04-CIDECT - GUÍA DE DISEÑO PARA COLUMNAS DE PERFILES TUBULARES ESTRUCTURALES SOMETIDAS A FUEGO by Pedro Antonio Jiménez Sánchez

4 PARA COLUMNAS DE PERFILES

TUBULARES ESTRUCTURALES SOMETIDAS A FUEGO

®O!JD& CDíl CDD0íl00® PARA COLUMNAS DE PERFILES TUBULARES ESTRUCTURALES SOMETIDAS A FUEGO

CONSTRUCCION CON PERFILES TUBULARES DE ACERO

Editado por: Comité lnternational pour le Développement et l'Étude de la Construction Tubulaire Leen Twilt, Instituto TNO para Estructuras y Materiales de Construcción, Deltt Autores: Rüdiger Hass, Hosser, Hass & Partner, Brunswick Wolfram Klingsch, Universidad de Wuppertal Mike Edwards, Secretario del Grupo de Estabilidad y Resistencia al Fuego del CIDECT Dipak Dutta, Comisión Técnica del CIDECT Traducción al español :

Mª Carmen Fernández.

Revisión de la traducción : José L. Ramírez. LABEIN. Bilbao Pedro J. Landa. Escuela de Ingenieros Industriales. Bilbao.

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PARA COLUMNAS DE PERFILES TUBULARES ESTRUCTURALES SOMETIDAS A FUEGO L. Twilt, R. Hass, W. Klingsch, M. Edwards, D. Dutta

Verlag TÜV Rheinland

Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme

Guía de diseño para columnas de perfiles tubulares estructurales sometidas a fuego/ [ed. por: Comité lnternational pour le Développement et l'Étude de la Construction Tubulaire]. L. Twilt ... [Trad. al español: Carmen Fernández]. - Koln: Verl. TÜV Rheinland, 1996 (Construcción con perfiles tubulares de acero; 4) Dt. Ausg. u. d.T.: Bemessung von Hohlprofilstützen unter Brandbeanspruchung. - Engl. Ausg. u. d.T.: Design guide for structural hollow section columns exposed to fire. - Franz. Ausg. u. d.T.: Guide de dimensionnement poteaux en profils creux soumis a !'incendie ISBN 3-8249-0338-5 NE: Twilt, Leen; Fernández, Carmen [Übers.]; Comité lnternational pour le Développement et l'Étude de la Construction Tubulaire; GT

ISBN 3-8249-338-5 © by Verlag TÜV Rheinland GmbH, Koln 1996

Realizado en su totalidad por: Verlag TÜV Rheinland GmbH, Koln Impreso en Alemania en 1996

Prólogo Si se compara el hormigón con el acero, este último está a menudo en una posición menos favorable, ya que una estructura de acero puede no resultar económica al tener que añadirse requisitos de protección contra el fuego. La vida respecto al fuego de estructuras de acero es, por lo tanto, un problema que habrá de afrontarse desde el principio de un proyecto, de manera que pueda encontrarse la solución menos costosa y más acertada. En este sentido, los perfiles tubulares ofrecen una importante ventaja en lo que a coste y eficiencia se refieren, ya que existe una amplia gama de posibilidades de mejora de protección frente al fuego al utilizarlos. Para las estructuras con perfiles tubulares, es posible emplear métodos de protección diferentes a la interposición externa entre el fuego y el acero de materiales de baja difusión térmica, tales como yeso, asbesto y vermiculita o pinturas o revestimientos denominados "intumescentes". Estos métodos diferentes, específicamente aplicables a secciones tubulares, son el rellenado del espacio hueco con hormigón o agua, estática o circulante. Además de las facilidades adicionales para la protección frente al fuego mediante el rellenado con hormigón y la refrigeración con agua, el perfil tubular ofrece también, debido a su reducida área superficial a proteger, una significativa ventaja económica respecto a las secciones abiertas tales como "I'', "L" y "U". Los tres métodos de protección frente al fuego, la adición de materiales sobre la superficie externa, el rellenado con hormigón y la refrigeración por agua, se han descrito en esta guía de diseño, mostrando procedimientos de cálculo por medio de diagramas y ejemplos cálculados. Se ha prestado especial atención al comportamiento de resistencia frente al fuego de las columnas de sección tubular circular y rectangular rellenas de hormigón, que ha sido uno de los principales campos de investigación del CIDECT desde finales de los años setenta. A principio de los ochenta se llevaron a cabo tres extensos programas de investigación sobre esta materia en Francia, Alemania y el Reino Unido con el patrocinio de la Comunidad Europea y CIDECT. Los ensayos se realizaron en los hornos de columna, oficialmente aprobados, de los siguientes parques de bomberos : CSTB, Champs-sur-Marne (Francia) CTICM, Maizieres-les-Metz (Francia) BAM, Berlín (Alemania) IBMB, Brunswick (Alemania) FIRTO, Boreham Wood (Reino Unido) En 1986 el TNO de Delft realizó la armonización de los resultados de todos los ensayos en el marco de una investigación patrocinada por CIDECT. Las tablas de resistencia al fuego para columnas mixtas con sección tubular, desarrolladas a partir de este trabajo, se han incluido en las recomendaciones de ECCS (Convención Europea para la Construcción en Acero European Convention for Constructional Steelwork), así como en los Eurocódigos 3 y 4. Esta guía de diseño es la cuarta publicada de una serie que CIDECT viene desarrollando en los últimos años: - Guía de diseño para nudos de perfiles tubulares circulares (CHS) bajo cargas predominantemente estáticas. - Estabilidad estructural de perfiles tubulares. - Guía de diseño para nudos de perfiles tubulares rectangulares (RHS) bajo cargas predominantemente estáticas. - Guía de diseño para columnas de perfiles tubulares estructurales sometidas a fuego. - Guía de diseño para columnas de perfiles tubulares rellenos de hormigón bajo cargas estáticas y sísmicas (de próxima publicación). - Guía de diseño para perfiles tubulares estructurales en aplicaciones mecánicas (de próxima publicación). 5

- Guía para la fabricación, armado y montaje de construcciones con perfiles huecos (en preparación). - Guía de diseño para nudos de perfiles tubulares circulares y rectangulares sometidos a solicitaciones de fatiga (en preparación). El objetivo de este importante esfuerzo es conseguir que los arquitectos, constructores y diseñadores, así como los profesores y estudiantes de las universidades técnicas y escuelas de ingeniería, tengan información actualizada y conozcan los progresos más recientes, para así poder diseñar de forma adecuada con perfiles tubulares. Expresamos nuestro más sincero agradecimiento a los tres conocidos expertos en el campo de la ingeniería del fuego - Sr. Leen Twilt del TNO de Delft, Holanda ; Dr. Rüdiger Hass, Hosser, Hass & Partner, Brunswick y Profesor Wolfram Klingsch, Universidad de Wuppertal, Alemania - que cooperaron estrechamente en la realización de este libro. Damos especialmente las gracias al Sr. Mike Edwards de British Steel Tubes & Pipes por su muy valiosa colaboración. Agradecemos asimismo a las firmas miembros del CIDECT por su apoyo. Dipak Dutta Comisión Técnica CIDECT

Indice Prólogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Resistencia al fuego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 O

2.1 2.2 2.3

Concepto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Requisitos......................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Criterios de comportamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Diseño a fuego de columnas de perfil tubular SHS sin rellenar . . . . . . . . . . . . 17

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

Principios básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La respuesta mecánica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La respuesta térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Métodos de verificación de aislamientos frente al fuego Presentación de informaciones de cálculo . . . . . . . . . . . Detalles constructivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejemplos de cálculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Diseño a fuego de columnas de perfil tubular SHS rellenas de hormigón . . . . 28

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Principios básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Columnas sin protección - respuesta térmica y mecánica . . . . . . . . . . . . . • . . . . . Métodos de verificación para columnas sin protección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Columnas sin protección - aspectos tecnológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Columnas de perfil tubular SHS rellenas de hormigón y protegidas externamente . Ejemplos de cálculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28 28 30 33 34 35

5 5.1 5.2 5.3 5.4

Diseño a fuego de columnas de perfil tubular SHS rellenas de agua . . . . . . . . Principios básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Métodos de verificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aspectos tecnológicos y detalles constructivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejemplos de cálculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

.. .. .. .. .. .. ..

. . . . . . .

.... .... .... .... .... .... ....

... ... ... ... ... ... ...

.. .. .. .. .. .. ..

17 17 19 21 22 24 24

37 38 41 42

Uniones y resistencia al fuego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

6.1 6.2 6.3

Columnas de perfil tubular SHS sin rellenar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Columnas de perfil tubular SHS rellenas de hormigón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Columnas de perfil tubular SHS rellenas de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Símbolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Ejemplos de edificios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Anexos 1: Diagramas de cálculo para columnas de perfil tubular SHS sin protección, rellenas de hormigón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 11 :

Diseño de placas y pernos de unión a cizalladura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

111 :

Verificación simplificada de una estructura con columnas rellenas de agua

CIDECTComité Internacional para el Desarrollo y Estudio de Estructuras Tubulares

96 7

1 Introducción Los perfiles tubulares de acero, rectangulares o circulares, se utilizan a menudo en construcción cuando se requiere una expresión arquitectónica destacable, debido a su eficiencia estructural y a su forma. La superficie y el perfil de las secciones tubulares de acero son atractivos, y su alta capacidad resistente conduce a construcciones esbeltas, económicas y elegantes con grandes luces. Los perfiles tubulares estructurales (SHS) sin protección tienen una resistencia inherente al fuego de entre 15 a 30 minutos. Se ha asumido tradicionalmente que los elementos estructurales de acero sin protección fallan cuando alcanzan temperaturas de, aproximadamente, 450 a 550°C. Sin embargo, la temperatura a la que un elemento de acero alcanza su estado límite último, depende de la solidez de la sección y del nivel real de carga. Si el nivel de carga de una columna es menor del 50% de la carga admisible, la temperatura crítica aumenta a más de 650°C, lo que significa un incremento en el tiempo de rotura de más del 20% para acero sin protección. Cuando sea necesario que los perfiles tubulares de acero resistan al fuego durante periodos de tiempo más largos, se deberán tomar medidas adicionales para retrasar el aumento en la temperatura del acero, tales como las siguientes : - Aislamiento externo de los peñiles tubulares

Este tipo de protección frente al fuego puede aplicarse a todos los tipos de elementos estructurales (columnas, vigas y celosías). La variación de la temperatura en un perfil tubular de acero protegido depende de las propiedades térmicas del material de aislamiento (conductividad}, del espesor del material de aislamiento y del factor de forma (solidez) del perfil de acero. Los materiales de protección externa frente al fuego pueden agruparse de la siguiente manera: - Láminas aislantes (basadas principalmente en yeso, fibras minerales o áridos ligeros, tales como perlita y vermiculita) ; - Rev~stimiento por proyección o enlucido (basado principalmente en fibras minerales o áridos ligeros tales como perlita o vermiculita) ; - Revestimientos intumescentes (mezclas similares a la pintura, que se aplican directamente a la superficie de acero y se hinchan ante el fuego, aumentando su tamaño a un múltiplo de su espesor original) ; - Techos suspendidos (que protegen principalmente cubiertas, celosías) ; - Protección frente a la radiación del calor (paneles de acero delgados utilizados para estructuras externas). Los revestimientos intumescentes están limitados en algunos países a una resistencia al fuego de 30 a 60 minutos, pero esta tecnología está mejorando rápidamente. - Rellenado del perfil con hormigón

Este tipo de protección frente al fuego se aplica normalmente sólo a columnas. Rellenar los perfiles tubulares con hormigón es una forma sencilla e interesante de mejorar la resistencia al fuego. La temperatura en la pared exterior de acero sin protección aumenta rápidamente. Sin embargo, mientras dicha zona va perdiendo gradualmente resistencia y rigidez, la carga se transfiere al núcleo de hormigón. Aparte de su función estructural, el perfil tubular también actúa como un escudo contra la radiación para el núcleo de hormigón. Esto, combinado con una capa de vapor entre el acero y el núcleo de hormigón, conduce a un menor aumento de temperatura en el núcleo si se compara con estructuras de hormigón armado. Dependiendo de los requisitos de resistencia al fuego, el hormigón en el perfil tubular puede ser en masa (resistencia al fuego de hasta 60 minutos) o armado con barras o fibras de acero. Las 8

nuevas investigaciones conducentes a aumentar la resistencia al fuego de perfiles tubulares rellenos de hormigón se centran en la utilización de hormigón de alta resistencia. - Refrigeración por agua

Este tipo de protección frente al fuego puede aplicarse a todos los tipos de perfiles tubulares, pero se ha utilizado principalmente para columnas. El perfil tubular actúa al mismo tiempo como estructura resistente y contenedor de agua. El sistema de protección es muy sofisticado, y necesita un diseño minucioso e instalaciones hidráulicas apropiadas. El efecto de refrigeración consiste en la absorción del calor por el agua, en la eliminación de calor mediante su circulación y en su consumo por la vaporización del agua. En las aplicaciones prácticas los efectos están combinados. Un sistema con relleno de agua, adecuadamente diseñado, limitará la temperatura media del acero a menos de 200ºC. Pueden utilizarse dos sistemas diferentes: elementos permanentemente rellenos o elementos llenados únicamente cuando se produzca un incendio. En este último caso, la protección depende de un sistema de detección del fuego y de un tiempo breve del llenado con agua. En sistemas sin aprovisionamiento continuo de agua, el tiempo de resistencia al fuego que se puede alcanzar depende del contenido total de agua (incluyendo cualquier tanque de reserva) y en la forma de la estructura calentada. En sistemas con renovación constante de agua, la resistencia al fuego es ilimitada. Observaciones : Los perfiles tubulares pueden utilizarse para todos los tipos de elemento estructural, es decir, columnas, vigas, tirantes a tracción y barras de viga de celosía. Todos ellos pueden hacerse resistentes al fuego. Sin embargo, al utilizar este manual, se deben tener en cuenta también las siguientes consideraciones suplementarias : - el capítulo que trata sobre el acero protegido y sin protección puede aplicarse a todos los elementos SHS, pero si se utiliza protección con paneles para barras que tengan cargas a tracción, se deberá asegurar la buena ejecución de la juntas entre paneles ; - la utilización de perfiles sin protección rellenos de hormigón se limita a columnas ; - la refrigeración por agua mediante movimiento natural se restringe a elementos verticales o inclinados para asegurar la circulación del agua.

Resistencia al fuego

2.1

Concepto

Las precauciones de seguridad frente al fuego se especifican en razón del intento de evitar daños personales y reducir a un nivel aceptable los daños materiales causados por un incendio. Para conseguir más referencias sobre los niveles de seguridad requeridos, véase el apartado 2.2. En lo que a la construcción de edificios se refiere, es importante que los elementos constructivos puedan aguantar el incendio durante un periodo determinado de tiempo. A este respecto, deberá tenerse en cuenta que las propiedades de resistencia y deformación de los materiales de construcción, habitualmente utilizados, se deterioran de forma significativa a las temperaturas que se producen bajo las condiciones de un incendio. Además, la expansión térmica de la mayoría de los materiales de construcción es considerable. Como resultado de todo ello, los elementos y conjuntos estructurales pueden deformarse e incluso romper al exponerse a la situación de un incendio. El tiempo que un elemento de construcción puede resistir un incendio depende en gran medida de la evolución que tendrá la temperatura del fuego en sí mismo. Este desarrollo de temperaturas depende, entre otras cosas, del tipo y cantidad de materiales combustibles presentes 1 y de las condiciones de ventilación. Pueden esperarse grandes diferencias entre unos y otros casos : ver figura 2.1. temperatura de los gases (ºC)

1100 1000 90

800 700

600 50

tiempo (minutos)

Figura 2.1 - Curvas de incendio natural

Sin embargo, en el cálculo práctico de seguridad frente al incendio, se utiliza habitualmente una curva de tiempo-temperatura que es más o menos representativa para incendios ya extendidos en edificios con compartimentos relativamente pequeños, tales como edificios de viviendas y oficinas. Ella es la denominada "curva de incendio estándar", definida en ISO 834 [1] y representada en la figura 2.2. Se utilizan otras curvas de incendio estándar en los Estados Unidos [2] y para aplicaciones marítimas [3]. Las diferencias existentes con las curvas ISO son pequeñas y sin transcendencia práctica. Normalmente, la cantidad de materiales combustibles se expresa en términos de kg. de madera por m2 de superficie de suelo, denominada densidad de carga de fuego.

Se denomina "resistencia al fuego" al periodo de tiempo durante el que un elemento de construcción puede soportar la exposición al calor según la curva de incendio estándar. Con objeto de determinar la resistencia al fuego de un elemento de construcción, habrán de establecerse unos criterios adecuados de comportamiento. Estos criterios se definen en relación a la función prevista para el elemento respectivo del edificio durante el incendio. Por regla general, hay tres criterios de comportamiento : - estabilidad (R) - aislamiento (1) - integridad (E) Para conseguir detalles sobre los criterios de comportamiento, véase, por ejemplo, [1]. temperatura de los gases (ºC)

1200 1100 1000

900 800

700 600

500 400 300

200 100 04-+-+4-+--+----+--l---+------I 180 O 10 20 30 90 120 60 5 15 tiempo (minutos)

Figura 2.2 - Curva de incendio estándar

Para componentes de edificios tales como columnas, con sólo función de soporte de carga, el único criterio relevante de rendimiento es la "estabilidad". Por lo tanto, éste es el criterio que se tendrá en cuenta de ahora en adelante. En lo que a la determinación de resistencia al fuego se refiere, existen básicamente dos posibilidades: un punto de vista experimental y un punto de vista analítico o de ingeniería del fuego. El punto de vista experimental, es decir, la determinación de la resistencia al fuego de columnas tomando como base los ensayos de fuego estándar es el método tradicional. Aunque se fundamenten en diferentes procedimientos nacionales de ensayo, el concepto de ensayo de fuego es, por lo general, el mismo en los diferentes países. La armonización de los diferentes procedimientos de ensayo nacionales, al menos dentro de la Comunidad Europea, está en marcha en el GEN. Véase también la sección 2.3 de este mismo libro. El punto de vista de la ingeniería del fuego es relativamente nuevo y ha sido posible gracias al reciente desarrollo de la tecnología informática. En algunos, pero no todos los países, este punto de vista se ha aceptado como alternativa a la evaluación experimental. A nivel internacional, se encuentran en preparación [4; 5]2 reglas de cálculo para la resistencia al fuego de columnas de acero, así como de columnas mixtas de hormigón y acero, incluyendo columnas con perfiles SHS rellenas de hormigón. Tal y como se explica posteriormente en la sección 2.3, existen importantes ventajas en la aproximación analítica si se compara con la experimental. Los principales factores que influyen en la resistencia al fuego de las columnas son : 2 Este manual refleja el último borrador disponible en el momento de su realización.

