CURSO CONSTRUCIÓN EN MADEIRA CÁLCULO ESTRUTURAS 23-24 Outubro 2008 6-7 Novembro 2008 Título: Comprobación a lume Ponente
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CURSO CONSTRUCIÓN EN MADEIRA CÁLCULO ESTRUTURAS 23-24 Outubro 2008 6-7 Novembro 2008 Título: Comprobación a lume Ponente: Azahara Soilán Cañás Organismo/Empresa: CIS Madeira
COMPORTAMIENTO DE LA MADERA FRENTE A FUEGO
Madera
Celulosa + Lignina
Carbono, hidrógeno y oxígeno COMBUSTIBLE
UNE 13501: Clasificación en función del comportamiento frente al fuego de los productos de construcción y elementos para la edificación. UNE EN 13501-1:2002 : Clasificación a partir de datos obtenidos en ensayos de reacción al fuego.
Clasificación general: A1, A2, B, C, D, E y F Casos de suelos: subíndice: FL (flooring)
COMPORTAMIENTO DE LA MADERA FRENTE A FUEGO Reacción al fuego: Equivalencias aproximadas UNE 23727 y Euroclases UNE-EN 13501 A1 (piedra y hormigón): A2 (yeso): B (madera impregnada con productos ignífugos): C (pared cubierta con tableros derivados de la madera): D (Madera y tableros derivados sin tratamiento ignífugo): E (tableros de fibras de baja densidad): F (algunos plásticos):
M0 M0 M1/M2 M3 M3/M4 M4 -
Reacción al fuego de madera maciza
D-s2, d0 Material combustible que no ha superado los valores exigidos para las clases anteriores
Producción de gotas o partículas en llamas: nula
Producción de humo: media
COMPORTAMIENTO DE LA MADERA FRENTE A FUEGO 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. La capa carbonizada actúa de aislante y mantiene el interior de la pieza frío, conservando sus propiedades físico 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. - Madera con fendas. - Densidad baja de madera.
COMPORTAMIENTO DE LA MADERA FRENTE A FUEGO
Método de cálculo propuesto en el CTE
Método de la sección reducida Hipótesis implícitas en el método: -Se analizan elementos estructurales individualmente. -Las condiciones de contorno y apoyo iguales a las iniciales. -En elementos de madera no es necesario considerar dilataciones térmicas. Este método se basa en las siguientes consideraciones: -Los valores de resistencia de cálculo y rigidez se consideran constantes durante el incendio. -Kmod en situación de incendio se considera igual a la unidad. -Una sección reducida de madera.
COMPORTAMIENTO DE LA MADERA FRENTE A FUEGO Sección reducida: resultado de eliminar de la sección inicial la profundidad eficaz de carbonización, def, en las caras expuestas, alcanzada durante el periodo de tiempo considerado.
dchar,n: profundidad carbonizada nominal de cálculo d 0:
de valor 7 mm
K0:
Para superficies no protegidas: t≥20 min t20 min)
h=320 mm bef
dchar,n = βn·t
t= 60 min b=200 mm
βn=0,80 mm/min
COMPORTAMIENTO DE LA MADERA FRENTE A FUEGO: EJEMPLO
Profundidad eficaz de carbonización:
def = dchar,n + k0·d0
hef h=320 mm
d0=7 mm bef
k0= 1 (t>20 min)
b=200 mm
dchar,n = βn·t
t= 60 min βn=0,80 mm/min
dchar, n = 0,80·60 = 48 mm
def = 48 + 1·7 = 55 mm hef = h - def = 320 – 55 = 265 mm bef = b – 2·def = 200 – 2·55 = 90 mm
Sección reducida tras 60 min de fuego: 90x265 mm
COMPORTAMIENTO DE LA MADERA FRENTE A FUEGO Madera con protección
Para elementos protegidos la velocidad de carbonización varía durante el tiempo de exposición al fuego, debiendo considerarse los siguientes casos: a) Inicio de carbonización por fallo de la protección: 1ª fase: Inicio de carbonización en el momento del fallo de la protección (tf). 2ª fase: A partir de tf la velocidad de carbonización será 2βn (para madera sin protección) hasta que se alcance una profundidad de carbonización igual al menor de los siguientes valores: - 2 tf
ta
-(25/ 2βn) + tf
3ª fase: A partir de ese momento la velocidad de carbonización nominal será igual a la de la madera sin protección.
