COMPARACIÓN DE LOS MÉTODOS DE CÁLCULOS ESTÁNDAR PARA …
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COMPARACIÓN DE LOS MÉTODOS DE CÁLCULOS ESTÁNDAR PARA LA PREVENCIÓN Y PROTECCIÓN CONTRA EL FUEGO EN EL ACERO Y LA MADERA COMO MIEMBROS ESTRUCTURALES EN EDIFICACIONES, SEGÚN EL CÓDIGO DE LA SOCIETY OF FIRE PROTECTION ENGINEERS (SFPE) APLICABLE A LA NORMA SISMO RESISTENTE NSR-10 TÍTULO J. ZULLY ESTEFANÍA LUGO JARA JESUS STEVEN OJEDA CASTILLO UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ 2020
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COMPARACIÓN DE LOS MÉTODOS DE CÁLCULOS ESTÁNDAR PARA LA
PREVENCIÓN Y PROTECCIÓN CONTRA EL FUEGO EN EL ACERO Y LA
MADERA COMO MIEMBROS ESTRUCTURALES EN EDIFICACIONES, SEGÚN
EL CÓDIGO DE LA SOCIETY OF FIRE PROTECTION ENGINEERS (SFPE)
APLICABLE A LA NORMA SISMO RESISTENTE NSR-10 TÍTULO J.
ZULLY ESTEFANÍA LUGO JARA
JESUS STEVEN OJEDA CASTILLO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ
2020
COMPARACIÓN DE LOS MÉTODOS DE CÁLCULOS ESTÁNDAR PARA LA
PREVENCIÓN Y PROTECCIÓN CONTRA EL FUEGO EN EL ACERO Y LA
MADERA COMO MIEMBROS ESTRUCTURALES EN EDIFICACIONES, SEGÚN
EL CÓDIGO DE LA SOCIETY OF FIRE PROTECTION ENGINEERS (SFPE)
APLICABLE A LA NORMA SISMO RESISTENTE NSR-10 TÍTULO J.
ZULLY ESTEFANÍA LUGO JARA - 20162579141
JESUS STEVEN OJEDA CASTILLO - 20152579011
PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERÍA CIVIL
TUTOR ASIGNADO
ING. PAULO MARCELO LÓPEZ P.
MAGISTER EN INGENIERIA CIVIL
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ
2020
Nota de aceptación
____________________________
____________________________
____________________________
____________________________
____________________________
____________________________
Presidente del proyecto
____________________________
Jurado
____________________________
Jurado
Bogotá D.C., 04 de Junio del 2020
DEDICATORIA
A nuestros padres, quienes con sacrificio y esfuerzo nos formaron como personas
íntegras y llenas de valores, porque han sido parte fundamental en el desarrollo de
este proceso de aprendizaje y gracias a ellos hemos conseguido nuestros mayores
logros, a nuestros hermanos por su constante apoyo y a todas las personas que de
alguna u otra manera hicieron parte de nuestro proceso de formación con su apoyo
incondicional y ánimos durante este arduo camino que se llama Ingeniería Civil.
AGRADECIMIENTOS
A la universidad distrital que nos permitió realizar este recorrido durante tantos años
de esfuerzo y dedicación, los cuales nos permitieron no sólo formarnos como
buenos estudiantes y profesionales, sino también, nos permitieron ser mejores
personas en cada uno de los años que estuvimos en la academia. Agradecimientos
a nuestros compañeros de clases, quienes también fueron una piedra angular en
nuestra estadía en la academia con los conocimientos y el tiempo que compartieron
con nosotros. A nuestros profesores que en cada clase y en cada materia hicieron
de este camino el mejor para llegar a donde estamos. Finalmente, al ingeniero Paulo
Marcelo López quien nos dio la confianza y la oportunidad de ejecutar este proyecto
y poder optar a nuestro título profesional gracias a sus consejos y enseñanzas.
TABLA DE CONTENIDO
GLOSARIO ............................................................................................................ 10
RESUMEN ............................................................................................................. 11
ABSTRACT ............................................................................................................ 12
OBJETIVOS ........................................................................................................... 13
OBJETIVO GENERAL ....................................................................................... 13
OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................................. 13
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 14
1.1. IDENTIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA ........................... 14
1.2. JUSTIFICACIÓN ....................................................................................... 14
2. MARCO DE REFERENCIA ............................................................................. 16
3. MARCO TEÓRICO .......................................................................................... 18
4. MARCO METODOLÓGICO ............................................................................ 23
4.1. ALCANCE ................................................................................................. 23
5. NORMATIVA COLOMBIANA - NSR - 10 ........................................................ 24
6. NORMATIVA NORTEAMERICANA – MÉTODOS ESTÁNDAR DE CÁLCULO
PARA LA PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS ESTRUCTURALES - SPFE ..... 27
6.1. MÉTODOS ESTÁNDAR PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA AL
FUEGO DE MADERA Y ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE MADERA........ 28
6.1.1. DISEÑO DE MIEMBROS DE MADERA EXPUESTOS RESISTENTES
AL FUEGO ...................................................................................................... 29
6.1.2. MÉTODO DEL COMPONENTE ADITIVO PARA CALCULAR Y
DEMOSTRAR EL MONTAJE DE RESISTENCIA AL FUEGO ........................ 32
6.2. MÉTODOS ESTÁNDAR PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA AL
FUEGO DE CONSTRUCCIÓN EN ACERO ESTRUCTURAL. .......................... 40
6.2.1. COLUMNAS EN ACERO ESTRUCTURAL ........................................ 40
6.2.2. VIGAS Y VIGUETAS DE ACERO ESTRUCTURAL ........................... 52
6.2.3. ARMADURAS DE ACERO ESTRUCTURAL ..................................... 55
7. EJEMPLOS DEL USO DE LOS MÉTODOS ENCONTRADOS EN EL
REGLAMENTO NORTEAMERICANO - “MÉTODOS ESTÁNDAR DE CÁLCULO
PARA LA PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS ESTRUCTURALES” - SFPE .... 57
7.1. MÉTODOS USADOS EN MADERA ......................................................... 57
7.1.1. VIGAS ................................................................................................ 57
7.1.2. COLUMNAS ....................................................................................... 59
7.1.3. MÉTODO DEL COMPONENTE ADITIVO PARA CALCULAR Y
DEMOSTRAR LA RESISTENCIA AL FUEGO EN ENSAMBLAJES ............... 61
7.2. MÉTODOS USADOS EN ACERO ............................................................ 62
7.2.1. CÁLCULO DE ESPESOR DE SPRAY APLICADO ............................ 62
7.2.2. CÁLCULO DEL TIEMPO DE PROTECCIÓN CON CONCRETO....... 65
8. COMPARACIÓN DE LAS METODOLOGÍAS DE CADA SISTEMA ................ 69
9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................. 72
10. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 74
11. ANEXOS ......................................................................................................... 76
11.1. DISEÑO DEL DIRECTORIO DE LA RESISTENCIA AL FUEGO UL D916
76
11.2. DISEÑO DEL DIRECTORIO DE LA RESISTENCIA AL FUEGO UL N708
88
LISTADO DE TABLAS
Tabla 1. Propiedades térmicas del concreto .......................................................... 25
Tabla 2. Relación entre carga aplicada y resistencia a compresión ...................... 25
Tabla 3. Table g1-bucking length coefficients, ke. Asw nds-2018 .......................... 29
Tabla 4. Tiempo asignado para membranas protectoras ....................................... 33
Tabla 5. Tiempo asignado a componentes de marcos de madera ........................ 34
Tabla 6. Tiempo asignado para aislamiento de cavidad ........................................ 34
