las propiedades de los materiales
a temperaturas elevadas).
En caso necesario, ¿se dispone de suficientes programas
informáticos validados que puedan utilizarse con
eficacia y en cualquier plazo?
2.2.6 Llevar a cabo un diseño estructural
detallado contra incendios basado en el
rendimiento
El diseño debe tener en cuenta la gravedad de cualquier
incendio razonable en el peor de los casos, la transferencia
de calor a la estructura y la respuesta de la estructura.
Como se muestra en la figura 2.1, existen varios métodos
de complejidad variable. Estos métodos van desde simples
cálculos manuales hasta el uso de sofisticados
modelos informáticos.
2.2.5 Evaluar el valor y las limitaciones
Basándose
en
la
revisión
cualitativa, el diseño propuesto debe
evaluarse para garantizar que
aporta un "valor" añadido por
encima
de
un
enfoque
más
simplificado. La evaluación en
términos de valor dependerá de los
requisitos y objetivos establecidos. Si
el requisito mínimo es la seguridad
de la vida, el valor añadido puede
definirse en términos de ahorro
inicial. Por ejemplo2 , la evaluación puede
considerar si es posible reducir la
protección contra incendios aplicada a
los elementos de acero o reducir el
tamaño de los elementos en los
edificios de hormigón, manteniendo al
mismo tiempo niveles aceptables de
seguridad. El valor añadido también
puede definirse en términos de reducción
de la incertidumbre de la respuesta del
edificio en caso de incendio, lo que
puede conducir al diseño de edificios
más robustos.
Si los requisitos y objetivos consideran la
El "valor" añadido deberá basarse en los
costes directos e indirectos, dentro de
un enfoque basado en el riesgo.
Además de evaluar el "valor",
el diseñador también debe evaluar la
viabilidad del enfoque propuesto.
Por ejemplo2:
• ¿Hay diseñadores cualificados y
con experiencia disponibles para
1
2
Cap í tulo 2
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Independientemente del enfoque utilizado, el
diseño propuesto debe incluir2:
• una declaración clara del enfoque adoptado y
del tipo de modelo de diseño utilizado
• una exposición clara de los supuestos adoptados
y una evaluación de las consecuencias de cada
uno de ellos
• una consideración del efecto acumulativo de
las hipótesis
• identificación de cualquier incertidumbre en el
diseño y cómo se aborda
• análisis de sensibilidad del diseño, que pueden
basarse en la experiencia
• identificación de los puntos "débiles" de la
estructura y de cómo superarlos.
En algunos casos, el diseño puede limitarse a considerar la
gravedad probable del incendio, con el objetivo de
garantizar que las temperaturas de la atmósfera,
procedentes de cualquier posible incendio, se
mantendrán lo suficientemente bajas como para no
afectar a la estructura. En este caso, se ignoran los
puntos anteriores relativos específicamente a la
respuesta estructural.
El uso de modelos informáticos sofisticados puede
llevar mucho tiempo. Es aconsejable que el modelo conceptual
(véase el apartado 5.4.2), especialmente en las cuestiones
relativas a las condiciones de contorno, la densidad
de malla y la conectividad (véase el apartado 5.4.1),
se acuerde con los organismos de control antes de
realizar el análisis.
2.2.7 Validación, verificación y revisión
El alcance de la validación, verificación y revisión del
diseño debe ser proporcional a la complejidad del
diseño adoptado.
V alidaci ó n
En su forma general, la validación es el proceso de
demostrar que el enfoque de diseño (modelo) es
adecuado para el fin previsto. La idoneidad del enfoque
de diseño que abarca la predicción de la gravedad del
incendio, la transferencia de calor y la respuesta
estructural debe considerarse por separado y también en
combinación con los demás.
En todos los modelos de diseño se adoptan una serie
de supuestos que deben comprenderse y revisarse y
evaluarse sistemáticamente durante el proceso de
diseño. Esto es especialmente importante cuando se
utilizan programas informáticos. Los diseñadores no
deben utilizar ningún programa informático sin conocer
sus capacidades y limitaciones. Toda modelización
informática debe tener en cuenta los siguientes
aspectos2 (más información en el apartado 5.4.1):
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
•
•
•
•
•
comportamiento no lineal de los materiales
conexiones estructurales y comportamiento localizado
densidad de malla
conectividad
grandes desplazamientos y no linealidad
geométrica.
En el diseño debe incluirse una declaración clara
que explique el efecto de estas suposiciones y
aproximaciones.
V erifi c ación
La verificación es una evaluación de si el modelo de diseño
ha producido resultados correctos y debe incluir2:
• comprobación de los datos de entrada
• una evaluación de si los resultados se
corresponden con lo previsto en la revisión
cualitativa
• una vigilancia constante de los errores y
anomalías y una apreciación de por qué pueden
producirse
• un análisis de sensibilidad, que puede basarse
en la experiencia. Un análisis de sensibilidad
sería de especial relevancia si los resultados no se
corresponden con lo previsto en la revisión
cualitativa
• una evaluación del grado de riesgo asociado a
posibles errores. Por ejemplo, ¿se ha validado
el software con los resultados de pruebas
disponibles o con software alternativo?
Revie w
Debe documentarse y comprobarse una revisión del
diseño, que debe incluir información sobre cómo se ha
validado y verificado el planteamiento del diseño.
2.2.8 Comparar el análisis con un criterio
aceptable
Los resultados del diseño se comparan con los
criterios de rendimiento aceptables definidos en
el apartado 2.2.2.
2.2.9 Presentación del diseño para su
comprobación por terceros
El diseño debe presentarse de forma que pueda
ser verificado fácilmente por terceros. Cada paso del
proceso de diseño (véase la figura 2.2) debe
documentarse claramente, incluidas las suposiciones
y aproximaciones.
La siguiente lista de comprobación general2 se
presenta a modo de guía. Se tiene en cuenta el
enfoque de diseño global adoptado junto con la
elección del enfoque utilizado para definir la gravedad
del incendio, la transferencia de calor y la respuesta
estructural.
Cap í tulo 2
1
3
•
1
4
condiciones límites
Cap í tulo 2
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Dise ñ o general
• ¿Se ha descrito claramente el proceso de
diseño (véase la figura 2.2)?
• ¿Se ha expuesto claramente cada etapa del
proceso de diseño (véase la figura 2.2)?
• ¿Se
han
establecido
claramente
los
requisitos/objetivos (véase el apartado
2.2.1)?
• ¿Se han definido los criterios de rendimiento
aceptables (véase el apartado 2.2.2) en función
de la estrategia general contra incendios?
• ¿Se ha validado, verificado y revisado
adecuadamente el diseño (véase el apartado
2.2.7)?
• ¿Son coherentes los supuestos, las aproximaciones
y la precisión para el modelo de fuego,
transferencia de calor y estructural?
• ¿Se exponen claramente los supuestos adoptados,
con una evaluación de las consecuencias de cada
uno de ellos?
• ¿Se ha tenido en cuenta el efecto acumulativo
de las suposiciones y aproximaciones del modelo
estructural, de transferencia de calor y de
incendio?
• ¿Se han abordado las incertidumbres o posibles
errores del diseño?
• ¿Se corresponden los resultados finales con lo
que se esperaba a partir de la revisión
cualitativa (véase el apartado 2.2.4)?
•
apartado 3.3.2), ¿es válida para el tipo de construcción
adoptado?
Si se utiliza la modelización CFD (véanse los apartados 3.2.4 y
3.3.5), ¿cómo se ha validado?
Fuego m o del
• ¿Se ha explicado el modelo de incendio
(véase la figura 2.1) y las razones de su
elección?
• Si se ha adoptado la relación estándar
temperatura-tiempo:
– ¿Se ha evaluado el efecto de adoptar una
representación tan simplista al considerar la
respuesta térmica y estructural?
– ¿Se han considerado y abordado en el diseño
estructural
los
posibles
efectos
perjudiciales de la refrigeración?
• ¿Se ha evaluado la exactitud de los datos de
entrada relativos a la ventilación, la carga
de fuego, el índice de desprendimiento de
calor, la geometría del compartimento y las
características térmicas de los límites del
compartimento?
• ¿Cómo se ha definido el peor escenario razonable
de incendio?
• ¿Se ha considerado un análisis de sensibilidad
variando las características de ventilación y térmicas
de los límites del compartimento?
• Si se utiliza la equivalencia temporal (véase el
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Cap í tulo 2
1
5
É l en la transferencia
•
Si
se
utilizan
gráficos,
métodos analíticos o datos de
ensayos (véase el apartado 4.4)
para definir la distribución
térmica a través de los
elementos, ¿son válidos para el
modelo de incendio utilizado?
Si se utilizan modelos de
transferencia de calor simples o
avanzados (véanse los apartados 4.4
y 4.5), ¿se corresponden los
valores de flujo térmico y
emisividad con el modelo de
incendio adoptado?
Si
se
utilizan
modelos
avanzados de transferencia de
calor (véase el apartado 4.5),
¿cómo se valida la modelización
del movimiento de la humedad
(aunque si se ignora el
movimiento de la humedad se
obtendrán
estimaciones
conservadoras de la temperatura,
siempre que no se produzcan
desprendimientos)?
•
•
–
–
–
–
–
–
–
–
aproximaciones
incluidas
en
el
software?
¿Se ha producido un fallo numérico (es decir,
inestabilidad del modelo) en lugar de un fallo
estructural real?
¿Se ha identificado el modo de fallo
(véase el apartado 5.4.3)?
¿Se ha considerado la posibilidad de un
fallo localizado (véase el apartado 5.4.1)?
¿Son realistas las condiciones límite (véase
el apartado 5.4.1)?
¿Se ha comprobado la densidad de malla
adoptada (véase el apartado 5.4.1)?
¿Se han utilizado correctamente las
relaciones tensión-deformación-temperatura del
material (véase el apartado 5.4.1)?
Si procede, ¿se ha incluido la inversión de
la tensión?
En su caso, ¿se han tenido en cuenta
diversas hipótesis de incendio para
definir el peor caso desde el punto de
vista estructural?
Respuesta estructural
• Si se utilizan modelos simples
(véase el apartado 5.3), ¿son
válidos para el modelo de
incendio elegido?
• Si es perjudicial, ¿cómo se han
tenido en cuenta los posibles
efectos del desconchamiento del
hormigón (véase el apartado
5.2.3)?
• Si se utilizan modelos de
elementos finitos, deben tenerse
en
cuenta
los
siguientes
puntos:
– ¿Se han comprobado cuidadosamente los datos
introducidos?
– En comparación con el
estudio de alcance, la
experiencia o los criterios
de ingeniería, ¿son los
resultados los esperados?
– ¿Se
ha
validado
el
software con los resultados
de las pruebas disponibles o
con software alternativo?
– ¿Se
entienden
perfectamente
las
suposiciones
y
1
6
Cap í tulo 2
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
3
3.1
COMPORTAMIENTO EN CASO DE INCENDIO
Introducción
Es necesario definir la severidad del incendio
para llevar a cabo un diseño de ingeniería
estructural contra incendios. En este capítulo se
explican los enfoques disponibles para definir la
gravedad del incendio y se muestran en la Figura
3.1.
El desarrollo básico de un incendio en un compartimento
cerrado no controlado puede dividirse en una serie de
etapas, como se muestra en la Figura 3.2, y cada etapa
se describe en la Tabla 3.1.
Modelos de
penacho
Apartado 3.2.1
Incendio
localizado
Sección 3.2
Aumento
de la
complejida
d
Modelos de
zonas
Apartado
3.2.3
CFD
Apartado
3.2.4
Comportamien
to del fuego
Sección 3
Curvas estándar de
ensayo de incendio
Apartado 3.3.1
Aumento
de la
complejida
d
Equivalencia
temporal
Apartado 3.3.2
Fuego totalmente
desarrollado
Sección 3.3
Curvas de fuego
natural
Apartado 3.3.3
Modelos de
zonas
Apartado
3.3.4
CFD
Apartado
3.3.5
Respuesta térmica
Sección 4
Comportamiento
estructural
Sección 5
Figura 3.1 Métodos disponibles para definir la gravedad del incendio
10
C ap í tulo tres
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Temperatura
Fase
de
crecimi
ento
Flash- Totalmente
desarrollado
en
fase
Encend
ido
Fase de
decaimiento
Extinción
Tiem
po
Figura 3.2 Curva temperatura-tiempo de un incendio cerrado
Ta b l a 3.1 E sta g m a s d e u n i n c e n d i o d e c om p arti m i e n to2
Parque de bomberos
Descripción
Fase de
crecimiento
(pre-flashover)
La ignición define el inicio del desarrollo del incendio. En la fase inicial de
crecimiento, el fuego será normalmente pequeño y localizado dentro del
compartimento y puede detenerse en esta fase. El humo y los productos de la
combustión (pirólisis) se acumularán bajo el techo, formando gradualmente una capa
superior más caliente en el compartimento, con una temperatura más elevada.
capa relativamente más fría y limpia en la parte inferior. Con un suministro suficiente
de combustible y oxígeno, y sin la interrupción de la lucha contra incendios u otras
medidas a ctivas, el incendio seguirá creciendo con la liberación de más gases calientes
y pirólisis a la capa de humo. La capa de humo descenderá a medida que se haga
más gruesa. Si el crecimiento de
el fuego es lento debido a la falta de oxígeno o de material combustible en las
proximidades del fuego, entonces el fuego permanece localizado.
Flashover
Si el desarrollo del incendio haceque los gases del compartimento se calienten lo
suficiente (aproximadamente 550-600ºC), se producirá una ignición repentina de todos los
combustibles.
objetos dentro del compartimento. Este fenómeno se conoce como flameo y
todo el compartimento queda envuelto en llamas.
Fase de pleno
desarrollo
Después de la combustión súbita, el incendio entra en una fase de pleno
desarrollo, en la que la tasa de liberación de calor alcanza un máximo y la
velocidad de combustión se mantiene prácticamente estable. La velocidad de
combustión puede verse limitada por la disponibilidad de ventilación o
combustible.
Normalmente, ésta es la fase más crítica que, a menos que se controle, puede dar lugar a
(post-flashover)
posibles daños estructurales generalizados y propagación del fuego a otros
compartimentos.
