Estructuras de madera y fuego

Jornada: Estructuras frente al Fuego Estructuras de madera frente al incendio

Jorge Blasco - Estudi m103, SLP

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Estructuras de madera frente al incendio Consideraciones previas: madera como material

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Estructuras de madera y fuego

Consideraciones previas: madera como material •

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La creación del fuego mediante el rozamiento de dos palos y su uso como combustible para la cocina y calefacción han influido decisivamente en la desconfianza de la madera como elemento estructural. Los sucesos históricos de grandes incendios en ciudades con edificios de madera aumentó esta desconfianza (Roma, año 64; Londres, 1666 – dio lugar a la primera normativa contra la madera para incorporar barreras entre edificios medianeros-, Trondhein (Noruega), 1717). De hecho, y desgraciadamente por falta de información, cuando se recibe la noticia de un incendio, si se informa que se trataba de un edificio de madera, la gente lamenta que se siga usando. A lo largo de la Revolución Industrial en el s.XVIII y en EEUU en el s.XIX, los incendios continuaron, pese a que se empezó a prohibir la construcción con estructuras de madera, sustituyéndola por mampostería, hormigón y acero. Jorge Blasco - Estudi m103, SLP

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Roma, 64 Londres, 1666

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Consideraciones previas: madera como material Se formaron departamentos públicos contra incendios, se instalaron suministros públicos de agua y bocas de incendios y mejoras en los camiones y cuerpos de bomberos. El uso del acero y el hormigón en estructuras – no combustibles – se vió como la panacea contra el problema; craso error, que vinieron a demostrar otros grandes incendios, como los de Chicago 1871 y San Francisco 1906 (tras el terremoto), que no tuvieron que ver con la madera y causaron los mismos estragos… •

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Chicago, 1871

El carácter combustible de un material no determina que su eliminación garantice que no se producirá un fuego.

San Francisco, 1906 Tras el terremoto Jorge Blasco - Estudi m103, SLP

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Consideraciones previas: madera como material

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En resumen, los edificios con estructuras de madera deben cumplir con la normativa y reglamentos de fuego igual que todos los otros tipos de construcción y por lo tanto no representan riesgo mayor para sus habitantes.

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Consideraciones previas: madera como material •

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No es frecuente que se mencione, porque no es tan llamativo y exige algunas reflexiones, el que la madera difícilmente puede ser la causa, aunque sí el alimento del incendio; que después del mismo el edificio quedó en condiciones aceptables y que los bomberos pudieron actuar con seguridad ante la firmeza de sus estructuras, salvando posibles víctimas y enseres

Effects of Fire Testing on Glulam timber A) Original size

The above illustration shows that when concrete has perished and steel

B) Section of a member after a half an hour of fire testing

has melted in fire, timber can still take a large load...in a fire, which

C) One hour of fire testing

material would you like your house made out of?

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Consideraciones previas: madera como material

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 La madera y sus productos derivados están formados principalmente por celulosa y lignina, los cuales se componen de carbono, hidrógeno y oxígeno. Estos componentes la hacen combustible. Sin embargo la madera maciza no arde rápidamente y son realmente pocos los casos en los que en un incendio haya sido el primer material en arder. • Sin la presencia de llama, la madera necesita una temperatura en la superficie superior a 400 ºC para comenzar a arder en un plazo de tiempo medio o corto. Incluso con la presencia de llama se necesita una temperatura en la superficie de unos 270-300 ºC durante un cierto tiempo antes de que se produzca la ignición. A pesar de que la madera sea un material inflamable a temperaturas relativamente bajas, en relación con las que se producen en un incendio, es más seguro de lo que la gente cree por las siguientes razones: – Su baja conductividad térmica hace que la temperatura disminuya hacia el interior – La carbonización superficial que se produce impide por una parte la salida de gases y por otra la penetración del calor, por lo que frena el avance de la combustión. – Y al ser despreciable su dilatación térmica no origina esfuerzos en la estructura ni empujes en los muros. Jorge Blasco - Estudi m103, SLP

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Consideraciones previas: madera como material

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 La madera es un material con gran capacidad de aislamiento térmico lo que supone una importante ventaja en caso de incendio. El coeficiente de conductividad térmica de la coníferas (pino y abetos) en la dirección perpendicular varía aproximadamente de 0,09 a 0,12 kcal/mhºC (en las maderas muy ligeras se sitúa en 0,005 y en las pesadas puede llegar a 0,30). En el caso de los tableros de partículas, y dependiendo del espesor, puede variar de 0,08 a 0,15; y en los de fibras de densidad media de 0,06 a 0,72.



La capa carbonizada es 6 veces más aislante que la propia madera. De esta forma el interior de la pieza se mantiene frío y con sus propiedades físicas y mecánicas inalteradas.



La pérdida de capacidad portante de la estructura se debe a una simple reducción de la sección, más que a una pérdida de resistencia del material.

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Laboratori del Foc - EPSEB Jorge Blasco - Estudi m103, SLP

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Estudio del caso del museo del Smithsonian. Washinton D. C. (EEUU) Este museo contiene ejemplares únicos e irremplazables y uno de los mayores peligros a los que están expuestos es el fuego. Tras varios estudios se llegó a la conclusión de que el material que reunía las mejores condiciones de seguridad y trabajabilidad era la madera tratada con ignífugos. Fuente: La madera y su resistencia al fuego (AITIM))

Neil Gibbins - Subjefe de bomberos de Devon y Somerset (Reino Unido) La labor de rescate en un incendio no debe suponer un gran problema con el uso de madera en construcción. Sabemos como se va a comportar frente al fuego. Especificada para uso y una construcción apropiados, en las circunstancias adecuadas es un muy buen material de construcción. Fuente: www.woodforgood.com

Manifiesto de la industria de la madera (Reino Unido) Las estadísticas anuales de incendios del Departamento de Comunidades y Gobierno Local muestran que sólo uno de cada ocho incendios se produjo en un edificio con estructura de madera. Fuente: www.woodforgood.com

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Estructuras de madera frente al incendio Resistencia al fuego - velocidad de carbonización

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Factores que influyen en la combustión de la madera Especie de madera

En las piezas gruesas se retrasa el punto de inflamación porque la superficie a calentar es mayor para una misma fuente calorífica. Las superficies rugosas y angulosas favorecen la inflamación, debido a que el fuego encuentra puntos de entrada singulares que arden con más facilidad. En las superficies lisas las llamas lamen las caras y tardan más en penetrar hacia el interior.