Tabla 7. Membrana sobre la cara exterior de muros ............................................. 34
Tabla 8. Membrana de piso o techo ....................................................................... 35
Tabla 9. Propiedades del concreto ........................................................................ 51
Tabla 10. Propiedades de la mampostería de hormigón ....................................... 52
Tabla 11. Propiedades de la mampostería de arcilla ............................................. 52
Tabla 12. Tabla comparativa de métodos aplicativos para aumentar la resistencia
al fuego en las estructuras ..................................................................................... 71
Tabla 13. Propiedades y tipos de concreto ............................................................ 77
Tabla 14. Espesor de spray aplicado ..................................................................... 80
Tabla 15. Espesor de spray aplicado – bordes reducidos a la mitad ..................... 80
Tabla 16. Espesores de spray aplicado – vigas soportando unidades estriadas ... 81
Tabla 17. Grosor de material requerido sobre las viguetas de acero..................... 81
Tabla 18. Clasificación de montajes para concreto aligerado ................................ 82
Tabla 19. Espesores mínimos de spray aplicado................................................... 89
Tabla 20. Espesores mínimos de spray aplicado – vigas soportando losas .......... 89
Tabla 21. Espesores mínimos de spray aplicado – bordes reducidos a la mitad ... 90
Tabla 22. Espesores mínimos de spray aplicado – vigas soportando losas .......... 90
LISTADO DE FIGURAS
Figura - 1. Demostración del accionar del fuego sobre la capa protectora de acero
recubriendo un elemento estructural, y sus respectivas diferencias térmicas. ...... 22
Figura - 2. Perforaciones de las secciones de acero huecas rellenas de concreto 26
Figura - 3. Efecto de relocalizar una lámina tensada dentro de la zona central ..... 31
Figura - 4. Determinación del perímetro calentado (d) de columnas de acero ...... 40
Figura - 5. Columnas de acero estructural protegidas con paneles de yeso con ... 42
Figura - 6. Columnas de acero estructural protegidas con paneles de yeso con
sistema de fijación de tornillo / perno de acero (4 horas o menos) ........................ 43
Figura - 7. Columna de acero estructural con spray aplicado para protección contra
el fuego .................................................................................................................. 47
Figura - 8. Columnas de acero estructural protegidas con concreto ...................... 50
Figura - 9. Columnas de acero estructural protegidas de mampostería de hormigón
............................................................................................................................... 51
Figura - 10. Determinación del perímetro calentado de vigas de acero y viguetas 53
Figura - 11. Cara expuesta al fuego ....................................................................... 60
Figura - 12. Marco de acero ................................................................................... 63
Figura - 13. Perfil estructural en acero ................................................................... 65
Figura - 14. Diseño de montaje de una estructura en acero diseño no. D916 ....... 76
Figura - 15. Diseño de montaje de una estructura en acero diseño no. N708 ....... 88
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GLOSARIO1
BARRERA CONTRA INCENDIO: elemento constructivo formado por materiales
resistentes al fuego y ensayado de acuerdo con la norma ASTM E119 u otro ensayo
de resistencia al fuego aprobado para demostrar su conformidad con el reglamento.
CALIFICACIÓN DE RESISTENCIA AL FUEGO: es el periodo de tiempo durante el
cual un elemento, componente o sistema de la edificación mantiene su capacidad
de contener un incendio o continúa cumpliendo con su función estructural,
determinado por medio de ensayos o métodos basados en ensayos.
FUEGO PATRÓN: fuego con variación de temperatura controlada con el tiempo,
utilizado durante pruebas normalizadas.
INCENDIO: fuego destructivo que se manifiesta por algunas de las siguientes
características: luz, llama, calor o humo.
PRUEBA NORMALIZADA DE INCENDIO: procedimiento estipulado en normas
como la NTC 1480 e ISO 834, entre otras, en el cual la temperatura se eleva en
forma controlada, siguiendo una ecuación definida en función del tiempo del fuego
patrón.
RESISTENCIA AL FUEGO: periodo de tiempo en el que un edificio o los
componentes de este mantienen su función estructural o dan la posibilidad de
confinar el fuego, medido como el tiempo que resiste un material expuesto
directamente al fuego, sin producir llamas, gases tóxicos, ni deformaciones
excesivas.
RESISTENCIA REQUERIDA AL FUEGO: tiempo mínimo de resistencia al fuego,
exigido por la autoridad competente, que debe resistir un miembro estructural u otro
elemento de una edificación, en una prueba normalizada en incendio.
TIEMPO EQUIVALENTE: tiempo que tarda un elemento determinado en alcanzar,
en la prueba normalizada de incendio, el máximo calentamiento que experimentaría
un incendio real.
SECCIÓN GRANDE DE MADERA: un elementos estructural de madera que tiene
una dimensión en su sección en cruz mínima de 6 X 6 pulgadas (nominal).
1 - tomado del Reglamento Colombiano de construcción sismo resistente NSR-10. Título J – requisitos de protección contra incendios en edificaciones. Bogotá D.C., Colombia. 2010. 36 p. y de SOCIETY OF FIRE PROTECTION ENGINEERS. Standard calculation methods for structural fire protection. Estados Unidos. 1998. 67 p.
11
RESUMEN
La protección y prevención contra incendios en edificaciones hace referencia a
todas las medidas de seguridad necesarias para la construcción, funcionamiento y
mantenimiento de edificios. Por lo que se exige, por ejemplo, que los miembros
estructurales como vigas y columnas sean resistentes al fuego.
La elevación de temperatura en una edificación, produce que los materiales
constructivos presenten transformaciones y/o cambios en sus propiedades
mecánicas. El calor fractura y rompe la obra al dilatarse sus componentes, variando
las resistencias de los diferentes elementos estructurales, módulos de elasticidad,
cargas críticas y capacidad portante, lo que puede desencadenar un colapso de la
edificación.
La estabilidad al fuego de un elemento no puede asegurarse más cuándo, bajo el
efecto de la elevación de temperatura, su resistencia mecánica disminuye hasta un
cierto nivel (deformación). Alcanzamos en ese instante la temperatura crítica y un
tiempo de reacción mínimo (en minutos), por lo que una protección adecuada de los
elementos estructurales de madera y acero de una edificación conlleva a una
prevención de posibles colapsos de la estructura por acción del fuego y la protección
de vidas humanas.
El Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente – NSR-10-, Título J
– Requisitos de protección contra incendios en edificaciones, se centran en la
protección, resistencia, detección y extinción contra incendios en las edificaciones,
pero no especifica una protección adecuada en sistemas estructurales hechos en
materiales de acero y madera, por lo que se efectúa una comparación de los
métodos de cálculos estándar para la prevención y protección contra el fuego en
estos dos materiales como miembros estructurales en edificaciones, entre el código
de la Society Of Fire Protection Engineers (SFPE) y la NSR-10, Título J.