Fase de diciembre
Después de un periodo de combustión sostenida, el ritmo de combustión disminuye a
medida que el
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
C ap í tulo tres
11
se consumen los materiales combustibles y el incendio entra en la fase de decadencia.
Extinción
12
El fuego cesará cuando se hayan consumido todos los materiales combustibles
y ya no se libere más energía.
C ap í tulo tres
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Los factores que influyen en la gravedad de un
incendio en un compartimento son:
• tipo, densidad y distribución de la carga de fuego
• comportamiento de combustión de la carga de
fuego
• tamaño y geometría de los compartimentos
• condiciones de ventilación del compartimento
• propiedades térmicas del límite d e l
compartimento.
La aparición del flashover en un incendio de compartimento
define una transición en el proceso de desarrollo del
incendio. Por lo tanto, muchos modelos de incendios se
clasifican como modelos pre o post flashover, excepto
los modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD) que
intentan modelar todas las etapas del incendio.
Como se muestra en la Figura 3.1, hay varias
opciones2 disponibles
para calcular la gravedad del
incendio. El nivel de complejidad aumenta desde los
modelos de incendios simples hasta los modelos CFD.
Los parámetros de entrada para cada uno de estos
modelos varían, requiriendo los modelos avanzados
datos de entrada muy detallados y precisos y los
modelos simples datos de entrada nominales.
Las curvas de fuego estándar se definen a
partir de las relaciones tiempo-temperatura
utilizadas en las pruebas de fuego estándar y no se
basan en ningún parámetro físico. La equivalencia temporal,
las curvas de fuego natural, los fuegos localizados, los
modelos zonales y los modelos CFD incluyen (en
diversos grados) los parámetros físicos enumerados
anteriormente. Los fuegos anteriores al desplome
pueden modelizarse mediante fuegos localizados, modelos
de dos zonas y modelos CFD. Los fuegos postflashover se modelizan mediante curvas de fuego
natural, modelos de una zona y modelos CFD con
equivalencia temporal que proporcionan un enfoque
sencillo para relacionar un fuego post-flashover con la
relación tiempo-temperatura utilizada en una prueba de
fuego estándar. El principal supuesto de estos modelos
post-flashover es que la temperatura de la atmósfera en
todo el compartimento es uniforme. Los modelos
CFD intentan predecir el crecimiento completo del
fuego desde el comportamiento previo al incendio
hasta el comportamiento posterior al incendio,
incorporando distribuciones
de
temperatura
variables en todo el compartimento.
Un resumen de los modelos de incendio 2, su
complejidad,
El comportamiento previsto del fuego, los parámetros de
entrada y las herramientas de diseño se muestran
en la Tabla 3.2.
Ta ble 3.2 O p c io n e s p a r a m od e l a s c o m p a r a c i o n e s d e incendio2
Fuego mod el
C om plexidad
Incendios
nominales
Simple
Fuego
b eha viour
Incendios lo c
alizados
Uniforme en todo el compartimento
Preflashover
No uniforme
a lo largo de
penacho
• Relación
constante
tiempotemperatur
a
• Sin
parámetros
físicos
• Carga de fuego
• Condiciones de
ventilación
• Propiedades térmicas
del límite
• Tamaño del
compartimento
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Uno zona
Dos zonas
C
FD/modelo
s de campo
Avanzado
incendios
la
temperatura
Modos de zona
Intermedio
Incendios post-flashover
Distribución de
Entrada
p ara m etros
Tiempo
Incendios
e quiv alen c e naturales
• Carga y
tamaño
del
fuego
• Altura del
techo
Incendios
posteriore
s al
flashover
Uniforme
Preflashover/
loc alised
incendios
Uniforme en
cada capa
• Carga de fuego
• Condiciones de ventilación
• Propiedades térmicas
del límite
• Tamaño del
compartimento
• Información detallada
sobre el balance
C ap í tulo tres
Complete
temperaturatiempo
relaciones
Tiempo y
spa ce
dependiente
Aportación
detallada
para
resolver el
ecuaciones
fundamental
es del flujo de
fluidos
13
térmico y de masas
del sistema
Herramientas
de diseño
14
Ecuaciones sencillas para
cálculos manuales
C ap í tulo tres
Hoja de
cálculo
Simple
ecuaciones
Modelos informáticos
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
A la hora de considerar el comportamiento
del fuego, el proyectista debe determinar si el
incendio permanece localizado o si se produce un
flameo que da lugar a un incendio totalmente
desarrollado. Un incendio localizado se produce cuando el
fuego no se propaga a todo el compartimento debido a
que la propagación es tan lenta que el aumento de
temperatura no es suficiente para provocar un flashover, o
cuando no hay suficiente material combustible cerca del
foco del incendio. En general, se acepta20,21 que la
transición de flashover se produce cuando la
capa superior de humo alcanza temperaturas de entre
550°C y 600°C o la radiación al suelo supera los 20k
W / m 2 aproximadamente.
Los escenarios en los que es más probable que se
produzcan incendios localizados incluyen:
• grandes espacios altos con una carga de fuego
relativamente limitada, como atrios, zonas de
circulación en aeropuertos, centros comerciales,
etc.
• zonas con altos niveles de ventilación, como
marquesinas abiertas, normalmente en las
entradas de los hoteles, bajo los puentes de
enlace de los aeropuertos, etc.
• zonas en las que la carga de fuego puede
controlarse de forma fiable a niveles
relativamente bajos o espaciadas de forma que el
fuego no pueda propagarse fácilmente de una zona
de carga de fuego a otra.
Es el único método de diseño factible para detener
el flameo en un compartimento, cuando hay suficiente
ventilación,
La llama permanece por
debajo del techo
es limitar el combustible y la distancia entre los
elementos combustibles o utilizar un sistema de
extinción. Los métodos de diseño para determinar el
flameo se presentan en la Guía CIBSE22 sobre
Ingeniería de Incendios o en el PD 7974-121.
3.2
Incendio lo c alizado
Los incendios previos a la erupción o localizados son útiles
cuando es poco probable que se produzca una erupción, o
cuando se necesita información sobre la fase previa a la
erupción. Los modelos2 disponibles, por orden de
complejidad, para estimar los incendios previos a
las explosiones son:
• ecuaciones de diseño que figuran en la norma
BS EN 1991-1-214 (véase el apartado 3.2.1)
• ecuación de diseño dada en PD 7974-121
• modelos de dos zonas (véase el apartado 3.2.2)
• Modelos CFD (véase el apartado 3.2.3).
3.2.1 Modelos de penacho de incendio
La norma BS EN 1991-1-214 (EC1) proporciona un enfoque
sencillo para determinar la acción térmica de los
incendios localizados. Las temperaturas dependen de si la
llama incide o no en el techo del compartimento (véase
la figura 3.3). Para el caso en que la llama
permanezca por debajo del techo, el EC114 proporciona
orientación sobre el cálculo de las temperaturas en el
penacho a lo largo de su eje vertical. Para el caso en que
la llama incida en el techo, el documento EC114 proporciona
orientación sobre el cálculo del flujo de calor al nivel
del techo junto con la longitud de la llama (Lh),
como se muestra en la figura 3.3.
Impacto de las llamas en
el techo
Eje de
llama
Eje de
llama
Longitud de la
llama Lh
Lf
D
D
Figura 3.3 Definición de incendio localizado2
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
C ap í tulo tres
15
El Anexo Nacional del Reino Unido al
no permite el uso del método presentado en el
código para incendios localizados. En su lugar, se remite a
los diseñadores al método del PD 7974-121.
EC114
3.2.2
Método simplificado recogido en PD
7974-1
El DP 7974-121 (cl. 8.2.1.10) proporciona una
expresión sencilla para predecir las temperaturas
dentro de un recinto antes de que se produzca una
inflamación. Se supone que las temperaturas en la capa
caliente permanecen por debajo de 550°C
aproximadamente. Por encima de esta temperatura, se
supone que se produce el flameo y deben utilizarse
modelos posteriores al flameo. Debe tenerse en cuenta que
hay un error tipográfico en la ecuación 7 del DP 7974-1.
La ecuación correcta23 es la siguiente La
ecuación correcta23 es:
Q2
i= 6,85 d h1/2
k ht A
n wA
1/3
Aquí:
i
es el aumento de temperatura por encima de la
temperatura ambiente en el
capa superior de gas en °C
Q es la tasa total de liberación de calor en k W
Aw es el área de la abertura de ventilación en
m2 h es la altura de la abertura de ventilación en
m hk es el coeficiente efectivo de transferencia
de calor, como
definido en PD 7974-121 en k W / m2 K
2
At es la superficie total del recinto en m
16
C ap í tulo tres
3.2.3 Modelos de dos zonas
Los modelos de zonas son modelos informáticos sencillos
que dividen el sector de incendio considerado en zonas
separadas, en las que se supone que las
condiciones en cada zona son uniformes. Los
modelos definen la temperatura de los gases en
función del tiempo considerando la conservación
de la masa y la energía en el sector de
incendio.
Los modelos de dos zonas se utilizan para los
incendios previos a la propagación, mientras que los
modelos de una zona se utilizan para los incendios
posteriores a la propagación. En el caso de los modelos
de dos zonas, el compartimento se divide en diferentes
zonas: la capa superior, la capa inferior, el incendio
y el penacho. Las principales características son2:
• La capa superior representa la acumulación de
humo y productos de pirólisis bajo el
techo.
• En cada capa, se supone que la temperatura del gas
es uniforme y que la capa superior está más
caliente.
• Existe una interfaz horizontal entre las capas
superior e inferior.
• Se tiene en cuenta el aire arrastrado por el penacho
de fuego desde la capa inferior a la superior.
La figura 3.4 muestra, de forma esquemática, cómo se
modela un compartimento utilizando un modelo de dos
zonas. Al igual que los modelos de una zona, los
modelos de dos zonas se basan en la resolución de
las ecuaciones diferenciales ordinarias para la
conservación de la masa y la energía en el
compartimento, pero con un mayor grado de complejidad.
La conservación
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Nota
U
Propiedades físicas del gas en
el interior
el compartimento de incendios:
E es la energía interna del
m gas
Mout,
P int son los términos
mU TU VU E U tU
Qwall
Capa
superior
Capa
inferior
mout,
P int
mfi
Q
Mout,
presión del gas
L
min, L
de masa es la
L
Q
mL T L V L E L tL
son los términos
energéticos
T
Figura 3.4 Diagrama esquemático del modelo típico de dos
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
es la temperatura del gas
V
es el volumen
t
es la densidad del gas
zonas2
C ap í tulo tres
17
de masa y energía debe considerarse para zonas
individuales, así como el intercambio de masa y
energía entre estas diferentes zonas.
En los incendios de recintos reales, un incendio
previo a la propagación puede convertirse en un
incendio posterior a la propagación en determinadas
circunstancias. El anexo D de la norma BS EN 19911-214 (EC1) enumera dos situaciones en las que un modelo
de incendio de dos zonas puede convertirse en un
modelo de incendio de una zona. Se trata de las
siguientes
• Si la temperatura del gas de la capa superior es
superior a 500°C.
• Si la capa superior cubre el 80 % de la altura del
compartimento.
3.2.4 Dinámica de fluidos computacional
El uso de modelos de dinámica de fluidos
computacional (CFD) para predecir el crecimiento
del
fuego
y
las
temperaturas
de
los
compartimentos es cada vez más popular. Los
modelos CFD han demostrado su eficacia en la
modelización
del
movimiento
del
humo,
y
recientemente se han aplicado a la modelización de
incendios.
De acuerdo con el Anexo D del EC114, los
modelos CFD típicos analizan sistemas que
implican flujo de fluidos, transferencia de
calor y fenómenos asociados mediante la resolución
de las ecuaciones fundamentales del flujo de
fluidos. Estas ecuaciones representan los enunciados
matemáticos de las leyes de conservación de la
física:
• La masa de un fluido se conserva.
• La velocidad de cambio del momento es igual a
la suma de las fuerzas que actúan sobre una partícula
fluida (segunda ley de Newton).
• La tasa de cambio de energía es igual a la suma de la
tasa de aumento de calor y la tasa de trabajo realizado
sobre una partícula de fluido (primera ley de la
termodinámica).
es muy exigente y requiere experiencia para definir los
parámetros de entrada correctos y evaluar la
viabilidad de los resultados calculados. El modelo
puede proporcionar información en numerosos puntos
del compartimento en relación con la temperatura, la
velocidad, el contenido tóxico y la visibilidad.
3.3
Fuego totalmente desarrollado
Un incendio completamente desarrollado se define
como la fase en la que arde todo el combustible
disponible en el compartimento. La ventilación
disponible o la cantidad y naturaleza del
combustible controlarán la liberación máxima de
calor del incendio completamente desarrollado.
3.3.1 Relaciones normalizadas
temperatura-tiempo
Las curvas de fuego nominales o estándar son la forma
más sencilla de representar el comportamiento de
un incendio dentro de un planteamiento de diseño.
Las relaciones temperatura-tiempo estándar se
desarrollaron para permitir la clasificación de los
materiales y elementos de construcción en los ensayos
estándar de resistencia al fuego en horno24-26. Las
relaciones
temperatura-tiempo
no
representan
escenarios reales de incendio y no tienen en cuenta
explícitamente la ventilación, la carga de fuego, el
tamaño del compartimento y las características térmicas
de los límites del compartimento.
Aunque las curvas de fuego estándar no
representan incendios reales, se suelen utilizar en el
diseño de ingeniería estructural contra incendios
basado en el rendimiento de elementos y estructuras
enteras, tal y como aprueban los Eurocódigos14-19 . Por
ejemplo, es posible diseñar elementos, estructuras
y edificios completos utilizando curvas de fuego
nominales. Si se considera importante el comportamiento
estructural durante el enfriamiento, no deben
utilizarse las curvas de fuego estándar.
La figura 3.5 muestra las curvas temperaturatiempo estándar que figuran en EC114 y PD 7974-121, que
se resumen en la tabla 3.3.
