ESTRUCTURES D’ACER I MIXTES...

JORNADA TÉCNICA - Dijous 14 de gener 2016 - Associació de Consultors d’Estructures

“Introducció al comportament de les estructures davant el foc”

ESTRUCTURES D’ACER I MIXTES D’ACER-FORMIGÓ- Frederic Marimon UPC

ESTRUCTURES D’ACER

I MIXTES D’ACER-FORMIGÓ

Departament de Resistència de Materials i Estructures a l’Enginyeria

Frederic Marimon Carvajal

Dr. Enginyer industrial




1- Tipologies estructurals. Normativa

2- Modelització de l’acció tèrmica del foc

3- Accions mecàniques sobre les estructures

4- Comportament termomecànic dels materials

5- Resolució del problema tèrmic i mecànic

6- Estructura mixta

EXEMPLE 1 Aplicació del mètode simplificat

EXEMPLE 2 Aplicació del mètode general




ESTRUCTURES D’ACER

Estructures en edificació industrial

Estructures tensades

Estructures d’edificis




ESTRUCTURES MIXTES D’ACER-FORMIGÓ

composite columnfloor = beam + slab

composite beam

composite slab

Pilars mixtes

Bigues mixtes

Lloses mixtes de xapa nervada




Àmbit europeu

Eurocodis estructurals

Accions del incendi sobre les estructures Eurocodi-1 EN 1991 Part 2.2

Estructures de formigó Eurocodi-2 EN 1992 Part 1.2

Estructures d’acer Eurocodi-3 EN 1993 Part 1.2

Estructures mixtes d’acer-formigó Eurocodi-4 EN 1994 Part 1.2

Euronormes d’assaig de resistència al foc

Exigències generals EN 1363 / Classificació de productes EN 13501

Assaigs al foc per a les estructures d’acer EN 13381 Parts 1, 2, 4 i 8

Àmbit nacional

Codi Tècnic de l’Edificació CTE [SI- Seguretat en cas d’Incendis]

Reglament de Seguretat contra Incendis en Establiments Industrials RSIEI

Estructures de Formigó Estructural Instrucció EHE

Estructures d’Acer en la Edificació Instrucció EAE

Àmbit autonòmic y local

Legislació autonòmica (CAM, Generalitat de Catalunya, …)

Ordenances municipals (Barcelona, Madrid, València, …)

NORMATIVA ACTUAL




Sección SI 6

Resistencia al fuego de la estructura

1 Generalidades

2 Resistencia al fuego de la estructura

3 Elementos estructurales principales

4 Elementos estructurales secundarios

5 Determinación de los efectos de las acciones durante el incendio

6 Determinación de la resistencia al fuego

Anejo SI A Terminología

Anejo SI B Tiempo equivalente de exposición al fuego

Anejo SI C Resistencia al fuego de las estructuras de hormigón armado

Anejo SI D Resistencia al fuego de las estructuras de acero

Anejo SI E Resistencia al fuego de las estructuras de madera

Anejo SI F Resistencia al fuego de los elementos de fábrica

Anejo SI G Normas relacionadas con la aplicación del DB-SI







4- Comportament termo-mecànic dels materials


6- Estructura mixta






Ignició Foc latent

Abans del punt

d’inflamació

Després del punt

d’inflamació

1000-1200°C

Puntd’inflamació

Ignició

Començamentdel foc

Mots clau: Escalfament RefredamentTemps

Control: Inflamabilitat Desenvolupamentdel fum

Càrrega de foc Ventilació

ISO 834 corba estàndard

de foc

Corba de foc natural

Temperatura R 120

E 120

I 120

120 min

Foc normalitzat ISO 834

Foc natural




R Criteri de resistència estructural

E Criteri d’integritat

I Criteri d’aïllament tèrmic

A una biga només se li

demanen requeriments de

resistència mecànica

Per exemple, R 120

(120 minuts a ISO 834)

EI

màx. 140 ºC (180ºC)

