F.2.18 — Diseño para condiciones de incendio
Diseño estructural del acero ante incendio: combinación de cargas (F.2.18-1), incendio de diseño, propiedades del acero y del concreto a temperaturas elevadas (tablas F.2.18.2-1 y F.2.18.2-2), dilatación térmica, métodos de análisis simplificados para miembros a tensión, compresión y flexión (ecuaciones F.2.18.2-1 a F.2.18.2-9) y ensayos de calificación ASTM E119.
Este Capítulo proporciona criterios para el diseño y evaluación de componentes y sistemas de acero estructural para condiciones de incendio. Se prescriben criterios para determinar la temperatura de diseño, la expansión térmica y la degradación en las propiedades mecánicas de los materiales a temperaturas elevadas, que causan la disminución progresiva en la resistencia y la rigidez de los componentes y sistemas estructurales sometidos a temperaturas elevadas.
Se incluyen las siguientes secciones:
- F.2.18.1 — Provisiones generales
- F.2.18.2 — Diseño estructural para condiciones de incendio por métodos analíticos
- F.2.18.3 — Diseño por ensayos de calificación
F.2.18.1 — Provisiones generales
F.2.18.1.1 — Objetivos de desempeño
Los componentes estructurales del edificio deben diseñarse de tal forma que mantengan su función de soportar las cargas durante el incendio de diseño, al tiempo que satisfagan los otros objetivos de desempeño requeridos para el uso del edificio.
Se aplicarán criterios de deformación siempre que los medios que proporcionan la resistencia al fuego de la estructura, o los criterios de diseño para las barreras contra incendio, dependan de que se limiten las deformaciones de la estructura portante.
Dentro del recinto donde se origina el fuego, las fuerzas y deformaciones asociadas al incendio de diseño no deben generar una brecha en la compartimentación horizontal o vertical.
F.2.18.1.2 — Diseño por métodos analíticos
Se permite el uso de los métodos de análisis del numeral F.2.18.2 para documentar el comportamiento esperado de una estructura de acero sujeta al incendio de diseño. Los métodos de dicha sección son suficiente evidencia del cumplimiento de los objetivos de desempeño establecidos en F.2.18.1.1.
El diseño estructural para condiciones de incendio con base en el numeral F.2.18.2 deberá ejecutarse de acuerdo con las provisiones del numeral F.2.2.3.3.
F.2.18.1.3 — Diseño por ensayos de calificación
Se permite usar los métodos de ensayos de calificación de la sección F.2.18.3 para establecer la resistencia al fuego de una estructura de acuerdo con los estándares requeridos por este Reglamento.
F.2.18.1.4 — Combinaciones de carga y resistencia requerida
La resistencia requerida de una estructura y sus elementos se determinará a partir de la siguiente combinación de cargas gravitacionales:
| [0.9 ó 1.2] D + T + 0.5 L + 0.2 G | (F.2.18-1) |
donde:
| Símbolo | Significado |
|---|---|
| D | = carga muerta nominal |
| L | = carga viva nominal |
| G | = carga nominal de granizo |
| T | = fuerzas y deformaciones nominales causadas por el incendio de diseño definido en el numeral F.2.18.2.1 |
A la anterior combinación de cargas deberá adicionarse una carga ficticia lateral, Ni = 0.002 Yi, como se define en el numeral F.2.3.2.2, donde Ni es la carga ficticia lateral aplicada a la estructura en el nivel i y Yi es la carga gravitacional aplicada en el nivel i según la combinación F.2.18-1. D, L y G serán las cargas nominales especificadas en el Título B de este Reglamento.
F.2.18.2 — Diseño estructural para condiciones de incendio por métodos analíticos
Se permite diseñar los miembros, componentes y estructuras de edificios en general para temperaturas elevadas de acuerdo con los requisitos de esta sección.
F.2.18.2.1 — Incendio de diseño
Se debe definir un incendio de diseño que represente las condiciones de calentamiento para la estructura. Estas condiciones de calentamiento deberán derivarse de los materiales combustibles y de las características del recinto donde se presenta el incendio supuesto. La carga de fuego debe estar basada en el uso definido en el titulo J de este Reglamento. Las condiciones de calentamiento se especificarán ya sea en términos de un flujo de calor o de temperatura en la capa superior de gas generada por el incendio. Deberá determinarse la variación de las condiciones de calentamiento con el tiempo a lo largo del incendio.
