Comportamiento frente al fuego de sistemas de forja do colaborante de acero

Investigación numérica del método de cálculo simpli ficado

Dic. 2012

2Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

• Objetivos del estudio paramétrico• Propiedades del estudio paramétrico

– Tamaño de red del forjado– Niveles de carga– Condiciones de unión ente forjado y columnas de acero– Grado de resistencia al fuego: R30, R60, R90 y R120

• Análisis por elementos finitos– Modelo numérico del panel de forjado– Propiedades termo-mecánicas de materiales empleados en AE F

• Validación del modelo numérico– Análisis térmicos– Análisis estructurales

• Efecto de continuidad en el límite del panel• Resultados del estudio paramétrico

– Flecha del forjado– Capacidad de elongación de las barras de armadura

• Conclusión

Contenido de la presentación

3Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Objetivos del estudio paramétrico Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

• Antecedentes– Ensayos FRACOF (Test 1) y COSSFIRE (Test 2)de fuego

estándar a gran escala• Excelente comportamiento frente al fuego de los

sistemas de forjado colaborante (con efecto tensil demembrana)

• Máx θθθθ del acero ≈≈≈≈ 1000 °C, duración del fuego >>>> 120 minDetalles de construcción en Francia

• Flecha ≈≈≈≈ 450 mm– Ensayo FICEB (test 3) de fuego natural a gran escala con

vigas alveolares.• Objetivo

– Comprobación del método de cálculo simplificado entodo su ámbito de aplicación total (usando modelos decálculo avanzados)

• Límite de flecha del forjado• Elongación del acero de armadura

4Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

6 m x 6 m 6 m x 9 m 9 m x 9 m 6 m x 12 m 9 m x 12 m

Vigas principales

Vigas secundarias protegidas

Vigas intermedias desprotegidas

7,5 m x 15 m 9 m x 15 m

• Tamaño de red del forjado

Propiedades del estudio paramétrico (1/3)Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

Combinación de carga según EC0 en situación de fueg o en edificios de oficinas:G (Carga muerta) + 0,5 Q (Carga aplicada)

G= Peso propio + 1,25 kN/m² Q= 2,5 & 5 kN/m²

• Niveles de carga

5Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

• Condiciones de unión ente el forjado y las columnas de acero

Propiedades del estudio paramétrico (2/3)Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

Panel de forjado

Panel de forjado

Columna

Columna

Con unión mecánica entre forjado y columnas

Sin unión mecánica entre forjado y columnas

6Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

• Grado de resistencia al fuego: R30, R60, R90 y R120

Propiedades del estudio paramétrico (3/3)Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

0

200

400

600

800

1000

1200

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

Tem

pe

ratu

re [

°C]

Time [min]

R30

R120R90

R60

Calentamiento de las vigas de contorno (Máx.

550 C)

7Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Modelo de elementos finitos

• Modelo híbrido basado en varios tipos de elementos finitos con código computacional ANSYS

Beam24 : viga de acero, cubierta de acero, y nervadura de hormigón

PIPE16 (elemento uniaxial 6 GL): conexión entre viga y forjado de hormigón

BEAM24 : columna de acero

SHELL91 ( multicapa 6 GL): parte sólida de forjado de hormigón

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

8Numerical parametric investigation of simple design method

Elemento BEAM

Elemento SHELL

Modelo de elementos finitosObjetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

• Modelo híbrido basado en varios tipos de elementos finitos con código computacional SAFIR

9Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Propiedades del panel de forjado

• Vigas S235• Cubierta de acero trapezoidal COFRAPLUS60 (0,75 mm d e

espesor) • Hormigón de peso normal C30/37• Malla de armadura S500• Posición media de la malla (desde la parte superior ) = 45 mm

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

58 m

m 101mm

107 mm

62 mm

120 mm (R30)130 mm (R60)140 mm (R90)150 mm (R120)

10Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Propiedades termo-mecánicas (1/2)

• Propiedades termo-mecánicas del acero:

– Propiedades termo-mecánicas del EC4-1.2– Masa unitaria independiente de la temperatura ( ρa = 7850 kg/m 3)– Relaciones tensión-deformación:

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2

Str

ess

[MP

a]

Strain [%]

20 °C

100 °C

200 °C

300 °C

400 °C

500 °C

600 °C

700 °C

800 °C

900 °C

1000 °C

1100 °C

1200 °C

11Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Propiedades termo-mecánicas (2/2)

• Propiedades termo-mecánicas del hormigón:

– Propiedades termo-mecánicas del EC4-1.2– Masa unitaria en función de la temperatura según EC 4-1.2– Criterio de fluencia de Drucker-Prager– Factores de reducción por compresión de EC4-1.2:

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

0 200 400 600 800 1000 1200

Temperature [ C]

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

12Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Validación del modelo numérico de ANSYS vs. Test 1 (1/2)

• Comparación con el ensayo frente al fuego (análisis de transferencia de calor)

Vigas de acero desprotegidas Vigas secundarias protegidas

Vigas principales protegidas Forjado colaborante

ABC

ABC

ABC

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo

numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

FB

AC

D

E

13Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Validación del modelo numérico de ANSYS vs. Test 1 (2/2)

• Comparación con el ensayo frente al fuego (flecha)

0

100

200

300

400

500

0 15 30 45 60 75 90 105 120Time (min)

Dis

plac

emen

t (m

m) Mid-span of

unprotected central

secondary beamsMid-span of

protected edge secondary beams

Mid-span of protected primary beams

Central part of the floor

Test Simulation

Curva deformada simulada del forjado

tras el ensayo

Comparación de la flecha (forjado y vigas)

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo

numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

14Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Vigas de acero desprotegidas

Forjado Colaborante

ABC

FB

AC

D

E

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo

numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

Validación del modelo numérico de SAFIR vs. Test 1 (1/2)

• Comparación con el ensayo frente al fuego (análisis de transferencia de calor)

15Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Tensiones en los extremos del forjado simulado

Comparison of the deflection (slab and beams)

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo

numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

• Comparación con el ensayo frente al fuego (flecha)

Validación del modelo numérico de SAFIR vs. Test 1 (2/2)

16Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Vigas de acero desprotegidas

Forjado colaborante

ABC

FB

AC

D

E

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo

numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

Validación del modelo numérico de SAFIR vs. Test 2 (1/2)

• Comparación con el ensayo frente al fuego (análisis de transferencia de calor)

17Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Tensiones en el extremo del forjado simulado

Comparación de la flecha (forjado y vigas)

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo

numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

• Comparación con el ensayo frente al fuego (flecha)

Validación del modelo numérico de SAFIR vs. Test 2 (2/2)

18Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Vigas de acero desprotegidas

Forjado Colaborante

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo

numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

Validación del modelo numérico de SAFIR vs. Test 3 (1/3)

• Comparación con el ensayo frente al fuego (análisis de transferencia de calor)

19Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

• Modelo híbrido para tener en cuenta la situación tr ás el pandeo del alma como elemento BEAM

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 200 400 600 800 1 000 1 200

Red

uctio

n fa

ctor

s

Temperature ( C)

kEa,θ

kap,θ

kay,θ

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 200 400 600 800 1 000 1 200

Red

uctio

n fa

ctor

s (x

1E

-3)

Temperature ( C)

kEa,θ

kap,θ

kay,θ

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo

numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

Validación del modelo numérico de SAFIR vs. Test 3 (2/3)

20Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Tensiones en el extremo del forjado simulado

