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COMPORTAMIENTOCOMPORTAMIENTOFRENTEFRENTE AL AL FUEGOFUEGO DE DE LAS LAS LOSASLOSAS MIXTASMIXTASFrederic MarimonDr. Ingeniero IndustrialProfesor del Departamento de Resistencia de Materiales y Estructuras en la Ingeniería.E.T.S Ingenieros Industriales de BarcelonaUniversidad Politécnica de Catalunya
JORNADA TÉCNICA CÁTEDRA G.O.CUniversidade de Vigo 28 de junio de 2007
UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA
1 LA ESTRUCTURA MIXTALA ESTRUCTURA MIXTA
2.4 EjemploEjemplo numnumééricorico. . UtilizaciUtilizacióónn de tablasde tablas
3 MODELIZACIMODELIZACIÓÓN N AVANZADAAVANZADA
2.2 El El problemaproblema mecmecáániconico
2.3 ModelizaciModelizacióónn simplificadasimplificada segsegúúnn UNE ENVUNE ENV--1994, Parte 1.21994, Parte 1.2
2.1 El El problemaproblema ttéérmicormico
2 COMPORTAMIENTOCOMPORTAMIENTO FRENTEFRENTE AL AL FUEGOFUEGO DE LAS DE LAS LOSASLOSAS MIXTASMIXTAS
2
11 LA ESTRUCTURA MIXTALA ESTRUCTURA MIXTA
UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA
Pilares mixtos
Vigas mixtas
Losas mixtas de chapa nervada
composite column floor = beam + slab
composite beam
composite slab
No contempladas en el CTE (2006)
3
LOSAS MIXTAS ACERO-HORMIGÓN
• Métodos de protección de las losas mixtas ante el incendio
Llosa mixta amb recobriment aïllant Llosa mixta amb sostre aïllant
Llosa mixta amb armadura addicional
RECUBRIMIENTO AISLANTE FALSO TECHO AISLANTE
ARMADURA ADICIONAL
Ámbito europeo:Eurocódigos estructurales
Acciones de incendio sobre estructuras Eurocódigo-1 EN 1991 Parte 2.2 Estructuras de hormigón Eurocódigo-2 EN 1992 Parte 1.2Estructuras de acero Eurocódigo-3 EN 1993 Parte 1.2Estructuras mixtas acero-hormigón Eurocódigo-4 EN 1994 Parte 1.2
Euronormas de ensayo de resistencia al fuego Exigencias generales EN 1363 / Clasificación de productos EN 13501Ensayos al fuego para estructuras de acero EN 13381 Partes 1, 2 y 4
Ámbito nacional:Código Técnico de la Edificación CTE DB-SI Seguridad en caso de IncendioReglamento de Seguridad contra Incendios en Establecimientos Industriales RSIEIEstructuras de Hormigón Estructural Instrucción EHEEstructuras de Acero en la Edificación Instrucción EAE (*)
Ámbito autonómico y local:Legislación autonómica (CAM, Generalitat de Catalunya, …)Ordenanzas municipales (Barcelona, Madrid, Valencia, …)
(*) en preparación
ASPECTOS NORMATIVOS ESTRUCTURALES
4
VERIFICACIÓN DE LA RESISTENCIA AL FUEGODE UNA ESTRUCTURA MIXTA
NIVEL I UTILIZACIÓN DE VALORES TABULADOS EN GRÁFICOS O TABLAS
• Procedentes de ensayos de laboratorio
• Sólo curva normalizada ISO-834. Geometrías restringidas
• Resultados conservadores
NIVEL II MODELOS SIMPLIFICADOS
• Desarrollados en las normativas y contrastados experimentalmente
• Sólo curva normalizada ISO-834
NIVEL III MÉTODOS DE ANÁLISIS AVANZADO
• Resolución general del problema termomecánico en función del tiempo
LOSAS MIXTAS
LOSAS MIXTAS
2 2 COMPORTAMIENTOCOMPORTAMIENTO FRENTEFRENTE ALALFUEGOFUEGO DE LAS DE LAS LOSASLOSAS MIXTASMIXTAS
UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA
5
Acciones Mecánicas CTE
En situación normal de dimensionamiento:
γG=1,35 cargas permanentes G (peso propio)
γQ=1,5 cargas variables Q (sobrecarga de uso)
En el caso de situación accidental de incendio:
γGA=1,0 las acciones características permanentes G se toman sin mayorar
ψ1.1= dependiendo del uso del edificio. Entre 0,5 (oficinas) y 0,9 (almacén, no contemplado CTE).