0
0
tf
2βn
βn
ta
t
COMPORTAMIENTO DE LA MADERA FRENTE A FUEGO: MADERA CON PROTECCIÓN b) Inicio de carbonización antes del fallo de la protección: 1ª fase: Hasta que se inicia la carbonización del elemento tch. 2 ª fase: Desde tch hasta fallo de la protección, tf, se considerará como velocidad de carbonización la de la madera sin protección multiplicada por un coeficiente reductor k2 función del tipo de protector. 3ª fase: A partir de tf la velocidad de carbonización será 2β0 (para madera sin protección) hasta que se alcance una profundidad de carbonización igual al siguiente valor:
ta =
25 − (t f − t ch )·k 2 β n 2β n
+tf
4ª fase: A partir de ese momento la velocidad de carbonización nominal será igual a la de la madera sin protección.
0
0
tch
k2 β n
tf
2βn
ta
βn
t
Mantas de lana de roca e≥20 mm y densidad ≥26 kg/m3 que mantenga cohesión hasta 1000 ºC se pueden tomar los valores de k2 de la tabla (interpolando para valores intermedios):
COMPORTAMIENTO DE LA MADERA FRENTE A FUEGO: MADERA CON PROTECCIÓN Para casos no especificados en el CTE, el tiempo de inicio de carbonización del elemento tch, el tiempo de fallo del revestimiento tf o la velocidad de carbonización para las distintas fases, deberán determinarse experimentalmente. Tiempos de fallo de revestimientos de protección Motivos del fallo:
a) Carbonización o degradación del material de revestimiento.
Con tableros derivados de madera y tableros de madera maciza: tiempo de fallo tf
t
ch
inicio de carbonización del elemento protegido
b) Insuficiente longitud de elementos de fijación. Longitud requerida:
Lf,req = hp + dchar,n + la
Longitud mínima de penetración: 10 mm
hp: espesor del tablero Profundidad de carbonización del elemento de madera
c) Separación o distancias inadecuadas de los elementos de fijación.
COMPORTAMIENTO DE LA MADERA FRENTE A FUEGO: MADERA CON PROTECCIÓN Inicio de la carbonización 1) Tableros de madera maciza o derivados de madera:
t ch =
hp
Espesor del tablero, en caso de varias capas el espesor total (mm)
β0
Para densidad de tablero de 450 kg/m3 y para espesor 20 mm:
Para valores distintos de espesor y densidad:
donde
Espesor del tablero en mm Densidad característica kg/m3
COMPORTAMIENTO DE LA MADERA FRENTE A FUEGO: MADERA CON PROTECCIÓN
2) Muros o forjados con tableros unidos a un entramado de madera: Espesor del tablero en mm Velocidad de carbonización básica de cálculo (mm/min)
3) Mantas de lana de roca e≥20 mm y densidad ≥26 kg/m3 que mantenga cohesión hasta 1000 ºC:
Densidad del material aislante en kg/mm3
Espesor del material aislante en mm
REGLAS SIMPLIFICADAS PARA EL CÁLCULO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES 1. Puede despreciarse la compresión perpendicular a la fibra 2. En secciones rectangulares y circulares macizas puede despreciarse el cortante. 3. Se deberá comprobar que no se produce el fallo del arriostramiento en situación de exposición a fuego. 4. Se considera que no se produce el fallo del arriostramiento cuando el ancho y la sección son al menos el 60 % de lo requerido en situación normal, siempre y cuando la fijación se realice con clavos, tirafondos, pasadores o pernos. Vigas: 1. Comprobar estabilidad frente a vuelco lateral sin arriostramiento. 2. En entalladuras la sección residual será al menos el 60 % de la requerida en situación normal. Soportes: 1. Comprobar estabilidad frente a pandeo en caso de fallo de arriostramiento. 2. En estructuras arriostradas y si el incendio no abarca más de una planta: Longitud pandeo:
- 0,5 de la altura entre plantas intermedias - 0,7 de la altura de la última planta.
BASES DE CÁLCULO EN SITUACIÓN DE INCENDIO
1. Valores de cálculo de las propiedades del material
Xd = kmod ·kfi ·
Xk γM
kmod: en situación de incendio su valor es 1. kf: coeficiente que permite transformar el valor característico de una propiedad en su valor medio. kf: 1,25 para madera maciza kf: 1,15 para madera laminada encolada y derivados de la madera. Xk:valor característico de la propiedad del material. γM: coeficiente de seguridad del material.