12
ABSTRACT
Fire protection and prevention in buildings refers to all the necessary security
measures for the construction, operation and maintenance of buildings. Thus, for
example, structural members such as beams and columns are required to be fire
resistant.
Temperature increased in a building, produces that the constructive materials
present transformations and/or changes in their mechanical properties. The heat
fractures and breaks the work by expanding its components, modifying the different
resistances of the structural materials, elastic moduli, critical loads and bearing
capacity, which can trigger a collapse of the building.
The fire stability of an element cannot have more time, under the effect of the braking
temperature, its mechanical resistance is modified to a certain level (deformation).
At that moment, we reach the critical temperature and a minimum reaction time (in
minutes), so adequate protection of the wooden and steel structural elements of a
building entails the prevention of possible collapse of the structure by the action of
fire and protection of human lives.
The 2010 Colombian Earthquake Resistant Regulation, Title J - Fire protection
requirements in buildings, focus on the protection, resistance, detection and
extinction against fires in buildings, but does not specify adequate protection in
structural systems made of steel and wood, so a comparison has cavity on the
standard calculation methods for fire prevention and protection in these two
materials as structural members in buildings, between the code of the Society of Fire
Protection Engineers (SFPE) and the Colombian Construction Regulations for
Earthquake Resistant 2010 NSR-10, Title J.
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OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Realizar la comparación entre el reglamento NSR-10 título J y los criterios del código
de la Sociedad de Ingenieros de Protección Contra Incendios (SFPE), sobre los
métodos de cálculos estándar que aumentan la resistencia contra el fuego y los
diferentes materiales de protección usados para la construcción de sistemas
estructurales en acero y madera.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Identificar las especificaciones técnicas contra incendios en el Reglamento
Sismo Resistente NSR10, para materiales estructurales vulnerables al fuego
como el acero y la madera.
Ordenar y categorizar los métodos de cálculos estándar encontrados en el
Reglamento Sismo Resistente NSR-10 y en el código de la Sociedad de
Ingenieros de Protección contra Incendios (SFPE), según el tipo material
estructural y/o métodos de protección usados.
Realizar una investigación bibliográfica del reglamento colombiano de
construcción sismo resistente NSR-10 y el código de la Sociedad de
Ingenieros de Protección contra Incendios (SFPE)
Analizar los métodos aplicados en el reglamento norteamericano de la SFPE
que promueven el uso de materiales y diseños constructivos para aumentar
la resistencia al fuego.
Realizar la traducción de los reglamentos técnicos, constructivos y
metodológicos de los “MÉTODOS ESTANDAR DE CÁLCULO PARA LA
PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS ESTRUCTURALES” de la SFPE.
14
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1. IDENTIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Las nuevas tecnologías en los sistemas constructivos que se han desarrollado en
los últimos años en Colombia, han provocado una mayor investigación en procesos
de construcción y protección de las estructuras. El acero y la madera, como
materiales estructurales que se encuentran en auge, deben tener unos parámetros
de resistencia al fuego mínimos, teniendo en cuenta la función tan importante que
efectúan en una construcción como miembros estructurales, con la finalidad de
contribuir a salvaguardar las vida humanas y defender el patrimonio del Estado y
los ciudadanos.
Con el fin de realizar la identificación de métodos preventivos y de protección que
aumenten la resistencia contra el fuego en materiales estructurales como el acero y
la madera, se plantea compara los conocimientos del reglamento colombiano que
rige y regula la construcción de todo tipo de estructuras verticales (NSR-10), con el
código de la Sociedad de Ingenieros de Protección Contra Incendios (SFPE),
sociedad que ha sido establecida desde 1950 en Estados Unidos.
1.2. JUSTIFICACIÓN
La construcción de sistemas estructurales con materiales en acero y madera van en
aumento en el sector constructivo y al mismo tiempo las normativas y
especificaciones técnicas de construcción deben abarcar todo tipo de exigencias
que contribuyan al correcto funcionamiento de miembros estructurales hechos con
estos dos materiales. En grandes estructuras construidas en Colombia como las
torres ATRIO, su sistema estructural cuenta con 18.850 toneladas de acero
estructural para la construcción de las dos torres, el doble del que se usó para la
construcción de la Torre Eiffel, por lo que se debe contemplar la aplicación de
métodos de resistencia y protección contra el fuego en este material estructural.2
2 Arch daily, El sitio web de arquitectura más leído en el mundo. {En línea}. disponible en: (https://www.archdaily.co/co/890179/asi-avanza-torres-atrio-el-proyecto-de-richard-rogers-plus-el-equipo-de-mazzanti-en-bogota)
15
Una edificación debe contar con un sistema estructural (en materiales de acero o
madera) que cumpla con todos los parámetros sismo-resistentes. Una estructura
construida en acero o madera optimiza tiempos de construcción y con una correcta
destinación de recursos, los costos disminuirían, generando un impacto positivo a
la inversión de grandes empresas constructoras. Además de reducir el impacto
medioambiental negativo que ha llegado a tener la construcción en concreto.
Siendo así, la sismo resistente del 2010 debe contener métodos que permitan el
cálculo de resistencia al fuego de miembros estructurales fortaleciendo el objetivo
primordial del reglamento que es reducir a un mínimo el riesgo de la pérdida de
vidas humanas. Con esta premisa, se propone realizar una comparación de
métodos de cálculos estándar para la prevención y protección contra el fuego en
materiales estructurales como el acero y la madera, entre el código de la SOCIETY
OF FIRE PROTECTION ENGINEERS (SFPE) y el reglamento NSR-10 título J.
Según el reglamento NSR-10 título J inciso J.3.5.4 – ELEMENTOS DE ACERO
ESTRUCTURAL, se menciona que los elementos estructurales en acero, no poseen
una resistencia contra el fuego mayor a 15 minutos, por lo que clasifica las
edificaciones con elementos estructurales de acero como edificaciones que no
requieren de protección contra fuego, encasillando el acero en un rango de uso bajo,
lo cual no aprovecha al máximo las capacidades y propiedades que pueden ser
utilizadas en grandes edificaciones con este material como eje de grandes
estructuras en el país. El código de la SOCIETY OF FIRE PROTECTION
ENGINEERS (SFPE) nos sugiere más métodos para aumentar la resistencia contra
el fuego, además de la mencionada en el reglamento NSR-10 título J numeral
J.3.5.4.2 y ampliando lo mencionado en el numeral J.3.5.4.1 el cual cita métodos
avalados por instituciones reconocidas internacionalmente.
Es ese sentido, se evidencia la necesidad de profundizar en el análisis de los
métodos de prevención y protección contra incendios de estos materiales en los
sistemas estructurales de construcción, indagando en lo expuesto en el código
norteamericano de la Sociedad de Ingenieros de Protección Contra Incendios
(SFPE) sobre la implementación de métodos de protección contra el fuego en vigas,
viguetas, columnas y armaduras en madera y acero, que en el Reglamento
Colombiano no son consideradas o contempladas debidamente.