En términos simplistas, las ecuaciones diferenciales
parciales de las variables termodinámicas y
aerodinámicas se resuelven en numerosos puntos dentro
del compartimento considerado. Los requisitos de
entrada para los modelos CFD
Ta ble 3.3 C urvas nominales de incendio
C od e
Tipo de fuego
Incendio exterior
18
C ap í tulo tres
A plicación
Para el exterior de las paredes exteriores que pueden estar
expuestas a
fuego desde diferentes partes de la fa ç ade.
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
BS EN 1991-1-214
Fuego estándar
Definido en BS EN 1363-125 o BS 476-2026, para representar un
incendio de compartimento totalmente desarrollado.
PD 7974-121
Hydroc arbon
Representación de un incendio con hidrocarburo o combustible
de tipo líquido.
Fuego de
calentamiento lento
Representando un fuego que crece lentamente para productos
rea ctivo bajo la influencia del fuego.
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
C ap í tulo tres
19
Temperatura (ºC)
1200
1000
800
600
400
Incendio de hidrocarburos - BS EN 1991 y
PD 7974
200
Fuego estándar - BS EN 1991 y PD 7974
Fuego latente - PD 7974
Incendio exterior - BS EN 1991
0
0
20
40
60
Tiempo
(minutos)
80
100
120
Figura 3.5 Curvas de fuego estándar / nominal
3.3.2 Equivalencia temporal
El método de equivalencia temporal es un enfoque
sencillo que intenta relacionar la gravedad de los
incendios reales con la relación estándar
temperatura-tiempo. La definición de tiempo
equivalente es el tiempo de exposición en una prueba de
resistencia al fuego que produce el mismo efecto de
calentamiento en una estructura que un incendio en un
compartimento
determinado.
El
"efecto
de
calentamiento" más común que debe compararse es la
temperatura máxima en los elementos estructurales.
La figura 3.6 ilustra el concepto de equivalencia en el
tiempo, relacionando la temperatura máxima real
de un miembro estructural a partir de una severidad de
fuego prevista, con el tiempo que tarda el mismo miembro en
alcanzar la misma temperatura cuando se somete al fuego
estándar.
Existen varios métodos de equivalencia temporal
que pueden tener en cuenta la cantidad de carga de
fuego, el tamaño del compartimento, las características
térmicas de los límites del compartimento y las
condiciones de ventilación, entre ellos:
• Ley27
• Pettersson28
• CIB W 1429
Harmatía30
•
• BS EN 1991-1-214 (EC1).
20
C ap í tulo tres
Temperatura
del miembro
sometido
al fuego
estándar
Temperatura
Temperatura
del miembro
sometido
al fuego real
Tiempo
equivalent
e
Tiem
po
te,d
Figura 3.6 Concepto de equivalencia temporal
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
La equivalencia temporal puede determinarse
mediante una ecuación sencilla o a partir de datos
experimentales de pruebas de incendios naturales y
normalizados. Aunque es fácil de utilizar, la
equivalencia temporal es un método aproximado de
modelización del comportamiento real del fuego.
Si se utiliza, deben comprenderse perfectamente
las limitaciones del método. Por ejemplo, el
método del EC114 sólo es válido para los elementos
que lo componen:
• hormigón armado
• acero protegido
• acero sin protección.
No es aplicable a los miembros que la componen:
• acero y hormigón compuestos
• madera.
PD 7974-331 y D D 999932 también proporcionan
información adicional sobre el uso del método de
equivalencia temporal e introducen factores para
tener en cuenta la altura y el perfil de ocupación del
edificio, junto con cualquier efecto beneficioso de
los sistemas de supresión.
3.3.3 Curvas de fuego natural
En los modelos de incendios naturales se utiliza una
ecuación de balance térmico de energía para determinar
el historial temperatura-tiempo del incendio
completamente
desarrollado.
Los
principales
componentes considerados en la ecuación de
balance térmico se muestran en la Figura 3.7, donde
el calor producido por la combustión del combustible se
equilibra con las pérdidas de calor. Para las pérdidas de
calor, los términos principales comprenden la pérdida
de calor por convección y radiación a través de las
aberturas, junto con la pérdida de calor por
radiación y conducción a través de los límites del
compartimento. Para más información sobre la ecuación de
balance térmico, véanse las referencias 23 y 33.
El concepto de curvas de fuego naturales
proporciona un enfoque sencillo para estimar los
incendios en compartimentos después de la propagación
del incendio. Se supone que la temperatura es uniforme
dentro del compartimento de incendio y tiene en
cuenta el tamaño del compartimento, la carga de fuego,
las condiciones de ventilación y las propiedades
térmicas de las paredes y techos del compartimento.
Las curvas de incendios naturales se han
desarrollado utilizando varios enfoques diferentes; los
principales métodos son el de M agnusson y Thelandersson34
y el enfoque del Eurocódigo14.
El balance térmico de un compartimento:
oqC=oqL+oqR+oqW
donde
oq Ces el calor liberado por la
combustión
oq
L
es la pérdida de calor por
convección
de
gases
calientes y humo a través de
aberturas
oq Ris la pérdida de calor por radiación
a través de las aberturas
oq Wis la pérdida de calor por
conducción hacia las paredes
Figura 3.7 Balance
térmico2
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
C ap í tulo tres
21
M é t o d o d e Ma g nusson y Th e la n d ersson
M agnusson y Thelandersson34 propusieron un método
para calcular los índices de liberación de energía
de los incendios controlados por ventilación en un
recinto, lo que permite obtener las curvas completas
de temperatura-tiempo de los incendios.
Basándose en la ecuación de equilibrio
energético de Kawagoe35, la tasa de liberación de
energía se expresa en función del tiempo, en función
de la densidad de la carga de fuego, el factor de
apertura y las propiedades térmicas de los
materiales de los límites del recinto. La curva de
la tasa de liberación de energía comprende un polinomio
que aumenta de cero a un máximo en la fase de
crecimiento, seguido de una constante durante la fase
de pleno desarrollo y un polinomio que disminuye del
máximo a cero en la fase de decaimiento. La
tasa máxima de liberación de energía se
determina a partir del factor de apertura.
Entre los principales supuestos del método
figuran los siguientes:
• la tasa de liberación de energía está controlada por la
ventilación durante la fase de pleno
desarrollo
• la te m peratura dentro del recinto es
uniforme
• se supone que el coeficiente de transferencia de
calor para todos los límites de la envolvente es
un valor único
• el flujo de calor hacia y a través de los
límites del recinto es unidimensional.
paramétricas
(naturales)
de
compartimentos.
El
método
se
desarrolló a través del programa
de investigación me36 'Natural Fire
El método se ha calibrado con los datos
experimentales de una serie de ensayos de incendio.
Para presentar las curvas de temperatura-tiempo
de forma sencilla y sistemática, M agnusson y
Thelandersson definieron un conjunto de ocho tipos de
sectores de incendio en función de las propiedades
del material límite, definidos como tipos A a H.
Se elaboró un conjunto de curvas de temperaturatiempo para los sectores de tipo A, que se conocen
ampliamente como las curvas de incendio "suecas".
Se presentó un factor multiplicador para determinar
las curvas temperatura-tiempo de los demás tipos
de compartimentos.
Petterson28 y sus colaboradores utilizaron las
curvas de fuego, desarrolladas por M agnusson y
Thelandersson, para desarrollar métodos de diseño
para predecir la respuesta al fuego de las
estructuras de acero en condiciones de incendio.
Euro c o d e a p r a c h a
La norma BS EN 1991-1-214 (EC1) proporciona un
método para determinar curvas de fuego empíricas
22
C ap í tulo tres
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Concepto de seguridad", financiado por la Comunidad Europea del
Carbón y del Acero. El método se ha calibrado a partir de una base de
datos de más de 100 incendios naturales. Por lo tanto, es importante que
el diseñador conozca la gama de parámetros de ensayo utilizados para calibrar
las curvas, y esto se contempla en las siguientes limitaciones del
método, tal como se especifica en el código:
•
superficie máxima del compartimento de 500 m 2
•
altura máxima del compartimento de 4 m
• tejado sin aberturas
• compartimentos con cargas de fuego principalmente de tipo
celulósico
• revestimientos de compartimentos con una inercia térmica
comprendida entre 100 y 2200 J/ m 2s1/2 K.
En el anexo nacional del Reino Unido se han eliminado las
limitaciones de superficie y altura de los compartimentos.
Siguiendo el enfoque dado en EC114, la curva de fuego paramétrica
completa comprende una fase de calentamiento representada por una
curva exponencial hasta una temperatura máxima, seguida de una
fase de enfriamiento linealmente decreciente hasta que se alcanza una
temperatura residual, que normalmente se supone que es la temperatura
ambiente.
El procedimiento de definición de las curvas de fuego de cálculo consta
de tres etapas, como se muestra en la figura 3.8. La primera etapa
consiste en calcular la curva exponencial que representa la fase de
calentamiento. Esta fase se rige por las condiciones de ventilación
y las propiedades de los límites d e l compartimento. La segunda etapa
consiste en definir la duración del calentamiento y, por tanto,
la temperatura máxima. El tiempo hasta la temperatura
máxima depende de la densidad de la carga de fuego y de las
condiciones de ventilación. En el código se dan orientaciones sobre
la tasa de crecimiento del incendio (lenta, media o rápida) en
función de los distintos tipos de edificios. La fase de enfriamiento
de la curva del incendio se define de forma simplista como una
curva lineal que depende de la temperatura máxima alcanzada y
del tiempo correspondiente para alcanzar dicha temperatura.
Como ocurre con todos los métodos de diseño, la precisión de la
solución estimada depende de la precisión de los datos de entrada. Para
las curvas de fuego paramétricas dadas en EC114 se requieren los
siguientes datos:
• carga de fuego
• tamaño y geometría de los compartimentos
• condiciones de ventilación
• capacidad calorífica específica, densidad y conductividad
térmica de los límites de los compartimentos.
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
C ap í tulo tres
23
Temperatura
Nota
Parámetros
clave: Carga de
fuego
Tamaño del
ometrí
compartimento y ge
a
Condiciones de
ventilación Propiedades
límite
Fase de
calentamiento
Fase de enfriamiento
Tiem
po
Figura 3.8 Curva típica de fuego natural (paramétrica)
3.3.4 Modelos de zonas
Como se explica en el apartado 3.2.2, los modelos
zonales dividen el compartimento del incendio en zonas
separadas, donde la temperatura de cada zona se
estima basándose en la conservación de la masa y la
energía. Los modelos de dos zonas se utilizan para
los incendios previos al desplome, mientras que los
modelos de una zona se utilizan para los incendios
posteriores al desplome.
El supuesto subyacente de un modelo de una
zona es que la temperatura del gas, la densidad del
gas, la energía interna y la presión se suponen
uniformes en todo el compartimento d e incendio. El
objetivo
fundamental consiste
en
resolver
ecuaciones diferenciales ordinarias
para la
conservación de la masa y la energía en el compartimento
que comprende:
• El balance energético entre el calor liberado
por el fuego, el gas en el compartimento, el
•
los límites del compartimento, y la
atmósfera exterior a través de las
aberturas.
El balance de masas entre la pirólisis liberada
por el fuego y el aire entrante y saliente a
través de las aberturas.
Resolviendo las ecuaciones de conservación de la
masa y la energía se puede obtener información sobre
las temperaturas de los gases en el compartimento, la
temperatura de los límites del compartimento y la
velocidad de los gases a través de las aberturas.
El Anexo D del EC114 proporciona ecuaciones
básicas para la conservación de la masa y la
energía para su uso en modelos de una zona. La figura
3.9 muestra, de forma esquemática, cómo se modela un
compartimento utilizando un modelo de una zona.
Nota
Qwall
Propiedades físicas del gas
dentro del compartimento
m, T, V, E, t, P int
Qfuera +
Qout
m
rad
mout
fue
minra
Qin
mfi
Q
de
E incendio:
es la energía interna
de
gas
m son los términos de
Pint es la presión del
masa
gas son los términos
Q
T energéticos
V
es la temperatura del
t
gas es el volumen
es la densidad del gas
24
C ap í tulo tres
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Figura 3.9 Diagrama esquemático del modelo típico de una zona2
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
C ap í tulo tres
25
3.3.5
Micrófonos dyna de fluido com
putacional
Los modelos CFD pueden utilizarse para modelizar incendios
posteriores a un desplome, siempre que se hayan
validado previamente con los resultados de ensayos de
incendios posteriores a un desplome. El uso
general de los modelos CFD se trata en la
Sección 3.2.4.
3.3.6 mo d os de fla me externo
Los elementos estructurales externos pueden
estar expuestos al fuego a través de las ventanas del
compartimento (véase la figura 3.10). La dirección de la
llama del incendio desde la ventana puede ser
desviada por el viento, lo que afectará a las
acciones térmicas sobre los miembros externos. Los
modelos de llamas externas se han utilizado con éxito
para demostrar que es posible diseñar columnas de acero
externas de forma que no requieran protección
contra incendios aplicada.
La norma BS EN 1991-1-214 proporciona un método de
cálculo sencillo para determinar las acciones
térmicas de los elementos exteriores, basado en la
derivación original de Law y O'Brien37. El método
proporciona la siguiente información:
• Las
temperaturas
máximas
de
los
compartimentos.
•
•
El tamaño y la temperatura de la llama
de las aberturas.
Los parámetros de transferencia de calor por
radiación y convección.
Las condiciones de aplicación y los supuestos del
método simple de la CE114 se resumen del siguiente
modo:
• Las dimensiones máximas del sector de
incendios no superan los 70 m de longitud, 18
m de anchura y 5 m de altura.
• Las cargas de fuego qr,d deben ser superiores a
200 M J/ m 2.
• La temperatura de la llama es uniforme en
toda su anchura y espesor.
• Las condiciones de tiro forzado se definen por
las condiciones que se dan cuando hay
ventanas en lados opuestos del sector de
incendio y cuando se está alimentando aire adicional
al incendio desde otra fuente que no sea a través
de las ventanas.
• Se supone que la dirección de la llama desde una
abertura es perpendicular a la fachada cuando no
hay viento y con una desviación de 45º cuando
se considera el viento.
