Jornada: Estructuras y Fuego

Jornada: Estructuras

frente al FuegoEstructuras de madera frente al incendio

Jorge Blasco - Estudi m103, SLP 1

Estructuras de madera y fuego

Estructuras de

madera frente

al incendio

Consideraciones previas: madera como

material

Jorge Blasco - Estudi m103, SLP

2


• La creación del fuego mediante el rozamiento

de dos palos y su uso como combustible para la

cocina y calefacción han influido decisivamente

en la desconfianza de la madera como

elemento estructural. Los sucesos históricos de

grandes incendios en ciudades con edificios de

madera aumentó esta desconfianza (Roma, año

64; Londres, 1666 – dio lugar a la primera

normativa contra la madera para incorporar

barreras entre edificios medianeros-, Trondhein

(Noruega), 1717). De hecho, y

desgraciadamente por falta de información,

cuando se recibe la noticia de un incendio, si se

informa que se trataba de un edificio de madera,

la gente lamenta que se siga usando.

• A lo largo de la Revolución Industrial en el s.XVIII y

en EEUU en el s.XIX, los incendios continuaron,

pese a que se empezó a prohibir la construcción

con estructuras de madera, sustituyéndola por

mampostería, hormigón y acero.

Consideraciones previas:

madera como material


Roma, 64

Londres, 1666


3

Se formaron departamentos públicos

contra incendios, se instalaron suministros

públicos de agua y bocas de incendios y

mejoras en los camiones y cuerpos de

bomberos. El uso del acero y el hormigón

en estructuras – no combustibles – se vió

como la panacea contra el problema;

craso error, que vinieron a demostrar otros

grandes incendios, como los de Chicago

1871 y San Francisco 1906 (tras el

terremoto), que no tuvieron que ver con la

madera y causaron los mismos estragos…

• El carácter combustible de un material no

determina que su eliminación garantice

que no se producirá un fuego.


San Francisco, 1906Tras el terremoto

Chicago, 1871


4Consideraciones previas:


• En resumen, los edificios con

estructuras de madera deben

cumplir con la normativa y

reglamentos de fuego igual que

todos los otros tipos de

construcción y por lo tanto no

representan riesgo mayor para

sus habitantes.





• No es frecuente que se mencione, porque no es tan llamativo y exige algunas reflexiones, el que la

madera difícilmente puede ser la causa, aunque sí el alimento del incendio; que después del mismo el

edificio quedó en condiciones aceptables y que los bomberos pudieron actuar con seguridad ante la

firmeza de sus estructuras, salvando posibles víctimas y enseres

The above illustration shows that when concrete has perished and steel

has melted in fire, timber can still take a large load...in a fire, which

material would you like your house made out of?

Effects of Fire Testing on Glulam timber

A) Original size

B) Section of a member after a half an hour of fire testing

C) One hour of fire testing





La madera y sus productos derivados están formados

principalmente por celulosa y lignina, los cuales se componen de

carbono, hidrógeno y oxígeno. Estos componentes la hacen

combustible. Sin embargo la madera maciza no arde

rápidamente y son realmente pocos los casos en los que en un

incendio haya sido el primer material en arder.


• Sin la presencia de llama, la madera necesita una temperatura en

la superficie superior a 400 ºC para comenzar a arder en un plazo

de tiempo medio o corto. Incluso con la presencia de llama se

necesita una temperatura en la superficie de unos 270-300 ºC

durante un cierto tiempo antes de que se produzca la ignición. A

pesar de que la madera sea un material inflamable a

temperaturas relativamente bajas, en relación con las que se

producen en un incendio, es más seguro de lo que la gente cree

por las siguientes razones:

– Su baja conductividad térmica hace que la temperatura

disminuya hacia el interior

– La carbonización superficial que se produce impide por una

parte la salida de gases y por otra la penetración del calor,

por lo que frena el avance de la combustión.

– Y al ser despreciable su dilatación térmica no origina esfuerzos

en la estructura ni empujes en los muros.




La madera es un material con gran capacidad de

aislamiento térmico lo que supone una importante ventaja

en caso de incendio. El coeficiente de conductividad

térmica de la coníferas (pino y abetos) en la dirección

perpendicular varía aproximadamente de 0,09 a 0,12

kcal/mhºC (en las maderas muy ligeras se sitúa en 0,005 y

en las pesadas puede llegar a 0,30). En el caso de los

tableros de partículas, y dependiendo del espesor, puede

variar de 0,08 a 0,15; y en los de fibras de densidad media

de 0,06 a 0,72.


La capa carbonizada es 6 veces más aislante que la

propia madera. De esta forma el interior de la pieza se

mantiene frío y con sus propiedades físicas y mecánicas

inalteradas.

La pérdida de capacidad portante de la estructura se

debe a una simple reducción de la sección, más que a

una pérdida de resistencia del material.




Laboratori del Foc - EPSEB

Consideraciones previas:




10


Estudio del caso del museo del Smithsonian. Washinton D. C. (EEUU)

Este museo contiene ejemplares únicos e irremplazables y uno de los mayores peligros a los que están

expuestos es el fuego. Tras varios estudios se llegó a la conclusión de que el material que reunía las

mejores condiciones de seguridad y trabajabilidad era la madera tratada con ignífugos.Fuente: La madera y su resistencia al fuego (AITIM))

Neil Gibbins - Subjefe de bomberos de Devon y Somerset (Reino Unido)

La labor de rescate en un incendio no debe suponer un gran problema con el uso de madera en

construcción. Sabemos como se va a comportar frente al fuego. Especificada para uso y una

construcción apropiados, en las circunstancias adecuadas es un muy buen material de construcción.Fuente: www.woodforgood.com

Manifiesto de la industria de la madera (Reino Unido)

Las estadísticas anuales de incendios del Departamento de Comunidades y Gobierno Local muestran

que sólo uno de cada ocho incendios se produjo en un edificio con estructura de madera.Fuente: www.woodforgood.com




Estructuras de

madera frente

al incendio

Resistencia al fuego - velocidad de

carbonización


13


Factores que influyen en la

combustión de la maderaEscuadría, superficie y forma

En las piezas gruesas se retrasa el

punto de inflamación porque la

superficie a calentar es mayor para

una misma fuente calorífica. Las

superficies rugosas y angulosas

favorecen la inflamación, debido a

que el fuego encuentra puntos de

entrada singulares que arden con

más facilidad. En las superficies

lisas las llamas lamen las caras y

tardan más en penetrar hacia el

interior.