Cuando se utilicen los métodos analíticos del numeral F.2.18.2 para demostrar la equivalencia de materiales o métodos alternativos según lo permitido por este Reglamento, el incendio de diseño deberá determinarse de acuerdo con la norma ASTM E119.
F.2.18.2.1.1 — Incendio concentrado
Cuando la velocidad de transferencia de calor de un incendio es insuficiente para causar la ignición, se debe suponer una exposición a un incendio concentrado. En tales casos, se deben utilizar la composición del combustible, la distribución del mismo, y el área de piso ocupado, para determinar el flujo de calor irradiado a la estructura a partir de la llama y la columna de humo generada.
F.2.18.2.1.2 — Incendios posteriores a la ignición
Cuando la velocidad de transferencia de calor de un incendio es suficiente para causar la ignición, se debe suponer un incendio posterior a la ignición en el recinto considerado. La determinación de la curva temperatura-tiempo del incendio debe incluir la carga de fuego, las características de ventilación naturales o mecánicas en el espacio, las dimensiones del recinto y las características térmicas de los límites del recinto.
La duración del incendio en un área en particular se determinará considerando la masa total combustible, esto es, la carga de fuego disponible en el recinto. Para el caso de incendios concentrados o incendios posteriores a la ignición, la duración se determinará como la masa total de combustible dividida entre la velocidad de pérdida de masa.
F.2.18.2.1.3 — Incendios exteriores
Deberá considerarse la exposición de la estructura exterior a llamas proyectadas a través de las ventanas y otras aberturas en los muros, como resultado de un incendio posterior a la ignición en un recinto, en conjunto con la radiación generada por el fuego interior a través de las aberturas. Deberán usarse el perfil y la longitud de la proyección de la llama, junto con la distancia entre la llama y el acero exterior, para determinar el flujo de calor hacia el acero. Para modelar las características del fuego dentro del recinto deberá utilizarse el método indicado en la sección F.2.18.2.1.2.
F.2.18.2.1.4 — Sistemas de protección activa
Al especificar el incendio de diseño se deben considerar los efectos de los sistemas de protección activa contra incendio.
Cuando se instalan ventilaciones automáticas para humo y calor en recintos que no tengan rociadores, la temperatura del humo resultante será determinada mediante cálculos.
F.2.18.2.2 — Temperaturas en sistemas estructurales sometidos a incendio
Las temperaturas causadas por el incendio de diseño en los elementos estructurales, componentes y estructuras en general deberán ser determinadas por un análisis de transferencia de calor.
| Temperatura del Acero °C | kE = E(T) / E = G(T) / G | kp = Fp(T) / Fy | ky = Fy(T) / Fy | ku = Fu(T) / Fy |
|---|---|---|---|---|
| 20 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 1.00 |
| 93 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 1.00 |
| 204 | 0.90 | 0.80 | 1.00 | 1.00 |
| 316 | 0.78 | 0.58 | 1.00 | 1.00 |
| 399 | 0.70 | 0.42 | 1.00 | 1.00 |
| 427 | 0.67 | 0.40 | 0.94 | 0.94 |
| 538 | 0.49 | 0.29 | 0.66 | 0.66 |
| 649 | 0.22 | 0.13 | 0.35 | 0.35 |
| 760 | 0.11 | 0.06 | 0.16 | 0.16 |
| 871 | 0.07 | 0.04 | 0.07 | 0.07 |
| 982 | 0.05 | 0.03 | 0.04 | 0.04 |
| 1093 | 0.02 | 0.01 | 0.02 | 0.02 |
| 1204 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
F.2.18.2.3 — Resistencia de los materiales a temperaturas elevadas
Las propiedades de los materiales a temperaturas elevadas se determinarán por medio de ensayos. Cuando no se dispone de estos datos, se permite usar las propiedades de los materiales estipuladas en esta sección. Estos datos no aplican para aceros con una resistencia a la fluencia superior a 448MPa o para concretos con una resistencia especificada a compresión mayor que 55 MPa.
