Transparencias L08 Estructuras Metalicas

8/17/2019 Transparencias L08 Estructuras Metalicas

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Resistencia alFuego de

Estructuras

Tema :Estructuras Metálicas

Resistencia al Fuego de Estructuras

Prof. Manuel RomeroProf. A. Hospitaler


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TEMA 3:Estructuras Metálicas

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INDICE

1.- Normativas.

2.- Comportamiento de Materiales frente al Fuego.3.- Métodos de Comprobación


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Normativas

1) Eurocódigo 3, parte 1-2 +

Anejo NacionalAENOR

1) Instrucción EAE. Capítulo 8.www.mfom.es Comisión Permanente del AceroInstrucción EAECapítulo XII

2) Código Técnico. DB SIwww.codigotecnico.org

http://www.mfom.es/http://www.mfom.es/


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INDICE

1.- Normativas.

2.- Comportamiento de Materiales frente al Fuego.

3.- Métodos de Comprobación.


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Comportamiento de Materiales frente al fuego

5

Acero. Curvas Tensión-Deformación

Deformación (%) 0.5 1.0 1.5 2.0

Tensión (N/mm2)

0

300

250

200

150

100

50

20°C

200°C 300°C

400°C

500°C

600°C

700°C

800°C

• El acero se debilitaprogresivamente desdetemperaturas relativamentebajas, entre 100 y 200 ºC

• A 700 ºC sólo le queda un 23%de su resistencia atemperatura ambiente

• A 800ºC su resistencia sereduce a un 11 % y a 900ºC a

un 6%• La ebullición se produce a los

1500ºC.


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Comportamiento de Materiales frente al fuego

6

Hormigón. Curvas Tensión-Deformación

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2 0.1

0 1 2 3 4

1000°C 800°C

20°C

200°C

400°C

600°C

Deformación (%)

Tensión Normalizada • El Hormigón también pierde

rigidez y resistencia atemperaturas superiores a 100 ºC

• No recupera resistencia al enfriar.

• Las propiedades a altastemperaturas del Hormigóndependen del tipo de áridoempleado

• La conductividad del acero esmayor que la del Hormigón, en el

acero el calor se propaga 10 a 12veces más rápido


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Reducción de la Resistencia (fy) y la rigidez (E)

7

Acero.

Deformación (%) 0.5 1.0 1.5 2.0

Tensión (N/mm2)

0

300

250

200

150

100

50

20°C

200°C 300°C

400°C

500°C

600°C

700°C

800°C

El módulo deelasticidad a 600 ºCse reduce en un 70%

El límite elástico se

reduce a un 50% a600 ºC


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Rft

0 300 600 900 1200

100

80

60

40

20

% del valor normal

Temperatura (°C)

Rft

Límite elástico efectivo (al 2% de la defor.)

SS

Módulo elástico

SS

• Reducción de rigidez

y resistencia similarpara acerosestructurales S235,S275 y S355 y paraarmaduraslaminadas en

caliente. (SS)

• Armaduraslaminadas en fríoS500 se

deterioran másrápidamente.(Rft)


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3


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9

100

50

0 200 400 600 800 1000 1200

Temperatura (°C)

Tensión (% del normal)

Hormigón

normal

Exactas para Hormigones dedensidad normal con áridostipo silicio.

Conservadoras parahormigones de densidadnormal con áridoscalcáreos.

Hormigón ligero

Conservadores parahormigones ligeros

Factores de reducción de resistencia

HORMIGÓN


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Expansión térmica del Hormigón y del Acero

0

0,51,0

1,5

2,0

2,53,0

3,5

4,0

4,5

100 200 300 400 500 600 700 800 900

Temperatura (°C)

Coef. De expansión

/°C (x 10-6)

Acero

• La expansión térmica delacero cesa durante su cambiocristalino estructural entre:700-800 ºC.

Hormigón normal

• Es improbable que elHormigón alcance latemperatura de 700ºC

Hormigón ligero• El hormigón ligero se consideraque tiene un coeficiente deexpansión uniforme.


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3


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Propiedades del Acero

Temperatura (°C)

la=45W/m°K (EC3 modelo decálculo simple)

Conductividad térmica

(W/m°K)

10

20

30

40

50

60

0 200 400 600 800 1000 1200

Temperatura (°C)

Acero

ca=600J/kg°K(EC3 modelo de

cálculo simple)

Calor especifico (J/kg°K)

5000

0 200 400 600 800 1000 120

Temperatura (°C)

4000

3000

2000

1000

Acero


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INDICE

1.- Normativas.