1.1.
1.1.1
kQkG
kkGAfi QG
QGγγψγη
++
=
3,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Q / G k,1 k
η fi
ψfi,1= 0,7
ψfi,1= 0,5
ψfi,1= 0,2
ψfi,1= 0,9
Factor de reducción de cargas, η fi , de forma simplificada para cargas gravitatorias
Acciones Térmicas CTE
Ignición Fuego latente
Antes del puntode inflamación
Después del puntode inflamación
1000-1200°C
Punto deinflamación
Ignición
Comienzo delfuego
Palabras clave: Calentamiento Enfriamiento TiempoControl: Inflamabilidad Temp./ desarrollo
del humoCarga de fuego
densidadVentilación
ISO 834 curva estándarde fuego
Curva de fuego natural
Temperatura R 120
E 120
I 120
120 min
Fuego normalizado ISO 834
Fuego natural
En el CTE pueden adoptarse otros modelos de incendio como: las curvas paramétricas o, los modelos de incendio de una o dos zonas o de fuegos localizados o métodos basadosen dinámica de fluidos (CFD, según siglas inglesas) tales como los que se contemplan en la norma UNE-EN 1991-1-2:2004.
6
R Criterio de resistencia estructural
E Criterio de integridad
I Criterio de aislamiento térmico
A una viga sólo se le exigen requerimientos
de resistencia mecánicaante el incendio.
Por ejemplo, R 120(120 min a ISO 834)
E I máx. 140 ºC (180ºC)
R
R
CatalàEspañolEnglishFrançais
IsolacióAislamiento térmicoInsulationIsolationI
EstanqueïtatIntegridadIntegrityÉtanchéitéE
ResistènciaResistencia (Capacidad portante)
ResistanceRésistanceR
En general, a un forjado se le exigenrequerimientos de resistencia mecánica y de
sectorización ante el incendio.
Por ejemplo, REI 120 (120 min a ISO 834)
Curva ISO-834 de la temperatura media de los gases en función del tiempo
½½ h 1 h 1h h 1 h 1h ½½ 2h 3h2h 3h
7
Stee
lCon
struc
tion I
nstitu
te(2
001)
Ensayo normalizado de una losa mixta. Viga metálica sin recubrimiento
Quemadorescontrolados por
termopares
Stee
lCon
struc
tion I
nstitu
te(2
001)
Ensayo normalizado de una losa mixta. Vigametalica protegida mediante recubrimiento
8
CRITERIOS DE RUINA EN LOS ENSAYOS EXPERIMENTALES
11 CRITERIO DE DEFORMACIÓN LÍMITEFlecha máxima : w > L/30, L/20 …
22 CRITERIO DE VELOCIDAD DE DEFORMACIÓNAumento rápido de la flecha : dw/dt > L2/9000h
33 CRITERIO DE TEMPERATURAElevación de la temperatura en la cara superior
LA CONCLUSIÓN PRÁCTICA DE LOS ENSAYOS NORMALIZADOS, Y ADOPTADA POR Eurocódigo 4,
Parte 1.2
« La resistencia al fuego normalizado de una losamixta, carente de cualquier medida suplementaria, es
al menos de 30 minutos (REI 30)»
9
Stee
lCon
struc
tion I
nstitu
te(2
001)
Cardington test (1995-2004) – Comportamiento global de la estructura
EfectoEfecto diafragmadiafragma
Registro de temperaturas mediantetermocámaras y termopares
Fisuración interna de la losa mixta en el vano central y en los nudos
10
2.1 El El problemaproblema ttéérmicormico
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LA TEORÍAEcuación de Fourierθ Temperatura °C ó K
t Tiempo s
k Conductividad W/(m°K)
c Calor específico J/(kg°K)
ρ Densidad kg/m3
• ISO-834
• Curva paramétrica
• Curva de fuego natural
θt
θp
θs
11
ComoComo alternativaalternativa se se utilizanutilizan loslos resultadosresultadosde de loslos ensayosensayos experimentalesexperimentales