F.2.18.2.3.1 — Dilatación térmica
Los coeficientes de expansión se tomarán como sigue:
Expansión térmica de aceros estructurales y de refuerzo — para cálculos a temperaturas por encima de 65ºC, el coeficiente de expansión térmica será de 14X10⁻⁶/ºC
Expansión térmica de concreto de peso normal — para cálculos a temperaturas por encima de 65ºC, el coeficiente de expansión térmica será 18X10⁻⁶/ºC
Expansión térmica de concreto aligerado — para cálculos a temperaturas por encima de 65ºC, el coeficiente de expansión térmica será 7.9X10⁻⁶/ºC
F.2.18.2.3.2 — Propiedades mecánicas a temperaturas elevadas
Deberá tenerse en cuenta en el análisis estructural la degradación de la resistencia y rigidez de los elementos, componentes y sistemas estructurales. Se permite utilizar en el análisis estructural los valores de Fy(T), Fp(T), Fu(T), E(T), G(T), f′c(T), Ec(T) y εcu(T) a temperaturas elevadas, expresados como proporción de estas mismas propiedades a temperatura ambiente, supuesta de 20ºC, de acuerdo con las tablas F.2.18.2-1 y F.2.18.2-2. Se permite interpolar entre estos valores.
| Temperatura del Acero °C | kc = f′c(T) / f′c — Concreto de peso normal | kc = f′c(T) / f′c — Concreto aligerado | Ec(T) / Ec | εcu(T) % — Concreto de peso normal |
|---|---|---|---|---|
| 20 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 0.25 |
| 93 | 0.95 | 1.00 | 0.93 | 0.34 |
| 204 | 0.90 | 1.00 | 0.75 | 0.46 |
| 288 | 0.86 | 1.00 | 0.61 | 0.58 |
| 316 | 0.83 | 0.98 | 0.57 | 0.62 |
| 427 | 0.71 | 0.85 | 0.38 | 0.80 |
| 538 | 0.54 | 0.71 | 0.20 | 1.06 |
| 649 | 0.38 | 0.58 | 0.092 | 1.32 |
| 760 | 0.21 | 0.45 | 0.073 | 1.43 |
| 871 | 0.10 | 0.31 | 0.055 | 1.49 |
| 982 | 0.05 | 0.18 | 0.036 | 1.50 |
| 1093 | 0.01 | 0.05 | 0.018 | 1.50 |
| 1204 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 1.50 |
F.2.18.2.4 — Requisitos para el diseño estructural
F.2.18.2.4.1 — Integridad general de la estructura
La estructura deberá proporcionar la resistencia y capacidad de deformación adecuadas para atender los efectos desarrollados durante el incendio cumpliendo con los límites de deformación prescritos. El sistema estructural deberá diseñarse aceptando algún grado de daño local pero permaneciendo estable como un todo.
Se deben suministrar trayectorias de carga continuas que transfieran todas las fuerzas desde la región expuesta hasta el punto final de resistencia. La cimentación se diseñará para resistir las fuerzas y tolerar las deformaciones desarrolladas durante el incendio de diseño.
F.2.18.2.4.2 — Requisitos de resistencia y límites para las deformaciones
La conformidad del sistema estructural con estos requisitos se demostrará construyendo un modelo matemático de la estructura basado en los principios de la mecánica estructural y evaluando este modelo para las fuerzas internas y deformaciones que se desarrollan en los miembros de la estructura como resultado de las temperaturas del incendio de diseño.
Los miembros individuales deberán resistir las fuerzas cortantes, fuerzas axiales y momentos determinados de acuerdo con estas provisiones.
Las conexiones deberán diseñarse para desarrollar la resistencia de los miembros conectados o las fuerzas indicadas anteriormente. Cuando para suministrar la resistencia al fuego se requieran criterios de deformaciones, éstas no deben superar los límites prescritos.
F.2.18.2.4.3 — Métodos de análisis
F.2.18.2.4.3.1 — Métodos de análisis avanzados
Se permite utilizar los métodos de análisis en esta sección para el diseño de todo tipo de las estructuras de acero bajo condiciones de incendio. El incendio de diseño deberá determinarse de acuerdo con el numeral F.2.18.2.1. El análisis incluirá la respuesta térmica y la respuesta mecánica al incendio de diseño.