- nivel de carga ; - forma y tamaño de la sección transversal ; - longitud de pandeo. Las columnas simplemente de acero {es decir, columnas de SHS sin protección externa o relleno de hormigón) poseen sólo una resistencia al fuego limitada. Dependiendo del nivel de carga y del factor de forma {solidez), puede conseguirse normalmente una resistencia al fuego de 15 a 20 minutos ; en casos excepcionales se logrará una resistencia al fuego de 30 minutos. Esta situación puede mejorar muchísimo aplicando aislamiento térmico a la columna. Dependiendo del tipo y grosor del material aislante, pueden obtenerse resistencias al fuego de varias horas, aunque en la actualidad la mayoría de los requisitos se limitan a 120 minutos. Las columnas de perfiles huecos rellenos con hormigón tienen una capacidad portante y una resistencia al fuego mucho mayores que las de columnas vacías y sin protección. Suponiendo que el hormigón es de buena calidad {es decir, superior a C20) y que las dimensiones de sección transversal no son demasiado pequeñas (no menores de 150 x 150 mm), puede lograrse una resistencia al fuego de al menos 30 minutos. Los perfiles de mayores dimensiones tendrán una mayor resistencia al fuego y añadiendo armadura adicional al hormigón puede incrementarse a más de 120 minutos. El llenado con agua puede proporcionar una resistencia al fuego infinita suponiendo que se disponga de un suministro de agua adecuado. También puede conseguirse una mejora en el comportamiento frente al fuego de las columnas de SHS situándolas fuera de la estructura que envuelve al edificio - recurso utilizado a menudo por motivos arquitectónicos. Evitando que la llama afecte directamente al elemento, la necesidad de medidas adicionales de protección frente al incendio puede reducirse considerablemente o incluso ser innecesaria. De lo anteriormente expuesto se deduce que la resistencia al fuego de una columna de perfil estructural hueco no es una propiedad inherente de la columna sino que se ve afectada por una serie de parámetros de diseño. Esto es muy importante, ya que los requisitos de seguridad frente al fuego para columnas se expresan normalmente sólo en términos de la resistencia al fuego que ha de conseguirse, y así se enfatiza la necesidad de tomar en consideración los requisitos de resistencia al fuego desde el principio en un proyecto de diseño estructural. El contexto para estos requisitos y los niveles habituales para la resistencia al fuego exigidos se tratan brevemente en la siguiente sección. Para obtener más información sobre los parámetros de diseño y el procedimiento de cálculo, véanse los capítulos 3, 4 y 5 para columnas de SHS vacías, rellenas de hormigón y de agua respectivamente. 2.2

Requisitos

La seguridad frente al incendio de los edificios persigue conseguir dos objetivos fundamentales: - reducir los daños personales ; - reducir las pérdidas materiales y de propiedades en el edificio en llamas y sus alrededores. En la mayoría de los países la responsabilidad de conseguir estos objetivos se divide entre el gobierno o autoridades civiles, que son responsables de la seguridad de las personas mediante reglamentos de construcción de edificios, y las compañías de seguros que están involucradas en las pérdidas materiales a través de las pólizas de seguros contra incendios. Los objetivos de seguridad frente al incendio pueden lograrse de diferentes formas. Por ejemplo: - eliminando o protegiendo posibles fuentes de ignición, para evitar que se produzca el fuego (prevención de incendios) ; - instalando un mecanismo de extinción automático para evitar que el fuego se extienda (medidas operativas o activas) ; 12

- proporcionando a los componentes del edificio una adecuada resistencia al fuego mediante la utilización de medidas pasivas o estructurales para evitar que el fuego se extienda de un compartimento a otros adyacentes. A menudo se aplica una combinación de las anteriores medidas. Lo ideal sería que el concepto de cálculo de seguridad frente al incendio permitiera una cierta compensación entre las diferentes medidas, es decir, el dar importancia a una o dos de las posibles medidas debería llevar a que pudiera suavizarse la(s) restante(s). Esto significaría que la instalación de, por ejemplo, un sistema de rociado automático, podría llevar a una reducción de los requisitos globales de resistencia al fuego. Por lo general este tipo de compensación no se acepta en la actualidad pero es necesario que se intente conseguir de las autoridades correspondientes. Los requisitos referentes a la resistencia al fuego pertenecen sin duda alguna al campo de las medidas estructurales. En la actualidad, la utilización de escenarios convencionales frente al incendio basados en la curva de incendio estándar de ISO es lo habitual en Europa, así como en el resto del mundo. Los niveles de seguridad en edificios, con relación a incendios completamente extendidos, están basados principalmente, pero no exclusivamente, en dicho punto de vista, y se verifican por ensayos de incendio estándar o por una simulación numérica de los mismos. El ensayo de incendio estándar no intenta reflejar las temperaturas y tensiones que se experimentarían en incendios reales, sino que proporciona una medida del comportamiento relativo de elementos estructurales y materiales dentro de las posibilidades y dimensiones de los hornos estandar. Por lo general, las dudas sobre el comportamiento estructural en incendios reales se tienen en cuenta mediante la exigencia de requisitos de resistencia al fuego conservadores. Los niveles de seguridad exigidos se especifican en los Códigos Nacionales y normalmente dependen de factores tales como : - tipo de ocupación ; - altura y tamaño de edificio ; - la eficacia de los servicios contra incendios ; - medidas activas tales como respiraderos y sistemas de rociado automático (pero no en todos los países). En la siguiente tabla [6] se ofrece un panorama general de los requisitos de resistencia al fuego en función del número de pisos, representativa para muchos países europeos : Tabla 2.1 - Variaciones en la resistencia al fuego exigida Tipo de edificio

Exigencia

Tipo de resistencia el fuego

Una planta 2 a 3 plantas Más de 3 plantas Edificios altos

Ninguna o baja Ninguna a media Media Alta

Posiblemente hasta R30 Posiblemente hasta R30 De R60 a R120 R90 y más

Aunque existe una gran variación de las exigencias, puede concluirse que en la mayoría de los países la resistencia al fuego requerida no es mayor de 90 a 120 minutos. Si se establecen estos requisitos, el valor mínimo es normalmente de 30 minutos (sin embargo, algunos países exigen mínimos de 15 a 20 minutos). Los valores intermedios se dan normalmente en intervalos de 30 minutos, lo que lleva a un esquema de 30, 60, 90, 120 minutos. Pueden identificarse las siguientes características generales : - requisitos de resistencia al fuego no especificados para edificios con densidad de carga de fuego pequeña (es decir : 15-20 kg/m 2 ) o donde las consecuencias del colapso de la estructura son asumibles ; - resistencia al fuego durante un periodo de tiempo determinado pero limitado, donde el requisito de tiempo tiene como finalidad, principalmente, permitir la evacuación segura de los ocupantes y la intervención de los equipos de rescate ; 13

- resistencia de la estructura principal al fuego elevada para garantizar que la estructura puede sobrevivir al incendio total de los materiales combustibles en los edificios o en una parte determinada de ellos. De lo anteriormente expuesto se deduce que, en ocasiones, el acero sin protección es suficiente. Esto es posible para situaciones en las que la seguridad frente al fuego se satisface por otros medios (por ejemplo, rociado automático) y/o si los requisitos con respecto a la resistencia al fuego son bajos (es decir, no superiores a 30 minutos). Cuando se requiera una resistencia al fuego de 60 minutos o más, es necesario normalmente proteger las estructuras de acero. En la actualidad, se dispone de varias posibilidades para conseguir cualquier nivel de resistencia requerido. Su aplicación a columnas de SHS se trata en posteriores capítulos. Cada vez es más aceptado el punto de vista enfocado totalmente a la ingeniería del fuego, en el que se calcula la temperatura del compartimento y del acero a partir de los materiales combustibles presentes y de la geometría y ventilación correspondiente, habiéndose demostrado que puede conducir, en determinados casos, a un ahorro considerable en los costes de protección frente al fuego.

2.3

Criterios de comportamiento

El concepto fundamental en situaciones de incendio, en todos los métodos diseñados para predecir la estabilidad estructural, es que los materiales de construcción pierden gradualmente resistencia y rigidez a temperaturas elevadas. Para los diferentes tipos de acero dulce (conformados en frío o laminados en caliente) existe sólo una pequeña diferencia en la reducción de las propiedades del material sometido a altas temperaturas. En un cálculo a fuego sencillo no suele ser, por lo tanto, necesario diferenciar entre acero conformado en frío y laminado en caliente. f (8) f (20),~----------------,

acero estructural (deformación 2%)

0,8

0,6

0,4

0,2

200

400

600 temperatura

800 (ºCJ

ººº

1200

Figura 2.3 - Reducción de resistencia del acero y hormigón estructurales con la temperatura según [4; 5; 7]

La reducción en el límite elástico del acero estructural y la resistencia a compresión del hormigón al aumentar la temperatura según los Eurocódigos se ofrece en la figura 2.3 [4; 5; 7]. En ella se observa que no existe gran diferencia en la reducción relativa de resistencia del hormigón y del acero sometido a altas temperaturas. La razón de la diferencia en el comportamiento estructural de elementos de acero y hormigón, sometidos a condiciones de

fuego, es que el calor se propaga entre, aproximadamente, 1O a 12 veces más rápido en una estructura de acero que en una estructura de hormigón de la misma solidez, porque la conductividad térmica del acero es mayor que la del hormigón. El cálculo de resistencia al fuego de las estructuras se basa normalmente en condiciones de funcionamiento estático similares a las del cálculo a temperatura ambiente. En una estructura arriostrada de varios pisos, se supone habitualmente que la longitud de pandeo de cada columna a temperatura ambiente es la longitud de columna entre pisos. Sin embargo, este tipo de estructuras está normalmente dividida en compartimentos y es probable que el fuego no se extienda a más de un piso. Por lo tanto, una columna afectada por el fuego perderá su rigidez, mientras que los elementos estructurales adyacentes se mantendrán relativamente fríos. Por consiguiente, si la columna está rígidamente unida a ellos, se podrán asumir en caso de incendio condiciones de extremo empotrado. Las investigaciones han demostrado que, en situaciones de incendio, la longitud de pandeo de las columnas, en estructuras arriostradas, se reduce a 0,5 + 0,7 veces la longitud de la columna a temperatura ambiente, dependiendo de las condiciones del entorno [8]. El factor de longitud ideal de pandeo más conservador (0,7) se utilizará para estimar la longitud de pandeo ante el fuego de las columnas que se encuentran en el último piso y para las que están en el extremo de un edificio, con sólo una viga adyacente. El coeficiente de reducción más alto (0,5) puede utilizarse para el resto de las columnas. En la figura 2.4 se muestra el comportamiento estructural esquemático de las columnas en estructuras arriostradas. La regla anterior también se aplica por el Eurocódigo 3 y 4, partes 1.2 [4; 5].

(" j__columna \.. } expuesta al tuego

(a)

lb)

sección transversal del edificio

temperatura

ambiente

elevada

(e)

modo de deformación

Figura 2.4 - Comportamiento estructural esquemático de columnas en estructuras arriostradas

El método tradicional de comprobar el comportamiento de los elementos estructurales del edificio ante el incendio es el "ensayo estándar de resistencia al fuego". Existen, sin embargo, muchas desventajas relacionadas con los ensayos de fuego, siendo la principal los altos costes que conllevan. Debido a razones económicas y prácticas, no es realista llevar a cabo ensayos de fuego para cada combinación de : - tamaño y forma del perfil ; espesor del revestimiento ; - nivel de carga o distribución de la tensión y - longitud de columna o viga. Otra desventaja de los ensayos de fuego es la limitación en el campo de aplicación debido a restricciones en el tamaño del elemento ensayado. A pesar de esto, todavía se necesitan ensayos prácticos de fuego cuando han de evaluarse características especiales tales como la adhesión del aislamiento al elemento estructural. Existe una tendencia cada vez mayor a evaluar la resistencia al fuego de elementos individuales o subconjuntos mediante ingeniería analítica. Los Eurocódigos que tratan del diseño estructural al fuego definen tres niveles de verificaciones :

- Nivel 1 : Tablas y Diagramas de Cálculo ; - Nivel 2 : Cálculo simple ; - Nivel 3 : Procedimientos Generales de Cálculo. Los "Procedimientos Generales de Cálculo" constituyen el nivel más avanzado. Estos procedimientos incluyen un análisis térmico y mecánico completo de la estructura y utilizan los valores para las propiedades del material que se incluyen en los Eurocódigos. Los métodos generales de cálculo permiten que se consideren las condiciones del entorno y tienen en cuenta la influencia de una distribución no uniforme de la temperatura sobre el perfil y conducen, por lo tanto, a tiempos de agotamiento más realistas y, consecuentemente, a un diseño más competitivo. Sin embargo, el manejo de los programas informáticos necesarios consume mucho tiempo y requiere conocimientos de experto. Para los ingenieros y arquitectos prácticos, que no estén habituados a manejar programas informáticos especializados, se han elaborado "Procedimientos Simples de Cálculo", que permiten un diseño global, pero presentan limitaciones en su ámbito de aplicación. Estos procedimientos utilizan métodos convencionales de cálculo y proporcionan una exactitud normalmente adecuada. Las "Tablas y Diagramas de Cálculo", suministran soluciones del lado de la seguridad y permiten un diseño rápido para campos de aplicación restringidos, constituyendo el nivel de verificación más bajo. En los siguientes capítulos, se da gran importancia a los procedimientos simples de cálculo.

Diseño a fuego de columnas de peñil tubular SHS sin rellenar

3.1

Principios básicos

El cálculo de la resistencia al fuego de columnas de SHS sin rellenar comprende dos fases : - La determinación de la temperatura a la que la columna se agota, la denominada ''temperatura crítica del acero". Esta es la respuesta mecánica. - La determinación de la evolución de la temperatura en el perfil de acero con o sin protección. Esta es la respuesta térmica. Estas dos fases asumen una distribución uniforme de la temperatura a través de la sección transversal y a lo largo del elemento de acero. Al combinar las dos fases de cálculo se obtiene el tiempo en el que se produciría la rotura de la columna, si la misma está expuesta a condiciones estándar de incendio. Este tiempo es la resistencia al fuego de la columna. El esquema de cálculo se ilustra en la figura 3.1.

curva de fuego estándar

temperatura del acero

tiempo (minutos)

resistencia al fuego .. 1

Figura 3.1 - Esquema de cálculo para la resistencia al fuego de elementos de acero

3.2

La respuesta mecánica

Las reglas simples de cálculo para la temperatura crítica de las columnas de acero tratadas posteriormente, sirven únicamente para secciones transversales de clase 1, 2 y 3 (tal y como se definen en Eurocódigo 3, parte 1.1 [1 O]) y pueden aplicarse tanto a columnas protegidas como no protegidas. Para columnas con sección transversal de clase 4, se utiliza para la temperatura crítica un valor por defecto de 350°C. Las reglas simples de cálculo para la temperatura crítica del acero se fundamentan habitualmente en la condición de carga axial. Sin embargo, en situaciones reales una columna estará a menudo sometida a carga excéntrica, ver figura 3.2. En estos casos, no sólo la compresión centrada N, sino también la distribución de momentos (M 1, M2) jugarán un papel importante (ver más adelante). La temperatura crítica de una columna de acero solicitada axialmente depende de la relación entre la carga presente durante el incendio y la carga de agotamiento mínima de la columna a temperatura ambiente. Esta relación se denomina grado de utilización (µ). Para una columna axialmente solicitada : 17

t=M,/M2 IM 11~1M2I

Figura 3.2 - Columna sometida a compresión centrada y momentos flectores N¡·

µ =

(1)

Xmín · Rnc

siendo: Nfí : Rnc : Xmin :

fuerza de compresión en situacion de incendio, resistencia de compresión de la sección transversal bruta a temperatura ambiente, coeficiente mínimo de pandeo.

Según los Eurocódigos (ver por ejemplo [4; 91), en situación de incendio se necesitará generalmente tener sólo en cuenta, aproximadamente, el 60% de la carga de cálculo para condiciones normales de uso. Asimismo los coeficientes de seguridad parciales se tomarán como iguales a la unidad tanto para las acciones como para las propiedades de los materiales. La carga de agotamiento a temperatura elevada se basa en el dimensionamiento de la columna (ver la anterior sección 2.3), pero utilizando la curva de pandeo "c" de Eurocódigo 3, Parte 1 .1 [1 O], con independencia del tipo de SHS o su material. La relación entre la temperatura crítica del acero y el grado modificado de utilización (c · µ) se representa en la figura 3.3, donde c es un coeficiente de corrección usado para compensar simplificaciones del modelo. El Eurocódigo 3, Parte 1.2 [4] señala para columnas sometidas a carga axial y excéntrica, c = 1,2. El grado modificado de utilización (c.µ) puede, en teoría, variar entre 1 y O, y un alto grado de utilización corresponde a una temperatura crítica baja. (Teóricamente, c · µ = 1 implica que la columna está a punto de romperse bajo condiciones de temperatura ambiente con una temperatura crítica teórica de 20ºC, mientras que c · µ = O implica que no hay carga sobre la columna y la temperatura crítica teórica será de hasta 1200ºC). 1200

u 1000 '2..

800

.,"" -¡¡¡ ".,

600 550

"e!

400

200

.2l

Ej. 3---:

v-Ej. 1 +2

0,48,:

0,20

0,40 0,50 0,60

0,80

1,00

e·µ

Figura 3.3 - Temperatura crítica del acero en función del grado modificado de utilización (c · µ) 18

En el caso de una columna solicitada excéntricamente es también posible definir un "grado de utilización" equivalente. Para hacerlo, debe utilizarse una curva de interacción que describa las combinaciones críticas de la fuerza normal y el momento aplicado. Una curva de interacción habitualmente utilizada es :

N Xmin ·

k-M< 1 +R -

(2)

Mpl

siendo: M: el máximo momento de extremidad aplicado k: un factor de reducción según el Eurocódigo 3, parte 1.1 RMpl : momento plástico de la sección transversal a temperatura ambiente.

Para saber el significado de los otros símbolos, véase la ecuación (1 ). El significado de esta fórmula es que cualquier combinación de momento y fuerza axial que cumpla la ecuación (2) puede ser resistido por la columna (si fuera el signo "=", la columna estaría a punto de romperse). El grado de utilización para una columna solicitada excéntricamente se define ahora como el valor de la parte izquierda de la ecuación (2) cuando se sustituyen en la misma los valores de cálculo reales para el momento y la fuerza. De ahí:

N11

k· M1¡

+--

(3) Xm1n · Rnc RMpl Para una carga puramente axial, es decir, M¡¡ = O, la ecuación (3) se reduce a la (1 ). El valor resultante de µ debe ahora modificarse (utilizando c . µ como para una columna solicitada axialmente) y después, la temperatura crítica puede leerse directamente en la figura 3.3 El empleo del grado de utilización de la ecuación (3) está realmente estableciendo que el efecto combinado de una fuerza axial y un momento, sobre la temperatura crítica de una columna de acero solicitada excéntricamente, es igual al efecto de una fuerza axial equivalente (Neq), suponiendo que ambas situaciones se caractericen por el mismo grado de utilización (µ). La fuerza normal equivalente correspondiente (Neq) resulta de :

N1¡ + k · M1¡ = µ = Neq Xmin · Rnc RMpl Xmin · Rnc

(4 )

por lo tanto, k· M1¡

Neq

= N¡¡ + Xmin · Rnc · -R--

(5)

Mpl

Por medio de la fuerza axial equivalente, la temperatura crítica de una columna solicitada excéntricamente puede determinarse fácilmente, utilizando el modelo simple de cálculo, válido para columnas solicitadas axialmente (ver figura 3.3). La regla anterior se utiliza en el Eurocódigo 3, Parte 1.2 [4]. Además, suponiendo que una columna ha sido diseñada para satisfacer los requisitos del Eurocódigo 3 a temperatura ambiente, Parte 1.1 [4], puede tomarse, para la temperatura crítica de la columna de acero un valor por defecto mínimo de 490°C sin análisis posterior.

3.3

La respuesta térmica

Para perfiles de acero no protegidos, puede demostrarse que - para exposición según la curva de incendio estándar - la evolución de la temperatura de una sección de acero depende únicamente de la geometría relativa del perfil. Este efecto se tiene en cuenta por medio del factor forma, AmN, donde:

Am: V:

= área de superficie expuesta del elemento por unidad de longitud [m 2 /m] ; = volumen del elemento por unidad de longitud [m 3/m]. ·

Para la unidad de longitud, esto sería lo mismo que decir :

AmN

= perímetro de acero expuesto / sección transversal de acero

Las curvas calculadas presentadas en la figura 3.4 muestran la influencia del factor de forma sobre la evolución de temperatura en un perfil de acero no protegido, cuando se le expone a condiciones de incendio estándar. Para los perfiles "t' utilizados habitualmente, los factores de forma se encuentran dentro de una escala de 50 a 400 m- 1 . Para perfiles huecos SHS expuestos al calor por todos sus lados3 , el factor de forma puede calcularse aproximadamente mediante:

AmN

"' Perímetro/ (Perímetro x espesor)= 1/t

con : t = espesor del perfil tubular de acero. temperatura del acero 0s (ºC)

800

600

400

200

tiempo (minutos)

Figura 3.4 - Evolución de la temperatura calculada para acero no protegido como función del factor de forma

Para un campo práctico de espesores de SHS de 20 a 2,5 mm, los factores de forma varían entre 50 y 400 m-1 . Para cualquier temperatura crítica del acero, la resistencia al fuego de un elemento de acero sin protección - suponiendo que se den condiciones de incendio estándar - depende únicamente de su factor forma. Esto se ilustra en la figura 3.5 en la que el tiempo que tardan los elementos de acero sin protección en alcanzar un rango de temperaturas (450-600ºC) aparece como una función del factor de forma. En muchas situaciones prácticas, la temperatura crítica de un elemento de acero será de aproximadamente 550ºC, de manera que el tiempo que se tarde en alcanzar 550°C puede tomarse como una aproximación razonable de su resistencia al fuego. Esta figura muestra que un elemento de acero, sin protección, con un factor de forma menor que aproximadamente 40 m- 1 , puede tener una resistencia al fuego de 30 minutos o más. El factor de forma necesario para cumplir con cualquier requisito de resistencia al fuego más corta puede obtenerse también fácilmente a partir de la figura 3.5. Por lo general, la resistencia al fuego de un elemento de acero sin protección es de 30 minutos o menos. 3 En los métodos simples de cálculo según el Eurocódigo, basados en el comportamiento real al fuego observado en los ensayos estándar, se asume igualmente que un perfil de acero está expuestc al fuego por los cuatro lados.

