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Comportamiento ante el fuego de estructuras de hormigón de alta resistencia

Autor: xxxxxx

Universidad

Carrera de ing Civil

Antecedentes

Investigaciones indican que el comportamiento del Hormigón de Alta Resistencia (HAR), es diferente al Hormigón de Resistencia Normal (HRN) ante el mismo efecto del fuego.

Si bien en nuestro medio (Bolivia) no se utiliza mucho el HAR, en otros países está comenzando a usarse en un gran número de edificios donde se considera la seguridad estructural ante el fuego.

Este articulo trata sobre las características del fuego y el material estructural que determinan el comportamiento del HAR bajo los efectos del fuego.

Datos experimentales y estudios numéricos son usados para ilustrar el comportamiento del diseño de la mezcla del concreto y los detalles estructural ante el fuego para estructuras de HAR.

Una comprensión de los distintos factores que influencian el comportamiento ante el fuego, nos servirá para desarrollar futuras soluciones para reducir la desfragmentación del hormigón y aumentar la resistencia al fuego de los miembros de HAR.

Palabras Claves: Estructuras de hormigón ante el fuego, Efecto del fuego ante el concreto, Concreto del alta resistencia, concrete buildings in fire, effect of fire before the concrete, high-strength concrete.

1 Introducción

En estos últimos años, la industria de la construcción a mostrado interés en el uso del hormigón de alta resistencia (HAR), en estructuras como ser puentes y edificios altos especialmente. Esto es debido a las ventajas que ofrece como ser la economía, la arquitectura y en lo estructural que proveen, comparado con el convencional, hormigón de resistencia normal (HRN). Uno de los mayores usos del HAR en edificios es para marcos estructurales consistentes de vigas y columnas, las cuales proveen la principal resistencia a flexión, y por lo tanto, la provisión adecuada para la seguridad contra el fuego es un principal requerimiento de seguridad en el diseño de edificios. Con el incremento del uso del HAR, ha sido necesario desarrollar el comportamiento del concreto ante

el fuego. La desfragmentación ante elevadas temperaturas ha sido observada en estudios llevados a cabo en un número de laboratorios que tuvieron esta misma preocupación. (Di Capua & l'Enginyeria, 2009)

Los códigos de construcción generalmente especifican los requerimientos para la resistencia al fuego de miembros estructurales. En casi toda Sudamérica, el hormigón estructural ha sido diseñado de acuerdo a la norma ACI que proviene de EEUU.

Las recientes ediciones contienen especificaciones detalladas para el diseño de miembros estructurales de HAR; sin embargo, no hay guías para el diseño de la resistencia al fuego de miembros estructurales de HAR, tanto en el ACI como en otras normas.

Generalmente, miembros estructurales de hormigón (principalmente HRN) muestran buen comportamiento bajo situaciones de fuego. Sin embargo, resultados de un número de estudios han mostrado que hay diferencias bien definidas entre las propiedades del HAR y HRN en temperaturas elevadas. Mas allá, preocupa lo concerniente a la explosión desfragmentados el hormigón cuando el HAR es sujeto a un rápido calentamiento, como es el caso ante el fuego.

2 Hormigón y Fuego

Los elementos estructurales son diseñados para satisfacer los requerimientos de serviciabilidad y seguridad para los estados límites para varias condiciones del medio. El fuego representa uno de las más severas condiciones y por lo tanto la provisión apropiada de medidas para la seguridad al fuego para miembros estructurales es el principal requerimiento en el diseño de estructuras. La base para este requerimiento puede ser atribuida al hecho de que, cuando otras medidas por contener el fuego fallan, la integridad estructural es la última línea de defensa. (Draper, Barcelona, & Folch, 2003)

La desfragmentación del hormigón es una de las principales preocupaciones debido a la baja porosidad (permeabilidad) en HAR. La desfragmentación es el resultado de una rapida perdida de concreto durante el fuego, por consiguiente la tasa de transmisión del calor a las capas interiores del miembro, incluyendo el refuerzo.

