8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 1/63
COMPORTAMIENTO DE LASESTRUCTURAS DURANTE UN
INCENDIO
JOSE L.TORERO
BRE CENTRE FOR FIRE SAFETY
ENGINEERINGTHE UNIVERSITY OF EDINBURGHEDINBURGH, EH9 3JLUNITED KINGDOM
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 2/63
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 3/63
Evolución de un Incendio
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 4/63
El Incendio Desarrollado
Inicialmente un incendiopuede describirse conun modelo de dos zonas
Cuando todo elcompartimiento quedaenvuelto la generación
de calor queda descritapor una sola zona
La transición se llama“Flashover”
En este caso lacapacidad del incendiopara succionar aire
controla la generaciónde calor
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 5/63
Resumen
Durante el periodo de Pre-Flashover
El incendio esta controlado por el consumo decombustible (generación de calor)
Este periodo es importante para Evacuación
Detección, activación de sistemas de
protección
Llegada de los bomberos
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 6/63
Incendio Generalizado
Controlado por la ventilación
Elementos estructurales hechos demateriales inflamables participan en elincendio
Impacto es leve, puesto que el factorlimitante es la ventilación
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 7/63
Incendio Generalizado
Temperaturas dentro del compartimiento
varían en función de la localización y eltiempo
Distribución espacial y temporal:T(x,y,z,t)
Otras propiedades afectan la relación
entre el incendio y la estructura: Concentración de hollín
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 8/63
Condición de Borde
F,r q ′′&
W,r q ′′&
g,r q ′′&S,r q ′′&)TT(hq SgC −=′′&
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 9/63
2
2
SSSxTk
tTCp
∂∂=
∂∂ρEcuación de Energía
0x
SS
x
Tk q
=∂
∂−=′′& Condición de Borde
S,r g,r W,r F,r CS qqqqqq ′′−′′+′′+′′+′′=′′ &&&&&&Donde …
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 10/63
Conclusión
Modelos detallados son demasiado
complejos para problemas de diseño Modelos mas simples son necesarios
Los modelos detallados son necesariosalgunas veces pero por lo generalmodelos mas simples son suficientes
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 11/63
Viga Simple
Time (s)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
V e r t i c a l D e f l e c t i o n ( m m )
-1000
-750
-500
-250
0
Central deflect ion - Parametric HeatingCentral deflect ion - Heat Flux Model
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 12/63
Viga Celular
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 13/63
Time (s)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
V e r t i c a l D e f l e
c t i o n ( m m )
-1000
-750
-500
-250
0
Central deflection - Parametric HeatingCentral deflection - Heat Flux Model
Viga Celular
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 14/63
Simplificaciones
Se asume que una sola temperatura
describe cada espacio Esta temperatura varia en el tiempo pero
no en el espacio: T(t)
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 15/63
Incendios Generalizados
Asume una temperatura homogénea para
el compartimiento Temperatura es una función del factor de
ventilación: A/A0H01/2
Correlaciones
Parametricas C.I.B.
McCaffrey, Quintiere, Harkleroad (MQH)
A0H0
A
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 16/63
Guías de Diseño
Mecanismo para estandarizar el trabajo deldiseñador
Un intento de generar una metodología
estandarizada Capitalizan en fenómenos físicos dominantes
para definir criterios de diseño generales
Difícil conseguir “incluir” todos los casos -especialmente en el caso del fuego
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 17/63
Diseño de Estructuras
Guías de Diseño Clásicas
Estandarizan el incendio Evalúan el impacto del incendio en base
a pruebas estandarizadas No introducen efectos ligados a la
geometría del elemento estructural
Calculan la protección térmica enfunción a resultados experimentales
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 18/63
Análisis del Fuego
Metodología básica
Prueba
estandarizada: ASTM-E-119, ISO-834, BS-476 Parte 8, NCh 935
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 19/63
Resistencia al Fuego
0
250
500
750
1000
1250
0 30 60 90 120 150 180time [minutes]
T e m p e r a t u
r e [ o C ]
Fire (BS-476-Part 8)
Temperatura
Critica
Rating
Temperatura
Critica
Nuevo
Rating
Elemento Estructural sin Protección
Elemento Estructural Protegido
T=T0 + 345.log(0.133t+1)
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 20/63
Efecto de la Temperatura
ε
σ
σY
Fractura
Endurecimiento
PlasticoElastico
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 21/63
Temperaturas Criticas
Propiedades decaen con la temperatura
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 22/63
Metodología
Temperatura critica se define en función del uso