Contenido de humedad

Cuanta más humedad tenga la

madera más tiempo requerirá llegar

la combustión ya que primero se ha

de evaporar el agua contenida en

la madera.

Especie de madera

Las maderas más ligeras tienen un mayor

volumen de poros. Por ello desprenden los

gases con mayor rapidez y el comienzo de

la combustión y la velocidad de

propagación se producen más rápidamente

que en las especies más densas.

Las maderas de frondosas de poros

dispersos (como el haya), arden más

rápidamente que las de poros en anillo

(como el roble).

Densidad

El tiempo de ignición es proporcional a la

densidad de la madera. Las maderas más

ligeras son las más porosas y por tanto,

arden más deprisa que las pesadas porque

tienen más aire disponible.


Tamaño de la fuente de calorífica.

La fuente calorífica debe aportar suficiente

energía para calentar toda la pieza, no

bastando una fuente puntual muy intensa:

no se puede quemar una viga con una

cerilla.

Coeficiente de conductividad calorífica

de la madera.

Su valor es muy bajo, especialmente en la

dirección perpendicular a la fibra.

Nota: El carbón protege a la pieza de

madera de la acción del fuego porque su

coeficiente de conductividad calorífico es

un 1/4 (1/6) del de la madera. El carbón

vegetal (que es el que se crea en la

combustión de la madera) arde además a

temperaturas superiores a 500ºC que son

más difíciles de alcanzar, aunque una vez

que se alcanzan sigue ardiendo. Fue

nte

: R

ev

ista

AIT

IM 2

93


14

Factores que influyen en la

combustión de la maderaNota: El carbón protege a la pieza de madera de la

acción del fuego porque su coeficiente de

conductividad calorífico es un 1/4 (1/6) del de la

madera. El carbón vegetal (que es el que se crea

en la combustión de la madera) arde además a

temperaturas superiores a 500ºC que son más

difíciles de alcanzar, aunque una vez que se

alcanzan sigue ardiendo sin necesidad de aporte

de calor, siempre y cuando exista suficiente

oxigeno. La capa de carbón se va consumiendo y

creando de forma continua y lenta ya que el

oxigeno va también disminuyendo desempeñando

su papel protector.

Calor específico

El calor específico de la madera es bajo, de 0,4 a

0,7 Kcal/kgºC, lo que significa que no se necesita

mucho calor para llegar a los 150° C, temperatura a

la que empiezan a desprenderse gases

combustibles y por tanto a aparecer las llamas.

Coeficiente de conductividad calorífica

de la madera.

Su valor es muy bajo, especialmente en la

dirección perpendicular a la fibra.

El coeficiente de conductividad calorífica de

las coníferas (pino y abetos) en la dirección

perpendicular varía aproximadamente de

0,09 a 0,12 kcal/mhºC (en las maderas

ligeras se sitúa en 0,005 y en las pesadas

puede llegar a 0,30). En el caso de los

tableros de partículas, y dependiendo del

espesor; puede variar de 0,08 a 0,15; y en

los de fibras de densidad media de 0,06 a

0,72. Este mismo coeficiente para otros

materiales puede alcanzar los siguientes

valores 62 (Hierro); 330 (Cobre); de 0,5 a

100 (Cemento); 0,15 (yeso)


Fue

nte

: R

ev

ista

AIT

IM 2

93


15

Zona carbonizada: parte de la madera que ha perdido su capacidad resistente y actúa

como aislante.

Zona de pirólisis: parte de la madera cuyas propiedades se ven afectadas por el efecto

de la temperatura.

Zona intacta: parte de la madera que conserva intactas sus propiedades de resistencia.


16

La capa carbonizada actúa de aislante y mantiene el interior de la

pieza frío, conservando sus propiedades fisico-mecánicas constantes.

La pérdida de capacidad portante de la madera se debe a la

reducción de la sección.

Factores desfavorables en el comportamiento a fuego:

- Alta relación superficie/volumen

- Aristas vivas y secciones con partes estrechas

-Maderas con fendas

-Densidad baja de la madera


Resistencia al fuego - velocidad

de carbonización600º

20º


de carbonización


La madera

se

autoprotege

La carbonización

avanza en dirección

perpendicular a las

fibras y disminuye a

medida que aumenta

la capa carbonizada.

El aislamiento de esta

capa carbonizada es

seis veces mayor que

el de la madera sin

carbonizar. La

resistencia mecánica

de la zona

carbonizada

disminuye, pero el resto

de la pieza sigue

intacta.


17

La resistencia al fuego de un elemento constructivo se mide como el tiempo durante el que es

capaz de seguir cumpliendo su función (resistencia, estanqueidad, aislamiento) en una situación

de incendio. Para la madera en grandes escuadrías es fácil alcanzar tiempos elevados de

resistencia y estabilidad al fuego. Existe una relación lineal entre la profundidad carbonizada y el

tiempo transcurrido. Esta relación constante que se denomina velocidad de carbonización permite

determinar cual es la sección residual después de un tiempo determinado.


El efecto del fuego sobre las aristas de la

pieza produce un redondeo con un radio de

curvatura que es función del tiempo. La

consideración del redondeo de las esquinas

de la sección complica el cálculo de las

propiedades mecánicas de la sección

residual. Para simplificar este proceso se

define una velocidad de carbonización

eficaz, con un valor ligeramente superior al

real y que permite considerar la sección

residual con las aristas vivas (como si no se

produjera el redondeo).