Tiempo para alcanzar 8s (minutos)

Valores exactos :

Ej. 1 : 11

Ej.2:y

43, 1

102,6

8 5 lºCJ

- - -..... 600 550 500 450

10 Ej.1 43,1

Ej. 2 102,6

100

150

200

Factor de forma Am/V ( m· 1 )

Figura 3.5 - Tiempo para que un perfil de acero sin protección alcance una determinada temperatura media, bajo condiciones estándar en función del Factor de Forma.

Si se proporciona aislamiento externo frente al fuego, la evolución de la temperatura del acero depende no sólo del factor de forma sino también del tipo y espesor del material aislante. Es posible elaborar diagramas que muestren como varía la temperatura del acero con el espesor del aislamiento (d¡) y el factor de forma (Am/V) para un determinado material aislante (fig. 3.6).

crítica !Temperatura del acero especificada

11 8. E

'" ¡::

dl>d2>d3

Factor de forma IAm/Vl

Figura 3.6 - Resistencia al fuego de perfiles de acero aislados en función del espesor de aislamiento y del Factor de Forma para una determinada temperatura crítica del acero

3.4

Métodos de verificación de aislamientos frente al fuego

La eficacia de un sistema de aislamiento frente al fuego de estructuras de acero depende del comportamiento mecánico y térmico del sistema bajo condiciones de incendio y se evalúa tomando como base los ensayos de fuego. En estos ensayos, perfiles de acero aislados, tanto cargados como no cargados, se exponen a condiciones de incendio estándar. Las muestras utilizadas en los ensayos se seleccionan con la finalidad de abarcar una escala de aplicación práctica de factores de forma y 21

espesores de aislamiento. Los elementos de ensayo más fuertemente cargados (normalmente de una longitud de 3 a 5 m) evalúan la capacidad del sistema de aislamiento de permanecer intacto y de adherirse al perfil de acero (adherencia). Los ensayos realizados sobre las muestras pequeñas descargadas (de aproximadamente 1 m de longitud), permiten evaluar y generalizar las características térmicas del material aislante. Normalmente será necesario ajustarse al sistema de pruebas de conformidad de un determinado país, si se quiere acceder al correspondiente mercado. Aunque en la mayoría de los países el fundamento de dichos sistemas es similar, los detalles pueden variar de forma significativa. Como consecuencia de esto, los informes de ensayos oficiales obtenidos en un país no siempre son aceptados en otro. Con el objetivo de cambiar esta situación, el Eurocódigo 3, Parte 1.2 [4) y las normas CEN asociadas proporcionarán reglas armonizadas. Este trabajo se está realizando en estos momentos y en 1994 se dispuso de un primer borrador para su difusión.

3.5

Presentación de informaciones de cálculo

Para un material aislante determinado, el cálculo del aislamiento frente al fuego para una construcción en acero depende sólo de tres parámetros : - resistencia al fuego requerida ; - factor de forma del perfil de acero ; - espesor del material aislante. La resistencia al fuego es el tiempo en que una columna "se agota", es decir, en el que la temperatura del acero alcanza su valor crítico. Para la temperatura crítica del acero pueden tomarse o bien valores por defecto (por ejemplo, 490ºC para columnas según Eurocódigo) o bien la obtenida por cálculos. Esta última opción se ofrece en muchos códigos actuales. En este contexto la temperatura crítica del acero se define como una función del grado de utilización (ver sección 3.2).

Tiempo de resistencia al fuego (minutos)

500

.----.;;;:...._,"'1:""""--.:--.-----r---,

400

Temperatura del acero e, ("C)

1000---.--------------~

--.......d¡

800 30

300 250 200

(mml

150

120 100 90 80 70 59 50

400

200

15 Tiempo de resistencia al fuego : 90 min.

80 102,6160

240

320

Factordeforma Am/V 1m· 1 1

400

480

111 215 47 10~.....~......__,.....,......,..,...,..,...........~.....,..~-r---' 200 350 15 20 30 40 50 60 80 100 I 280 IPE 140 IPBv 220 Factor de forma Am/V I m •1 )

Figura 3.7 - Modos de presentación de las características térmicas de un material típico de aislamiento frente al fuego en Francia (a la izquierda) y Alemania (a la derecha)

El propósito de los métodos de evaluación del aislamiento frente al fuego de la estructura de acero es encontrar una relación fiable entre los tres parámetros anteriormente citados. La presentación de los resultados varía según el país. En la figura 3.7 se presentan algunos ejemplos. En la fase de diseño, cuando se conocen dos de estos parámetros, el tercero puede deducirse de estos gráficos. Normalmente, el punto de partida será la resistencia al fuego requerida (es decir, el tiempo para alcanzar la temperatura crítica del acero). El espesor de aislamiento necesario podrá a continuación calcularse como una función del factor de forma y la temperatura crítica del acero (o grado de utilización). Variando los parámetros de diseño de forma apropiada, podrá conseguirse un diseño óptimo. Puede ser necesaria la interpolación entre las curvas dadas. La figura 3.8 ejemplifica los gráficos de diseño práctico utilizados en Holanda.

Tiempo de resistencia al fuego (minutos)

240 -,--,--y-s-.-----,,....---------,

240~~-.---.---~---------,

220

200

180

160

140

120

100

le,=4ooºcl

d¡ =

le,= 500 ºC

o---1--~---,----.------.....----1 o

100

200

300

400

500

100

200

300

400

500

Factor de forma AmlV(m-1)

Factor de forma AmlV(m- 1 )

Tiempo de resistencia al fuego (minutos)

240 ~ - . - - ~ - . - - - ~ - - - - - - ~ 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20

I/EJ.3 1

:le,= soo

o --~f-----,----,---,-----1

100 1 2 ·6 200

300

400

500

Factor de fonma AmlV (m- 1)

Figura 3.8 - Resistencia al fuego de perfiles de acero aislados en función del espesor, del aislamiento Y del factor de forma a temperaturas críticas de 400, 500 y 600 ºe (Holanda)

Los modernos métodos de evaluación (por ejemplo, el método EC/CEN anteriormente mencionado) permiten, no sólo la representación gráfica de los resultados, sino también una presentación en términos de cantidades físicas (conductividad térmica, calor específico). Esto pone al alcance la evaluación mediante ordenador. Se dispone en la actualidad [11 ... 14] de varios de estos programas informáticos. También se encuentran en preparación programas informáticos basados en sistemas expertos que ofrecen la posibilidad de un diseño al fuego fácil, rápido y fiable, sin que sea necesario poseer unos conocimientos especializados.

3.6

Detalles constructivos

Los detalles constructivos afectan de forma significativa a la adherencia del sistema aislante y deben por lo tanto diseñarse con cuidado. Son de especial importancia : - el estado de la superficie de acero en el momento de aplicar productos mediante proyección. - el diseño de nudos, en el caso de protección por cajas. Cualquier documento sobre conformidad ante el fuego de un sistema de aislamiento debería ofrecer estos detalles. Deberían incluirse, por ejemplo, cualquier preparación especial necesaria de la superfice de acero, sistemas de fijación, el tipo y distancias de los conectores de paneles, la forma del sellado de juntas, etc. y dichos aspectos se especificarán en dibujos de detalle.

3.7

Ejemplos de cálculo

En esta sección se explica la utilización de los diagramas de cálculo para acero protegido y no protegido por medio de tres ejemplos de cálculo, utilizando perfiles estructurales tubulares según ISO/XIV-1982.

Ejemplo 1 Hipótesis: Columna continua en SHS, vacía y solicitada axialmente que se encuentra en un piso intermedio de un edificio arriostrado, tal y como se muestra en la figura 3.9 : - carga : 3000 kN - perfil SHS : laminado en caliente - calidad del acero : S 235 (fy = 235 N/mm 2) Se pide: Verificar si la columna puede clasificarse para resistencia al fuego R30.

A, = 26000 mm2 i=117mm P=1120mm

Figura 3.9 - Columna en SHS vacía, solicitada axialmente (0 = 355,6 mm, t = 25 mm) situada en un piso intermedio de un edificio arriostrado. 24

Solución: La columna está unida de forma continua a las columnas superior e inferior. Por lo tanto : longitud de pandeo : Lcr,e = 0,5 x 5,00 = 2,50 m. La capacidad de carga a compresión en condiciones de ~mperatura ambiente se calcula según EC3, parte 1.1 [1 O] utilizando la esbeltez relativa "-e para condiciones de fuego : 2500 = 21 4 117 '

y ~e=k~', = l ~ = 0 , 2 3 E20 2,1-10 5 ªe20 235 En el cálculo a fuego, deberá utilizarse la curva de pandeo "c", incluso para perfiles SHS laminados en caliente. El Eurocódigo 3, parte 1.1 ofrece el siguiente valor para el coeficiente de pandeo: Xmin = 0,99 De ahí que la capacidad de carga a temperatura ambiente resulta : -3 Xmin · R ne= 0,99 · 235 · 26000 · 10 = 6049 kN

Con un factor de corrección de c = 1,2 para columnas, el grado de utilización modificado resulta de: c · µ = 1,2 · 3000/6049 = 0,60 De la figura 3.3 : es,cr"' 550°C El factor de forma resulta ser : Am/V = P/A 5 = 1120/26000 = 43, 1 m- 1 De la figura 3.5 : el tiempo para alcanzar es,cr = 550°C es de aproximadamente 30 minutos. Por lo tanto, la columna no protegida puede clasificarse como poseedora de una resistencia intrínseca al fuego de 30 minutos. Hay que resaltar que según los criterios de cálculo a temperatura ambiente, la columna está sobredimensionada y utiliza un perfil de acero relativamente pesado.

Ejemplo 2: Hipótesis: Columna continua en SHS, vacía y solicitada axialmente en el piso más alto de un edificio arriostrado, tal y como se muestra en la figura 3.10. Dispone de una protección externa cuyas características térmicas y espesores se ofrecen en la figura 3.7a: - carga : 2000 kN - perfil SHS : laminado en caliente - calidad del acero : S 355 (fy = 355 N/mm 2) Se pide: Evaluar el espesor de aislamiento necesario para una resistencia al fuego de 90 minutos. Solución: Como la columna está en el piso más alto, no existe sujeción a columnas superiores. Por lo tanto : longitud de pandeo : Lcr,e = 0,7 x 3,5 = 2,45 m. La capacidad de carga según EC3, parte 1.1 [1 O] se calcula de forma similar al ejemplo anterior : 25

= 9

2450 = 20 8 118 '

y -

/c9=-

_ O 27

20,8

~355

,[lJ '

A, = 11400 mm 2 i=118mm P=1170mm

t"'10mm

35 , m

t N

n + ______..J 300mm

¡,

300mm

Figura 3.1 o - Columna en SHS vacía y solicitada axialmente (D alto de un edificio arriostrado

= 300 mm, t = 1O mm)

en el piso más

de donde Xmin = 0,97 para perfil laminado en caliente (utilizando la curva de pandeo "c"); por lo tanto la capacidad de carga en condiciones de temperatura ambiente resulta de : Xmin · Rnc = 0,97 · 355 · 11400 · 10-3 = 3926 kN

Para el grado de utilización modificado : c.µ= 1,2. 2000/3926 = 0,61 De la figura 3.3 : 0 5 cr"' 550°C El factor de forma resulta ser :

Am/V = P/A 5 = 1170/11400 = 102,6 m- 1 De la figura 3.7a se deduce que es necesario un espesor de 20 mm de protección externa frente al fuego. Hay que resaltar que, según la figura 3.5, la resistencia al fuego para el perfil SHS no protegido es de únicamente 17 minutos. Ello es debido al factor de forma relativamente alto.

Ejemplo 3: Hipótesis: Una columna continua en SHS, vacía y solicitada excéntricamente en un piso intermedio de un edificio arriostrado tal y como se muestra en la figura 3.11 : - fuerza axial : 1000 kN - momentos de extremidad : 75 kNm - perfil SHS : laminado en caliente - calidad del acero : S 355 (fy = 355 N/mm 2 ) Se aplica externamente un material de protección con un espesor de 20 mm que posea propiedades térmicas según la figura 3.8. Se pide: Verificar si la resistencia al fuego de la columna es de 120 minutos. Solución: La columna está unida de forma continua a las columnas superior e inferior. Por lo tanto : Longitud de pandeo : Lcr,e = 0,5 x 3,50 = 1,75 m. Las dimensiones de la sección transversal y la calidad del acero de la columna son las mismas que en el ejemplo 2. De ahí : 26

Ae = 0,27 · 1750/2450 = O, 19 N

•

A 5 = 11400 mm 2 i=118mm

t=10mm

3,Sm

300mm

P = 1170 mm

~J l. .1 300 mm

Figura 3.11 - Columna vacía en SHS solicitada excéntricamente (D = 300 mm, t = 1O mm) en un piso intermedio de un edificio arriostrado

La fuerza axial equivalente se calcula aplicando la ecuación (5) de la sección 3.2 : N1¡ Xmin Rnc k Mfi

RMpl

= = = = = =

1000 kN 1 (ver EC3, parte 1 .1)

355 · 11400 · 10-3 = 4047 kN 0,91 (ver EC3, parte 1.1) 75 kNm 355 · 1238000 · 1o-6 = 439 kNm

Por lo tanto, de la ecuación (5) : N8 q

= 1000 + 1 · 4047 · 0,91

· 75/439

=1629 kN

De ahí, el grado modificado de utilización es : c. µ

= 1,2 . 1629/4047 =0,48

De la figura 3.3 : 05 ,cr = 600°C El factor de forma es, como en el ejemplo 2: AmN = 102,6 m- 1 Se deduce de la figura 3.8c que para un espesor de protección frente al fuego de 20 mm y una temperatura crítica del acero de 600ºC, se obtiene una resistencia al fuego de 140 minutos. Como este tiempo sobrepasa los 120 minutos, la columna puede clasificarse como R120.

Diseño a fuego de columnas de perfil tubular SHS rellenas de hormigón

4.1

Principios básicos

Durante un incendio, la distribución de temperaturas resultante en una columna de SHS vacía, ya sea con o sin protección externa, es más o menos uniforme. Por el contrario, el comportamiento al calentamiento de una columna de SHS rellena de hormigón es significativamente diferente : al combinar materiales con conductividades térmicas muy diferentes, se produce un comportamiento con transitorios de calentamiento acusados y fuertes diferencias de temperatura a través de la sección transversal. A causa de estos diferenciales las columnas de SHS rellenas de hormigón pueden calcularse para que tengan una resistencia al fuego de hasta 120 minutos o más sin protección externa. Sin embargo, no pueden utilizarse los modelos simples de cálculo para el diseño a fuego basados en el factor de forma (solidez) AmN. Es necesario un método especial de cálculo a fuego que tenga en cuenta las diferentes características térmicas de los diferentes materiales y el calentamiento transitorio resultante [15].

4.2

Columnas sin protección - respuesta térmica y mecánica

Debido a su diferente localización en la sección transversal, los componentes de una columna SHS rellena de hormigón tendrán cada uno diferentes características de reducción de resistencia dependiente del tiempo. Las láminas de acero expuestas directamente, no protegidas, se calentarán rápidamente y presentarán una significativa reducción de la resistencia en un breve periodo de tiempo. El núcleo de hormigón, con su masa importante y su baja conductividad térmica, mantendrá durante un tiempo una proporción significativamente alta de su resistencia, principalmente en la zona interior del núcleo más que cerca de la superficie. Si se utiliza armadura, estará normalmente situada cerca de la superficie, pero protegida habitualmente por 25-50 mm de hormigón. Por esta razón, se producirá en ella una reducGJón lenta de la resistencia. La Jigura 4.1 muestra este comportamiento característico y puede considerarse como el diagrama básico para describir el comportamiento a fuego de columnas de perfiles tubulares huecos rellenos de hormigón.

/ R (t) = Lí¡ (t) /

100

r¡(%)

- t

Figura 4.1 - Diagrama típico de reducción de resistencia de los diferentes componentes de una columna de SHS rellena de hormigón sometida a fuego

La capacidad de carga R de una sección transversal es la suma de las capacidades de cada uno de sus componentes ri. En caso de fuego, las capacidades de todos los componentes dependen del tiempo de resistencia al fuego t. R (t) = L//t) En el cálculo a temperatura ambiente es probable que la lámina de acero sea el componente resistente dominante, debido a la alta resistencia del acero y a la situación en el perfil. Sin embargo, tras un tiempo de fuego t 1 , sólo puede aprovecharse un pequeño porcentaje de la capacidad resistente original de la lámina de acero. Esto significa que en caso de incendio la parte principal de la carga resistida por el perfil de acero se redistribuirá al núcleo de hormigón que pierde resistencia y rigidez más lentamente que el acero. Si esta carga redistribuida sobrepasara la capacidad del hormigón, la columna se rompería en breve tiempo. Por lo tanto puede concluirse lo siguiente : - debe minimizarse la capacidad de carga del acero, lo que supone un bajo espesor de la lámina y un tipo resistente de acero bajo. - se deberá optimizar la capacidad de carga del núcleo de hormigón, lo que supone resistencia del hormigón alta y cuantía de armadura elevada. Esto también implica que las diferencias en las características del perfil tubular - tales como si no tiene costura, si está soldado, acabado en caliente o conformado en frío - no influirán de forma significativa en el comportamiento a fuego de una columna de SHS rellena de hormigón. En el cálculo a temperatura ambiente es fácil obtener una alta capacidad resistente para dimensiones bastante pequeñas de sección transversal. Pero con pequeñas dimensiones de sección transversal la resistencia al fuego es normalmente limitada. La figura 4.2 compara el comportamiento a calentamiento de dos perfiles SHS circulares, de diferentes diámetros. De la figura se deduce que el perfil más pequeño se calentará tan rápidamente que sólo se dispondrá de un tiempo significativo de resistencia al fuego para niveles de carga aplicada bajos. Como la reducción de resistencia de los componentes se ve afectada directamente por las características de calentamiento relativo de la sección transversal, se necesita, con frecuencia, una dimensión mínima de la sección transversal de la columna para satisfacer una resistencia al fuego exigida. Al aumentar la temperatura, disminuyen la resistencia y el módulo de Young. Por lo tanto, la capacidad resistente de un elemento estructural disminuye con el tiempo mientras que su deformación aumenta. En el cálculo práctico a fuego, también deberá tenerse en cuenta la esbeltez de la columna.

