Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio

8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio

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COMPORTAMIENTO DE LASESTRUCTURAS DURANTE UN

INCENDIO

JOSE L.TORERO

BRE CENTRE FOR FIRE SAFETY

ENGINEERINGTHE UNIVERSITY OF EDINBURGHEDINBURGH, EH9 3JLUNITED KINGDOM



Evolución de un Incendio



El Incendio Desarrollado

Inicialmente un incendiopuede describirse conun modelo de dos zonas

Cuando todo elcompartimiento quedaenvuelto la generación

de calor queda descritapor una sola zona

La transición se llama“Flashover”

En este caso lacapacidad del incendiopara succionar aire

controla la generaciónde calor



Resumen

Durante el periodo de Pre-Flashover

El incendio esta controlado por el consumo decombustible (generación de calor)

Este periodo es importante para Evacuación

Detección, activación de sistemas de

protección

Llegada de los bomberos



Incendio Generalizado

Controlado por la ventilación

Elementos estructurales hechos demateriales inflamables participan en elincendio

Impacto es leve, puesto que el factorlimitante es la ventilación



Incendio Generalizado

Temperaturas dentro del compartimiento

varían en función de la localización y eltiempo

Distribución espacial y temporal:T(x,y,z,t)

Otras propiedades afectan la relación

entre el incendio y la estructura: Concentración de hollín



Condición de Borde

F,r q ′′&

W,r q ′′&

g,r q ′′&S,r q ′′&)TT(hq SgC −=′′&



2

2

SSSxTk

tTCp

∂∂=

∂∂ρEcuación de Energía

0x

SS

x

Tk q

=∂

∂−=′′& Condición de Borde

S,r g,r W,r F,r CS qqqqqq ′′−′′+′′+′′+′′=′′ &&&&&&Donde …



Conclusión

Modelos detallados son demasiado

complejos para problemas de diseño Modelos mas simples son necesarios

Los modelos detallados son necesariosalgunas veces pero por lo generalmodelos mas simples son suficientes



Viga Simple

Time (s)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

V e r t i c a l D e f l e c t i o n ( m m )

-1000

-750

-500

-250

0

Central deflect ion - Parametric HeatingCentral deflect ion - Heat Flux Model



Viga Celular



Time (s)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

V e r t i c a l D e f l e

c t i o n ( m m )

-1000

-750

-500

-250

0

Central deflection - Parametric HeatingCentral deflection - Heat Flux Model

Viga Celular



Simplificaciones

Se asume que una sola temperatura

describe cada espacio Esta temperatura varia en el tiempo pero

no en el espacio: T(t)



Incendios Generalizados

Asume una temperatura homogénea para

el compartimiento Temperatura es una función del factor de

ventilación: A/A0H01/2

Correlaciones

Parametricas C.I.B.

McCaffrey, Quintiere, Harkleroad (MQH)

A0H0

A



Guías de Diseño

Mecanismo para estandarizar el trabajo deldiseñador

Un intento de generar una metodología

estandarizada Capitalizan en fenómenos físicos dominantes

para definir criterios de diseño generales

Difícil conseguir “incluir” todos los casos -especialmente en el caso del fuego



Diseño de Estructuras

Guías de Diseño Clásicas

Estandarizan el incendio Evalúan el impacto del incendio en base

a pruebas estandarizadas No introducen efectos ligados a la

geometría del elemento estructural

Calculan la protección térmica enfunción a resultados experimentales



Análisis del Fuego

Metodología básica

Prueba

estandarizada: ASTM-E-119, ISO-834, BS-476 Parte 8, NCh 935



Resistencia al Fuego

0

250

500

750

1000

1250

0 30 60 90 120 150 180time [minutes]

T e m p e r a t u

r e [ o C ]

Fire (BS-476-Part 8)

Temperatura

Critica

Rating

Temperatura

Critica

Nuevo

Rating

Elemento Estructural sin Protección

Elemento Estructural Protegido

T=T0 + 345.log(0.133t+1)