18


de carbonización

Método de cálculo propuesto:

CTE : Método de la sección reducida eficaz

Eurocódigo 5 : Método de la Resistencia y rigidez reducidas

Hipótesis de partida:

- Se analizan elementos estructurales individualmente.

- Las condiciones de contorno y apoyo son iguales a las iniciales.

- En elementos de madera no es necesario considerar dilataciones

térmicas.

El método se basa en las siguientes consideraciones:

- Los valores de resistencia de cálculo y rigidez se consideran constantes

durante el incendio.

- El valor de kmod, se modifica para tener en cuenta que en situación de

incendio se modifican los parametros de humedad i temperatura. Su valor

menor o igual a la unidad depende del método de cálculo empleado

- Una sección reducida de madera.



19


de carbonización

Sección reducida: sección resultante de eliminar de la sección inicial la

profundidad eficaz de carbonización, def, en las caras expuestas, alcanzada

durante el periodo de tiempo considerado.

def=dchar,n+k0·d0

siendo:

dchar,n profundidad carbonizada nominal de cálculo, se

determinará de acuerdo con el apartado E.2.2.

d0 de valor igual a 7 mm

k0 Superficies no protegidas

t≥20 min ………………….k0=1

t<20 min ………………….k0=t/20

Superficies protegidas

tch≤20 min ………………….k0=t/20

tch>20 min ……….. t=0 k0=0

t≥tch k0=1

tch tiempo de inicio de carbonización de superficies

protegidas



20


de carbonizaciónCTE



21


de carbonizaciónEurocódigo 5

Resistencia y rigidez reducidas (Eurocódigo 5): sección resultante de eliminar de la

sección inicial la profundidad eficaz de carbonización, def, en las caras expuestas,

alcanzada durante el periodo de tiempo considerado.

def=dchar,n+k0·d0 siendo:

dchar,n profundidad carbonizada nominal de cálculo, se

determinará de acuerdo con el apartado siguiente

d0 de valor igual a 7 mm

k0 Superficies no protegidas

t≥20 min ………………….k0=1

t<20 min ………………….k0=t/20

Superficies protegidas (CTE)

tch≤20 min ………………….k0=t/20

tch>20 min ……….. t=0 k0=0

t≥tch k0=1

tfi,req es el tiempo de resistencia al fuego requerido

para la exposición al fuego normalizado

tpr es el tiempo de fallo del revestimiento de

protección contra el fuego

Profundidad de carbonización nominal de cálculo dchar,n: distancia entre la superficie exterior

de la sección inicial y la línea que define el frente de carbonización.

dchar,n=n·t

t tiempo de exposición al fuego

n velocidad de carbonización nominal



22


de carbonización

MADERA SIN

PROTECCION

Aplicando el anejo A del Eurocódigo 5, parte 1-2

5. VELOCIDADES DE CARBONIZACIÓN Y PROFUNDIDADES CARBONIZADAS SEGÚN UNA EXPOSICIÓN AL FUEGO PARAMÉTRICO -

- ESTRUCTURAS DE MADERA (ANEJO A - EUROCODIGO 5) -

1 -

madera: madera aserrada qt,d = 205.14 MJ/m2 -

Velocidad de carbonización βn nominal: 0.8 mm/min 1 1 -

-

Velocidad de carbonización βpar durante la fase de calentamiento: 1.18 mm/min 1 -

Caras expuestas (0/1) -

periodo con velocidad constante t0: 21.44 min -

R - 60 -

ISO 834 dchar = 55.00 mm -

-

-

-

-

-

curva parametrica dchar = 50.19 mm -

(EN1995-1-2_E_2004) dchar máxima= 50.44 mm -

-

Sección de madera -

-

b= 11.0 cm -

-

-

y-y h= 22.0 -

--

z-z -

-

Sección residual de madera -

-

CTE bef= 0.0 cm -

EC5 bef= 1.0 cm -

-

-

y-y hef= 11.0 cm CTE -

hef= 12.0 cm EC5 -

-

z-z -

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1000.00

1200.00

1400.00

0 15 30 45 60 75 90

VEL

OCI

DA

DES

CA

RB

ON

IZA

CIÓ

N (

MM

/MIN

)

TEM

PER

ATU

RA

S G

(°C)

Curvas incendio tiempo-te mperatura

Incendio Normalizado Estándar Curva paramétrica Velocidad carbonización (mm/min)


de carbonización



23

Velocidad de carbonización nominal de cálculo: variable durante el tiempo deexposición al fuego. Dos posibles casos:

1. Caso: Inicio de la carbonización del elemento por fallo de la protección. Fases.

a. El inicio de la carbonización se retrasa hasta el tiempo en que se produce el fallo de la protección tf.

Velocidad de carbonización βp = 2·βn (tabla E.1) hasta alcanzar dchar,p min 25 𝑚𝑚𝑑𝑐ℎ𝑎𝑟,𝑛

b. Velocidad de carbonización: igual a la nominal sin protección βn (tabla E.1)

Resistencia al fuego – madera

protegida: velocidad de

carbonización



24

2. Caso: Inicio de la carbonización del elemento antes del fallo de la protección. (Protección con lana de roca o placas

de yeso laminado) - Fases.

a. Hasta el momento en que se inicia la carbonización del elemento tch.

b. Hasta el momento en que se produce el fallo de la protección tf. La carbonización de la pieza puede comenzar antes de

producirse el fallo de la protección, pero a una velocidad menor que la indicada en la tabla 6.4, hasta que se alcance el

fallo de la protección en el tiempo tf;

Velocidad de carbonización βp = k2·βn (k2 depende del material de protección)

c. Velocidad de carbonización βp = 2·βn (tabla E.1) hasta alcanzar dchar,p min 25 𝑚𝑚𝑑𝑐ℎ𝑎𝑟,𝑛

d. Velocidad de carbonización: igual a la nominal sin protección βn (tabla E.1)