30'

f-~ Tiempo (minutos)

1,0

0,5

+---j--+

0,5

1.0

Figura 4.2 - Calentamiento relativo de columnas de SHS de diferente tamaño rellenas de hormigón

La figura 4.3 muestra la disminución, dependiente del tiempo, de la resistencia total R 1 de un elemento estructural mixto [14]. Cuando la resistencia R 1 del elemento ha disminuido hasta el nivel de carga actuante S 1, se ha alcanzado un tiempo de rotura tfr( 111i. La figura 4.3 también muestra diferentes posibilidades básicas que influyen en el tiempo de rotura tfr (tiempo de resistencia al fuego). A un nivel de carga S2 más bajo, el punto de intersección con la característica R1 de capacidad de carga de la columna se modificará de tfr( 111 ) a tfr( 211 )· Esto es equivalente a aumentar la resistencia al fuego mediante un sobredimensionamiento, lo cual es un método bastante conservador pero eficaz en ocasiones. Un método mejor para alcanzar un tiempo de rotura más alto tfr, es mejorar la resistencia del propio elemento estructural, cambiando la curva R 1 a R2 mediante un cálculo a fuego del elemento. El tiempo de rotura aumentará de tfr(1/1) a tfr(1/2)·

R, S

t t1c (SIR}:

11/1)(2/1)

11/2} 12/2}

Tiempo de resistencia al fuego (t)

Figura 4.3 - Capacidad de carga de columnas de SHS rellenas de hormigón en función del tiempo

Los dos métodos anteriores pueden combinarse: una mejora en el diseño del elemento (R 2) y una menor utilización (S 2) llevarán al punto de rotura tfr( 2/2). Estos criterios se aplican en los métodos de cálculo tratados a continuación.

4.3 4.3.1

Métodos de verificación para columnas sin protección Niveles de verificación

En el Eurocódigo 4, Parte 1.2 [5] se incluyen reglas de cálculo de columnas de SHS rellenas de hormigón. Como ya se explicó en el apartado 2.3, en los Eurocódigos se prevé la verificación a tres niveles diferentes : - Nivel 1 : Datos tabulados ; - Nivel 2 : Modelos simples de cálculo ; - Nivel 3 : Modelos generales de cálculo. Esta guía de diseño trata de dar información para los niveles 1 y 2, es decir, datos tabulados y modelos simples de cálculo, incluyendo sus respectivos campos de aplicación. Si se desea información sobre los modelos de cálculo más generales, véase [1 O; 11; 13].

4.3.2

Nivel 1 : datos tabulados

Utilizando la Tabla 4. 1, las columnas de perfil tubular no protegidas y rellenas de hormigón, pueden clasificarse según :

- el grado de utilización (µ) - el tamaño mínimo de la sección transversal (b ó d) - la proporción de armadura (%) Pr = [A/(Ac + Ar)] · 100 - el recubrimiento mínimo del eje de las armaduras (dr) El grado de utilización µ viene dado por : (ver sección 3.2)

µ = N¡¡/Rd siendo N¡¡ Rd

= fuerza axial centrada en situación de fuego

= la resistencia de cálculo a temperatura ambiente

y se calcula según los procedimientos a temperatura ambiente del EC4, Parte 1 [16]. Sin embargo, son aplicables las siguientes limitaciones adicionales : Tabla 4.1 - Dimensiones mínimas de sección transversal, cuantías de armado y recubrimiento del eje de las armaduras en funcion de la resistencia al fuego, para diferentes grados de utilización µ

Perfil de acero b/t > 25 ó

d/t > 25

Clase de resistencia al fuego

R30

R60

R90

R120

R180

160

200 1,5 30

220 3,0 40

260 6,0 50

400 6,0 60

260 0,0

260 3,0 30

400 6,0 40

450 6,0 50

500 6,0 60

260 3,0 25

450 6,0 30

500 6,0 40

Dimensiones mínimas de la sección transversal paraµ= 0,3 Anchura (b) o diámetro (d) mínimos Mínimo% de armado (Pr) Recubrimiento mínimo del centro de barra (dr) Dimensiones mínimas de la sección transversal paraµ= 0,5 Anchura (b) o diámetro (d) mínimos Mínimo% de armado (Pr) Recubrimiento mínimo del centro de barra (dr) Dimensiones mínimas de la sección transversal paraµ= 0,7 Anchura (b) o diámetro (d) mínimos Mínimo% de armado (Pr) Recubrimiento mínimo del centro de barra (dr)

- Independientemente del tipo real de acero, el límite elástico del SHS se limita a un máximo de 235 N/mm 2 ; - El espesor de pared de acero se limita a un máximo de 1/25 de la dimensión principal de sección transversal ; No se tienen en cuenta proporciones de armado superiores al 3% cuando se calcula µ y Rd.

4.3.3

Nivel 2 : modelo de cálculo

Valexy, el socio francés del CIDECT, ha desarrollado y verificado un programa informático de nivel 2 con el fin de proporcionar un modelo del comportamiento al fuego de columnas de SHS rellenas de hormigón [17]. Este programa se ha modificado para satisfacer los últimos resultados de ensayos [18]. En su versión actual, dicho programa sirve de base a las curvas 31

de pandeo del Eurocódigo para columnas de SHS rellenas de hormigón y expuestas a altas temperaturas. Se han preparado diagramas de cálculo en los que, partiendo de una exposición a curva de incendio estándar de (30), 60, 90 y 120 minutos, se obtiene la carga de rotura Ncr,a de columnas de SHS rellenas de hormigón en función de la longitud de pandeo Lcr 8 . La figura 4.4 muestra un diagrama típico. Para cualquier combinación de carga aplicada y longitud de pandeo, puede determinarse fácilmente la clase de resistencia al fuego. Por ejemplo, la combinación de la figura 4.4 lleva a una clasificación de resistencia al fuego de 60 minutos. Se supone que la carga permanecerá constante durante el proceso de fuego, es decir, que las restricciones de apoyo no juegan un papel decisivo. Estas condiciones se tienen en cuenta también durante los ensayos estándar de resistencia al fuego. Los diagramas de cálculo sirven únicamente para carga axial. En la Sección 3.2 se puede encontrar el concepto del método, aplicable también a columnas mixtas sometidas a fuego, por el que puede tenerse en cuenta el efecto de la carga excéntrica sobre la resistencia al fuego. El valor de la longitud de pandeo depende de las condiciones de los extremos, tal y como se indica en la sección 2.3.

Clasificación de resistencia al fuego: 60 min.

Longitud de pandeo Lm 8

Figura 4.4 - Curvas de pandeo para diferentes clases de resistencia al fuego (cualitativo)

Para una determinada longitud de pandeo y carga, la resistencia al fuego de columnas de SHS rellenas de hormigón depende principalmente de las dimensiones de la sección transversal, la calidad del hormigón y de la armadura, si existe. Mediante una elección adecuada de estos parámetros, se puede satisfacer prácticamente cualquier resistencia al fuego. Si no se utiliza armadura y la columna está sometida a su carga máxima de cálculo en condiciones de temperatura ambiente, puede alcanzarse, normalmente, una resistencia al fuego de 30 minutos, pero no se lograrán los 60 minutos a menos que el nivel de carga disminuya de forma significativa. Esta es la razón por la que los diagramas de cálculo se centran en resistencias al fuego de 60 minutos o más y únicamente se tienen en cuenta columnas de SHS armadas. En el anexo 1[5; 19] se ofrece una serie completa de diagramas de cálculo y en la Tabla 1.1 del mismo anexo se ofrece un resumen general de las diferentes opciones. Al elaborar los diagramas de cálculo, se ha tomado como recubrimiento del hormigón dr el mayor de los siguientes valores, tal y como se muestra en la figura 4.5 : dr = 30 mm dr = b/8 ó d/8 mm 32

siendo: b, d = dimensión lateral o diámetro del perfil de SHS. d,

- - - Pertil de SHS

-·~Estribo

11'IJ Armadura Figura 4.5 - Recubrimiento dr

4.4

Columnas sin protección - aspectos tecnológicos

Normalmente, las columnas mixtas de SHS estarán compuestas de los siguientes elementos - el perfil tubular ; - hormigón con o sin armadura. El hecho de rellenar un perfil tubular con hormigón o mortero no garantizará las ventajas de la construcción compuesta. Es necesario combinar los componentes de manera que continúen actuando juntos en caso de fuego. La calidad del hormigón deberá de elegirse para satisfacer la capacidad de carga requerida en el núcleo bajo condiciones de fuego. Por lo general, no suelen existir requisitos especiales respecto al tipo de cemento o áridos. El tamaño máximo del árido grueso deberá tener en cuenta la geometría del perfil tubular (es decir, las dimensiones internas del perfil SHS, la distancia entre los estribos y la superficie interna del perfil). El llenado con hormigón de la columna debe hacerse con cuidado. Esta tarea deberá realizarse siempre meticulosamente para asegurar un rendimiento suficiente frente al fuego, debiendo utilizarse vibradores internos o externos. El posicionamiento de las barras de armado debe fijarse mediante la utilización de estribos y separadores. No hace falta calcular los estribos para resistir esfuerzos cortantes, debido a la alta resistencia a esfuerzo cortante del perfil tubular en caso de fuego. El llenado de hormigón puede hacerse antes o después del montaje de la estructura. Normalmente se elegirá la primera opción únicamente para columnas de un sólo piso, a causa de las limitaciones de peso de una columna completamente rellena. Para columnas continuas a través de varios pisos, es posible y además preferible un montaje completo de la estructura sin haber realizado el llenado con hormigón. En este caso, el hormigón se bombeará al perfil tubular desde abajo para garantizar un llenado completo de la columna continua a través de los diferentes pisos. Se tendrá especial cuidado en la realización de las uniones para asegurarse de que el hormigón fluya libremente. En las paredes del SHS son necesarios pequeños agujeros de drenaje (de 10 a 15 mm de diámetro), situados normalmente de dos en dos. Estos agujeros deberán realizarse en cada tramo de piso a nivel de cada suelo, con una distancia máxima en altura de 5,0 m. Deben colocarse a 100 - 120 mm de cada extremo de columna. Estos agujeros tienen como finalidad impedir que la columna reviente al verse sometida a la presión del vapor procedente del calentamiento del agua atrapada en el hormigón interior. Aparte de las secciones transversales con SHS estándar, se han realizado también una serie de diseños de sección transversal diferentes, que se han utilizado con éxito en proyectos de constrJcción. Todos ellos se basan o en combinaciones de perfiles tubulares (tubo dentro del tubo) o en combinaciones de perfiles tubulares con otros perfiles de acero. Las ventajas de

estos tipos de sección transversal especiales son un incremento en la capacidad portante sin necesidad de aumentar las dimensiones exteriores de la sección transversal, es decir, dimensiones reducidas para una determinada capacidad de carga. Para satisfacer requisitos arquitectónicos, también pueden utilizarse para los SHS de las columnas aceros especiales, tales como aceros patinables. Es necesario un diseño cuidadoso de la parte superior e inferior de una columna simple o de las uniones de una columna continua, para asegurar que la carga se introduce en la sección transversal mixta de forma adecuada. En el capítulo 6 se ofrecen consejos sobre el diseño apropiado a fuego de las uniones.

4.5

Columnas de perfil tubular SHS rellenas de hormigón y protegidas externamente

Si se desea una mayor resistencia al fuego, junto con un alto nivel de carga y/o una sección transversal de columna minimizada, puede que sea necesario aplicar protección externa convencional a una columna de SHS rellena de hormigón. Si el espesor del material de protección es tal que la temperatura del perfil de acero no sobrepasa 350°C4, puede suponerse que se satisface el criterio R (estabilidad) para la columna [5]. Se encuentra en preparación [20] un método de ensayo GEN basado en este supuesto, que se utilizará para determinar el espesor de protección necesario. En este método, se seleccionan las probetas de ensayo de manera que puedan evaluarse las propiedades adhesivas y aislantes del material de aislamiento y protección. Para ello, deben realizarse pruebas con al menos una columna de SHS de tamaño completo, y que posea un espesor mínimo del sistema de aislamiento aplicado. De forma complementaria, pueden realizarse ensayos con muestras de pequeño tamaño sin carga. Los resultados obtenidos se presentan de forma gráfica tal y como se muestra, por ejemplo, en la figura 4.6. Se permite la interpolación lineal, suponiendo que los resultados de los ensayos se refieran a muestras con secciones transversales de SHS que posean propiedades geométricas y físicas idénticas. Hay también reglas de extrapolación que se ofrecen en [18]. Las más importantes son que los resultados de la verificación pueden utilizarse también en las siguientes situaciones : Tiempo para alcanzar 350ºC (minutos)

140

-y---------------

120 100

80 60 40

Espesor del aislamiento (mm)

Figura 4.6 - Presentación de los resultados de verificación sobre una protección externa frente al fuego para columnas de SHS (cualitativa)

4 Esta temperatura refleja la situación provisional actual del borrador de la norma GEN

- el espesor de la pared de acero es mayor que el del ensayo ; - todas las dimensiones de la sección transversal son mayores que las del ensayo ; - la densidad del hormigón es mayor que la del ensayo. Como alternativa al punto de vista anterior, más o menos convencional, puede realizarse una interpretación analítica de los resultados de los ensayos. Sin embargo, hasta la fecha no se dispone de modelos y/o tablas de cálculo generalmente aceptadas.

4.6

Ejemplos de cálculo

En esta sección, se ilustrará por medio de ejemplos de cálculo la utilización de las tablas de cálculo del Anexo 1.

Ejemplo 1 Hipótesis: Columna continua de SHS, solicitada axialmente en el piso más alto de un edificio arriostrado : - carga: 280 kN - longitud: 5,00 m - perfil SHS : 220 x 220 x 6,3 mm - calidad del acero: S 235 - calidad del hormigón : C40 - calidad de la armadura : S 400 - porcentaje de armado : Pr = 2,5% Se pide: Comprobar si la columna puede clasificarse para una resistencia al fuego de 90 minutos. Solución: La columna está situada en el piso más alto y unida de forma continua a la columna que se encuentra debajo ; de ahí, longitud de pandeo : 0,7 x 5,00 = 3,50 m. Tabla de cálculo : 127 Curva: 8 Según la curva correspondiente, para una longitud de pandeo de 3,50 m y para la geometría de columna y calidades del material establecidas, la carga de agotamiento después de 90 minutos de exposición estándar al fuego es de 316 kN ; la carga real es de 280 kN, por lo tanto la columna se clasificará para una resistencia al fuego de 90 minutos.

Ejemplo 2 Hipótesis: Una columna continua y solicitada axialmente en un piso intermedio de un edificio arriostrado de gran altura : - carga : 1330 kN - longitud : 3,00 m Se pide: Encontrar varias alternativas de diseño para conseguir un nivel de resistencia al fuego de 60 minutos, con una anchura (diámetro) menor de 280 mm. Solución: La columna está unida de forma continua con las columnas superior e inferior ; de ahí, longitud de pandeo : 0,5 x 3,0 = 1,5 m. Diagramas de diseño: 17, 128 y 131 35

Diagrama 17 :

perfil SHS circular 0 273 x 5 mm , curvas 6 a 8 ejemplo : curva 8 : tipo de hormigรณn : C 40 armado : Pr = 2,5%

Diagrama 128 : perfil SHS cuadrado D 250 x 6,3 mm , curvas 6 a 9 ejemplo : curva 6: tipo de hormigรณn : C 30 armado: Pr = 4,0% Diagrama 131 : perfil SHS cuadrado D 260 x 6,3 mm, curvas 5 a 9 ejemplo : curva 7: tipo de hormigรณn : C 40 armado : Pr = 1,0%

5 Diseño a fuego de columnas de peñil tubular SHS rellenas de agua 5.1

Principios básicos

Existen varias formas de hacer efectivo el principio de refrigeración por agua de columnas de SHS. Sin embargo, en esta guía de diseño únicamente se tratará la refrigeración mediante rellenado de agua permanente. El llenado no permanente, los sistemas de flujo bombeado y el enfriamiento externo del acero por agua con sistemas de mciado o mecanismos similares están fuera del alcance de este manual, porque no son métodos estructurales que utilizan la circulación natural, sino métodos activos. El rellenado con agua, utilizando la circulación natural, proporciona un método de protección contra el fuego seguro y fiable para columnas de SHS si se satisfacen dos condiciones [21; 22]: - el sistema se activa de forma automática en caso de fuego ; - el sistema se autocontrola. En un sistema diseñado adecuadamente, la circulación natural se activará cuando las columnas se calienten localmente al declararse un incendio. La densidad del agua caliente es menor que la densidad del agua fría, lo que produce las diferencias de presión que provocan la circulación natural. Este efecto se intensificará cuando comience la ebullición en una zona y se forme vapor, ya que la mezcla de agua y burbujas de vapor tiene una densidad mucho menor que el agua caliente. Al aumentar el calor, también aumentará el nivel de producción de vapor, forzando así el efecto de enfriamiento conseguido mediante circulación activada de forma natural. Este comportamiento puede considerarse como un efecto del auto-control, ya que el efecto de enfriamiento se intensificará al aumentar la gravedad del fuego. Se dispone de los siguientes métodos de rellenado permanente por agua : Columnas sin reposición de agua (UC) El simple llenado de una columna con agua, sin que exista previsión de suministro para reemplazar el agua perdida por la producción de vapor, llevará a un aumento de la resistencia al fuego, aunque limitado, si se compara con la de una columna vacía. En las columnas que comprenden varios pisos, la resistencia al fuego puede aumentarse protegiendo externamente el tramo del piso superior y usarlo como una reserva de agua para los pisos inferiores. Sin embargo, una fuerte producción de vapor puede llevar a una pérdida adicional y crítica de agua por la irrupción de burbujas de vapor. Este tipo de columna se deberá utilizar solamente para requisitos de resistencia al fuego bajos, no mayor de 60 minutos. Su ventaja económica es limitada. Columnas con tubería externa (CEP) Este sistema tiene una tubería vertical que conecta la parte superior e inferior de la columna. La mezcla de agua-vapor más ligera y que fluye hacia arriba debe separarse en la parte superior, de forma que el agua pueda bajar a la parte inferior a través de la tubería. De esta manera se activará una circulación externa forzada de forma natural. Además, la tubería puede conectarse con un tanque de almacenamiento de agua que se encuentre en la parte superior del edificio y que sirva para reemplazar el agua perdida a causa de la producción de vapor y posiblemente, además, para actuar como una cámara común de separación agua/ vapor. Un grupo de columnas individuales puede conectarse por su parte inferior a una tubería conectora compartida, así como a otra que se halle en la parte superior. Para un grupo de columnas de este tipo, sólo es necesaria una tubería vertical que conecte las partes inferior y superior del grupo completo de columnas. La figura 5.1 a muestra el principio de las columnas CEP.

Columnas con tubería interna (CIP) En este sistema, se utiliza un tubo vertical interno dentro de cada columna para proporcionar un suministro de agua fría a su parte inferior. Esto promueve la circulación interna, activada de forma natural, de la mezcla agua-vapor ascendente y del agua descendente tras separarse del vapor. Así, cada columna actúa como un elemento individual sin ninguna conexión con las otras columnas.

A-A

B·B

C·C

Figura 5.1 - Opciones para columnas con tuberías externas e internas (CEP versus CIP}

Para minimizar el número de tanques de almacenamiento de agua, las partes superiores de varias columnas CIP pueden conectarse mediante una tubería que conduce a un tanque de almacenamiento para el grupo completo. La figura 5.1 b muestra el principio de las columnas CIP. Sistemas mixtos Las columnas CEP y CIP pueden mezclarse en un edificio y conectarse para que actúen como un sistema mixto integrado. Esto puede ser ventajoso para estructuras que contengan no sólo columnas, sino también diagonales para arriostramientos, etc. rellenas con agua. En los sistemas con circulación natural anteriormente descritos, el rellenado por agua no puede utilizarse en elementos horizontales por razones físicas. Un diseño seguro necesita una inclinación mínima de aproximadamente 45º. No es aconsejable utilizar instalaciones electromecánicas tales como bombas, válvulas accionadas y similares. Existe el peligro de que las bombas actúen contra la circulación producida de forma natural. Esto puede llevar a un fallo del sistema de refrigeración y por lo tanto, a un colapso de la estructura rellenada con agua.

5.2

Métodos de verificación

Se necesita un diseño cuidadoso para asegurar el comportamiento eficaz de un sistema de columnas de SHS rellenas de agua. Cabe la posibilidad de tener que comprobar diferentes situaciones de fuego para decidirse por la más perjudicial para el cálculo del sistema. Para asegurar el efecto de enfriamiento deben cumplirse dos criterios principales. - que se mantenga la circulación natural de agua ; - que se reemplacen las pérdidas de agua causadas por la producción de vapor. La masa de la estructura de acero enfriada por agua así como el agua del interior del sistema pueden tenerse en cuenta para calcular el tiempo de inicio de la ebullición. La pérdida de agua mediante evaporación, debe calcularse sólo para la diferencia de tiempos entre el comienzo de la ebullición y el tiempo requerido de resistencia al fuego.

