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Comportamiento frente al fuego de materiales y elementos de la construcción

22/08/2007

José Luís Torero 1

José L. ToreroJosé L. Torero

Comportamiento Frente alComportamiento Frente alFuego de MaterialesFuego de Materiales

yyElementos de la ConstrucciónElementos de la Construcción

BRE Centre for Fire Safety Engineering

The University of EdinburghEdinburgh, EH9 3JNU.K.

School of Engineering and Electronics

Introducción

§ El comportamiento de los materiales es un elemento critico para la evaluación de:§ La resistencia al fuego de una estructura§ El desarrollo de productos§ La investigación de un incendio


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Un Problema Complejo

§ El comportamiento de los materiales es una función de la magnitud del flujo de calor total hacia la superficie y del tiempo de la exposición. § En la mayoría de los casos el

comportamiento final es el resultado de una interacción compleja de muchas variables

Organización

§ Resistencia al Fuego – Materiales que no contribuyen al incendio§ Las propiedades cambian con el aumento de

temperatura

§ Flamabilidad de Materiales – Materiales que contribuyen al incendio§ Degradación y descomposición


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Resistencia al Fuego

§ Resistencia al Fuego – Materiales que no contribuyen al incendio§ Las propiedades cambian con el aumento de temperatura

Clasificación

§ Metales – Acero (SFPE Handbook Ch-4-9)§ Concreto y Ladrillos (SFPE Handbook

Ch-4-10)§ Materiales aislantes (Mowrer et al.)§ Vidrio (NFPA 921)


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Acero

F=Aσ

CargaAreaFuerza

ε=δ/LDeformación

Desplazamiento

Longitud

Diagrama de Deformación y carga

ε

σ

σY

Ruptura

Adelgazamiento

Endurecimiento

PlasticoElasticoσ = E ε

E=Modulo de Young


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Elementos de Acero (I)

§ Propiedades del Acero Cambian con la Temperatura

§ Resistencia (σy~σy,0(1-C1T-C2T4))

§ Modulo de Elasticidad (E=E0(1-C3T2))

§ Densidad (ρ=ρ0(C4-C5T))

Efecto de la Temperatura

ε

σ

σY

Ruptura

PlasticoElastico


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Expansión Térmica

∆T=0

εT>0

σ=0

∆T>0

εT=0

σ>0

∆T>0

Carga Térmicamente Inducida

§ Carga Termica:εT=α∆T

eT=Desplazamiento Térmicoα=Coeficiente de expansión Térmica∆T= Aumento de Temperatura

§ Restricciones en los extremos inducen “Pandeo”


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Elementos Estructurales Delgados

§ Expansión restringida por columnas verticales

∆T~0

∆T>0

Apoyo

Rigido

Apoyo

Rigido

Ejemplos


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Resistencia al Fuego

0

250

500

750

1000

1250

0 30 60 90 120 150 180time [minutes]

Tem

pera

ture

[oC

]

Fire (BS-476-Part 8)

Temperatura

Critica

Rating

Metodología

§ Temperatura critica se define en función del uso§ Temperaturas criticas se establecen para caras

“expuestas” y “no expuestas” al fuego§ i.e. Columnas: expuesta:649oC, no-expuesta:139oC

§ Temperaturas criticas se establecen para elementos sometidos a “carga” o “sin carga”§ i.e. Vigas: carga:426oC, sin-carga:530oC


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Consecuencias

§ Temperatura de fundido§ Aleaciones§ Oxidación§ Corrosión§ Expansión, Deformación y ruptura

Fusión

§ Temperaturas de fusión de muchos materiales están bien establecidas por lo tanto pueden ser utilizadas para estimar temperaturas durante un peritaje

§ 1427oC (acero inoxidable)-1516oC (acero al carbono) § Aluminio (566-650oC) § Bronce (982oC)§ Cobre (1082oC)§ Vidrio (593-1427oC)§ Plomo (327oC)§ Plata (960oC)§ Soldaduras (135-177oC)§ Estano (232oC)


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Aleaciones

§ Las temperaturas de fusión quedan modificadas al contacto con otros metales§ Aluminio o zinc son dos buenos ejemplos. § Aleaciones se dan solo a latas temperaturas y en incendios de

larga duración § Aleaciones se pueden identificar en forma visible y por lo general

aparecen como huecos en el acero§ Un análisis metalúrgico debe confirmar una aleación

§ Otros materiales como el cobre forman aleaciones mas rápidamente, por ejemplo: aleaciones de aluminio-cobre o zinc-cobre ocurren a bajas temperaturas y corta exposición

