Resumen sobre resistencia a fuego de estructuras de acero

Aquí se presenta un resumen de las cosas más importantes sobre resistencia a fuego de estructuras y un ejemplo simple. Un incendio es un accidente, es una conversión en calor de la energía de una materia combustible dentro de un recinto cuya estructura es la que tratamos de defender. Hace falta materia combustible, una ignición y un desarrollo posterior. Realmente es un fenómeno complejo pero para nuestro objetivo sólo nos hace falta una curva de fuego (temperatura-tiempo) que aplique a todo el recinto a la vez y un requisito de tiempo mínimo que debe resistir la estructura sin colapsar. La curva en la mayoría de los casos es la estándar ISO 834. El tiempo mínimo RF en minutos que se requiere está fijado por los códigos aplicables o por la autoridad y obedece a muchas razones (clase de estructura, carga de fuego, tamaño del sector, accesibilidad, medidas activas etc.) que están fuera de alcance aquí. Por ejemplo si el requisito (“rating”) es RF30 hay que resistir 30 minutos de ese incendio tipo sin que colapse la estructura. Con tal de que el tiempo hasta el colapso supere ese valor ya cumplimos nuestro cometido. Ese requisito (“rating”) se supone que es el adecuado para permitir la intervención de bomberos, practicar rescates, aislar zonas, evitar propagación y demás. 

Método simplificado 

El efecto de un incendio desarrollado (hay otros tipos) es producir llamas y humos que entre otras cosas calientan la estructura por radiación y convección. Es un fenómeno complejo porque varía en el espacio y en el tiempo, modificando las propiedades de la misma e introduciendo deformaciones y esfuerzos. Lo mejor es enemigo de lo bueno. Aquí se explicará el Método Simplificado de Eurocódigo. Hay otras metodologías avanzadas, con ensayos y análisis mediante CFD y MEF, la curva de fuego no es convencional se determina en cada caso y además se analiza la estructura a lo largo del tiempo acoplando las respuestas térmica y la mecánica. El método simplificado es conservador, pero bien aplicado es muy eficiente y rápido. Se basa en el concepto de Temperatura Crítica. Con este método se puede ajustar la protección pasiva y superar la posición simplista, ultramontana y a veces incluso deliberadamente exagerada de considerar que al alcanzar 550oC una estructura de acero falla (Ha habido épocas peores, en las que se estipulaba 500oC).  Excepto en casos especiales (que se pueden determinar de forma concluyente) la mayoría de estructuras resisten más, es decir su Temperatura Crítica es superior a esos dichosos 550oC. Hay tres hechos muy claros: 

• La variación propiedades de los aceros (fy,E) con la temperatura está bien establecida.
• En las estructuras no enterradas con diseños corrientes, se puede prescindir del efecto de las dilataciones. Se considera una respuesta mecánica y térmica desacoplada. Las experiencias de Cardington a escala real lo prueban y los Eurocódigos lo sacralizan.
• Las cargas que actúan en caso de accidente se toman de forma realista: acciones constantes sin factorizar y acciones variables reducidas (coeficientes de simultaneidad f<1). Se aplica el código vigente.

Ejemplo 

Vamos a exponer un caso simple respondiendo a cinco preguntas clave:  Sea una viga IPE 550, de acero S355JR, biapoyada L= 10 metros de luz.  En el escenario de incendio la carga constante es de 7.5 kN/m y la carga variable de 21 kN/m con un factor de simultaneidad f=0.7. 

Se supone que no hay posibilidad de pandeo lateral 

1. ¿Cuál es la temperatura crítica de la viga? 

La carga vale p = 7.5 + f 21 = 22.2 kN/m  El flector M = p L2/8 = 277.5 mkN  Como el módulo elástico del perfil vale W= 2441.5 cm3 la tensión máxima será s = M/W = 277.5 106 / 2441.5 103 = 113.7 N/mm2  Por lo tanto el límite elástico puede bajar en una proporción:  μ= s/fy = 113.7/355 = 0.32  Esto quiere decir que la temperatura, interpolando en la tabla de Eurocódigo, puede llegar a ser 654oC (superior a la “usual”). Esta es la temperatura crítica. 

2. ¿Durante cuánto tiempo puede soportar un incendio tipo ISO834 sin protección?

Si está rodeada por el fuego completamente, el catálogo de perfiles indica que su relación perímetro/área vale A/V =140 m-1.  Resolviendo la ecuación diferencial térmica, o aplicando el nomograma APTA del libro de naves se obtiene para ese factor de masividad y la temperatura crítica 654oC un tiempo de 18 minutos.(Por lo menos cumpliría RF15) 

3. ¿Qué espesor de protección a base de mortero proyectado de conductividad λ=0.12 W/moK hay que disponer si se requiere RF90?

Aplicando de nuevo el nomograma el punto correspondiente a 90 minutos y a T= 654oC es por donde pasa la curva 1200 aproximadamente.  Al tenerse que cumplir (A/V) λ/d = 1200 el espesor de protección resulta d=0.014 metros. Disponiendo 1.5 cm se cumple bien. 

4. ¿Qué espesor de protección habría que poner si se estipula que la temperatura critica es 550oC también en caso de RF90?

Aplicando de nuevo el nomograma por el punto correspondiente a 90 minutos y ahora T= 550oC es por donde pasa la curva 800 aproximadamente.  Al tenerse que cumplir (A/V) λ/d = 800 el espesor de protección resulta d=0.021 metros.  Adviértase que con esa posición conservadora, por decirlo en términos corteses, hay que disponer un 50% más de espesor. 

5. ¿Qué espesor de pintura intumescente habría que poner racionalmente, es decir considerando 650oC, o si se estipula que la temperatura critica es 550oC también en caso de RF90? 

Usando las tablas del producto “X1548 Intumescent Coating R60SB” para RF90 y entrando con el factor de masividad A/V= 140 m-1 se obtiene 0.89 mm para 650oC y fuera de tabla para 550oC (si por lo menos hubiese un factor de 110 m-1 se debería poner 1.369 mm)  Adviértase que a menos que se actúe con sentido común no se podría usar injustamente pintura intumescente. 

Referencias 

- Eurocódigo 3, parte 1.2 - Nomograma APTA (Asociación para la promoción técnica del acero) - “Naves Industriales con acero” 2a ed. A.Arnedo Pena. APTA 2009