Para el comportamiento térmico característico, véase la figura 5.2. La temperatura máxima alcanzada por el acero puede calcularse a partir de la temperatura de ebullición del agua de llenado. La propia temperatura de ebullición depende de la presión hidráulica del agua es decir, de la columna de agua. Además existirá un gradiente de temperatura a través de la pared del perfil tubular, lo que significará un ligero aumento de la temperatura de la superficie de acero directamente expuesta al fuego. Sin embargo, la temperatura externa máxima de la superficie de acero normalmente no alcanzará un valor lo suficientemente alto como para afectar de manera significativa a las propiedades mecánicas del acero. Aparte de situaciones en las que existan valores extremadamente altos de espesor de acero y presión de agua (por ejemplo, columnas en edificios de gran altura), puede asumirse que la capacidad de carga y la rigidez de una columna de SHS rellena de agua son independientes de cualquier fuego, siempre que continúe la circulación natural del sistema de refrigeración. 1200~-----------~ Fuego ISO

1000

800

'§

600

1l.

400 Superficie del acero Agua 90

120

150

t(min.)

Figura 5.2 - Evolución normal de la temperatura en una columa de SHS rellena de agua y expuesta a condiciones de fuego estándar

Normalmente será necesario elaborar o utilizar un programa informático para cuantificar este procedimiento. Los supuestos a considerar son del tipo de los siguientes : Las columnas están expuestas a la curva de incendio ISO estándar. El régimen de flujo de calor acumulativo puede representarse mediante una suma de estados constantes, en intervalos de tiempo de un minuto, utilizando la media de la temperatura en cada intervalo de tiempo. 111. Los coeficientes de transmisión de calor entre el fuego y la superficie externa del SHS se adaptan al EC1 [9] Parte 1O. por ejemplo, Q = 25. (T1 -T 5 } + 2,81232. 10-8 . ((T1 + 273) 4 - (T 5 + 273) 4 ) W/m 2 donde : T1 = temperatura del fuego T5 = temperatura en la superficie externa del SHS IV. La conducción a través de la columna obedece a una relación de Fourier Q = ksfx5 · (T5 - T¡) W/m 2 donde: k5 = (54- 0,0333 · T 5 } W/mºC x5 = espesor de pared del SHS y T¡ = temperatura en la superficie interna del SHS v. Existe una capa de burbujas en la superficie intermedia entre el acero y el agua. El flujo de calor que la atraviesa obedece a la siguiente ley. Q =A· 1000 · (T¡-Tw} 8 W/m 2 donde : T w = temperatura de ebullición del agua para agua :A = 2,2411 : B = 1,6322

11.

Comentario : Esta ecuación se utilizó para construir el gráfico de la figura 5.3 [22], que permite calcular (T¡ - Twl para densidades de flujo de calor de hasta 250 kW/m 2 . VI. El agua de enfriamiento absorbe el calor mediante calentamiento local de 20°C a 100ºC y después se vaporiza. Por tanto, h (total) = 4,187 . 80 + 2150 = 335 + 2150 = 2485 kJ/kg, siendo h (total) la absorción de calor por unidad de masa. VII. La temperatura de ebullición del agua bajo presión (T w) obedece a la ley: T w = 53,853 . (P + 10,33)º· 264 (T w no menor de 1ooºC) siendo P la columna de agua en metros de H2 0 Comentario : La ecuación se utilizó para realizar el gráfico de la figura 5.4 [22] que predice T w para columnas de agua de hasta 60 m. Las Tablas 5.1 y 5.2 proceden de un programa informático de este tipo y se basan en la teoría aplicada en [22], pero con los coeficientes de transferencia de calor entre el fuego y la superficie externa del SHS adaptados a los ofrecidos en el Eurocódigo 1, parte 2.7 [9] y el Eurocódigo 3, parte 1.2 [4]. Columna estática de agua (m)

Densidad del flujo de calor. Q (kW/m 2 ) 300~------------~ -

Extrapolación

200

,• /

, ,,;,,.

,,,,,

100 80 70 60 50

50 40

40 30

35% carbonato potásico

50% carbonato potásico

o -t---r--,---.-.......-.,.,...---.---,-.,.......,.....,....i 2

5678910

30 40 50 60

110

120 130 140 150 Punto de ebullición (ºC)

Figura 5.4 - Punto de ebullición sometida a presión

Figura 5.3 - Caída de la temperatura, entre el acero y agua circulante

160

del agua

Tabla 5.1 - Temperaturas externas calculadas para la pared de un perfil tubular Espesor de pared de SHS

Tiempo de fuego (minutos) 30

(mm) 5 10 15 20 25

120

Temperatura externa de SHS (ºC) 114 120 126 132 138

117 125 134 145 150

120 129 139 149 159

122 132 143 155 166

La Tabla 5.1 muestra temperaturas obtenidas utilizando estos supuestos, sobre la base de un "incendio estándar" ISO en un edificio de un solo piso, o en el piso más alto de un edificio en el que el agua está a presión atmosférica. El agua en cualquier columna de un piso más bajo estará sometida a presión y hervirá a temperaturas mayores de 100°C. Como resultado, 40

este tipo de columnas alcanzará temperaturas ligeramente más altas durante el fuego y por lo tanto necesitará un poco menos de agua para conseguir su protección. La mayoría de los perfiles estructurales tubulares tienen paredes con un espesor menor de 25 mm. Se necesitará una columna de agua de al menos 24 m para que la temperatura externa de un SHS de 25 mm de espesor llegue a 200°C. Igualmente, se necesitará una columna de agua de al menos 80 m para que la temperatura externa de un RHS de 25 mm de espesor llegue a 250°C. Por lo tanto, en las situaciones prácticas, la temperatura del acero está muy por debajo de su valor crítico. Ver también 3.2. La Tabla 5.2 incluida proporciona los requisitos de agua bajo el calentamiento del "incendio estándar'' de ISO, basándose de nuevo en el caso peor de un incendio en el piso más alto de un edificio. Esta tabla tiene como propósito permitir que un ingeniero proyectista haga un cálculo preliminar del peso de agua exigido para una determinada vida a fuego, la capacidad de depósito resultante y de ahí las cargas muertas adicionales a imponer a la estructura. Se supone que no existe circulación de agua anterior a la ebullición y que no se produce un calentamiento global, es decir, se ignora la capacidad térmica del resto del sistema en un incendio local. Tabla 5.2 - Exigencia total de agua por m2 del superficie de columna calentada Tiempo de fuego (minutos) Agua necesaria (kg/m2)

30 30

60 82

90 147

120 222

En cualquier procedimiento de cálculo completo se evaluarían las pérdidas de presión de columna de agua generadas por la circulación de vapor y agua en los respectivos sistemas de tuberías y se comprobaría que el sistema funcionará adecuadamente cuando se produzcan dichas pérdidas.

5.3

Aspectos tecnológicos y detalles constructivos

El medio de refrigeración denominado en este capítulo "agua" es, de hecho, una mezcla de agua con aditivos anticorrosivos y anticongelantes. Puede utilizarse nitrato potásico como un aditivo anticorrosión en una concentración habitual de 1 kg KN0 2/m 3 de agua. El carbonato potásico (K2C0 3 ) se utiliza normalmente como aditivo anticongelante. La concentración depende de la temperatura más baja (bajo cero) para la que debe diseñarse el sistema de refrigeración. La cantidad de este aditivo no puede ignorarse, ya que influirá en el comportamiento físico y termodinámico del líquido. La densidad del líquido resultante más alta deberá tenerse en cuenta en los cálculos de presión estática, de forma que la temperatura de ebullición dependerá de su concentración. Su presencia también puede alterar las características de transferencia de calor de la capa de burbujas en la zona interna intermedia entre el acero y el agua. Además, la concentración de K2 C0 3 en el líquido puede aumentar al reducirse por evaporación el volumen de agua. Igualmente, después de un fuego intenso se deberá realizar una inspección del sistema de tuberías para comprobar que no haya carbonato cristalizado en ellas. Para garantizar que el sistema de refrigeración funciona de manera segura en situaciones de incendio, deben evaluarse o diseñarse muy cuidadosamente una serie de detalles tales como: - el método a utilizar para separar la mezcla agua-vapor ascendente y el agua descendente, - la situación y dimensión de la tubería de salida de vapor, - el receptáculo de vapor, si es que existe, en el depósito de almacenamiento de agua. - el nivel mínimo de agua en cualquier depósito de almacenamiento al acabar el tiempo requerido de resistencia al fuego,

- la relación entre la tubería interna y los tamaños de columna para el sistema CIP o entre tuberías conectoras exteriores y columna para el sistema CEP, - el comportamiento hidrodinámico de los sistemas de tubería del agua y del vapor, incluyendo uniones, ángulos, orificios, etc. - la protección frente al fuego del depósito de almacenamiento de agua y de cualquier tubería externa, - la seguridad a la presión del sistema completo, dependiendo de la columna de agua estática y de la presión de vapor adicional, - la calidad y seguridad de cualquier soldadura y unión, tanto para las columnas como para las tuberías, - el aislamiento convencional frente al fuego de aquellos elementos de acero conectados al sistema enfriado por agua, pero que no los enfría el agua directamente.

5.4

Ejemplos de cálculo

En los capítulos anteriores, se han ofrecido únicamente las características básicas del cálculo a fuego de columnas de SHS rellenas de agua. El dar un ejemplo completo para el diseño a fuego de columnas rellenas de agua quedaría fuera del alcance de este manual. Deberá consultarse la literatura especializada apropiada, en especial [20]. Sin embargo, en el Anexo 111 de esta guía de diseño se ofrece información adicional sobre el cálculo y diseño parcial de una estructura rellena de agua.

Uniones y resistencia al fuego

6.1

Columnas de perfil tubular SHS sin rellenar

Las uniones de estructuras de acero con y sin protección tienen normalmente un factor de forma local menor que los elementos adyacentes y alcanzarán, por lo tanto, temperaturas del acero más bajas. Como ni en la práctica, ni en ensayos de fuego, el comportamiento de las uniones ha iniciado la rotura en una estructura o en un elemento de ensayo, podrán, dichas uniones, calcularse utilizando los códigos normales de diseño a temperatura ambiente. Sin embargo, cuando se utilizan uniones atornilladas para elementos de acero con aislamiento, habrá que asegurarse de que las cabezas y las tuercas del tornillo están tan protegidas como el casquillo de unión. Esto conducirá normalmente a un incremento local del espesor del aislamiento.

6.2

Columnas de perfil tubular SHS rellenas de hormigón

Las columnas de perfil tubular rellenas de hormigón cumplen normalmente los requisitos de protección frente al fuego sin necesidad de tomar más precauciones. Por razones económicas, este método de construcción necesita de uniones de fácil montaje entre las columnas y las vigas, que preferiblemente deberían corresponderse con las utilizadas en la construcción normal en acero. Las uniones diseñadas adecuadamente serán resistentes al fuego y pueden incluso mejorar el comportamiento a fuego de toda la estructura. Sin embargo, las cargas han de transferirse de las vigas a las columnas de tal forma que todos los componentes estructurales - acero estructural, armaduras y hormigón - contribuyan según su resistencia a la capacidad de carga. Una unión columna/viga bien construida deberá : - ofrecer una instalación sencilla ; - optimizar la prefabricación de columnas y vigas ; - asegurar una resistencia al fuego adecuada sin perjudicar a cualquier revestimiento protector externo. Si una estructura de edificio está arriostrada (núcleo central), las uniones normalmente transfieren sólo cargas de esfuerzo cortante. En las construcciones de acero se utilizan dos tipos diferentes de uniones entre vigas y columnas :

~ ~

Figura 6.1 - Unión de viga a columna para vigas continuas (a) y columnas continuas (b} ; boceto esquemático.

- para vigas continuas (ver figura 6.1 a) : Las columnas se unen a la viga mediante chapas extremas, los esfuerzos cortantes se transfieren a las columnas mediante apoyo directo sobre los extremos superiores. Este tipo de uniones pueden clasificarse en la misma categoría de resistencia al fuego que las vigas mixtas y columnas, sin otras disposiciones respecto al diseño.

- para columnas continuas (ver figura 6.1 b) : La unión de la viga a las columnas se calcula como articulada. Los elementos de la unión transfieren los esfuerzos cortantes a las columnas. Para conseguir una alta resistencia al fuego, estos elementos pueden protegerse, sobredimensionarse o diseñarse de forma especial, de manera que las fuerzas puedan transferirse incluso si el material pierde su resistencia por la acción del fuego. Se han investigado dos tipos de uniones articuladas : reforzada

simple

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Figura 6.2 - Unión de viga a columna con un casquillo de unión "simple" (a) y "reforzado" (b) ((a) se utilizará únicamente bajo requisitos de baja resistencia al fuego) Uniones que tienen un casquillo de unión instalado verticalmente : Aunque los casquillos de unión pueden estar sujetos al perfil de acero sin tomar ninguna otra precaución (ver figura 6.2a) se recomienda que parte de la carga se transfiera al núcleo de hormigón mediante tornillos o pernos (ver figura 6.2b) o utilizando una placa de unión continua atravesando el perfil (ver figura 6.3). Estas medidas garantizan la transferencia de carga del esfuerzo cortante al hormigón y también impiden la rotación del casquillo de unión en la pared del SHS, lo que puede reducir la resistencia al fuego de la viga adyacente. Esta transferencia de carga debe producirse, tanto si la columna de SHS rellena se diseña como una columna mixta en condiciones de temperatura ambiente o como una columna no protegida rellena de hormigón y diseñada específicamente para resistir al fuego. A-A

Figura 6.3 - Unión de viga a columna con pieza de unión atravesando la columna Uniones en las que las vigas asientan sobre tacos de apoyo: Si el taco de apoyo está únicamente soldado al perfil tubular de la columna mixta, la pared del tubo puede pandear localmente después de aproximadamente 20 minutos de acción del fuego. Esto puede llevar, al menos, a rotaciones significativas del apoyo y, probablemente, a que la viga se deslice del mismo. Pueden obtenerse resistencias al fuego más altas si se sueldan pernos de cortante a la cara posterior del taco de apoyo (ver figura 6.4) que se

pasan a través de agujeros del perfil tubular y se embeben en el hormigón de la columna, de manera que el taco de apoyo queda completamente asegurado bajo la acción del fuego. A-A

Figura 6.4 - Unión de viga a columna con un taco de apoyo para la viga

El diseño del taco y de los pernos se basa en las reglas de cálculo a temperatura ambiente [16; 23]. Véase el Anexo 11 si se desea más información y un ejemplo de cálculo. El diseño de nudos rígidos en combinación con columnas de SHS rellenas de hormigón se encuentra en estudio en estos momentos. Por lo tanto, no pueden darse recomendaciones generales de cálculo.

6.3

Columnas de perfil tubular SHS rellenas de agua

No se dispone de evidencia experimental para el comportamiento de uniones expuestas al fuego en estructuras de acero rellenas de agua. Sin embargo, por analogía con el comportamiento de las uniones de SHS sin rellenar, puede suponerse que su comportamiento no es crítico y que no se necesitan medidas específicas de diseño. Ver también el apartado 6.1.

7 GEN EC SHS

Símbolos Comité Européen de Normalisation (Comité Europeo para la Normalización European Committee for Standardisation) Comunidad Europea o Eurocódigo Perfil Tubular Estructural

Letras mayúsculas área de la sección transversal de hormigón Ac área de la superficie de un elemento de acero/ unidad de longitud Am área de la sección transversal de armadura de hormigón Ar área de la sección transversal del perfil tubular de acero As tipo de hormigón (ver diagramas 11 a 142) e criterio de resistencia al fuego con respecto a la integridad E criterio de resistencia al fuego con respecto al aislamiento 1 longitud de pandeo bajo condiciones de fuego Lcr,8 momento de extremidad máximo aplicado M carga axial N Ncr,8 resistencia a pandeo bajo condiciones de fuego carga axial equivalente Neq p perímetro calentado del perfil tubular de acero criterio de resistencia al fuego con respecto a la estabilidad R capacidad de carga momento plástico de la sección transversal a temperatura ambiente resistencia a compresión de la sección transversal bruta a temperatura ambiente carga mecánica volumen de un elemento de acero / unidad de longitud Letras minúsculas b dimensión lateral de un SHS rectangular c coeficiente de corrección utilizado en columnas para obtener el grado eficaz de utilización d diámetro de un SHS circular d¡ espesor del aislamiento térmico externo dr recubrimiento de hormigón de la armadura k coeficiente de modificación del momento (utilizado en EC3 Parte 1) Pr porcentaje de armado r¡ capacidad de carga bajo el fuego de un componente de una sección tranversal mixta t tiempo ; espesor de pared de un perfil tubular de acero radio de giro Subíndices fi valor significativo para la situación de fuego fr resistencia al fuego u último Letras griegas temperatura es temperatura del acero ecrit temperatura crítica µ grado de utilización Xmin coeficiente de pandeo según la curva "c" de EC3 Parte 1 o cualquier curva de pandeo nacional equivalente

8 Referencias [1]

ISO: "Fire resistance tests - Elements of building construction", lnternational Standard ISO 834, first edition, 1975.

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Underwriters Laboratory: "Fire Tests of Building Construction and Materials", UL 263, USA, 1991.

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Eurocode 3 : "Design of Steel Structures - Part 1.2 : Structural tire design" ; Draft prENV 1993-1-2, Mayo 1993.

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Eurocode 4 : "Design of Composite Steel and Concrete Structures - Part 1.2 : Structural Fire Design, Draft prENV 1994-1-2, Enero 1993.

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Steel Promotion Committee of Eurofer : "Steel and tire safety : a global approach", Eurofer, Brussels, 1990.

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Eurocode 2 : "Design of Concrete Structures - Part 1O : Structural tire design of concrete structures", final draft, Luxembourg, Abril 1990.

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Eurocode 1 : "Basis of Design and Actions on Structures - Part 2.7 : Actions on Structures Exposed to Fire", Draft prENV 1991.

[1 O]

Eurocode 3 : "Design of Steel Structures - Part 1.1 : General Rules and Rules for Buildings", ENV 1993-1-1 : 1992.

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COMSYS-T : Computer code for the determination of the ultimate load bearing capacity in tire case, Wuppertal University, lnstitute for Structural Engineering and Fire Safety, Germany.

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STABA-F : Computer code for the determination of load bearing and deformation behaviour of uni-axial structural elements (beams, columns) under tire action, Technical University of Brunswick, Germany.

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Klingsch, W. : "Optimization of Cross Sections of Steel Composite Columns", Proceedings of the third lnternational Conference on Steel-Concrete Composite Structures, Fukuoka, Japan, p.99-105, 1991.

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Grandjean, G., Grimault, J.-P., and Petit, L. : "Détermination de la Durée au Feudes Profiles Creux Remplis de Béton", Cometube, 1980 (también publicado como ECSCreport no. 721 O SA3/302). 47

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EN YYY5 : "Methods of Test for the Contribution to Fire Resistance of Structural Member: Part 4B: Applied Protection to Concrete Filled Hollow Steel Columns".

[21]

Honig, O., Klingsch, W., Witte, H. : "Baulicher Brandschutz durch wassergefüllte Stützen in Rahmentragwerken (Fire Resistance of Water Filled Columns)", Research Report, Studiengesellschaft für Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, Forschungsbericht p. 86/4.5, 1985.

[22]

Bond, G.V.L. : "Fire and steel construction, Water cooled hollow columns", Constrado, Croydon, 1975.

[23]

Roik, K., Bergmann, R., Haensel, J., and Hanswille, G. : "Verbundkonstruktionen, Bemessung auf der Grundlage des Eurocode 4, Teil 1", Betonkalender, Verlag für Architektur und technische Wissenschaften, Ernst & Sohn, Berlín, 1993.

