Estado del arte y metodología del proyecto de estructuras de acero frente al fuego: aplicación al proyecto de ampliación del Centro Médico Virgen de la Caridad

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ESTADO DEL ARTE Y METODOLOGÍA DEL PROYECTO DE ESTRUCTURAS DE ACERO FRENTE AL FUEGO

APLICACIÓN AL PROYECTO DE AMPLIACIÓN DEL CENTRO MÉDICO VIRGEN DE LA CARIDAD

AUTOR: VÍCTOR GARCÍA RABADÁN DIRIGIDO POR: IAGO GONZÁLEZ QUELLE

Septiembre 2017

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ÍNDICE

LISTA DE FIGURAS ... V LISTA DE TABLAS ... VII NOMENCLATURA ... IX LETRAS MAYÚSCULAS ... IX LETRAS MINÚSCULAS ... X LETRAS GRIEGAS MAYÚSCULAS ... XI LETRAS GRIEGAS MINÚSCULAS ... XI

1. INTRODUCCIÓN ... 1

1.1. ANTECEDENTES ... 1

1.2. MOTIVACIÓN ... 4

1.3. OBJETIVOS ... 5

1.4. ESTRUCTURA DEL PROYECTO ... 5

2. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE UN INCENDIO ... 7

2.1. EL TETRAEDRO DEL FUEGO ... 7

2.2. CLASIFICACIÓN DE UN INCENDIO EN FUNCIÓN DEL TIPO DE COMBUSTIBLE ... 8

2.3. FASES EN EL DESARROLLO DE UN INCENDIO ... 9

2.4. MEDIOS DE PROPAGACIÓN DE UN INCENDIO ... 12

2.5. ENSAYOS CARDINGTON ... 13

3. TIPOLOGÍA DE FUEGOS ESTUDIADA ... 15

3.1. ASPECTOS GENERALES... 15

3.2. FUEGOS COMPLETAMENTE DESARROLLADOS... 17

3.2.1. Curvas nominales ... 17

3.2.2. Curvas paramétricas ... 18

3.3. FUEGOS LOCALIZADOS ... 23

3.3.1. Aspectos a considerar ... 23

3.3.2. Llama no impacta en el techo (Heskestad) ... 24

3.3.3. Llama toca el techo (Hasemi) ... 25

4. CARACTERÍSTICAS DEL FUEGO NATURAL ... 29

4.1. DENSIDAD DE LA CARGA DE FUEGO ... 29

4.2. VELOCIDAD DE LIBERACIÓN DE CALOR ... 31

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5. DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURA EN PERFILES DE ACERO ... 35

5.2. OBTENCIÓN DEL FLUJO DE CALOR NETO ... 35

5.3. ELEMENTOS DE ACERO SIN PROTECCIÓN ... 37

5.4. ELEMENTOS DE ACERO CON PROTECCIÓN ... 39

5.5. CONSIDERACIONES ESPECÍFICAS SOBRE FUEGOS LOCALIZADOS ... 41

6. ANÁLISIS MECÁNICO ... 43

6.2. CÁLCULO DE LA TEMPERATURA CRÍTICA ... 45

6.3. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO ... 45

6.4. CLASE RESISTENTE EN SITUACIÓN DE INCENDIO ... 47

6.5. VERIFICACIONES RESISTENTES ... 48

6.5.1. Elementos sometidos a tracción ... 48

6.5.2. Elementos sometidos a compresión ... 48

6.5.3. Análisis de vigas con secciones transversales 1, 2 ó 3 ... 50

6.5.4. Elementos sometidos a flexocompresión ... 52

6.5.5. Elementos con secciones transversales de Clase 4 ... 53

7. DESCRIPCIÓN PROYECTO AMPLIACIÓN CMVC ... 55

7.1. CONSIDERACIONES PREVIAS ... 55

7.2. SOLUCIÓN ESTRUCTURAL ADOPTADA ... 56

7.3. ESTABILIDAD FRENTE AL FUEGO EXIGIBLE A LA ESTRUCTURA ... 58

8. ANÁLISIS SECTOR INCENDIO DEL CMVC – ZONA DE ESTUDIO ... 63

8.2. PROPIEDADES GEOMÉTRICAS DEL SECTOR DE INCENDIO ... 63

8.3. PROPIEDADES REFERIDAS AL ANÁLISIS TÉRMICO ... 64

8.4. ACCIONES CONSIDERADAS... 65

8.4.1. Aspectos generales ... 65

8.4.2. Peso propio ... 65

8.4.3. Cargas permanentes ... 65

8.4.4. Sobrecargas de uso ... 66

8.5. ESFUERZOS SOBRE LOS ELEMENTOS... 66

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9. RESULTADOS ... 69

9.1. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO ... 69

9.2. RESISTENCIA MÍNIMA FRENTE AL FUEGO EXIGIBLE A LA ESTRUCTURA ... 70

9.3. CONSIDERACIONES PREVIAS AL ANÁLISIS MECÁNICO ... 70

9.3.1. Objetivo ... 70

9.3.2. Esfuerzos perfil HEB-360 ... 71

9.3.3. Perfil IPE-550... 73

9.4. ISO-FUEGOS ... 75

9.4.1. Distribución de temperaturas HEB-360 ... 75

9.4.2. Distribución de temperaturas IPE-550 ... 76

9.5. FUEGOS PARAMÉTRICOS ... 78

9.5.1. Consideraciones previas ... 78

9.6. FUEGOS LOCALIZADOS ... 82

9.6.1. Consideraciones previas ... 82

9.7. RESUMEN DE RESULTADOS ... 94

10.CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS ... 97

10.1.CONCLUSIONES ... 97

10.2.TRABAJOS FUTUROS ... 99

11.BIBLIOGRAFÍA ... 101 ANEJOS

ANEJO1.PLANOS

ANEJO2.ESFUERZOSSOBREESTRUCTURA ANEJO3.EJEMPLOCÁLCULOISO-FUEGOS

ANEJO4.EJEMPLOCÁLCULOFUEGOPARAMÉTRICO ANEJO5.EJEMPLOCÁLCULOFUEGOLOCALIZADO

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1-1. Comparativa del índice de muertes en incendios por millón de habitantes ... 2

Figura 1-2. Enfoque global de la seguridad frente al fuego ... 3

Figura 2-1. Tetraedro del fuego ... 7

Figura 2-2. Fases en el desarrollo de un incendio ... 9

Figura 2-3. Elementos principales de un fuego real ... 10

Figura 2-4. Mecanismos de propagación del fuego ... 12

Figura 2-5. Modelo ensayo Cardington. Simulación incendio ... 13

Figura 2-6. Resultados ensayo Cardington ... 14

Figura 3-1. Curvas nominales – tipos ... 18

Figura 3-2. Representación genérica de curva paramétrica ... 19

Figura 3-3. Fuego localizado, llama no impacta en el techo ... 24

Figura 3-4. Fuego localizado, llama impacta con el techo ... 26

Figura 4-1. Curva tipo velocidad de liberación de calor ... 31

Figura 5-1. Efecto sombra en perfiles abiertos) ... 37

Figura 5-2. Efecto elemento protector sobre temperatura perfil acero ... 39

Figura 5-3. Evolución de la Tª Gas equivalente en función del flujo de calor ... 41

Figura 6-1. Curva tensión deformación acero S-275 en función de la temperatura ... 45