2.- Comportamiento de Materiales frente al Fuego.

3.- Métodos de Comprobación


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Métodos de Comprobación

3 Métodos de Comprobación

Para el Eurocódigo el cálculo enfuego se puede hacer de tresmaneras alternativas

Tiempo: tfi.d > tfi.requ

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

Temperatura: cr.d > d

• Normalmente solo esposible usando modelosde cálculo avanzado

• Factible en cálculos manualesDeterminando la resistenciareducida a la temperatura dediseño.

• Método más usual en EC3 ,determinando la temperaturacrítica en carga comparada con latemperatura de diseño.Ensayos de Laboratorio


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3


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Ensayos de Laboratorio


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3


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Ensayos en horno de elementos estructurales

Ensayos de fuego La carga de fuego en un

incendio aumenta usando la

curva estándar de fuego.

Criterio de máxima deflexiónpara resistencia de vigas en unincendio.

Criterio de carga máxima paracolumnas en un incendio

Problemas Limitación en el tamaño de los

elementos sólo es posible en

vigas con apoyos simples.

Se ignoran los efectos de lacontinuidad de las vigas en zonasno afectadas por el fuego

No tiene en cuenta las

restricciones de expansióntérmica en elementos

arriostrados.


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3


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Ensayos Resistencia al Fuego en Horno


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3


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Ensayos Resistencia al Fuego en Horno

3


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3


/ 3521

Ensayos Resistencia al Fuego Fuego Natural (Munich)

3


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3


/ 3522

Ensayos CTICM ( France)

3


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3


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Métodos de

Comprobación

3


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3


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Cálculo resistente al fuego: Procedimiento simple

Tiempo Requerido


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25

Efecto de las acciones en fuego E fi.d.t

Cálculo resistente al fuego: Procedimientosimple

Resistencia al fuego Temperatura del acero

Normasreguladoras

t fi.requ


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Factor de reducción de carga en fuego

Relativo a la carga dediseño a temperaturaambiente ( másconservador)d

t .d . fi

fi E

E

1.k 1.Qk G

1.k 1.1k GA fi

QG

QG


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EC3 Factores típicos de seguridad

En estado limite de fuegogGA = 1,0 Cargas permanentes; en situaciones de diseño accidentaly1.1 = 0,5 factor de combinación; cargas variables, oficinas

Diseño por tensión a temperatura ambiente

G = 1,35 cargas permanentes;

Q.1 = 1,5 factor de combinación; cargas variables

Qk.1 /Gk 1 2 3 4

fi 0,53 0,46 0,43 0,41


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28

Grado de utilización

m0

Resistencia a 20 ºC norma defuego , Rfi.d.20

Clasificación del elemento

Acción límite en fuego Efi.d.t



Normasreguladoras

t fi.requ


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29

El grado de utilización

0.d . fi

d . fi

0 R

E m

Es la carga de diseño en elementos en fuego

Es una parte de la resistencia a temperaturaambiente (t=0) donde se incluyen factores de

seguridad parciales que se aplican en el diseño enfuego


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30


m0






Normasreguladoras

t fi.requTemperatura crítica cr.d


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Temperatura crítica para elementos de acero

100

200

300

400

500

600

700

800

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Grado de utilización m0

Temperatura critica (°C)• Basada en ensayos

estándar de fuego

Clase desección 1, 2, 3

48219674 ,0

1ln19 ,39

833 ,3

0

cr

m

• Para secciones no esbeltas(clases 1, 2, 3).

Sección de clase 4• En secciones esbeltas de

clase 4 se toma un valor

conservador de (350°C).


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32


m0






Normasreguladoras


Factor de sección

Am /V


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34


m0






Normasreguladoras


Factor de sección

Am /V

iteración

temp/tiemp.

d> cr.ddeter. t fi.d


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Método de la Temperatura Crítica

100

200

300

400

500

600

700

800

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Grado de utilización m0

Temperatura critica (°C)


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Ejemplo de diseño

Material: grado del acero S275Hormigón ligero C40 (losas)Separación pórticos 6,0 m

Viga principal mixta) G +Q k K.1

tirante

Viga secundaria, acero

Pilar de acero omixto

A

B C

D E F

G

G +Q k K.1

G +Q k K.1

G +Q k K.1

G +Q k K.1

G +Q k K.1

G +Q k K.1

5m 5m

H

3,5m

3,5m

3,5m

3,5m

Características de las cargas (kN/m2 ):Permanente Gk = 1,9Variable principal Q k,1= 3,8

Cargas de cálculo en vigas (kN/m):

Uso G = [1,35] y Q.1 = [1,50]Permanente Gd= 15,39Variable Q d= 34,2


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37

IPE 100 3,5m

Carga de diseño: NSd= 247,95 kN

Resistencia de diseño: Npl.Rd = Anetf y / M0

EC3 Pt 1.1 (5.4.3) = 1030 x 0,275 / [1,1]= 257,5 kN

247,95 kN

tipo IPE 100: (100x55x8kg/m)

Elemento a tracción: Diseño por resistencia

> 247,95

…por lo tanto OK.