La respuesta térmica producirá un campo de temperatura en cada elemento estructural como resultado del incendio de diseño e incluirá las propiedades térmicas dependientes de la temperatura para los elementos estructurales y los materiales resistentes al fuego, de acuerdo con la sección F.2.18.2.2.
La respuesta mecánica da como resultado fuerzas y deflexiones en el sistema estructural sometido a la respuesta térmica calculada a partir del incendio de diseño. La respuesta mecánica deberá considerar explícitamente la degradación de la resistencia y la rigidez con el incremento de la temperatura, los efectos de las expansiones térmicas y las grandes deformaciones. Las condiciones de frontera y la restricción en las conexiones deben ser representativas del diseño estructural propuesto. Las propiedades de los materiales serán definidas de acuerdo con la sección F.2.18.2.3.
El análisis resultante deberá considerar todos los estados límites pertinentes, tales como las deflexiones excesivas, fracturas en las conexiones, y pandeo local o global.
F.2.18.2.4.3.2 — Métodos de análisis simplificados
Se permite el uso de los métodos de análisis presentados en esta sección para la evaluación del desempeño de miembros individuales a temperaturas elevadas durante la exposición al fuego.
Se puede suponer que las restricciones y condiciones de apoyo (fuerzas, momentos y condiciones de frontera) aplicables a temperaturas normales se mantienen inalterables durante la exposición al incendio.
Cuando la temperatura del acero sea inferior a 204°C, las resistencias de diseño de los miembros y conexiones podrán calcularse sin entrar a considerar los efectos de temperatura. En caso contrario, ellas deberán calcularse según las provisiones de esta sección.
A temperaturas por debajo de los 204°C, no se requiere considerar la degradación de las propiedades del acero para el cálculo de las resistencias de los miembros bajo el método de análisis simplificado, sin embargo, sí se deben tener en cuenta las fuerzas y las deformaciones que resultan de las temperaturas elevadas.
F.2.18.2.4.3.2.1 — Miembros a tensión
Se permite modelar la respuesta térmica de un elemento a tensión usando una ecuación de transferencia de calor unidimensional, con la entrada de calor correspondiente al incendio de diseño de acuerdo con la sección F.2.18.2.1.
La resistencia de diseño de un miembro a tensión se determinará usando las provisiones de la sección F.2.4, con las propiedades del acero que se estipulan en F.2.18.2.3 y suponiendo una temperatura uniforme en la sección transversal, igual a la temperatura máxima en el acero..
F.2.18.2.4.3.2.2 — Miembros a compresión
Se permite modelar la respuesta térmica de un elemento a compresión usando una ecuación de transferencia de calor unidimensional, con la entrada de calor correspondiente al incendio de diseño de acuerdo a la sección F.2.18.2.1.
La resistencia de diseño de un miembro a compresión se determinará usando las provisiones de la sección F.2.5, con las propiedades del acero estipuladas en la sección F.2.18.2.3, y usando la fórmula F.2.18.2-1 en lugar de las fórmulas F.2.5.3-2 y F.2.5.3-3 para calcular la resistencia nominal a compresión para el estado límite de pandeo flexional:
| Fcr(T) = [0.42 √(Fy(T) / Fe(T))] Fy(T) | (F.2.18.2-1) |
donde Fy(T) es el esfuerzo de fluencia para temperaturas elevadas y Fe(T) es el esfuerzo crítico de pandeo elástico calculado con la fórmula F.2.5.3-4, usando el módulo elástico a temperaturas elevadas, E(T). Para obtener Fy(T) y E(T) deben usarse los coeficientes de la tabla F.2.18.2-1.
F.2.18.2.4.3.2.3 — Miembros a flexión
Se permite modelar la respuesta térmica de elementos a flexión usando una ecuación de transferencia de calor unidimensional para calcular la temperatura de la aleta inferior y suponer que ésta es constante sobre toda la profundidad del miembro.