16
2. MARCO DE REFERENCIA
El Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10 es para la
Ingeniería Civil la norma que regula las construcciones colombianas. Siendo así, se
ha realizado una revisión de los temas a tratar en éste proyecto, el cual se enfoca
principalmente en las recomendaciones que formula el Título J – Requisitos de
protección contra incendios en edificaciones. Luego de estudiar este título, se puede
resaltar que materiales como el acero y la madera no se mencionan ni analizan a
fondo en comparación a otros materiales como el concreto, por lo que una
exploración sobre los métodos de protección contra incendios en sistemas
estructurales construidos en acero y madera se hace necesario debido al
incremento comercial que ha impartido las construcciones con este tipo de
elementos. Para el año 2018 la construcción en edificaciones demandó 6.8 billones
de pesos en acero y relacionados, representando el 21% del total de la demanda
de insumos anual, cifra que en los últimos 6 años ha crecido un 60%.3
El NSR-10 sugiere la protección contra incendios del material más usado en
Colombia, el concreto. Por otro lado, las normas de los países desarrollados realizan
ensayos a los productos a temperaturas críticas establecidas entre los 450 y 550
ºC, como es el caso de los ensayos de la ASTM E119. El código de la SOCIETY OF
FIRE PROTECTION ENGINEERS (SFPE), basado en los ensayos realizados por
este reglamento, nos sugieren diferentes formas de proteger las edificaciones y
materiales con los cuáles se están construyendo los más recientes y modernos
espacios comerciales, habitables y laborales, materiales que empiezan a ser
altamente usados por los colombianos como el acero y la madera. Estos materiales
por su practicidad de construcción, tiempos reducidos de entrega y la permisión de
alcanzar grandes alturas y espacios arquitectónicamente prácticos, hacen que sean
materiales con una mayor preferencia por parte de los diseñadores, arquitectos e
ingenieros como base de elementos estructurales.
La madera es un material de construcción natural, de uso ancestral, que ha sido
utilizado desde las primeras edificaciones construidas por el hombre. Este material
es anisotrópico por su capacidad de variación en su resistencia, elasticidad,
temperatura, conductividad, velocidad de propagación de la luz, etc.4, según se le
3 Comité colombiano de productores de acero. El acero colombiano, columna vertebral para el progreso del país, Bogotá, 2018. Pag. 55 4 Construmática, Metaportal de arquitectura, ingeniería y construcción. {En línea}. disponible en: (https://www.construmatica.com/construpedia/Anisotrop%C3%ADa)
17
exija en forma paralela o perpendicular a sus fibras, en compresión, en tracción o
en flexión. Por otro lado, el acero es un material isotrópico ya que sus propiedades
mecánicas y térmicas son las mismas en todas las direcciones, lo que significa que
su alta resistencia es igual en todos los sentidos en las que el material pueda ser
exigido. Es un material industrial por lo que es producido bajo normas,
procedimientos y controles de calidad especificados, lo que resulta altamente
confiable su utilización.
A su vez, el acero y la madera tienen un gran inconveniente respecto a una de sus
mayores debilidades, el fuego. Éste puede reducir grandes estructuras en cuestión
de minutos a cenizas, debido a la alta ignición de estos materiales. El objetivo del
código producido por la SOCIETY OF FIRE PROTECTION ENGINEERS (SFPE) es
prolongar los tiempos de ignición de éstos materiales, permitiendo el tiempo
necesario para la evacuación de los usuarios de hasta una hora adicional a los
tiempos regulares que podrían poseer las estructuras antes de que lleguen a su
colapso.
Los métodos que son mencionados en el código norteamericano de la SFPE
incluyen algunas técnicas que protegen a estos dos materiales; en el caso de la
madera, la protección se realiza con métodos que permiten un diseño de
construcción y ensamble de elementos con espesores, dimensiones mínimas que
permiten una resistencia al fuego de hasta 1 hora, además de aplicar otros métodos
constructivos como el uso de láminas de yeso o madera contrachapada, las cuales
aumentan el tiempo en minutos adicionales a la resistencia al fuego según el
número de elementos adicionales expuestos al fuego.
El código también menciona métodos para aumentar los tiempos de reacción a
incendios en estructuras hechas de acero. Los métodos que se proponen para el
sistema constructivo de las edificaciones son: aditivos en forma de spray, láminas
de yeso que protegen la estructura o el método descrito en el Reglamento NSR-10
título J numeral J.3.5.4.2 que menciona fundiciones de concreto en sitio alrededor
de la estructura, además del numeral J.3.5.4.6 el cual propone que en elementos
en acero estructural con cavidades en el centro se funda concreto, con el fin de
prolongar los tiempos de ignición y resistencia contra fuego, permitiendo una
evacuación total o parcial de los ocupantes.
18
3. MARCO TEÓRICO
A través de la historia, las construcciones y edificaciones ejecutadas por el hombre
han sido susceptibles a sufrir diferentes desastres tanto por acción de la naturaleza
como los terremotos, tsunamis o huracanes, o por efectos del hombre, como los
incendios cuando son provocados ya sean intencionalmente o por un accidente
dentro o fuera de las edificaciones.
Desde los inicios de la humanidad y en su afán por conseguir espacios para
resguardarse de los peligros que puede sufrir al estar a la intemperie por causa de
fenómenos ambientales o por la supervivencia propia de los seres vivos, el hombre
empezó a realizar la construcción de sus aposentos y hogares con un material que
abunda en la naturaleza, la madera, pero considerado altamente inflamable debido
a sus características físicas y químicas.
Data el año 391 D.C. cuando el emperador Teodosio I ordenó la quema de una de
las edificaciones más importantes de la historia al prender en llamas la biblioteca de
Alejandría en Egipto, provocando la pérdida no sólo de tan magno edificio, sino que
también la desaparición de entre 40.000 y 700.000 pergaminos que contenían
conocimientos bastante amplios para ese entonces, demostrando que no sólo las
vidas de las personas son elementos importantes a proteger, pues el conocimiento
que desapareció en este incendio provocado en este año y en posteriores son
valiosas pérdidas para el desarrollo del mundo. En los siguientes años, muchos
incendios más terminaron por desaparecer los restos debilitados, a través del
tiempo de existencia de la biblioteca de Alejandría.
Hacia el año 1613, cuando se tenían más claros los conceptos de construcción de
las estructuras, la madera seguía siendo de los materiales más usados en la
mayoría de los edificios de la época. Fue en este año cuando uno de los teatros
más emblemáticos del mundo en ese entonces, el Globe Theatre, escenario donde
el famoso dramaturgo William Shakespeare expresaba y compartía sus obras con
la sociedad, fue incendiado por un cañón de utilería en medio de una presentación
de sus obras, acabando con el edificio entre las llamas en su totalidad.
Con el paso de los años, muchos incendios se han presentado en importantes
edificaciones como lo han sido castillos medievales, palacios de emperadores y más
recientemente en grandes estructuras como el incendio del palacio Westminster en
Londres en el año 1834, acabando casi con la totalidad de la estructura del vestigio
19
del medioevo de este edificio. En el año 1933 otro de los edificios más importantes
de la época, el Reichstag localizado en Alemania, sufrió el ataque suicida de un
ciudadano holandés, dejando casi en ruinas consumidas por el fuego el parlamento
alemán de aquella época.