Material de protección:

Lana de roca (e≥20 mm y ≥26 kg/m3), k2 ver en tabla E.2

Placas de yeso laminado (1 capa tipo F (fire) o varias, la exterior F y la interior A (standart) o H (hidrófuga); k2 = 1 –

0,018·hp

hp: espesor en mm de la capa de yeso



carbonización



25

• Tableros derivados de la madera

La velocidad de carbonización con protección de tableros derivados de la madera, se obtiene según la siguiente tabla:

No es necesario considerar la carbonización en las superficies de los elementos recubiertos con revestimientos de

protección contra el fuego cuando:

tpr ≥ tfi,req

donde

tpr es el tiempo de fallo del tablero de protección o de otro material de protección, es decir, la duración de

la protección eficaz contra la exposición directa al fuego;

tfi,req es el tiempo de resistencia al fuego requerido en exposición al fuego normalizado.



carbonización



26



carbonización

• Y las pinturas o barnices intumescentes??



27

Resultado de ensayo a fuego, con idéntica sección de partida y idéntica

duración del incendio.

Se ensayan 1 muestra de conífera y 1 muestra de frondosa



28


de carbonización

Las maderas más ligerastienen un mayor volumende poros. Por ellodesprenden los gases conmayor rapidez y elcomienzo de la combustióny la velocidad depropagación se producenmás rápidamente que enlas especies más densas.

Las maderas de frondosasde poros dispersos (comoel haya), arden másrápidamente que las deporos en anillo (como elroble).


Agustín Garzón Cabrerizo


29


de carbonización


Agustín Garzón Cabrerizo

CONCLUSIONES• depende del tipo de madera. Sobre todo en densidades altas las

frondosas tienen más bajas que las coníferas .

•La densidad es el factor que más influye en : a mayor densidad,

menor

•La masividad no parece ser representativa en la variación de ,

aunque parece que tiende a aumentar al aumentar ésta.

•A partir de exposiciones superiores a 20 min se observa una

linealidad en pero con tendencia a subir. A mayor tiempo de

exposición, mayor para el mismo tipo de madera, aunque la

pendiente es muy baja y parece muy lineal

•El valor de k0d0 en el cálculo de la profundidad carbonizada (7 mm

para t20 min) parece acertado para corregir el desfase de

velocidad de carbonización en los primeros 20 min. Aunque los

resultados de reales arrojarían un k0d0 ligeramente mayor de 8-8,7

mm. Para MLE Eucalipto.

•Para maderas frondosas de alta densidad los resultados obtenidos

de n son muy similares a los dados por el CTE y el eurocódigo: 0,5

(=850 kg/m3) frente a 0,55 mm/min ( 450 kg/m3)

respectivamente.

•Para coníferas los valores reales de n medido son superiores a los

dados en las tablas con densidades muy superiores a los 290 kg/m3

que marcan como límite dichas tablas. 0,62 ( =1050 kg/m3) y 0,95

( =550 kg/m3) frente a 0,8 mm/min ( 290 kg/m3) del CTE y

Eurocódigo.

•Para MLE de pino el valor real de n es superior al de tablas 0,89 (

=510 kg/m3) frente a 0,7 mm/min ( 290 kg/m3)


30


de carbonización

FUNDACION FUEGO - D. Joaquín Sáez y D. Miguel Castro



31


de carbonización

Estructuras de

madera frente

al incendio

Comprobación frente al fuego


32




33


Normativa vigente

Las normativas vigentes en cuanto a prevención de incendios a nivel estatal son:

• el Código Técnico de la Edificación que lo desarrolla en los documentos básicos CTE-SI

Seguridad contra incendios, CTE-SUA Seguridad de utilización y accesibilidad

• el Reglamento de Seguridad de incendios en establecimientos industriales (RSIEI)

• el Reglamento de instalaciones de protección contra incendios (RIPCI).

Además existen normativas a nivel de Comunidad Autónoma y a nivel Municipal.

Puede aplicarse la normativa Comunitaria UNE EN 1991-1-2, Eurocódigo 1: Acciones en

estructuras; Parte 1-2: Acciones generales. Acciones en estructuras expuestas al fuego, y

las partes correspondientes de los Eurocódigos 2, 3, 4 y 5.

CTE SI

Cumplimiento del DB SI en edificios existentes y efectividad de la adecuación al DB (CTE SI –

Diciembre 2012)

Lo que establece este apartado implica, junto con el punto 3 del artículo 2 de la parte I del CTE, que en

obras en edificios existentes en las que se den las limitaciones (restricciones) que se citan, no se

incumple el CTE si se aplican soluciones que supongan, a juicio de las administraciones de control

edificatorio, el mayor grado de adecuación efectiva global posible a las condiciones de este DB.

La adecuación a este DB de un elemento que se modifica puede no ser efectiva cuando depende de la

necesaria contribución de otros elementos que, por no modificarse con la reforma, no se adecuan a este

DB.

Por ejemplo, puede ser el caso de reformas que no llegan a tener la suficiente envergadura, en cuanto

elementos involucrados, para poder dar una solución efectiva a condiciones de compartimentación, de

resistencia al fuego de la totalidad de un elemento (como puede ser una medianería), de reacción al

fuego de los acabados de una determinada zona, etc.




34

La estructura principal de las cubiertas ligeras no previstas para ser utilizadas en la evacuación de los ocupantes y

cuya altura respecto de la rasante exterior no exceda de 28 m, así como los elementos que únicamente sustenten

dichas cubiertas, podrán ser R 30 cuando su fallo no pueda ocasionar daños graves a los edificios o establecimientos

próximos, ni comprometer la estabilidad de otras plantas inferiores o la compartimentación de los sectores de incendio. A

tales efectos, puede entenderse como ligera aquella cubierta cuya carga permanente debida únicamente a su

cerramiento no exceda de 1 kN/m².