La resistencia de diseño de un miembro a flexión se determinará usando las provisiones de la sección F.2.6, con las propiedades del acero estipuladas en la sección F.2.18.2.3 y usando las fórmulas F.2.18.2-2 a F.2.18.2-9 en lugar de las fórmulas F.2.6.2-2 a F.2.6.2-6 para calcular la resistencia nominal a flexión para el estado límite de pandeo lateral-torsional de miembros con simetría doble sin arriostramiento lateral.
- (a) Para Lb ≤ Lr(T)
| Mn(T) = Cb [Mr(T) + [Mp(T) − Mr(T)] (1 − Lb / Lr(T))^cx] | (F.2.18.2-2) |
- (b) Para Lb > Lr(T)
| Mn(T) = Fcr(T) Sx | (F.2.18.2-3) |
donde:
| Fcr(T) = (Cb π² E(T) / (Lb / rts)²) √(1 + 0.078 (Jc / (Sx ho)) (Lb / rts)²) | (F.2.18.2-4) |
| Lr(T) = 1.95 rts (E(T) / FL(T)) √(Jc / (Sx ho) + √((Jc / (Sx ho))² + 6.76 (FL(T) / E(T))²)) | (F.2.18.2-5) |
| Mr(T) = Sx FL(T) | (F.2.18.2-6) |
| FL(T) = Fy (kp − 0.3 ky) | (F.2.18.2-7) |
| Mp(T) = Zx Fy(T) | (F.2.18.2-8) |
| cx = 0.6 + T / 250 ≤ 3.0 (T en grados centígrados) | (F.2.18.2-9) |
Las propiedades del material a temperaturas elevadas (Fy(T) y E(T)) y los coeficientes kp y ky se calculan de acuerdo con la tabla F.2.18.2-1. Los otros términos corresponden a los definidos en el numeral F.2.6.
F.2.18.2.4.3.2.4 — Miembros de pisos de construcción compuesta
Se permite modelar la respuesta térmica de elementos a flexión que soportan una losa de concreto usando una ecuación de transferencia de calor unidimensional para calcular la temperatura de la aleta inferior. Dicha temperatura se tomará como constante desde la aleta inferior hasta la mitad de la profundidad del alma, decreciendo linealmente en no más de un 25% desde la mitad de la profundidad del alma hasta la aleta superior de la viga.
La resistencia de diseño de un miembro compuesto a flexión se determinará usando las condiciones de la sección F.2.9, con esfuerzos de fluencia en el acero reducidos de manera consistente con la variación de la temperatura.
F.2.18.2.4.4 — Resistencia de diseño
La resistencia de diseño se determinará de acuerdo con la sección F.2.2.3.3. La resistencia nominal, Rn, se calculará usando las propiedades de los materiales estipuladas en la sección F.2.18.2.3, a la temperatura que se desarrolle bajo el incendio de diseño.
F.2.18.3 — Diseño por ensayos de calificación
F.2.18.3.1 — Normas de calificación
Los miembros estructurales y los componentes de un edificio de acero deberán calificarse para una resistencia al fuego de acuerdo con la norma ASTM E119. Se permite demostrar el cumplimiento de estos requisitos usando los procedimientos que para construcción en acero se especifican en la Sección 5 de la norma SEI/ASCE/SFPE 29-05, Métodos Estándar de Cálculo para Protección de las Estructuras contra Incendios.
F.2.18.3.2 — Construcción restringida
Los sistemas de piso o techo, así como las vigas individuales en edificios, se consideran restringidos cuando la estructura circundante o de y soporte es capaz de resistir las acciones causadas por la expansión térmica en el rango de las temperaturas esperadas.
Las vigas, viguetas y ensambles de acero que soportan losas de concreto y que son soldadas o atornilladas a la estructura principal se deben considerar como construcciones restringidas a la expansión térmica.
F.2.18.3.3 — Construcción no restringida
Las vigas, viguetas y estructuras portantes de acero que no soportan losas de concreto se considerarán no restringidas a la expansión térmica a menos que estén atornilladas o soldadas a una estructura circundante específicamente diseñada y detallada para resistir las acciones causadas por expansión térmica.
Un miembro de acero de una luz o en la luz extrema de un sistema de luces múltiples, apoyado en muros, se considerará no restringido a menos que el muro haya sido diseñado y detallado para resistir los efectos de la expansión térmica.