Además de las afecciones provocadas por los atentados terroristas a las torres
gemelas el 11 de septiembre de 2001, gran parte de la debilitación de la estructura
se debió a los incendios provocados en medio del desastre, pues casi la totalidad
de las edificaciones tenían su alma en acero estructural, lo que a grandes
temperaturas fundió el cuerpo y estructura provocando su colapso y la muerte de
cerca de 3000 personas que habitaban las torres en ese momento.5
Recientemente y volviendo a espacios de gran importancia cultural para la
humanidad, en el año 2018 se incendió el museo nacional de Río de Janeiro
destruyendo una gran parte de la colección atesorada por este museo a través de
su historia y borrando del recuerdo de los brasileños y del planeta muchos
elementos históricos debido al accionar de las llamas en la estructura. Otro
elemento cultural incendiado por causas desconocidas, fue el que sufrió la catedral
de Notre Dame en Francia, que a pesar de tener una estructura mayoritariamente
en piedra, se vio gravemente afectada por el fuego, demostrando nuevamente lo
frágiles que pueden ser las estructuras y edificaciones cuando son afectadas por
incendios, colocando en gran riesgo la vida de sus usuarios y de los baluartes que
contengan estas ocupaciones.6
Abarcando el tema hacia un ámbito local, los acontecimientos sucedidos en el
edificio Avianca el 23 de Julio de 1973 donde un incendio se desató en el piso 14 y
se propagó por casi toda la estructura dejando un saldo de 4 personas muertas y
otras 63 heridas, es un ejemplo de la importancia que tienen los sistemas de
protección contra incendios en las edificaciones ya que resultó todo un desafío para
los bomberos controlar y apagar el incendio.7 En este edificio, el calor disminuyó la
resistencia y el módulo de elasticidad del acero de las armaduras de la cubierta,
causando un aumento en las deflexiones y otros efectos que hicieron fallar sus
5 El país, Internacional. {En línea}. disponible en: (https://elpais.com/internacional/2019/09/11/actualidad/1568205258_937470.html) 6 Infobae. {En línea}. disponible en: (https://www.infobae.com/america/cultura-america/2019/04/16/seis-grandes-incendios-que-arrasaron-edificios-iconicos-del-mundo/) 7 El Espectador. {En línea}. Disponible en: (https://www.elespectador.com/opinion/memoria-del-fuego-columna-434862)
20
uniones y pandear los miembros de esta estructura, por lo que debieron apuntalar
la cubierta para asegurar su estabilidad.
Los sistemas de protección contra el fuego de estructuras de acero, son una
recopilación de información de las metodologías utilizadas en los Estados Unidos,
México y Europa, donde realiza una pequeña descripción de los sistemas de
protección por aplicación de aspersores, cartones minerales, recubrimientos y
rellenos con diferentes materiales, mantas protectoras y pinturas, entre otros. Estos
sistemas requieren de un estudio detallado y a conciencia al momento de
implementar una mejora a los requisitos de diseño y construcción mencionados en
el reglamento Sismo Resistente NSR-10.
De acuerdo al enfoque que se tiene en el estudio actual, sobre las metodologías de
prevención y protección contra el fuego de materiales estructurales como el acero y
la madera, se requiere profundizar en la comparación entre la NSR-10 y el Código
americano de la SFPE publicado por primera vez en 1998 y actualizado en 2003,
logrando la identificación de carencias en las metodologías actuales que rige la
NSR-10, lo que a futuro podría aumentar la construcción de estructuras en acero y
madera en Colombia, optimizando diseños y donde no necesariamente implique
sobre costos o mayor peso de la estructura. Estos métodos están destinados a
proporcionar a arquitectos, ingenieros, funcionarios de construcción y otros métodos
de cálculo que brinden resultados de resistencia al fuego equivalente a los de ASTM
E119.
Investigaciones y diferentes ensayos hechos en los materiales que se tratarán de
proteger en esta investigación, incluyen los hallazgos y demostración de la
reducción de la resistencia de los materiales como en el ejemplo del acero que
empieza a perder su resistencia gradualmente cuando supera los 300 °C y llegando
hasta un 60% de su resistencia inicial cuando supera los 550 °C, lo que compromete
altamente su estabilidad.8
Grandes avances en el uso de estos materiales, como el de la madera, también se
pueden apreciar en el uso de países donde este material es un recurso principal
para erigir edificaciones. El uso de madera maciza es altamente aprobada como
material estructural debido a sus capas protectoras, las cuales dan a la edificación
una resistencia mayor y un tiempo de ignición mucho mayor a sus pares, con un
8 Arquitectura+acero, Libertass & diseño. {En línea}. Disponible en: (https://www.arquitecturaenacero.org/uso-y-aplicaciones-del-acero/soluciones-constructivas/resistencia-al-fuego)
21
tiempo de hasta 3 horas de ignición, tiempo suficiente para una reacción de
evacuación de sus habitantes preservando sus vidas.9
Muchos de estos métodos y ensayos para hallar un tiempo de resistencia en pie y
tiempos de evacuación adecuados, son los que se tienen en cuenta en el desarrollo
del reglamento norteamericano de la SFPE. Los métodos a usar se basan
ampliamente en los ensayos realizados en la ASTM E119 para hallar las diferentes
resistencias al fuego que alcanzarán los materiales que se estudiarán en el presente
proyecto de investigación.
Estos elementos estructurales han sido ensayados bajo condiciones ideales con
medidas de elementos dentro de una serie de variables como medidas mínimas de
las probetas de ensayo las cuales dependiendo de su incidencia constructiva
(columnas, vigas, muros de carga, juntas, etc.) tienen unas medidas determinadas
a escala real. Además, se tomaron medidas de temperaturas ideales para realizar
un análisis detallado de la resistencia al fuego en el tiempo al que fueron expuestas
las probetas con temperaturas límite de hasta 1200 °F (649 °C).
Adicionalmente, se mencionan los rangos de cargas que fueron aplicados en los
elementos que serán usados para construir una estructura con elementos base de
las edificaciones como lo son la madera y el acero. Estos materiales al ser altamente
vulnerables al fuego, son el blanco perfecto para que la SFPE basara gran parte de
su investigación y tomará los resultados de los ensayos en la ASTM E119 para
lograr la aplicación de fórmulas y metodologías para el aumento de la resistencia al
fuego en el reglamento de construcción y protección norteamericano “MÉTODOS
ESTÁNDAR DE CÁLCULO PARA LA PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS
ESTRUCTURALES” de la SFPE.
Finalmente, en la conferencia impartida por la AISC en su conferencia “A4
Performance-Based Structural Fire Engineering for Steel Buildings” en el año 2020,
se mencionan nuevas metodologías e investigaciones que se implementan en las
estructuras a la hora de requerir el aumento a la resistencia al fuego de estructurales
con materiales base como el acero estructural. Entre estas metodologías se
menciona el beneficio de la protección de los elementos con concreto lanzado,
láminas de yeso y mampostería en columnas y vigas estructurales, ya que la
temperatura empieza a aumentar desde estos elementos hacia el centro de la
9 Arch daily, El sitio web de arquitectura más leído en el mundo. {En línea}. Disponible en: (https://www.archdaily.co/co/932051/la-madera-enfrenta-al-fuego-lo-que-debes-saber-sobre-madera-y-proteccion-contra-incendios)
22
estructura, lo que permitiría que se mantengan mayor tiempo en pie mientras que la
temperatura aumenta gradualmente, permitiendo el desalojo oportuno de la
ocupación.