Efecto de la Temperatura

ε

σ

σY

Fractura

Endurecimiento

PlasticoElastico



Temperaturas Criticas

Propiedades decaen con la temperatura



Metodología

Temperatura critica se define en función del uso

Temperaturas criticas se establecen para caras“expuestas” y “no expuestas” al fuego

i.e. Columnas: expuesta:649

o

C, no-expuesta:139

o

C Temperaturas criticas se establecen para

elementos sometidos a “carga” o “sin carga”

i.e. Vigas: carga:426oC, sin-carga:530oC



Protección

Protección se incorpora para mantener

las temperaturas de los elementosestructurales bajo las temperaturascriticas

Metodología de calculo de protección esta

estandarizada de manera estricta



Incendio vs. Curva Estándar

Curva Estándar

Curvas alternativas T vs t existen Son un intento de reproducir mejor las condiciones de

incendio Establecen curvas T vs. t en función de otros parámetros como

la carga térmica, ventilación, etc. Son un intento de reproducir la duración del incendio

Ejemplo: Petterson et al., Eurocodes

Intentos de traducir la Resistencia al FuegoEstándar a condiciones realistas existen La gran mayoría son en base a cargas térmicas

comparables



Incendio vs. Estándar

T

t

Estándar

Aumento deCarga Térmica

Aumento de la

Ventilación

CurvasCurvasCurvasCurvas ParamParamParamParaméééétricastricastricastricas



Curvas Paramétricas

Petterson et al.



Objetivos

Obtener un estimado de la resistencia

del “elemento estructural” a un incendio Estimado debe hacerse en base a tiempo

puesto que la evacuación y el incendio se

describen en función del tiempo

Curvas alternativas

Tratan de buscar una equivalencia entre unincendio real y la curva estándar



Cargas Térmicas Comparables

Se hace la hipótesis que el flujo de calordepende solamente de la diferencia detemperaturas entre le gas y el elementoestructural

Luego se puede integrar el área bajo lacurva de temperaturas

El procedimiento es fundamentalmenteincorrecto pero puede dar resultadosaproximados



Carga Térmica Total

t (min)

T [oC]

A1

A2

Si: A1=A2

→ Rating teq da unaresistencia de ti

ti?teq



Hipótesis del Incendio Constante

TIME

R E L E A S E

R A T E

1 2 3 4

to tbo

Qtg

iQ&

oQ&

maxQ&

Pre-Flashover

Post-Flashover



C.I.B.

Combustible: Estructuras en madera

Geometría: Quasi-cúbica



Duración del Incendio

Dependiendo de la

temperatura delcompartimiento sepuede obtener una

perdida de masa El consumo total del

combustible

establece el máximotiempo de duracióndel incendio

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 200 400 600 800 1000 1200

Wood cribs

PU cribs

PMMA pools

PMMA pools, Vent-lim.

M a s s L o s s R a t e p e r u i

n t T o t a l A r e a ,

g / m

2 - s

Compartment Ceiling Gas Temperature (oC)

ó



Duración del Incendio

C.I.B.

Consumo de material

combustible

Carga Combustible

Duración del incendio 0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 200 400 600 800 1000 1200

Wood cribs

PU cribs

PMMA pools

PMMA pools, Vent-lim.

M a s s L

o s s R a t e p e r u i n t T o t a l A r e

a , g / m

2 - s

Compartment Ceiling Gas Temperature (oC)

s.m/kgm 2f ′′&

2f m/kgM ′′

f

f

f m

M

t ′′

′′

= &

P Si l



Propuesta Simple

Temperatura:C.I.B.

tf

Pendiente queda

establecida a través de perdidas (método de

las resistencias)

o 7oC/min (t>60 min)

10oC/min (t<60 min)

L E t t



La Estructura

Broadgate Phase 8

Ensayos de Cardington

R lt d d C di t



Resultados de Cardington

Demuestran que la geometría afecta

drásticamente la resistencia de unaestructura

Expansión Térmica

εT>0

σ=0

∆T>0

εT=0

σ>0

∆T>0

εεεεT=α∆α∆α∆α∆TεT=Desplazamiento Térmico

α=Coeficiente de expansiónTérmica

∆T= Aumento de Temperatura

Añ 2000



Año 2000

Alguna innovación en la normativa

Europea, en especial el Reino Unido Innovación ligada a una mejor definición

de la carga térmica

Innovación ligada a una mejor definicióndel comportamiento estructural

New York



New York,

Septiembre 11,2001

Comportamiento de la estructura



Comportamiento de la estructura

Aplicar el calor a la estructura

Establecer la evolución de la temperaturaen la estructura

Hacer un análisis del comportamiento dela estructura

Lo mas importante es comprender elcomportamiento de la estructura!