R

R

R Résistance Resistance

Resistencia o

Capacidad

portante

Resistència

E Étanchéité Integrity Integridad Estanquitat

I Isolat ion Insulat ionAislamiento

térmicoIsolació

Français English Español Català

En general, a un forjat se li demanen

requeriments de resistència mecànica i de

sectorització

Per exemple, REI 120 (120 minuts a ISO 834)




Comportament ordinari dels murs durant la fase inicial d’un incendi

Comportament dels murs amb una ruïna estructural associada

COMPORTAMENT ESTRUCTURAL

EXEMPLE PÈRDUA DE L'ESTANQUITAT (Criteri E)




Eurocodi 4 UNE-EN 1994-1-2

EXEMPLE PÈRDUA DE L'AÏLLAMENT TÈRMIC (Criteri I)

Màx 140ºC

Localment180ºC




ENFOC PRESCRIPTIU

EXIGÈNCIES RESISTENTS [R] DINS LA TAULA “PRESCRITIVA” CTE DB-SI 6




ENFOC PRESTACIONAL

Simulació del incendi mitjançant la mecànica computacional de fluids [CFD]

Aplicació a una nau industrial amb

diferents càrregues de foc i

condicions de ventilació

escenarios reales de incendios

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

tiempo (min)

tem

pe

ratu

ra (

ºC)

caso más crítico

Caso realista

fuego nominal ISO

Fuego NATURAL del caso crítico

•Densidad de carga de fuego 3400 MJ/m2

(nivel 5 de riesgo intrínseco)

•Velocidad de liberación del calor 1900

KW/m2

•Superficie de la zona de fuego 70 m2

Fuego NATURAL del caso realista

•Densidad de carga de fuego 990 MJ/m2

(nivel 3 de riesgo intrínseco)

•Velocidad de liberación del calor 1000

KW/m2

•Superficie de la zona de fuego 70 m2









6- Estructura mixta






• Se considera que hay suficiente resistencia de la estructura portante, de un

elemento estructural, sección, punto o de una unión entre elementos, si para

todas las situaciones de dimensionado pertinentes, se cumple la siguiente

condición:

Ed valor de cálculo del efecto de las acciones

Rd valor de cálculo de la resistencia correspondiente

• Combinación de acciones

ACCIONS MECÀNIQUES

Codi Tècnic DB-SE. Situació temperatura ambient




Coeficientes de simultaneidad

y0El valor de combinación de una acción variable representa su intensidad en caso de que, en un determinado periodo de referencia, actúe simultáneamente con otra acción variable, estadísticamente independiente, cuya intensidad sea extrema. En este DB se representa como el valor característico multiplicado por un coeficiente Y0.

y1El valor frecuente de una acción variable se determina de manera que sea superado durante el 1% del tiempo de referencia. En este DB se representa como el valor característico multiplicado por un coeficiente Y1.

y2El valor casi permanente de una acción variable se determina de manera que sea superado durante el 50% del tiempo de referencia. En este DB se representa como el valor característico multiplicado por un coeficiente Y2.




ACCIONS MECÀNIQUESCodi Tècnic DB-SE. Situació accidental (incendi)

El valor de cálculo de los efectos de las acciones correspondiente a una situación extraordinaria, se determina mediante combinaciones de acciones a partir de la expresión

es decir, considerando la actuación simultánea de:

a) todas las acciones permanentes, en valor de cálculo gG Gk, incluido el pretensado gP P

b) una acción accidental cualquiera, en valor de cálculo ( Ad ), debiendo analizarse sucesivamente con cada una de ellas.

c) una acción variable, en valor de cálculo frecuente gQ y1 Qk, debiendo adoptarse como tal, una tras otra sucesivamente en distintos análisis con cada acción accidental considerada.

d) El resto de las acciones variables, en valor de cálculo casi permanente gQ,i y2,i Qk,i.

e) En situación extraordinaria, todos los coeficientes de seguridad gG, gP, gQ, son iguales a cero si su efecto es favorable, o a la unidad si es desfavorable, en los términos anteriores.

gG = gP = gQ= 1,0




EXEMPLE – Combinació d'accions en cas d’incendi

Càrrega dominant Càrregues d’acompanyament

W Q

S

Combinació d’accions per a un edifici residencial: Categoria A, situat a una altitud inferior a 1000 m.