La desfragmentacion es causada por la acumulacion de presion en los poros durante el calentamiento. El HAR se cree que es más susceptible a la acumulación de presión por su baja permeabilidad comparado con el HRN. La presion del vapor de agua, generado durante la exposicion al fuego, no puede salir debido a la alta densidad del HAR. A los 300 °C , la presion llega alrededor de 8 MPa. El HAR tiene una resistencia del esfuerzo de tension de aprox. 5 MPa.

Datos de varios estudios muestran que el comportamiento del HAR ante el fuego es, en general, afectado por varios factores. Sin embargo los principales factores estan basados

en cualquiera de estos dos, las características del material o las consideraciones estructurales.

3 Factores que gobiernan el comportamiento del fuego

La resistencia al fuego de elementos estructurales dependen de la geometria, el material usado en la construccion, la intensidad de la carga, y las caracteristicas de exposicion al fuego de esta misma.

Factores que afectan el comportamiento al fuego de elementos estructurales de HAR pueden ser clasificados en tres categorias: Caracteristicas del fuego, caracteristicas del material y caracteristicas estructurales. (España, 2005)

3.1 Caracteristicas del fuego

La alta tase de aumento de temperatura puede llevar a la desfragmentacion de elementos estructurales. En algunas pruebas de fuego, llevados bajo fuegos de hidrocarburos, la desfragmentacion del hormigon comenzo dentro de los primeros minutos de exposicion al fuego. Temperaturas logradas del fuego de hidrocarburos son alrededor de 815 °C en los primeros 3 minutos de exposicion al fuego, contra los 490°C en fuegos tipicos de la ASTM E-119. (Sánchez, 2007)

Muchas de los actuales provisiones contra el fuego estan contenidos en codigos basados en (Standart ASTM E-119 o similar) escenarios de fuego que representan a fuegos tipicos en edificios. Estos incendios, referidos a incendios de hidrocarburos, estan representados por el incendio Standart ASTM E-1529, que son mucho más severos (que incendios de edificios). En la figura siguiente la curva tiempo-temperatura de dos pruebas estandar y un tipico incendio de edificio llevado en laboratorio. Por lo visto en la figura, especial atencion deberia darse a las tecnicas de mitigación de desfragmentación cuando los elementos estructurales de HAR son usados en escenarios donde el incendio de hidrocarburos podria resultar.

Curva tiempo-temperatura para dos pruebas estándar y un edificio tipico.

(Vértice, 2010)

3.2 Caracteristicas del material

Similar a otros materiales the termo-fisica y las propiedades mecanicas del hormigon cambian dentro de un rango de temperatura asociado a incendios de edificios. Esta variacion de las propiedades a temperaturas elevadas es mas pronunciada para las propiedades mecanicas, las cuales estan afectadas por el la resistencia, el contenido de humedad, densidad, tasa de calentamiento, cantidad de humo de silice y la porosidad. Los siguientes factores tienen influencia significativa en el comportamiento del fuego del HAR.

3.2.1 Resistencia del hormigónMientras mas alto es la resistencia o tiene una baja permeabilidad, mayor será la probabilidad de la desfragmentación del concreto. La perdida de la resistencia con la temperatura is mayor para HAR que para HRN. Una comparacion de la variacion de la resistencia para HAR y HRN se muestra en la siguiente figura. (3.3 & Concrete, 2004)

Hormigon de resitencia mayor a 70 MPa son más susceptibles a la desfragmentación y podria resultar en una baja resistencia al fuego.

3.2.2 Humo de siliceBasados en pruebas de resistencia al fuego, mientras para columnas HRN (resistencia del hormigon alrededor de 40 MPa) fue obtenido una resistencia al fuego de alrededor de 6 h, para columnas HAR (resistencia del hormigon alrededor de 114Mpa), con similar confinamiento, fue obtenido una resistencia al fuego de alrededor de 4 h. (4.3 & Concrete, 2008)