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38

Elemento a tracción: temperatura crítica

114 kN

Resistencia de diseño a 20°C, usando factores de seguridad en fuego:

(4.2.3.1) Nfi.20.Rd = AIPE100(ky.20 f y / M.fi) (Tabla 3.1) factor de reducción de resistencia ky.20 = 1,0

Nfi.20.Rd =10,3x102 x( 275 N/mm2 / [1,0] )

= 283,25 kNtemperatura crítica: grado de utilizaciónm 0 = Nfi.d / Nfi.20.Rd (4.2.4) = 114/283,25

= 0,40

(Tabla 4.1) temperatura crítica c = 619°C

Carga de cálculo en fuego:Nfi.d = fi NSd (2.4.3) coeficiente de combinación, 1.1 = 0,5

Gk.1 / Q k = 2,0

(Fig. 2.1) Factor de reducción de carga, fi = 0,46

Nfi.d = 0,46 x 247,95 = 114 kN

El t t ió ti d i t i l


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39

Flujo neto de calor hnet.d for ISO834 Estándar de

fuego:

Usando f = 0,8 y m = 0,625.

Mediante hoja de cálculot = 5 sec ….

100

200

300

400

500600

700

800

0 500 1000 1500

ISO834

Temp (°C)

Time (sec)

Elemento a tracción: tiempo de resistencia alfuego

Tiempo en alcanzar la temperatura crítica un elemento no protegido de acero = 9 min 40 sec.

Elemento de acero

Cambio de temp. del acero en un tiempo t:

(EC1 Pt 2.2)

(2.5.1) a.t = 1 / (ca a ) Am/V hnet.d t

Factor de sección Am

/V = 388,1 m-1 Calor específico del acero ca = 600 J/kg°K

Densidad del acero a = 7850 kg/m3


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40

Elemento a tracción: Protección al fuego

Se requieren 60min Protegemos:

Protección con 20mm de espesor de yeso:

Densidad p = 800 kg/m3 calor específico cp = 1700 J/kg°K

Conductividad Ter. l p = 0,2 W/m°KFactor de sección Ap/V= 300,97 m

-1

Incremento de temp. Del elemento de acero

en un tiempo t:

= (cp pdp/ca a) Ap/V =1,738

a.t =l p/(dpca a) Ap/V [1/(1+ /3)] ( g.t- a.t)t - (e/10-1) g.t

Para 60 min. de temp. a=613°C (< 619°C temp. crítica).

Con 20mm de yeso

100

200

300

400

500600

700

800

900

1000

0 1000 2000 3000 4000

ISO834

Acero sin proteger

Temp (°C)

Time (sec)

…Por lo que 20mm de recubrimiento de yeso proporcionan más de 60 de protección contra el fuego.

3 TEMPERATURA DE LA SECCIÓN DE ACERO


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3


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TEMPERATURA DE LA SECCIÓN DE ACERO

PRÁCTICA 2-b

3 PRÁCTICA 2 segunda parte


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3


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PRÁCTICA 2, segunda parte

F t d d t ió Vi l l


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43

Factores de adaptación - Vigas en las que se apoya, en su alasup., una losa de hormigón

Temperatura

Factores de corrección empleados paracasos de distribuciones de temperatura nouniformes

Momento:

21 fi. M

1. M

. y Rd Rd .t . fi

1

k M M

Cortante

21 fi. M

1. M max.. y Rd Rd .t . fi

1k V V

2=0,85 para vigas hiperestáticas, 1,0 para otros casos,

la existencia de material en la unión enfría esa zona

1=1,0 para tem. uniforme, 0,7 losa apoyada en ala sup.


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44

Clasificación de la sección:

EC3 Pt 1.1 = (235/f y)0,5 = 0,92Tabla 5.3.1 d/tw = 248,6/7,1 = 37,5 < 72x0,92

c/tf = 7,0 < 10x0,92 ... La sección es de clase1.