Figura 7-1. Aspecto original CMVC ... 55

Figura 7-2. Aspecto final del CMVC ... 56

Figura 7-3. Proyecto de ampliación CMVC – Vista frontal ... 57

Figura 7-4. Proyecto de ampliación CMVC – Vista posterior ... 57

Figura 7-5. Parámetros para calcular el coeficiente de ventilación... 59

Figura 9-1. Distribución temperatura HEB-360 (ISO-fuego, sin protección) ... 75

Figura 9-2. Distribución temperatura HEB-360 (ISO-fuego, protección 11mm) ... 75

Figura 9-3. Distribución temperatura HEB-360 (ISO-fuego, protección 5mm) ... 76

Figura 9-4. Distribución temperatura IPE--550 (ISO-fuego, sin protección) ... 76

Figura 9-5. Distribución temperatura IPE-550 (ISO-fuego, protección 13mm) ... 77

Figura 9-6. Distribución temperatura IPE-550 (ISO-fuego, protección 8mm) ... 77

Figura 9-7. Distribución temperatura HEB-360 (Fuego paramétrico, sin protección) ... 79

Figura 9-8. Distribución temperatura HEB-360 (Fuego paramétrico, protección 7mm) ... 79

Figura 9-9. Distribución temperatura HEB-360 (Fuego paramétrico, espesor 5mm) ... 80

Figura 9-10. Distribución temperatura IPE-550 (Fuego paramétrico, sin protección) ... 80

Figura 9-11. Distribución temperatura IPE-550 (Fuego paramétrico, protección 7mm) ... 81

Figura 9-12. Distribución temperatura IPE-550 (Fuego paramétrico, espesor 5mm) ... 81

Figura 9-13. Curva de velocidad de liberación del calor ... 82

Figura 9-14. Desarrollo del área del fuego localizado ... 83

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Figura 9-15. Distribución de la altura de llama ... 83

Figura 9-16. Distribución temperatura HEB-360 (Fuego localizado, sin protección, z=0) ... 84

Figura 9-17. Distribución temperatura HEB-360 (Fuego localizado, sin protección, z=0.5) ... 85

Figura 9-24. Distribución temperatura HEB-360 (Fuego localizado, protección 11mm, z=0) ... 89

Figura 9-25. Distribución temperatura HEB-360 (Fuego localizado, protección 10mm, z=0.5) ... 89

Figura 9-26 Distribución temperatura HEB-360 (Fuego localizado, protección 8 mm, z=1) ... 90

Figura 9-28. Distribución temperatura HEB-360 (Fuego localizado, protección 5mm, z=2) ... 91

Figura 9-30. Distribución temperatura HEB-360 (Fuego localizado, protección 5mm, z=0 metros) ... 92

Figura 9-31. Distribución temperatura HEB-360 (Fuego localizado, protección 5mm, z=0.5 metros) .. 92

Figura 9-32. Distribución temperatura HEB-360 (Fuego localizado, sin protección, z=1.06 metros) ... 93

Figura 9-33. Distribución temperatura IPE-550 (Fuego localizado) ... 93

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1-1. Comparativa comportamiento frente al fuego del acero - hormigón ... 4

Tabla 3-1. Enfoque de diseño basado en el método prescriptivo ... 15

Tabla 3-2. Enfoque de diseño basado en el método de las prestaciones. ... 16

Tabla 4-1. Densidades de carga de fuego característica ... 29

Tabla 4-2. Valor de los coeficientes δq1, δq2. ... 30

Tabla 4-3. Coeficientes δn,i ... 31

Tabla 4-4. Rapidez de desarrollo del fuego y RHRf según tipo actividad ... 32

Tabla 4-5. Potencial calorífico neto de distintos materiales combustibles. ... 34

Tabla 5-1. Factor de sección (Am/V) en elementos sin protección ... 38

Tabla 5-2 Factor de sección (Ap/V) para elementos protegidos... 40

Tabla 6-1. Valores recomendados de los coeficientes Ψ para edificios ... 43

Tabla 6-2. Coeficientes de reducción para la relación tensión-deformación del acero a temperaturas elevadas ... 46

Tabla 7-1. Resistencia al fuego suficiente de los elementos estructurales ... 58

Tabla 7-2. Valores de k_c según el material estructural ... 59

Tabla 7-3. Valores del coeficiente δn.i según las medidas activas existentes ... 60

Tabla 7-4. Valores de δ_cpor las posibles consecuencias del incendio, según la altura de evacuación del edificio ... 60

Tabla 8-1. Solicitaciones sobre perfil HEB-360 ... 67

Tabla 8-2. Solicitaciones sobre perfil IPE-550 ... 67

Tabla 9-1. Tabla de espesores mortero IGNIPLASTER según masividad para vigas y pilares según Norma UNE ENV 13381-4... 70

Tabla 9-3. Resumen de resultados significativos en el desarrollo del proyecto ... 94

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NOMENCLATURA Letras mayúsculas

A área de la sección transversal;

Am/V factor de sección para elementos de acero no protegido;

Af superficie construida del sector de incendio;

Afi superficie del fuego;

At superficie total de la envolvente (paredes, techo y suelo, incluidas aberturas) ; Av superficie total de las aberturas verticales existentes en las paredes;

D diámetro del fuego;

Ea, θ pendiente de la región elástica para el acero a temperatura elevada;

Ed valor de cálculo de los efectos pertinentes de las acciones a partir de la combinación fundamental;

Efi,d valor de cálculo de los efectos pertinentes de las acciones en situación de

incendio;

Gk valor característico de una acción permanente;

H distancia existente entre el foco del fuego y el techo;

H_u potencial calorífico neto del material;

Ht altura total del recinto estudiado;

L_f longitud de la llama medida a lo largo de su eje;

LH proyección horizontal de la llama, desde la fachada;

Mk cantidad de material combustible;

Mb,fi,t,Rd valor de cálculo del momento resistente frente a pandeo lateral;

Mfi,θ,Rd valor de cálculo del momento resistente para una temperatura determinada;

Nb,fi,t,Rd valor de cálculo de la resistencia a pandeo de un elemento sometido a

compresión;

Nfi,θ,Rd valor de cálculo dela resistencia de un elemento sometido a tracción a una temperatura determinada;

O coeficiente de aberturas;

Q velocidad de liberación de calor del fuego;

Qc parte convectiva de la velocidad de liberación de calor;

Qk,1 carga variable principal;

Q*_D velocidad de liberación de calor dividida por el diámetro del fuego local;

Q*H velocidad de liberación de calor dividida por la altura del sector de incendio;

RHR_f velocidad máxima de liberación de calor por metro cuadrado;

Vfi,t,Rd valor de cálculo de la resistencia a esfuerzo cortante;

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Letras minúsculas

b absortividad térmica del conjunto de la envolvente del sector;

c calor específico;

dp espesor del material de protección frente al fuego;

fp,θ límite de proporcionalidad del acero en función de su temperatura;

f_y,θ límite elástico eficaz del acero en función de su temperatura;

flujo de calor por unidad de superficie;

flujo neto de calor por unidad de superficie;

valor de cálculo del flujo neto de calor por unidad de superficie;

flujo neto de calor debido a convección por unidad de superficie;

flujo neto de calor debido a radiación por unidad de superficie;

flujo de calor total por unidad de superficie;

h_eq media ponderada de la altura de aberturas existentes en los muros;

kE, θ coeficiente de reducción para la pendiente de la región elástico lineal;

k_sh coeficiente de corrección por efecto sombra;

kp, θ coeficiente de reducción para el límite de proporcionalidad;

k_{y, θ} coeficiente de reducción para el límite elástica eficaz;

m masa, coeficiente de combustión;

r distancia horizontal entre el eje vertical del fuego y el punto del techo en el que se calcula el flujo de calor;

t tiempo;

te,d tiempo equivalente de exposición al fuego;

tlim tiempo en que se produce la máxima temperatura del gas en fuegos controlados por el combustible;

tmax tiempo en que se produce la máxima temperatura del aire;

tα tiempo necesario para alcanzar una velocidad de liberación de calor de 1 MW;

qf,d densidad de carga de fuego de cálculo referida a la superficie del suelo;

qf,k densidad de carga de fuego característica referida a la superficie de suelo;

qt,d densidad de carga de fuego de cálculo referida a la superficie total;

w_f coeficiente de ventilación;

z0 origen virtual de la altura z;

z’ posición vertical de la fuente virtual de calor;

