RESISTENCIA AL FUEGO EN EDIFICIOS METÁLICOSCurso de Estructuras Metálicas 2016Universidad Tecnológica de PanamáLic. en Ingeniería CivilII Semestre 2016

GENERALIDADESDefiniciones y conceptos importantes

INCENDIO O FUEGO EN UNA CONSTRUCCIÓN

Los incendios constituyen el riesgo más grave para los ocupantes de un edificio, los bienes incluidos en el mismo, e incluso la propia edificación.

Un incendio en una construcción es una situación eventual indeseable, pero posible por lo que se debe ser considerada en el diseño, de modo de dar una respuesta a ello

PRINCIPALES AMENAZAS DE UN INCENDIO

• El humo y los gases desprendidos (que son los que ocasionan el 90% de las muertes entre los ocupantes)

• El colapso de los elementos estructurales y el consiguiente derrumbe del edificio representa un peligro gravísimo para el personal de extinción. Todos los años y en todo el mundo se producen muertes de bomberos por esta causa.

DETERMINACIÓN DEL RIESGO DE INCENDIO

Se plantea los supuestos de que:

▪ Todo incendio ocasiona daños.

▪ Toda edificación está expuesta a sufrir incendios durante su vida útil.

▪ Las probabilidades de inicio o de propagación pueden ser controlables.

FACTORES IMPORTANTES EN EL ANÁLISIS DE RIESGOS▪ Necesidades de protección impuesta por las normas existentes.

▪ Pérdida de vidas humanas, de materiales e instalaciones, que pueden representar los incendios.

CAUSAS QUE INCREMENTAN LOS RIESGOS EN LA CONSTRUCCIÓN▪ Materiales de construcción cada vez más ligeros y en algunos casos combustibles.

▪ Mayor número de instalaciones de servicios y sus ductos. (Eléctricos, aire acondicionado, ventilación, etc.)

▪ Existencia de revestimiento, de importante carga de combustible (alfombras, revestimientos textiles con nylon, plásticos)

CAUSAS QUE INCREMENTAN LOS RIESGOS EN LA CONSTRUCCIÓN

Materiales de construcción cada vez más ligeros

Elementos de Revestimiento

ESTABILIDAD DEL EDIFICIO ANTE UN INCENDIO

La estabilidad del edificio depende del comportamiento de los elementos estructurales frente al desarrollo de un incendio, ya que el enorme calor y las

elevadas temperaturas, pueden provocar el colapso de los mismos.

Los elementos constructivos se pueden clasificar según la incidencia del incendio sobre los mismos y por tanto sobre la estabilidad del edificio, así como en la progresión del fuego.

▪ Elementos estructurales Son los que forman parte de la estructura resistente y que están sometidos a cargas, como pilares, vigas o jácenas.

▪ Elementos separadores Son los que separan e independizan diferentes compartimentos, como tabiques o mamparas, puertas y cubiertas no estructurales.

▪ Elementos portantes-separadores Son aquellos donde se combinan ambas funciones, como muros de carga y forjados.

ESTABILIDAD DEL EDIFICIO ANTE UN INCENDIO

CARACTERÍSTICAS PIRÓGENAS IMPORTANTES DE LOS MATERIALES

▪ Conductividad térmica▪ Dilatación lineal▪ Calor específico▪ Temperatura de combustión▪ Temperatura de inflamación▪ Comportamiento a la radiación.▪ Poder calorífico▪ Auto extinción▪ Velocidad de llama▪ Densidad de humo▪ Composición de los gases desprendidos

RESISTENCIA AL FUEGODefiniciones y conceptos importantes

RESISTENCIA AL FUEGOLa resistencia al fuego es la característica que corresponde a una solución constructiva, por la cual se determina la capacidad de resistir en el tiempo, a la acción del fuego. En todo caso, la característica es el tiempo: cuanto mayor sea el tiempo disponible, será mejor para evacuar personas o luchar contra el incendio. La forma de evaluar esta característica es mediante ensayo normalizado en laboratorio homologado, por la que se determina el tiempo de:

▪ La estabilidad al fuego (EF) o capacidad portante: Esto aplicable a cualquier tipo de solución constructiva. Es la capacidad de un elemento constructivo de mantener durante un tiempo determinado la estabilidad o capacidad portante de uso para impedir el colapso del edificio en caso de incendio. Se determina en un ensayo normalizado de acuerdo con la norma UNE – EN1363-1 .

