Resistencia al fuego de las estructuras metálicas

Departament de Resistència de Materials i

Estructures a l’Enginyeria CONSTRUMAT 2017Barcelona, 25 de mayo 2017

Resistencia al fuego de las estructuras metálicas.

Pinturas intumescentes

Frederic Marimon

Ignacio González

Departamento de Resistencia de Materiales y Estructuras en la Ingeniería

Albert Jiménez



1. COMPORTAMIENTO FRENTE AL FUEGO

2. PINTURAS INTUMESCENTES

3. ENSAYOS EXPERIMENTALES - UPC

4. MODELO DE CÁLCULO. NORMAS Y CÓDIGOS

5. EJEMPLOS

6. CONCLUSIONES







5. EJEMPLOS

6. CONCLUSIONES



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)

Gráfico tensión (N/mm2) - deformación (%) en funció de la temperatura para el acero S275

PROPIEDADES MECANICAS DEL ACERO AFECTADAS POR LA TEMPERATURA







7

R15



PANDEO POR FLEXIÓNEN PILARES

VUELCO LATERAL EN VIGAS ABOLLADURA EN LAS PLACAS

Tensión crítica elàstica de abolladura

Clasiificación de las secciones

Momento crítico elàstico

Disminución de la carga crítica elástica

Aumento de la esbeltez

(≈1,2)



CASO A IPE 600 sin protección CASO B IPE 600 con una protección de

mortero de vermiculita de 20 mm

RESPUESTA TÉRMICA del perfil IPE 600 frente al fuego normalizado ISO 834

9



PLACAS ENSAMBLADAS MORTEROS PROYECTADOS PINTURAS INTUMESCENTES







5. EJEMPLOS

6. CONCLUSIONES



La pintura intumescente

Degradación de la capa superficial de residuos carbonosos(char degradation

Formación de una capa de residuos carbonosos (char formation)

Intumescencia (intumescence)Los agentes de la pintura generan gases. Fase exotérmica

Fusión (melting)Fase endotérmica



Aplicaciones de las pinturas intumescentes



Protocolo de aplicación y control

Proyecto europeo FP7- SteelProst (2013-15)

http://cordis.europa.eu/result/rcn/57322_en.html







5. EJEMPLOS

6. CONCLUSIONES



Proyecto Final de Carrera - E.T.S Ingeniería Industrial de Barcelona – UPC

“CARACTERITZACIÓ DEL COMPORTAMENT TERMOMECÀNIC DE LES PINTURES INTUMESCENTS”

Estudiantes

Guillermo Abril y Mario Tortosa (2012)

Directores

Frederic Marimon - ETSEIB

Ana Lacasta - Laboratori del Foc - EPSEB

Soporte de empresas

Euroquímica

Laboratorio Applus

https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/16607/Mem%C3%B2ria_PFC.pdf?sequence=1&isAllowed=y



Campaña experimental UPC

Diseño de experimentos para la obtención de la conductividad térmica de la pintura λ [W/(m·K)] según:

• 3 espesores iniciales dp [mm]: 600, 1000 y 1200 mm

• 2 factores de sección de la placa de acero A/V [m-1]: espesores de acero 6 y 10 mm

• 3 rampas variando la velocidad de calentamiento [ºC/min]



Dispositivo especial de ensayo UPC



Projecte_Albert.mp4

Projecte_Albert.mp4



Resultados UPC

Obtención de la conductividad térmica de la pintura λ [W/(m·K)] según su espesor inicial dp [mm], el factor

de sección del acero A/V [m-1] y la velocidad de calentamiento [º/min]

dp= 600 mm dp= 1000 mm dp = 1200 mm

CONCLUSIONES

1) La conductividad térmica de la pintura depende del espesor inicial de la misma y el factor de sección de la placa de acero

2) No se observaron diferencias significativas respecto a la velocidad de calentamiento, aunque éstas eran bajas y no resulta concluyente







5. EJEMPLOS

6. CONCLUSIONES



Ensayos según UNE-EN 13381-8 (+ETAG 018)

UNE-EN 13381-8:2015

Métodos de ensayo para determinar la contribución a la resistencia al fuego de los elementos estructurales. Parte 8: Protección reactiva aplicada a los elementos de acero.