1,0 G + 0,5 Q

1,0 G + 0,2 S

1,0 G + 0,5 W

1,0 G + 0,2 S + 0,3 Q

1,0 G + 0,5 W + 0,3 Q




Coeficient de sobredimensionament

Coeficiente de sobredimensionado

Grado de utilización (UNE EN 1993-1-2)

Càrrega dominant

Càrregues d’acompanyament




Dominis de comprovació analítics

Temps: tfi.d > tfi.requ

Resistència: Rfi.d.t > Efi.d.t

Temperatura: cr.d > d

Mètodes avançats de

càlcul:

a) Problema tèrmic

b) Problema mecànic

• Comprovació amb les

taules y els models

simplificats de la

normativa

Mètode senzill i exclusiu

per a l’estructura

metàl·lica

ATENCIÓ LIMITACIONSMètodes experimentals d’assaig

l fi =0,7L

l fi =0,5L

100

200

300

0 1200 2400 3600

Tiempo (sec)

Flecha (mm)

Fuego estandar

Luz/30









6- Estructura mixta






Deformació

300

250

200

150

100

50

0 0,5 1,0 1,5 2,0

Tensió (N/mm ) 2

20°C

200°C 300°C

400°C

500°C

600°C

700°C

800°C

Límit de proporcionalitat (600°C)

Límit elàstic efectiu (600°C)

Mòdul elàstic (600°C)

Gràfic tensió (N/mm2) - deformació (%) en funció de la temperatura per a l’acer S275

PROPIETATS MECÀNIQUES DE L’ACER AFECTADES PER LA TEMPERATURA




Vinclament per flexió als pilars

Bolcada lateral a les bigues

Abonyegament a les plaques planes

Tensió crítica elàstica

Classificació del les seccions

Moment crític elàstic

Disminució de la càrrega crítica elàstica

Esveltesa

(≈1,2)




L’alta deformabilitat de les estructures metàl·liques sense protecció és deguda a la disminució del mòdul d’elasticitat longitudinal de l’acer; Es.




arctan(

c1

c f c(20°C)

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0 0 1 2 3 4

20°C

200°C

400°C

600°C

800°C

1000°C

)

c cu

Deformació

(%)

Tensió nominal

Gràfic tensió (disminució percentual) - deformació (%) en funció de la temperatura, corresponent a un formigó tipus normal i lleuger

PROPIETATS MECÀNIQUES DEL FORMIGÓ AFECTADES PER LA TEMPERATURA









6- Estructura mixta






(A) IPE 600 sense cap protecció

addicional

(B) IPE 600 amb una protecció de

morter de vermiculita de 20 mm

RESPOSTA TÈRMICA del perfil IPE 600 front el foc normalitzat ISO 834




s,t h·

net,d

Problema Tèrmic

Evolució de la temperatura en l’acer s,t

Cas de l’acer sense protecció




Ap/V Factor de Forma [m-1]

Cas sense recobriment

UNE EN 1993-1-2

(antic factor de massivitat)

b

h

t

b

h

t

Sección abierta expuesta al fuego en todas sus

caras:

ansversalsección tr la de superficie

perímetrom = V

A

Tubo expuesto al fuego en todas sus caras:

Am / V = 1 / t

Sección abierta expuesta al fuego en tres de sus

caras:


fuego al expuesta superficiem = V

A

Sección hueca (o sección en cajón soldada con

espesor uniforme) expuesta al fuego en todas sus

caras:

Si t « b: Am / V 1 / t

Sección abierta expuesta al fuego en tres de sus

caras:

Am / V = (b + 2tf ) / (btf )

Si t « b: Am / V 1 / tf

btf

Sección en cajón soldada expuesta al fuego en todas

sus caras:


m h) + 2(b =

V

A

Si t « b: Am / V 1 / t

Perfil angular expuesto al fuego en todas sus caras:

Am / V = 2/t

Sección abierta reforzada en cajón, expuesta al

fuego en todas sus caras:

ltransversaciónladeárea

h) + 2(b =

V

A

sec

m

b

h

Chapa expuesta al fuego en todas sus caras:

Am / V = 2(b + t) / (bt)

Si t « b: Am / V 2 / t

bt

Chapa expuesta al fuego en tres de sus caras:

Am / V = (b + 2t) / (bt)

Si t « b: Am / V 1 / t

bt




Evolució de la temperatura en l’acer a,t Cas d’acer protegit amb un gruix dp

s,t h·

net,d




Ap/V Factor de Forma [m-1]

Cas de recobriment

UNE EN 1993-1-2

(antic factor de massivitat)

Diseño Descripción Factor de sección ( Ap / V )

Revestimiento de

contorno con espesor

uniforme

perímetro de acero

─────────────

superficie de la sección

transversal de acero

b

h h

b c2c

1

Revestimiento hueco con

espesor uniforme)1

2 (b + h )

─────────────



b

Revestimiento de

contorno con espesor

uniforme, expuesto al

fuego en tres de sus caras

perímetro de acero - b

─────────────



b

h

b

h

c1

c2

Revestimiento hueco con

espesor uniforme,

expuesto al fuego en tres

de sus caras)1

2h + b

─────────────



)1 Las dimensiones de la holgura c1 y c2 , por lo general, no deberían ser superiores a h/4




Integració numèrica de la equació diferencial amb t < 5 a 60s

Dt <5-60 s

s,t

s,t

s,t

s,t h·

net,d




Problema Mecànicplantejament rigorós segons EC-3

Efi,d Rfi,d,t Accions mecàniques en

situació d’incendi segons EN

1991 Part 2.2

Resistència de l’element calculat

segons Eurocódi 3, però modificant

les propietats de l’acero a la

temperatura a,t

Tracció

Flexió Classes 1 y 2

Vinclament por flexió

Bolcada lateral

Fórmules generals de

interacció Classe 1 y 2

Problema Tèrmicsegons EC-3 i CTE DB-SI 6

s,t h·

net

La temperatura fa disminuir la tensió

de límit elàstic, fy, i el mòdul

d'elasticitat , Es, de l’acer

Efi,d Rfi,d,t




OPCIÓN DEL MÉTODO “ULTRA SIMPLIFICADO” DEL CÓDIGO TÉCNICO

DB-SI ANEJO D. Sólo para vigas arriostradas lateralmente (sin posibilidad

de vuelco lateral), tirantes y pilares definidos en D.2.2.1 (2)




Exigència R60 per a una biga IPE550 d’un forjat

Hem estimat un coeficient de sobredimensionament; mfi = 0,50

Perfil IPE 550, Factor de forma:

Am/V = 124 m-1

Provem amb un recobriment de gruix 15 mm d’un morter de vermiculita projectat sobre la biga. Dades:

d = 15 mm = 0,015 m

lp = 0,12 W/(mK)

Així, el càlcul:

d/lp= 0,015/0,12 = 0,125 m2K/W

Finalment, comprovem a la taula D.1 que es verifica:

0,125 > 0,10 COMPLEIX




Opción del método alternativo de la Temperatura Crítica a,cr

• Se trata de la resolución simultánea del Problema Térmico + Problema Mecánico en el dominio de la temperatura. No contemplado directamente en CTE DB-SI Anejo D, pero “compatible”.

• Concepto de a,cr : “Es la temperatura del acero cuando se produce el colapso del elemento para un determinado nivel de cargas, cuantificado por el grado de utilización m0”. El valor m0 = mfi del Código Técnico.