Temperaturas criticas se establecen para caras“expuestas” y “no expuestas” al fuego
i.e. Columnas: expuesta:649
o
C, no-expuesta:139
o
C Temperaturas criticas se establecen para
elementos sometidos a “carga” o “sin carga”
i.e. Vigas: carga:426oC, sin-carga:530oC
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 23/63
Protección
Protección se incorpora para mantener
las temperaturas de los elementosestructurales bajo las temperaturascriticas
Metodología de calculo de protección esta
estandarizada de manera estricta
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 24/63
Incendio vs. Curva Estándar
Curva Estándar
Curvas alternativas T vs t existen Son un intento de reproducir mejor las condiciones de
incendio Establecen curvas T vs. t en función de otros parámetros como
la carga térmica, ventilación, etc. Son un intento de reproducir la duración del incendio
Ejemplo: Petterson et al., Eurocodes
Intentos de traducir la Resistencia al FuegoEstándar a condiciones realistas existen La gran mayoría son en base a cargas térmicas
comparables
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 25/63
Incendio vs. Estándar
T
t
Estándar
Aumento deCarga Térmica
Aumento de la
Ventilación
CurvasCurvasCurvasCurvas ParamParamParamParaméééétricastricastricastricas
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 26/63
Curvas Paramétricas
Petterson et al.
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 27/63
Objetivos
Obtener un estimado de la resistencia
del “elemento estructural” a un incendio Estimado debe hacerse en base a tiempo
puesto que la evacuación y el incendio se
describen en función del tiempo
Curvas alternativas
Tratan de buscar una equivalencia entre unincendio real y la curva estándar
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 28/63
Cargas Térmicas Comparables
Se hace la hipótesis que el flujo de calordepende solamente de la diferencia detemperaturas entre le gas y el elementoestructural
Luego se puede integrar el área bajo lacurva de temperaturas
El procedimiento es fundamentalmenteincorrecto pero puede dar resultadosaproximados
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 29/63
Carga Térmica Total
t (min)
T [oC]
A1
A2
Si: A1=A2
→ Rating teq da unaresistencia de ti
ti?teq
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 30/63
Hipótesis del Incendio Constante
TIME
R E L E A S E
R A T E
1 2 3 4
to tbo
Qtg
iQ&
oQ&
maxQ&
Pre-Flashover
Post-Flashover
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 31/63
C.I.B.
Combustible: Estructuras en madera
Geometría: Quasi-cúbica
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 32/63
Duración del Incendio
Dependiendo de la
temperatura delcompartimiento sepuede obtener una
perdida de masa El consumo total del
combustible
establece el máximotiempo de duracióndel incendio
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 200 400 600 800 1000 1200
Wood cribs
PU cribs
PMMA pools
PMMA pools, Vent-lim.
M a s s L o s s R a t e p e r u i
n t T o t a l A r e a ,
g / m
2 - s
Compartment Ceiling Gas Temperature (oC)
ó
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 33/63
Duración del Incendio
C.I.B.
Consumo de material
combustible
Carga Combustible
Duración del incendio 0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 200 400 600 800 1000 1200
Wood cribs
PU cribs
PMMA pools
PMMA pools, Vent-lim.
M a s s L
o s s R a t e p e r u i n t T o t a l A r e
a , g / m
2 - s
Compartment Ceiling Gas Temperature (oC)
s.m/kgm 2f ′′&
2f m/kgM ′′
f
f
f m
M
t ′′
′′
= &
P Si l
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 34/63
Propuesta Simple
Temperatura:C.I.B.
tf
Pendiente queda
establecida a través de perdidas (método de
las resistencias)
o 7oC/min (t>60 min)
10oC/min (t<60 min)
L E t t
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 35/63
La Estructura
Broadgate Phase 8
Ensayos de Cardington
R lt d d C di t
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 36/63
Resultados de Cardington
Demuestran que la geometría afecta
drásticamente la resistencia de unaestructura
Expansión Térmica
εT>0
σ=0
∆T>0
εT=0
σ>0
∆T>0
εεεεT=α∆α∆α∆α∆TεT=Desplazamiento Térmico
α=Coeficiente de expansiónTérmica
∆T= Aumento de Temperatura
Añ 2000
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 37/63
Año 2000
Alguna innovación en la normativa
Europea, en especial el Reino Unido Innovación ligada a una mejor definición
de la carga térmica
Innovación ligada a una mejor definicióndel comportamiento estructural
New York
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 38/63
New York,
Septiembre 11,2001
Comportamiento de la estructura
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 39/63
Comportamiento de la estructura
Aplicar el calor a la estructura
Establecer la evolución de la temperaturaen la estructura
Hacer un análisis del comportamiento dela estructura
Lo mas importante es comprender elcomportamiento de la estructura!