9 Ejemplos de edificios Alemania: Sistema de construcción Gobaplan Gobaplan es un sistema habitual de construcción de oficinas utilizando perfiles tubulares cuadrados de acero. Pueden tener hasta cinco pisos de altura con una modulación horizontal de 2,40 m. La altura de los pisos puede variar desde aproximadamente 3,0 m hasta más de 3,40 m. La estructura portante utiliza perfiles tubulares cuadrados de acero de 100 mm para las columnas y pequeños perfiles abiertos H para las vigas. Los paneles de la pared y ias losas del suelo están realizados con elementos de hormigón prefabricados. Los requisitos de fuego de hasta 90 minutos se satisfacen utilizando techos suspendidos para proteger las vigas, y empleando también el efecto combinado de láminas de yeso con las unidades de pared para conseguir un sistema integrado que proteja las columnas. Esto conduce a un diseño altamente competitivo debido a los bajos costes y ai rápido montaje. Taller de calderería : Goldbeckbau GmbH, Bielefeld Ingeniero de fuego : Hosser, Hass + Partner, Brunswick

Alemania : Edificio Norcon de Hanover Las oficinas colgantes de Hanover consisten en un edificio de cinco pisos. La planta baja, que no está directamente conectada con el sistema portante dei edificio principal, está suspendida a una distancia de aproximadamente un metro sobre el nivel del terreno en toda la base del edificio. Cada uno de los cuatro pisos superiores se sostiene colgado de tirantes refrigerados por agua y fijados a la viga principal que se encuentra en lo alto del edificio. Esta viga cuelga por debajo de la parte superior de! grupo principal de columnas que soportan las cargas. Cada una de las columnas es un sistema refrigerado por agua. Tanto los tirantes como las columnas son de diseño tubular con un sistema CIP refrigerado por agua. Cada grupo de cuatro columnas y cada grupo de tirantes tiene su propio depósito de almacenamiento de agua situado en ía parte superior del edificio. Se pedía una resistencia al fuego de noventa minutos. Sin embargo, mediante rellenado automático del sistema, es posible conseguir una resistencia al fuego ilimitada de !a estructura de acero refrigerada. No es necesario un aislamiento adicional frente al fuego para las estructuras de acero refrigeradas por agua. Columnas: Tirantes:

470 0 x 25 + 216 0 x 6 121 0 x 10 + 42,4 0 x 2,6

Arquitecto: SE-Architekten Schuwirth and Erman, Hanover Taller: Krupp Stahlbau, Hanover Ingeniero de fuego : HWK-Honig, Klingsch, Witte, Wiesbaden/Remscheid

Holanda : Edificio Mees Lease de Amsterdam Este edificio de oficinas de cuatro plantas, con una superficie de 1800 m2 , ha sido construido con una estructura de acero, hasta ahora no muy frecuente en Holanda. En comparación con una estructura tradicional de hormigón, esta estructura de acero fue mucho más ligera, de montaje más rápido, y un 10% menos costosa. La estructura de acero es una estructura arriostrada con columnas tubulares y vigas integradas que soportan losas de hormigón huecas. Se pedía una resistencia al fuego de una hora. Esto podía conseguirse fácilmente tomando como base las reglas de diseño del CIDECT mediante rellenado con hormigón de las columnas de CHS de 323 de diámetro y mediante vigas HEA integradas que están embebidas en hormigón. Por lo tanto, no se necesitó para este edificio un posterior aislamiento frente al fuego. Arquitecto: Ingeniero estructural : Ingeniero de fuego : Fabricante de la estructura: Contratista principal:

J & S Architects B.V., Boxtel ECCB B.V., Hillegom and P. de Jong, Amsterdam ldem Evers Staalkonstrukties Hillegom B.V., Hillegom EBB-Kondor Leiden B.V., Leiden

Reino Unido : Hospital Memorial de Darlington Se eligieron perfiles RHS rellenos de hormigón para las columnas internas del edificio de 8 y 9 pisos del Hospital Memorial de Darlington, con objeto de conseguir columnas lo más compactas posible que se adaptaran ai módulo de !a disposición en emparrillado "Tartan". El edificio tiene una planta de 94 x 48 m y una altura máxima de 33 m. Los tres pisos interiores tienen columnas gemelas de RHS de 150 x 150 mm, rellenas con hormigón, con una resistencia cúbica a 28 días de 60 N/mm 2 . Los pisos más altos tienen columnas simples de RHS de 20~,,2 x 152,4 rellenas con hormigón de 30 N/mm2 . Todos los perfiles RHS están de acuerdo con !a BS 4360 50C. Las columnas se montaron en longitudes de tres pisos y se rellenaron con hormigón tras la construcción de la losa de hormigón de suelo en la parte superior de cada tramo de columna. Las uniones de columna se hicieron con chapas atornilladas a nivel del suelo. Se pedía una resistencia a! fuego de 1 hora, excepto en la zona del almacenamiento del sótano, donde se pedían 1,5 horas. La resistencia al fuego se consiguió cubriendo las columnas después de su construcción con 38 mm de enlucido de vermículita. No se tuvieron en cuenta !os efectos beneficiosos del rellenado de hormigón al determinar los espesores para protección al fuego.

Reino Unido : Estación de autobuses Rochdale

Las columnas en RHS, de 150 mm de lado y 3,3 m de altura, se rellenaron, después del montaje, con hormigón armado con fibra de acero, para conseguir columnas compactas de 1 hora de resistencia al fuego sin necesidad de utilizar revestimiento externo. Las columnas soportan el suelo de la cafetería / servicios de los empleados que se encuentra sobre las zonas de la estación de uso público. Sobre una columna representativa se realizó un ensayo de resistencia al fuego estándar según BS 476 : Parte 8, para demostrar que se había conseguido una adecuada resistencia al fuego. Arquitecto : Ingenieros asesores: Contratista principal :

Essex, Goodman y Suggit De Leuw, Chadwick, Oheocha John Laing Construction Ltd.

Finlandia : El edificio Tecnocent, Oulu El edificio Tecnocent está situado en el parque científico de Oulu. El propósito de! edificio es servir a las empresas que investigan, desarrollan y producen productos de alta tecnología. Debido a esta imagen high-tech, se utilizó el acero en las estructuras de soporte y también en las fachadas y en los suelos mixtos. Las columnas consisten en perfiles circulares (219 mm de diámetro) y cuadrados (200 x 200 mm). El requisito de resistencia al fuego era de 60 minutos. Este requisito se cumplió rellenando los perfiles tubulares con hormigón armado. Este es un método de protección frente al fuego ampliamente utilizado en Finlandia. El rellenado con hormigón de los perfiles se realizó en el taller de calderería. Esto fue posible porque tanto dicho taller como la planta de hormigón estaban situados muy cerca del solar del edificio. Arquitectos : Oficina de ingeniería: Taller de calderería :

Architects J & J, Oy, Ou!u Poysala & Sandberg Oy, Ou!u Oy Oulun Hypoco, Oulu

Finlandia : Edificio Lapinniemi, Tampere El Edificio Lapinniemi es una antigua fábrica construida en 1897. Se restauró en 1989-1990 para ser utilizado como residencia y establecimiento de baños. En ia antigua construcción se utilizaron principalmente ladrH!os y fundición de hierro. La nueva construcción está realizada con perfiles CHS y está arquitectónicamente adaptada a las partes antiguas de! edificio. Al haberse cambiado el uso a! que el edificio estaba destinado, tuvieron también que volverse a evaluar los requisitos de fuego. A principios de siglo, no existía ninguna exigencia en cuanto a la resistencia a! fuego de los componentes de acero. Tras la renovación, todos los elementos de acero de la estructura tenían que cumplir un requisito de resistencia al fuego de 60 minutos. Como el edificio tenía partes nuevas y antiguas, el rnétodo más adecuado de protección frente al fuego era !a píntura resistente a! fuego. Esto supuso asimismo una gran ventaja ya que las bellas columnas antiguas de fundición de hierro no fueron tapadas por materia! de protección. Taller de calderería : Teraselementti Oy Arquitecto: AR-Tsto Antti l<atajamakí Oficina de ingeniería para construcciones de acero : TE-EM-Oy

Australia: Edificio de Oficinas Riverside, Adelaida

La forma básica del Edificio de Oficinas Riverside se compone de cuatro torres huecas octogonales, que rodean un atrio central. Cada torre tiene aproximadamente 550 metros cuadrados de superficie. Una disposición habitual de la planta de la torre consiste en vigas primarias compuestas orientadas a 45 grados con relación al emparrillado de la columna. Las columnas son tubos de acero circulares, rellenos de hormigón armado. Las fuerzas laterales causadas por viento y terremotos se resisten mediante una combinación de un sistema de arríostramiento en K de acero tubular situado alrededor del perímetro del atrio y núcleos circulares de escalera de hormigón situados en los lados este y oeste del edificio. Las columnas de ascensores están emplazadas en la parte central del atrio y están constituidos por estructuras de acero de sección tubular rectangular, completamente soldadas y sin protección frente al fuego. Las columnas deben tener una resistencia al fuego de i 20 minutos. En condiciones normales, el hormigón y el acero trabajan conjuntamente ; pero en caso de incendio la zona de hormigón armado de la columna soporta la carga. El arriostramiento en K tubular no se clasifica respecto al fuego ya que los núcleos externos de las cajas de escalera en hormigón proporcionan la estabilidad lateral durante el fuego. Sin embargo, se considera el arriostramiento completamente eficaz frente al viento y los terremotos. Columnas (general) : 600 mm de diámetro Columnas (columna de ascensor): RHS 152 x 152 mm Diagonales de arriostramiento en K : CHS 0 406 x 6,3 mm Arquitectos : Ingeniero estructural : Constructor :

John Andrews lnternational Pty Ud., Sydney and Woodhead Hall McDonald Shaw Pty Ud., Adeiaide Pak Poy & Kneebone Pty Ltd., Adelaide Hansen Yuncken (S.A.) Pty Ud.

Francia: Oficina Central de Microsoft, Villebon-sur-Yvette Situada en un parque empresarial, la Oficina Central de Microsoft tenía que expresar a través de su diseño la vitalidad de la compañía. Esto se consigue utilizando medios sencillos. Construida alrededor de cinco jardines interiores, con el objeto de crear un sistema de comunicación eficiente entre los diferentes departamentos de la organización Microsoft, este complejo se compone de estructuras de dos y tres pisos. Se diseñó para todo el edificio, una estructura de acero lo más simple posible. Como la protección frente al fuego para la estructura horizontal se encuentra oculta por un techo suspendido, su apariencia no es importante. Sin embargo, y con la finalidad de mantener visible la estructura vertical, se han utilizado una serie de columnas tubulares rellenas con hormigón (D 250 x 250 mm). Se exigía una resistencia al fuego de 60 minutos. Arquitecto : Promotor : Ingeniero estructural : Ta!!er de calderería :

Paul Depondt, Cergy lnnovation lmmobiliére, Nanterre Themis Constantindis, Bou!ogne Entreprise Barbot, Descartes

Japón : Edificio Mitsui Soko Hako:zaki (edificio de viviendas de gran altura} Este edificio de viviendas {76) de gran altura, que está situado en la orilla del río Sumida en el centro de Tokyo, tiene 19 plantas y una superficie total de 9006 m2 . la estructura del edificio se compone de columnas de acero tubulares rellenas de hormigón (CFT) y vigas de hormigón armado prefabricadas en obra. Cada lado de la columna cuadrada de CFT mide 600 mm y se hicieron rellenando en la misma obra longitudes de dos plantas con hormigón (resistencia de 27 MPa). Gracias al llenado con hormigón, el espesor de la protección de resistencia al fuego de cada columna de CFT pudo reducirse en un 30-50% si se la compara con el espesor de los materiales de protección para una columna de acero similar pero hueca. Arquitecto : Takenaka Corporation Ingeniero estructural : Takenaka Corporatíon Ingeniero de fuego : Takenaka Corporation Contratista : Takenaka Corporation

Í hormigón ordinario columna de acero

¡ lámina de silicato cálcico f- lámina de yeso

Japon : Nakanoshlma lntes

Este edificio de oficinas que está situado en Nakanoshima, en el centro de la ciudad de Osaka, se compone de un sótano, 22 plantas sobre el suelo y una superficie total de 24770 m2 • La estructura del edificio se compone de columnas tubulares rellenas de hormigón (CFT) y vigas de acero. Las columnas de CFT cuadradas tienen una anchura entre 600-850 mm y las columnas de CFT circulares poseen diámetros entre 70D-800 mm. Las columnas se rellenaron con hormigón en fábrica. Se llevó a cabo una investigación empírica y analítica para calcular la resistencia al fuego de estas columnas de CFT, tomando como base los resultados del estudio del "Nuevo Proyecto de Alojamiento Urbano" - "New Urban Housing Project" - que se realizó bajo la dirección del Ministerio de Construcción. A partir de los resultados de la investigación, se verificó que para columnas de CFT utilizadas desde la planta 1O a la 22 (para las que se piden entre 60-120 minutos según las reglas japonesas de clasificación de resistencia al fuego) no se necesitaba protección con materiales resistentes al fuego. Posteriormente, se construyó el edificio con la aprobación del Ministerio de Construcción. Arquitecto: Takenaka Corporation Ingeniero estructural: Takenaka Corporation Ingeniero de fuego: Takenaka Corporation

Japón : Centro Informático ENICOM Este edificio, con seis plantas y una superficie total de i0960 m2 , se construyó en Tokyo. Como el edificio está destinado a albergar instalaciones para ordenadores, se adoptaron columnas rectangulares de acero (600 mm de lado x 19 mm de espesor) rellenas de hormigón, para evitar una excesiva vibración estructural (también se utilizaron aisladores sísmicos). Empleando acero resistente al fuego, el espesor de la protección contra ei fuego (un material cerámico aplicado mediante proyección) necesario para satisfacer las dos horas de resistencia al fuego pedidas, se redujo a 5 mm (el espesor requerido para el acero convencional era de 30 mm). Esto también evitó la necesidad de utilizar una capa de armadura dentro de la capa de protección. Arquitecto : Nippon Steel Corp. Ingeniero estructural: Nippon Steel Corp. y Tokyo Structura! Engineers Ingeniero de fuego : Nippon Steel Corp. Contratista principal : Nippon Steel Corp.

Anexo 1: Diagramas de cálculo para columnas de perfil tubular SHS sin protección, rellenas de hormigón Tabla 1.1

--·--··------------------·-·-----Resistencia al fuego

T ipo de hormigón

----

Diagrama nQ

Tamaño de sección

'-----·-····--·-----

R 60 R 90

R 120 R 60 R 90 R 120

0 219,1

4,5

11 12 13

0 244,5

5,0

e 20

14 16 ----

R 60 R 90 R 120

R 60 H 90 H 120

5,0

0 323,9

5,6

110 111 112

5,6

113 114 115

C30

~·-----·-

Fl 60 R 90 R 120 R 60 R 90 R 120

0 273,0

17 18 19

0 355,6

--~

C40

0 406,4

116 117

6,3

_,_

R30

R60

119 120 121

0180x6,3

R 90 '----------·----------

R 30 R 60 R 90

---·------·-··-·--------- t - - - - · - · - - · - - - - - - -

C20

R60 R90 R 120

R60 R 90

122 123 124

D 200x 6,3

1 - - - - - - - - - ---··--------

fl 30 R60 R 90

1-,.......,_·---~------------·----'

D 220 x 6,3

125 126 127

D 250 x 6,3

128 129 130

D 260 x 6,3

131 132 133

C30

R60 D 300 x 7,1

R 90 R 120

R 60

R 90

n 120

·--·

C40

D 350 x 8,0

--D 400 x 10.0

_______ __

R 120

R 60 R 90 R 120 L------------·-

_____li8

",,

134 135 136 137 138 139 140 141 142

·--

___.1

dr ~

'------

hormig贸n ver referencias para calidad del hormig贸n

tipo de acero:

S 235

resistencia al fuego R 60

armaduras:

S 400

1,20-,-----------------,

armaduras

__ _=:::::,_ ver referencias

para el porcentaje de armado d

Diagrama 11

1,00

~ cD

u z

6 0,80

7 5 3

oQ)

@ o..

4 2

0,6

1 tipo de hormig贸n Pr %

0,40

(.)

1 2 3 4 5

0,20

---C20 C20 C20 C30 C30

1,0 2,5 4,0 1,0 2,5

6 7 8 9

C30 C40 C40 C40

4,0 1,0 2,5 4,0 3

longitud de pandeo Lcr,e (m)

Diagrama de carga axial para columna con secci贸n tubular circular 0 219, 1 x 4,5

i Diaarama 12

tipo de acero :

s 235

Diagrama 13

tipo de acero :

s 235

resistencia al fuego R 90

armaduras :

S 400

resistencia al fuego R 120

armaduras :

S 400

0,30

0,60

8 0,40

oQ)

3 5 7

C'CI

_gi 0,30

4 5

0,20 1

2 3

0,151

C'CI

c. Q)

2 4

C'CI O>

1 0,25

E-

0,50

"O C'CI

e> C'CI

cii (.)

(.)

0,20

tipo de hormigรณn 1 C20 0,10i 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

O, 10

Pr % 1,0 2,5 4,0 1,0 2,5 1

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40 2

tipo de hormigรณn Pr %

1 2 3 4 5

0,05

4,0 1,0 2,5 4,0

o 3

longitud de pandeo Lcr,e (m)

e 20 C20 C20 C30 C30

1,0 2,5 4,0 1,0 2,5 1

6 C30 4,0 2

longitud de pandeo lcr>e (m)

Diagramas de carga axial para columna con secciรณn tubular circular 0 219, 1 x 4,5

--1

hormigรณn ver referencias -------- para calidad del hormigรณn

Diagrama 14

tipo de acero :

S 235

resistencia al fuego R 60

armaduras:

S 400

1,50

!1~ 1

_____d_J

!~~~1~;:~cias . para el porcentaJe de armado

8 6

1,25

6 ยง z

7 5 3

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2 -::n

0,75

"O ctl

rs o,5o

tipo de hormigรณn 1 C20 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

0,25

Pr % 1,0 2,5 4,0 1,0 2,5

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40

4,0 1,0 2,5 4,0

0-f-----,------,------,-----...-----'

longitud de pandeo Lcr,e (m)

O) (Jl

Diagrama de carga axial para columna con secciรณn tubular circular 0 244,5 x 5,0

O) O)

Diagrama 15

tipo de acero :

s 235

Diagrama 16

tipo de acero :

s 235

resistencia al fuego R 90

armaduras :

S 400

resistencia al fuego R 120

armaduras:

S 400

0,90

0,50

9 0,80

6 8

0,70

0.40

6 8

i 0,35]

5 7

o 060 '

<ll

-o

fü

0,45

-o

2 4

~ 0,20

0,30

tipo de hormigón 1 C20 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

O, lOi

~ 0,25 Cll

§, 0,40 cilu

0,20

<ll

0,30

¡¡¡

2 4

0,50

0,15

Pr % 1,0 2,5 4,0 1,0 2,5 1

1 tipo de hormigón Pr %

----

6 7 8 9

C30 C40 C40 C40

4,0 1,0 2,5 4,0

0,05

o 2

1 C20 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

0,10

longitud de pandeo Lcr,e (m)

1,0 2,5 4,0 1,0 2,5

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40

4,0 1,0 2,5 4,0

longitud de pandeo Lcr,e (m)

Diagramas de carga axial para columna con sección tubular circular 0 244,5 x 5,0

==-

hormig贸n ver referencias para calidad del hormig贸n

Diagrama 17

tipo de acero :

S 235

resistencia al fuego R 60

armaduras:

S 400

2,00

9 armaduras ~ ver referencias para el porcentaje de armado

1,75J

1,so

d 0

8 6 7 5

1,25

1,00 1

o. Q)

ro o. 15

0,50-i

0,25-1

-...J

tipo de hormig贸n Pr % 1 C20 1,0 2 C20 2,5 3 C20 4,0 4 C30 1,0 5 C30 2,5

6 7 8 9

C30 C40 C40 C40

4,0 1,0 2,5 4,0

1 2 3 longitud de pandeo Lcr,e (m)

Diagrama de carga axial para columna con secci贸n tubular circular 0 273,0 x 5,0

O) (X)

Diagrama 18

tipo de acero :

s 235

Diagrama 19

tipo de acero :

s 235

resistencia al fuego R 90

armaduras :

S 400

resistencia al fuego R 120

armaduras :

S 400

1,40

0,80 9

2 1,20

<,?