• En la versión actual de Eurocódigo 3 (2005), salvo cuando los fenómenos de inestabilidad o deformabilidad deban ser tenidos en cuenta, la expresión de la temperatura crítica en función del factor de utilización es:

a,cr = 39,19 ln

1

0,9674

1

0

3,833m

+ 482

m0 = Efi,d / Rfi,d,0

Table 4.1: Critical temperature a,cr for values of the utilization factor m0

m0 a,cr m0 a,cr m0 a,cr

0,22 711 0,42 612 0,62 549

0,24 698 0,44 605 0,64 543

0,26 685 0,46 598 0,66 537

0,28 674 0,48 591 0,68 531

0,30 664 0,50 585 0,70 526

0,32 654 0,52 578 0,72 520

0,34 645 0,54 572 0,74 514

0,36 636 0,56 566 0,76 508

0,38 628 0,58 560 0,78 502

0,40 620 0,60 554 0,80 496

NOTE: The national annex may give default values for critical temperatures.




Nomograma europeo ECCS nº 89 basado ENV 1993 Parte 1.2 (1995)

R 15 R 90









6- Estructura mixta






ESTRUCTURA MIXTA ACER-FORMIGÓ.

LES LLOSES MIXTES AMB XAPA NERVADA D’ACER

Llosa mixta/Llosa mixta -Isotermes.avi

Llosa mixta/Llosa mixta -Isotermes.avi







4- Comportament termo-mecànic dels materials


6- Estructura mixta






ESTUDI DEL COL·LAPSE ESTRUCTURAL EN UNA PLANTA DE BIODIESEL

Anàlisi “element a element”

Efi,d Rfi,d,t




MODEL DE ZONES

Software OZONE V2.2

ESCENARI D’INCENDI

• Càrregues de foc i posició

• Propietats tèrmiques tancaments

Col·lapse parcial de la coberta 500ºC

Ruptura de vidres 400ºC

Obertura dels exutoris 60º




1 - Càrregues mecàniques reals (y1) 2 - Anàlisi mecànic global de l’estructura (sense efectes indirectes)

3 – Anàlisi tèrmic de cada barra individual sota la corba de foc

escollida, en aquest cas IS0834 fins un temps determinat t =15 min

4 – Verificació individual de cada barra en el domini de la resistència,

segons EN 1993-1-2 i en un instant determinat t =15 min









6- Estructura mixta






HIPÒTESIS

- Dilatacions tèrmiques de les barres

- Integració en el temps, resolució del problema tèrmic

- No linealitats geomètriques. Actualització de la geometria

- No linealitats del material, característiques funció de la temperatura




Resposta mecànica obtinguda en el cas d’ una estructura metàl·lica desprotegida.

El col·lapse estructural succeeix desprès de 35 minuts de exposició a ISO 834 y està provocat

pel vinclament del pilar

PÒRTIC METÀL·LIC DE NUSOS RÍGIDS




Accions versus Anàlisi

Corbes de foc natural Mètodes Avançats

Corba normalitzada ISO 834 Mètodes Simplificats CTE DB-SI i EC3

Valors Tabulats

CONCLUSIÓ




Gràcies per la seva atenció

Departament de Resistència de Materials i Estructures a l’EnginyeriaUniversitat Politècnica de Catalunya

Frederic Marimon Carvajal




CAS PARTICULAR D’ACCIONS MECÀNIQUES EN FORJATS

En situació normal de dimensionament:

gG= 1,35 càrregues permanents G (pes propi)

gQ= 1,5 càrregues variables Q (sobrecàrrega d’us)

En el cas de situació accidental d’incendi:

gGA= 1,0 les accions característiques permanents G es prenen sense majorar

y1.1= Afecta a Q, depenen de l’ús de l’edifici. Entre 0,5 (oficines) y 0,9 (magatzems EC-1).

1.1.

1.1.1

kQkG

kkGAfi

QG

QG

gg

yg

3,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Q / G k,1 k

fi

yfi,1= 0,7

yfi,1= 0,5

yfi,1= 0,2

yfi,1= 0,9

Factor de reducció de càrregues:

ESTRUCTURES D’ACER I MIXTES...

Documents

Transcript of ESTRUCTURES D’ACER I MIXTES...