Las maderas más ligeras tienen un mayor volumen de poros. Por ello desprenden los gases con mayor rapidez y el comienzo de la combustión y la velocidad de propagación se producen más rápidamente que en las especies más densas.

Contenido de humedad Cuanta más humedad tenga la madera más tiempo requerirá llegar la combustión ya que primero se ha de evaporar el agua contenida en la madera.

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Las maderas de frondosas de poros dispersos (como el haya), arden más rápidamente que las de poros en anillo (como el roble). Densidad El tiempo de ignición es proporcional a la densidad de la madera. Las maderas más ligeras son las más porosas y por tanto, arden más deprisa que las pesadas porque tienen más aire disponible.

Tamaño de la fuente de calorífica. La fuente calorífica debe aportar suficiente energía para calentar toda la pieza, no bastando una fuente puntual muy intensa: no se puede quemar una viga con una cerilla. Coeficiente de conductividad calorífica de la madera. Su valor es muy bajo, especialmente en la dirección perpendicular a la fibra. Nota: El carbón protege a la pieza de madera de la acción del fuego porque su coeficiente de conductividad calorífico es un 1/4 (1/6) del de la madera. El carbón vegetal (que es el que se crea en la combustión de la madera) arde además a temperaturas superiores a 500ºC que son más difíciles de alcanzar, aunque una vez que se alcanzan sigue ardiendo.

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Fuente: Revista AITIM 293

Escuadría, superficie y forma

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Factores que influyen en la combustión de la madera

Calor específico El calor específico de la madera es bajo, de 0,4 a 0,7 Kcal/kgºC, lo que significa que no se necesita mucho calor para llegar a los 150° C, temperatura a la que empiezan a desprenderse gases combustibles y por tanto a aparecer las llamas.

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Coeficiente de conductividad calorífica de la madera. Su valor es muy bajo, especialmente en la dirección perpendicular a la fibra. El coeficiente de conductividad calorífica de las coníferas (pino y abetos) en la dirección perpendicular varía aproximadamente de 0,09 a 0,12 kcal/mhºC (en las maderas ligeras se sitúa en 0,005 y en las pesadas puede llegar a 0,30). En el caso de los tableros de partículas, y dependiendo del espesor; puede variar de 0,08 a 0,15; y en los de fibras de densidad media de 0,06 a 0,72. Este mismo coeficiente para otros materiales puede alcanzar los siguientes valores 62 (Hierro); 330 (Cobre); de 0,5 a 100 (Cemento); 0,15 (yeso)

Fuente: Revista AITIM 293

Nota: El carbón protege a la pieza de madera de la acción del fuego porque su coeficiente de conductividad calorífico es un 1/4 (1/6) del de la madera. El carbón vegetal (que es el que se crea en la combustión de la madera) arde además a temperaturas superiores a 500ºC que son más difíciles de alcanzar, aunque una vez que se alcanzan sigue ardiendo sin necesidad de aporte de calor, siempre y cuando exista suficiente oxigeno. La capa de carbón se va consumiendo y creando de forma continua y lenta ya que el oxigeno va también disminuyendo desempeñando su papel protector.

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Resistencia al fuego - velocidad de carbonización 600º Zona carbonizada: parte de la madera que ha perdido su capacidad resistente y actúa como aislante. Zona de pirólisis: parte de la madera cuyas propiedades se ven afectadas por el efecto de la temperatura. Zona intacta: parte de la madera que conserva intactas sus propiedades de resistencia.

20º La capa carbonizada actúa de aislante y mantiene el interior de la pieza frío, conservando sus propiedades fisico-mecánicas constantes. La pérdida de capacidad portante de la madera se debe a la reducción de la sección. Factores desfavorables en el comportamiento a fuego: - Alta relación superficie/volumen - Aristas vivas y secciones con partes estrechas -Maderas con fendas -Densidad baja de la madera

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Resistencia al fuego - velocidad de carbonización La madera se autoprotege La carbonización avanza en dirección perpendicular a las fibras y disminuye a medida que aumenta la capa carbonizada. El aislamiento de esta capa carbonizada es seis veces mayor que el de la madera sin carbonizar. La resistencia mecánica de la zona carbonizada disminuye, pero el resto de la pieza sigue intacta. Jorge Blasco - Estudi m103, SLP

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Resistencia al fuego - velocidad de carbonización  La resistencia al fuego de un elemento constructivo se mide como el tiempo durante el que es capaz de seguir cumpliendo su función (resistencia, estanqueidad, aislamiento) en una situación de incendio. Para la madera en grandes escuadrías es fácil alcanzar tiempos elevados de resistencia y estabilidad al fuego. Existe una relación lineal entre la profundidad carbonizada y el tiempo transcurrido. Esta relación constante que se denomina velocidad de carbonización permite determinar cual es la sección residual después de un tiempo determinado. El efecto del fuego sobre las aristas de la pieza produce un redondeo con un radio de curvatura que es función del tiempo. La consideración del redondeo de las esquinas de la sección complica el cálculo de las propiedades mecánicas de la sección residual. Para simplificar este proceso se define una velocidad de carbonización eficaz, con un valor ligeramente superior al real y que permite considerar la sección residual con las aristas vivas (como si no se produjera el redondeo). Jorge Blasco - Estudi m103, SLP

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Resistencia al fuego - velocidad de carbonización Método de cálculo propuesto: CTE : Método de la sección reducida eficaz Eurocódigo 5 : Método de la Resistencia y rigidez reducidas Hipótesis de partida: -

Se analizan elementos estructurales individualmente.