BASES DE CÁLCULO EN SITUACIÓN DE INCENDIO 2. Valores de cálculo de las acciones Para situación extraordinaria:
Simplificando en caso de incendio:
∑G j ≥1
k, j
+ ψ 1,1 ·Qk ,1 + ∑ψ 2,i ·Qk ,i i >1
BASES DE CÁLCULO EN SITUACIÓN DE INCENDIO
COMPORTAMIENTO DE LA MADERA FRENTE A FUEGO: EJEMPLO Comprobación de la resistencia a fuego de vigas principales de forjado de sección residual de 90x265 mm de madera de clase resistente C24. Uso residencial vivienda, con los momentos flectores. H1: Momento generado por carga permanente: 13.730.000 N·mm H2: Momento generado por sobrecarga de uso: 13.500.000 N·mm Comprobación a flexión Valor de resistencia de cálculo he =265 mm
kmod=1 kf = 1,25 fm,k = 24
N/mm2
γM = 1
bef=90 mm
Tensión de cálculo a flexión para Combinación 2:
Gk j ∑ j ≥1
,
fm, d = kmod ·kf ·
+ ψ 1,1 ·Qk ,1
fm, d = 1·1,25·
fm, k γM
24 = 30 N/mm2 1
COMPORTAMIENTO DE LA MADERA FRENTE A FUEGO: EJEMPLO
COMPORTAMIENTO DE LA MADERA FRENTE A FUEGO: EJEMPLO Comprobación de la resistencia a fuego de vigas principales de forjado de sección residual de 90x265 mm de madera de clase resistente C24. Uso residencial vivienda, con los momentos flectores. H1: Momento generado por carga permanente: 13.730.000 N·mm H2: Momento generado por sobrecarga de uso: 13.500.000 N·mm Comprobación a flexión Valor de resistencia de cálculo he =265 mm kmod=1 kf = 1,25 bef=90 mm
fm, d = kmod ·kf · fm, d = 1·1,25·
fm, k γM
24 = 30 N/mm2 1
fm,k = 24 N/mm2
γM = 1
Momento de cálculo para Combinación 2:
∑ Gk, j + ψ1,1·Qk,1 = 13.730.000 + 0,5·13.500 .000 = 20.480.000 N·mm
j ≥1
My,d = 20.480.000 N·mm
COMPORTAMIENTO DE LA MADERA FRENTE A FUEGO: EJEMPLO
Wy =
b r ·h r 2 90·265 = 6 6
σ m, y, d =
M y, d Wy
=
2
= 1.053.375 mm
3
20.480.000 = 19,44 N/mm 2 1.053.375
Para la sección residual kcrit = 0,9
σ m, d k crit ·fm, d
=
19,44 = 0,72 ≤ 1 0,9·30
COMPORTAMIENTO FRENTE A FUEGO: UNIONES 1. UNIONES CON PIEZAS LATERALES DE MADERA
1. a) Uniones no protegidas
Para pasadores, clavos o tirafondos en los que no sobresalga la cabeza de la superficie pueden suponerse resistencias al fuego superiores cuando se incremente el espesor, la longitud y el ancho de las piezas laterales, así como distancias a la testa y a los bordes desde los elementos de fijación, una cantidad afi. βn: velocidad de carbonización nominal Kflux: coeficiente de flujo de calor. Puede tomarse 1,5. treq: tiempo requerido de resistencia a fuego ( 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
COMPORTAMIENTO FRENTE A FUEGO: UNIONES 2. UNIONES CON PLACAS DE ACERO AL EXTERIOR Uniones no protegidas: capacidad resistente según Anejo D: Resistencia al fuego de los elementos de acero Uniones protegidas: aquellas recubiertas por madera o productos derivados con espesor mínimo igual a afi con tfi,d = 5 min. 3. TIRAFONDOS SOMETIDOS A CARGA AXIAL
-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.
COMPORTAMIENTO FRENTE A FUEGO: UNIONES 3. TIRAFONDOS SOMETIDOS A CARGA AXIAL 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.
Si d2 = d1+ 40 y d3 ≥ d1+20 mm El factor de conversión η puede calcularse con las fórmulas anteriores sustituyendo tfi,d por 1,25·tfi,d
DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS Muros y forjados
-Separación entre ejes de montantes y viguetas de forjado ≤ 625 mm -En muros, los paneles deben tener un espesor mínimo (t tp,min= max
lp 70 8
p, min):
lp: Separación entre las piezas del entramado
- En elementos constructivos con una sola capa en cada lado, los tableros deberán tener una densidad mínima de 350 kg/m3. Detalles de uniones de tableros Los tableros deben fijarse al entramado. Separación máx entre clavos 150 mm y entre tirafondos 250 mm. Profundidad mínima de penetración 8d para tableros portantes y 6d para no portantes. Cantos de los tableros con holgura máxima de 1 mm, fijados al entramado en dos bordes opuestos. Para capas múltiples se aplicará a la capa externa. En capas múltiples las juntas deben desfasarse ≥ 60 mm. Cada panel se fijará de manera individual.
DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS Tableros fijados directamente al elemento al que protegen. Con varias capas, 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)
DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS
Imágenes Manuel Guaita
DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS
Imágenes Manuel Guaita