Fig ura 3.10 Comportamiento de las llamas a través de aberturas exteriores © Building
26
C ap í tulo tres
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incendios de estructuras
Research Establishment Ltd
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
C ap í tulo tres
27
3.3.7 Utilización de datos de prueba
En función de los recursos disponibles, es posible
realizar ensayos experimentales para modelizar el
comportamiento del fuego en recintos reales. La
configuración del ensayo debe ser idéntica a la del
compartimento real propuesto, de acuerdo con las
directrices de las normas BS 633638 o BS 476-3239.
Sólo instituciones de investigación o laboratorios
de ensayo reconocidos deberían realizar los ensayos
propuestos, y la evaluación de los resultados
debería correr a cargo de personal debidamente
cualificado.
En todo el mundo se han llevado a cabo un
gran número de pruebas de fuego a escala real en
compartimentos realistas, utilizando para la carga de fuego
cunas de madera o mobiliario real. Muchas de estas pruebas son
de dominio público y sus resultados pueden utilizarse
para complementar el proceso de diseño contra incendios.
Sin embargo, es necesario evaluar cuidadosamente los
resultados antes de integrarlos en el diseño. En
particular, deben tenerse en cuenta las siguientes
cuestiones:
• En algunas pruebas sólo se utilizan cunas de
madera, mientras que en la mayoría de los edificios una
proporción significativa de la carga de fuego total
estará constituida por plásticos, lo que aumenta la
tasa de liberación de calor del fuego.
• En algunas pruebas, las cunas (carga de fuego) se
encendieron simultáneamente, ignorando una proporción
significativa de la fase previa al incendio.
• La ventilación, las características de los límites
térmicos y la geometría de los compartimentos
utilizados en la prueba pueden ser muy
diferentes de los del edificio propuesto, lo que
dificulta, si no imposibilita, la evaluación del
comportamiento probable del fuego.
mampostería, tanto la temperatura máxima como la duración del
incendio son parámetros importantes.
3.3.8 Principales estudios p ara
determinar los fuegos de diseño para la
evaluación estructural
La gravedad del incendio dependerá de la ventilación, la
carga de fuego, la tasa de liberación de calor, la
geometría del compartimento y las características térmicas
de los límites del compartimento. La sensibilidad de estos
parámetros debe evaluarse, cuando se utilicen los
modelos de incendio, para definir el peor caso
razonable.
La definición de la gravedad razonable del peor
incendio dependerá de la conductividad térmica del
material estructural que se esté evaluando. Para los
materiales con una conductividad térmica elevada,
como el acero, la temperatura máxima suele ser
el parámetro más importante. Para los materiales con baja
conductividad térmica, como el hormigón y la
28
C ap í tulo tres
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Para los materiales con baja
conductividad térmica es imposible
definir el peor escenario razonable de
incendio de diseño sin llevar a cabo el
análisis estructural. Por lo tanto, al
definir la respuesta estructural
debe considerarse una gama de
incendios de diseño que abarque
la duración máxima a baja
temperatura y la duración
mínima a alta temperatura.
A
continuación
se
describen los estudios paramétricos
que deben realizarse para investigar
la sensibilidad de los parámetros que
afectan a la gravedad del incendio.
V e ntilació n
La ventilación se deberá a las fugas
generales, a las puertas y ventanas
abiertas y a la rotura de los
cristales a medida que crezca el
incendio. Debe realizarse un estudio
paramétrico
variando
las
condiciones de ventilación entre
los valores mínimo y máximo
razonables para identificar la
peor
gravedad
creíble
del
incendio. El valor máximo de
ventilación se basa en el supuesto
de que todo el acristalamiento se
rompe durante el incendio, lo que
puede no dar lugar a la peor
gravedad del incendio.
El tamaño y la distribución de
las aberturas de ventilación
dependerán del modelo adoptado.
Para
las
curvas
de
fuego
paramétricas y los métodos de
equivalencia temporal, sólo se tiene
en cuenta la superficie total y la
altura ponderada de las aberturas
verticales. Por tanto, es bastante fácil
variar
estos
parámetros
para
identificar el peor caso creíble.
Para los modelos zonales y CFD es
necesario definir las dimensiones
reales de las aberturas de
ventilación. Utilizar estos modelos
para realizar un estudio paramétrico,
variando
las
aberturas
de
ventilación, puede ser una tarea
extensa.
Fuego lo a d
Las densidades de carga de fuego para diferentes tipos
de edificios se indican en varios códigos14,21. El
proyectista debe tener en cuenta la exactitud de estos
valores. También debe tenerse en cuenta la contribución a
la carga de fuego de los elementos de
construcción y los revestimientos. Se pueden
realizar estudios paramétricos para investigar la
influencia de la variación de la carga de fuego.
Para determinadas categorías de riesgo, debería
considerarse la elección de una fractura mayor que el
80 % que suele asumirse para el diseño.
É l a rele ase rate
Los códigos14,21 y las guías de diseño22 ofrecen valores
básicos para los índices de liberación de calor.
Debe tenerse en cuenta la posible influencia de
la variación del índice de liberación de calor en
el rendimiento estructural.
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
C ap í tulo tres
29
C hara cterísticas térmicas de las b ound aries de
c om p artm ento
Las directrices generales para las propiedades térmicas
de los materiales genéricos que forman los límites
de los compartimentos figuran en BS EN 1991-1-214 (EC1).
Debe tenerse en cuenta que los valores indicados
en EC114 son propiedades ambientales y, si se conocen las
propiedades a temperaturas elevadas, deben utilizarse
preferentemente.
3.3.9 Supresión automática
Los sistemas automáticos de supresión (gas o
rociadores) pueden utilizarse para controlar o
extinguir el incendio (véase la figura 3.11). En los
documentos PD 7974-121 y PD 7974-440 se dan orientaciones
sobre el efecto cuantitativo de los sistemas de
extinción.
EC114 aplica un factor de reducción a la carga de
fuego de diseño para tener en cuenta el efecto
beneficioso de un sistema
de
supresión
automático. No obstante, es aconsejable que la probabilidad de
fallo del sistema instalado se tenga en cuenta dentro
del diseño global.
Velocidad de desprendimiento de calor
Sin control
Extinguido por sistema de gas
Extinguido por sistema de
aspersión
Tiempo
Figura 3.11 Efecto de los sistemas automáticos de supresión en el índice de desprendimiento de
calor
30
C ap í tulo tres
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
4
4.1
RESPUESTA TÉRMICA
Introducción
La distribución de la temperatura a través de un
elemento estructural depende de los coeficientes de
transferencia de calor por radiación y convección en la
superficie del elemento y de la conducción de calor en su
interior. En la figura 4.1 se muestran los métodos
de diseño disponibles.
En el caso de materiales con una conductividad
térmica elevada, como el acero, puede ser suficientemente
exacto ignorar los gradientes térmicos dentro de
los miembros y suponer una temperatura
uniforme. Esta suposición es válida siempre que
el elemento no esté en contacto con un material de baja
conductividad térmica, que actuará como disipador de
calor y, por tanto, creará un gradiente térmico a
través del elemento. Existen ecuaciones de cálculo
sencillas16 - 17 para predecir las temperaturas de los
elementos de acero totalmente expuestos al fuego o de los
elementos de acero que soportan un forjado de hormigón y
están expuestos por tres lados.
La estimación de la transferencia de calor en
materiales con una baja conductividad térmica y/o un alto
contenido de humedad, como el hormigón y la
mampostería, se vuelve extremadamente
complejo debido a los elevados gradientes térmicos.
Para llevar a cabo un enfoque basado en el rendimiento,
que investigue la respuesta estructural del edificio, es
extremadamente importante obtener una estimación
precisa del gradiente de temperatura a través de los
miembros estructurales. En los códigos15-19 se ofrecen
tablas de diseño sencillas que definen la
distribución de la temperatura a través de los
elementos y que se han obtenido a partir de ensayos
de incendio estándar. Estas tablas sólo se pueden
utilizar si se asume que la curva de fuego estándar
define el comportamiento ante el fuego.
Si se adoptan curvas paramétricas, modelos zonales
o modelos CFD para estimar el comportamiento del fuego,
deberán utilizarse modelos de transferencia de
calor simples o avanzados. El uso de modelos de
transferencia de calor simples o avanzados requiere
conocimientos de:
• la geometría del miembro
• propiedades térmicas de los materiales, incluidos los
efectos de la humedad
• coeficientes de transferencia de calor en
los límites del miembro.
Comportamien
to del fuego
Sección 3
Respuesta térmica
Sección 4
Datos de la
prueba
Sección
4.3
Modelos sencillos de
transferencia de calor
Sección 4.4
Aumento
de la
complejida
d
Modelos avanzados de
transferencia de calor
Sección 4.5
Comportamiento
estructural
Sección 5
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
C ap í tulo
cuatro
23
Figura 4.1 Métodos disponibles para definir la respuesta térmica
24
C ap í tulo
cuatro
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Tabla 4.1 Opciones para estimar la transferencia de calor2
Mod el
Diseño/prueba de datos
Fórmula simple e
A dv an c e d mod els
C om plexidad
Simple
Intermedio
Avanzado
Capacidad de análisis
• Soluciones Exa ct
• Condiciones
normales de
incendio
• Soluciones empíricas
• Condiciones
normales de
incendio
• Soluciones precisas
• Depende de
• Principalmente
• Cualquier material y
Tipos de me mbros
datos de ensayo
elementos de acero
disponibles
P ara m etros de entrada
• Tipo de construcción
• Geometría de los
miembros
Soluciones
Herramientas de diseño
métodos de
• Curvas de flujo térmico o fuego
• Condiciones límite
• Geometría de los miembros
• Propiedades térmicas del material
• Perfil de temperatura
transversal simple
• El fuego forma parte de
• El fuego forma parte de
los Eurocódigos
incendio
construcción
• Sección transversal
tablas de temperatura
• Datos térmicos
tabulados
• Informes de
• Cualquier condición de
• De uno a tres
dependientes del
tiempo y el espacio
perfil de temperatura
• Guías de diseño
• Paquete de
elementos
finitos
Hoja de cálculo
Modelos informáticos
los Eurocódigos
pruebas/investigación
Diseño de gráficos y
tablas
En general, se supone que si se ignoran los efectos de
la humedad se obtendrán estimaciones conservadoras de
la distribución de la temperatura.
Los métodos disponibles2 se resumen en la Tabla
4.1.
Aquí:
hored,c
honeto,
es el flujo neto de calor convectivo
según [2] a continuación
es el componente neto del flujo de calor
r
radiativo
4.2
Principios básicos de la transferencia de
calor La transferencia de calor es la ciencia que evalúa
la transferencia
de energía que tiene lugar entre
red
cuerpos materiales como resultado de una diferencia
de temperatura. Los tres modos de transferencia de
calor son la conducción, la convección y la radiación.
El análisis térmico puede dividirse en dos partes:
• Transferencia de calor por convección y
radiación a través del límite de un incendio
a un miembro.
• Transferencia de calor por conducción dentro
de un miembro.
fases del incendio. Las acciones
térmicas pueden representarse por
el calor neto
flujo ho dado por:
La superficie de un elemento estructural expuesto a un
incendio está sometida a transferencia de calor por
convección y radiación. Normalmente, la radiación es más
dominante que la convección, excepto en las primeras
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
C ap í tulo
cuatro
25
como se indica a continuación en [3]
En las superficies no expuestas de los elementos sometidos a
condiciones de calentamiento parcial, como la cara no expuesta de muros
y forjados, el calor se transferirá de los elementos calientes al
límite.
El análisis de transferencia de calor según [1] puede aplicarse
considerando diferentes condiciones de contorno. Pueden considerarse
las siguientes simplificaciones en la transferencia de calor3:
• Para una superficie expuesta a condiciones ambientales, se considera
hored= hored,c + ho
neta,r
26
C ap í tulo
cuatro
[1]
•
•
que la temperatura del gas es igual a la
temperatura ambiente y se tienen en cuenta
tanto la transferencia por radiación como por
convección.
Alternativamente, para una superficie expuesta a
condiciones ambientales, se puede imponer una
temperatura fija igual a la temperatura
ambiente en los nodos límite de la
superficie.
Para una superficie con aislamiento, el límite
puede ser
tratada como una condición sin flujo de calor.
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Cabe señalar que la transferencia de calor al límite desde
un miembro calentado tiene un efecto importante en la
respuesta térmica del miembro dentro de la región
cercana a la superficie no expuesta, mientras que el
efecto es relativamente menor en la región del miembro
cercana a la superficie expuesta al fuego.
El flujo de calor red,c
neto ho en W /
convección
viene dado por:
hored,c =ac ^Hg -
Hm
m2
debido a la
Para simplificar, la norma BS EN 1991-1-214 (EC1) proporciona
la siguiente aproximación para el flujo de calor neto honet, r
( W / m2) debido a la radiación:
honet,r=U fm ff v 7 ]Hr+ 273g4 - m]H + 273g4 A [3]
Aquí:
ff
h
[2]
fm
es la emisividad del fuego (= 1,0)
es la emisividad superficial del miembro (véase
el cuadro 4.3)
U es el factor de configuración (G1.0)
W aquí:
es el coeficiente de transferencia de calor
por convección en W / m2 K como se
indica en la tabla 4.2
Hg es la temperatura del gas en las proximidades del
miembro expuesto al fuego en °C
Hm es la temperatura superficial del miembro
en °C
es la temperatura de radiación efectiva del
ambiente del incendio en °C
Hm es la temperatura superficial del miembro
en °C
Hr
ac
La fórmula exacta para definir el flujo de calor
debido a la radiación es complicada, ya que los
parámetros que intervienen dependen del tipo de
superficie, del tipo de llama y de la temperatura.
v
es la constante de Boltzmann de Stephan
(= 5,67 × 10-8 W / m2 K4)
El factor de configuración U tiene en cuenta la variación
de los niveles de flujo térmico radiativo en la superficie
expuesta al fuego
de los miembros en función de la posición y los
efectos de sombra. El anexo G del documento EC114 ofrece
orientaciones
para calcular el valor de U. Conservadoramente el
El factor de configuración puede tomarse como 1,0.