Oxidación & Corrosión

§ Un aumento de temperatura incrementa la taza de oxidación del acero § La masa total de acero oxidado depende de la

temperatura y de la duración de la exposición§ Interpretación de resultados debe ser

cautelosa§ i.e. incendios con pobre ventilación tienden a aumentar

la corrosión

§ Presencia de ciertos compuestos químicos tienden a acelerar la oxidación


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Expansión y Deformación

§ El acero se expande y dependiendo de las restricciones puede llevar a diferentes formas de deformación § Las cargas naturales de la edificación también

contribuyen a la deformación § Después del incendio las deformaciones no

revierten a su estado original§ Deformaciones estructurales son el resultado

de una compleja interacción de cargas y expansión térmica

Deformaciones Típicas


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Modo de Falla

§ A que temperatura sucede esto?§ Aproximadamente

115oC

oy

ET 115

1012000,200275

6 ≈××

==∆ −α

σ

Ruptura de Conexiones por Enfriamiento

§ Pandeo generado por expansión térmica

§ Contracción durante el enfriamiento genera ruptura de conexiones

Heating Cooling

Expansion Contraction

Failure

Local Buckling

(a) (b)(c)


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Concreto (I)

§ Resistencia a la compresión permanece casi constante hasta llegar a la temperatura critica

100%

TC

Sand Light-weight, TC~650oC

Carbonate, TC~660oC

Siliceous, TC~430oC

Concreto (II)

§ Modulo de Elasticidad Disminuye (E=E0(1-C3T))

§ Densidad Disminuye (ρ=ρ0(C4-C5T))


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Concreto (III)

§ Baja Conductividad térmica – Espesor aparece como una nueva variable

Fire Endurance

(Hours)

5

Thickness [mm]

50 175

Lightweight

Sanded-Lightweight

Air-cooled slag

carbonate

siliceous

Consecuencia – “Spalling” (I)

§ “Spalling” es la perdida de tensión superficial del concreto como consecuencia de los esfuerzos mecánicos inducidos por los gradientes de temperatura§ “Spalling” ocurre solo en presencia de

fuertes gradientes de temperatura (durante calentamiento o enfriamiento)


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Consequencia – “Spalling” (II)

§ “Spalling” es el resultado de una gran cantidad de procesos simultáneos. NFPA 921 establece algunas de las causas probables:§ Humedad presente en concreto “verde”§ Expansión diferencial entre el concreto y los refuerzos de

acero§ Expansión diferencial entre el concreto y diferentes

agregados§ Expansión diferencial entre los diferentes componentes

con granos de diferente tamaño§ Expansión diferencial debida a los gradientes de

temperatura

Paredes de “Yeso” (III)

§ Las paredes de Yeso son uno de los materiales de construcción mas comunes (3 x 109 m2 por año)§ Consisten de una base de sulfato de calcio

hidratado (CaSO4·2H2O) cubierta a ambos lados por papel Gypsum core

Finished paper face Back paper face


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Paredes de Yeso (II)

§ La zona deshidratada pierde sus propiedades mecánicas

§ La zona deshidratada guarda una clara correlación con el calor total impuesto

§ (Dr. F. Mowrer, University of Maryland)

anhydrousdihydrate

0.00

1.27

2.54

3.81

5.08

6.35

7.62

8.89

10.16

11.43

12.70

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

Incident heat load (kJ/m2)

Mea

sure

d d

epth

(mm

)

25 kW/m2

50 kW/m275 kW/m289 kW/m2

Vidrio

§ Rotura del vidrio esta directamente asociada a gradientes de temperatura § Muchas variables afectan la rotura del vidrio:

tipo de vidrio, espesor, taza de calentamiento, aislamiento y restricción mecánica del marco, etc. (NFPA 921). § La presión necesaria para romper un vidrio es

del orden de 2 a 7 kPa mientras que las presiones durante incendios no exceden por lo general los 0.03 kPa.


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Flamabilidad de Materiales

§ Quemado§ Degradación, descomposición y combustión

Introducción

§ Encendido ocurre cuando la superficie de un material combustible alcanza la temperatura de degradación (Pyrolysis)

§ Hasta la temperatura de encendido un material se calienta como los materiales inertes descritos previamente

§ Las propiedades térmicas y mecánicas evolucionan con la temperatura

§ La evolución de la temperatura es difícil de describir puesto que un material sigue deformaciones químicas y morfológicas

§ Una vez que la descomposición comienza el combustible en fase sólida es atacado por el oxigeno (descomposición heterogénea) of puede llevar a la gasificación y a la combustión homogénea.