2.2 El El problemaproblema mecmecáániconico
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12
y = 1
y = 3.5577E-14x5 - 1.5344E-10x4 + 2.5468E-07x3 - 1.9994E-04x2 + 7.1511E-02x - 8.3497E+00R2 = 9.9995E-01
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Temperature θ (ºC)
Coe
ffici
ent d
e re
duct
ion
k ma
x,
Acier selon EC-4 Part 1.2
Acier selon ECCS nº32
ACEROACERO
f f s max,s max,θθ = k = k max,max,θθ f f s y,20s y,20°°
γγ M,M,θ,θ,ss = 1,0= 1,0
k k max,max,θθ CoeficienteCoeficiente de de reduccireduccióónn de la de la tensitensióónn de de llíímitemite eleláásticostico para para el el aceroacero de de armararmar en en funcifuncióónn de la de la temperaturatemperatura
y = -5.6479E-15x5 + 1.7149E-11x4 - 1.6680E-08x3 + 5.2690E-06x2 - 1.0781E-03x + 1.0191E+00R2 = 9.9969E-01
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Temperatura θ (ºC)
Coe
ffici
ent d
e ré
duct
ion
kc,
Béton selon EC-4 Partie 1.2Béton selon ECCS nº32
HORMIGHORMIGÓÓNN
f f c,c,θθ = k = k c,c,θθ 0.85 f 0.85 f c,20c,20°°
k k c,c,θθ CoeficienteCoeficiente de de reduccireduccióónn de la de la resistenciaresistencia caractercaracteríísticasticaa a compresicompresióónn en en funcifuncióónn de la de la temperaturatemperatura
γγ M,M,θ,θ,cc = 1,0= 1,0
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2.3 La La modelizacimodelizacióónn simplificadasimplificadasegsegúúnn UNEUNE--ENVENV 1994 Parte 11994 Parte 1--22
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MODELO TÉRMICO SIMPLIFICADO
SÓLO SE CONTEMPLA LA UTILIZACIÓN DE ARMADURAS SUPLEMENTARIAS
NO SE CONSIDERA LA EXISTENCIA DE REVESTIMIENTOS AISLANTES O PLAFONES SUSPENDIDOS
H = 120 mm20 mm
u = 35 mm3
A = 200mm²/mneg
A = f(R)pos R60 6φ
R90 8φ
Malla 200x200 4φ
14
CRITERIOS GENERALES DE RESISTENCIA AL FUEGOCRITERIOS GENERALES DE RESISTENCIA AL FUEGO
R Criterio de resistencia estructural
E Criterio de integridad
I Criterio de aislamiento térmicoLAS LOSAS MIXTAS TIENEN
UNA FUNCIÓN RESISTENTE Y SECTORIZADORA
REI
I CRITERIO DE AISLAMIENTO TCRITERIO DE AISLAMIENTO TÉÉRMICORMICO
LIMITACIÓN A LA ELEVACIÓN DE LA TEMPERATURA EN LA CARA NO EXPUESTA DE LA LOSA
∆θ < 180 °C localmente (punto A)
∆θ < 140 °C en promedio
15
E CRITERIO DE INTEGRIDADCRITERIO DE INTEGRIDAD
CAPACIDAD DE LA LOSA PARA EVITAR LA PENETRACIÓN DE LAS LLAMAS O DE LOS GASES CALIENTES A TRAVÉS DE EVENTUALES FISURAS
• Este criterio de integridad se cumple siempre en el caso de las losas mixtas
• Adicionalmente, no hay desprendimiento de trozos de hormigón (spalling)
• Securidad para los equipos de intervención
• Protección de las armaduras a la exposición directa de las llamas
R CRITERIO DE RESISTENCIA ESTRUCTURAL
HIPÓTESIS 1
La chapa metálica no contribuye a la resistencia de la losaHIPÓTESIS 2
Se utiliza la teoría de las rótulas plásticas.
Análisis estructural P + P
16
Resistencia de la Resistencia de la secciseccióónn para Mpara M++θθ
140 °C
RepartoReparto de de temperaturastemperaturas para Mpara M++θθ
Tabla 4.9 ENV 1994-1-2:1994
Críticas a estas fórmulas en el Rapport TNO-ARBED-CTICM (1994) y en la publicación ECCS n°111 (2001)
CAMBIOS EN LA ACTUAL EN-1994 Parte 1-2 (2004) !!!
