Recomendaciones para la protección adicional contra el fuego de elementos estructurales
1 Alcance El contenido de este Anejo constituye un conjuto de recomendaciones para aplicarse a las estructuras de hormigón estructural que, por razones de seguridad general frente a incendios, deben cumplir las condiciones siguientes cuando están expuestas al fuego:
Tanto las estructuras laminares como aquellas con pretensado exterior, contempladas en esta Instrucción, deberán comprobarse mediante métodos específicos y, en particular, no serán de aplicación los métodos simplificados y de comprobaciones por tablas incluidos en este Anejo. Asímismo, para hormigones de alta resistencia, contemplados en el Anejo 11, deberán tenerse en cuenta disposiciones adicionales de acuerdo con la bibliografía especializada. En las estructuras laminares que trabajan fundamentalmente por forma, el principal problema es el efecto de las deformaciones por causas térmicas, aspecto éste no contemplado en los métodos simplificados propuestos, que tienen en cuenta sólo los problemas seccionales derivados de la acción del fuego. Se excluyen de este Anejo las estructuras con pretensado exterior, debido a que el efecto del fuego sobre las armaduras activas situadas fuera de la sección, corresponde a elementos exclusivamente metálicos.
Se denomina, a los efectos de este Anejo, resistencia al fuego de una estructura o de un parte de ella a su capacidad de satisfacer las funciones requeridas (capacidad portante o función separadora) frente a la exposición a un fuego específico durante un tiempo determinado. Se denomina, asimismo, resistencia normalizada al fuego de una estructura o parte de ella (usualmente sólo elementos aislados) a su resistencia al fuego normalizado, dado por la curva de temperatura-tiempo UNE 23093:98. El tiempo máximo de exposición hasta que resulta inminente la pérdida de capacidad para satisfacer las funciones requeridas se denomina período de resistencia al fuego normalizado, y se expresa en minutos. Los períodos nominales de resistencia al fuego normalizados exigibles a una estructura o parte de ella se ajustarán a la serie siguiente:
Se establecen tres requisitos básicos de comportamiento frente al fuego:
3.1 Combinaciones de acciones Para la obtención de los esfuerzos debidos a la acción del fuego y otras acciones concomitantes, la combinación correspondiente se considerará como una situación accidental, de acuerdo con lo expresado en el Artículo 13º de esta Instrucción.
donde: Gk,j Valor característico de las acciones permanentes G*k,j Valor característico de las acciones permanentes de valor no constante Pk Valor característico de la acción del pretensado Qk,1 Valor característico de la acción variable determinante 1,1Qk,1 Valor representativo frecuente de la acción variable determinante 2,iQk,i Valores representativos cuasipermanentes de las acciones variables concomitantes con la acción determinante o con la acción accidental Ak(t) Valor característico de la acción accidental de fuego Los valores de son los definidos en la tabla 12.1.a ó 12.1.b para la situación accidental. Dado que las normas de acciones para edificación, en su versión actual, no incluyen ningún criterio para la definición del valor representativo frecuente o cuasipermanente de la acción variable, se pueden adoptar los valores de la tabla A.7.1. para los casos más frecuentes:
Cuando se utilice el método simplificado o la comprobación por tablas, indicados en los apartados siguientes, podrán, simplificadamente, adoptarse como esfuerzos para la comprobación de la situación accidental de fuego, los obtenidos para la combinación pésima de acciones para temperatura ambiente disminuidos por un factor global .