Otros métodos ofrecidos durante la conferencia incluyen el de una capa protectora
de acero de 1” de espesor a lo largo de elementos estructurales como las columnas
a preservar durante un incendio, preservando el elemento estructural con una
temperatura más baja que la exterior.10
Figura - 1. Demostración del accionar del fuego sobre la capa protectora de acero
recubriendo un elemento estructural, y sus respectivas diferencias térmicas.
10 Jones, B., & Salminen, M.(Abril de 2020). AISC (American Institute of Steel Construction). En Charles J. Carter (Presidencia), 2020 NASCC: The Virtual Steel Conference, Performance-Based Structural Fire Engineering for Steel Buildings. Conferencia llevada a cabo virtualmente.
23
4. MARCO METODOLÓGICO
Para esta adaptación tendremos en cuenta el tipo de investigación documental, ya
que este permite a través de una fuente de información normativa, comparar
métodos de prevención y protección de materiales estructurales susceptibles a
grandes daños, debido a emergencias incendiarias que puedan afectar la
durabilidad y estabilidad de las propiedades físicas de la estructura.
4.1. ALCANCE
Conocer la metodología que ayuda a la prevención y protección de daños
ocasionados por el fuego (incendio), en materiales estructurales como la madera y
el acero, por medio de la implementación de diferentes metodologías aplicadas en
los diferentes reglamentos estudiados.
El alcance final de esta investigación será la comparación de los métodos y
especificaciones técnicas que sugieren el reglamento colombiano de construcción
NSR-10 y el reglamento norteamericano SFPE, en cuanto a los diseños
constructivos, materiales y aplicativos de protección estructurales en dos materiales
que son altamente vulnerables al fuego, el acero y la madera, aumentando el tiempo
de ignición de estas estructuras permitiendo una evacuación de los usuarios de las
edificaciones preservando la mayor cantidad de vidas posibles y tratando de llevar
la filosofía de los reglamentos al máximo posible, el cuál es el resguardo de la vida
de sus habitantes y en lo posible la conservación de las edificaciones.
En esta investigación se tomarán los elementos que se mencionan en cada uno de
los reglamentos estudiados en cuanto a los procedimientos que ofrecen para lograr
un aumento en la resistencia al fuego. Para ello, se revisará cómo son aplicados los
métodos en los miembros estructurales y el uso particular de fórmulas que
determinan el alcance del uso de materiales protectores de las estructuras o los
procedimientos constructivos y especificaciones técnicas que permiten este
aumento de tiempo en medio de la ignición de los edificios.
24
5. NORMATIVA COLOMBIANA - NSR - 10
En el Reglamento Colombiano de construcción Sismo Resistente, Titulo J –
Requisitos de protección contra incendios en edificaciones, se plantea una
evaluación de la provisión de resistencia contra fuego en elementos de edificaciones
(J.3.5). El tiempo equivalente expresa lo que un elemento estructural puede resistir
al calentamiento por un incendio real, por esta razón, la NSR – 10 explica métodos
de protección para elementos en concreto, mampostería y acero estructural.
En el numeral J.3.5.4 – Elementos de Acero Estructural se indica que, si no se
protegen dichos elementos estructurales contra un incendio, este tendrá no más de
15 minutos de resistencia y fácilmente podrá colapsar. Por tanto, para obtener
mayores resistencias al fuego, el acero estructural debe protegerse con productos
adheridos, en este caso el cálculo que realiza el reglamento es para el concreto
como recubrimiento de los elementos en acero, el cual puede ser vaciado en el sitio
o con placas prefabricadas de concreto.
El cálculo de resistencia contra el fuego para este tipo de protección se presenta
con la siguiente ecuación:
𝑅 = 𝑅0(1 + 0.03𝐻) (Eq. 5.1)
Donde:
R = resistencia al fuego, en minutos, en condiciones de equilibrio de humedad.
R0 = resistencia al fuego, en minutos, sin contenido de humedad.
H = contenido de humedad, en porcentaje, de equilibrio del concreto, por
volumen.
La resistencia al fuego, en minutos, R0, cuando el acero se protege con concreto
que no tiene contenido humedad se calcula mediante la siguiente ecuación11:
𝑅0 = 14.74 (𝑊
𝑃)
0.7
+ 0.552 (𝑒1.6
𝑘𝑐0.2) [1 + 6.085𝑥10−5 (
𝑇𝑎
𝑑𝑐𝐶𝑐𝑒(𝐿 + 𝑒))
0.8
] (Eq. 5.2)
11 Reglamento colombiano de construcción sismo resistente, Título J. Colombia, 2010. P. J-22
25
Donde:
W = peso promedio de la columna de acero estructural, por unidad de longitud
(N/m).
P = perímetro calentado de la columna de acero (mm).
e = espesor del recubrimiento de concreto (mm).
𝑘𝑐0.2 = conductividad térmica del concreto a temperatura ambiente (J/h/m/°C).
Ta = capacidad térmica del acero de la columna = 46,975 x W (J/h/m/°C).
dc = densidad del concreto (kg/m3).
Cc = calor especifico del concreto a temperatura ambiente (J/(N. °C))
L = dimensión interior de un lado del cajón cuadrado de concreto que protege
la columna de acero (mm).
En caso de no contar con las propiedades térmicas del concreto que se va a utilizar
en el sitio de obra, se pueden usar las siguientes propiedades especificadas en la
tabla:
Tabla 1. Propiedades térmicas del concreto
Propiedad Peso del concreto
Normal Liviano
Conductividad térmica, kc, W/m/K 1.644 0.606
Calor especifico, Cc, J/kg/K 837.4 837.4
Densidad, dc, kg/m3 2400 1760
Contenido de humedad de equilibrio por
unidad de volumen, H, % 4 5
Cuando se utilizan elementos de acero estructural con secciones huecas rellenas
de concreto, su capacidad estructural debe diseñarse de manera que la relación
entre la carga aplicada a compresión y la resistencia a la compresión del elemento
no exceda los valores especificados en la siguiente tabla:
Tabla 2. Relación entre carga aplicada y resistencia a compresión
Resistencia al fuego en horas
1 1 ½ 2
0.51 0.4 0.36
26
Para los elementos anteriormente mencionados, se recomienda perforar las
paredes del tubo, para permitir que los gases escapen durante un incendio. Los
agujeros deben tener un diámetro inferior a 3.1 mm, ni superior a 13 mm y deben
estar distanciados a no más de 500 mm. Para evitar la corrosión del tubo los
agujeros deben sellarse con material impermeable pero que se desprenda cuando
se le someta a presión desde el interior.
Figura - 2. Perforaciones de las secciones de acero huecas rellenas de concreto
27
6. NORMATIVA NORTEAMERICANA – MÉTODOS ESTÁNDAR DE CÁLCULO
PARA LA PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS ESTRUCTURALES - SPFE
El reglamento americano se basa en los resultados obtenidos por una serie de
ensayos ejecutados que determinan la resistencia al fuego estudiados por la
Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales desarrollados en la ASTM
E119 “Métodos de prueba estándar para pruebas de fuego de materiales de
construcción”, los cuáles son una preocupación que se debe tener en cuenta a la
hora de erigir una estructura, pues éstas no están exentas del accionar del fuego,
llegando a debilitar los materiales estructurales usados como el acero y la madera
y poniendo en riesgo la vida de sus ocupantes. El uso de estos materiales es
altamente aprobado Estados Unidos y en países que presentan temporadas de
invierno y verano, ya que las propiedades térmicas del acero y la madera son
significativas, además poseen una gran ventaja constructiva, tiempos de
construcción reducidos al hacer uso del acero estructural para grandes
edificaciones ofreciendo la disposición oportuna.