Xapa d'acer
Armadura
Formigó
3u u2u1
u2
u3
u1
17
CompromisoCompromisoentre el entre el aislamientoaislamiento y y el el brazobrazo de de palancapalanca
R 60
R 90
R 120
R 180
R 240
Resistencia de la Resistencia de la secciseccióónn para para MMθθ−−
140 °C
18
DistribuciDistribucióónn de de temperaturastemperaturas en el en el hormighormigóónn MMθθ−−
Se supone que la distribución de temperaturas es independiente de heff
Table 4.10 UNE ENV 1994 Parte 1.2
140 °C
Resolución del problema termomecánico en el hormigón
19
Tabla similar a ECCS n°32 con actualización de la resistencia del hormigón según UNE-ENV 1994 Parte 1-2
Valores del área reducida de la sección Ac,r y de la excentricidad e
ANANÁÁLISIS GLOBAL PLLISIS GLOBAL PLÁÁSTICOSTICO
Por aplicación del teorema de los trabajos virtuales:
Resolución del caso particular de vano extremo:Hipótesis « aproximativa » de formación de la rótula plástica en el centro del vano
20
SISTEMAS ESTÁTICOS Y MECANISMOS DE RUINA
2.32.3 EjemploEjemplo numnumééricorico..UtilizaciUtilizacióónn de las tablasde las tablas
UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA
21
DATOS DEL PROBLEMADATOS DEL PROBLEMAQ+G
L L
LOSA MIXTA DE 2 TRAMOS
Distancia entre soportes: 4mAcero B500S:Hormigón C25/30 (densitad normal):Sobrecarga de uso:Peso propio: Resistencia al fuego requerida: R 90 REI 90
2,20º 500 /sy Cf N mm=
2,20º 25 /c Cf N mm=
26,00 /Q kN m=22,51 /G kN m=
CRITERIO I Cálculo del espesor eficaz heff :
heff
CUMPLE140 7080 0,5 70 104,5 100140 160effh mm mm+ = + ⋅ ⋅ = > +
22
SISTEMAS ESTÁTICOS Y MECANISMOS DE RUINA
La estrategia de diseño consiste en calcular, en primer lugar, el momento M- con la armadura de negativos existente φ 8 mm 150x150 mm.
A continuación, se calcula la armadura de positivos adicional que hay que colocar en cada onda para soportar M+.
Resistencia de la Resistencia de la secciseccióónn MMθθ−−
140 °C
( ) ( ) 6, , ,20º 4 335 500 104,5 20 17,1 10 11, 29 /Rd s neg sy C effM A f h u e kN m mθ
− −= ⋅ ⋅ − − = ⋅ ⋅ − − ⋅ = ⋅
8 150 150 mmφ × ⇒
, ,20º 2,
,20º
335 500 7882,35 /0,85 0,85 25s neg sy C
c rc C
A fA mm m
f⋅ ⋅
= = =⋅ ⋅
335 mm2/m
23
Valores del área reducida de la sección Ac,r y de la excentricidad e
Tabla similar a ECCS n°32 con actualización de la resistencia del hormigón según UNE-ENV 1994 Parte 1-2
SISTEMAS ESTÁTICOS Y MECANISMOS DE RUINA
( ) ( )2 22 0,85 6,00 2,51 414, 47 /
8 8 8Q G Lq L kNm m
κ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅⋅= = =
2
, ,0,5 14,47 0,5 11,29 8,83 /8Rd Rdq LM M kN m mθ θ
+ −⋅= − ⋅ = − ⋅ = ⋅
24
Resistencia de la Resistencia de la secciseccióónn MM++θθ
140 °C
DistribuciDistribucióónn de de temperaturastemperaturas para Mpara M++θθ
Tabla 4.9 UNE ENV 1994-1-2
Xapa d'acer
Armadura
Formigó
3u u2u1
u2
u3
u1
1 2 3
1 1 1 1 1 1 1 0,40654 61 50z u u u
= + + = + + =
2, 46z =
1285 350 1285 350 2, 46 424 ºs z Cθ = − ⋅ = − ⋅ =
25
y = 1
y = 3.5577E-14x5 - 1.5344E-10x4 + 2.5468E-07x3 - 1.9994E-04x2 + 7.1511E-02x - 8.3497E+00R2 = 9.9995E-01