donde: Efi,d,t Valor de los esfuerzos de cálculo a considerar en la comprobación de la situación accidental de fuego Ed Valor de los esfuerzos de cálculo a considerar en la comprobación de situaciones permanentes o transitorias a temperatura ambiente fi Factor de reducción fi = 0,6 para casos normales fi = 0,7 para zonas de almacenamiento 3.2 Coeficientes parciales de seguridad para los materiales La situación accidental de fuego constituye un caso especial dentro de las situaciones accidentales y los coeficientes parciales de seguridad para los materiales deben considerarse siempre igual a la unidad, c=1,0 y s=1,0. En general se pueden utilizar diferentes métodos de comprobación frente al fuego que permiten diferentes niveles de comprobación y, consecuentemente, complejidad. El método general consiste en la comprobación de los distintos Estados Límite Últimos, teniendo en cuenta, tanto en la obtención de esfuerzos de diseño como en el análisis de la respuesta estructural, la influencia de la acción de fuego considerando el comportamiento físico fundamental. El análisis estructural debe representar adecuadamente las propiedades del material dependientes de la temperatura, incluyendo la rigidez, la distribución de temperatura en los distintos elementos de la estructura y el efecto de las dilataciones y deformaciones térmicas (acciones indirectas debidas al fuego). Por otra parte, la respuesta estructural debe tener en cuenta las características de los materiales para las distintas temperaturas que pueden producirse en una misma sección transversal o elemento estructural. Cualquier modo de fallo no tenido en cuenta explícitamente en el análisis de esfuerzos o en la respuesta estructural (por ejemplo insuficiente capacidad de giro, expulsión del recubrimiento, pandeo local de la armadura comprimida, fallos de adherencia y esfuerzo cortante, daños en los dispositivos de anclaje) deberá evitarse mediante detalles constructivos apropiados. Pueden emplearse métodos simplificados de comprobación siempre que conduzcan a resultados equivalentes o del lado de la seguridad con respecto a los que se obtendrían con los métodos generales. En general, los métodos simplificados suponen una comprobación de los distintos Estados Límite Últimos considerando elementos estructurales aislados (se desprecian las acciones indirectas debidas al fuego -dilataciones, deformaciones, etc.-), distribuciones de temperatura preestablecidas, generalmente para secciones rectangulares, y como variaciones en las propiedades de los materiales por efecto de la temperatura, modelos asimismo simplificados y sencillos. El empleo del método de comprobación mediante tablas, que se desarrolla en los siguientes apartados de este Anejo, consiste en la realización de comprobaciones dimensionales de las secciones transversales y los recubrimientos mecánicos, a partir de hipótesis simplificadas y del lado de la seguridad. Para algunas tipologías pueden requerirse otras comprobaciones adicionales y en estos casos pueden obtenerse datos más específicos en la norma del producto. Un método alternativo a los expuestos, es la comprobación frente al fuego mediante ensayos realizados e interpretados de acuerdo con las normas UNE correspondientes al tipo de elemento estructural estudiado. 5 Método de comprobación mediante tablas 5.1 Generalidades Para los casos normales, puede considerarse que un elemento aislado de una estructura tiene resistencia al fuego normalizado suficiente si se cumplen los requisitos que se especifican en las tablas y apartados siguientes. Para el uso de las tablas se define como recubrimiento mecánico equivalente am, a efectos de resistencia al fuego el valor
donde: Asi, Api Área de cada una de las armaduras activa o pasiva i asi, api Distancia del eje de cada una de las armaduras i, al paramento expuesto más próximo fyki, fpki Resistencia característica del acero de las armaduras i aci Corrección debida a las condiciones particulares de exposición al fuego. Pueden considerarse para aci los valores siguientes: aci 10 mm para las armaduras situadas en las esquinas en elementos con una sola capa de armadura aci 0 en los restantes casos api Corrección debida a las diferentes temperaturas críticas entre los aceros de la armadura activa. Pueden considerarse para api los valores siguientes: En general: 5 mm para barras pretensadas 10 mm para alambres y cordones Para elementos estructurales en zonas de almacén: 10 mm para barras pretensadas 15 mm para alambres y cordones Las tablas están establecidas para temperatura crítica del acero de armar de 500º C. Para las armaduras activas, la temperatura crítica se considera de 400º C en el caso de barras y de 350º C en alambres y cordones. Los valores dados en las tablas son aplicables a hormigones de densidad normal, confeccionados con áridos de naturaleza silícea. Cuando se empleen hormigones con áridos de naturaleza caliza, pueden admitirse las reducciones siguientes:
En zonas traccionadas con recubrimientos de la armadura c>=50 mm debe disponerse una armadura de piel para prevenir el desprendimiento de dicho hormigón durante el período de resistencia al fuego. Dicha armadura consiste en un mallazo de dimensiones inferiores a 150 mm, que esté anclado regularmente en la masa de hormigón. El valor del recubrimiento mecánico equivalente permite tener en cuenta la coexistencia de distintos tipos de acero en una misma sección transversal, con características diferentes frente al fuego, que las armaduras estén dispuestas en distintas capas y la influencia de diferente exposición al fuego de las armaduras de una capa. 5.2 Pilares En la tabla A.7.2 se indican los valores de las dimensiones y recubrimientos mecánicos equivalentes mínimos para pilares de hormigón armado y sección rectangular o circular.