§ Una serie de ejemplos simples serán utilizados para describir estos procesos


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Temperatura de Encendido

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 500 1000 1500 2000

time [sec]

Tem

pera

ture

[oC

]

12 kW/m^215 kW/m^218 kW/m^2

Tiempo de Encendido

Parámetros Característicos

0

500

1000

1500

2000

2500

0 10 20 30 40

time

[sec

]

[kW/m2]eq ′′&

Calor Critico de Encendido

)TT(h igT

"

ig,0q ∞−=&

( )∞−ρπ=

TTck12

t1

ig

"

i

ig

q&


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Fusión

Materiales Compuestos (I)

§ Los parámetros importantes son:§ La resistencia residual§ Contribución al incendio


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Materiales Compuestos (II)

§ Resistencia residual es una función de:§ Tiempo de exposición§ Tiempo de encendido§ Tiempo de quemado

§ El espesor de la capa carbonizada es el parámetro global que describe el proceso§ La capa carbonizada no soporta carga por ende

a medida que aumenta la sección del material resistente a la carga disminuye

Ejemplo

§ Resina Isophthalic Polyester Reforzada con Fibras de Vidrio Unidireccionales

Temperatures & Mass Loss Rate for Sample #7EHF = 30 kW/m²

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Time (s)

Tem

per

atu

re (

°C)

0

50

100

150

200

250

300

Mas

s L

oss

(g

)

Top Thermocouple Middle Thermocouple Bottom Thermocouple Mass Loss

Ignition @ ~365s

340s 940s


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Pruebas de Resistencia a la Deflexión

Tiempo de Exposición

Example of Strength vs. Timefor 25 kW/m² Exposure Samples

0

100200

300400

500

600700

800

9001000

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Time (s)

Max

. Lo

ad C

arri

ed (

kg)

6c - 300s 4c - 900s 5c - 1800s


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Encendido

Strength Comparison between Ignition & Non-Ignition Samples

050

100150200250300350400450500

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Time (s)

Lao

d C

arri

ed (

kg)

4a - Ignition 2a - Ignition 4b - Non-Ignition 4d - Non-Igntion

Espesor de la Capa Carbonizada

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 50 100 150 200 250

Total Energy [kJ]

Fibe

r Pen

etra

tion

[cm

]

No-Ignition (20 kW/m^2)No-Ignition (25 kW/m^2)No-Ignition (30 kW/m^2)Ignition 30 kW/m^2)Ignition (40 kW/m^2)


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Resistencia Residual

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 50 100 150 200 250Total Energy [kJ]

Max

imum

Car

ried

Loa

d [k

g]

No-Ignition [20 kW/m^2]No-Ignition [25 kW/m^2]No-Ignition [30 kW/m^2]Ignition [30 kW/m^2]Ignition [40 kW/m^2]

Carbonización de la Madera (I)

§ En general las siguientes reglas se aplican para la madera:

§ Tiempo de Exposición –0.6 mm/min (Drysdale, An Introduction to Fire Dynamics, 2nd Edition, 1999) or 25 mm in 45 min (NFPA 921).§ Líneas de demarcación pueden establecerse en función a

zonas donde el espesor de la capa carbonizada es constante. Estas líneas pueden permitir establecer la dirección de propagación (zona de carbonización profunda hacia zona de carbonización superficial)§ Grietas superficiales están relacionadas a altas temperaturas


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Grietas

§ Muchas veces se relacionan con incendios de rápido crecimiento§ No existe ninguna evidencia real que

este sea el caso, grietas aparecen durante la combustión de la madera independiente de las condiciones de combustión (NFPA 921).

Taza de Carbonización

§ Depende de innumerables variables§ Tipo de madera§ Humedad§ Presencia de químicos para retardar el encendido

(fosfatos, boratos)§ Dirección del grano de la madera § Flujo de calor


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Taza de Carbonización (II)

§ El valor de 0.6 mm/min corresponde a un tipo especifico de madera (pino) cuando se carboniza de manera perpendicular al grano con un flujo de calor de aproximadamente 30 kW/m2.

§ Es un valor razonable pero puede variar fuertemente § Para un tipo especifico de madera la siguiente relación

para la taza de carbonización (RW) es mas apropiada:

min]/mm[I10x2.2R 2W •= −

“Smouldering”

§ Smouldering lleva a tazas de propagación 100 veces mas lentas que un fuego normal§ Sin embargo representa un gran peligro§ Transición al fuego abierto es muy rápido§ Altas tazas de producción de monóxido de carbono y

cianuro§ Rociadores no son activados§ Detectores de humo funciona de manera inadecuada§ Muy difícil de extinguir


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Transición a una Llama Abierta

t=120 min t=180 min t=182 min t=184 min t=184 min+ 0.1 sec

t=184 min+0.2 sec

t=184 min+0.3 sec

t=120 min t=180 min t=182 min t=184 min t=184 min+ 0.1 sec

t=184 min+0.2 sec

t=184 min+0.3 sec

Limites para el “Smouldering”

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

5.9 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9

kW/m2

Exp

osur

e T

ime

(s)

ignitionno ignition

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