Tabla 4.2 V a l o r e s t í p i c o s d e c
Ta ble 4.3 V alores típicos de misividad de
oeficiente de c onve c c c i ón ac
los materiales
ac
MODELO DE INCENDIO O CONDICIÓN
EXPUESTA
Material
(W/m2K)
Fuegos estándar
25
Incendios exteriores
25
Incendios hidroeléctricos
50
Incendios paramétricos
35
Emisividad
(fm)
Acero al carbono
0.7
Acero inoxidable
0.4
Hormigón
0.7
Otros
0.8
Lado no expuesto de los elementos de
separación:
• sin radiación
4
• con radiación
9
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
C ap í tulo
cuatro
27
La transferencia de calor por conducción en
sólidos se rige por la ecuación de Fourier, que establece
que la cantidad de calor transferida por unidad de
tiempo a través de un área A es
El aumento de temperatura viene dado por:
ho + ho A
Dis
proporcional al gradiente de temperatura uT/ ux como
sigue:
=
red,c
cs ts
neta,r
m
V Dt
Aquí:
q =- kA
2x
2T
Dis
es el incremento de temperatura en °C
Aquí:
A
es el área a través de la cual se
transfiere el calor en m2
k es la conductividad térmica del material en
W / m
K
q es la tasa de transferencia de calor a través
del área
A en W
T es la temperatura en K
x es la distancia normal a la zona A en m
4.3
4.4.1 Elementos de acero
En los códigos y guías de diseño
se presenta un método de cálculo
empírico para estimar la respuesta
de la temperatura del acero
desnudo. El método se basa en un
modelo de masa global en el que se
supone que la temperatura es
uniforme dentro de la sección
transversal.
Datos de prueba
Se han publicado datos de ensayos que indican la
distribución térmica para formas genéricas de
construcción cuando se someten a la relación
estándar temperatura-tiempo. Las fuentes de
referencia se indican en el Apéndice A. Una gran
parte de los datos de ensayo enumerados en el
Apéndice A pueden obtenerse en el sitio web de la
ventanilla única de ingeniería estructural contra
incendios2 (w w w.structuralfiresafety.org).
Los datos de ensayo de algunos tipos de
materiales de construcción y protección pueden
ser comercialmente confidenciales. No obstante, los
proyectistas deben obtener los datos necesarios
de los fabricantes para asegurarse de que las
hipótesis adoptadas para definir el perfil de
temperatura a través de los elementos son coherentes
con las hipótesis y aproximaciones incluidas en el
cálculo global de la estructura en caso de
incendio.
En algunos casos, los fabricantes han
ampliado datos de ensayo limitados,
utilizando modelos y técnicas simples, para
cubrir geometrías y características de material
variables. Una vez más, los diseñadores deben evaluar
las suposiciones y aproximaciones adoptadas al
ampliar los datos de ensayo disponibles para
asegurarse de que son aceptables dentro de la
estrategia general de diseño.
4.4
28
Modos sim plifi cados de c alc ulación
C ap í tulo
cuatro
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
ho
ts
es el flujo neto de calor convectivo
componente en W / m2
es el componente neto del flujo de calor radiativo
en W / m2
es el factor de sección para el desprotegido
pieza de acero
es el calor específico del acero en J/kgK
es la densidad del acero en kg/ m3
Dt
es el intervalo de tiempo en segundos
ho
En
cs
red,c
neto,
r
V
En los códigos y guías de diseño figuran diversas formas de la
ecuación. Por ejemplo, BS EN 1993-1-216 (EC3) introduce un factor de
sombra y PD 7974-331 sustituye el factor de sección (A m/V) por un factor
de elemento (EF).
Como ocurre con todas las ecuaciones empíricas, el método de
cálculo sólo debe utilizarse dentro de los límites de los
parámetros de ensayo utilizados para derivar la ecuación. Deben
tenerse en cuenta los siguientes puntos:
• El coeficiente de transferencia de calor por convección
(utilizado para calcular el flujo neto de calor por convección)
dependerá del modelo de incendio adoptado.
• Los valores de emisividad variarán en función del modelo de
incendio adoptado.
• El factor de sombra introducido en EC316 sólo se ha calibrado con
incendios estándar y sólo es válido para secciones "I" o "H".
De forma similar al acero sin protección, en el documento EC316 se
presenta un método de cálculo empírico para calcular el incremento
de temperatura de un elemento de acero protegido con un material de
pulverización o tablero. Sin embargo, se requieren el calor específico,
la conductividad térmica, la densidad y el contenido de humedad del
material de protección, que son propiedades que no están fácilmente
disponibles en el dominio público.
El método de cálculo empírico sólo debe aplicarse a situaciones que
sean similares a las pruebas utilizadas para derivar la ecuación, y no
debe utilizarse para revestimientos intumescentes, en los que debe
hacerse referencia a las recomendaciones del fabricante.
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
C ap í tulo
cuatro
29
4.4.2 Elementos de hormigón
Debido a la baja conductividad térmica, se
producirán gradientes térmicos elevados a través
de los elementos de hormigón, lo que, junto con los
efectos del transporte de masa de agua o vapor de
agua, hace que la estimación de la
distribución de la temperatura a través de los
elementos sea muy difícil. Si se ignoran los efectos de
la humedad, se obtendrán estimaciones conservadoras de
la temperatura, siempre que no se produzcan
desprendimientos.
Es difícil definir el peor escenario de
incendio creíble para los elementos de hormigón,
ya que un incendio de corta duración y alta temperatura
podría causar desprendimientos debido al choque térmico y
un incendio de larga duración y baja temperatura
provocaría una temperatura media elevada dentro del
elemento, lo que reduciría su resistencia y rigidez.
W ickström 41 derivó un método de cálculo sencillo
basado en resultados de análisis térmicos por
ordenador. El método puede utilizarse con curvas de
fuego estándar o con fuegos paramétricos. En el
documento PD 7974-331 se ofrece orientación sobre el uso
del método de W ickström.
Hertz42 derivó un método de cálculo para estimar
la distribución unidimensional de la temperatura en
función del tiempo a través del elemento de hormigón. El
método puede utilizarse tanto con curvas de fuego
estándar como paramétricas definiendo los
parámetros relevantes dados por Hertz.
Las distribuciones de temperatura, basadas en la
curva de fuego estándar, pueden obtenerse del Anexo
A de BS EN 1992-1-215.
4.4.3 Miembros compuestos
Basándose en el modelo de masas lumped, en la norma
BS EN 1994-1-217 (EC4) se presenta un método de cálculo
empírico para definir la temperatura en el
interior de una viga de acero que soporta un
forjado de hormigón.
Al igual que en el caso de los elementos de
hormigón, puede resultar complicado definir la
distribución de la temperatura a través de los
elementos compuestos de acero y hormigón, como las
vigas y los pilares rellenos de alma y las
secciones huecas rellenas de hormigón. Los métodos
de cálculo del EC417 y las guías de cálculo43 están
vinculados a las distribuciones de temperatura
definidas en ensayos de incendio estándar y no pueden
utilizarse para incendios naturales.
Es necesario utilizar métodos analíticos
avanzados para definir la distribución de la
temperatura a través de los elementos cuando se
utilizan curvas paramétricas, modelos zonales o
modelos CFD.
4.4.4 Miembros de albañilería
En la norma BS EN 1996-1-219 se indica la
distribución de la temperatura a través de las
formas más comunes de muros de mampostería.
Aunque estas curvas se basan en la curva de fuego
estándar, existe cierto debate sobre la exactitud de
las temperaturas.
En el caso de los incendios naturales, se requieren
modelos analíticos avanzados para definir la distribución
de la temperatura a través del muro de mampostería.
Ta ble 4.4 Asp e ctos de la mod elización de la tran sferen cia de at ribuciones
Malla
• La forma y las dimensiones del modelo estructural se modelan mediante una
malla de elementos finitos de elementos continuos de flujo general, en forma
de triángulos, cuadriláteros, cuñas o ladrillos.
• Los elementos de contorno o interfase pueden ser elementos lineales para un
modelo 2D y elementos triangulares o cuadriláteros para un modelo 3D.
Condiciones límite
• Las fuentes de calor pueden representarse mediante funciones
temperatura-tiempo o mediante flujos de calor en los elementos límite.
• La convección y/o radiación en los límites del modelo estructural puede
modelarse mediante el coeficiente de transferencia de calor de los elementos
límite.
Propiedades de los
• El material puede ser isótropo, ortótropo o anisótropo.
• Las propiedades térmicas del material (conductividad, calor específico y
emisividad c) dependen de la temperatura.
materiales
• Se puede modelizar el calor de hidratación, la evaporación/movimiento
de la humedad y el cambio en las condiciones de contacto.
Características
especiales
30
C ap í tulo
cuatro
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
4.5
Métodos analíticos avanzados Los modelos
avanzados para los problemas de transferencia de
calor requieren programas informáticos. La
transferencia de calor es una condición de estado
transitorio, unida a condiciones de contorno que
dependen del tiempo y a propiedades de los
materiales que dependen de la temperatura. Por
consiguiente, la mayoría de los modelos avanzados sólo
pueden desarrollarse basándose en técnicas de
diferencias finitas o de elementos finitos. El
análisis de la transferencia de calor puede
realizarse utilizando un modelo bidimensional (2-D)
o tridimensional (3-D).
Los aspectos generales2 para la modelización del
análisis de la transferencia de calor se muestran
en la Tabla 4.4.
El análisis de la transferencia de calor
puede realizarse utilizando paquetes informáticos
comerciales para la modelización general por elementos
finitos. Sin embargo, el principal problema de estos
paquetes es que no tienen en cuenta el
transporte de masa de agua o vapor de agua en
materiales permeables. Es posible tener en cuenta estos
efectos variando las propiedades térmicas en función de
la temperatura, como se indica en los Eurocódigos.
Alternativamente, pueden ignorarse los efectos de la humedad,
lo que conducirá a estimaciones conservadoras de la
temperatura, siempre que no se produzcan
desprendimientos. En la figura 4.2 se muestra un
ejemplo de utilización de un modelo de elementos
finitos para predecir las temperaturas a través de un
pilar de hormigón.
10min de fuego
30min de fuego
60min de fuego
120min de fuego
Figura 4.2 Distribución de la temperatura a través de un pilar de hormigón
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
C ap í tulo
cuatro
31
5
5.1
COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL
Introducción
El método más sencillo para predecir el
comportamiento estructural de los edificios en caso de
incendio (véase la figura 5.1) consiste en analizar
los elementos individuales en el estado límite de
incendio utilizando factores de carga parcial y de
seguridad de los materiales, que tienen en cuenta las
cargas realistas en el momento del incendio y las
resistencias reales de los materiales. Estos métodos
figuran en los códigos15-19 y en las guías de diseño1-8 y
tienen en cuenta la reducción de la resistencia y la
rigidez de los materiales durante un incendio. Los
métodos de diseño simples, que se basan en principios
fundamentales de ingeniería, pueden utilizarse
independientemente del modelo de incendio utilizado. Sin
embargo, algunos métodos empíricos de diseño
estructural sólo son válidos para su uso con el
modelo estándar de fuego tiempo-temperatura, que se
utilizó en su derivación.
Existen métodos sencillos de diseño plástico para
considerar el comportamiento de la estructura en
caso de incendio. En los Eurocódigos, el
comportamiento de la estructura se utiliza para
permitir que las longitudes efectivas de los pilares
continuos de acero, hormigón y materiales compuestos se
reduzcan a partir de los valores de temperatura
ambiente.
A raíz de las pruebas de fuego a escala real de
Cardington, se desarrolló un modelo sencillo de
diseño de subestructuras44-47 para edificios con estructura
de acero y forjado mixto. El modelo se basa en la
acción de membrana de los forjados y permite incluir
en el diseño estructural el efecto beneficioso de la
retícula de vigas y forjado, que actúan como una unidad. El
enfoque puede utilizarse con cualquier modelo de
incendio.
Se supone que los modelos de cálculo simples para
los elementos individuales y los subestructuras son
conservadores, pero no
Comportamien
to del fuego
Sección 3
Respuesta térmica
Sección 4
Comportamiento de
los diputados
Sección 5
Comportamiento
estructural
Sección 5
Aumento
de la
complejida
d
Comportamiento
del marco
Sección 5
Comportamiento de todo
el edificio
Sección 5.4
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Cap í tulo
cinco
29
Figura 5.1 Métodos disponibles para definir el comportamiento estructural
30
Cap í tulo
cinco
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
ignoran algunos aspectos del comportamiento real de los
edificios. Un posible enfoque de diseño para predecir
con mayor exactitud el comportamiento de los edificios en
caso de incendio consiste en utilizar modelos de elementos
finitos. Este enfoque incorpora la relación tensióndeformación-temperatura de los materiales y puede predecir
las tensiones y deformaciones en toda la estructura.
Para utilizar estos modelos avanzados se requieren
conocimientos especializados y un cuidado especial
en la definición de los tipos de elementos
utilizados, las condiciones de contorno, el
comportamiento localizado y la interpretación de los
resultados. Los aspectos detallados de la modelización
por elementos finitos se tratan en el apartado 5.4.
La modelización por elementos finitos del
comportamiento de todo el edificio puede proporcionar
una estimación y una comprensión más precisas de la
respuesta estructural, durante toda la duración del incendio
definido, en comparación con otros métodos. Sin embargo,
debido a la necesidad de utilizar elementos de gran
tamaño para modelizar todo el edificio, es posible que
el comportamiento localizado, como la fractura del
refuerzo o la fractura de las conexiones, no se modele
adecuadamente. Si la consecuencia de
Si se considera que el comportamiento localizado es
importante, será necesario elaborar un modelo detallado
de elementos finitos de estas zonas o, alternativamente,
se podría especificar un detallado en términos de
refuerzo adicional o conexiones dúctiles.
Debe tenerse en cuenta la estabilidad global de
la estructura en caso de incendio. Para las
estructuras arriostradas normalmente no se
requieren comprobaciones adicionales siempre que un
número suficiente de núcleos o arriostramientos, que
proporcionen la resistencia lateral, tengan una adecuada
resistencia al fuego, blindaje o contención dentro de los
núcleos resistentes al fuego. En el caso de los
pórticos oscilantes, es necesario realizar un análisis
del pórtico a temperaturas elevadas para garantizar una
estabilidad general suficiente durante un incendio.
Los métodos de diseño estructural disponibles2 se
resumen en la tabla 5.1.