BASES GENERALS

• Ensayo de diferentes tipos de sección (H, I, tubulares)

• Ensayo de diferentes espesores de pintura

• Ensayo de diferentes imprimaciones (si es el caso)

• Ensayo de diferentes substratos (aceros especiales, galvanizados, si es el caso)

• Elementos en posición vertical de diferente longitud. Columnas cortas y largas.

• Elementos en posición horizontal. Vigas descargadas y con carga.

CORRECCIÓN DE LOS RESULTADOS

• Estadísticos

• Corrección mediante el factor de “pegabilidad”.Stickability

Ratio corrección = Pilares altos / Pilares cortos

Ratio corrección = Vigas cargadas / Vigas descargadas



UNE-EN 13381-8

?

ISO 834

l Conductividad térmica variable

[W/(m·K)]

[ºC]



Tablas y programas de ordenador

EN 13381-8

SD198 (AppendixB15)/BS 476:Part 21

R60



DESCARGA GRATUITA EN







5. EJEMPLOS

6. CONCLUSIONES





Dominios de comprobación

Tiempo: tfi.d > tfi.requ

Resistencia: Rfi.d.t > Efi.d.t

Temperatura: cr.d > d

• Métodos avanzados de

análisis:

a) Problema térmico

b) Problema mecánico

• Comprobación con los

modelos simplificados

UNE-EN 1993-1-2

• Método exclusivo para

la estructura metálica.

De gran tradición de

uso en la tecnología de

las pinturas

intumescentes



5.1 Celosia Warren con perfiles tubulares - R30

G _Carga permanente 0,72 kN/m2

S _ Sobrecarga de nieve 0,40 kN/m2 1 = 0,2 2 = 0 h≤ 1.000 m

W _ Sobrecarga de vientoZona C qb=0,52 kN/m2

Categoría IV ce=1,56cp según zona cubierta

1 = 0,5 2 = 0

Luz de la celosía L= 26 m

Canto de la celosía H= 1,5 m

Cordón superior SHS 200x8 mm S355JR

Cordón inferior SHS 200x8 mm S355JR

Diagonales SHS 100x6 mm S355JR

Requisito RSCIEI Riesgo Alto. R30 Estudio R15, R30 y R45

ACCIONES: CÓDIGO TÉCNICO DE EDIFICACIÓN CTE-DB SE AE

VERIFICACIÓN: RSCIEI Eurocódigo 3 UNE-EN 1993 Parte 1.2



W_ Sobrecarga de viento Presiones (+) Succiones (-)



cr,y

cr,z

SHS 200x8 (tramo central)

Pandeo en el plano L 2.861 mm distancia entre nudos

Pandeo fuera del plano L 5.722

LON

mm distancia entre puntos de arriost

GITUDES DE PANDEO

Cordón superior

cr,y

cr,z

SHS 200x8 (tramo central)

Pandeo en el plano L 2.861 mm distancia entre nudos

Pandeo fuera del plano L 11.445 m

ramien

m distancia entre puntos de arriostra

to

Cordón inferior

miento

z

y

z

y



Agotamiento porcentual ELU [%] de los elementos, incluida inestabilidad (1), a temperatura ambiente 20º y con los coeficiente de mayoración de las cargas correspondientes.

Valor máximo del agotamiento 65% en el cordón superior

(1) DIAMONDS v.2015, según UNE-EN 1993 Parte 1.1 Método A

VERIFICACIÓN A TEMPERATURA AMBIENTE 20º

Agotamiento porcentual ELU [%]



RESOLUCIÓN DEL PROBLEMA MECÁNICO EN SITUACIÓN DE INCENDIO

OBTENCIÓN DE LA TEMPERATURA CRÍTICA,

TRAMO CENTRAL SHS 200X8 (S275JR) DEL CORDÓN SUPERIOR

cr.

La combinación de cargas más desfavorable G+0,2·

Cálculo de la carga crítica elástica de Euler en situació

fi,Ed

y, fi,Ed

S

N = (compresión)

M = (para efectuar un primer cálculo manual se supone despreciable el efecto del momento

- 307 kN

2,4 flectorkN·m

n de incendio t=0 s (20º)

2

2

2 42 Ny 3mm

cr,y 2 2

cr,y

22 Ny mm

cr,z 2

cr,z

210.000 35.699.168mmE I Según eje de flexión y - y N = = = 9.029 10 N

L (2.861mm)

210.000 35.699.16E I Según eje de flexión z - z N = =

L

curva de pand

Cálculo de la esbeltez relativa en situación de incendio t=0 s (20º)