▪ Ausencia de emisión de gases inflamables en la cara no expuesta al fuego.

▪ Estanqueidad al paso de llamas o gases calientes a la cara no expuesta al fuego.

▪ Resistencia térmica suficiente para impedir que en la cara no expuesta al fuego, se produzcan temperaturas superiores a las establecidas por norma.

ESTABILIDAD DEL FUEGOLa estabilidad al fuego (EF) de los elementos estructurales depende en buena medida del material de estructura, en cuanto a la reducción de la resistencia mecánica de este con la temperatura.

Así, las estructuras de acero en la mayor parte de los casos no cumplen las mínimas exigencias en cuanto a la estabilidad al fuego, ya que para un periodo superior a 10 minutos la caída de resistencia y las tensiones producidas por la dilatación, originan el colapso de las mismas.

Para aumentar hasta los limites requeridos la estabilidad al fuego de los elementos estructurales de acero, es necesario revestirlos con un material aislante térmico que disminuya de forma efectiva el flujo de calor. Se puede revestir mediante paneles de lana minerales, mediante morteros que se proyectan sobre el elemento estructural o mediante pinturas

Revestimiento de elementos

estructurales de acero mediante paneles de lana minerales o bien

mediante morteros

MATERIAL AISLANTE▪ El material aislante de protección debe cumplir una serie de requisitos,

como son:- Estabilidad a temperaturas elevadas (Punto fusión > 1200 ºC)

- Reducida conductividad térmica ( 0.036 WmK) y elevado calor específico 840 J/KgK

- Fácil mecanizado y montaje.

- Resistencia mecánica (autoportante) y durabilidad.

- Compatibilidad con el acero y otros materiales.

EL ACERO DE LOS INCENDIOS▪ El acero estructural tiene muy buenas cualidades, como son su

alta resistencia, homogeneidad en la calidad y fiabilidad de la misma, soldabilidad, etc., necesitando poca inspección y pudiéndose hacer ésta a posteriori (al contrario que el hormigón armado), resultando en definitiva fácil y rápido el montaje de las estructuras.

▪ El acero da una falsa sensación de seguridad al ser incombustible, pero sus propiedades mecánicas fundamentales se ven gravemente afectadas por las altas temperaturas que pueden alcanzar los perfiles en el transcurso de un incendio.

RESISTENCIA DEL ACERO AL FUEGO

PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS

Definiciones y conceptos importantes

FUNCIONES DE LA PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS

En términos generales, la protección contra incendios de las construcciones comprende dos funciones:

▪ La prevención del incendio, es decir, evitar que se produzca el accidente.

▪ La respuesta al incendio, cuya función es anular o disminuir los daños o pérdidas que el incendio puede producir.

ANÁLISIS DE LA PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS

Desde el punto de vista formal, el análisis de la protección contra incendio, distingue dos ámbitos, que se mencionan a continuación:

1. El de los medios humanos.▪ Educación

▪ Experiencia previa

▪ Sensación de amenaza que le produzca el incendio

▪ Acciones de las personas que se encuentran en la misma situación

▪ Características físicas y medios de evacuación que disponga el edificio

▪ Procedimiento de adiestramientos de evacuación

▪ Control de factores psicológicos que conducen al pánico

▪ Control de los materiales de buena terminación (buenas prácticas constructivas)

ANÁLISIS DE LA PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS

Desde el punto de vista formal, el análisis de la protección contra incendio, distingue dos ámbitos, que se mencionan a continuación:

2. El de los medios materiales.▪ Medios de protección activa: la que se compone de sistemas que, conectados a sensores o

dispositivos de detección, entran automáticamente en funcionamiento frente a determinados rangos de partículas y temperatura del aire, descargando agentes extintores de fuego tales como agua, gases, espumas o polvos químicos.