35

Método del tiempo equivalente de exposición al fuego normalizado.

Tiempo de exposición a la curva Normalizada tiempo-temperatura que se supone que tiene un efecto

térmico igual al de un incendio real en el sector de incendio considerado.

Anejo B DB-SI UNE EN 1991-1-2:2004

Solo aparece:

-Hormigón

- Acero sin proteger

- Acero protegido




36

Curvas paramétricas

Estas curvas han establecido de forma empírica la temperatura como función del tiempo,

pero con parámetros que dependen de la carga de fuego, las aberturas existentes y de las

propiedades térmicas de la envolvente. Se formula una rama ascendente hasta una

temperatura máxima y una rama descendente.Eurocódigo 5

ANEXO D (Informativo)

EXPOSICIÓN PARAMÉTRICA AL FUEGO

• Velocidades y profundidades de

carbonización

• Capacidad de carga de elementos

sometidos a flexión de canto




37

Modelos informáticos de dinámica de fluidos

deben calibrarse para tener validez

Modelización vivienda en edificio – Sector de Incendios: Programa FDIS




38



39


Estructuras de

madera frente

al incendio

Comprobación frente al fuego: bases de

cálculo


40


En situación de incendio la comprobación estructural se realiza considerando unas acciones

más reducidas, dado el carácter excepcional del incendio, y una sección residual, obtenida al

restar la profundidad carbonizada (más una cantidad fija a partir de los 20 minutos de 7mm por

efecto de la temperatura en el perímetro de la sección) a las dimensiones iniciales, en cada cara

expuesta.

Situaciones persistente o transitoria

Situaciones extraordinarias con acciones accidentales

La resistencia de cálculo en situación de incendio es más elevada que en la situación normal. En

secciones gruesas es fácil alcanzar tiempos superiores o iguales a 30 minutos.

Sin embargo con anchuras inferiores a los 90 - 100 mm es difícil llegar a EF – 30 minutos.

1 1

,,2,1,1,11,,,

j i

ikiiQkQdjkjG QQAG

1 1

,,01,1,1,,,

j i

ikiQkQjGjG QQG

Comprobación frente al fuego:

bases de cálculo



41

Coeficiente parcial de seguridad

En el caso de la madera se presentan los siguientes coeficientes parciales de seguridad para el cálculo de la resistencia γM:

Como se puede observar, y al igual que otros materiales tenemos diferentes coeficientes de seguridad en función del tipo

de material y elemento. Pero es único en situación extraordinaria.


bases de cálculo



42

Combinación de acciones en situaciones extraordinarias con acciones accidentales

En situación extraordinaria, todos los coeficientes de seguridad (G, Q) son iguales a cero si su efecto es

favorable o a la unidad si es desfavorable. Los coeficientes de simultaneidad según la tabla ya citada:

Simplificando, en situación de incendio:

1 1

,,2,1,1,11,,,

j i

ikiiQkQdjkjG QQAG

1 1

,,21,1,1,

j i

ikikjk QQG


bases de cálculo



43

Valor de cálculo de la madera en situación de incendio según la siguiente expresión:

La estabilidad del elemento de madera se comprende fácilmente. Por efecto del calor la madera se deshidrata,

lo que hace aumentar su resistencia. Por cada 1% de pérdida de humedad aumenta un 4% la resistencia a la

compresión y en un 2% la resistencia a la flexión, porcentajes de estabilidad que compensan en parte las

pérdidas a la misma, por disminución de sección, del producto quemado.

Por tanto, “la madera resiste más en situación de incendio que en situación normal”.

Siendo:

Xd Valor de cálculo del material.

Xk Valor característico del material.

γM Coeficiente parcial de seguridad según tabla 2.3 de DB-SE-M (=1 en situación extraordinaria)

kmod Factor de modificación, según clase de duración de la carga y clase de servicio (=1 en situación

de incendio)

ki Factor de corrección de la resistencia. En él se representan los diferentes factores de corrección

de la

resistencia: altura, longitud y carga compartida, concretados en un sólo parámetro.

kfi coeficiente que permite transformar el valor característico por el valor medio.

i

M

kfid k

XkkX

mod CTE

Comprobación frente al fuego: bases

de cálculo



44

Valor de cálculo de la madera en situación de incendio según la siguiente expresión:

Siendo los valores los mismos que en el CTE, excepto en madera de conífera:

kmod,fi Factor de modificación, según clase de duración de la carga, clase de servicio y tipo de esfuerzo

- 1 - para la resistencia a flexión:

- 2 - para la resistencia a compresión:

- 3 - para la resistencia a tracción y módulo de elasticidad:

donde

p es el perímetro de la sección residual expuesta al fuego en metros;

Ar es el área de la sección residual en m2.

i

M

kfifid k

XkkX

mod,

Eurocódigo 5

r

fiA

pk

200

10,1mod,

r

fiA

pk

125

10,1mod,

r

fiA

pk

330

10,1mod,

Comprobación frente al fuego: bases

de cálculo



45

Estructuras de

madera frente

al incendio

Comportamiento de las uniones


46


Las uniones en las estructuras de madera constituyen un punto débil en caso de

incendio.

El comportamiento de las uniones carpinteras, en las que los elementos metálicos, o no

existen, o están presentes en cantidades mínimas y sin relevancia estructural, es el

correspondiente al de la madera por sí misma.

Su respuesta al fuego en general es buena ya que únicamente se produce una

pérdida de sección en las superficies expuestas. No obstante, pueden alcanzarse

situaciones críticas en las cajas o rebajes con profundidades escasas, en los que es

fácil llegar a su desaparición en el tiempo requerido de resistencia al fuego. En estos

casos, es sencillo añadir una pieza de madera que sirva de protección adicional como

material de sacrificio.