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Letras griegas mayúsculas

Δt intervalo de tiempo;

ΔΘg,t incremento de la temperatura del gas durante el intervalo de tiempo;

Φ factor de forma;

Τ factor de tiempo;

Θ temperatura;

Θa temperatura;

Θ_g temperatura del gas;

Θcrit temperatura crítica del acero;

Θmax temperatura máxima;

Letras griegas minúsculas

αc coeficiente de transferencia de calor por convección;

γM,0 coeficiente parcial a temperatura ambiente;

γM,fi coeficiente parcial para la propiedad del material pertinente en situación de

incendio;

δn factor que considera la existencia de medidas activas de protección contra incendios;

δq1 factor que considera el riesgo de activación del fuego debido al tamaño del sector de incendio;

δq2 factor que considera el riesgo de activación del fuego debido al tipo de actividad;

εm emisividad de la superficie del elemento;

εf emisividad de las llamas;

ηfi coeficiente de reducción para el valor de cálculo del nivel de carga en situación de incendio;

λ conductividad térmica;

μ₀ grado de utilización para el instante t = 0;

ρ densidad;

σ constante de Stephan Boltzmann;

ψ0 factor de combinación para el valor característico de una acción variable;

ψ1 factor de combinación para el valor frecuente de una acción variable;

ψ1 factor de combinación para el valor cuasi permanente de una acción variable;

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1. INTRODUCCIÓN 1.1. Antecedentes

El uso estructural del acero constituye, junto con el hormigón, el principal elemento de construcción empleado en el mundo. Sin embargo, su aparición en el campo estructural es relativamente reciente en comparación con otros materiales, pudiéndose observar un verdadero auge en su utilización a lo largo del siglo XIX gracias, fundamentalmente, al avance de la metalurgia y la soldadura eléctrica.

La principal característica del acero radica en una elevada resistencia por unidad de peso, lo cual permite la utilización de secciones transversales mucho menores en comparación con otros materiales. Por consiguiente, el uso del acero da lugar a estructuras mucho más ligeras, con amplias zonas diáfanas y de gran altura.

Asimismo, cabe destacar que, en construcciones metálicas es muy común el uso de elementos prefabricados. Esto se traduce en una mayor simplificación en la puesta en obra así como en una mayor rapidez en el montaje. Por último, las construcciones de acero permiten que, una vez alcanzada la vida útil de la estructura, ésta se pueda desmontar permitiendo la reutilización de sus elementos.

Todo ello pone de manifiesto que, en comparación a construcciones con hormigón, las estructuras metálicas son “más ligeras, más esbeltas, presentan un montaje más rápido y son ambientalmente más sostenibles” (Virgili, Real & Mirambell, 2007). Pese a que las numerosas ventajas del acero podrían sugerir su uso mayoritario frente a otros materiales, lo cierto es que, de acuerdo con Borrallo Jiménez (1998), existen dos grandes inconvenientes que desaconsejan el empleo del acero en determinadas circunstancias.

En primer lugar, el acero es un material corrosivo, siendo especialmente sensible a la exposición frente al agua y al aire. La corrosión provoca pérdida de las características estructurales de los elementos de acero, por lo que resulta imprescindible ralentizar este fenómeno lo máximo posible, ya sea mediante revestimientos protectores o a través de la fabricación de aceros especiales resistentes al fenómeno corrosivo.

El otro gran inconveniente de los aceros es su gran inestabilidad frente al fuego. Pese a no ser un material combustible, este material alcanza grandes deformaciones conforme aumenta la temperatura del mismo, pudiendo las cuales llegar a desencadenar en el colapso de la estructura.

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En este contexto, resulta evidente que un incendio es un evento de alta peligrosidad debido a las dificultades asociadas en el control de su propagación y extinción. Por consiguiente, las consecuencias de un incendio, en la actualidad, constituyen uno de los principales peligros para las estructuras de acero. No sólo se pone en riesgo los bienes asociados a estas construcciones, sino que además se expone tanto la integridad de la propia estructura como la de los ocupantes/usuarios de la misma (ARCELORMITTAL, 2008a).

Con el objetivo de tener un orden de magnitud acerca de los efectos producidos por un incendio, se analizan diversos estudios en los que se miden las víctimas mortales (costes humanos), así como las pérdidas materiales (costes económicos). En primer lugar, de acuerdo con la Figura 1-1 (Fundación MAPFRE, 2015), el ratio de muertes anual por cada millón de habitantes debido a un incendio varía notablemente en función del país, estando comprendido entre cinco (Suiza) y 120 (Bielorrusia) muertes. Extrapolando estas cifras a población total de cada país, es evidente que la cantidad de personas fallecidas en un incendio representa una cifra muy a tener en cuenta.

Figura 1-1. Comparativa del índice de muertes en incendios por millón de habitantes (año 2010). Fuente:

Fundación MAPFRE (2015)

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Por otro lado, en base a un estudio realizado por el NIST (National Institute of Standars and Technology, EEUU) sobre la incidencia en la sociedad de los incendios, se pueden contabilizar las pérdidas económicas entre un 1.6 y un 5.9 por mil del PIB anual de un país. Acotando este análisis a países desarrollados (Europa y EEUU), es innegable que estas cifras se traducen en millones de euros (Virgili, Real & Mirambell, 2007). Sin embargo, los datos arrojados por estos análisis no tienen en cuenta las consecuencias indirectas asociadas a un incendio, de entre las que se destaca el hecho de que aproximadamente el 70% de los negocios entran en quiebra tras haber sufrido un incendio de magnitudes importantes (Fundación MAPFRE, 2015).

Ante la necesidad de salvaguardar las vidas humanas y de minimizar las pérdidas económicas cuando tiene lugar un incendio, nace la ingeniería de seguridad ante incendio. Este campo, tal y como se muestra en la Figura 1-2, consiste en una “ciencia multidisciplinar que aplica principios tecnológicos y científicas con el fin de proteger del fuego a las personas, los bienes materiales y al medio ambiente” (Navarrete, 2014).

Figura 1-2. Enfoque global de la seguridad frente al fuego. Fuente: Navarrete, V. (2014)

La principal aplicación de la ingeniería de seguridad ante incendios radica en el análisis estructural frente a situaciones de incendios, cuyo objetivo se basa en que las obras sean proyectadas y ejecutadas de forma que se minimicen al máximo los impactos mencionados. Se trata de conseguir que (ARCELORMITTAL, 2008b):

 La capacidad de sustentación de la obra se mantenga durante un período de tiempo determinado.

 La aparición y propagación del fuego y del humo dentro de la obra estén limitados.

 Los ocupantes puedan abandonar la obra antes de que se puede producir el colapso de la misma.

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Uno de las cuestiones clave en el diseño estructural es el de la elección de los materiales. Por este motivo, la Tabla 1-1 recoge el comportamiento frente al fuego de los dos principales materiales en construcción, el acero y el hormigón. Se observa, además, que estas propiedades varían notablemente en función del material elegido.