Momento de flexión: MSd = 49.59x5

2/8= 154,97 kNm

49,59 kN/m

IPE 300

5m Tipo IPE 300: (300x150x42kg/m)

Viga en flexión: Resistencia de diseño

> 154.97 … OK

> 123,97 ... OK

Momento resistente: 5.5.2 La losa restringe lateralmente el ala superior; no considerar pandeo lateral5.4.5.2 Momento resistente Mpl.Rd = Wpl.x f y/ M.0 = 157 kNm

Resistencia a cortante: Cortante aplicado VSd = 123,97 kNÁrea de cortante Av= 2567 mm

2

5.4.6 Resistencia Vpl.Rd = 2567x0,275/(1.732x[1,1]) = 370 kN

345


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3


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Resistencia de diseño a 20°C, empleando los factores de seguridad en fuego:

Para vigas de clase 1 con distribución uniforme de temperatura

4.2.3.3 Momento resistente a temperatura es Mfi..Rd = Wpl.x(ky. fy/ M.fi)Factor de reducción de resistencia 20°C: ky.20 = 1,0

M.fi = [1,0]

Momento resistente a 20°C is MRd = 157 kNm

Mfi.20.Rd = 628x103(275/ 1]) = 172.7kNm

71,25 kN/m Carga de diseño en fuego:2.4.3 Mfi.d = fi MSd

Factor de combinación 1.1 = 0,5Gk,1 / Q k = 2,0

Fig. 2.1 Factor de reducción fi = 0,46Mfi.d = 0,46x154,97 = 71,25 kNm

Viga de acero: diseño a temp. Ambiente, 20°C

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3


/ 35

Para viga apoyada en la ala sobre

una losa de hormigón:

4.2.3.3 Mfi.t.Rd = Mfi..Rd/ 1 2

1 = [0,7]

2 = 1,0Mfi.t.Rd = 172,7/([0,7]x1,0) = 246,7 kNm

Temperatura crítica en la viga:

4.2.4 grado de utilizaciónm 0 = 71,25/246,7 = 0,289Tabla 4.1 temp. Crítica en la viga cr = 669.5 °C

Viga de acero: Temperatura crítica

71,25 kN/m

347


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3


/ 35

Cambio de T. en el acero en un tiempo t:

(EC1 Pt 2.2)

(2.5.1) a.t = 1 / (ca a ) Am/V hnet.d t

Para 3 caras expuestas:

Factor de sección Am/V = 187,7 m-1

calor especifico del acero ca = 600 J/kg°K

Densidad del acero a = 7850 kg/m3

100

200

300

400

500 600

700

800

900

1000

0 1000 2000 3000 4000

Tiempo (sec)

Temp. (°C)

ISO834

Acero sin proteger

Vigas de acero: Tiempo de resistencia al fuego

Flujo neto de calor hnet.d para ISO834 Estándar de

fuego :

Usando f = 0,8 and m = 0,625.

Mediante hoja de cálculo con:t = 5 sec … Tiempo en alcanzar la temperatura crítica en un elemento no protegido = 15 min 25 sec.

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3


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Viga de acero: protección al fuego

Tiempo (sec)

100

200

300

400

500600

700

800

900

1000

Temp. (°C)

0 1000 2000 3000 4000

ISO834

Acero sin proteger

con15mm tablero

Se requieren 60 min. De protección: Para 15 mm de recubrimiento de yeso

densidad p = 800 kg/m3 Calor específico cp= 1700 J/kg°K

Conductividad ter. l p = 0,2 W/m°KFactor de sección Ap/V= 139,4 m-1

Incremento de temperatura del elemento

de acero en un tiempot = (cp pdp/ca a) Ap/V = 0,604

a.t =l p/(dpca a) Ap/V [1/(1+ /3)] ( g.t- a.t)t - (e/10-1) g.t pasados 60 min. La temp. Del acero es: a =570°C (< 669,5°C Temp. crítica).

… 15mm de recubrimiento de yeso dan más de 60 min. de protección.