Las mayores profundidades de carbonización se darán en los ensambles de las piezas,

bien porque existen juntas que facilitan la penetración o por que se emplean elementos

metálicos que conducen el calor hacia el interior.




47

Las uniones en las estructuras de madera constituyen un punto débil en caso de incendio.

Las mayores profundidades de carbonización se darán en los ensambles de las piezas, bien

porque existen juntas que facilitan la penetración o por que se emplean elementos metálicos

que conducen el calor hacia el interior.

En general, de acuerdo con la norma UNE ENV 1995-1-2, la estabilidad al fuego de las uniones

realizadas con elementos metálicos calculadas en situación normal, alcanzan un tiempo de 15

minutos. Para llegar a 30 o 60 minutos es necesario sobredimensionar la capacidad de carga de

la unión e incluso proteger los elementos metálicos de la acción del fuego.


Thermo-mechanical analysis of the timber connection under fire using 3D finite element model

Karine LAPLANCHE - Ph.D Student, Civil engineering Laboratory (CUST) - Clermont-Ferrand, France


48


Estudio de uniones frente al fuego mediante programas de elementos finitos 3D y corroboración y/o calibración mediante

ensayos.

Thermo-mechanical analysis of the timber connection under fire using 3D finite element model

Karine LAPLANCHE - Ph.D Student, Civil engineering Laboratory (CUST) - Clermont-Ferrand, France




49

Estudio de uniones frente al fuego mediante programas de elementos finitos 3D y corroboración y/o

calibración mediante ensayos.

Thermo-mechanical analysis of the timber connection under fire

using 3D finite element model

Karine LAPLANCHE - Ph.D Student, Civil engineering Laboratory

(CUST) - Clermont-Ferrand, France




50

Estudio de uniones frente al fuego mediante programas de elementos finitos 3D y corroboración y/o calibración mediante

ensayos.

Predicting the behaviour of dowelled connections in fire : Fire tests results and heat transfer modelling

Karine LAPLANCHE - Ph.D Student, Scientific and Technical Building Centre (CSTB)

Dhionis DHIMA Ph.D, P.Eng CSTB

Patrick RACHER - Dr-Ing Civil engineering Laboratory (CUST)




51

Para las uniones entre elementos expuestos a la acción representada por la curva normalizada tiempo-temperatura

realizadas con clavos, pernos, pasadores y conectores de anillo y de placa de acuerdo con la norma UNE EN 912:2000 y

con barras encoladas, se utiliza el capítulo E.4, para resistencias al fuego no mayores que R 60.

E.4.2 Uniones con piezas laterales de madera

E.4.2.1 Uniones no protegidas

En uniones realizadas con pasadores, clavos o tirafondos en los que la cabeza no sobresalga de la

superficie de la pieza, pueden considerarse resistencias al fuego superiores a las indicados en la tabla

E.5 si se incrementa el espesor, la longitud y el ancho de las piezas laterales, así como las distancias a

la testa y a los bordes desde los elementos de fijación, una cantidad afi, definida por la siguiente

expresión:

afi = βn ⋅ kflux (treq - tfi,d )

Esta formulación no es válida para resistencias al fuego superiores a 30 minutos




52

Intentando apurar el cálculo, podemos utilizar el Método de la carga reducida. El método de la carga reducida consiste

en determinar el tiempo de resistencia al fuego teniendo en cuenta la relación que existe entre la solicitación en situación

de incendio respecto a la solicitación en situación normal. Además, el método da una expresión para calcular la capacidad

de carga en situación de incendio lo que permite la comprobación de la unión.

El valor característico de la capacidad de carga de una unión con elementos de fijación a cortante y para la exposición al

fuego normalizado, se obtiene según la siguiente expresión:

Fv,Rk,fi = η ⋅Fv,Rk

con,

η = e-k·td,fi

donde,

Fv,Rk valor característico de la capacidad de carga lateral de la unión con elementos de fijación a cortante a la

temperatura normal, véase la norma UNE-EN 1995-1-1 capítulo 8 o el DB SE Madera del CTE;

h factor de conversión;

k parámetro dado en la tabla 6.3 del EC5 parte 1.1,




53

td,fi valor de cálculo del tiempo de resistencia al fuego de la unión sin proteger cargada con el valor de

cálculo del efecto de las acciones en la situación de incendio.

𝑡𝑑,𝑓𝑖 = −1

𝑘· ln

𝜂𝑓𝑖·𝛾𝑀,𝑓𝑖

𝛾𝑀·𝑘𝑓𝑖(1)

El valor de cálculo de la capacidad de carga se calcula según la ecuación

𝑅𝑑,𝑡,𝑓𝑖 = 𝜂 ·𝑅20

𝛾𝑀,𝑓𝑖= 𝜂 ·

𝑅𝑘 · 𝑘𝑓𝑖

𝛾𝑀,𝑓𝑖

En uniones con clavos o con tirafondos sin que las cabezas sobresalgan, y para resistencias al fuego mayores que las

dadas en la expresión (1) pero no mayores que 30 min, el espesor de la pieza lateral y las distancias a la testa y a los

bordes deberían incrementarse en una cantidad afi cuyo valor es:

afi = βn (treq – td, fi )

Esta formulación no es válida para resistencias al fuego superiores a 30 minutos




54


E.4.2.2 Uniones protegidasCuando la unión se proteja mediante el adosado de tableros de madera o tableros derivados de la

madera, debe cumplirse la siguiente condición:

tch ≥ treq − 0,5 ⋅ tfi,dsiendo:

tch tiempo en el que inicia la carbonización de acuerdo con E.2.3.2.2;

treq tiempo requerido para una exposición al fuego normalizado;

tfi,d tiempo de resistencia al fuego de la unión sin proteger de acuerdo con la tabla E.5, sometida al

efecto de cálculo de las acciones en situación de incendio.