Tabla 1-1. Comparativa comportamiento frente al fuego del acero - hormigón. Fuente: Elaboración propia

ACERO HORMIGÓN

Resistencia al fuego (Sin protección) Baja Alta

Conductividad del calor Muy alta Muy baja

Posibilidad de reparación después del fuego Baja Alta Protección para usuarios durante la evacuación Baja Alta

Desde un punto de vista estructural, el acero comienza a perder sus propiedades resistentes a partir de los 400˚C, reduciéndose muy rápidamente su rama elástica conforme aumenta esta temperatura (UNE-EN 1993-1-2, 2011). Este hecho da lugar a deformaciones permanentes, pudiendo formarse incluso rótulas plásticas, suponiendo un peligro para la integridad de la estructura. Por otro lado, la alta conductividad del acero hace transmitir el calor al resto de la estructura, lo cual incrementa probabilidad de propagación de un incendio a otros recintos.

Esta comparativa evidencia que, ante una situación de incendio, el hormigón exhibe un mejor comportamiento frente al acero. Por consiguiente, cuando la realización de un proyecto, motivada por alguno de los beneficios anteriormente comentados, implique el uso de acero como material predominante, resultará indispensable el uso de revestimientos protectores para garantizar la integridad de los elementos estructurales. Entre las principales medidas protectoras destacan la aplicación de materiales cerámicos, morteros proyectados, el uso de placas y de pinturas intumescentes o ignífugas. La elección de una medida sobre otra dependerá de las características particulares del elemento estudiado, así como de las exigencias resistentes de la estructura analizada.

1.2. Motivación

Como consecuencia de todo lo descrito en las páginas anteriores, la preocupación sobre el comportamiento del acero frente a situaciones de incendio ha ido en aumento en los últimos años. Esta búsqueda de conocimiento ha derivado en el desarrollo de una normativa europea en la que se pone a disposición del usuario un proceso analítico común del comportamiento de elementos de acero frente a fuego (Norma EN 1991-1-2 y 1993-1-2).

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Sin embargo, en la actualidad la gran mayoría de proyectos y estructuras convencionales llevan a cabo su verificación frente a incendio a partir de datos tabulados o monogramas, siendo muy poco común un análisis más detallado o completo. Estas simplificaciones implican, inevitablemente, un incremento en los costes globales, tanto en la construcción como en el mantenimiento de las protecciones correspondientes.

Por tanto, la mayor motivación de este proyecto es la de, a partir de un análisis exhaustivo de esta normativa, encontrar un método en el que se aproxime de la forma más realista posible el comportamiento de elementos de acero frente a una situación de incendio.

1.3. Objetivos

El objetivo principal de este proyecto es el de realizar un análisis frente a situaciones de fuego de un proyecto real para determinar, en última instancia, los espesores de recubrimiento necesarios para lograr optimizar al máximo dicho material. Para poder alcanzar de una forma satisfactoria este objetivo, resulta necesario establecer una serie de objetivos secundarios:

 Estudio de las características generales de un incendio para entender el comportamiento y desarrollo de los fuegos.

 Análisis bibliográfico y normativo con el objetivo de conocer en profundidad los distintos escenarios de fuego recogidos por los Eurocódigos, así como el campo de aplicación de cada uno de ellos.

 Desarrollo de modelos de cálculo para cada una de las situaciones anteriores a partir de software específicos de programación. En este sentido, el presente proyecto ha programado con la aplicación Microsoft VBA (Visual Basic for Applications), siendo necesario conocer en profundidad dicho lenguaje de programación.

 Selección de un proyecto real y análisis del mismo. Para ello, se ha elegido el proyecto de ampliación del Centro Médico Virgen de la Caridad (CMVC), a partir del cual se ha realizado un análisis del mismo así como de la normativa utilizada en la verificación frente a incendio.

1.4. Estructura del proyecto

En este capítulo introductorio se ha descrito, en primer lugar, las generalidades acero del uso del acero como elemento estructural así como los riesgos derivados de un incendio. Asimismo, se han enumerado los factores que han motivado el desarrollo de este trabajo para, en último lugar, especificar los objetivos necesarios para la consecución del mismo.

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En el Capítulo 2 se definen las características generales de un incendio estableciéndose inicialmente, los factores necesarios para que se desarrolle un fuego. Asimismo, se exponen las distintas fases en el desarrollo de un incendio y sus medios de propagación para, finalmente, clasificarlo en función del tipo de combustible.

En el Capítulo 3 se muestra la tipología de fuego estudiada en este proyecto. Este capítulo está basado en la formulación descrita en la Norma EN 1991-1-2 y en él se comentan los aspectos necesarios para poder elaborar las distintas curvas de fuegos. Por otro lado, el Capítulo 4 desarrolla el proceso de cálculo de las características del fuego natural, es decir, de la densidad de carga de fuego y de la velocidad de liberación de calor. Estas dos variables resultan imprescindibles para poder elaborar la distribución de temperaturas del capítulo anterior.

En el Capítulo 5 se expone como obtener, a partir de la tipología de fuego analizada, la distribución de temperaturas en un perfil de acero determinado, tal y como se refleja en la Norma EN 1993-1-2. Para ello, se especifican las bases de cálculo del flujo de calor neto y de la temperatura en perfiles de acero, considerando dicho elemento tanto protegido como sin material de recubrimiento. A partir de esta distribución de temperaturas, en el Capítulo 6 se especifican las verificaciones resistentes pertinentes en función del tipo de solicitación al que se encuentre sometido el elemento.

El Capítulo 7 describe globalmente el proyecto de ampliación del CMVC así como la normativa utilizada en la verificación a fuego, mientras que el Capítulo 8 analiza con detalle una zona determinada de dicho proyecto, sobre la cual se realizarán los correspondientes cálculos. De esta zona se extraerá un elemento estructural vertical y otro horizontal, a partir de los cuales se realizarán las correspondientes comprobaciones detalladas en el siguiente capítulo.

En el Capítulo 9 se recogen los distintos resultados obtenidos para cada una de las situaciones de incendio descritas en capítulos anteriores. Se ha efectuado un primer análisis sin considerar elementos de protección pasiva sobre el perfil para, en función de los resultados obtenidos, realizar un análisis basado térmico y resistente con el objetivo de determinar el espesor de recubrimiento óptimo.

Finalmente, el Capítulo 10 muestra las conclusiones extraídas a raíz de los resultados obtenidos en el desarrollo de este proyecto y especifica los trabajos futuros necesarios en caso de continuar con esta línea de investigación. Al final de esta memoria se recogen las referencias bibliográficas consultadas y los Anejos correspondientes (cálculos y planos).

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2. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE UN INCENDIO 2.1. El tetraedro del fuego

Un incendio se define como “la combustión no deseada de uno o varios materiales” (Virgili, Real & Mirambell, 2007). A partir de esta combustión se produce la oxidación de los materiales, dando lugar a una reacción exotérmica - se desprende calor - y de carácter irreversible. Por otro lado, se puede definir al fuego como una reacción química de combustión donde se genera calor, humo, llamas y gases, siendo de nuevo necesario un proceso exotérmico.

Del párrafo anterior se puede extraer que ambas definiciones comparten el hecho de ser reacciones exotérmicas, por lo que en el desarrollo de este proyecto se utilizan ambos términos indistintamente para hacer referencia al mismo concepto.

Todo fuego necesita, indispensablemente, de tres elementos para que se inicie: un combustible, un comburente (oxígeno) y calor (energía de activación). Una vez se ha iniciado el fuego, este puede continuar o apagarse, por lo que necesita de una reacción en cadena para evitar la extinción del mismo. Estas cuatro condiciones dan lugar al denominado tetraedro del fuego (Protección Civil, 2013), el cual queda ilustrado en la Figura 2-1. Se definen, a continuación, dichos condicionantes.

Figura 2-1. Tetraedro del fuego. Fuente: CEIS Guadalajara (2015)

 Combustible. Son aquellos elementos que pueden ser oxidados - se queman - y que en su reacción liberan energía. Los materiales combustibles pueden ser muy diversos, por lo que en la siguiente sección, se clasificarán los fuegos en función del tipo de combustible.