Conviene subrayar que el análisis de la estructura
sólo será tan preciso como la modelización del incendio y
el análisis térmico. Por lo tanto, la precisión de los
tres componentes del diseño debe tenerse en cuenta a la
hora de evaluar el análisis final.
Tabla 5.1 Opciones de análisis estructural2
Mod el
Elemento simple
Submodelos
Modos de visualización
finita del ordenador
C om plexidad
Simple
Intermedio
Avanzado
Entrada
p ara m etros
• Temperatura a través de
la sección transversal
• Reducción de la
resistencia y rigidez
del material
• Carga estática aplicada
• Condiciones límite
simplificadas
• Temperatura a través de
la sección transversal y a
lo largo del elemento
• Reducción de la
resistencia y rigidez
del material
• Carga estática aplicada
• Temperatura a través
y a lo largo de la
sección transversal
• Relación completa
tensión-deformacióntemperatura del
material
• Carga estática aplicada
• Condiciones límite
• Condiciones límite
• Tipo de elemento y
densidad
A cc ura c ió n
• Ignora el
comportamiento real
pero se supone
conservador
• Cálculo de la
resistencia a la
rotura
• Comienza a considerar las
rutas de carga real y la
restricción
• Cálculo de la
resistencia a la
rotura
• Predice
tensiones
internas,
desplazamientos y
rotaciones para todos los
miembros
durante la
duración del incendio
• El
comportamiento
localizado es
no se ha modelado con
precisión en todo el edificio
modelización
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Cap í tulo
cinco
31
Herramientas de
diseño
• Ecuaciones
sencillas para
cálculos manuales
• Ecuaciones
• Disponibles en el
sencillas para
mercado o con fines
cálculos manuales
específicos
• Diseño de plástico,
programas informáticos
redistribución de momentos
• Modelos informáticos
sencillos
32
Cap í tulo
cinco
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
5.2
Principios básicos
Todos los materiales pierden resistencia y rigidez a
temperaturas
elevadas. Basándose
en
los
resultados de los ensayos, los códigos de diseño15 19 presentan valores simplificados de resistencia y
rigidez inicial para diversos materiales a diferentes
temperaturas.
Los códigos también proporcionan relaciones
simplificadas de tensión-deformación-temperatura para el
acero y el hormigón, que pueden utilizarse en modelos
avanzados.
El desconchamiento del hormigón en caso de incendio consiste en el
desprendimiento de capas o trozos de hormigón de la superficie de la
estructura a medida que ésta se calienta (véase la figura 5.2). Aunque
se han llevado a cabo numerosos estudios sobre el
desconchamiento, su comportamiento es difícil de predecir y no existen
directrices de diseño definitivas.
5.2.1 Dilatación térmica y curvatura
térmica
Todos los materiales se dilatan, en cierta
medida, cuando se calientan. Si se forma una
distribución no uniforme de la temperatura a
través de la sección, se producirá una curvatura
térmica y el elemento se desviará generalmente hacia
la fuente de calor. Cualquier resistencia al libre
movimiento de expansión térmica axial o curvatura
térmica inducirá tensiones internas en el miembro. Además,
al suponer que las secciones planas permanecen planas,
cualquier distribución de temperatura no lineal a
través de un elemento inducirá tensiones térmicas
internas.
5.2.2 Deformaciones de fluencia y transitorias
Existen dos tipos de ensayos para determinar la relación
tensión-deformación-temperatura del material. Se
trata de ensayos estacionarios y ensayos transitorios. En
los ensayos de estado estacionario, la probeta se
calienta hasta una temperatura definida y, a
continuación, se carga hasta el fallo. En los
ensayos transitorios, la carga permanece constante y
la probeta se calienta hasta el fallo. Los ensayos
transitorios dan valores de tensión más bajos para una
deformación dada, pero se consideran más realistas. La
velocidad de calentamiento también influirá en la
relación tensión-deformación, ya que existe un componente
de deformación derivado de la fluencia. Para el acero y el
hormigón, la relación tensión-deformación-temperatura
que figura en los Eurocódigos tiene en cuenta la fluencia
clásica, siempre que la velocidad de calentamiento se
mantenga entre 2 y 50 °C/minuto.
Las
deformaciones
transitorias
que
experimenta el hormigón en el primer calentamiento
pueden ser importantes cuando el hormigón está sometido
a grandes fuerzas de compresión. Las deformaciones
transitorias deben incluirse en la modelización del
hormigón estructural a menos que existan
pruebas/justificación para ignorar su efecto.
5.2.3
Desconchados
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Cap í tulo
cinco
33
•
•
•
•
•
Figura 5.2 Desprendimiento de hormigón
control del contenido de humedad
elección del agregado
agente aireante
control de la tensión de compresión
refuerzo (incluido el uso de refuerzos
suplementarios).
48
actualmente disponibles para estimar
el alcance y las consecuencias del
desprendimiento durante un incendio.
En el caso del hormigón de
resistencia normal, la referencia 49
implica que las disposiciones del
código son lo suficientemente
conservadoras como para permitir el
desprendimiento, y en las normas BS
8110-250 y BS EN 1992-1-215 se ofrecen
orientaciones prácticas al respecto. En el
caso de los revestimientos de hormigón
para túneles, es necesario prestar
especial
atención
a
los
desprendimientos.
Las principales causas del desconchamiento se han
atribuido
a:
• velocidad de calentamiento
•
contenido de humedad
• permeabilidad
•
niveles de tensión mecánica
• presencia de refuerzo
• tipo de agregado.
Para hormigones susceptibles de
desconcharse, deben considerarse
uno o más de los siguientes
métodos:
• barrera térmica
• fibras de polipropileno
34
Cap í tulo
cinco
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
5.3
Métodos sencillos de cálculo
Los métodos de cálculo más sencillos se basan en el
comportamiento de elementos individuales. Estos
elementos pueden ser columnas, vigas, muros o
forjados. En los códigos y guías de diseño se
ofrecen orientaciones sobre el diseño de los
elementos estructurales. En el diseño de los elementos,
no se tienen en cuenta los efectos de la dilatación
térmica axial. Sin embargo, se suelen tener en cuenta
los efectos de los gradientes térmicos a través de
la sección transversal.
Los métodos simples de cálculo de miembros
se basan normalmente en la resistencia y no
proporcionan detalles sobre el historial de
desplazamiento, o el desplazamiento máximo, del miembro
durante el incendio.
Si los enfoques de diseño se basan en principios
fundamentales de ingeniería, en los que la resistencia de los
materiales dentro del elemento se reduce con el
aumento de la temperatura, entonces son válidos para
cualquier escenario de incendio. Sin embargo, hay algunos
casos en los que los procedimientos de cálculo
indicados en los códigos (especialmente en relación con
la construcción mixta y los elementos de madera)
sólo son válidos para el escenario de incendio
estándar tiempo-temperatura, ya que se han derivado
de resultados de ensayos de incendio estándar y se han
validado en función de los mismos. El proyectista debe
comprobar que el método de cálculo adoptado para
estimar la respuesta estructural es válido para la
hipótesis de incendio considerada.
Generalmente se acepta que los métodos de cálculo
disponibles para el diseño de miembros individuales
proporcionarán respuestas conservadoras aceptables. Sin
embargo, el enfoque de diseño ignora la verdadera respuesta
estructural del edificio, lo que puede ser perjudicial
o beneficioso para la supervivencia del edificio en su
conjunto. A continuación se describen los modos
de comportamiento importantes que suelen ignorarse en
el cálculo de los elementos2:
• Los efectos de la dilatación térmica de las
vigas que desplazan lateralmente los pilares
exteriores.
• Cualquier fuerza inducida que actúe sobre una
pared debido al movimiento de la estructura calentada en
la proximidad de la pared.
• El efecto de las fuerzas de compresión
inducidas debido a la expansión térmica
contenida. Estas fuerzas de compresión
inducidas podrían provocar el pandeo de
elementos verticales, el pandeo local de vigas,
aumentar la susceptibilidad al desconchamiento del
hormigón o incrementar el efecto beneficioso de la
acción compresiva de la membrana.
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
•
•
•
Redistribución de momentos con
acción marco.
Los tirones de los pilares
exteriores debidos a la acción
catenaria de las vigas.
Cualquier efecto beneficioso de
vías de carga alternativas,
acción catenaria o acción de
membrana.
Cap í tulo
cinco
35
Deben tenerse en cuenta estos modos de comportamiento a la
hora de detallar los miembros y las conexiones.
5.3.1 Elementos de acero
Existen métodos de cálculo sencillos16 para determinar la capacidad de carga
de los elementos de acero sometidos a tracción, compresión y vigas. Si
se supone una distribución uniforme de la temperatura a través
del elemento, el cálculo se basa simplemente en una reducción del límite
elástico. Existen métodos de cálculo sencillos para tener en cuenta
la distribución variable de la temperatura a través del elemento y a
lo largo de su longitud.
El cálculo de los elementos de acero se basa en los
principios de ingeniería aplicados en el cálculo normal en frío, con
la salvedad de que se tienen en cuenta los efectos de la reducción de la
resistencia y rigidez del material, junto con los factores parciales de
seguridad relacionados con el estado límite de incendio.
5.3.2 Miembros compuestos
Existen métodos de diseño sencillos17 para el diseño de vigas, pilares y
forjados mixtos. Debido a la necesidad de definir los altos gradientes
térmicos a través del hormigón, las tensiones térmicas inducidas dentro
del hormigón y el comportamiento de la interfaz entre el acero y el
hormigón, la mayoría de los métodos sólo son aplicables para el
escenario de incendio estándar tiempo-temperatura.
En los códigos y guías de diseño se presentan tablas sencillas para
diversas formas de elementos compuestos. En algunos casos, estas
tablas tienen en cuenta la variación del comportamiento
estructural mediante la inclusión de la carga real estimada sobre el
elemento en el estado límite de incendio. Sin embargo, independientemente de si
se tienen en cuenta o no los niveles de carga reales, las tablas sólo son
aplicables si se utiliza la relación estándar tiempo-temperatura.
A raíz de las pruebas de incendio de Cardington, se ha
desarrollado un método de diseño sencillo44,45,46,47 para vigas de
acero que soportan un forjado mixto. El método se basa en principios
fundamentales de ingeniería y es válido para cualquier escenario de
incendio.
5.3.3 Elementos de hormigón
El enfoque más sencillo para el diseño de elementos de hormigón
consiste en utilizar tablas prescriptivas que proporcionan las
dimensiones geométricas mínimas y el recubrimiento de
las armaduras. Estas tablas, y su uso, se han descrito en la
publicación anterior del IStructE Introducción a la ingeniería de
seguridad contra incendios de las estructuras1.
Existen métodos de diseño sencillos15 para elementos de hormigón
basados en los principios fundamentales de ingeniería utilizados para el
diseño en frío. Reducción
36
Cap í tulo
cinco
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
en la resistencia del hormigón y las armaduras, junto con
los factores parciales de seguridad que se aplican en el
estado límite de incendio.
Para
elementos
horizontales
simplemente apoyados, el cálculo de la
resistencia de cálculo se realiza simplemente
utilizando los bloques de tensiones normales adoptados
en el cálculo normal en frío, excepto que la
resistencia a tracción de la armadura se reduce en
función de su temperatura. Además, los factores
parciales de seguridad del material tanto para el
hormigón como para la armadura de acero se toman como
la unidad. Siempre que se cumpla el criterio de aislamiento1,
el hormigón en compresión permanecerá a baja temperatura y,
por tanto, se supone que conserva toda su resistencia.
Para los elementos horizontales continuos se puede
utilizar el diseño plástico y la redistribución
normal. En las regiones de acaparamiento, la
resistencia del hormigón en compresión se
reduce debido a los efectos del fuego.
Para los pilares de hormigón, el método de cálculo
más sencillo consiste en ignorar la resistencia del
hormigón por encima de 500 °C y definir la temperatura
real de la armadura. El cálculo de la capacidad de
carga se basa en la reducción de la superficie de
hormigón y la reducción de la resistencia de las barras
de refuerzo utilizando el mismo enfoque de diseño para
el diseño en frío, pero con factores de seguridad del
material para el estado límite de incendio. Alternativamente, el
pilar puede dividirse en varias zonas y la capacidad
del pilar calcularse utilizando la resistencia real
del hormigón, basada en la temperatura, junto con la
resistencia reducida de las barras de refuerzo. Ambos
métodos se recogen en la norma BS EN 1992-1-215. La
principal limitación de los métodos de cálculo
simples para los pilares es que no tienen en cuenta la
redistribución de momentos dentro de la estructura que se
produce durante un incendio ni los efectos de la
fluencia transitoria.
los códigos y guías se proporcionan tablas que permiten al proyectista
evaluar la estabilidad, el aislamiento y la integridad del sistema.
Estas tablas sólo son válidas para su uso con la relación tiempotemperatura estándar.
5.3.4 Miembros de madera
El cálculo simple de elementos de madera consiste
en el método de la sección transversal efectiva y
el método de la resistencia y rigidez reducidas. Estos
métodos de cálculo se describen en la publicación
anterior Introducción a la ingeniería de seguridad contra
incendios de las estructuras1. Los métodos se basan en
profundidades de carbonización y perfiles de
temperatura que deben calcularse. En la actualidad, la
única información fiable sobre la temperatura se limita a la
respuesta estándar tiempo-temperatura.
En el caso de los elementos de madera de sección
pequeña, se
requiere
la
protección
de
revestimientos. En el caso de muros y forjados, en
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Cap í tulo
cinco
37
5.3.5 Miembros de albañilería
Se han realizado muy pocos trabajos
de
investigación
sobre
las
propiedades térmicas y estructurales de
la
mampostería. Debido
a
estos
conocimientos
limitados,
en
la
actualidad no se dispone de ningún
método de cálculo sencillo y fiable
para el diseño de muros o pilares
de mampostería.
El cálculo de los muros de
mampostería en caso de incendio se
suele realizar mediante simples normas
prescriptivas recogidas en los códigos,
tal y como se describe en la
publicación anterior Introducción a
la ingeniería de seguridad contra
incendios de las estructuras1.