** La dimensión mínima cumplirá lo indicado en el Artículo 55º. Cuando la armadura del pilar sea superior a 0,02Ac ésta deberá estar distribuida en todas sus caras si la resistencia al fuego es superior a 90 minutos. Esta condición no es necesario que se cumpla en zonas de solapo de armadura. 5.3 Muros 5.3.1 Muros no portantes Se recomienda que los muros de hormigón estructural no portantes, de cerramiento o particiones, dispongan de una esbeltez geométrica, relación entre la altura del muro y su espesor, inferior a 40 y cumplir con las dimensiones mínimas indicadas en la tabla A.7.3.
5.3.2 Muros portantes Se recomienda que los muros portantes de hormigón estructural cumplan con las dimensiones y recubrimientos mecánicos equivalentes mínimos indicados en la tabla A.7.4.
5.4 Tirantes. Elementos sometidos a tracción La dimensión mínima de un tirante y el recubrimiento mecánico equivalente mínimo no serán inferiores a los establecidos en alguna de las combinaciones indicadas en la tabla A.7.5. En cualquier caso el área de la sección transversal de hormigón debe ser mayor o igual que 2b2min, siendo bmin la dimensión mínima indicada en la tabla A.7.4
Cuando la estructura soportada por el tirante sea sensible a su alargamiento por efecto del calor debido al fuego, se incrementarán los recubrimientos definidos en la tabla A.7.5 en 10 mm. 5.5 Vigas 5.5.1 Generalidades Se consideran vigas expuestas al fuego por tres caras aquellas en las que la cara superior está aislada debido al solado o a cualquier otro tipo de elemento que mantenga su función aislante durante todo el período de resistencia al fuego. En este caso son de aplicación los criterios del apartado 5.5.2. En el resto de los casos las vigas se considerarán expuestas por sus cuatro caras y son de aplicación los criterios indicados en 5.5.3. Para vigas de ancho variable, como ancho mínimo se considerará el que existe a la altura del centro de gravedad mecánico de la armadura traccionada. Para vigas doble T el canto del ala inferior deberá ser mayor que la dimensión mínima que se establezca como ancho mínimo. Cuando el canto del ala inferior sea variable se considerará, a los efectos de esta comprobación, el canto medio. 5.5.2 Vigas con las tres caras expuestas al fuego La dimensión mínima y el recubrimiento mecánico equivalente mínimo de una viga no serán menores que los establecidos en alguna de las combinaciones indicadas en la tabla A.7.6. En cualquier caso, el ancho mínimo del alma no será inferior al indicado como b0 min en dicha tabla.
* Los recubrimientos por exigencias de durabilidad serán normalmente mayores (ver tabla 37.2.4). Para resistencia al fuego normalizada R90 o superiores, en vigas continuas la armadura de negativos se prolongará hasta el 33% de la longitud del vano con una cuantía no inferior al 25% de la requerida en apoyos. En una longitud igual a 2h a cada lado de los soportes, el ancho del alma b0, no será inferior al ancho mínimo bmin indicado en la tabla A.7.6 5.5.4 Vigas expuestas en todas sus caras En este caso son de aplicación las dimensiones y recubrimientos mecánicos equivalentes mínimos indicados en la tabla A.7.6 y además deberá verificarse que el área de la sección transversal de la viga no sea inferior a 2b2min siendo bmin la dimensión mínima indicada en dicha tabla. 5.6 Losas macizas 5.6.1 Losas macizas sobre apoyos continuos Si la losa debe cumplir con una función separadora (criterios E e I, definidos en 2) deberá tener un espesor mayor que el mínimo definido en la tabla A.7.7. A estos efectos, podrá considerarse como espesor el solado o cualquier otro elemento que mantenga su función aislante durante todo el período de resistencia al fuego. Cuando de la losa se requiera sólo su función resistente (criterio R, definido en 2), el espesor será el necesario para cumplir con los requisitos de proyecto a temperatura ambiente cumpliendo el recubrimiento mínimo lo indicado en la tabla A.7.7.