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 Comburente. Es lo que reacciona (oxida) con el combustible dando lugar a la combustión, siendo este elemento fundamentalmente oxígeno del aire.

 Energía de activación. Es la temperatura necesaria para que se inicie la reacción, estando directamente relacionada con el tipo de combustible. En primera instancia, la energía de activación debe ser suministrada de forma externa, pero al tratarse el fuego de una reacción exotérmica, el mismo combustible retroalimenta el proceso.

 Reacción en cadena. Es el proceso mediante el cual la combustión es capaz de mantenerse sin necesidad de aporte de energía de la fuente principal de ignición. En este momento, el proceso se auto mantiene, siendo “capaz de aportarse a sí mismo la suficiente cantidad de energía como para mantener una emisión de gases constante”

(Basset Blesa, 2006).

2.2. Clasificación de un incendio en función del tipo de combustible

De acuerdo con Protección Civil (2013), los fuegos se pueden clasificar en cinco clases distintas atendiendo al tipo de combustible que lo genere, pudiéndose encontrar cualquiera de ellas en una estructura concreta. Estos son:

 Clase A. Son fuegos de combustibles sólidos, de naturaleza orgánica (madera, tejidos,…) donde la combustión se realiza con la formación de brasas.

 Clase B. Son aquellos fuegos que tienen lugar debido a la presencia de una mezcla de vapor-aire sobre la superficie de un líquido inflamable, como puedan ser la gasolina, grasa, pinturas o algún tipo de disolvente.

 Clase C. Debido a gases combustibles que, en condiciones normales de presión y temperatura, se encuentran en estado gaseoso. Se pueden incluir en este grupo el gas natural, metano, propano o butano.

 Clase D. Son fuegos generados por metales, más concretamente metales alcalinos o alcalinotérreos. También se puede producir en metales de transición.

 Clase F. Son aquellos fuegos que tienen por combustible aceites o grasas, ya sean de origen animal o vegetal. Se localizan fundamentalmente en cocinas industriales.

Cabe mencionar que, todos los fuegos producidos o desarrollados debido a la presencia de tensión eléctrica, fueron inicialmente considerados como Clase E. Sin embargo, considerando que la electricidad en sí misma no arde sino que lo hacen los componentes bajo tensión, este grupo quedaría subrogado a cualquier combustible que arda en presencia de tensión. Como norma general, lo más común es encontrar fuegos de Clase A mientras que las clases D o F son muy poco frecuentes.

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2.3. Fases en el desarrollo de un incendio

En base a lo descrito en la sección anterior, se puede determinar que la variación de un incendio depende del balance de masas y energía dentro del recinto o edificio donde se produzca dicho fuego. Esta energía, a su vez, está relacionada con la cantidad y el tipo de combustible, así como de las condiciones de ventilación presentes en el edificio. Un incendio, tal y como se observa en la Figura 2-2 y de acuerdo con Basset Blesa (2006), está desarrollado en seis fases claramente diferenciadas, las cuales se exponen con detalle a continuación.

Figura 2-2. Fases en el desarrollo de un incendio. Fuente: Navarrete, V. (2014)

 Fase incipiente

En esta primera fase se produce el calentamiento del combustible en cuestión, ya sea por medios de combustión mediante llamas, sin llamas (fuego latente) o por radiación. Esta fase termina una vez que se produce la ignición de dichos materiales, momento en el cual comienza la fase de crecimiento.

 Fase de crecimiento (pre-Flashover)

Inicialmente, el tamaño de las llamas es relativamente pequeño por lo que se considera que el fuego está localizado en un sector del recinto.

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En esta situación inicial y como se ilustra en la Figura 2-3, en la parte más alta de dicho recinto se produce una acumulación de humos y gases calientes, mientras que la zona inferior se mantiene más fría y libre de humos. Si el aporte de oxígeno al recinto y la cantidad de combustible son suficientes y sin la actuación de sistemas de extinción, el penacho irá aumentando su tamaño provocando que la zona superior incremente en detrimento de la zona fría.

Figura 2-3. Elementos principales de un fuego real. Fuente: Dufour, A. (2016)

El espesor de la capa de aire y humo caliente depende tanto de las características geometrías del recinto, como del tamaño y duración del incendio. Cuando la radiación producida por las llamas y por la zona de gases produce la ignición súbita de todos los materiales combustibles, se produce la fase de Flashover.

 Fase de Flashover

En primer lugar, puesto que se trata de uno de los eventos más importantes en el desarrollo de un fuego, resulta necesario definir qué es el Flashover. De acuerdo con de Andrés (2012), se puede definir como “un aumento repentino de la velocidad de propagación de un incendio confinado debido a la súbita combustión de las gases acumulados bajo el techo y la inflamación generalizada de los materiales combustibles del recinto como consecuencia de la radiación emitida por esta capa de gases calientes”.

En este contexto, la fase de Flashover constituye la transición entre un fuego localizado a la combustión de todas las superficies expuestas en el recinto donde se produce el incendio.

Cuando se alcanzan los 500-600˚C todo el material combustible comienza a arder simultáneamente, provocando un rápido aumento de la liberación de calor y de las temperaturas.

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Cabe destacar que, aunque la fase de Flashover se considere como una fase de transición entre el inicio del mismo y el momento en que se alcanza la máxima liberación de calor, a efectos de diseño, se asume que una vez ocurre el Flashover la tasa de liberación de calor alcanza de forma instantánea su valor máximo (Navarrete, 2014). Llegados a ese punto, se considera que el fuego está completamente desarrollado.

 Fase de fuego totalmente desarrollado

Una vez el fuego está completamente desarrollado, la máxima velocidad de liberación de calor se mantiene constante a lo largo de toda esta fase. La principal característica a lo largo de este período radica en su elevada temperatura, superior a 1000˚C, produciéndose además el mayor daño estructural de los elementos en el recinto. En este contexto, determinar la temperatura del fuego a lo largo de esta fase resulta determinante para realizar un correcto diseño estructural frente a situaciones de incendio.

Estas elevadas temperaturas dan lugar a la combustión de todos los materiales del recinto, produciendo una gran cantidad de gases combustibles que se queman si hay suficiente oxígeno. La cantidad de oxígeno y de material disponible en el recinto determinará, por tanto, si el fuego está controlado por la ventilación o por el combustible.

Se dice que un fuego está controlado por el combustible cuando la cantidad de calor liberado viene determinada por la cantidad de combustible que participa en el proceso de combustión.

Estos incendios son característicos de recintos grandes y con una adecuada ventilación. Por otro lado, un fuego controlado por la ventilación se define como aquel en la que la cantidad de oxígeno es la que define la cantidad de calor liberado en la combustión, ya que se dispone de suficiente cantidad de combustible. Un incendio controlado por ventilación vendrá caracterizado por una combustión incompleta del recinto, donde una parte se desarrollará en el exterior de dicho recinto.

En base a estas definiciones y por normal general, se puede establecer que cuando un incendio se encuentra completamente desarrollado el fuego estará controlado por la ventilación, mientras que estos pasan a ser controlados por el combustible en la fase de decrecimiento.

 Fase de decrecimiento

Conforme el fuego va consumiendo la cantidad de combustible disponible, la tasa de combustión va disminuyendo. En este punto, el incendio pasa a estar controlado por el combustible, reduciéndose la cantidad de fuego y, por tanto, la temperatura.

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 Fase de extinción

Finalmente, la fase de extinción tiene lugar cuando se ha consumido en su totalidad el material combustible del recinto y, por consiguiente, no se produce más liberación de energía por combustión.