5.4
El comportamiento de
todo el edificio y el uso de
modelos de elementos finitos
Para evaluar la respuesta estructural
en caso de incendio, se puede utilizar
un programa informático de elementos
finitos o de diferencias finitas, ya
sea de diseño específico o de venta
en comercios. Esto proporciona la
representación
potencialmente
más
cercana al comportamiento real (véase
la figura 5.3). No obstante, hay que
tener en cuenta que, como ocurre
con todos los métodos de diseño,
el uso del método de los elementos
finitos y de las diferencias finitas no
deja de ser una aproximación al
comportamiento real. Antes de utilizar
este tipo de software, el diseñador
debe tener la experiencia suficiente
para identificar las suposiciones y
aproximaciones incluidas en el
software y en su uso. Cualquier
programa informático utilizado debe
ser capaz de modelar la no
linealidad geométrica y material.
Figura 5.3 Utilización del modelo
de elementos finitos para
predecir la respuesta de una
placa de suelo
100
0
-200
-400
-600
-800
100
0
-200
-400
-600
-800
0
0
5,000
10,000
5,000
10,000
15,000
15,000
20,000
38
Cap í tulo
cinco
20,000
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
5.4.1 Principios generales
A
continuación
se
describen
los
principios generales de la utilización de modelos de
elementos finitos2:
• La estructura se convierte en un sistema discreto
dividiéndola (mallándola) en elementos finitos. En
general, cuanto mayor sea el número de
elementos finitos, más precisa será la estimación
de la respuesta estructural, pero aumentará el
tiempo de análisis. Es necesario encontrar un
equilibrio entre el número de elementos
utilizados y la precisión requerida. Esto sólo
puede evaluarse llevando a cabo un análisis de
sensibilidad que implique realizar el mismo
análisis estructural pero aumentando el número
de elementos finitos utilizados.
• Es necesario definir el tipo de elemento
finito utilizado para modelizar la estructura.
Se ofrece la siguiente orientación:
- Los elementos viga-columna son elementos
lineales que modelizan estados de
tensiones unidimensionales que incluyen
términos axiales y de flexión. Pueden
utilizarse eficazmente para modelizar
pilares y vigas. La integración a través de la
sección transversal en varios puntos a lo
largo del elemento permite incluir cualquier
variación de la sección transversal. Es
importante asegurarse de que la integración
numérica a través de la sección transversal
modele con precisión cualquier variación en el
material y la temperatura.
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
–
•
•
Los elementos de resorte se utilizan
para representar la variación de rigidez y
resistencia entre dos puntos nodales próximos. Estos
elementos pueden utilizarse para modelar
conexiones.
– Los elementos de cáscara son elementos planos que
modelizan estados de tensión bidimensionales e
incluyen tanto términos de membrana como de
flexión. La integración a través del espesor del
elemento permite incluir la variación de las
propiedades.
Estos
elementos
suelen
utilizarse para modelizar forjados.
La conexión de los elementos finitos entre sí en
los puntos nodales requiere una cuidadosa
consideración. Se ha demostrado que el
comportamiento de las estructuras durante un
incendio se rige principalmente por la
restricción de la expansión térmica. Por lo
tanto, es importante que los elementos se conecten
en los puntos correctos para garantizar una
representación precisa de la restricción térmica.
Es necesario definir modelos constitutivos
materiales. Para el estado de tensión
unidimensional, puede utilizarse la relación
tensión-deformación-temperatura que figura en los
códigos para el acero y el hormigón. La
fluencia se incluye explícitamente en estos
modelos siempre
que
la
velocidad
de
calentamiento se mantenga entre 2 y 50ºC.
Deben incluirse las deformaciones térmicas para
todos los materiales y las deformaciones
transitorias para el hormigón. Para el estado de
tensiones bidimensional se aplica una tensión
biaxial-
Cap í tulo
cinco
39
Figura 5.4 Estructura de refuerzo tras las pruebas de grandes
40
Cap í tulo
cinco
escamas46
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
•
•
debe utilizarse la relación deformacióntemperatura. Debe considerarse la inversión de la
deformación durante la fase de calentamiento
y enfriamiento del incendio, si es perjudicial para
el comportamiento estructural.
Deben definirse las condiciones límite. Debido a
los efectos de la dilatación térmica contenida, la
definición de las condiciones límite puede ser
importante. Puede ocurrir que la más mínima
variación en las condiciones límite provoque
cambios significativos en la respuesta estimada.
Las condiciones límite pueden clasificarse en dos
categorías. La primera se refiere a los límites reales
de la estructura, que son bastante fáciles de
definir. La segunda se refiere a los límites de un
submodelo en el que la fijación en el límite
representa el resto de la estructura que en
realidad no está modelizada. Si se comprueba que las
variaciones de la fijación tienen un efecto
significativo en el comportamiento previsto
utilizando un submodelo, deberá aumentarse el
área modelizada y el límite deberá alejarse del
área modelizada de interés.
El comportamiento localizado no puede
modelizarse fácilmente cuando se considera el
comportamiento de un edificio completo o
incluso de una subestructura, debido a la
necesidad de refinar la densidad de la malla
para modelizar adecuadamente el comportamiento
localizado. Las áreas de especial interés son:
- Fractura de la armadura (véase la figura 5.4),
especialmente cuando se adopta un modelo de
fisuración difusa51 que es incapaz de predecir la
fractura localizada de la armadura.
–
•
•
•
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Fractura de la conexión (véase la figura
5.5). Las fuerzas que actúan sobre la
conexión serán totalmente diferentes en
caso de incendio que las que se utilizan
para diseñar la conexión en frío. Debe
tenerse en cuenta el comportamiento de las
conexiones durante las fases de calentamiento
y enfriamiento del incendio.
El diseñador debe tener en cuenta la posibilidad
de que se produzca un fallo localizado y sus
consecuencias en la estrategia general de
diseño.
La carga estática aplicada debe cumplir los
códigos que asumen el diseño del estado límite de
incendio. El aumento de la temperatura, junto
con gradientes térmicos precisos, debe aplicarse
en pasos discretos para evitar la inestabilidad
numérica. Debe considerarse la gama de incendios
de diseño que abarca la duración máxima de
baja temperatura y la duración mínima de alta
temperatura para identificar el peor caso en
términos de respuesta estructural.
Si es perjudicial para el comportamiento estructural
global, debe considerarse el efecto del posible
desconchamiento del hormigón.
Las imperfecciones geométricas iniciales deben
aplicarse a los pilares y a cualquier viga sin
sujeción lateral. Una imperfección inicial de
span/1000 suele ser suficiente. No es necesario
aplicar imperfecciones si el modelo prevé el
movimiento de los elementos al aumentar la
temperatura.
Cap í tulo
cinco
41
Figura 5.5 Fallo por cizallamiento de tornillos en una unión de acero
42
Cap í tulo
cinco
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
5.4.2 Modelo conceptual
Basándose en los principios generales de la
modelización de elementos finitos, descritos
anteriormente, se define un modelo conceptual que
tiene en cuenta la elección y el número de elementos
finitos, los modelos constitutivos de los materiales, las
condiciones de contorno, la conectividad y el
comportamiento localizado. Antes de analizar el
modelo, sería prudente discutir y acordar el modelo
conceptual con el organismo de control. En la
referencia 52 se ofrecen orientaciones más
generales sobre los modelos conceptuales.
5.4.3 Evaluación del fracaso
El primer nivel de evaluación de fallos consiste en comparar
el análisis con los criterios de rendimiento
aceptables definidos. Esto podría incluir:
• Una indicación del desplazamiento máximo, o de la
velocidad máxima de desplazamiento, para
garantizar el mantenimiento
de
la
compartimentación, la protección de los pozos de
lucha contra incendios y la protección de las
vías de evacuación.
• Estabilidad de la estructura.
• Límite de las deformaciones máximas en
la armadura.
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Los límites anteriores se definen fácilmente en el análisis.
Sin embargo, el comportamiento localizado, como la
fractura de la armadura (si se adopta un modelo de
fisuración difusa) o el fallo de la conexión, puede
ser más difícil de cuantificar. Si se aceptan grandes
desplazamientos, deberá realizarse una evaluación de
la probabilidad de fractura de la armadura o fallo de
la conexión debido a fuerzas de tracción/catenarias
elevadas y, en caso necesario, deberán adoptarse
detalles más sólidos para garantizar que no se
produzca un fallo localizado.
5.4.4 Evaluación de la sensibilidad
El análisis por elementos finitos es una herramienta de
diseño para estimar la respuesta estructural. Al igual
que otros métodos de diseño, el método incluye
suposiciones y aproximaciones.
Cuando se utilizan modelos de elementos finitos
para predecir la respuesta estructural de un edificio a
una determinada distribución de temperatura definida,
puede ser necesaria una evaluación de sensibilidad para
valorar el efecto de la densidad de malla, el
comportamiento de las conexiones y las
condiciones de contorno adoptadas para los
submodelos.
Cap í tulo
cinco
43
6
6.1
C ASE ESTUDIOS
Introducción
Los cuatro casos prácticos siguientes, presentados
por Arup Fire, W SP, FEDRA y SAFE, ponen de
relieve cómo pueden aplicarse los métodos de
diseño presentados en esta Guía para obtener una
mejor comprensión del comportamiento estructural durante un
incendio, lo que da lugar a edificios económicos y
robustos.
6.2
Pla c a de Kin gs
El edificio Kings Place de Londres (véase la figura
6.1), diseñado por Arup, es una estructura compuesta de
armazón de acero con ocho plantas sobre rasante y
tres pisos sobre rasante.
Figura 6.1 Impresión artística de Kings Pla ce
niveles de sótano. Los forjados mixtos se construyen
utilizando losas mixtas de 130 mm de profundidad con
cubiertas de acero perfilado fijadas mediante
conectores a cortante a vigas de acero con aberturas
de alma circular.
Arup Fire calculó la respuesta del fuego
estructural por encima del nivel del suelo a un
conjunto de fuegos de diseño. Los fuegos de
diseño se basaron en curvas de fuego natural (ver
Sección 3.3.3) utilizando condiciones realistas de
combustible y ventilación. Basándose en el peor caso
razonable de incendio de diseño, se pudo calcular la
distribución térmica a través de los miembros
estructurales para la duración del escenario de
incendio de diseño.
© Miller Hare
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Cap í tulo 6
37
Se
construyeron
tres
modelos
tridimensionales y se realizó un análisis
estructural no lineal del incendio (véase la figura
6.2) para abarcar el efecto de las acciones térmicas y las
cargas estáticas de diseño realistas sobre la estructura.
Los resultados de estos modelos permitieron mejorar
la estabilidad y la compartimentación en caso de
incendio optimizando el diseño estructural. Al
confiar en los mecanismos secundarios de soporte de
carga en el estado de incendio, no fue necesaria la
protección contra incendios de la mayor parte de la
estructura secundaria de acero para satisfacer los
requisitos de seguridad contra incendios.
La estrecha colaboración con el equipo
de diseño, el contratista principal y el subcontratista
dio como resultado un diseño de protección contra incendios
rentable y robusto, integrado con un diseño optimizado
de la superestructura de acero.
El objetivo general de las obras era cumplir los
requisitos de seguridad de los edificios mediante un
diseño
estructural
sólido
y
la
compartimentación.
provisión. Sobre la base de los detalles de diseño
descritos anteriormente, el trabajo fue aprobado
por el control de la construcción, y los aseguradores
de edificios, mientras que trae un ahorro sustancial de
costes para el proyecto.
Mediante la realización de un diseño
avanzado de ingeniería estructural contra
incendios se consiguió el siguiente valor
añadido:
• Mejora general de la robustez de la estructura
en caso de incendio gracias a una comprensión
realista de la respuesta estructural al fuego y
de los detalles consiguientes.
• Ahorro de costes gracias a la reducción de
la protección contra incendios en toda la
estructura, considerando escenarios de incendio
realistas, la distribución térmica y la respuesta
estructural.
• Ahorro de costes gracias a que las vigas
secundarias no requieren protección contra
incendios.
U, U3
+1.309e+02
-1.393e+01
-1.587e+02
-3.035e+02
-4.484e+02
-5.932e+02
-7.380e+02
-8.828e+02
-1.028e+03
-1.172e+03
-1.317e+03
-1.462e+03
-1.607e+03
Figura 6.2 Contorno de desviación de la parte noroeste del edificio
38
Cap í tulo 6
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
6.3
Al Sha q a b A c a d e my y C
entre Ecuestre
La Academia y Centro Ecuestre Al Shaqab es uno de
los primeros diseños de edificios contra incendios de Doha
(Qatar). El centro ecuestre cuenta con instalaciones de
nivel olímpico. W SP Fire Engineering llevó a cabo
un análisis completo de ingeniería de incendios
para la pista de espectáculos principal,
totalmente cerrada, con más de 5.000 asientos
(véase la figura 6.3). La ingeniería de incendios
permitió un diseño único, robusto y muy rentable que
incluía la eliminación completa del requisito de
protección contra incendios de la estructura del
tejado.
El centro propuesto consta de una pista cubierta,
una pista exterior y una zona cubierta de
calentamiento, todo ello dentro de una única
estructura de cubierta. La estructura del tejado
mide aproximadamente 350 m de largo por 150 m de ancho y
se eleva hasta una altura máxima de 36 m sobre el
nivel del suelo. La estructura principal
consiste en un tejado curvado de aluminio de
junta alzada sobre la pista cubierta y la zona
cubierta de calentamiento. La cubierta se apoya en
una estructura secundaria de vigas almenadas y
correas. Éstas se apoyan en una estructura primaria
de
cerchas
triangulares
longitudinales
y
transversales construidas principalmente con perfiles
circulares huecos laminados en caliente. Estas
cerchas primarias se apoyan en una disposición de
grandes bloques de hormigón, a nivel del suelo y en
el tejado del edificio.
estructura de hormigón de la tribuna principal - y
una serie de columnas rastrilladas.
La estrategia global contra incendios se
desarrolló de acuerdo con los requisitos basados
en el rendimiento de la NFPA 101 - Código de Seguridad
Vital53 . El objetivo principal del enfoque de diseño
era "la protección de los ocupantes que no estuvieran
en contacto con el desarrollo inicial del incendio".