▪ Los medios de protección pasiva: los que se basan en elementos de construcción que por sus condiciones físicas aíslan la estructura de un edificio de los efectos del fuego durante un determinado lapso de tiempo, retardando su acción y permitiendo en esa forma la evacuación de sus ocupantes antes del eventual colapso de la estructura y dando, además, tiempo para la llegada y acción de los bomberos.

MEDIOS DE PROTECCIÓN ACTIVA• Rociadores (Sprinklers)

• Eyección de gas (FM-200, CO2, halón)

• Eyección de espuma

• Accionamiento de barreras automáticas

MEDIOS DE PROTECCIÓN PASIVADestacan los revestimientos pastosos (morteros, masillas); las pinturas

(intumescentes), paneles (placas) y ensambles.

TÉRMINOS GENERALES DE LA PROTECCIÓN PASIVA

▪ Son acciones orientadas a que un edificio, dentro de una arquitectura y uso determinados, presente mayor resistencia a que se generen incendios y, en todo caso, a reducir la velocidad de propagación de los mismos. De este modo se facilita la evacuación ordenada de los ocupantes (victimas potenciales) y podrán utilizar los medios de protección activa para reducir el incendio (disminución de daños).

▪ En este contexto, las lanas minerales aislantes (lanas de vidrio y de roca), juegan un papel importante, según los dos aspectos diferentes del comportamiento frente al fuego de los materiales y de los elementos constructivos del edificio.

▪ Entonces, se da prioridad a parámetros importantes como el periodo de resistencia al fuego (tiempo), y la velocidad de aumento de temperatura de los elementos, definidos por su masividad y formas

COMPORTAMIENTO DEL ACERO FRENTE AL FUEGO

▪ Si desde el punto de vista estructural y de ejecución de obra el acero se comporta de manera óptima, reduciendo los tiempos de ejecución y aligerando los pesos de la estructura permitiendo cubrir grandes luces, desde el punto de vista de su resistencia frente al fuego, el acero presenta grandes problemas.

▪ La temperatura de fusión del acero es de 1500 °C, pero basta con niveles cercanos a los 600°C, para que el acero pierda más de la mitad de su resistencia y reduzca su periodo elástico produciéndose deformaciones permanentes y convirtiendo los nudos en rótulas, en definitiva haciendo la estructura inservible y si no está debidamente dimensionada, incluso peligrosa desde el punto de vista del tiempo necesario para desalojar un edificio ante una situación de peligro. Por otro lado, la alta conductividad del acero, 42W/m°C, hace que transmita el calor rápidamente al resto de la estructura. Es por todo esto que la lucha contra el fuego en una estructura de acero se centra en evitar que este entre en contacto con ella.

MEDIDAS DE PROTECCIÓN DEL ACERO CONTRA EL FUEGO

▪ Medidas de protección del acero frente al fuego. En líneas generales, la mejor estrategia consiste en evitar que el fuego entre en contacto con una estructura, para ello podemos:

-Diseñar una estructura exenta y exterior al edificio, pudiendo de esta manera proyectar un diseño dónde se puedan ver los perfiles de acero y a la vez estén mejor protegidos contra el fuego que si se encontrasen al interior.

-Protecciones con revestimientos o pinturas ignífugas. Las pinturas ignifugas son protecciones que se expanden en contacto con el fuego creando una capa protectora. Son suficientes en los casos en los que no son necesarias grandes protecciones, por ejemplo, resistencias inferiores a los 30 minutos. Pero en exigencias superiores, los espesores necesarios de pinturas ignifugas hacen absurdo su empleo.

▪ Protecciones de masa exteriores. Existen multitud de soluciones mixtas, en general con hormigón, en las que el recubrimiento colabora en funciones estructurales. Son comunes los rellenos de pilares huecos, el hormigonado de perfiles abiertos, el forjado colaborante, etc…. El problema de este tipo de soluciones es que se complejiza el sistema constructivo y en ocasiones se puede llegar a sacrificar el diseño de una estructura de acero vista.