2.4. Medios de propagación de un incendio

Tal y como se ha comentado anteriormente, a partir de que un incendio alcanza la fase de Flashover, este resulta muy difícil de extinguir hasta que no se experimenta la fase de decrecimiento o enfriamiento. De hecho, las tareas de extinción de estos incendios están especialmente focalizadas a evitar la propagación a otras áreas. En este contexto, y tal y como se ilustra en la Figura 2-4, el fuego tiene la capacidad de propagarse mediante tres medios que se definen a continuación (CENAPRED, 2005).

Figura 2-4. Mecanismos de propagación del fuego. Fuente: CENAPRED (2005)

 Radiación. Este tipo de propagación es la más común en incendios desarrollados en zonas urbanas puesto que, debido a la proximidad entre las distintas construcciones y a las grandes cantidades de calor que se genera en el foco inicial, el fuego se propaga con facilidad a edificios o estructuras colindantes.

 Conducción. La propagación tiene lugar mediante tuberías o estructuras metálicas con capacidad para conducir el calor a elevadas temperaturas y provocar la ignición del material combustible con el que hace contacto.

 Convección. En esta situación es el fuego quien genera la corriente de aire caliente.

Ésta se desplaza a lo largo y ancho de la estructura entrando en contacto con cualquier material combustible que se encuentra, propagando el incendio.

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2.5. Ensayos Cardington

Con el objetivo de corroborar y entender el comportamiento de elementos estructurales frente a distintos escenarios de fuego, la Universidad de Cardington realizó en el año 1988 un modelo a escala real de un edificio de ocho plantas y una superficie aproximada de 945 m², conformado por vigas y columnas metálicas.

Una vez desarrollado este modelo, tal y como se muestra en la Figura 2-5, se incendiaron partes localizadas del edificio para, posteriormente, ir tomando medidas de los desplazamientos, rotaciones, temperaturas y tensiones en determinados elementos. El resultado de estos ensayos ha servido de base para la creación y el desarrollo de la formulación existente en los actuales Eurocódigos.

Figura 2-5. Modelo ensayo Cardington. Simulación incendio. Fuente: Zhao, B. et al. (2011)

Los resultados principales de estos ensayos buscan ilustrar las principales diferencias entre la distribución de temperaturas en los distintos perfiles metálicos protegidos y desprotegidos (Figura 2-6). Cabe destacar que, para evitar el uso de elementos inflamables, se utilizaron sacos de arena para reproducir la acción de las cargas muertas.

Aunque estos análisis se han ido repitiendo a lo largo de los años para poder desarrollar con éxito análisis numéricos, este ensayo sí ha podido confirmar aspectos importantes que deben tenerse en cuenta, como son (Lennon, 2004):

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 Cuando un fuego se encuentra completamente desarrollado, las vigas sin protección alcanzan temperaturas superiores a los 1000 ⁰C. En esta circunstancia la resistencia del acero es equivalente al 5 % de su resistencia a temperatura ambiente.

 Para el caso de columnas desprovistas de elementos sin protección, se vuelven a alcanzar temperaturas próximas a los 1000⁰C.

 Estos resultados contrastan con la distribución de temperaturas en los perfiles provistos de protección pasiva, donde en la situación más desfavorable apenas alcanza los 400⁰C. En estos escenarios, el acero mantiene intacto sus propiedades resistentes (no se experimenta reducción del límite elástico).

Figura 2-6. Resultados ensayo Cardington. Fuente: Lennon, T. (2004)

Los resultados obtenidos a partir de estos ensayos evidencian la necesidad de aplicar elementos de protección pasiva frente a situaciones de incendio.

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3. TIPOLOGÍA DE FUEGOS ESTUDIADA 3.1. Aspectos generales

El principal objetivo en la modelización de un incendio consiste en simular el desarrollo del mismo a lo largo de un período de tiempo determinado. En base a esta simulación, se calculan las acciones térmicas (temperatura del gas y flujo de calor) y la evolución de la temperatura en el elemento de acero considerado. En la práctica actual, el diseño de estructuras frente a situaciones de incendio está determinado por dos hipótesis distintas, a partir de enfoques prescriptivos o mediante un diseño basado en prestaciones (ARCELORMITTAL, 2008a).

Las hipótesis de diseño prescriptivas están basadas en los requisitos de protección frente a incendio recogidos en las normativas nacionales, las cuales ofrecen niveles de seguridad relativamente fáciles de conseguir. Sin embargo, esta hipótesis se presenta como bastante conservadora, ya que requiere el uso de grandes cantidades de material de protección para alcanzar dichos criterios de seguridad. Por consiguiente, estos enfoques de diseño suelen emplearse cuando se estén diseñando edificios o estructuras sencillas.

La Tabla 3-1 muestra las herramientas utilizadas en los diseños prescriptivos, así como las acciones térmicas consideradas. La simplicidad de este método de cálculo radica en que, tal y como se observa en la tabla inferior, no se requiere de información específica para simular los efectos del incendio ya que estos se determinan a partir de datos tabulados, curvas estandarizadas o por ensayos previos.

Tabla 3-1. Enfoque de diseño basado en el método prescriptivo. Fuente: Elaboración propia

Herramientas utilizadas Acciones térmicas Datos necesarios

Datos previamente obtenidos por medios de ensayos estándar al

fuego

Curva estándar

ISO EN 1991-1-2 -

Datos tabulados

Modelos de cálculo basados en curvas normalizadas

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Por otro lado, los métodos basados en prestaciones se fundamentan en cuantificar el nivel de riesgo de una estructura y demostrar que es aceptable. En este tipo de diseño es necesario considerar la severidad de la exposición al fuego, mediante el cálculo de la carga de fuego real.

Asimismo, definir tanto el tipo de actividad del edificio como la geometría del mismo es fundamental, puesto que a partir de ellas se podrán obtener el resto de parámetros que participan en el desarrollo de un incendio.

En la Tabla 3-2 se muestra el campo de aplicación de las hipótesis basadas en prestaciones.

En estos casos, los fuegos se pueden modelar a partir de cálculos simplificados o cálculos avanzados. En el primer caso, es necesario seguir la formulación presente en los Eurocódigos, mientras que con los cálculos avanzados resulta preciso el uso específico de programas informáticos.

Tabla 3-2. Enfoque de diseño basado en el método de las prestaciones. Fuente: Elaboración propia

Herramientas

utilizadas Acciones térmicas Datos necesarios

Modelos de cálculo simplificados

 Fuegos completamente desarrollados.

 Fuegos localizados.

 Velocidad de liberación de calor.

 Superficie de fuego.

 Condiciones de contorno.

 Área de aperturas.

 Altura de techo.

Modelos de cálculo avanzados

 Modelos de zona

 CFD

+ Geometría exacta

La práctica habitual en el desarrollo de curvas de incendio suele estar basado en el cálculo de curvas normalizadas tiempo – temperatura. Sin embargo, con el objetivo de obtener un comportamiento más realista del incendio, el diseño puede estar basado en un enfoque por prestaciones.

El presente trabajo desarrolla, en las siguientes páginas, el proceso de obtención de curvas de fuego a partir de modelos de cálculo simplificados. Se tratarán en primer lugar, los fuegos completamente desarrollados, tanto curvas nominales como paramétricas, para terminar con el proceso de obtención de curvas de fuego localizados.

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3.2. Fuegos completamente desarrollados 3.2.1. Curvas nominales

De acuerdo con la norma EN 1991-1-2, existen tres tipos de curvas nominales diferentes. Estas curvas definen las relaciones tiempo – temperatura de un gas, sin tener en cuenta las características del recinto estudiado ni los parámetros físicos de la carga de fuego. Por consiguiente, estas curvas sólo dependen del instante de tiempo en el que se analizan.