-;} 1,00 "O

8 6

)°·6ºJ

7 5 3

oQ)

0,70

0,50

7 5 3

0,40J

0,80

4 2

"O (1l

(1l

~ 0,60

0,40i

0,20-t

~ 0,30

tipo de hormigón Pr %

- - -1,0-

1 C20 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

2,5 4,0 1,0 2,5 1

tipo de hormigón Pr %

0,20

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40 2

4,0 1,0 2,5 4,0

1 C20 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

O, 10

o 3

longitud de pandeo Lcr,a (m)

1,0 2,5 4,0 1,0 2,5 1

6 7 8 9

C30 C40 C40 C40 2

4,0 1,0 2,5 4,0 3

longitud de pandeo Lcr,a (m)

Diagramas de carga axial para columna con sección tubular circular 0 273,0 x 5,0

---1

dr ~

hormig贸n ver referencias :==-para calidad del hormig贸n armaduras ~ v e r referencias para el porcentaje de armado

Diagrama 11O

tipo de acero :

S 235

resistencia al fuego R 60

armaduras:

S400

3,50

3,00

8 6

~ 2 50 ' '!' u z o

7 5 3

2,00

e ca o.. Q)

ca e> ca (.)

2 1,50

1,00

0,50 -t

o-f

O) (O

tipo de1 hormig贸n 1 C20 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

Pr % 1,0 2,5 4,0 1,0 2,5

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40

4,0 1,0 2,5 4,0

1 2 3 longitud de pandeo Lcr,e (m)

Diagrama de carga axial para columna con secci贸n tubular circular 0 323,9 x 5,6

-...J

Diagrama 1 11

tipo de acero :

s 235

Diagrama 112

tipo de acero :

s 235

resistencia al fuego R 90

armaduras :

S 400

resistencia al fuego R 120

armaduras:

S 400

2,00

2,50

9 2,25

~ 2,00

zc3

1,80~

1,75

8 6

z ~ 1,601

f··ºj

5 3

oQ)

1?ro

1,50

1,25

4 2

ro ei ¡'.J 1,00

o..

tipode hormigón 1 C20 o.5o; 2 C20 3 C20 0,25; 4 C30 5 C30 o 075 ; '

1? ro

8 6

1,20

5 3

1,00

4 2

o..

ro ei ¡'.J 0,80 0,60

Pr % 1,0 2,5 4,0 1,0 2,5

1 tipo de hormigón Pr %

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40

1 2 3 4 5

0,40

4,0 1,0 2,5 4,0

0,20

-C20- -1,0C20 C20 C30 C30

2,5 4,0 1,0 2,5

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40

4,0 1,0 2,5 4,0

o 1

longitud de pandeo Lcr,e (m)

Diagramas de carga axial para columna con sección tubular circular 0 323,9 x 5,6

__ , dr

hormigón ver referencias para calidad del hormigón

Diagrama 113

tipo de acero :

S 235

resistencia al fuego R 60

armaduras:

S 400

4,00

9 ·----.___ armaduras ___..:::::::,._ ver referencias para el porcentaje de armado d

3,50i

í ~

3,00

7 5 3

2,50j

4 2

2,00

"'O

uC1l

1 50 '

1,00i

tipo de hormigón~% 1 C20 1,0

2 C20 0,50i 3 C20 4 C30 5 C30 0-f

2,5 4,0 1,0 2,5 1

6 C30

7 C40 8 C40 9 C40 2

4,0 1,0 2,5 4,0 3

longitud de pandeo Lcr,e (m)

-..J ......

Diagrama de carga axial para columna con sección tubular circular 0 355,6 x 5,6

-...J

1\)

Diagrama 1 14

tipo de acero:

s 235

resistencia al fuego R 90

armaduras :

S 400

3,50

3,00

2,50

~ 2,00

7 5 3

oQ) e

resistencia al fuego R 120

armaduras :

S 400

o(1)

4 2

(1)

1,50

Cll

e> Cll

1,00-i

4 C30

o o

1,0 2,5 1

6 C30 7 C40 8 C40 9

C40 2

0,50

4,0 1,0 2,5 4,0

o 3

longitud de pandeo Lcr,e (m)

1 tipo de hormig처n Pr % 1 C20 1,0 2 C20 2,5 3 C20 4,0 4 C30 1,0 5 C30 2,5

tipo de

l ,OO --f hormig처n Pr % 1 C20 1,0 2 C20 2,5 0,50--f 3 C20 4,0 5 C30

Cll

1 1,50

o..

7 5 3

g:,

4 2

(1)

Cll

s 235

체

Cll

tipo de acero :

2,50

Diagrama 115

6 C30 7 C40 8 C40 9

C40 2

4,0 1,0 2,5 4,0 3

longitud de pandeo Lcr,e (m)

Diagramas de carga axial para columna con secci처n tubular circular 0 355,6 x 5,6

--1

hormigón ver referencias para calidad del hormigón

armaduras ver referencias para el porcentaje de armado

S235

resistencia al fuego R 60

armaduras:

S400

5,00 ~

4,50

~ 4,00

7 5 3

"'o

z 3,50 o Q) ]

3,00

a. ~ 2,50

iil 2,00 u

1,50

i 1

1,00 -1 0,50

-..J úJ

tipo de acero :

5,50

Diagrama 116

4 2

1 tipo de hormigón Pr % ---1 C20 1,0 2 C20 2,5 3 C20 4,0 4 C30 1,0 5 C30 2,5

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40

4,0 1,0 2,5 4,0

1 2 3 longitud de pandeo Lcr,e (m)

Diagrama de carga axial para columna con sección tubular circular 0 406,4 x 6,3

-...J

.ยก,.

Diagrama 117

tipo de acero :

s 235

Diaarama 118

tipo de acero :

s 235

resistencia al fuego R 90

armaduras :

S 400

resistencia al fuego R 120

armaduras:

S 400

4,00

5,00 4,50

4,00

8 6

' ; 3,00

3,00

7 5 3

2,50

4 2

e> ca

2,00

6 <;> .f

3,50

o(1) "O

o.. (1)

ca u

8 6

7 5 3

3,50

z ~

g~ !

2,50

2,00J

4 2

C'l

tipo de hormigรณn 1 C20 1.00; 2 C20 3 C20 0,50 -1 4 C30 5 C30

ยบi

1โ ข5

Pr % 1,0 2,5 4,0 1,0 2,5

1,50

tipo de hormigรณn 1 C20 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

1,00

6 C30 7 C40

8 C40 9

C40

4,0 1,0 2,5 4,0

0,50

longitud de pandeo Lcr,a (m)

Pr % 1,0 2,5 4,0 1,0 2,5

6 7 8 9

C30 C40 C40 C40 2

4,0 1,0 2,5 4,0 3

longitud de pandeo Lcr,a (m)

Diagramas de carga axial para columna con secciรณn tubular circular 0 406,4 x 6,3

,..

:ns.

ª'

;;;=

t~_J

hormigón ver referencias para calidad del hormigón armaduras ver referencias para el porcentaje de armado

Diagrama 1 19

tipo de acero :

S 235

resistencia al fuego R 30

armaduras:

S400

1,75

1,50

! z"

8 6

1,25

7 5 3 4 2

oQ)

"'O

1,00

o.. Q)

hormigón ver referencias para calidad del hormigón

"'O

~ 0,75 -1

i -...J

(Jl

ca u

0,50 armaduras ver referencias para el porcentaje de armado

0,25;

tipo de hormigón 1 C20 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

Pr % 1,0 2,5 4,0 1,0 2,5

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40

4,0 1,0 2,5 4,0

o o

1 2 3 longitud de pandeo Lcr, 8 (m)

Diagrama de carga axial para columna con sección tubular cuadrada O 180 x 6,3

-..J

(j)

Diagrama 120

tipo de acero :

resistencia al fuego R 60

armaduras:

s 235 s 400

0,80

~ 0,60 0,50 0,40

Cll

0.201

3 5

3 4 2

~ O, 15 _J

Cll D.

S 400

a:,

s 235

armaduras :

0,25

tipo de acero :

0,30

0,70

Diagrama 121 resistencia al fuego R 90

Cll

"O Cll

0,30

ro u

0 20 i

tipo de hormig贸n Pr %

1 C20

O, 1O -1

2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

1,0 2,5 4,0 1,0 2,5路 1

6 7 8 9

C30 C40 C40 C40 2

4,0 1,0 2,5 4,0

O, 10 ~

1;po de hormig贸n Pr %

2 C20 2,5 3 C20 4,0 5 C30 2,5

0,05

6 C30 4,0 9 C40 4,0

o 3

longitud de pandeo Lcr,e (m)

Diagramas de carga axial para columna con secci贸n tubular cuadrada D 180 x 6,3

hormigón ver referencias para calidad del hormigón

armaduras ver referencias para el porcentaje de armado

* -..J -..J

1,75J

~ '·~1 oQ)

1,25

armaduras ver referencias para el porcentaje de armado

tipo de acero : S 235 armaduras:

S400

2,00

hormigón ver referencias para calidad del hormigón

Diagrama 1 22 resistencia al fuego R 30

~ 1,00

9 8 6 7 5 3

4 2 1

E' 0,75 al

o,5o; 0,25

-1

tipo de hormigón Pr % 1 C20 1,0 2 C20 2,5 6 C30 3 C20 4,0 7 C40

1,0 2,5

4 C30 5 C30

8 C40 9 C40

4,0 1,0 2,5 4,0

o o

longitud de pandeo '-cr,e (m)

Diagrama de carga axial para columna con sección tubular cuadrada D 200 x 6,3

-...J

CXl

,--

Diagrama 123

tipo de acero : S 235

resistencia al fuego R 60

armaduras:

S 400

1,00 9

0,80

8 6

zu O' 70

7 5 3

q_,

oQJ "O

0,60

c. "O

0,50 O 40 '

0 30 ' 0,20

s 235

resistencia al fuego R 90

armaduras :

S 400

0.45

6 z

-1

O, 1O -1

8 6

0,30

5 3

0,25

~ 0,20 u

tipo de hormigรณn 1 C20 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

Pr % 1,0 2,5 4,0 1,0 2,5

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40

o o

0,35

c. ai "O

9 0,40

4 2

tipo de acero:

0,50

090J

Diagrama 124

4,0 1,0 2,5 4,0

O, 15

tipo de hormigรณn Pr %

0,10

2 C20 2,5 3 C20 4,0 5 C30 2,5

0,05 ' 3

longitud de pandeo Lcr,e (m)

6 C30 4,0 8 C40 2,5 9 C40 4,0

o o

longitud de pandeo Lcr,e (m)

Diagramas de carga axial para columna con secciรณn tubular cuadrada D 200 x 6,3

hormigón ver referencias para calidad del hormigón

t;L'. J

armaduras ver referencias para el porcentaje de armado

2,00~

! o ~ e

1,75~ 1,50

armaduras:

rou

7 5 3 4

1,25

o. Q)

"O Ctl Ol

8 6

tipo de hormigón Pr % 1 C20 1,0 2 C20 2,5 3 C20 4,0 4 C30 1,0 5 C30 2,5

1,00 0,75

0,50; 0,25-I

o-+

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40

4,0 1,0 2,5 4,0 3

longitud de pandeo Lcr,e {m)

-...J

S 400

Ctl

resistencia al fuego R 30 9

f¡

armaduras ver referencias para el porcentaje de armado

tipo de acero : S 235

2,25

hormigón ver referencias para calidad del hormigón

Diagrama 125

Diagrama de carga axial para columna con sección tubular cuadrada D 220 x 6,3

(X)

Diagrama 1 26

tipo de acero : S 235

resistencia al fuego R 60

armaduras:

S400

Diagrama 127

tipo de acero :

s 235

resistencia al fuego R 90

armaduras :

S 400

0.70

1.40

1,20

8 6 7

:!!: ~

1,00

0,80

Cll

Q. Q)

6 0,50

7 5 3

0,40

4 2

0,30 -i

oQ)

Cll Q. Q)

¡g,

0,60

5 3 4 2

-g

z :!!:

0,60-i

Cll

()

0,40~

0,20-1

tipo de hormigón 1 C20 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

0,20~

Pr % 1,0 2,5 4,0 1,0 2,5

6 C30 7 C40 8 C40

9 C40

4,0

O, 10 -1

1,0 2,5 4,0

tipo de hormigón 1 C20 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

Pr % 1,0 2,5 4,0 1,0 2,5

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40

4,0 1,0 2,5 4,0

o o

longitud de pandeo Lcr,e (m)

Diagramas de carga axial para columna con sección tubular cuadrada D 220 x 6,3

1_;;.---""

,.J..

"'·

...

hormigón ver referencias para calidad del hormigón

Diaarama 128

tipo de acero : S 235

resistencia al fuego R 60

armaduras:

8400

2,00

armaduras ver referencias para el porcentaje de armado

1,75

z e,

8 6

1,50

g,,

5 3 4 2

1,25

-o e:

~ 1,00

hormigón ver referencias para calidad del hormigón

-o

0,50-i

-1! (X)

......

armaduras ver referencias para el porcentaje de armado

ai 0,75

0,25-i

tipo de hormigón 1 C20 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

Pr % 1,0 2,5 4,0 1,0 2,5 1

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40 2

4,0 1,0 2,5 4,0 3

longitud de pandeo Lcr,e (m)

Diagrama de carga axial para columna con sección tubular cuadrada O 250 x 6,3

1,25

Diagrama 129

tipo de acero :

s 235

Diagrama 130

tipo de acero :

s 235

resistencia al fuego R 90

armaduras :

S 400

resistencia al fuego R 120

armaduras :

S 400

0,70

1 9

1 ~

1,00

-..j

o ~ 0,75 e ca a. Q)

e> ca

0,30

1,0 2,5 4,0 1,0 2,5

tipo de hormigón 1 C20 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

0,20

Pr % 6 C30 7 C40 8 C40 9 C40

4,0 1,0 2,5 4,0

O, 10

o o

4 2

tipo de hormigón 1 C20 0,25-I 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

0,40

~ 0,50

5 3

6 0,50

oQ) e

7 5 3 4 2

::?!

<;,

0,60

Pr % 1,0 2,5 4,0 1,0 2,5

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40

4,0 1,0 2,5 4,0

o 1.

longitud de pandeo Lcr,e (m)

2·

longitud de pandeo Lcr,e (m)

Diagramª~ de carga axial para columna con sección tubular cuadrada O 250 x 6,3

,..

:n.

1:;;--7

-t •. J

hormigón ver refer.encias para calidad del hormigón armaduras ver referencias para el porcentaje de armado

Diagrama 131

tipo de acero :

S 235

resistencia al fuego R 60

armaduras:

S 400

2,25

2,00

1,75

6 !

1,50

(.)

8 6 7 5 3 4 2

1,25

ct!

hormigón ver referencias para calidad del hormigón

-8 CXl

armaduras ver referencias para el porcentaje de armado

c. <D "O ct!

1 00 '

Cll

~ 0,75 I 0,50-I

tipo de hormigón Pr %

- - -1,0-

1 C20

2 C20 0,25-I

3 C20 4 C30 5 C30

2,5 4,0 1,0 2,5

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40

4,0 1,0 2,5 4,0

1 3 2 longitud de pandeo Lcr,e (m)

Diagrama de carga axial para columna con sección tubular cuadrada D 260 x 6,3

Diagrama 132

tipo de acero :

s 235

Diagrama 133

tipo de acero :

s 235

resistencia al fuego R 90

armaduras :

S 400

resistencia al fuego R 120

armaduras :

S 400

1,50

0,90 9

1,25

z oQ)

1,00

0,75

e: ro 0,50 o..

5 3 4 2

e> ro

0,50

tipo de hormigón 1 C20 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

0,25 -1

o ()

8 6

0,60

0,70

ro ~

oQ)

3 4 2

e: ro o..

z ~ "'ü z

8 6 7 5

0,801

0,40 0,30-

Pr % 1,0 2,5 4,0 1,0 2,5 1

0,20

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40 2

4,0 1,0 2,5 4,0

0,10

o 3

longitud de pandeo Lcr,e (m)

1 tipo de hormigón 1 C20 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

Pr % 1,0 2,5 4,0 1,0 2,5 1

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40

4,0 1,0 2,5 4,0 ' 3

longitud de pandeo Lcr,e (m)

Diagramas de carga axial para columna con sección tubular cuadrada O 260 x 6,3

' 4

'·'"

J,LL ~L:

*" r.

I b

----

hormigón ver referencias para calidad del hormigón armaduras ver referencias para el porcentaje de armado

00 (Jl

resistencia al fuego R 60

armaduras:

S 400

2,50

8 6 7 5

2,00

-e,

3 4

ro o._

t;l: _j

S 235

3,00

armaduras ver referencias para el porcentaje de armado

tipo de acero :

3,50

'u"' z hormigón ver referencias para calidad del hormigón

Diagrama 134

1,50

1,00

0,50-I

o o

tipo de hormigón 1 C20 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

Pr % 1,0 2,5 4,0 1,0 2,5

6 7 8 9

C30 C40 C40 C40

4,0 1,0 2,5 4,0

2 3 longitud de pandeo Lcr,e (m)

Diagrama de carga axial para columna con sección tubular cuadrada O 300 x 7, 1

(X) O)

Diagrama 135

tipo de acero :

s 235

Diagrama 136

tipo de acero :

s 235

resistencia al fuego R 90

armaduras :

S 400

resistencia al fuego R 120

armaduras :

S 400

1,60

2,25

9 2,00

1,75 1,50

ctl

o. CI) -o ctl

1,25 1,00

7 5 3

6':?

1,00

-o

5 3 4

o. 0,80 -o

ctl

[

ctl

1 20

oCI)

-o

1,40

':?

z°ü

0,60

0,75

tipo de hormigón o,5o; 1 C20 2 C20 3 C20 0,25-t 4 C30 5 C30 o

Pr % 1,0 2,5 4,0 1,0 2,5

tipo de hormigón 1 C20 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

0,40

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40

4,0 1,0 2,5 4,0

0,20

Pr % 1,0 2,5 4,0 1,0 2,5

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40

4,0 1,0 2,5 4,0

O. 1

longitud de pandeo Lcr,e (m)

Diagramas de carga axial para columna con sección tubular cuadrada D 300 x 7, 1

,--

As;:

01 - , - ~ - -

hormigón ver referencias para calidad del hormigón armaduras ver referencias para el porcentaje de armado

armaduras ver referencias para el porcentaje de armado

resistencia al fuego R 60

armaduras:

S 400

4,00

~ 3,50 ',? u

6 7 5

3,00

3 4

§ 2,50

1:l

S 235

4,50

~ -~-~-j

tipo de acero :

5,00

hormigón ver referencias para calidad del hormigón

Diagrama 137

c..

~ 2,00-I

e> ctl (.)

1 50 '

-f

1,00i 0,50

--1

o-t o

1 tipo de hormigón 1 C20 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

Pr % 1,0 2,5 4,0 1,0 2,5 1

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40 2

4,0 1,0 2,5 4,0 3

longitud de pandeo Lcr,e (m)

CXl ..._.

Diagrama de carga axial para columna con sección tubular cuadrada D 350 x 8,0

(X) (X)

Diagrama 138

tipo de acero :

resistencia al fuego R 90

armaduras :

s 235 s 400

4,00

Cll

8 6 7 5 3

3,00

oQ)

e: .

2,50

D.. "O

2,00

S 400

2,50

8 6 7

o 2 ' 00

5 3

ü 2

e: Cll

D..