-

Las condiciones de contorno y apoyo son iguales a las iniciales.

-

En elementos de madera no es necesario considerar dilataciones térmicas.

El método se basa en las siguientes consideraciones:

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-

Los valores de resistencia de cálculo y rigidez se consideran constantes durante el incendio.

-

El valor de kmod, se modifica para tener en cuenta que en situación de incendio se modifican los parametros de humedad i temperatura. Su valor menor o igual a la unidad depende del método de cálculo empleado

-

Una sección reducida de madera. Estructuras de madera y fuego

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Resistencia al fuego - velocidad de carbonización CTE

Sección reducida: sección resultante de eliminar de la sección inicial la profundidad eficaz de carbonización, def, en las caras expuestas, alcanzada durante el periodo de tiempo considerado.

def=dchar,n+k0·d0 siendo: dchar,n profundidad carbonizada nominal de cálculo, se determinará de acuerdo con el apartado E.2.2. d0

de valor igual a 7 mm

k0

Superficies no protegidas t≥20 min ………………….k0=1 t20 min ……….. t=0 t≥tch tch

k0=0 k0=1

tiempo de inicio de carbonización de superficies protegidas

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Resistencia al fuego - velocidad de carbonización Eurocódigo 5

Resistencia y rigidez reducidas (Eurocódigo 5): sección resultante de eliminar de la sección inicial la profundidad eficaz de carbonización, def, en las caras expuestas, alcanzada durante el periodo de tiempo considerado. def=dchar,n+k0·d0

siendo:

dchar,n profundidad carbonizada nominal de cálculo, se determinará de acuerdo con el apartado siguiente d0

de valor igual a 7 mm

k0

Superficies no protegidas t≥20 min ………………….k0=1 t20 min ……….. t=0 t≥tch

tfi,req

k0=0 k0=1

es el tiempo de resistencia al fuego requerido para la exposición al fuego normalizado

tpr

es el tiempo de fallo del revestimiento de protección contra el fuego

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Resistencia al fuego - velocidad de carbonización Profundidad de carbonización nominal de cálculo dchar,n: distancia entre la superficie exterior de la sección inicial y la línea que define el frente de carbonización. dchar,n=n·t t

tiempo de exposición al fuego

n

velocidad de carbonización nominal

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Resistencia al fuego - velocidad de carbonización

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Aplicando el anejo A del Eurocódigo 5, parte 1-2 5.

VELOCIDADES DE CARBONIZACIÓN Y PROFUNDIDADES CARBONIZADAS SEGÚN UNA EXPOSICIÓN AL FUEGO PARAMÉTRICO - ESTRUCTURAS DE MADERA (ANEJO A - EUROCODIGO 5)

-

MADERA SIN PROTECCION -

1

madera:

madera aserrada

qt,d =

Velocidad de carbonización βn nominal:

0.8

mm/min

Velocidad de carbonización βpar durante la fase de calentamiento:

1.18

mm/min

-

MJ/m2

205.14

1

1

-

1

Caras expuestas (0/1) periodo con velocidad constante t0:

21.44

min R - 60 dchar = 55.00

mm

dchar =

50.19

mm

(EN1995-1-2_E_2004) dchar máxima=

50.44

mm

ISO 834

Curvas incendio tiempo-te mperatura 1.40 1400.00 1.20

curva parametrica 1.00

TEMPERATURAS G (°C)

1000.00 0.80 800.00

0.60

600.00

0.40

400.00

VELOCIDADES CARBONIZACIÓN (MM/MIN)

1200.00

Sección de madera b=

11.0

y-y

cm

22.0

h=

z-z

Sección residual de madera 0.20

200.00

CTE EC5 0.00

bef=

0.0

cm

bef=

1.0

cm

0.00

0

15

30

Incendio Normalizado Estándar

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45 Curva paramétrica

60

75

Velocidad carbonización (mm/min)

90

y-y

z-z

hef=

11.0

cm

CTE

hef=

12.0

cm

EC5

-

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Resistencia al fuego – madera protegida: velocidad de carbonización

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Velocidad de carbonización nominal de cálculo: variable durante el tiempo de exposición al fuego. Dos posibles casos: 1. Caso: Inicio de la carbonización del elemento por fallo de la protección. Fases. a. El inicio de la carbonización se retrasa hasta el tiempo en que se produce el fallo de la protección tf. Velocidad de carbonización βp = 2·βn (tabla E.1) hasta alcanzar dchar,p min

25 𝑚𝑚 𝑑𝑐ℎ𝑎𝑟,𝑛

b. Velocidad de carbonización: igual a la nominal sin protección βn (tabla E.1)

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Resistencia al fuego – madera protegida: velocidad de carbonización

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2. Caso: Inicio de la carbonización del elemento antes del fallo de la protección. (Protección con lana de roca o placas de yeso laminado) - Fases. a. Hasta el momento en que se inicia la carbonización del elemento tch. b. Hasta el momento en que se produce el fallo de la protección tf. La carbonización de la pieza puede comenzar antes de producirse el fallo de la protección, pero a una velocidad menor que la indicada en la tabla 6.4, hasta que se alcance el fallo de la protección en el tiempo tf; Velocidad de carbonización βp = k2·βn (k2 depende del material de protección) 25 𝑚𝑚 c. Velocidad de carbonización βp = 2·βn (tabla E.1) hasta alcanzar dchar,p min 𝑑 𝑐ℎ𝑎𝑟,𝑛 d. Velocidad de carbonización: igual a la nominal sin protección βn (tabla E.1)

Material de protección:  Lana de roca (e≥20 mm y ≥26 kg/m3), k2 ver en tabla E.2

 Placas de yeso laminado (1 capa tipo F (fire) o varias, la exterior F y la interior A (standart) o H (hidrófuga); k2 = 1 – 0,018·hp : espesor en SLP mm de la capa de yeso Jorge Blascoh-pEstudi m103,