 Curva normalizada

Las curvas normalizadas o fuegos estandarizados (ISO fuegos) son las más utilizadas en el diseño de edificios y representan un recinto de incendio totalmente desarrollado. La temperatura del gas (θg) en un instante de tiempo determinado se determina mediante la siguiente expresión (Ecuación 3.1):

[˚C] (3.1)

 Curva de fuego exterior

Las curvas de fuego exterior se utilizan en el estudio de elementos de fachada. La temperatura del gas, en este caso, se obtiene de acuerdo a la Ecuación 3.2:

[˚C] (3.2)

 Curva de hidrocarburos

Las curvas de fuego de hidrocarburos representan incendios producidos por algún combustible de tipo líquido o un fuego con hidrocarburos (e.g. petróleo). La Ecuación 3.3 muestra el proceso de obtención de la temperatura del gas en un instante de tiempo determinado.

[˚C] (3.3)

Resulta necesario tener en cuenta que ninguna de estas tres curvas proporciona una distribución de la temperatura realista, puesto que a partir de la Figura 3-1 se observa como las temperaturas siempre aumentan a lo largo del tiempo, sin haber una fase de enfriamiento posterior.

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Por consiguiente, el análisis de elementos estructurales mediante curvas nominales se presenta como un método del lado de la seguridad, proporcionando una distribución de temperaturas en el elemento de acero muy por encima del comportamiento real que experimentaría dicho perfil.

Figura 3-1. Curvas nominales – tipos. Fuente: Elaboración propia

3.2.2. Curvas paramétricas 3.2.2.1. Definición

Las curvas paramétricas tiempo-temperatura proporcionan, de manera simplificada, la distribución de la temperatura del gas en un recinto concreto. Para ello, se deben tener en consideración los principales parámetros que influyen en el desarrollo de un incendio:

 Propiedades térmicas (conductividad, calor específico y densidad) de paredes, techo y suelo.

 Geometría del recinto, considerando las posibles aberturas en las paredes.

 Tipo de actividad a la que estará sometida la estructura.

Las curvas de fuego paramétricas están basadas en la hipótesis de que la temperatura es uniforme a lo largo de todo el recinto estudiando. Este supuesto limita la aplicación de estas curvas a fuegos ‘post-Flashover’, es decir, aquellos incendios que se han extendido a lo largo de todo el recinto tras una combustión súbita generalizada. Por consiguiente, se puede suponer la combustión completa de dicho recinto.

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En base a esta limitación, los modelos de fuegos paramétricos serán efectivos en aquellos recintos de superficies inferiores a los 500 m², sin aberturas en la cubierta y con una altura máxima de planta de 4 m. Asimismo, las cargas de fuego han de ser, principalmente, de tipo celulósico. Este condicionamiento en la geometría y en el tipo de combustión hace que esta metodología se desarrolle, fundamentalmente, en el estudio de oficinas de edificios de una sola planta.

Las curvas de fuego paramétricas, tal y como se observa en la Figura 3-2, se pueden dividir en fases claramente diferenciadas. Se tiene, en primer lugar, una fase de calentamiento que exhibe un crecimiento exponencial hasta alcanzar la temperatura máxima en el recinto. A partir de ese punto, se aprecia una fase de enfriamiento o decrecimiento lineal para finalmente alcanzar una fase de temperatura residual, la cual coincide con la temperatura ambiente.

Figura 3-2. Representación genérica de curva paramétrica. Fuente: Elaboración propia

A modo comparativo con respecto a los ISO fuegos (Figura 3-1), la mayor diferencia entre ambas curvas radica en la fase de enfriamiento anteriormente mencionada. Además, el hecho de considerar diferentes parámetros (propiedades térmicas, geometría,…) en su construcción, hace que las curvas paramétricas se aproximen, con mayor precisión, al comportamiento real de un incendio.

3.2.2.2. Construcción de la curva

A partir de la definición dada en el punto anterior, la Norma EN 1991-1-2 ofrece, en su Anejo A, la formulación necesaria para la construcción de estas curvas. Con el objetivo de entender un modo más directo los pasos requeridos en el proceso de cálculo, se describe a continuación la metodología de cálculo mostrando cada fórmula en el orden en el cual debe emplearse.

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 Propiedades geométricas del recinto

A partir de la geometría del recinto (ancho, largo y alto), se determina el área del suelo, Afi (m²) y la superficie total de la envolvente (paredes, techo y suelo, incluyendo las aberturas), At (m²).

Teniendo en consideración la geometría de las posibles aberturas en las paredes (ancho y alto), se obtiene la superficie total de las aberturas verticales (Av, en m²). Considerando estas superficies, se puede definir la media ponderada de la altura de las aberturas de todas las aberturas, altura equivalente (heq), mediante la Ecuación 3.4:

[m] (3.4)

A continuación, se puede evaluar el coeficiente de aberturas (O) utilizando la Ecuación 3.5.

Cabe mencionar que este coeficiente está limitado tanto superior como inferiormente de la siguiente forma: 0.02 ≤ O ≤ 0.20.

[m^1/2] (3.5)

Por otro lado, a partir de las propiedades térmicas de los cerramientos, se puede definir el factor de pared (b), tal y como se muestra en la Ecuación 3.6. De nuevo, este coeficiente está delimitado del siguiente modo: 100 ≤ O ≤ 2200.

[J/m²s^1/2K] (3.6)

Las propiedades térmicas necesarias para obtener el valor de este factor de pared son la densidad (ρ en kg/m³), el calor específico (c, definido en J/kg·K) y la conductividad térmica (λ, expresada en W/m·K).

Finalmente, una vez calculados el coeficiente de abertura y el factor de pared, se puede determinar el coeficiente Γ, de acuerdo con la Ecuación 3.7.

(3.7)

Cabe mencionar que en caso de valores de Γ = 1, la fase de calentamiento de la curva paramétrica se aproximará a una curva normalizada, como la mostrada en la Figura 3-1.

Además, valores de Γ mayores que 1 darán lugar a curvas paramétricas donde, en la fase de calentamiento, se alcanzarán mayores temperaturas que con ISO curvas y viceversa.

(35)

 Fase de calentamiento

Una vez definidos los coeficientes relativos a características, tanto térmicas como geométricas, del recinto estudiado, se puede determinar la temperatura del gas durante la fase de calentamiento mediante la aplicación de la Ecuación 3.8.

[˚C] (3.8)

El valor de tiempo t* en el que se evalúa la temperatura del gas se obtendrá multiplicado el instante de tiempo considerado por el coeficiente Γ determinado en la Ecuación 3.7. Cabe mencionar que, a diferencia de los ISO fuegos, estos incrementos temporales se consideran en horas. La Ecuación 3.9 muestra esta relación:

[h] (3.9)

A partir de esta expresión se puede deducir que la temperatura máxima (θmax) en la fase de calentamiento se obtendrá, nuevamente, multiplicado el valor de tmax (ver Ecuación 3.10) por el coeficiente Γ.

[h] (3.10)

El valor de viene definido en función de la rapidez de desarrollo del fuego (ver Tabla 4-4) Para fuegos de desarrollo lento, min; para fuegos de desarrollo medio, min y para fuegos de desarrollo rápido, min. Si el valor de tmax coincide con tlim, el fuego está controlado por el combustible; mientras que para valores de tmax superiores a tlim es la ventilación la que controla la curva de fuego paramétrica.

Además, se puede definir qt,d el valor de cálculo de la densidad de carga de fuego referida a la superficie total de la envolvente (At), tal y como se muestra en la Ecuación 3.11. Este valor de cálculo está limitado tanto inferior como superiormente de la siguiente forma: 50 ≤ qt,d ≤ 1000. El proceso de obtención del valor de cálculo de la densidad de carga de fuego (q_f,d) referida la superficie de suelo construida (Af) se detalla posteriormente en el Capítulo 4 de esta memoria.