3.2.3 Contenido de humedad del concretoEl contenido de humedad, expresado en terminos de la humedad relativa (HR), influye en la cantidad de la desfragmentación. Un mayor nivel de HR lleva a una mayor desfragmentacion. Pruebas han mostrado que ocurre una significativa desfragmentacion cuando la HR es mayor que 80%. El tiempo requerido para lograr un aceptable nivel de HR (debajo del 75%) en elementos estructurales de HAR es mas alto que el requerido para HRN, y esto debido por la baja permeabilidad del HAR. (Caldarone, 2008)

3.2.4 Densidad del concretoEl efecto de la densidad del concreto fue estudiado por medio de pruebas de fuego en densidad normal y peso ligero en bloques de HAR. Mayor cantidad de desfragmentacion fue encontrado cuando fueron usados agregados de peso liviano. Esto es debidoa a que los agregados de peso ligero contienen mayor cantidad de humedad libre, las cuales generan mayor presion de vapor bajo la exposicion al fuego. (Li & Leung, 2009)

3.2.5 Refuerzo de FibrasEstudios mostraron que la adicion de fibras de polipropileno minimiza la desfragmentacion en miembros de HAR bajo condiciones de incendio.

3.2.6 Tipo de agregadosDe los dos agregados usados comúnmente, los agregados de carbonato (predominantemente caliza) proveen mayor resistencia al fuego y mejor resistencia a la desfragmentación en

hormigones que los que hacen los agregados de silicio (predominan el cuarzo).

3.3 Características estructurales

El comportamiento estructural del concreto bajo las condiciones de incendio puede ser calculado de varias pruebas de resistencia al fuego en columnas de hormigón armado (HA). La figura siguiente muestra el comportamiento estructural típico de una columna de HAR comparado a una columna de HRN. (Mindess, 2014)

4 Implicaciones en el diseño

El hormigón de alta resistencia (HAR) es un material con un alto rendimiento que ofrece un número de ventajas. No hay reglas específicas en los codigos para el diseño de resistencia al fuego de elementos estructurales de HAR. Con lo ilustrado anteriormente, debe considerarse en el diseño de la mezcla y en las etapas del diseño estructural para un buen comportamiento al fuego del HAR. (Purkiss, 2007)

5 Resumen

El Hormigon de Alta Resistencia (HAR) es un material con un alto rendimiento y ofrece un numero de beneficioes sobre el Hormigon de Resitencia Normal (HRN). Sin embargo, hay una preocupacion en al desfragmentacion y bajo rendimiento al fuego en el HAR (comparado con el HRN). Las caracteristicas del incendio, propiedades de la mezcla del hormigon y caracteristicas del diseño estructural tienen una influencia el el comportamiento ante el fuego de las columnas de HAR.

Referencias

1. 3.3, Fédération internationale du béton. Task Group, & Concrete, International Federation for Structural. (2004). Environmental Design: State-of-art Report: International Federation for Structural Concrete (fib).

2. 4.3, Fédération internationale du béton. Task Group, & Concrete, International Federation for Structural. (2008). Fire Design of Concrete Structures: Structural Behaviour and Assessment : State-of-art Report: International Federation for Structural Concrete.

3. Caldarone, M.A. (2008). High-Strength Concrete: A Practical Guide: Taylor & Francis.

4. Di Capua, D., & l'Enginyeria, Universitat Politècnica de Catalunya. Departament de Resistència de Materials i Estructures a. (2009). Análisis de estructuras de hormigón armado expuestas al fuego.

5. Draper, J.C.M., Barcelona, Universidad de, & Folch, Fundació. (2003). Atlas de asociaciones minerales en lámina delgada: Universitat de Barcelona.

6. España. (2005). Elementos de la construcción: La Ley-Actualidad.

7. Li, Z., & Leung, C. (2009). Structural Renovation in Concrete: Taylor & Francis.

8. Mindess, S. (2014). Developments in the Formulation and Reinforcement of Concrete: Elsevier Science.

9. Purkiss, J. (2007). Fire Safety Engineering Design of Structures, Second Edition: Taylor & Francis.

10.Sánchez, E.M. (2007). Construcción de estructuras de hormigón armado: edificación: Delta.

11.Vértice, Equipo. (2010). Prevención de incendios: Publicaciones Vértice, S.L.