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Resistencia al fuego – madera protegida: velocidad de carbonización

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• Tableros derivados de la madera La velocidad de carbonización con protección de tableros derivados de la madera, se obtiene según la siguiente tabla:

No es necesario considerar la carbonización en las superficies de los elementos recubiertos con revestimientos de protección contra el fuego cuando: tpr ≥ tfi,req donde tpr es el tiempo de fallo del tablero de protección o de otro material de protección, es decir, la duración de la protección eficaz contra la exposición directa al fuego; tfi,req es el tiempo de resistencia al fuego requerido en exposición al fuego normalizado. Jorge Blasco - Estudi m103, SLP

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Resistencia al fuego – madera protegida: velocidad de carbonización

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Y las pinturas o barnices intumescentes?? Estructuras de madera y fuego

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Resistencia al fuego - velocidad de carbonización Resultado de ensayo a fuego, con idéntica sección de partida y idéntica duración del incendio.

Las maderas más ligeras tienen un mayor volumen de poros. Por ello desprenden los gases con mayor rapidez y el comienzo de la combustión y la velocidad de propagación se producen más rápidamente que en las especies más densas.

Se ensayan 1 muestra de conífera y 1 muestra de frondosa

Las maderas de frondosas de poros dispersos (como el haya), arden más rápidamente que las de poros en anillo (como el roble).

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Resistencia al fuego - velocidad de carbonización

Agustín Garzón Cabrerizo

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Resistencia al fuego - velocidad de carbonización CONCLUSIONES

Agustín Garzón Cabrerizo

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• depende del tipo de madera. Sobre todo en densidades altas las frondosas tienen  más bajas que las coníferas . •La densidad es el factor que más influye en : a mayor densidad, menor  •La masividad no parece ser representativa en la variación de  , aunque parece que tiende a aumentar al aumentar ésta. •A partir de exposiciones superiores a 20 min se observa una linealidad en  pero con tendencia a subir. A mayor tiempo de exposición, mayor  para el mismo tipo de madera, aunque la pendiente es muy baja y parece muy lineal •El valor de k0d0 en el cálculo de la profundidad carbonizada (7 mm para t20 min) parece acertado para corregir el desfase de velocidad de carbonización en los primeros 20 min. Aunque los resultados de  reales arrojarían un k0d0 ligeramente mayor de 8-8,7 mm. Para MLE Eucalipto. •Para maderas frondosas de alta densidad los resultados obtenidos de n son muy similares a los dados por el CTE y el eurocódigo: 0,5 (=850 kg/m3) frente a 0,55 mm/min (  450 kg/m3) respectivamente. •Para coníferas los valores reales de n medido son superiores a los dados en las tablas con densidades muy superiores a los 290 kg/m3 que marcan como límite dichas tablas. 0,62 ( =1050 kg/m3) y 0,95 ( =550 kg/m3) frente a 0,8 mm/min (  290 kg/m3) del CTE y Eurocódigo. •Para MLE de pino el valor real de n es superior al de tablas 0,89 ( =510 kg/m3) frente a 0,7 mm/min (  290 kg/m3)

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Resistencia al fuego - velocidad de carbonización

FUNDACION FUEGO - D. Joaquín Sáez y D. Miguel Castro

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Estructuras de madera frente al incendio Comprobación frente al fuego

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Comprobación frente al fuego Normativa vigente Las normativas vigentes en cuanto a prevención de incendios a nivel estatal son:

• el Código Técnico de la Edificación que lo desarrolla en los documentos básicos CTE-SI Seguridad contra incendios, CTE-SUA Seguridad de utilización y accesibilidad • el Reglamento de Seguridad de incendios en establecimientos industriales (RSIEI) • el Reglamento de instalaciones de protección contra incendios (RIPCI). Además existen normativas a nivel de Comunidad Autónoma y a nivel Municipal. Puede aplicarse la normativa Comunitaria UNE EN 1991-1-2, Eurocódigo 1: Acciones en estructuras; Parte 1-2: Acciones generales. Acciones en estructuras expuestas al fuego, y las partes correspondientes de los Eurocódigos 2, 3, 4 y 5.

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Comprobación frente al fuego CTE SI Cumplimiento del DB SI en edificios existentes y efectividad de la adecuación al DB (CTE SI – Diciembre 2012)

Lo que establece este apartado implica, junto con el punto 3 del artículo 2 de la parte I del CTE, que en obras en edificios existentes en las que se den las limitaciones (restricciones) que se citan, no se incumple el CTE si se aplican soluciones que supongan, a juicio de las administraciones de control edificatorio, el mayor grado de adecuación efectiva global posible a las condiciones de este DB. La adecuación a este DB de un elemento que se modifica puede no ser efectiva cuando depende de la necesaria contribución de otros elementos que, por no modificarse con la reforma, no se adecuan a este DB. Por ejemplo, puede ser el caso de reformas que no llegan a tener la suficiente envergadura, en cuanto elementos involucrados, para poder dar una solución efectiva a condiciones de compartimentación, de resistencia al fuego de la totalidad de un elemento (como puede ser una medianería), de reacción al fuego de los acabados de una determinada zona, etc. Jorge Blasco - Estudi m103, SLP

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Comprobación frente al fuego

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La estructura principal de las cubiertas ligeras no previstas para ser utilizadas en la evacuación de los ocupantes y cuya altura respecto de la rasante exterior no exceda de 28 m, así como los elementos que únicamente sustenten dichas cubiertas, podrán ser R 30 cuando su fallo no pueda ocasionar daños graves a los edificios o establecimientos próximos, ni comprometer la estabilidad de otras plantas inferiores o la compartimentación de los sectores de incendio. A tales efectos, puede entenderse como ligera aquella cubierta cuya carga permanente debida únicamente a su cerramiento no exceda de 1 kN/m².