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Temperature θ (ºC)
Coe
ffici
ent d
e re
duct
ion
k ma
x,
Acier selon EC-4 Part 1.2
Acier selon ECCS nº32
ACEROACERO k k max,max,θθ CoeficienteCoeficiente de de reduccireduccióónn de la de la tensitensióónn deldel llíímitemite eleláásticosticopara el para el aceroacero de la de la armaduraarmadura con la con la temperaturatemperatura de de 424 424 ººCC
max, 0,95k θ =
424 ºs Cθ =
( ) ( )3 6
2, 3
0,85 25 10 2 8,83 10150 50 150 500,95 500 0,85 25 10s posA
⋅ ⋅ ⋅ ⋅= ⋅ − ± − −
⋅ ⋅ ⋅
2, 190 /s posA mm m=
26
Moment resistent negatiu (Mθ,Rd-) en funció de la
quantia d'armadura (As,neg), de l'espessor eficaç del forjat (heff) i del temps de resistència al foc(R30, R60, R90)
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
1200 1000 800 600 400 200 0 200 400 600 800 1000 1200
As,neg [mm2/m]
Mθ,
Rd- [k
N·m
/m]
R 30
heff = 200 mm
180 mm
160 mm
140 mm
120 mm
100 mm
80 mm
heff = 60 mm
R 60
heff = 200 mm180 mm
160 mm
140 mm
120 mm
heff =100 mm
heff =80 mm
heff = 60 mm
heff = 80 mm
heff =100 mm
heff =120 mm
heff =140 mm
heff =160 mm
heff =180 mmheff = 200 mm
R 90
Acer B500S: 2, 20 º 500 /sy Cf N mm= , , 1, 0M sθγ =
Formigó C25/30: 2, 20 º 25 /c Cf N mm= , , 1, 0M cθγ =
Recobriment: 4 20u mm=
A s,neg u4 Ns
heffzneg
e c,θN
, ,Rd neg c negsM N z N zθ θ− = ⋅ = ⋅
, 20 º ,sy C s negsN f A= ⋅
, ,20 º ,0,85c c C c rN f Aθ = ⋅ ⋅
4neg effz h u e= − −
Diagrama elaborat d’acord amb la normativaEurocodi 4 Part 1-2
E.T.S. Enginyeria Industrial de Barcelona (2002) Bartolomé Salom Serra Frederic Marimon Carvajal
Quantia d'armadura suplementària (As,pos) en funció del moment resistent positiu (Mθ,Rd+)
i del cantell total de la llosa (h), per un temps de resistència al foc de 90 min (R 90)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44
Mθ,Rd+ [kN·m/m]
As,
pos [m
m2 /m
]
h =1
20 m
m
h =1
40 m
m
h =1
30 m
m
h =1
50 m
m
h =1
60 m
m
h =1
70 m
m
h =1
80 m
m
h =1
90 m
m
h =2
00 m
m
s =
300
mm
s =
200
mm
s =
175
mm
s =
250
mm
φ6
φ6
φ6
(φ4) (φ4)
φ10
φ10
φ10
φ10
φ8
φ8
φ8
φ8
(φ14
)
φ12
φ12
(φ14
)φ1
2
φ12
R 90
φ6
Acer B500S: 2, 20 º 500 /sy Cf N mm= , , 1, 0M sθγ =
Formigó C25/30: 2, 20 º 25 /c Cf N mm= , , 1, 0M cθγ =
3 50u mm=
423 ºs Cθ =
max, 0,95k θ =
2 70h mm=
1 140l mm= 2 70l mm=
ENP
Nc ypos posx
h
b
3uposz
Ns,θ
A s,pos
0,85·fc,20 ºC
sØ
l1
l2
h2
, ,Rd s pos c posM N z N zθ θ+ = ⋅ = ⋅
, max, , max, ,20 º ,s s s pos sy C s posN f A k f Aθ θ θ= ⋅ = ⋅ ⋅
, 20º0,85c c C posN f y b= ⋅ ⋅ ⋅
3 0, 5pos posz h u y= − − ⋅ Diagrama elaborat d’acord amb la normativa Eurocodi 4 Part 1-2
E.T.S. Enginyeria Industrial de Barcelona (2002) Bartolomé Salom Serra Frederic Marimon Carvajal
27
3 MODELIZACI3 MODELIZACIÓÓN N AVANZADAAVANZADA
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LOSA MIXTA LOSA MIXTA
Ejemplo de Nivel III
Distribución de temperaturas en una losa mixta después de una exposición de 60 minutos al fuego normalizado ISO-834