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Construcción con Acero Liviano: 2.4 Fuego

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03/04/2013 | En principio deberíamos decir que todo edificio y todos los materiales son sensibles al fuego. Todos los materiales colapsan a determinada temperatura por lo que el concepto será como proteger la estructura y establecer “ratings” de escape.

La construcción resistente al fuego está clasificada (rating) en relación con el período de tiempo donde el material o los materiales que la componen resisten exposición al fuego sin perder en forma sustancial su capacidad de resistencia estructural (colapso).

Aquí se involucran dos conceptos:

  • Materiales no inflamables
  • Control de dispersión del fuego

A modo de ejemplo podemos decir que un entrepiso de madera con piso de madera y un cielorraso de placa de roca de yeso tiene rating de 1 hora, mientras que una losa de hormigón armado de 15 cm. tiene un rating de 4 horas.

Los materiales que se utilizan para dar protección contra el fuego en una construcción deben ser no combustibles y capaces de resistir altas temperaturas sin degradarse. También estos materiales tienen que tener baja conductibilidad
térmica para aislar del calor a los materiales de la estructura que se pretende proteger.

Los materiales que comúnmente se utilizan como protección son el concreto, el yeso, revoques con vermiculita y materiales con fibras minerales.

El acero es un material que posee una excelente relación resistencia/peso, pero esa resistencia mecánica se reduce a medida que aumenta la temperatura. Es por ello que en proyecto de estructuras de acero la protección contra incendio
adquiere importancia fundamental. Haremos referencia a continuación de una serie de investigaciones realizadas en los Estados Unidos, más específicamente por el Instituto Americano del Hierro y del Acero AISI con la colaboración de
empresas privadas, respecto de este tema.

Los códigos de edificación frecuentemente requieren que las paredes portantes de los edificios tengan una resistencia al fuego, medida como puntaje, obtenido a través de una norma que establece los procedimientos para determinar el
comportamiento al fuego de los materiales de construcción: la ASTM E 119:
Standard Methods of Fire Tests of Building Construction Materials (Métodos normalizados para el ensayo al fuego de materiales de construcción)

En el caso de paneles portantes, estos ensayos establecen que los mismos deben:

  1. Soportar la acción del fuego bajo determinada carga sin colapso estructural, previniendo además el pasaje de las llamas a través del panel.
  2. Prevenir una transmisión del calor a través del panel tal que pueda encender materiales combustibles sobre la cara no expuesta del panel, para la cual se define una temperatura de falla límite de 139 °C promedio con un máximo puntual de 181 °C.

El American Iron and Steel Institute, AISI (Instituto Americano del Hierro y el Acero) impulsó un programa de investigación en Estados Unidos que buscó desarrollar un método analítico para predecir el comportamiento estructural de los perfiles de acero conformados en frío bajo las condiciones establecidas por la ASTM E 119.

Este programa se basó en la investigación con paneles de tamaño natural que permitieron obtener datos sobre los efectos de las aislaciones, espesores de placas, y cargas relacionadas con la resistencia al fuego.

El estudio se desarrolló en dos etapas:

  • FASE 1: se ensayaron 7 paneles en el Underwriters Laboratories (UL,Estados Unidos), de modo de proveer los datos básicos para el programa. Mientras se desarrollaban estos ensayos, el laboratorio de investigaciones de USS (United States Steel Corp) ensayó una serie de modelos a escala reducida con perfiles de acero, de modo de determinar los efectos de la temperatura en la tensión de fluencia, y el módulo de elasticidad.
  • FASE 2: involucró trabajos adicionales realizados en el Laboratorio de Investigaciones de USS para generar mayores datos hasta temperaturas de 982 °C. Adicionalmente, en esta fase se ensayaron 2 modelos a escala natural en el UL para determinar: a) la capacidad portante antes y durante el ensayo y b) la deflexión del panel en el lugar de la falla y la temperatura de cada perfil.

Los paneles portantes se construyeron con montantes de chapa de acero galvanizada de sección C unidos a soleras horizontales de sección C, con y sin aislación térmica en el espacio entre montantes, los cuales estaban separados 600 mm.. Se ensayaron paneles con placas de roca de yeso Tipo X de 13 y 15mm de espesor en 1, 2 y tres capas.

El dimensionamiento de los montantes se hizo de acuerdo a las recomendaciones de la AISI: Especificación para el diseño de perfiles de acero conformados en frío, asumiendo que los montantes estaban arriostrados lateralmente por la placa de roca de yeso.