Ejemplo: Sistema CompuestoEjemplo: Sistema CompuestoEjemplo: Sistema CompuestoEjemplo: Sistema Compuesto
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 40/63
Ejemplo: Sistema CompuestoEjemplo: Sistema CompuestoEjemplo: Sistema CompuestoEjemplo: Sistema Compuesto
CONCRETO
Acero
Temperatura, T(z)
D
i s t a n c i a , z
AmbienteTemperatura, T
o
AnAnAnAnáááálisis de la Vigalisis de la Vigalisis de la Vigalisis de la Viga
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 41/63
AnAnAnAnáááálisis de la Vigalisis de la Vigalisis de la Vigalisis de la Viga
Viga simplemente apoyada
En libertad para deformarse
Translación y rotación posible
l x
z
∆∆∆∆TTTT Uniforme aplicado a la vigaUniforme aplicado a la vigaUniforme aplicado a la vigaUniforme aplicado a la viga
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 42/63
∆∆∆∆TTTT Uniforme aplicado a la vigaUniforme aplicado a la vigaUniforme aplicado a la vigaUniforme aplicado a la viga
Expansión térmica inducida por el ∆T
T T ∆=ε l
T ε l
Gradiente Uniforme (Gradiente Uniforme (Gradiente Uniforme (Gradiente Uniforme (TTTT ))))
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 43/63
2
2sin
1 φ
φ
φ ε l
l
−= z T ,φ =
φ ε l z
x
Gradiente Uniforme (Gradiente Uniforme (Gradiente Uniforme (Gradiente Uniforme (T TT T ,z ,z ,z ,z ) )) )
Curvatura inducida, φφφφ, por el gradiente
térmico, T,z
Efecto CombinadoEfecto CombinadoEfecto CombinadoEfecto Combinado
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 44/63
z
x
φ ε ε +T
Efecto CombinadoEfecto CombinadoEfecto CombinadoEfecto Combinado
Lleva a grandes deflexiones pero a una
reducción de cargas
Gradiente Uniforme,Gradiente Uniforme,Gradiente Uniforme,Gradiente Uniforme, ∆∆∆∆TTTT
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 45/63
Gradiente Uniforme,Gradiente Uniforme,Gradiente Uniforme,Gradiente Uniforme, ∆∆∆∆T TT T
Compresión
Falla por compresión o pandeo A que temperatura una viga restringida
de acero (σ σσ σ y = 275 MPa) falla?
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 46/63
Modos de Falla
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 47/63
Modos de Falla
Otros Ejemplos
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 48/63
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 49/63
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 50/63
WTC
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 51/63
WTC
Fuego iniciado por los aviones
te>tf
Innovación estructural
te>tS
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 52/63
Ventilación
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 53/63
Ventilación
A~ 3000 m2
A0~ 100 m2
H0~ 3 m
Factor de Ventilación: A/A0H01/2~20
12-18.5 m
~3 m
La Temperatura
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 54/63
La Temperatura
Content fire behavior
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 55/63
Co te t e be a o
El Diseño
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 56/63
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 50 100 150 200 250 300 350 400
T e m p e r
a t u r e , C
Time, min
ISO 834
Maximun WTCbased on Woodand 10 C/min decay
CollapseNorthSouth
Increase with scale and melting plastics
Cálculos Utilizando Modelos CFD
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 57/63
Fire DynamicsSimulator (NIST © 2001)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 1 2 3 4 5
Tiempo [hr]
T e m
p e
r a t u r a
[ C
]
Características del Edificio
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 58/63
La Estructura
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 59/63
•Vigas aligeradas de 900 mm y 18 m de
largo con loza de concreto de 100 mm
Mecanismo de Pandeo
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 60/63
Pisos funcionan
como undiafragma quemantiene las
columnas en susitio
Resultado
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 61/63
ColapsoColapsoColapsoColapso
NoNoNoNo----ColapsoColapsoColapsoColapso
8/16/2019 Comportamiento de Las Estructuras Durante Un Incendio
http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-de-las-estructuras-durante-un-incendio 62/63