Ejemplo: Sistema CompuestoEjemplo: Sistema CompuestoEjemplo: Sistema CompuestoEjemplo: Sistema Compuesto



Ejemplo: Sistema CompuestoEjemplo: Sistema CompuestoEjemplo: Sistema CompuestoEjemplo: Sistema Compuesto

CONCRETO

Acero

Temperatura, T(z)

D

i s t a n c i a , z

AmbienteTemperatura, T

o

AnAnAnAnáááálisis de la Vigalisis de la Vigalisis de la Vigalisis de la Viga



AnAnAnAnáááálisis de la Vigalisis de la Vigalisis de la Vigalisis de la Viga

Viga simplemente apoyada

En libertad para deformarse

Translación y rotación posible

l x

z

∆∆∆∆TTTT Uniforme aplicado a la vigaUniforme aplicado a la vigaUniforme aplicado a la vigaUniforme aplicado a la viga



∆∆∆∆TTTT Uniforme aplicado a la vigaUniforme aplicado a la vigaUniforme aplicado a la vigaUniforme aplicado a la viga

Expansión térmica inducida por el ∆T

T T ∆=ε l

T ε l

Gradiente Uniforme (Gradiente Uniforme (Gradiente Uniforme (Gradiente Uniforme (TTTT ))))



2

2sin

1 φ

φ

φ ε l

l

−= z T ,φ =

φ ε l z

x

Gradiente Uniforme (Gradiente Uniforme (Gradiente Uniforme (Gradiente Uniforme (T TT T ,z ,z ,z ,z ) )) )

Curvatura inducida, φφφφ, por el gradiente

térmico, T,z

Efecto CombinadoEfecto CombinadoEfecto CombinadoEfecto Combinado



z

x

φ ε ε +T

Efecto CombinadoEfecto CombinadoEfecto CombinadoEfecto Combinado

Lleva a grandes deflexiones pero a una

reducción de cargas

Gradiente Uniforme,Gradiente Uniforme,Gradiente Uniforme,Gradiente Uniforme, ∆∆∆∆TTTT



Gradiente Uniforme,Gradiente Uniforme,Gradiente Uniforme,Gradiente Uniforme, ∆∆∆∆T TT T

Compresión

Falla por compresión o pandeo A que temperatura una viga restringida

de acero (σ σσ σ y = 275 MPa) falla?



Modos de Falla



Modos de Falla

Otros Ejemplos



WTC



WTC

Fuego iniciado por los aviones

te>tf

Innovación estructural

te>tS



Ventilación



Ventilación

A~ 3000 m2

A0~ 100 m2

H0~ 3 m

Factor de Ventilación: A/A0H01/2~20

12-18.5 m

~3 m

La Temperatura



La Temperatura

Content fire behavior



Co te t e be a o

El Diseño



0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 50 100 150 200 250 300 350 400

T e m p e r

a t u r e , C

Time, min

ISO 834

Maximun WTCbased on Woodand 10 C/min decay

CollapseNorthSouth

Increase with scale and melting plastics

Cálculos Utilizando Modelos CFD



Fire DynamicsSimulator (NIST © 2001)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 1 2 3 4 5

Tiempo [hr]

T e m

p e

r a t u r a

[ C

]

Características del Edificio



La Estructura



•Vigas aligeradas de 900 mm y 18 m de

largo con loza de concreto de 100 mm

Mecanismo de Pandeo



Pisos funcionan

como undiafragma quemantiene las

columnas en susitio

Resultado



ColapsoColapsoColapsoColapso

NoNoNoNo----ColapsoColapsoColapsoColapso



Muchas Gracias por su

atención

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