Comportamiento frente al fuego de sistemas de forja do colaborante de acero
Investigación numérica del método de cálculo simpli ficado
Dic. 2012
2Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
• Objetivos del estudio paramétrico• Propiedades del estudio paramétrico
– Tamaño de red del forjado– Niveles de carga– Condiciones de unión ente forjado y columnas de acero– Grado de resistencia al fuego: R30, R60, R90 y R120
• Análisis por elementos finitos– Modelo numérico del panel de forjado– Propiedades termo-mecánicas de materiales empleados en AE F
• Validación del modelo numérico– Análisis térmicos– Análisis estructurales
• Efecto de continuidad en el límite del panel• Resultados del estudio paramétrico
– Flecha del forjado– Capacidad de elongación de las barras de armadura
• Conclusión
Contenido de la presentación
3Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Objetivos del estudio paramétrico Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
• Antecedentes– Ensayos FRACOF (Test 1) y COSSFIRE (Test 2)de fuego
estándar a gran escala• Excelente comportamiento frente al fuego de los
sistemas de forjado colaborante (con efecto tensil demembrana)
• Máx θθθθ del acero ≈≈≈≈ 1000 °C, duración del fuego >>>> 120 minDetalles de construcción en Francia
• Flecha ≈≈≈≈ 450 mm– Ensayo FICEB (test 3) de fuego natural a gran escala con
vigas alveolares.• Objetivo
– Comprobación del método de cálculo simplificado entodo su ámbito de aplicación total (usando modelos decálculo avanzados)
• Límite de flecha del forjado• Elongación del acero de armadura
4Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
6 m x 6 m 6 m x 9 m 9 m x 9 m 6 m x 12 m 9 m x 12 m
Vigas principales
Vigas secundarias protegidas
Vigas intermedias desprotegidas
7,5 m x 15 m 9 m x 15 m
• Tamaño de red del forjado
Propiedades del estudio paramétrico (1/3)Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
Combinación de carga según EC0 en situación de fueg o en edificios de oficinas:G (Carga muerta) + 0,5 Q (Carga aplicada)
G= Peso propio + 1,25 kN/m² Q= 2,5 & 5 kN/m²
• Niveles de carga
5Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
• Condiciones de unión ente el forjado y las columnas de acero
Propiedades del estudio paramétrico (2/3)Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
Panel de forjado
Panel de forjado
Columna
Columna
Con unión mecánica entre forjado y columnas
Sin unión mecánica entre forjado y columnas
6Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
• Grado de resistencia al fuego: R30, R60, R90 y R120
Propiedades del estudio paramétrico (3/3)Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Tem
pe
ratu
re [
°C]
Time [min]
R30
R120R90
R60
Calentamiento de las vigas de contorno (Máx.
550 C)
7Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Modelo de elementos finitos
• Modelo híbrido basado en varios tipos de elementos finitos con código computacional ANSYS
Beam24 : viga de acero, cubierta de acero, y nervadura de hormigón
PIPE16 (elemento uniaxial 6 GL): conexión entre viga y forjado de hormigón
BEAM24 : columna de acero
SHELL91 ( multicapa 6 GL): parte sólida de forjado de hormigón
Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
8Numerical parametric investigation of simple design method
Elemento BEAM
Elemento SHELL
Modelo de elementos finitosObjetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
• Modelo híbrido basado en varios tipos de elementos finitos con código computacional SAFIR
9Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Propiedades del panel de forjado
• Vigas S235• Cubierta de acero trapezoidal COFRAPLUS60 (0,75 mm d e
espesor) • Hormigón de peso normal C30/37• Malla de armadura S500• Posición media de la malla (desde la parte superior ) = 45 mm
Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
58 m
m 101mm
107 mm
62 mm
120 mm (R30)130 mm (R60)140 mm (R90)150 mm (R120)
10Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Propiedades termo-mecánicas (1/2)
• Propiedades termo-mecánicas del acero:
– Propiedades termo-mecánicas del EC4-1.2– Masa unitaria independiente de la temperatura ( ρa = 7850 kg/m 3)– Relaciones tensión-deformación:
Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
Str
ess
[MP
a]
Strain [%]
20 °C
100 °C
200 °C
300 °C
400 °C
500 °C
600 °C
700 °C
800 °C
900 °C
1000 °C
1100 °C
1200 °C
11Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Propiedades termo-mecánicas (2/2)
• Propiedades termo-mecánicas del hormigón:
– Propiedades termo-mecánicas del EC4-1.2– Masa unitaria en función de la temperatura según EC 4-1.2– Criterio de fluencia de Drucker-Prager– Factores de reducción por compresión de EC4-1.2:
Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
0 200 400 600 800 1000 1200
Temperature [ C]
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
12Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Validación del modelo numérico de ANSYS vs. Test 1 (1/2)
• Comparación con el ensayo frente al fuego (análisis de transferencia de calor)
Vigas de acero desprotegidas Vigas secundarias protegidas
Vigas principales protegidas Forjado colaborante
ABC
ABC
ABC
Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo
numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
FB
AC
D
E
13Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Validación del modelo numérico de ANSYS vs. Test 1 (2/2)
• Comparación con el ensayo frente al fuego (flecha)
0
100
200
300
400
500
0 15 30 45 60 75 90 105 120Time (min)
Dis
plac
emen
t (m
m) Mid-span of
unprotected central
secondary beamsMid-span of
protected edge secondary beams
Mid-span of protected primary beams
Central part of the floor
Test Simulation
Curva deformada simulada del forjado
tras el ensayo
Comparación de la flecha (forjado y vigas)
Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo
numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
14Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Vigas de acero desprotegidas
Forjado Colaborante
ABC
FB
AC
D
E
Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo
numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
Validación del modelo numérico de SAFIR vs. Test 1 (1/2)
• Comparación con el ensayo frente al fuego (análisis de transferencia de calor)
15Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Tensiones en los extremos del forjado simulado
Comparison of the deflection (slab and beams)
Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo
numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
• Comparación con el ensayo frente al fuego (flecha)
Validación del modelo numérico de SAFIR vs. Test 1 (2/2)
16Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Vigas de acero desprotegidas
Forjado colaborante
ABC
FB
AC
D
E
Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo
numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
Validación del modelo numérico de SAFIR vs. Test 2 (1/2)
• Comparación con el ensayo frente al fuego (análisis de transferencia de calor)
17Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Tensiones en el extremo del forjado simulado
Comparación de la flecha (forjado y vigas)
Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo
numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
• Comparación con el ensayo frente al fuego (flecha)
Validación del modelo numérico de SAFIR vs. Test 2 (2/2)
18Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Vigas de acero desprotegidas
Forjado Colaborante
Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo
numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
Validación del modelo numérico de SAFIR vs. Test 3 (1/3)
• Comparación con el ensayo frente al fuego (análisis de transferencia de calor)
19Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
• Modelo híbrido para tener en cuenta la situación tr ás el pandeo del alma como elemento BEAM
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 200 400 600 800 1 000 1 200
Red
uctio
n fa
ctor
s
Temperature ( C)
kEa,θ
kap,θ
kay,θ
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 200 400 600 800 1 000 1 200
Red
uctio
n fa
ctor
s (x
1E
-3)
Temperature ( C)
kEa,θ
kap,θ
kay,θ
Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo
numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
Validación del modelo numérico de SAFIR vs. Test 3 (2/3)
20Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Tensiones en el extremo del forjado simulado
Comparación de la flecha
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0F0
F0
F0 F0
F0
F0F0
F0
F0
F0F0
F0
F0 F0
F0
F0F0
F0
F0 F0
F0
F0F0
F0
F0
F0F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo
numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
Validación del modelo numérico de SAFIR vs. Test 3 (3/3)
• Comparación con el ensayo frente al fuego (flecha)
21Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Efecto de las condiciones de contorno
CORNER
CORNER
9 m
9 m
9 m 9 m
S2S1
S3 S4
Condiciones restrictivas
S2S1
S3 S4
• Conclusión– Predicción de una flecha más importante en la red d e la
esquina, con 2 bordes continuos, más que en otras 3 redes con 3 ó 4 bordes continuos.
Red estructural de un edificio real Modelo ANSYS
Objetivos
Propiedades del
estudio paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio paramétrico
Conclusión
22Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Propiedades del estudio paramétrico (1/4)
Uns
afe
Safe
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
SD
M li
mit
[mm
]
Advanced numerical model [mm]
R 30 R 60 R 90 R 120
Con unión mecánica entre forjado y columnas en cálculos avanzados
• Comparación de la flecha de AEF con la flecha máxim a admisible según el MCS (método de cálculo simplific ado)
Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
23Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Propiedades del estudio paramétrico (2/4)
Sin unión mecánica entre forjado y columnas en cálculos avanzados
• Comparación de la flecha de AEF con la flecha máxim a admisible según el MCS (método de cálculo simplific ado)
Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
SD
M li
mit
[mm
]
Advanced numerical model [mm]
R 30 R 60 R 90 R 120
Uns
afe
Safe
10%
24Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Propiedades del estudio paramétrico (3/4)
• Comparación del tiempo en el que la flecha de AEF a lcanza la luz 30 con la resistencia al fuego según el MCS (mét odo de cálculo simplificado)
Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
1
2
3
0,5 2,5 4,5 6,5 8,5 10,5 12,5 14,5
R 30
R 60
R 90
R 120
9m x 9m6m x 6m 6m x 9m 6m x 12m 9m x 12m
t Spa
n/30
/ t F
ire R
esis
tanc
e
9m x 15m7.5m x 15m
• Conclusión– No se alcanza el criterio de luz 30 en AEF en el tiem po de
resistencia frente el fuego según la predicción del MCS
25Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
0%
1%
2%
3%
4%
5%
0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5
R 30 R 60 R 90 R 120
9m x 12m6m x 12m9m x 9m6m x 9m6m x 6m 7.5m x 15m 9m x 15m
Def
orm
ació
n m
ecán
ica
máx
. del
ace
ro d
e ar
mad
ura
Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
Propiedades del estudio paramétrico (4/4)
• Capacidad de elongación de las barras de armadura
• Conclusión– Elongación del acero de armadura <<<< 5 % = capacidad mínima
de elongación admisible según EC4-1.2.
26Dic. 2012 Investigación numérica del método de cálculo simplificado
Objetivos
Propiedades del
estudio
paramétrico
Análisis por
elementos finitos
Validación del
modelo numérico
Efecto de las
condiciones de
contorno
Resultados del
estudio
paramétrico
Conclusión
Conclusión
• El método de cálculo simplificado - MCS resulta segu ro en vista de los resultados del cálculo avanzado
• Con respecto a la elongación de la malla de acero d e armadura, por regla general permanece por debajo de l 5 %.
• Las uniones mecánicas entre el forjado y las column as pueden reducir la flecha de un sistema de forjado c olaborante en una situación de incendio, pero no son necesaria s como detalle de construcción.
• El MCS es capaz de predecir con seguridad el comportamiento estructural del forjado colaborante de acero y hormigón sometido a un fuego estándar.