▪ Soluciones imaginativas. Es difícil encontrar una solución al problema de la resistencia al fuego en determinadas estructuras. Quizás la más sencilla sea diseñar estructuras exteriores, pero hay veces en que no es posible.

MEDIDAS DE PROTECCIÓN DEL ACERO CONTRA EL FUEGO

EJEMPLOS DE ALGUNAS SOLUCIONES DE PROTECCIÓN CONTRA INCENDIO

Definiciones, ventajas y desventajas

1. PROTECCIÓN SÓLIDA▪ Rodear el elemento

estructural con hormigón corriente o de baja densidad, asumiendo que el hormigón no cumple función estructural sino sólo aporta resistencia al fuego. El espesor del recubrimiento de hormigón dependerá de la resistencia al fuego requerida para el elemento estructural.

1. PROTECCIÓN SÓLIDAVENTAJAS:

se logra alta resistencia al fuego (dependiendo

del recubrimiento); con una adecuada

faena de encofrados se puede coordinar el

avance de montaje y protección.

DESVENTAJAS:peso y volumen.

Esta solución también es posible de aplicar dejando los elementos de acero parcialmente expuestos (por ejemplo aplicando hormigón sólo en el interior de las alas, lo que reduce el uso de encofrados o moldajes.

2. RECUBRIMIENTOS CON ALBAÑILERÍAS

▪ Es una solución que fue frecuentemente aplicada en las construcciones de fines del siglo XIX en Chicago.

2. RECUBRIMIENTOS CON ALBAÑILERÍAS

VENTAJAS:se logra alta protección al

fuego.

DESVENTAJAS:ocupa espacio; es

trabajo relativamente

artesanal; se debe considerar efectos

del sismo.

3. RECUBRIMIENTO CON PLANCHAS▪ El recubrimiento con planchas en

forma de cajón en torno a los elementos de acero a proteger es una solución aplicada crecientemente. Normalmente se utilizan planchas de yeso cartón normal o con agregados que mejoran su resistencia al fuego (muchas veces denominadas planchas RF) o variantes de ellas, como las planchas de fibrosilicatos.

▪ El espesor del recubrimiento de planchas dependerá de las características de la plancha a utilizar y de la resistencia al fuego requerida para el elemento estructural.

3. RECUBRIMIENTO CON PLANCHASVENTAJAS:

faena seca; liviana; acabado liso para

recibir pintura.

DESVENTAJAS:en elementos de

geometría compleja o en conexiones su

instalación es dificultosa.

4. MORTEROS ▪ Existen diversas soluciones de

aplicación de morteros, ya sea tradicionales o con aditivos (como perlita o vermiculita) que se aplican siguiendo el contorno de los perfiles a proteger y que mejoran sensiblemente su resistencia al fuego. Debido al riesgo para la salud, en muchos países ya está prohibido el uso del asbesto que fue una solución ampliamente aplicada a mediados del siglo pasado. En el caso de aplicaciones tradicionales se deben considerar mallas o elementos de anclaje mecánico que mejoren la adherencia entre el mortero y el acero. También se aplica en forma de spray o mortero proyectado. El espesor del recubrimiento dependerá de las características del mortero a utilizar y de la resistencia al fuego requerida para el elemento estructural.

VENTAJAS:su aplicación sigue la geometría del elemento permitiendo un control

preciso de los espesores, agregando escaso volumen y masa a la estructura;

la aplicación se puede hacer parcialmente en taller.

DESVENTAJAS:control de la adherencia mortero-acero;

aplicación tradicional es laboriosa e intensiva en mano de obra; ocasionalmente

la aplicación proyectada deja una terminación rugosa algo rústica.

4. MORTEROS

5. FILMES O MANTAS▪ Existen mantas de fibra cerámica y

de lana de roca (lana mineral) que se pueden aplicar en recubrimientos de tipo cajón o de contorno de los perfiles a proteger. En aplicaciones de contorno se fijan mecánicamente al elemento de acero mediante tacos soldados y arandelas, a un distanciamiento no superior a 300mm en todos los sentidos. Aplicaciones tipo cajón son más económicas, pero no deben usarse en perfiles de almas superiores a 150mm sin el uso de una malla auxiliar de fijación que evite las deformaciones y apertura de los encuentros o empalmes.