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Comprobación frente al fuego

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Método del tiempo equivalente de exposición al fuego normalizado.  Tiempo de exposición a la curva Normalizada tiempo-temperatura que se supone que tiene un efecto térmico igual al de un incendio real en el sector de incendio considerado.  Anejo B DB-SI UNE EN 1991-1-2:2004

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Solo aparece: -Hormigón - Acero sin proteger - Acero protegido

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 Curvas paramétricas

Estas curvas han establecido de forma empírica la temperatura como función del tiempo, pero con parámetros que dependen de la carga de fuego, las aberturas existentes y de las propiedades térmicas de la envolvente. Se formula una rama ascendente hasta una temperatura máxima y una rama descendente. Eurocódigo 5 ANEXO D (Informativo) EXPOSICIÓN PARAMÉTRICA AL FUEGO • Velocidades y profundidades de carbonización • Capacidad de carga de elementos sometidos a flexión de canto

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Comprobación frente al fuego  Modelos informáticos de dinámica de fluidos deben calibrarse para tener validez

Modelización vivienda en edificio – Sector de Incendios: Programa FDIS

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Comprobación frente al fuego

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Estructuras de madera frente al incendio Comprobación frente al fuego: bases de cálculo

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Comprobación frente al fuego: bases de cálculo  En situación de incendio la comprobación estructural se realiza considerando unas acciones más reducidas, dado el carácter excepcional del incendio, y una sección residual, obtenida al restar la profundidad carbonizada (más una cantidad fija a partir de los 20 minutos de 7mm por efecto de la temperatura en el perímetro de la sección) a las dimensiones iniciales, en cada cara expuesta. Situaciones persistente o transitoria

 j 1

G, j

 GG , j   Q,1  Qk ,1    Q,1  0,i  Qk ,i i 1

Situaciones extraordinarias con acciones accidentales

 j 1

G, j

 Gk , j  Ad   Q,1  1,1  Qk ,1    Q,i  2,i  Qk ,i i 1

 La resistencia de cálculo en situación de incendio es más elevada que en la situación normal. En secciones gruesas es fácil alcanzar tiempos superiores o iguales a 30 minutos.

 Sin embargo con anchuras inferiores a los 90 - 100 mm es difícil llegar a EF – 30 minutos.

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Comprobación frente al fuego: bases de cálculo  Coeficiente parcial de seguridad En el caso de la madera se presentan los siguientes coeficientes parciales de seguridad para el cálculo de la resistencia γM:

 Como se puede observar, y al igual que otros materiales tenemos diferentes coeficientes de seguridad en función del tipo de material y elemento. Pero es único en situación extraordinaria.

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Comprobación frente al fuego: bases de cálculo Combinación de acciones en situaciones extraordinarias con acciones accidentales   G, j  Gk , j  Ad   Q,1  1,1  Qk ,1    Q,i  2,i  Qk ,i j 1

i 1

En situación extraordinaria, todos los coeficientes de seguridad (G, Q) son iguales a cero si su efecto es favorable o a la unidad si es desfavorable. Los coeficientes de simultaneidad según la tabla ya citada:

Simplificando, en situación de incendio:

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G j 1

k, j

 1,1  Qk ,1   2,i  Qk ,i i 1

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Comprobación frente al fuego: bases de cálculo

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Valor de cálculo de la madera en situación de incendio según la siguiente expresión: La estabilidad del elemento de madera se comprende fácilmente. Por efecto del calor la madera se deshidrata, lo que hace aumentar su resistencia. Por cada 1% de pérdida de humedad aumenta un 4% la resistencia a la compresión y en un 2% la resistencia a la flexión, porcentajes de estabilidad que compensan en parte las pérdidas a la misma, por disminución de sección, del producto quemado. Por tanto, “la madera resiste más en situación de incendio que en situación normal”.

X  X d  kmod  k fi   k   ki M 

 Siendo:

CTE

Xd

Valor de cálculo del material.

Xk

Valor característico del material.

γM

Coeficiente parcial de seguridad según tabla 2.3 de DB-SE-M (=1 en situación extraordinaria)

kmod de

Factor de modificación, según clase de duración de la carga y clase de servicio (=1 en situación incendio)

ki de la

Factor de corrección de la resistencia. En él se representan los diferentes factores de corrección

kfi

resistencia: altura, longitud y carga compartida, concretados en un sólo parámetro. coeficiente que permite transformar el valor característico por el valor medio.

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Comprobación frente al fuego: bases de cálculo

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Valor de cálculo de la madera en situación de incendio según la siguiente expresión:

X  X d  k mod, fi  k fi   k   ki M   Siendo los valores los mismos que en el CTE, excepto en madera de conífera: kmod,fi

Eurocódigo 5

Factor de modificación, según clase de duración de la carga, clase de servicio y tipo de esfuerzo

- 1 - para la resistencia a flexión:

k mod, fi  1,0 

1 p  200 Ar

- 2 - para la resistencia a compresión:

k mod, fi  1,0 

1 p  125 Ar

- 3 - para la resistencia a tracción y módulo de elasticidad:

k mod, fi  1,0 

1 p  330 Ar

donde p

es el perímetro de la sección residual expuesta al fuego en metros;

Ar

es el área de la sección residual en m2.

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Estructuras de madera frente al incendio Comportamiento de las uniones

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Comportamiento de las uniones  Las uniones en las estructuras de madera constituyen un punto débil en caso de incendio.  El comportamiento de las uniones carpinteras, en las que los elementos metálicos, o no existen, o están presentes en cantidades mínimas y sin relevancia estructural, es el correspondiente al de la madera por sí misma.

Su respuesta al fuego en general es buena ya que únicamente se produce una pérdida de sección en las superficies expuestas. No obstante, pueden alcanzarse situaciones críticas en las cajas o rebajes con profundidades escasas, en los que es fácil llegar a su desaparición en el tiempo requerido de resistencia al fuego. En estos casos, es sencillo añadir una pieza de madera que sirva de protección adicional como material de sacrificio.  Las mayores profundidades de carbonización se darán en los ensambles de las piezas, bien porque existen juntas que facilitan la penetración o por que se emplean elementos metálicos que conducen el calor hacia el interior.