[MJ/m²] (3.11)

En aquellas situaciones en las que el fuego esté controlado por el combustible (t_max = t_lim), el valor de la variable t^* definido en la Ecuación 3.9 se debe sustituir por el expresión mostrada en la Ecuación 3.12.

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[h] (3.12)

Con objeto de obtener el valor del coeficiente Γlim se debe definir, en primer lugar, el coeficiente de abertura límite (Olim) mostrado en la Ecuación 3.13. Este parámetro, a diferencia del calculado a partir de la Ecuación 3.5, no depende de las características geométricas del recinto sino de la densidad de carga de fuego y del tiempo límite considerado.

[m^1/2] (3.13)

El coeficiente Γlim se determina de acuerdo con la Ecuación 3.14. En aquellas situaciones en los que, simultáneamente, se tenga que O > 0.04, qt,d < 75 y b < 1160 el valor de Γlim se ha de multiplicar por el coeficiente k, el cual se determina a partir de la Ecuación 3.15.

(3.14)

(3.15)

 Fase de enfriamiento

Cuando la temperatura en el recinto alcanza su valor máximo ( en el instante ), ésta comenzará a enfriarse hasta llegar a la temperatura ambiente (fase residual). Tal y como se mostró en la Figura 3-2, este descenso de la temperatura se producirá de forma lineal y, en función del valor de obtenido, se deben considerar tres posibles situaciones recogidas en las Ecuaciones 3.16.

[˚C] (3.16a) [˚C] (3.16b) [˚C] (3.16c)

El valor del coeficiente x dependerá de si el fuego está controlado por la ventilación o por el combustible. En el primer escenario (tmax > tlim), este parámetro será igual a uno; mientras que en fuegos controlados por el combustible (tmax = tlim) se deberá emplear la Ecuación 3.17. Para evitar posibles errores se ha de puntualizar que, el valor del coeficiente Γ, independientemente de qué parámetro controle el fuego, será el calculado mediante la Ecuación 3.7.

(3.17)

(37)

3.3. Fuegos localizados 3.3.1. Aspectos a considerar

Hasta ahora, la tipología de incendios considerada (ISO-fuegos y fuegos paramétricos) partían de la hipótesis de que el Flashover ya ha tenido lugar (fuegos completamente desarrollados).

Sin embargo, como ya se detalló en el capítulo anterior, esta hipótesis no se corresponde con el comportamiento real de un incendio; puesto que en el momento en que éste da comienzo, lo hace como un fuego localizado en una zona determinada del recinto. A partir de ahí, este fuego localizado se desarrollará pudiendo o no alcanzar el Flashover.

Las curvas de fuego localizado se definen a partir velocidad de liberación del calor (Rate of Heat Release, Q) y del diámetro del fuego considerado. De acuerdo con Franssen & Vila Real (2013), este diámetro aumenta conforme lo hace la velocidad de liberación del calor y se mantiene constante una vez se el fuego se ha desarrollado completamente.

De acuerdo con Ecuación 3.18, el área de fuego (Afi) se podrá expresar en función de la velocidad de liberación de calor, Q (t), en el instante de tiempo considerado y de la máxima liberación de calor, RHRf (ver Tabla 4-4). El proceso de obtención de velocidad de liberación se desarrolla posteriormente, en el Capítulo 4.

[m²] (3.18)

Una vez obtenida el área de incendio en cada instante de tiempo y partiendo de la hipótesis de que las llamas se propagan de forma cilíndrica (Franssen, Zaharia & Kodur, 2009), se puede obtener la longitud de las llamas conforme lo especificado en la Ecuación 3.19.

[m] (3.19)

Es necesario considerar que, en determinadas situaciones, con una baja velocidad de liberación y diámetros elevados, se pueden obtener valores de longitud de llama negativos, lo cual es físicamente imposible. Este hecho indica que el foco se ha roto en pequeños zonas independientes y, desde un punto de vista analítico, se ha considerado con una longitud de llama igual a cero.

A partir de la longitud de la llama, se pueden presentar dos hipótesis de cálculo en función de la longitud de la llama. Las formulaciones relativas a ambos método se desarrollarán en detalle los siguientes apartados.

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 La llama no impacto en el techo (método Heskestad).

 La longitud de la llama alcanza la altura del compartimento (método Hasemi).

La aplicación de las curvas de fuegos localizados está limitada a aquellos incendios con diámetros inferiores a 10 metros y velocidad de liberación de calor del fuego inferior a 50 MW.

Asimismo, el empleo de este tipo de curvas de fuego se lleva a cabo al estudiar grandes compartimentos; tales como parkings, terminales de aeropuertos o almacenes industriales; en los que una distribución uniforme de la temperatura o características post – Flashover son improbables de ocurrir.

A partir de diversos estudios experimentales, se ha podido demostrar que la temperatura en un determinado perfil de acero está influenciada por los siguientes parámetros:

 Posición del fuego localizado, es decir, el punto donde da comienzo el incendio.

 La longitud de la llama, si ésta impacta o no en el techo.

 Condiciones de ventilación.

3.3.2. Llama no impacta en el techo (Heskestad)

En las situaciones en las que la llama del incendio no impacta con el techo, como se muestra en la Figura 3-3, la metodología provista por la Norma EN 1991-1-2 se basa en calcular evolución de la temperatura del gas a lo largo de la altura del recinto considerado. El hecho de considerar un eje para las llamas sugiere que la distribución de temperaturas en este tipo de fuegos sea simétrica con respecto a dicho eje.

Figura 3-3. Fuego localizado, llama no impacta en el techo. Fuente: EN 1991-1-1 (2004)

(39)

En primer lugar, es necesario calcular el origen virtual (z0) del eje de las llamas. Estos orígenes virtuales son siempre negativos, puesto que por definición, el origen virtual siempre se encontrará en una posición inferior a la fuente del origen del incendio (Franssen, Zaharia &

Kodur, 2009). El valor de z0 depende del diámetro de las llamas y de la velocidad de liberación de calor, tal y como se muestra en la Ecuación 3.20.

[m] (3.20)

A partir del valor del origen virtual, la evolución de la temperatura en la pluma a lo largo del eje de las llamas se determinar mediante la Ecuación 3.21. Asimismo, es necesario considerar la componente de convección (Q_c) de la velocidad de liberación de calor (en W); la cual, por definición, es un 80 % de Q (t).

[˚C] (3.21)

Este tipo de fuegos localizados no constituye una amenaza real para la integridad de elementos horizontales en el techo. De hecho, a modo de simplificación, diversos autores asumen una temperatura constante en la punta de la llama igual a 520 ˚C y por consiguiente, el efecto sobre estos elementos horizontales se considera despreciable. Sin embargo, el método de Heskestad adquiere más importancia en el cálculo de elementos verticales. Para ello, se considera que la columna estudiada se encuentra en el centro (eje) de las llamas, a partir de la cual se calcularía la distribución de temperaturas en el acero.

Pese a estas simplificaciones, el presente trabajo ha considerado la formulación descrita en las Ecuaciones 3.20 y 3.21 para calcular de una manera más precisa la distribución de temperaturas a lo largo del eje de llamas. De este modo y junto con la formulación descrita en el método de Hasemi, se puede conseguir una distribución de temperaturas mucho más acorde a la realidad.

3.3.3. Llama toca el techo (Hasemi)

En los casos en los que la longitud de la llama se ha desarrollado lo suficiente para impactar con los elementos horizontales del techo (Lf ≥ H), se ha de utilizar la formulación descrita partir de ensayos experimentales por Hasemi. Este método, a diferencia del descrito en el apartado anterior, se basa en la obtención el flujo neto de calor recibido por la estructura a la altura del techo (H) considerada.