Se mencionan dentro del reglamento americano de la SFPE la aplicación de
métodos para determinar la resistencia al fuego en términos de tiempo en diferentes
materiales de construcción estructurales expuestos al fuego como la madera,
concreto, mampostería y acero estructural. Estos métodos son de acceso para los
profesionales de la construcción o los interesados en aplicar los cálculos
equivalentes encontrados en los ensayos de la ASTM E119.
Su alcance está previsto para emular los mismos resultados obtenidos en la ASTM
E119 en cuanto a los tiempos de ignición de las estructuras a las cuales se les
aplicará estos métodos de protección. Los métodos que se mencionan en este
reglamento son únicamente aplicables a materiales específicos estructuralmente
hablando en las edificaciones como lo son el concreto, la mampostería, el acero
estructural y la madera. Cada material tiene reglas y limitaciones de aplicación que
se ven en cada uno de los capítulos del reglamento, de los cuales, se desarrollarán
dos específicamente en este proyecto que serán la madera y el acero.
Es de aclarar que los resultados obtenidos en el reglamento americano de la SFPE
son equivalentes a los resultados obtenidos en los ensayos de la ASTM E119, pero
se debe considerar las diferentes recomendaciones que se aprecien en el
reglamento de construcción de cada país aplicado a cada uno de los materiales
estructurales a usar, por lo que se debe tener en cuenta la responsabilidad y
viabilidad de los usuarios de los métodos que se mencionan en este reglamento.
28
El reglamento es específico en las unidades a utilizar en todos los métodos y
cálculos en unidades de in.-lb a menos que se indique lo contrario, como ocurre en
el uso de las fórmulas aplicadas para el sistema internacional.
6.1. MÉTODOS ESTÁNDAR PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA AL
FUEGO DE MADERA Y ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE MADERA.
En el capítulo Métodos estándar para determinar la resistencia al fuego de
madera y elementos estructurales de madera se mencionan las metodologías
necesarias para determinar la resistencia al fuego de elementos pesados y de gran
sección de madera que sostendrán una carga estructural durante la exposición al
fuego. Se mencionan un modelo matemático con base apruebas que demuestra la
capacidad de estos materiales de resistir al fuego, además del método de
componente aditivo (CAM) para clasificar la resistencia al fuego. Cabe aclarar que
los métodos serán aplicables para un tiempo de resistencia al fuego de 1 hora.
Para ahondar más en los temas que se desarrollarán, se especifican algunos
términos que serán de uso en la aplicación de las fórmulas y métodos para
determinar la resistencia al fuego de la madera, los cuáles se mencionan a
continuación:
Ƴ = constante (2,54 min/in. o 0,1 min/mm)
b = anchura real (ancho) de una viga o lado real más grande de una columna
antes de la exposición al fuego, medida en in o mm
d = profundidad real de una viga o lado más pequeño real de una columna
antes de la exposición al fuego, medida en in o mm
z = factor de carga
l = la longitud no soportada de una columna, medida en pulgadas o mm
r = relación entre la carga aplicada y la carga permitida, indicada como un
porcentaje
Ke = longitud efectiva12
12 Standard Calculation Methods for Structural Fire Protection. Estados Unidos, 2007. P. J-22
29
6.1.1. DISEÑO DE MIEMBROS DE MADERA EXPUESTOS RESISTENTES AL
FUEGO
6.1.1.1. Método analítico para miembros de madera expuestos
Entrando en profundidad con los diferentes métodos de protección mencionados
en el reglamento americano de la SFPE, el método analítico para miembros de
madera expuestos se enfoca en elementos estructurales como vigas y columnas
con una resistencia al fuego de 1 hora. Las cargas que se aplicarán a los elementos
estructurales serán determinadas según los reglamentos de construcción local.
6.1.1.1.1. Factor de carga y factor de longitud efectiva
El factor de carga se determina a partir de dos fórmulas dependiendo de los
elementos estructurales mencionados a continuación. Para la longitud efectiva de
los elementos, se usará la siguiente tabla tomada del reglamento de construcción
americano de la SFPE para madera:
Tabla 3. Table G1-Bucking Length Coefficients, Ke. ASW NDS-2018
Los factores de carga se dividirán en dos partes dependiendo de los elementos a
utilizar en la estructura, comenzando con el Factor de carga para columnas
30
cortas donde toda columna con un Kel/d ≤ 11, el factor de carga z será igual a 1.5
cuando la relación de carga r sea menor o igual al 50% y cuando r sea mayor al
50%, z será igual a:
𝑧 = 0.9 +30
𝑟 (Eq. 6.1)
La segunda clasificación de elementos se indicará en el Factor de carga de vigas
y otras columnas donde toda viga y otras columnas con un Kel/d ≤ 11, el factor de
carga z será igual a 1.3 cuando la relación de carga r sea menor o igual al 50% y
cuando r sea mayor al 50%, z será igual a:
𝑧 = 0.7 +30
𝑟 (Eq. 6.2)
6.1.1.1.2. Vigas
Luego de obtenidos los factores de carga y las longitudes efectivas de los
elementos estructurales, los tiempos de resistencia al fuego de las vigas serán
medidas en función del tiempo (en minutos). Para vigas de madera con medidas
nominales mínimas de 6” (140 mm), y expuesta al fuego en sus cuatro caras será
igual a:
𝑡 = Ƴ𝑧𝑏 [4 − 2 (𝑏
𝑑)] (Eq. 6.3)
Para vigas que sean expuestas al fuego en tres caras será igual a:
𝑡 = Ƴ𝑧𝑏 [4 − (𝑏
𝑑)] (Eq. 6.4)
El reglamento también hace mención a las Vigas de madera laminada encolada
donde se enfocará la tensión en la zona central de la viga y se agregará una
laminación de tensión exterior de 2” (38 mm) de espesor en la parte exterior de la
viga como se presenta a continuación:
31
Figura - 3. Efecto de relocalizar una lámina tensada dentro de la zona central
*Las tensiones laminares son del mismo grado de otras laminaciones con pendiente adicional
restringidas en los nudos.
6.1.1.1.3. Columnas
El cálculo de la resistencia al fuego parte de la misma premisa en cuanto a las
medidas de los elementos a proteger con una dimensión mínima de 6” (140 mm).
La fórmula para determinar la resistencia al fuego cuando la columna esté expuesta
en las cuatro caras será la siguiente:
𝑡 = Ƴ𝑧𝑏 [3 − (𝑑
𝑏)] (Eq. 6.5)
Para columnas que sean expuestas en 3 lados se aplicará únicamente cuando la
cara que no sea expuesta al fuego, sea la de menor dimensión:
𝑡 = Ƴ𝑧𝑏 [3 − (𝑑
2𝑏)] (Eq. 6.6)
L1 grado
L2 grado
L3 grado
L2 grado
L1 grado
1-L1 grado de tensión laminar*
Viga típica de 6 3/4" x 30"
24F-V4
20 Láminas
(30")
6 3/4"
L1 grado
L2 grado
L3 grado
L2 grado
L1 grado
2-L1 grado de tensión laminar*
Viga de rango de 1 hora 6 3/4"
x 30" 24F-V4
6 3/4"
32
6.1.1.1.4. Conectores y correas
El reglamento norteamericano de la SFPE no deja de tener en cuenta partes de la
estructura en madera que la mantienen en pie, como conectores y correas, las
cuales deben ser protegidas al fuego con 1.5” (38 mm) de madera, 5/8” (16 mm) de
lámina de yeso tipo X o cualquier otro material aprobado para la respectiva
protección de la estructura.