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Comportamiento de las uniones  Las uniones en las estructuras de madera constituyen un punto débil en caso de incendio.  Las mayores profundidades de carbonización se darán en los ensambles de las piezas, bien porque existen juntas que facilitan la penetración o por que se emplean elementos metálicos que conducen el calor hacia el interior.

 En general, de acuerdo con la norma UNE ENV 1995-1-2, la estabilidad al fuego de las uniones realizadas con elementos metálicos calculadas en situación normal, alcanzan un tiempo de 15 minutos. Para llegar a 30 o 60 minutos es necesario sobredimensionar la capacidad de carga de la unión e incluso proteger los elementos metálicos de la acción del fuego.

Thermo-mechanical analysis of the timber connection under fire using 3D finite element model Karine LAPLANCHE - Ph.D Student, Civil engineering Laboratory (CUST) - Clermont-Ferrand, France

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Comportamiento de las uniones  Estudio de uniones frente al fuego mediante programas de elementos finitos 3D y corroboración y/o calibración mediante ensayos.

Thermo-mechanical analysis of the timber connection under fire using 3D finite element model Karine LAPLANCHE - Ph.D Student, Civil engineering Laboratory (CUST) - Clermont-Ferrand, France

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Comportamiento de las uniones  Estudio de uniones frente al fuego mediante programas de elementos finitos 3D y corroboración y/o calibración mediante ensayos.

Thermo-mechanical analysis of the timber connection under fire using 3D finite element model Karine LAPLANCHE - Ph.D Student, Civil engineering Laboratory (CUST) - Clermont-Ferrand, France

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Comportamiento de las uniones  Estudio de uniones frente al fuego mediante programas de elementos finitos 3D y corroboración y/o calibración mediante ensayos.

Predicting the behaviour of dowelled connections in fire : Fire tests results and heat transfer modelling Karine LAPLANCHE - Ph.D Student, Scientific and Technical Building Centre (CSTB) Dhionis DHIMA Ph.D, P.Eng CSTB Patrick RACHER - Dr-Ing Civil engineering Laboratory (CUST)

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Comportamiento de las uniones Para las uniones entre elementos expuestos a la acción representada por la curva normalizada tiempo-temperatura realizadas con clavos, pernos, pasadores y conectores de anillo y de placa de acuerdo con la norma UNE EN 912:2000 y con barras encoladas, se utiliza el capítulo E.4, para resistencias al fuego no mayores que R 60.

E.4.2 Uniones con piezas laterales de madera E.4.2.1 Uniones no protegidas

En uniones realizadas con pasadores, clavos o tirafondos en los que la cabeza no sobresalga de la superficie de la pieza, pueden considerarse resistencias al fuego superiores a las indicados en la tabla E.5 si se incrementa el espesor, la longitud y el ancho de las piezas laterales, así como las distancias a la testa y a los bordes desde los elementos de fijación, una cantidad afi, definida por la siguiente expresión: afi = βn ⋅ kflux (treq - tfi,d ) Esta formulación no es válida para resistencias al fuego superiores a 30 minutos Jorge Blasco - Estudi m103, SLP

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Comportamiento de las uniones Intentando apurar el cálculo, podemos utilizar el Método de la carga reducida. El método de la carga reducida consiste en determinar el tiempo de resistencia al fuego teniendo en cuenta la relación que existe entre la solicitación en situación de incendio respecto a la solicitación en situación normal. Además, el método da una expresión para calcular la capacidad de carga en situación de incendio lo que permite la comprobación de la unión. El valor característico de la capacidad de carga de una unión con elementos de fijación a cortante y para la exposición al fuego normalizado, se obtiene según la siguiente expresión: Fv,Rk,fi = η ⋅Fv,Rk con, η = e-k·td,fi donde, Fv,Rk valor característico de la capacidad de carga lateral de la unión con elementos de fijación a cortante a la temperatura normal, véase la norma UNE-EN 1995-1-1 capítulo 8 o el DB SE Madera del CTE; h factor de conversión; k parámetro dado en la tabla 6.3 del EC5 parte 1.1,

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Comportamiento de las uniones td,fi valor de cálculo del tiempo de resistencia al fuego de la unión sin proteger cargada con el cálculo del efecto de las acciones en la situación de incendio. 1

𝑡𝑑,𝑓𝑖 = − 𝑘 · ln

𝜂𝑓𝑖 ·𝛾𝑀,𝑓𝑖 𝛾𝑀 ·𝑘𝑓𝑖

valor

de

(1)

El valor de cálculo de la capacidad de carga se calcula según la ecuación 𝑅𝑘 · 𝑘𝑓𝑖 𝑅20 𝑅𝑑,𝑡,𝑓𝑖 = 𝜂 · =𝜂· 𝛾𝑀,𝑓𝑖 𝛾𝑀,𝑓𝑖 En uniones con clavos o con tirafondos sin que las cabezas sobresalgan, y para resistencias al fuego mayores que las dadas en la expresión (1) pero no mayores que 30 min, el espesor de la pieza lateral y las distancias a la testa y a los bordes deberían incrementarse en una cantidad afi cuyo valor es:

afi = βn (treq – td, fi ) Esta formulación no es válida para resistencias al fuego superiores a 30 minutos

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Comportamiento de las uniones

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E.4.2 Uniones con piezas laterales de madera E.4.2.2 Uniones protegidas Cuando la unión se proteja mediante el adosado de tableros de madera o tableros derivados de la madera, debe cumplirse la siguiente condición: tch ≥ treq − 0,5 ⋅ tfi,d siendo: tch tiempo en el que inicia la carbonización de acuerdo con E.2.3.2.2; treq tiempo requerido para una exposición al fuego normalizado; tfi,d tiempo de resistencia al fuego de la unión sin proteger de acuerdo con la tabla E.5, sometida al efecto de cálculo de las acciones en situación de incendio.