2

4

3

2

2 Ny,20º mm

3

cr,y

y

8mm= 2.257 10 N

(5.722mm)

5924mm 355A f Según eje de flexión y - y = = 0,48

N 9.029 10 N

l eo

UNE-EN 1993-1.2

curva de pandeo

UNE-EN 1993-1.2

min2

2 Ny,20º mm

3

cr,z

y

zz

0,76

0,515924mm 355A f

Según eje de flexión z - z = = 0,97 0,51N 2.257 10 N

l

5.1.1 EL PROBLEMA MECÁNICO; OBTENCIÓN cr



2

2 Nfi,Rd,t=0 y,20º mmmin

Capacidad resistente en situación de incendio t=0s, con pandeo según el eje mas desfavorable z-z

N = A f 0,51 5924mm 355 1.072kN

Vamos a efectuar iteraciones desde 20º hasta la te

cr

crfi,Rd fi,Ed

y,

y, y, y, y E, fi,

y,

E,

fi,Rd

E,

zz, z

mperatura crítica, ,que es la situación final donde

se igualan los esfuerzos resistentes y acción:

k(1

Situación final N N

kk f k f k N =

k k)

l l

2

2

2

2

2

y,

N

mm

N

mm

N

mm

N

mm

N

mm

minA f

20º 1,00 355 1,00 1,00 0,97 0,51 1.068 kN

400º 1,00 355 0,70 1,16 0,42 882 kN

500º 0,78 277 0,60 1,10 0,44 727 kN

600º 0,47 167 0,

1,20

1,14

1,231 1,19 0,40 400 kN

640º 0,37 131 0

3

1,2 ,4

2

cr

N

mm

fi,Rd fi,Ed

1,21 0,40 310 kN

641º 0,37 131 0,24 1,21 0,396 307 kN

Situ

2

ación fi

5

1,25

nal N 307kN N 307kN

641º

y,

E,

1 Posible“truco”

k1 / 0,85 1,20

k



641º 649º 645º 676º

750º866º

770º750º

782º750º

816º750º

905º750º

Resultado del problema mecánico:

Temperaturas críticas, cr , para cada barra individual

UNIFICACIÓN DE RESULTADOS PARA EL DISEÑO

Cordón superior e inferior SHS 200x8 mm ………… cr = 641º

Diagonales SHS 100x6 ………………..……………….………… cr = 727º





5.1.2 EL PROBLEMA TÉRMICO

Resolución numérica de la ecuación

diferencial con l variable

lvariable



Recubrimiento unificado de todos los

tubos de la celosía con un espesor mínimo

de 350 mm para cumplir el requisito R30

Método θcr θcr =500C Método θcr θcr =500C Método θcr θcr =500C

128 m-1 641 ºC

128 m-1 750 ºC

SHS 100x6 (diagonales) 173 m-1 727 ºC No necesario 213 μm325 μm

(a 650C)745 μm

707 μm

(a 650°C)2.407 μm

Espesor recubrimento DFT (μm)

532 μm 1.920 μmSHS 200x8 (cordón superior)

SHS 200x8 (cordón inferior)

R15 R30 R45

No necesario 190 μm 265 μm 534 μm

Perfil A/V (m-1)Temperatura

crítica θcr



5.2 Viga IPE450 con vuelco lateral – R60

G _Carga permanente 0,71 kN/m2+ vigas secundarias 2xHEA280

S _ Sobrecarga de nieve 0,50 kN/m2 1 = 0,2 2 = 0 h≤ 1.000 m

W _ Sobrecarga de viento No hay posibilidad de inversión

Luz de la viga IPE450 L= 10 m

Posición vigas secundarias a=L/3= 3.333 mm

Cargas puntuales Ffi,Ed= 19,56 kN

Peso propio IPE450 G = 0,776 kN/m

Acero S275JR

Requisito R60 Estudio R15, R30, R60 y R90

ACCIONES: CÓDIGO TÉCNICO DE EDIFICACIÓN CTE-DB SE AE

VERIFICACIÓN: Eurocódigo 3 UNE-EN 1993 Parte 1.2



La viga primaria IPE450, de luz L = 10 m, está simplemente apoyada en los pilares de hormigón y recibe las cargas puntuales procedentes de les vigas secundarias en las posiciones C i D situadas a=L/3.

