Comportamiento frente al fuego de sistemas de forjado...
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Comportamiento frente al fuego de sistemas de forjado colaborante de acero
Investigación numérica del método de cálculo simplificadoEne. 2011
2Ene. 2011 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 AEF
• 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
3Ene. 2011 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– Ensayo FRACOF de fuego estándar a gran escala
• Excelente comportamiento frente al fuego de los sistemas de forjado colaborante (con efecto tensil de membrana)
• Máx θ del acero ≈ 1000 °C, duración del fuego > 120 min
• Detalles de construcción en Francia • Flecha ≈ 450 mm
• Objetivo– Comprobación del método de cálculo simplificado en
todo su ámbito de aplicación total (usando modelos de cálculo avanzados)
• Límite de flecha del forjado• Elongación del acero de armadura
4Ene. 2011 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 principalesVigas 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 fuego en edificios de oficinas:G (Carga muerta) + 0,5 Q (Carga aplicada) G= Peso propio + 1,25 kN/m²Q= 2,5 & 5 kN/m²
• Niveles de carga
5Ene. 2011 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
ColumnaColumna
Con unión mecánica entre forjado y columnas
Sin unión mecánica entre forjado y columnas
6Ene. 2011 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
Tempe
rature [°C]
Time [min]
R30
R120R90
R60
Calentamiento de las vigas de contorno (Máx.
550 °C)
7Ene. 2011 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
8Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Propiedades del panel de forjado
• Vigas S235• Cubierta de acero trapezoidal COFRAPLUS60 (0,75 mm de
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)
9Ene. 2011 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/m3)– 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
Stre
ss [M
Pa]
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
10Ene. 2011 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 EC4-1.2– 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
11Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Validación del modelo numérico (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
ACD
E
12Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Validación del modelo numérico (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
Mid-span of protected edge
secondary beamsMid-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
13Ene. 2011 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 de 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
14Ene. 2011 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
SDM
lim
it [m
m]
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 máxima admisible según el MCS (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
15Ene. 2011 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 máxima admisible según el MCS (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
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
SDM
lim
it [m
m]
Advanced numerical model [mm]
R 30 R 60 R 90 R 120
Uns
afe
Safe
10%
16Ene. 2011 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Propiedades del estudio paramétrico (3/4)
• Comparación del tiempo en el que la flecha de AEF alcanza la luz 30 con la resistencia al fuego según el MCS (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
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
/ tFi
re R
esis
tanc
e
9m x 15m7.5m x 15m
• Conclusión– No se alcanza el criterio de luz 30 en AEF en el tiempo de
resistencia frente el fuego según la predicción del MCS
17Ene. 2011 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.
18Ene. 2011 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 seguro en vista de los resultados del cálculo avanzado
• Con respecto a la elongación de la malla de acero de armadura, por regla general permanece por debajo del 5 %.
• Las uniones mecánicas entre el forjado y las columnas pueden reducir la flecha de un sistema de forjado colaborante en una situación de incendio, pero no son necesarias 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.