El espesor del parche encolado 1 y de la protección de perno 3 de las figuras se calculará con: afi = βn ⋅ kflux (treq - tfi,d ) Con clavos o tirafondos, la distancia entre ellos será ≥ 100 mm en bordes de la pieza y ≥ 300 en líneas interiores, además de tener la distancia a los bordes ≥ afi. Su penetración ≥ a 6 diámetros. Jorge Blasco - Estudi m103, SLP

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Comportamiento de las uniones

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E.4.2 Uniones con piezas laterales de madera E.4.2.3 Reglas complementarias para uniones con placas de acero en el interior •

Placas de acero centrales con espesor ≥ 2 mm que no sobresalgan de la pieza de madera, el ancho bst debe cumplir las condiciones de la tabla:

•

Placas de acero con ancho menor que las piezas de madera pueden considerarse protegidas en los siguientes casos: Espesor chapa ≤ 3 mm: dg> 20 mm → R30 dg> 60 mm → R60 Uniones con filetes encolados o tableros: dg ó hp> 10 mm → R30 dg ó hp> 30 mm → R60

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Comportamiento de las uniones

Protección de la unión con madera Jorge Blasco - Estudi m103, SLP

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Comportamiento de las uniones E.4.3 Uniones con placas de acero al exterior E.4.3.1 Uniones no protegidas La capacidad resistente de las placas de acero se determina mediante la aplicación de las reglas definidas en el anejo D del CTE SI. A los efectos del cálculo del factor de forma definido en el anejo D, Am/V (m-1), las superficies de acero en contacto con la madera pueden considerarse no expuestas al fuego. Para las placas de acero externas no protegidas que están expuestas directamente únicamente en una cara, la resistencia al fuego R 30 se cumple para un espesor mínimo de la placa de 6 mm si la relación entre la carga y la capacidad de carga en situación de temperatura normal no excede el valor η30 = 0,45.

E.4.3.2 Uniones protegidas Las placas de acero utilizadas como piezas laterales pueden considerarse protegidas si están totalmente recubiertas por madera o productos derivados de la madera cuyo espesor mínimo sea igual a afi de acuerdo con afi = βn ⋅ kflux (treq - tfi,d ) con tfi,d = 5 min.

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Comportamiento de las uniones E.4.3 Uniones con placas de acero al exterior El problema radica en la comprobación a fuego de los elementos metálicos. Recomiendo la lectura de la monografía de Maderia sobre uniones en madera. En su anexo B se acerca al comportamiento de los elementos metálicos dentro de la unión. La temperatura en las piezas de acero, en el supuesto de una distribución uniforme, se determina mediante un cálculo incremental de la temperatura a partir del incremento de temperatura Δθs,t, que depende entre otras cosas, de la masividad o factor de forma del elemento metálico, Am/V, siendo, Am superficie expuesta al fuego del elemento por unidad de longitud, (se considerará únicamente la del contorno expuesto en el sector de incendio analizado). V volumen del elemento de acero por unidad de longitud. Para elementos de sección constante, Am/V es igual al cociente entre el perímetro expuesto y el área de la sección transversal. El incremento de temperatura también depende del valor de cálculo del flujo de calor neto por unidad de área, de la densidad del acero y de su calor específico, que supongo ya os han sido expuestos. La temperatura de las piezas de acero revestidas, suponiendo que se distribuye de manera uniforme, se calcularía de manera similar, considerando dicha protección.

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Comportamiento de las uniones La aplicación de este método al caso de las uniones con elementos de acero expuestos al fuego como es el caso de las chapas externas, muestra que la temperatura del acero al cabo de los 20 minutos ya es prácticamente la temperatura del gas. Al cabo de los 30 minutos la capacidad resistente del acero queda reducida aproximadamente al 9% de la correspondiente a la temperatura normal.

Utilización de pinturas intumescentes: Las pinturas intumescentes están constituidas por productos que reaccionan ante el calor del incendio formando una capa de espuma aislante térmicamente que protege al metal del calor. Aplicación: previa limpieza de la superficie mediante un granallado, aplicación de una capa de imprimación ignífuga y anticorrosiva. Después, se aplica la pintura intumescente que forma una capa muy gruesa, generalmente de color claro, sobre la que se aplica, finalmente, otra capa de una pintura compatible con la capa intumescente, con el color de acabado. Las capas de pintura intumescente y de acabado se suelen aplicar en obra una vez montada la estructura. El proceso resulta muy caro y se suele aplicar en piezas metálicas que no están en contacto con la madera, como por ejemplo tirantes metálicos, pilares de acero dentro de una estructura o barras de acero en una celosía mixta. La empresa suministradora debe indicar el procedimiento de aplicación y garantizar mediante certificaciones de ensayo sus características. Generalmente permiten llegar a un tiempo de R30.

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Comportamiento de las uniones E.4.4 Tirafondos sometidos a carga axial Para tirafondos sometidos a carga axial y protegidos de la exposición directa al fuego. La capacidad resistente en caso de incendio se obtiene mediante un coeficiente reductor (factor de conversión η) que afecta a la capacidad resistente en situación normal. d1,d2 y d3: distancias en mm • Si d2 ≥ d1+ 40 y d3 ≥ d1+20

tfi,d: d1: •

tiempo requerido de resistencia a fuego en minutos. recubrimiento lateral en mm

Si d2 = d1 y d3 ≥ d1+20 mm El factor de conversión η puede calcularse con las fórmulas anteriores sustituyendo tfi,d por 1,25·tfi,d

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Comportamiento de las uniones E.5 Disposiciones constructivas Los tableros utilizados como protección de elementos estructurales tales como vigas y soportes deben fijarse a los elementos de acuerdo con las indicaciones siguientes. • Los tableros deben fijarse directamente al elemento y no a otro tablero.