Los apoyos, A y B, i las puntos de aplicación de las cargas, C y D, se pueden considerar como apoyos en horquilla de cara al fenómeno de

inestabilidad por vuelco lateral; x= 0 i v=0.

Momento flector debido a las cargas puntuales

Momento flector debido al peso propio del perfil IPE450 77,6 kg/m

Finalmente, el momento flector máximo en el centro de la viga



5.2.1 EL PROBLEMA MECÁNICO; OBTENCIÓN cr

La inestabilidad interviene en la disminución del módulo de elasticidad del acero.

Así, hay que encontrar la temperatura crítica per iteraciones, imponiendo que el momento

resistente sea igual al valo

22cr,LT tz w

cr 1 2

zcr.LT

1

r del momento acción.

En primer lugar, se calcula el momento crítico elastico resistente en situación de incendio t=0s (20º)

Tramo central C-D; el coeficiente C =1,

L G IE

0

I IM C

IL

curva de pandeo

U

2

z

3 3 2pl,y y

LT6

cr

LT LT

fi,Rd LT

NE-EN 1

pl,y

993-1.2

y

Coeficiente reductor

794 kN mE I

W f 1702 10 mm 275 N / mm0,77

M 794 10 N mm

por

M ·W

vuelco lateral

0,77 0,59

f 0,

l

l

cr

3

y,

23

Efectuamos iteraciones desde 20º hasta la temperatura crítica, ,que es la situación final donde

se igualan los esfuerzos resistentes y

N27

ac

5mm59 1702 1

ción:

Situa

0 mm 274kN

ción fina

m1 0

M

,

l

crfi,Rd y,fi,EdM



2

2

2

y,LT, LTy, y, y, y E, fi,LT y,fi,Rd fi,LT y,

E,

N

mm

N

y

mm

,

E

N

mm

pl

,

,y

kk f k f k M = f

k

20º 1,00 275 1,00 1,00 0,77 0,59 274 kN m

500º 0,782 2

k(1)

k

1,15 0,601 0,88 0,53 1914

1,24

4 kN m

615º 0,434 119 0,283

W

l l

2

2

cr

N

mm

N

mm

y,fi,Rd y,fi,Ed

1,26

1,27

0,95 0,49 100 kN m

650º 0,350 96 0,220 0,97 0,484 79 kN m

657º 0,333 92 0,207 0,99 0,480 75 kN m

Situación final M 75 kN m M 75 kN m

657º





5.2.2 EL PROBLEMA TÉRMICO

Resolución numérica de la ecuación

diferencial con l variable

lvariable



Método

θcr500C

Método

θcr500C

Método

θcr500C

Método

θcr500C

IPE450 - S275JR 163 m-1 635C

R90

2537 μmEnsayo no

disponible1.930 μm

No

necesario115 μm 336 μm 579 μm 831 μm

Perfil A/V(m-1)Temperatura

crítica θcr

R15 R30 R60

Recubrimiento con un espesor mínimo

de 850 mm para cumplir el requisito R60







5. EJEMPLOS

6. CONCLUSIONES



1. Las pinturas intumescentes tienen un comportamiento impredecible y errático. No tienen un modelo definido de cálculo y no se puede optimizar su diseño.

MODELO DE COMPORTAMIENTO TÉRMICO MEDIANTE EL MÉTODO l VARIABLE O

REGRESIÓN LINEAL, AMBOS CONTEMPLADOS UNE-EN 13381-4

2. Las pinturas intumescentes sólo permiten la protección de las piezas que trabajan a flexión sin inestabilidad. No está contemplados los fenómenos de inestabilidad estructural: el pandeo en pilares o el vuelco lateral en vigas.

CÁLCULO DE LA TEMPERATURA CRÍTICA EN SITUACIONES DE INESTABILIDAD: PANDEO Y VUELCO LATERAL

3. Sólo existen unas tablas “misteriosas” que no proporcionan un modelo claro de comportamiento y las condiciones que han sido elaboradas

LOS FABRICANTES PROPORCIONAN TABLAS COMPLETAS Y/O PROGRAMAS DE ORDENADOR ADAPTADOS

4. Sólo permiten justificar requisitos bajos, máximo R15 ó R30

JUSTIFICACIÓN SIN PROBLEMAS DE R60 EN LA MAYORÍA DE SITUACIONES



……………



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

Muchas gracias por su atención

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