349

Vi d


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3


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Viga de acero


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50

Miembros a compresión de clase 1, 2 o 3

• Reducción del límite elástico = k y. .max f y

a: a.max• Factor de reducción por pandeo a

flexiónc fi, se basa en:• curva c de pandeo• La longitud efectiva en fuego es

la que se muestra.

fi. M

fi

ymax.. y Rd .t . fi.b

1

2 ,1 f Ak N

c

• La carga de diseño en dominio de pandeoa una temperatura

• a.max es:

Sistema derefuerzo

• Factor de corrección empírico de1,2 que cubre varios efectos.

l fi=0,7L

l fi=0,5L

max.. E max.. ymax. k / k l l

• La esbeltez normalizada es:


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51

Pilar de acero: Resistencia de diseño

3,5m HEB 180

991,8 kN

Resistencia a compresión:

5.5.1.4 esbeltez l = 3,5 / 0,046 = 76,6

5.5.2 l 1 = 86,8

Esbeltez normalizada l/l 1

= 0,88

T 5.5.2 Factor de reducción c = 0,61

Resistencia de pandeo Nb.Rd = c Af y/ M.1 = 0,61 x 6530 x 0,275 / 1,1 = 997 kN

Carga de diseño: NSd= 991,8 kNtipo HEB 180: (180x180x51kg/m)

Clasificación de la sección = (235/f y)0,5 = 0,92EC3 Pt 1.1 d/tw = 122/8,5 = 14,4 < 33x0,92Tabla 5.3.1 c/tf = 90/14 = 6,4 < 10x0,92 … Clase 1

> 991,8 ... OK


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52

Pt 1.1: 5.5.1.4 Esbeltecesl = 53,6

5.5.2 l 1

= 86,8

Esbeltez normalizada l =l /l 1 = 0,62

456 kN

Pilar de acero: Resistencia de diseño a 20°C

Carga de diseño en fuego: Nfi.d= fi NSd Factor de combinación 1.1 = 0,5

Gk.1/Q k = 2,0Fig. 2.1 Factor de reducción fi = 0,46

Nfi.d = 0,46x991,8 = 456 kN

l 20 = 0,62 (ky.20.max / kE.20.max)para = 20°C, ky.20.max = kE.20.max = 1,0

Pt 1.2 Factor de reducción en fuego c fi

= 0,774.2.4 Nb.fi.t.Rd = (0,77/1,2)x6530x1x0,275/1 = 1159,6 kN

Resistencia de diseño a 20ºC usando factores de seguridad en fuego

4.2.3.2 Nb.fi.t.Rd = ( c fi/1,2) Aky. .max (f y/ M.fi ) Factor de long. Efectiva = 0,7 (tipo de sustentación)

Pilar de acero: temperatura crítica tiempo de


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53

Pilar de acero: temperatura crítica, tiempo deresistencia al fuego

Temp. Crítica en la columna: 4.2.4 gra. Utili. m 0 = 456/1160 = 0,39

T 4.1 Temp. crítica cr = 622,4°C

Tiempo que lleva al pilar sin proteger a alcanzar la temperatura crítica = 14 min 55 sec.

100

200

300

400

500 600

700

800

900

1000

0 1000 2000 3000 4000

Tiempo (sec)

Temp. (°C)

ISO834

Elemento sin

proteger

Tiempo de resistencia al fuego: Cambio de temp.en el acero en un tiempo t: (EC1 Pt 2.2)

(2.5.1) a.t = 1/(ca a) Am/V hnet.d tt

Factor de sección Am/V = 158,8 m-1

Calor específico ca = 600 J/kg°Kdensidad dl acero a = 7850 kg/m

3

Mediante hoja de cálculo tt = 5 sec …


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54

La temperatura del acero aumenta con el tiempo t, en un fuego estándar:

= (cp pdp/ca a) Ap/V = 0,604 a.t = l p/(dpca a) Ap/V [1/(1+ /3)] ( g.t- a.t)t - (e

/10-1) g.t

Temperatura del acero a los 60min. a=659,8°C (>622,4°C temperatura critica)

Se requieren 60 minutos' de protección contra el fuego :

Revestimiento de 10mm de capa de yeso

Densidad p = 800 kg/m3

Calor especifico cp = 1700 J/kg°KConductividad l

p

= 0,2 W/m°KFactor de sección Ap/V = 110,3 m

-1

Columnas de acero: protección al fuego

Tiempo(sec)

100

200

300

400

500600

700

800

900

1000

Temperatura (°C)

0 1000 2000 3000 4000

ISO 834Miembro desnudo de acero

10mm de yeso

Si en su lugar se utiliza 15mm de yeso - resiste una temperatura de 508 °C en 60minutos

15mm de yeso

Ó É


55/57

CÓDIGO TÉCNICO

55

fi. M

fi

ymax.. y Rd .t . fi.b

1

2 ,1 f Ak N

c

3 TEMPERATURA DE LA SECCIÓN DE ACERO


56/57

3


/ 3556

U S CC Ó C O

PRÁCTICA 3

3 PRÁCTICA 3


57/57

3

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Transparencias L08 Estructuras Metalicas

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