Comparación de la flecha

F0

F0

F0 F0

F0

F0

F0

F0 F0

F0

F0

F0

F0 F0

F0

F0

F0

F0

F0

F0

F0

F0

F0

F0 F0

F0

F0F0

F0

F0 F0

F0

F0F0

F0

F0

F0F0

F0

F0 F0

F0

F0F0

F0

F0 F0

F0

F0F0

F0

F0

F0F0

F0

F0 F0

F0

F0

F0 F0

F0

F0

F0

F0

F0 F0

F0

F0

F0 F0

F0

F0

F0

F0

F0 F0

F0

F0

F0 F0

F0

F0

F0

F0

F0 F0

F0

F0

F0 F0

F0

F0

F0

F0

F0 F0

F0

F0

F0 F0

F0

F0

F0

F0

F0 F0

F0

F0

F0 F0

F0

F0

F0

F0

F0 F0

F0

F0

F0

F0 F0

F0

F0

F0

F0

F0

F0

F0

F0

F0

F0 F0

F0

F0

F0

F0 F0

F0

F0

F0

F0 F0

F0

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo

numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

Validación del modelo numérico de SAFIR vs. Test 3 (3/3)

• Comparación con el ensayo frente al fuego (flecha)

21Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Efecto de las condiciones de contorno

CORNER

CORNER

9 m

9 m

9 m 9 m

S2S1

S3 S4

Condiciones restrictivas

S2S1

S3 S4

• Conclusión– Predicción de una flecha más importante en la red d e la

esquina, con 2 bordes continuos, más que en otras 3 redes con 3 ó 4 bordes continuos.

Red estructural de un edificio real Modelo ANSYS

Objetivos

Propiedades del

estudio paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio paramétrico

Conclusión

22Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Propiedades del estudio paramétrico (1/4)

Uns

afe

Safe

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

SD

M li

mit

[mm

]

Advanced numerical model [mm]

R 30 R 60 R 90 R 120

Con unión mecánica entre forjado y columnas en cálculos avanzados

• Comparación de la flecha de AEF con la flecha máxim a admisible según el MCS (método de cálculo simplific ado)

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

23Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Propiedades del estudio paramétrico (2/4)

Sin unión mecánica entre forjado y columnas en cálculos avanzados

• Comparación de la flecha de AEF con la flecha máxim a admisible según el MCS (método de cálculo simplific ado)

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

SD

M li

mit

[mm

]

Advanced numerical model [mm]

R 30 R 60 R 90 R 120

Uns

afe

Safe

10%

24Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Propiedades del estudio paramétrico (3/4)

• Comparación del tiempo en el que la flecha de AEF a lcanza la luz 30 con la resistencia al fuego según el MCS (mét odo de cálculo simplificado)

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

1

2

3

0,5 2,5 4,5 6,5 8,5 10,5 12,5 14,5

R 30

R 60

R 90

R 120

9m x 9m6m x 6m 6m x 9m 6m x 12m 9m x 12m

t Spa

n/30

/ t F

ire R

esis

tanc

e

9m x 15m7.5m x 15m

• Conclusión– No se alcanza el criterio de luz 30 en AEF en el tiem po de

resistencia frente el fuego según la predicción del MCS

25Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

0%

1%

2%

3%

4%

5%

0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5

R 30 R 60 R 90 R 120

9m x 12m6m x 12m9m x 9m6m x 9m6m x 6m 7.5m x 15m 9m x 15m

Def

orm

ació

n m

ecán

ica

máx

. del

ace

ro d

e ar

mad

ura

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

Propiedades del estudio paramétrico (4/4)

• Capacidad de elongación de las barras de armadura

• Conclusión– Elongación del acero de armadura <<<< 5 % = capacidad mínima

de elongación admisible según EC4-1.2.

26Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado

Objetivos

Propiedades del

estudio

paramétrico

Análisis por

elementos finitos

Validación del

modelo numérico

Efecto de las

condiciones de

contorno

Resultados del

estudio

paramétrico

Conclusión

Conclusión

• El método de cálculo simplificado - MCS resulta segu ro en vista de los resultados del cálculo avanzado

• Con respecto a la elongación de la malla de acero d e armadura, por regla general permanece por debajo de l 5 %.

• Las uniones mecánicas entre el forjado y las column as pueden reducir la flecha de un sistema de forjado c olaborante en una situación de incendio, pero no son necesaria s como detalle de construcción.

• El MCS es capaz de predecir con seguridad el comportamiento estructural del forjado colaborante de acero y hormigón sometido a un fuego estándar.