VENTAJAS:son livianas; faena seca.

DESVENTAJAS:instalación laboriosa; riesgo de rotura de la manta en la manipulación; acabado a la vista afecta la presentación.

5. FILMES O MANTAS

6. PINTURAS INTUMESCENTES▪ Son pinturas inertes a bajas temperaturas

pero que reaccionan a temperaturas superiores a los 200ºC, generando una película protectora en forma de esponja que aumenta hasta 50 veces su espesor inicial otorgando una importante aislación térmica que mejora la resistencia al fuego del elemento protegido. En algunos países la aplicación de las pinturas intumescentes está limitada a un cierto rango de resistencia al fuego exigible y a una masividad mínima del elemento a proteger. Debe ser aplicada sobre pintura base y ser protegida con pintura de terminación, especialmente si se aplica en elementos expuestos a la intemperie, debido a que se degrada en presencia de agua.

VENTAJAS:de todas las soluciones

descritas, es la única que permite expresar la

estructura de acero en toda su calidad.

DESVENTAJAS:son relativamente caras;

controlar las posibles limitaciones de masividad

y de resistencia exigida; durabilidad o garantía

limitada, se debe repintar.

6. PINTURAS INTUMESCENTES

7. ESTRUCTURAS EXTERNAS▪ En general, los riesgos de

incendio provienen del interior de las edificaciones, por lo que se deben cuidar especialmente las estructuras que están confinadas al espacio interior. Una solución interesante es llevar la estructura soportante (o parte de ella) al exterior del edificio, limitando o reduciendo los requerimientos de protección pasiva. Unida a esta estrategia se puede agregar el concepto de pantallas, que se explica en el punto siguiente.

7. ESTRUCTURAS EXTERNASVENTAJAS:

oportunidad de usar expresivamente la

estructura en el diseño del edificio.

DESVENTAJAS:dependiendo de la

agresividad del medio, se deben considerar

protecciones contra la corrosión u otros

agentes.

TIPOS DE DAÑOS AL ACERODefiniciones y conceptos importantes

DAÑOS POR TEMPERATURA

Aunque el acero es un material no combustible, sus propiedades mecánicas se ven gravemente afectadas.

En la medida que aumenta la temperatura, la capacidad del acero estructural disminuye, llegando incluso al colapso.

La capacidad estructural dependerá de las solicitaciones de estudio pudiendo ser estas de tracción, compresión, flexión, etc.

DAÑOS POR TEMPERATURA

DAÑOS POR TEMPERATURA

FUEGO EN EDIFICIOS METÁLICOSEjemplos de accidentes en edificios metálicos a causa de un

incendio

COMPORTAMIENTO DE LAS ESTRUCTURAS FRENTE AL FUEGO.

▪ El comportamiento de las estructuras frente a los efectos del fuego, resulta mas importante de lo que nos imaginamos cuando hacemos el proyecto.Muchas veces, pensamos que no es tan importante proteger contra el fuego las estructuras., sobre todo las de hormigón. Nada menos cierto. Tanto las de hormigón como las metálicas, sufren mucho los efectos de un incendio en el edificio.El comportamiento al recibir la llama directa o el calor producido en el siniestro es la alteración de sus propiedades físicas y por tanto de su resistencia.En el caso de las estructuras de acero, el aumento de temperatura hace fluir el material, pudiendo producir una deformación plástica.

1. TORRE WINDSOR▪ Tenía 106 metros de altura y 32 plantas, y estaba situado en pleno centro

financiero de la ciudad, en la zona de AZCA.

▪ En la Torre Windsor estaba situada la central en España de Deloitte donde trabajaban sus más de 1.200 empleados y tres departamentos del despacho de abogados Garrigues. Fue destruida por un incendio en una oficina en la planta 21 en el 2005.

▪ La Torre Windsor era una estructura mixta de hormigón y hierro, su estructura consistía en un núcleo de hormigón y, a partir de la planta 17, una estructura externa de acero.