El espesor del parche encolado 1 y de la protección de perno 3 de las figuras se calculará con:

afi = βn ⋅ kflux (treq - tfi,d )

Con clavos o tirafondos, la distancia entre ellos será ≥ 100 mm en bordes de la pieza y ≥ 300 en líneas

interiores, además de tener la distancia a los bordes ≥ afi. Su penetración ≥ a 6 diámetros.




55


E.4.2.3 Reglas complementarias para uniones con placas de acero en el interior

• Placas de acero centrales con espesor ≥ 2 mm que no sobresalgan de la pieza de madera, el ancho

bst debe cumplir las condiciones de la tabla:

• Placas de acero con ancho menor que las piezas de madera pueden considerarse protegidas en los

siguientes casos:

Espesor chapa ≤ 3 mm: dg> 20 mm → R30

dg> 60 mm → R60

Uniones con filetes encolados o tableros:

dg ó hp> 10 mm → R30

dg ó hp> 30 mm → R60




56



57


Protección de la unión con madera

E.4.3 Uniones con placas de acero al exterior

E.4.3.1 Uniones no protegidas

La capacidad resistente de las placas de acero se determina mediante la aplicación de las reglas definidas

en el anejo D del CTE SI. A los efectos del cálculo del factor de forma definido en el anejo D, Am/V (m-1),

las superficies de acero en contacto con la madera pueden considerarse no expuestas al fuego.

Para las placas de acero externas no protegidas que están expuestas directamente únicamente en una

cara, la resistencia al fuego R 30 se cumple para un espesor mínimo de la placa de 6 mm si la relación

entre la carga y la capacidad de carga en situación de temperatura normal no excede el valor η30 = 0,45.

E.4.3.2 Uniones protegidas

Las placas de acero utilizadas como piezas laterales pueden considerarse protegidas si están totalmente

recubiertas por madera o productos derivados de la madera cuyo espesor mínimo sea igual a afi de

acuerdo con afi = βn ⋅ kflux (treq - tfi,d ) con tfi,d = 5 min.




58

E.4.3 Uniones con placas de acero al exteriorEl problema radica en la comprobación a fuego de los elementos metálicos. Recomiendo la lectura de la monografía de

Maderia sobre uniones en madera. En su anexo B se acerca al comportamiento de los elementos metálicos dentro de la

unión.

La temperatura en las piezas de acero, en el supuesto de una distribución uniforme, se determina mediante un cálculo

incremental de la temperatura a partir del incremento de temperatura Δθs,t, que depende entre otras cosas, de la

masividad o factor de forma del elemento metálico, Am/V, siendo,

Am superficie expuesta al fuego del elemento por unidad de longitud, (se considerará únicamente la del

contorno expuesto en el sector de incendio analizado).

V volumen del elemento de acero por unidad de longitud.

Para elementos de sección constante, Am/V es igual al cociente entre el perímetro expuesto y el área de la sección

transversal.

El incremento de temperatura también depende del valor de cálculo del flujo de calor neto por unidad de área, de la

densidad del acero y de su calor específico, que supongo ya os han sido expuestos.

La temperatura de las piezas de acero revestidas, suponiendo que se distribuye de manera uniforme, se calcularía de

manera similar, considerando dicha protección.




59

La aplicación de este método al caso de las uniones con elementos de acero expuestos al fuego como es el caso de las

chapas externas, muestra que la temperatura del acero al cabo de los 20 minutos ya es prácticamente la temperatura

del gas. Al cabo de los 30 minutos la capacidad resistente del acero queda reducida

aproximadamente al 9% de la correspondiente a la temperatura normal.

Utilización de pinturas intumescentes:Las pinturas intumescentes están constituidas por productos que reaccionan ante el calor del incendio formando una

capa de espuma aislante térmicamente que protege al metal del calor.

Aplicación: previa limpieza de la superficie mediante un granallado, aplicación de una capa de imprimación ignífuga y

anticorrosiva. Después, se aplica la pintura intumescente que forma una capa muy gruesa, generalmente de color claro,

sobre la que se aplica, finalmente, otra capa de una pintura compatible con la capa intumescente, con el color de

acabado. Las capas de pintura intumescente y de acabado se suelen aplicar en obra una vez montada la estructura. El

proceso resulta muy caro y se suele aplicar en piezas metálicas que no están en contacto con la madera, como

por ejemplo tirantes metálicos, pilares de acero dentro de una estructura o barras de acero en una celosía

mixta.

La empresa suministradora debe indicar el procedimiento de aplicación y garantizar mediante certificaciones de ensayo

sus características. Generalmente permiten llegar a un tiempo de R30.




60

E.4.4 Tirafondos sometidos a carga axial

Para tirafondos sometidos a carga axial y protegidos de la exposición directa al fuego.

La capacidad resistente en caso de incendio se obtiene mediante un coeficiente reductor (factor de conversión η) que

afecta a la capacidad resistente en situación normal.

d1,d2 y d3: distancias en mm

• Si d2 ≥ d1+ 40 y d3 ≥ d1+20

tfi,d: tiempo requerido de resistencia a fuego en minutos.

d1: recubrimiento lateral en mm

• Si d2 = d1 y d3 ≥ d1+20 mm

El factor de conversión η puede calcularse con las fórmulas anteriores sustituyendo tfi,d por 1,25·tfi,d




61

E.5 Disposiciones constructivas

Los tableros utilizados como protección de elementos estructurales tales como vigas y soportes deben fijarse a los

elementos de acuerdo con las indicaciones siguientes.

• Los tableros deben fijarse directamente al elemento y no a otro tablero.

• En los revestimientos consistentes en múltiples capas de tableros, cada capa debe fijarse individualmente, y las juntas

deben desfasarse al menos 60 mm.