•

•

• •

En los revestimientos consistentes en múltiples capas de tableros, cada capa debe fijarse individualmente, y las juntas deben desfasarse al menos 60 mm. Separación entre elementos de fijación menor o igual que: 200 mm min 17·hp (espesor del tablero) Profundidad de penetración: 8d para paneles portantes 6d para paneles no portantes Distancia a borde: Min (1,5 hp ó 15 mm) ≤ distancia a borde ≤ 3 hp (espesor de tablero) Estructuras de madera

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y fuego

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Estructuras de madera frente al incendio Tratamientos contra el fuego

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Tratamientos contra el fuego

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Resistencias al Fuego, por especies.-

José Antonio Vázquez Rodríguez

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MUY ELEVADA Eucaliptus Laurel Teca ELEVADA Haya Castaño Pino Oregón Roble Arce MEDIANA Abedul Ciprés Cedro Olmo BAJA Cerezo Abeto blanco Pino silvestre Abeto rojo MUY BAJA Chopo Sauce Francisco Arriaga Tilo Estructuras de madera y fuego

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Diferencia entre reacción al fuego y resistencia al fuego Reacción al fuego: índice de la capacidad del material para favorecer el desarrollo del incendio (fase inicial de desarrollo de un incendio) Resistencia al fuego: tiempo durante el cual el elemento constructivo es capaz de seguir cumpliendo su función en una situación de incendio (segunda fase del incendio). Jorge Blasco - Estudi m103, SLP

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Tratamientos contra el fuego Reacción al fuego. Formas de mejorarla La forma de mejorarla se basa en la incorporación de productos retardantes del fuego mediante los siguientes tratamientos: • Tratamiento en profundidad En el caso de la madera maciza, el producto se introduce de forma artificial mediante presión utilizando un autoclave. En el caso de los tableros, existen diferentes métodos. • Tratamiento superficial Actúan de dos formas diferentes: hinchándose por la acción del calor, formando una capa aislante y/o impidiendo que el oxígeno alcance la madera. Los productos más utilizados son las pinturas y los barnices. Sus principales desventajas radican en su menor duración después de un cierto tiempo perderá su eficacia – y en el caso de las pinturas, no dejan ver el aspecto de la madera. • Tratamientos indirectos La madera se protege con un elemento que tiene unas mejores prestaciones frente al fuego, por lo que quedaría oculta.

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Resistencia al fuego y formas de mejorarla Un error frecuente es creer que si se mejora la Reacción al Fuego se mejora la Resistencia al Fuego. La reacción al fuego solamente hace referencia a la combustibilidad del material y se evalúa con un ensayo específico, mientras que la resistencia al fuego se evalúa con otros ensayos que miden el tiempo que el elemento desempeña su función. En el caso de los elementos estructurales de madera el parámetro principal es la velocidad de carbonización. La forma de mejorar la resistencia al fuego de los elementos estructurales de madera es: • Añadir una sección de sacrificio de madera. • Añadir una sección de sacrificio de un material no combustible o protección pasiva, por ejemplo tableros de yeso. • Añadir una sección de sacrificio intumescente que estará operativa, como las anteriores, durante un cierto tiempo. En estructuras de madera están poco desarrolladas y no son demasiado fiables.

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Productos retardantes del fuego En este apartado se recogen los productos que se pueden utilizar en los tratamientos directos: • Sales para su aplicación por autoclave (doble vacío). Estos productos suelen estar patentados. • Barnices incoloros o ligeramente pigmentados • Pinturas intumescentes

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A continuación se citan las normas armonizadas en las que se recoge la reacción al fuego de algunos productos de madera, tanto estructurales como de carpintería, sin necesidad de ensayo.

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Estructuras de madera frente al incendio Anexos

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Aplicación CTE-DB-SI: Criterios para la interpretación y aplicación del Ministerio de la Vivienda  ¿Puede justificarse la estabilidad al fuego de los elementos estructurales de una cubierta teniendo en cuenta la protección aportada por un techo situado debajo de la misma?  Si, siempre que el techo tenga una resistencia al fuego EI al menos igual al grado de resistencia al fuego R exigible a la estructura de cubierta y que el riesgo de inicio de un incendio en el espacio o cámara existente entre el techo y la estructura de cubierta pueda considerarse nulo.

 ¿Son admisibles las estructuras de cubierta de viviendas unifamiliares a base de cerchas de madera?  La exigencia de que la estructura de la cubierta de las viviendas unifamiliares (cerchas u otro tipo de elementos de madera) tiene una resistencia al fuego R 30 puede cumplirse, o bien dimensionando los elementos estructurales conforme al Anejo SI E, o bien disponiendo entre los elementos estructurales y los espacios habitables inferiores un elemento separador EI 30, de forma que el riesgo de inicio de un incendio en la cámara de cubierta en la que se encuentran los elementos estructurales pueda considerarse prácticamente nulo.

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CURIOSIDAD

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Protección con fuego Existen algunas técnicas antiguas muy llamativas de proteger la madera frente al fuego que además mejoran la protección de la misma frente a otros organismos destructores, por ejemplo, el Shou-sugi-ban. Técnica de procedencia japonesa, su uso es habitual en Japón y en los países nórdicos, aunque es más tradicional en el primero. Se basa en un quemado superficial de las tablas de madera (actualmente utilizando sopletes de temperatura controlada o bien formando una hoguera hueca) para proceder a continuación a un cepillado superficial, un lavado con agua, su posterior secado y para acabar dándole un impregnación de aceites naturales tipo Penofin, que ha de ser renovado cada cierto tiempo (un año, básicamente).

La baja conductividad térmica de la madera, que transmite una pequeña proporción del calor hacia el interior de ella la protege de futuras agresiones.

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Este tratamiento de la madera, bastante laborioso, se ha extendido también a Occidente y son ya conocidos los proyectos de arquitectura que incorporan fachadas o carpinterías de madera carbonizada, utilizando distintas especies de madera. La técnica se ha semi-industrializado, utilizando sopletes para el quemado; según el tiempo de exposición de la llama, así como la manera en que se cepille la madera el aspecto final puede ser variado.

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Muchas gracias por su atención. Jorge Blasco - Estudi m103, SLP

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