TORRE WINDSOR

2. 7 WORLD TRADE CENTER

▪ El Colapso del World Trade Center se produjo durante los atentados del 11 de septiembre de 2001. Se derrumbó, como consecuencia de los daños y destrozos provocados por el derrumbe de la torre norte. Existen diversas propuestas sobre el derrumbe de la misma.

La FEMA (Agencia Federal para el Manejo de Emergencias), propuso que el derrumbe fue probablemente iniciado por el debilitamiento de las vigas por los incendios resultantes de los impactos de las aeronaves. Según el informe de FEMA, los pisos separados de la estructura principal del edificio cayeron unos sobre otros, iniciando un colapso progresivo en "panqueque".

El NIST (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología), también destacó el papel de los incendios, pero no atribuyó los colapsos a fallos de vigas. En cambio, NIST halló que los pisos, al hundirse, tiraron de las vigas perimetrales hacia el interior: "Esto produjo el arqueo hacia el interior de las columnas perimetrales y el fallo de la cara sur del WTC 1 y la cara este de WTC 2, iniciando el derrumbe de cada una de las torres".

7 WORLD TRADE CENTER

3. TORRE ESTE DEL PARQUE CENTRAL▪ Localizada en Caracas, Venezuela. Son dos torres de usos como de oficina como residencial.

▪ El 17 de octubre de 2004, un incendio consumió casi un tercio de la Torre Este, al menos 10 pisos quedaron completamente destruidos por el incendio. Aunque debido a su fuerte estructura el edificio pudo soportar más de 15 horas de incendio sin que colapsara.

▪ El incendio comenzó a las 12:05 am en el piso 34, para las 8:00 am el incendio iba por el piso 38. El incendio traspasó hasta una macro losa del refugio contra incendios del piso 39 y siguió sin control hasta el piso 56PH.

▪ Después del mediodía el incendio siguió sin control hasta dicho piso. Esto ocurrió debido a que los rociadores contra incendio estaban dañados y los sistemas de mantenimiento estaban descuidados.

▪ El hecho de ser una estructura mixta concreto-acero impidió el colapso de las estructuras interiores de acero. Tras 8 años de reconstrucción del edificio (hasta 2013) , no se pudo entregar la obra finalizada totalmente.

TORRE ESTE DEL PARQUE CENTRAL

4. LAS TORRES GEMELAS

▪ El derrumbe de estas torres se debió a diversos factores:

1) El impacto de los Aviones Terroristas Cuando los motores de Boeing pilotados por terroristas golpearon las Torres Gemelas, aproximadamente 10,000 galones (38 kilolitros) de combustible de motor alimentó una enorme bola de fuego.

2) El calor de los Fuegos El sistema contra incendios fue dañado por el impacto de los aviones. La mayor parte de fuegos no se calientan mas que 900 a 1,100 grados F. El fuego del Centro de Comercio, puede haber alcanzado 1,300 o 1,400 grados la F. El acero estructural no se derrite fácilmente, pero este perderá aproximadamente la mitad su fuerza en 1,200 grados F. La estructura de acero de las Torres de Gemelas fue debilitada por el calor extremo. El acero también se deformo porque el calor no estaba a una temperatura uniforme.

3) Como los pisos debilitados comenzaron a derrumbarse, estos chocaron contra los pisos de mas abajo. Con la aceleración del peso de pisos, las paredes exteriores se torcieron.

LAS TORRES GEMELAS

4. LAS TORRES GEMELAS

INFOGRAFÍA▪ http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/NTP/Ficheros/101a200

/ntp_200.pdf

▪ http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/TemaII.2.3.6.TERMICAS.ResistenciaFuego.pdf

▪ http://sections.arcelormittal.com/fileadmin/redaction/4-Library/4-SBE/ES/MSB06_Ingenieria_de_fuego.pdf

▪ http://fire.fsv.cvut.cz/fracof/sp/PUBLICATION%20P388%20FRACOF%20DESIGN%20GUIDE%20V02_rev01%20_Spanish_.pdf

▪ http://vilssa.com/el-acero-y-su-comportamiento-frente-al-fuego