La conformación básica de los paneles interiores se muestra en la figura siguiente:

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  1. Soleras superior e inferior. Se realizaron con acero galvanizado conformado en frío de espesor de 0.84 mm (acero base), que proveen la conexión estructural entre los montantes y con la platea de fundación, entrepiso y con otros paneles. La fijación a ellos se hizo con tornillos espaciados no más de 600 mm.
  2. Montantes.Realizados con acero galvanizado, alma de 90 mm en espesor de 0.84 mm (acero base). Se deben calcular de acuerdo a la Especificación para el Cálculo de Estructuras de Acero Conformado en Frío de la AISI. Todos los detalles que hagan a la integridad estructural del panel, incluyendo la carga axial de diseño, deberán ser especificados por el fabricante o calculista, y deberán cumplir con los requisitos de los códigos de edificación vigentes. La separación entre montantes no deberá ser superior a 600 mm. La unión con las soleras deberá materializarse mediante tornillos de 13 mm de longitud, tipo cabeza plana, autoperforantes, en ambas alas del montante.
  3. Arriostramientos laterales (No mostrados en la Figura 1). Cuando se requiera el soporte lateral de los montantes, el mismo se materializarán mediante bandas de acero, perfiles U u otros similares, de acuerdo al proyecto.
  4. Placa de roca de yeso. Cualquier placa de yeso clasificada como resistente al fuego, aplicada verticalmente con juntas desfasadas. Cuando se deban utilizar tres capas, la exterior se colocará en forma horizontal.
  5. Tornillos. Los utilizados para unir la placa de roca de yeso al montante serán de autoperforantes de cabeza cónica, espaciados 300 mm. En la primera capa se utilizarán tornillos tipo S 12 de 25 mm, en la segunda tornillos tipo S 12 de 35 mm y en la tercera de 48 mm.

 

En el caso de paneles exteriores, la placa de roca de yeso exterior era común y se adicionaba un muro de ladrillos macizos, o un siding de acero, aluminio o revoque cementicio sobre la placa de yeso.

Los materiales utilizados y los puntajes obtenidos se detallan en el informe UL Fire Resistance Directory U 425, cuyo resultados se indican a continuación en las siguientes tablas:

  • Paredes interiores, placa de roca de yeso resistente al fuego en ambas
    caras.

  • Conformación de las paredes exteriores: idem a las interiores pero con placa de roca de yeso resistente al fuego en el interior en cantidad de capas y espesores indicados más abajo. En este caso la placa de roca de yeso exterior es de tipo común de 13 mm, los revestimientos exteriores pueden ser sidings de aluminio, acero, revoque sobre la placa o pared de ladrillo. Cuando la misma tiene un espesor de 95 mm, el puntaje es aplicable para exposición en ambas caras.

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La Fig. 2 representa las curvas de relación de carga en función del tiempo de falla, obtenidas a través de los ensayos efectuados en el Underwriters Laboratories y señalados en el informe UL U425. En ella, la relación de carga Pt/P es la relación entre la carga del rotura del montante a temperatura elevada Pt, respecto de la misma a temperatura ambiente P.
La línea horizontal correspondiente a la relación de carga 12/23, representa la inversa del coeficiente de seguridad utilizado para el cálculo de los montantes a temperatura ambiente. Los las abscisas de los puntos de intersección entre las curvas de carga y la línea horizontal representan el tiempo de falla del ensayo de fuego si se aplicara una carga del 100% de la carga de cálculo a temperatura ambiente, en otras palabras, representan el tiempo que transcurre desde el comienzo del ensayo hasta que la carga del perfil produce la tensión de fluencia del acero. Estos tiempos son los indicados en la primera columna de la tabla, ya que en ellos la tensión es el 100% de la tensión de fluencia del acero. Los sectores de las curvas ubicados por arriba de la línea horizontal corresponde a la zona donde se excederían las cargas de cálculo máximas permitidas, pero aún el acero del montante no ha llegado a la fluencia, es decir, es una zona de coeficiente de seguridad menor que el utilizado para el cálculo pero que aún conserva una reserva de carga antes que el acero entre en fluencia.

Al usar los puntajes de resistencia al fuego determinados por el informe UL U 425 se deberá tener en cuenta lo siguiente:

  • Las cargas se expresan como porcentaje de la máxima carga especificada para el montante por el fabricante.
  • Los montantes deben calcularse de acuerdo a la Especificación para el Cálculo de Estructuras de Acero Conformado en Frío de la AISI, edición vigente al momento.
  • La presencia de aislación térmica en la cavidad no afecta el puntaje obtenido de resistencia al fuego. Los ensayos demostraron que un panel ensayado sin aislación no reduce su integridad estructural, ni provoca la aparición de prematuros focos calientes en la cara no expuesta.
  • Los puntajes de paredes interiores son también aplicables a las exteriores.
    Se puede sustituir la placa de roca de yeso resistente al fuego en la cara externa por placa común.
  • Si se sustituye la placa de roca de yeso resistente al fuego y a la humedad por placa no resistente al agua, por ejemplo en baños, el puntaje obtenido no cambia.
  • Para paredes exteriores con murode ladrillos de espesor indicado más arriba, los puntajes de resistencia al fuego se aplican a cualquiera de las dos caras.
  • Los puntajes obtenidos para paredes portantes pueden aplicarse también a paredes no portantes.
  • La placa de roca de yeso no es la única protección posible para la estructura de acero. Podrán utilizarse otro tipo de protecciones a criterio de las autoridades de aplicación.

El tiempo necesario para permitir la evacuación del edificio ante un incendio, que es función del uso del edificio y sus características arquitectónicas, se podrá regular entonces variando el espesor del revestimiento de roca de yeso.