El diseño estructural contra incendios comprendía:
• Una evaluación preliminar de todos los
compartimentos que puedan suponer una amenaza de
incendio para los elementos primarios de la
estructura y los soportes.
• Caracterización de dichos compartimentos en
términos de disposición, tamaño, aberturas, carga
de fuego y construcción.
• Determinación de las condiciones de incendio más
desfavorables en cada compartimento que podrían
suponer una amenaza para los elementos
primarios de la estructura y los soportes.
• Una evaluación del fallo estructural basada en el
concepto de temperatura límite para el elemento
estructural en cuestión (véase el apartado
5.3.1).
Al obtener una estimación realista de la gravedad del
incendio y de la respuesta estructural fue posible
justificar que no era necesario aplicar protección contra
incendios a la estructura del tejado. El resultado es la
construcción de un edificio más económico.
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Cap í tulo 6
39
Figura 6.3 El centro ecuestre de Al Shaqab
© Leigh & Orange Ltd., Hong Kong / producido por Superview, Hong Kong
40
Cap í tulo 6
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
6.4
Él athrow Aeropuerto Pier 6
El aeropuerto londinense de Heathrow es el de mayor
tráfico internacional del mundo y será uno de los primeros
del mundo en estar preparado para el avión A380. Debido al
aumento del número de pasajeros, generado por los nuevos
aviones, se necesitaban instalaciones aeroportuarias
más grandes, como salas de embarque, asientos, etc.
Aunque la acomodación del nuevo A380 fue un
factor importante en la construcción del nuevo
muelle (véase la figura 6.4), otros factores, como
garantizar que cumpliera la nueva normativa de la
Parte L54 , creando un edificio más eficiente desde el
punto de vista energético, fueron igual de importantes.
El edificio del muelle 6 tiene una gran cantidad de luz
natural y un sistema de calefacción y refrigeración
energéticamente eficiente, todo lo cual contribuye a
la sostenibilidad.
La ingeniería de seguridad contra incendios de
la estructura, realizada por Buro Happold FEDRA,
formaba parte del planteamiento global que exigía
atención al detalle y al valor.
La estructura consta de una nueva estructura
de tres pisos con armazón de acero de
aproximadamente 280 m de longitud que soporta una
cubierta metálica perfilada de hormigón
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
y un tejado plano de paneles compuestos. El alzado
sur del edificio está predominantemente acristalado
con un sistema de muro cortina y el resto de los
alzados están cubiertos con un panel de
revestimiento compuesto ligero. Al sur del muelle
hay cuatro núcleos de circulación vertical
estándar. Los VCC tienen tres plantas de altura y
una estructura completa de armazón de acero con un
suelo de hormigón de cubierta metálica perfilada en
los niveles de salidas y llegadas.
Se especificó una hora de resistencia al fuego
tanto para los forjados como para los pilares y se
consideró que un vano/20 era suficiente como límite de
deformación para definir el fallo al final del periodo de
60 minutos cuando se consideraban los requisitos de
comportamiento de estabilidad.
Se adoptó un enfoque comparativo con la
norma BS 797412 (véase el apartado 2.2.2). Con
referencia a la figura
2.1 (véase el capítulo 2) se adoptaron los siguientes
niveles de complejidad:
• El comportamiento del fuego se definió
utilizando el fuego estándar.
• La respuesta térmica se definió utilizando los
datos de las pruebas.
• El comportamiento estructural se calculó
considerando el comportamiento de todo el
armazón.
Cap í tulo 6
41
Figura 6.4 Muelle 6 de Heathrow
42
Cap í tulo 6
© BAA Limited www.baa.com / photolibrary
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
El uso de software de elementos finitos para
modelizar el comportamiento de todo el armazón
permitió considerar los escalones de la losa, el
comportamiento de los pilares y las distintas
distancias entre retículas, que quedaban fuera del
alcance del documento de orientación simplificada
SCI 28845. El informe 555 de la FBE se utilizó
para comparar las respuestas dadas por el análisis
de elementos finitos. El aumento de la temperatura y la
correspondiente reducción del rendimiento del acero y
del hormigón provocan gradualmente un aumento de las
deformaciones (Figura 6.5).
Se realizaron investigaciones y estudios de
sensibilidad sobre la viabilidad de adoptar una retícula
de 18 × 14 m, 9 × 14 m y 9 × 9 m. Se tuvieron en
cuenta los efectos de la dilatación a altas
temperaturas, la acción catenaria de la losa, el
comportamiento de los pilares y el impacto del
enfriamiento. Se tuvieron en cuenta los efectos de la
dilatación a altas temperaturas, la acción catenaria de la
losa, el comportamiento de los pilares y el
impacto del enfriamiento.
Los resultados de los análisis permitieron
establecer la malla de refuerzo adecuada, detallar
las conexiones para soportar las fuerzas probables
y especificar otros detalles constructivos para
garantizar la solidez general de la estructura. En
concreto, el principal resultado fue la identificación
de las vigas que necesitaban protección contra
incendios para permitir que toda la estructura
alcanzara
Figura 6.5 Modelización de la placa del suelo mediante el software
de elementos finitos
la resistencia al fuego especificada de 60 minutos. La
figura 6.6 muestra un plano del edificio en el que
las vigas secundarias dentro de una cuadrícula de
9 × 9 m pueden dejarse sin protección.
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Cap í tulo 6
43
Vigas no protegidas Vigas
protegidas
Fig ura 6.6 Plano de una nave típica de 9 × 9 m en la que las vigas de acero secundarias quedan desprotegidas
44
Cap í tulo 6
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
6.5
A bb ey Mill House
Abbey M ill House es un nuevo edificio emblemático situado
en el centro de Reading (Reino Unido) (véase la figura
6.7). El proyecto, de dieciséis plantas, consta de
13.006 m2 de oficinas y un bloque independiente de
viviendas asequibles. El diseño estructural del
bloque de oficinas utiliza un armazón de acero y un
forjado compuesto con una retícula máxima de
13,5 × 9 metros.
Teniendo en cuenta el comportamiento estructural
y ante el fuego realista del edificio de oficinas
propuesto, SAFE Consulting Ltd demostró que la
clasificación ante el fuego de 120 minutos
recomendada en el Documento Aprobado B10 podía
reducirse a 60 minutos. Esta importante reducción se
consiguió adoptando el método de equivalencia
temporal (apartado 3.3.2) y mediante negociaciones
y contactos con el control de edificios de Reading.
En el análisis se aplicaron las
recomendaciones de Kirby56:
• Carga de fuego de diseño del 80 % de 570 M J/ m 2
• un factor para las propiedades térmicas de la envolvente
kb de 0,09 min. m 2/ M J
• la suposición de que se produce una
ignición del 100 % de todos los materiales
combustibles en el sector de incendio
• la previsión del factor de reducción de los
rociadores que reduce la carga total de fuego en
un 61 % . No se tuvieron en cuenta otros factores
de reducción de las medidas activas de lucha
contra incendios (sistemas de extinción y
detección automática de incendios), ya que ello
reduciría la carga de fuego a niveles irrealmente
bajos.
• una reducción de la ventilación disponible, ya
que partes del acristalamiento del compartimento
podrían permanecer intactas tras el desplome.
Las suposiciones, en el análisis estructural contra incendios,
se hicieron en paralelo con las disposiciones tomadas
en la estrategia contra incendios, que incluían
pisos compartimentados y rociadores provistos en todo el
edificio.
También se obtuvo la aprobación del Control de
Edificios de Reading para omitir la protección
estructural contra incendios en muchas de las vigas
secundarias de la estructura. Esto se consiguió
aplicando el método desarrollado por Bailey et
al44,45,46, que evalúa la capacidad de la losa compuesta que
actúa como membrana de tracción cuando se somete a
grandes deformaciones a temperaturas elevadas.
Las
deflexiones
máximas,
de
aproximadamente 17 vanos, resultaron estar
dentro
de
las
deflexiones
máximas
experimentadas durante las pruebas de Cardington, en
las que se mantuvo la compartimentación del suelo
compuesto en todo momento.
La figura 6.8 indica la posición de las vigas
secundarias no protegidas y de las vigas protegidas
sometidas a la carga adicional que forman el perímetro
de los paneles de losa.
Al reducir la clasificación de resistencia al
fuego, se puede aplicar pintura intumescente (en
contraposición a la protección contra incendios con
placas o aerosoles), lo que permite que los
servicios pasen a través de las vigas celulares,
con la consiguiente reducción de la altura entre
forjados.
El ahorro total de costes debido a la reducción de
la clasificación contra incendios y a la omisión de la
protección contra incendios en la mayoría de las vigas
secundarias supuso un importante ahorro en los
costes del proyecto.
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Cap í tulo 6
45
Figura 6.7 Casa Abbey Mill © Lighthouse /Sheppard Robson
46
Cap í tulo 6
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Vigas no protegidas Vigas
protegidas
Esquema de
acristalamient
o
Figura 6.8 Vista en planta de las vigas no protegidas
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Cap í tulo 6
47
REFEREN C ES
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with
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Teoría".
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junio de 2000, pp9-27
Bailey, C.G. y M oore, D.B. 'The
structural behaviour of steel
frames
with
composite
floorslabs subject to fire. Part
2:
Design'.
The Structural
Engineer, 78 (11), 6 de
junio de 2000, pp28-33
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holístico de los edificios de
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Uso
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especiales.
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Comité
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del Betón. RC elements under
cyclic loading: state of the art
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Thomas
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Institución
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IStructE, 2002
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structures - Part 1.2: actions on structures
exposed to fire'. The Structural Engineer, 82
(19), 5 de octubre de 2004, pp38-43
Referencias
47
ANEXO A
Material
Me m b r e
Acero y
Vigas
materiales
compuestos
DATOS DE ENSAYO DISPONIBLES
Referencias
Descripción
National Building Research
Studies Paper 12 (1953)*.
• Viguetas de acero en revestimiento de
Compendio de datos de ensayos
estándar de incendios del Reino
Unido - 1, 2 y 3 (1988 a 1990)*.
• Vigas del suelo
• Vigas de piso en ángulo
• Vigas de suelo delgadas
hormigón
• Viga en "T" con viguetas de acero en
revestimiento de hormigón
Informe de British Steel nº.
SL/HED/R/S1199/18/92/ C*
• 2 vigas del suelo protegidas
SL/HED/R/S2298/2/93/ C*
• Vigas esbeltas con reborde
SL/HED/R/S2442/3/96/ C*
• Una viga de cubierta metálica
arqueada
Columnas
SL/HED/R/S2442/4/96/ C*
• Una viga delgada de suelo compuesto
SL/HED/TN/S2440/4/96/ D*
• Una viga delgada de suelo compuesto
SL/PDE/R/S2442/5/96/ C*
• Una viga de piso en ángulo
SL/PDE/R/S2442/6/96/ C*
• 3 vigas de piso de ángulo de
estante de cubierta de metal
National Building Research
Studies Paper 12 (1953)*.
Viguetas de acero de 4x3 pulgadas a
12x3 pulgadas con
• Revestimiento de hormigón
• Revestimiento de ladrillo y bloque
• Revestimiento de yeso
• Otros encajes
Compendio de normas británicas
• Columnas desprotegidas
Datos de ensayo de incendio - 1 y 2 • Columnas basadas en web
• Columnas en el muro
(1988 y
1989)*
Informe de British Steel
nº.
• Columnas protegidas con bloques AAC
RS/R/S1199/5/86/B*
A pp endix
• Columnas SHS conformadas en frío
y protegidas con vermiculita aplicada
por pulverización
cemento
SL/HED/R/S2139/1/92/ D*
• 3 columnas CHS rellenas de hormigón
SL/LP/R/S2348/1/93/ D*
• 2 columnas CHS rellenas de hormigón
SL/HED/R/S2442/1/94/ C*
• Columnas basadas en web
Conexiones
Informe de British Steel nº.
SL/HED/R/S2442/2/95/ C*
• Uniones atornilladas viga /
columna y viga / viga
Suelos
Informe CIRIA 107 (1985)
• 1 losa LWC de perfil trapezoidal
Informe de British Steel nº.
RS/RSC /S10244/1/87/ D*
• Sistema de suelo compuesto de
hormigón y acero
Simposio nº 2 de la HMSO (1968)
• 6 conjuntos de suelo de chapa de
acero y 14 vigas de acero protegidas
Otros
46
SL/HED/R/S2070/1/94/R*
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
Material
Hormigón
Me m b r e
Referencias
Descripción
Vigas
National Building Research
Studies Paper 12 (1953)*.
• Vigas en T
Columnas
National Building Research
Studies Paper 12 (1953)*.
• De 6 a 20 pulgadas y más,
columnas cuadradas
• Columnas octogonales de 12 a 20
pulgadas
National Building Research
Studies Paper 18 (1953)*.
• Columnas cuadradas de
hormigón armado
National Building Research
Studies Paper 12 (1953)*.
• Viguetas de relleno
• Losas de hormigón armado
• Baldosas huecas de arcilla en losas de
hormigón
Informe CIRIA 107 (1985)
• 3 suelos de hormigón nervado
National Building Research
Studies Paper 12 (1953)*.
• Muros de hormigón armado
Suelos
Paredes
Madera
Vigas y pilares Simposio nº 3 de la HMSO (1970)
Boletín Nacional de
Investigación de la Construcción
13 (1951)*.
• Suelos de madera sobre dos viguetas
National Building Research
Studies Paper 12 (1953)*.
• Tablas sobre vigas de madera
Particiones
National Building Research
Studies Paper 12 (1953)*.
• Losas macizas de madera y lana
• Yeso macizo
• Placas de yeso apoyadas en
canales de acero
• Estructura de madera con cartón yeso
Paredes
National Building Research
Studies Paper 12 (1953)*.
• Ladrillos macizos de arcilla,
hormigón o ladrillos
silicocalcáreos
• Bloques macizos de hormigón
Suelos
Albañilería
• Vigas y pilares de madera
laminada
de abeto Douglas
*Disponible para su descarga en el sitio web de la ventanilla única de ingeniería estructural contra incendios
(www.structuralfiresafety.org).
Guía IStru ctE para la ingeniería avanzada de seguridad contra
incendios de estructuras
A pp endix
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