Cll Ol

rou

s 235

armaduras :

tipo de acero :

3,00

3,50

Diagrama 139 resistencia al fuego R120

1,50

1,00

tipo de hormigón Pr %

Cll

----

1,00 ---1

1 C20

1,0 2,5 4,0 1,0 2,5

2 C20 3 C20

0,50---I

e> Cll

1 tipo de hormigón Pr %

1,50

4 C30

5 C30

----

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40

4,0 1,0 2,5 4,0

0,50

o 1

1 C20 2 C20 3 C20 4 C30 5 C30

longitud de pandeo Lcr,a (m)

1,0 2,5 4,0 1,0 2,5

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40 2

4,0 1,0 2,5 4,0

longitud de pandeo Lcr,a (m)

Diagramas de carga axial para columna con sección tubular cuadrada O 350 x 8,0

hormigón ver referencias para calidad del hormigón

Jrl_L

~c___ b

---

ver referencias para el porcentaje de armado

Diagrama 140

tipo de acero :

S 235

resistencia al fuego R 60

armaduras:

S 400

7,00

6,00J z

',?

3 4,00

e o..

«l

hormigón ver referencias para calidad del hormigón

__I dr

l- '

L:-----~----~

co co

armaduras ver referencias para el porcentaje de armado

.gi 3,00 I «l

6 7

~ 5,00

tipo de hormigón 1 C20 2 C20 1,00; 3 C20 4 C30 5 C30

2,00

o-f

% 1,0 2,5 4,0 1,0 2,5

6 C30 7 C40 8 C40 9 C40 2

4,0 1,0 2,5 4,0 3

longitud de pandeo Lcr,e (m)

Diagrama de carga axial para columna con sección tubular cuadrada D 400 x 10,0

Diagrama 141

tipo de acero :

resistencia al fuego R 120 armaduras :

s 235

Diagrama 142

tipo de acero : S 235

S 400

resistencia al fuego R 120

armaduras:

6,00---,-------------------~

4,50-

9--------

4,00

S400

9 ~

5,00

s-------6------~

CI)

Z 4,00

C1l

c.. a,

5--------=

3,00

=====----=:_:: -

C1l

2 ------...::::::

C1l

ei (.)

2,00

3,50

6 7

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3,00

5 3 4

-o

~ 2,50 c..

-o C1l

2,00

(.)

tipo de hormigรณn Pr %

1,50-t

tipo de hormigรณn Pr %

1 C20 2 C20

1,00-I

1 2 3 4 5

3 C20 4 C30 5 C30

1,0 2,5 4,0 1,0 2,5

6 C30

C40 8 C40 9 C40 7

4,0 1,0 2,5 4,0

o--,...---....----' 0

ei C1l

----

1,00

CI)

7 -------.::._

o Q) -o

-o

z 6

0,50i

-C20- -1,0C20 C20 C30 C30

2,5 4,0 1,0 2,5

6 7 8 9

C30 C40 C40 C40

4,0 1,0 2,5 4,0

o 3

longitud de pandeo Lcr,e (m)

Diagramas de carga axial para columna con secciรณn tubular cuadrada O 400 x 10,0

Anexo 11 : Diseño de placas y pernos de unión a cizalladura 11.1

Información concerniente al cálculo de uniones a cortadura con placa atravesada

Los trabajos experimentales más recientes [21] han cuantificado el comportamiento de estos elementos de unión. La resistencia de cálculo (PRo) puede expresarse como : PRD = Cb · fck · Acf'Yv con Cb como el valor más bajo de : Cb

= (1,0 + 35,0/fck) jAb/Ac = 1,0

siempre que, AcfAb < 25 donde, fck Ac Ab

'Yv

= = = =

resistencia característica del hormigón (N/mm 2 ) área de sección transversal de hormigón dentro del SHS área de apoyo de la placa de unión coeficiente parcial de seguridad relativo al hormigón (Yv = 1,50)

Los límites mencionados tienen por objeto asegurar que la placa de unión no puede ser tan gruesa como para transmitir durante el fuego una carga mayor que la resistencia de cálculo a compresión de la sección transversal de hormigón, ni tan delgada como para aplastar el hormigón que se encuentra debajo.

11.2

Información concerniente al cálculo de pernos a esfuerzo cortante

Los pernos resistentes a cortante pueden calcularse utilizando la cláusula 6.3.2 del Eurocódigo 4, Parte 1 [16]. La resistencia de calculo a cortante (PRo) será el valor más bajo de: PRD = 0,29 · a · d2 · Jfck · Ec,m/"fv

a) con, ó,

a a

= 0,2 · [1 + h/d] (para h/d :5 4) = 1,0 (para h/d > 4)

(basada en el aplastamiento local del hormigón)

ó b)

PRD = 0,8 · fu · (7t · d2/4)/yv (basada en la resistencia a cortante del perno)

donde,

Ec m fck. fu d h

'Yv

= módulo de elasticidad efectivo para el hormigón (N/mm 2) = resistencia característica del hormigón (N/mm 2 ) = resistencia a tracción última del perno (N/mm 2) = diámetro del perno (mm) = longitud del perno embebida en el hormigón (mm) = coeficiente parcial de seguridad a cortadura del perno (Yv = 1,25)

Si la pared exterior del SHS de una columna está expuesta en la zona de unión, perderá en caso de fuego la mayor parte de su capacidad resistente. Por consiguiente se deberá utilizar, un coeficiente de seguridad parcial a temperatura ambiente (Yv = 1,25} en ambas soluciones para garantizar que una unión transmitirá su carga de forma segura durante el incendio y que las cargas de las vigas son totalmente transmitidas al núcleo de hormigón.

11.3

Ejemplo de cálculo

Se desea calcular los elementos de unión para transmitir una carga equilibrada desde dos vigas, con una carga de cálculo a fuego de 175 kN / viga, a una columna en SHS de 260 x 260 x 6,3 rellena de hormigón C 30. Existen dos posibles soluciones de diseño : 1. utilizar una placa de acero atravesada a cortadura (ver figura 6.3) 2. utilizar un taco de apoyo con pernos a cortante (ver figura 6.4)

1) Cálculo de placa atravesada Carga exigida para cálculo a fuego : 2 · 175 = 350 kN Se supone que la placa tiene un espesor de 12 mm entonces: Area de la sección transversal del hormigón (Ac) = (260- 2. 6,3)2 = 61210 mm 2 Area de apoyo de la placa de unión (Ab) = (260 - 2 . 6,3) . 12 = 2969 mm 2 Ar/Ab = 612,1/29,69 = 20,61 (< 25, por lo tanto, proporciones correctas) Cb = (1 + 35,0/30,0). J29,69/612,1 = 0,477 (< 1, por lo tanto, correcto) por lo tanto, PRo = 0,477 · 30,0 · 612, 1 . 10-111,5 = 584 kN > 350 kN, por lo tanto, diseño correcto

2) Cálculo de pernos a esfuerzo cortante Se utilizan cuatro pernos para cada apoyo. Carga cortante exigida para diseño de fuego= 175/4 = 43,75 kN / perno Se supone que los pernos tienen un diámetro de 16 mm (d) x 100 mm de longitud (h) y poseen una resistencia última a la tracción (fu) de 350 N/mm 2 . Según la cláusula 6.3.2 del Eurocódigo 4, Parte 1, la resistencia de cálculo a cortante (PRo) será el valor más bajo de: PRD = 0,29 · a · d2

h/d y b)

Jfck · Ec,mh'v

= 100/16 = 6,25 > 4, por lo tanto a = 1

PRD = 0,29 · 1,0 · 162 · 10-3 PRD = 0,8 · fu · (1t · = 0,8 · 350 ·

d2/4)

10-3 ·

J30 · 32000/1,25 = 58, 19 kN

/ Yv

(7t · 162/4) / 1,25

= 45,04 kN (> 43,75 kN, por lo tanto, diseño correcto)

Anexo 111: Verificación simplificada de una estructura con columnas rellenas de agua Hipótesis: Se ha construido un edificio de varias plantas utilizando 200 columnas en SHS cuadradas. Los espacios entre columnas son los de la figura 111.1. La longitud expuesta al fuego de cada tipo de columna se muestra en la figura 111.2. El edificio se ha dividido en zonas de fuego individuales, de una planta, conteniendo cada uno de ellos seis columnas (4 externas / 2 internas).

Se pide: ¿Qué volumen de agua se necesita en una zona para proporcionar 60 minutos de resistencia al fuego? ¿Cual será el tamaño del depósito de agua (en m3 ) que se necesita por zona? ¿Cuales serán los niveles de flujo (en kg/min) del agua y del vapor en el sistema de tuberías tras 60 minutos de fuego? Se supone que el fuego se limita a una planta

3,o m altura de planta

rA r:==:::;;11::::::¡:::::::;a~~ l:;i

zona de agua

Figura 111.1 - Zonas de agua y zonas de fuego

2,0m altura de ventana

[ --

2,Bm altura visible

e- -

'' ' ' Figura 111.2

' '

a) Volumen necesario del agua c:fe refrigeración para cada zona

Supongamos que las columnas externas están lo suficientemente cerca del edificio como para que las llamas les alcancen totalmente en la zona de ventana, con una altura de ventana de 2,0 m. Área de la superficie de una columna externa expuesta al fuego 4 X 0,200

2,00

= 1 ,60 m2

Según la Tabla 5.2, el agua necesaria para un fuego de 60 minutos= 82 kg/m 2 Por lo tanto, el agua necesaria para una columna externa = 82 x 1 ,60 = 131 ,2 kg/columna. Cada columna interna está completamente expuesta en una altura de 2,8 m. Por lo tanto, área de la superficie expuesta para una columna interna 4

0,200

2,80

= 2,24 m2

y el agua necesaria para una columna interna= 82

x 2,24 = 183,7 kg/columna.

Por lo tanto, agua necesaria para cada zona = 4 x 131,2 + 2 x 183, 7 = 892,2 kg = 0,892 m3 b) Volumen necesario del depósito para cada zona

Ya que se trata de un cálculo simplificado, se supone que el vapor escapa a la atmósfera a través del espacio libre del depósito de agua, que el depósito es lo suficientemente grande como para albergar tanto el agua necesaria de refrigeración como un 10% más (como margen de seguridad), y que tiene un volumen adicional suficiente para aceptar el agua contenida en las columnas de la zona de fuego (en caso de que este agua sea temporalmente expulsada de las columnas durante un periodo inicial de flujo vapor/agua inestable). Volumen interno aproximado de una columna 0,2 x 0,2 x 3,00 = 0,12 m3 . Existen seis columnas para cada zona, por lo tanto volumen de columnas/zona= 6 x O, 12

= 0,72 m3 por lo tanto, volumen necesario del depósito= 0,720 + 1,1 x 0,892 = 1,701 m3 es decir, un depósito de dimensiones 1 m de alto x 1,25 m de ancho x 1,5 de largo sería más que suficiente. c) Valores máximos del caudal de agua y vapor

La Tabla 111.1 muestra el nivel máximo de velocidad de ebullición del agua calculado que se produciría tras un calentamiento continuo según la curva de incendio ISO estándar para los tiempos de fuego establecidos. Utilizando esta tabla, pueden calcularse la tasa de generación de vapor y el caudal de reposición de agua necesario dentro del sistema : tasa de generación de vapor en una columna externa= 2,0 x 1,60 = 3,20 kg/min/columna. tasa de generación de vapor en una columna interna = 2,0 x 2,24 = 4,48 kg/min/columna. Estos valores representan la velocidad a la que el vapor abandonará la columna para entrar en el sistema de respiraderos de vapor que se encuentran en la parte superior de la columna, y también la velocidad a la que el agua de reposición debe entrar en una columna desde el sistema de tuberías de agua. Por lo tanto, el caudal total de agua necesario dentro de la tubería descendente, desde el depósito de compensación, para rellenar toda la zona incendiada resulta : Caudal total= 4 x 3,20 + 2 x 4,48 = 21,76 kg/min. 94

La figura 111.3 muestra los caudales en los tramos de tuberías individuales del sistema agua/vapor de una sola zona. Estos valores de caudal deberán utilizarse ahora conjuntamente con los coeficientes de rozamiento estándar de vapor y agua, las fórmulas de cálculo de pérdidas de carga (o las tablas correspondientes) y la geometría de tuberías (es decir, diámetros, longitudes, número de codos, etc. de las tuberías de vapor y agua), al objeto de calcular las pérdidas de presión en los circuitos separados de vapor y agua.

caudales de aqua (kg/min)

Figura 111.3 - Caudales máximos de agua y vapor (kg/min) después de 1 hora de fuego

La presión necesaria para que el agua y el vapor circulen durante un incendio se obtiene como: Pérdidas totales de carga del agua + Pérdidas totales de carga del vapor. Esta presión necesaria para la circulación de aire y del vapor se obtiene, generalmente, colocando la base del deposito de agua por encima de la parte más alta de la columna sujeta a fuego, en una altura equivalente a dicha presión. Nota : Si el depósito posee una tapa superior, deberá dejarse salir el vapor del mismo. La pérdida de presión adicional que esto generaría también se incluirá en las pérdidas totales de carga. Tabla 111.1 - Niveles máximos estimados de la evaporación de agua/ producción de vapor por m2 de superficie de columna calentada Tiempo de incendio (minutos) Velocidad máxima de evaporación

120

1,5

2,0

2,3

2,6

0,040

0,054

0,064

0,072

30 (kg/m 2 /min)

Niveles máximos equivalentes de producción de vapor en m3/ m2/por segundo a 1 bar

[SI

Com;té lotemabooal pocc le Développemeot et I' Et,de de la Coostc,ct;oo T,b,1a;rn

Comité Internacional para el Desarrollo y Estudio de Estructuras Tubulares CIDECT, fundado en el año 1962 como asociación internacional, reúne los recursos de investigación de los principales fabricantes de perfiles tubulares de acero con el objetivo de crear una fuerza importante en la investigación y aplicación de perfiles tubulares de acero por todo el mundo.

Los objetivos del CIDECT son los siguientes :

incrementar el conocimiento de los perfiles tubulares de acero y su potencial aplicación, iniciando y participando en estudios e investigaciones apropiados.

establecer y mantener contactos e intercambios entre los productores de perfiles tubulares de acero y el número cada vez mayor de arquitectos e ingenieros que utilizan perfiles tubulares de acero en todo el mundo.

promocionar la utilización de perfiles tubulares de acero, siempre que ello contribuya a la buena práctica de la ingeniería y a una arquitectura adecuada, difundiendo información, organizando congresos, etc.

cooperar con organizaciones responsables de recomendaciones, regulaciones y normativas del diseño práctico, tanto a nivel nacional como internacional.

Actividades técnicas :

Las actividades técnicas del CIDECT se han centrado en los siguientes aspectos de investigación del diseño de los perfiles tubulares de acero :

o o o o o o o o o 96

Comportamiento a pandeo de columnas vacías y rellenas de hormigón Longitudes efectivas de pandeo de barras en celosías Resistencia al fuego de columnas rellenas de hormigón Resistencia estática de uniones soldadas y atornilladas Resistencia a la fatiga de uniones Propiedades aerodinámicas Resistencia a la flexión Resistencia a la corrosión Fabricación en taller

Los resultados de las investigaciones del CIDECT constituyen la base de muchos reglamentos nacionales e internacionales para perfiles tubulares de acero.

CIDECT, el futuro

El trabajo actual va dirigido principalmente a llenar el vacío existente respecto al comportamiento estructural de los perfiles tubulares de acero y a la interpretación e implantación de la investigación fundamental ya finalizada. Simultáneamente se está iniciando una nueva fase complementaria que estará directamente implicada en un diseño práctico, económico y que suponga un ahorro de trabajo.

Publicaciones del CIDECT

La situación actual, en cuanto a las publicaciones del CIDECT refleja el interés, cada vez mayor, por la difusión de los resultados de las investigaciones. Aparte de los informes finales de los programas de investigación patrocinados por CIDECT, que pueden ser solicitados a la Secretaría Técnica a un precio nominal, CIDECT ha publicado varias monografías dedicadas a diferentes aspectos del diseño de perfiles tubulares de acero. Estas monografías se han publicado en inglés (1), francés (F) y alemán (A), tal y como a continuación se indica. Monografía Monografía Monografía Monografía

nº 3 nº 4nº 5nº 6-

Cargas de viento para estructuras en celosía (A) Longitudes efectivas de barras de vigas en celosía (1, F, A) Columnas de perfil tubular rellenas de hormigón ( 1, F) La resistencia y comportamiento de uniones soldadas sometidas a carga estática en perfiles tubulares estructurales (1) Monografía nº 7- Comportamiento a fatiga de uniones de perfiles tubulares (1, A)

Con el patrocinio de la Comunidad Europea, se ha publicado en inglés, francés, alemán y español, el libro "Construir con perfiles tubulares de acero" preparado bajo la dirección del CIDECT. Este libro presenta el estado del conocimiento adquirido por todo el mundo respecto a los perfiles tubulares de acero y los métodos de diseño y tecnologías de aplicación con ellos relacionados. Además, pueden obtenerse ejemplares de estas publicaciones a través de los miembros del CIDECT posteriormente mencionados, a los que se deberá dirigir cualquier pregunta técnica acerca del trabajo del CIDECT o del diseño utilizando perfiles tubulares de acero.

La organización del CIDECT está formada por :

Presidente : J. Chabanier (Francia) Vice-presidente : C. L. Bijl (Holanda)

Una Asamblea General compuesta por todos los miembros que se reúnen una vez al año y nombran un Comité Ejecutivo responsable de la administración y ejecución de la política a seguir. 97

Una Comisión Técnica y Grupos de Trabajo que se reúnen al menos una vez al año y son directamente responsables de la promoción técnica e investigadora.

Secretaría en París, responsable del funcionamiento diario de la organización.

Los actuales miembros del CIDECT son (1995) :

o o o

British Steel PLC. Reino Unido C.S.I. Transformados S.A., España EXMA, Francia O ILVA Form, Italia o IPSCO lnc., Canadá o Laminoirs de Longtain, Bélgica o Mannesmann Rohr GmbH, República Federal de Alemania o Mannstadt Werke GmbH, República Federal de Alemania o Nippon Steel Metal Products Co. Ltd., Japón o Rautaruukki Oy, Finlandia o Sonnichsen A/S, Noruega o Tubemakers of Australia, Australia o Tubeurop, Francia o VOEST Alpine Krems, Austria Los informes de investigación del CIDECT pueden obtenerse a través de : Mr. E. Bollinger Office of the Chairman of the Technical Commission lmmeuble Pacific TSA 20002 92070 La Défense Cedex Francia Teléfono :(33) 1/41258265 Telefax : (33) 1/41258783 Mr. D. Dutta MarggrafstraBe 13 40878 Ratingen República Federal de Alemania Teléfono :(49) 2102/842578 Telefax: (49) 2102/842578

Sr. M. A. Jaurrieta CSI Transformados S.A. Apartado 36 31780 Vera de Bidasoa Navarra, España Teléfono: (34) 948 628384 Telefax: (34) 948 628414

Se ha tenido especial cuidado en asegurar la objetividad de todos los datos e información presentados en este libro, así como la exactitud de los valores numéricos. En la medida de nuestros conocimientos, en el momento de su publicación, toda la información contenida en este libro es exacta. El CIDECT, sus miembros y los autores y traductores no asumen responsabilidad alguna por los errores o interpretación incorrecta de la información contenida en este libro o del uso que de ella se haga.

Esta guía de diseño, la cuarta en la serie de CIDECT "Construcción con perfi'les tubulares de acero", trata de la protección contra el fuego de columnas de perfil tubular de acero expuestas al fuego. Una de las principales ventajas de las columnas de perfil tubular es hacer posible la protección contra el fuego utilizando métodos diferentes al ya clásico de añadir materiales sobre la superficie externa, métodos tales como el rellenado con agua u hormigón. Las columnas enfriadas por agua o rellenas de hormigón, no solo necesitan considerablemente menos espacio, proporcionando así un mayor volumen aprovechable, sino que también contribuyen a la apariencia esbelta y estética de la construcción. Los tres métodos de protección frente al fuego - protección externa mediante enlucido, asbestos o vermiculita, así como mediante pinturas y revestimientos intumescentes, la refrigeración por agua estática o circulante, y el rellenado con hormigón ,.... se han descrito en este libro con ejemplos de cálculo para conseguir unafácil aplicación por parte del usuario.

ISBN 3-8249-0338-5