• Separación entre elementos de fijación menor o igual que:

min 200 mm

17·hp (espesor del tablero)

• Profundidad de penetración:

8d para paneles portantes

6d para paneles no portantes

• Distancia a borde:

Min (1,5 hp ó 15 mm) ≤ distancia a borde ≤ 3 hp (espesor de tablero)




62

Estructuras de

madera frente

al incendio

Tratamientos contra el fuego


63


José Antonio Vázquez Rodríguez

Resistencias al Fuego, por especies.-

MUY ELEVADA

Eucaliptus

Laurel

Teca

ELEVADA

Haya

Castaño

Pino Oregón

Roble

Arce

MEDIANA

Abedul

Ciprés

Cedro

Olmo

BAJA

Cerezo

Abeto blanco

Pino silvestre

Abeto rojo

MUY BAJA

Chopo

Sauce

Tilo Francisco Arriaga




64

Diferencia entre reacción al

fuego y resistencia al fuego

Reacción al fuego: índice de la

capacidad del material para

favorecer el desarrollo del incendio

(fase inicial de desarrollo de un

incendio)

Resistencia al fuego: tiempo

durante el cual el elemento

constructivo es capaz de seguir

cumpliendo su función en una

situación de incendio (segunda fase

del incendio).



65



Reacción al fuego. Formas de mejorarla

La forma de mejorarla se basa en la incorporación de productos

retardantes del fuego mediante los siguientes tratamientos:

• Tratamiento en profundidad

En el caso de la madera maciza, el producto se introduce de

forma artificial mediante presión utilizando un autoclave. En

el caso de los tableros, existen diferentes métodos.

• Tratamiento superficial

Actúan de dos formas diferentes: hinchándose por la acción

del calor, formando una capa aislante y/o impidiendo que el

oxígeno alcance la madera.

Los productos más utilizados son las pinturas y los barnices.

Sus principales desventajas radican en su menor duración -

después de un cierto tiempo perderá su eficacia – y en el

caso de las pinturas, no dejan ver el aspecto de la madera.

• Tratamientos indirectos

La madera se protege con un elemento que tiene unas

mejores prestaciones frente al fuego, por lo que quedaría

oculta.

Resistencia al fuego y formas de mejorarla

Un error frecuente es creer que si se mejora la Reacción al Fuego

se mejora la Resistencia al Fuego.

La reacción al fuego solamente hace referencia a la

combustibilidad del material y se evalúa con un ensayo específico,

mientras que la resistencia al fuego se evalúa con otros ensayos

que miden el tiempo que el elemento desempeña su función. En el

caso de los elementos estructurales de madera el parámetro

principal es la velocidad de carbonización.

La forma de mejorar la resistencia al fuego de los elementos

estructurales de madera es:

• Añadir una sección de sacrificio de madera.

• Añadir una sección de sacrificio de un material no

combustible o protección pasiva, por ejemplo tableros de

yeso.

• Añadir una sección de sacrificio intumescente que estará

operativa, como las anteriores, durante un cierto tiempo. En

estructuras de madera están poco desarrolladas y no son

demasiado fiables.


66


Productos retardantes del fuego

En este apartado se recogen los productos que se pueden

utilizar en los tratamientos directos:

• Sales para su aplicación por autoclave (doble vacío). Estos

productos suelen estar patentados.

• Barnices incoloros o ligeramente pigmentados

• Pinturas intumescentes

A continuación se citan las normas armonizadas en las que se recoge

la reacción al fuego de algunos productos de madera, tanto

estructurales como de carpintería, sin necesidad de ensayo.


67

Estructuras de

madera frente

al incendio

Anexos


68




69

¿Puede justificarse la estabilidad al fuego de los elementos estructurales de una cubierta teniendo en

cuenta la protección aportada por un techo situado debajo de la misma?

Si, siempre que el techo tenga una resistencia al fuego EI al menos igual al grado de resistencia al fuego R exigible

a la estructura de cubierta y que el riesgo de inicio de un incendio en el espacio o cámara existente entre el techo y

la estructura de cubierta pueda considerarse nulo.

¿Son admisibles las estructuras de cubierta de viviendas unifamiliares a base de cerchas de madera?

La exigencia de que la estructura de la cubierta de las viviendas unifamiliares (cerchas u otro tipo de elementos de

madera) tiene una resistencia al fuego R 30 puede cumplirse, o bien dimensionando los elementos estructurales

conforme al Anejo SI E, o bien disponiendo entre los elementos estructurales y los espacios habitables inferiores un

elemento separador EI 30, de forma que el riesgo de inicio de un incendio en la cámara de cubierta en la que se

encuentran los elementos estructurales pueda considerarse prácticamente nulo.


Aplicación CTE-DB-SI: Criterios para la interpretación y

aplicación del Ministerio de la Vivienda


70


CURIOSIDADProtección con fuego

Existen algunas técnicas antiguas muy llamativas de proteger la madera frente al fuego que además mejoran la

protección de la misma frente a otros organismos destructores, por ejemplo, el Shou-sugi-ban. Técnica de

procedencia japonesa, su uso es habitual en Japón y en los países nórdicos, aunque es más tradicional en el

primero. Se basa en un quemado superficial de las tablas de madera (actualmente utilizando sopletes de

temperatura controlada o bien formando una hoguera hueca) para proceder a continuación a un cepillado

superficial, un lavado con agua, su posterior secado y para acabar dándole un impregnación de aceites naturales

tipo Penofin, que ha de ser renovado cada cierto tiempo (un año, básicamente).

La baja conductividad térmica de la madera, que transmite una pequeña proporción del calor hacia el interior de

ella la protege de futuras agresiones.


71



72

Este tratamiento de la madera, bastante

laborioso, se ha extendido también a Occidente

y son ya conocidos los proyectos de

arquitectura que incorporan fachadas o

carpinterías de madera carbonizada, utilizando

distintas especies de madera. La técnica se ha

semi-industrializado, utilizando sopletes para el

quemado; según el tiempo de exposición de la

llama, así como la manera en que se cepille la

madera el aspecto final puede ser variado.



73

Muchas gracias

por su atención.

Jornada: Estructuras y Fuego

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