* Los recubrimientos por exigencias de durabilidad serán normalmente mayores (ver tabla 37.2.4). ** lx y ly son las luces de la losa, siendo ly>lx. En las tablas, el valor del recubrimiento amin se referirá a la armadura de la capa inferior. Para resistencias normalizadas R90 o superiores la armadura de negativos debe prolongarse un 33% de la longitud del vano con una cuantía no inferior a un 25% de la requerida en apoyos. Para losas macizas sobre apoyos puntuales, en los casos de resistencia normalizada al fuego R90 o superiores, el 20% de la armadura superior sobre soportes deberá disponerse en toda la longitud del vano, en la banda de soportes. 5.7 Losas nervadas o forjados reticulares Para losas nervadas unidireccionales son de aplicación los criterios establecidos para vigas , en lo que respecta al ancho y recubrimiento mecánico equivalente de las armaduras de los nervios (ver tabla A.7.6). Para el espesor de la capa de compresión (tabla A.7.7.), ancho de alma y ancho de nervio se podrán tener en cuenta los espesores del solado y de las bovedillas no recuperables que mantengan su función aislante durante todo el período de resistencia al fuego, que puede admitirse igual a 120 minutos a falta de datos experimentales. En caso de bovedillas cerámicas pueden considerarse como espesores adicionales de hormigón equivalentes a dos veces su espesor real. Si los forjados o las losas nervadas disponen de elementos de entrevigado cerámicos o de hormigón y enlucido inferior para R<= 120 bastará con que se cumplan los valores de canto total y recubrimiento mecánico equivalente de las armaduras establecidos para losas macizas (ver tabla A.7.7), pudiéndose contabilizar a efectos de este último los espesores equivalentes de enlucido con los criterio y condiciones indicados en el apartado 6. Para losas nervadas y forjados reticulares bidireccionales deberán cumplirse las dimensiones y recubrimientos mecánicos equivalentes mínimos establecidos en alguna de las combinaciones indicadas en la tabla A.7.8.
* Los recubrimientos por exigencias de durabilidad serán normalmente mayores (ver tabla 37.2.4). En losas nevadas, los casos de resistencia normalizada al fuego R90 o superiores, se recomienda que si se disponen sobre apoyo puntuales, el 20% de la armadura superior sobre soportes se distribuya en toda la longitud del vano, en la banda de soportes; y si se disponen sobre apoyos continuos, la armadura de negativos se prolongue un 33% de la longitud del vano con una cuantía no inferior a un 25% de la requerida en apoyos. La resistencia al fuego requerida puede ser obtenida mediante la aplicación de capas protectoras. Las propiedades y funcionamiento del material aislante que se use para las capas protectoras deben ser determinadas utilizando procedimientos de ensayo. Dichos ensayos debe confirmar que el material permanece coherente y cohesivo para todas las temperaturas y deformaciones previsibles y debe proporcionar información sobre los siguientes aspectos:
Alternativamente podrá realizarse una comprobación específica de acuerdo con el método general. No obstante, y aún a falta de datos experimentales, los revestimientos de yeso pueden considerarse como espesores adicionales de hormigón equivalentes a 1,8 veces su espesor real para duración de fuego normalizado de hasta 120 minutos. En el caso de enlucidos aplicados bajo paramentos horizontales, como techos, para R90 se recomienda que su puesta en obra se realice por proyección, mientras que para valores superiores a R120 resulta necesario y además debe disponerse un armado interno no combustible firmemente unido a la vigueta.
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