6.1.2. MÉTODO DEL COMPONENTE ADITIVO PARA CALCULAR Y
DEMOSTRAR EL MONTAJE DE RESISTENCIA AL FUEGO
El segundo método que recomienda el reglamento norteamericano de la SFPE en
cuanto al aumento a la resistencia al fuego, se menciona mejormente a
continuación:
6.1.2.1. Método analítico para montajes de madera protegida
Este método calcula la resistencia al fuego de los ensamblajes de madera, con una
duración mayor a 1 hora de exposición al fuego en elementos como muros,
piso/cubierta y techo/cubierta, incrementando la resistencia general de toda la
estructura combinando la de cada uno de los componentes. La duración del tiempo
deberá ser mayor o igual a la de la resistencia requerida.
6.1.2.1.1. Tiempos del componente
A la hora de realizar el cálculo de toda la estructura en materiales como la madera,
el reglamento norteamericano de la SFPE no deja de contemplar todos los
elementos que puedan ser perjudiciales a la hora de que cualquier componente de
la estructura del edificio pueda disminuir la resistencia a la exposición al fuego de
la construcción. Es por esto que el reglamento habla del montaje de elementos
como los marcos de madera, el cuál debe ser igual a la suma de los materiales que
protegerán el marco por la cara que será expuesta al fuego. Para saber el tiempo
de que se le asigna a los componentes que protegerán el marco, el reglamento
menciona algunos de ellos y sus respectivos tiempos en la tabla 4. Además, en la
tabla 5 son mencionados los tiempos asignados a los marcos de madera respectivo
al material usado para su ensamblaje. Finalmente, en la tabla 6 se habla sobre los
tiempos que se asignan a la contribución que generan los espacios aislados
(espacios entre el ensamblaje de los muros y sus particiones). Las membranas y
materiales usados se tendrán en cuenta al resultado final del cálculo para la
33
resistencia al fuego. Situación que no sucede con el lado que no será expuesto al
fuego del marco de madera. Esta cara al no ser afectada por la exposición al fuego,
no se deberá añadir a la suma de los componentes del tiempo de resistencia al
fuego final sumado.
6.1.2.1.2. Madera contrachapada expuesta
El uso de madera contrachapada también está permitido como material protector a
la estructura que será expuesta al fuego. Sus tiempos asignados se tomarán de la
tabla 6 donde se menciona que se deberá tomar este material como componente
protector de cavidades y espacios dentro de la estructura.
6.1.2.1.3. Montajes de muros asimétricos
Al usar materiales protectores en los muros de la estructura de diferente tipo, se
permitirá el cálculo de los tiempos totales de resistencia al fuego teniendo en cuenta
el valor menos resistente a la exposición al fuego.
Tabla 4. Tiempo asignado para membranas protectoras
Descripción de acabado Tiempo (min)
3/8 pulg. (9.5 mm) Abeto de Douglas fenólico unido contrachapado 5
1/2 pulg. (12.7 mm) Abeto de Douglas fenólico unido contrachapado 10
5/8 pulg. (15.9 mm) Abeto de Douglas fenólico unido contrachapado 15
3/8 pulg. (9.5 mm) Lámina de yeso 10
1/2 pulg. (12.7 mm) Lámina de yeso 15
5/8 pulg. (15.9 mm) Lámina de yeso 20
1/2 pulg. (12.7 mm) Lámina de yeso tipo X 25
5/8 pulg. (15.9 mm) Lámina de yeso tipo X 40
Doble 3/8 pulg. (9.5 mm) Lámina de yeso 25
1/2 – 3/8 pulg. (12.7 mm – 9.5 mm) lámina de yeso 35
Doble 1/2 pulg. (12.7 mm) Lámina de yeso 40
Doble 5/8 pulg. (15.9 mm) Lámina de yeso tipo X 55
Nota: En muros, las láminas de yeso deben ser instaladas con la dimensión larga (borde) paralelo
a miembros enmarcados con todas las caras, capas, juntas y correas terminadas. 5/8 pulg. (15.9
mm) láminas de yeso tipo X está permitida para ser instalada horizontalmente con las juntas
horizontales no soportadas. En las juntas piso/muro o techo/muro, las láminas de yeso deben ser
instaladas con la dimensión larga con ángulos rectos a las membranas enmarcadas y deben tener
todas las caras, capas, juntas y correas terminadas.
34
Tabla 5. Tiempo asignado a componentes de marcos de madera
Descripción de marcos Tiempo (min)
Tachuelas de madera mínimo de 2 pulg. Nominal (38 mm), 16 pulg. (406 mm)
en el centro 20
Viguetas de madera mínimo de 2 pulg. Nominal (38 mm), 16 pulg. (406 mm) en
el centro 10
Conjuntos de montajes de techo y piso de madera, 24 pulg. (610 mm) en el
centro 5
Tabla 6. Tiempo asignado para aislamiento de cavidad
Descripción de protección adicional Tiempo (min)
Añadir a la clasificación de resistencia al fuego de la madera, postes de paredes
si los espacios entre los postes están llenos con lana mineral de roca o bloques
de lana mineral de escoria con un peso no menor a 1 lb/ft2 de la superficie del
muro (4.8 kg/m2)
15
Añadir a la calificación de resistencia al fuego de postes de muro de madera sin
carga si los espacios entre los postes son llenados con bloques de fibra de vidrio
con un peso no menor que 0.6 lb/ft2 de la superficie del muro (2.9 kg/m2)
5
Excepción: Cuando los muros exteriores requieran ser calificados para la exposición al fuego desde
el interior únicamente, la membrana no expuesta al fuego (exterior) debe ser construida de cualquier
combinación de materiales listado en la tabla 7 o cualquier otra membrana listada en 15 minutos o
mayor de la tabla 4.
Tabla 7. Membrana sobre la cara exterior de muros
Revestimiento Papel Acabado Exterior
5/8 pulg. (15.9 mm)
Machimbre
Cobertura de papel
según el código de
construcción
Madera para exteriores
5/16 pulg. (7.9 mm) Madera
contrachapada plana exterior Madera pareja o dispareja
1/2 pulg. (12.7 mm)
Cobertura de yeso
1/4 pulg. (6.4 mm) Madera
contrachapada plana exterior
1/4 pulg. (6.4 mm) aglomerado
Metal para exteriores
Estuco sobre rejilla de metal
Chapa de mampostería
Ninguno Ninguno 3/8 pulg. (9.5 mm) Madera
contrachapada plana exterior
35
6.1.2.1.4. Ensambles de piso/cubierta y techo/cubierta
La resistencia al fuego para ensamblajes denominados anteriormente, deberá ser
protegida por materiales mencionados en la tabla 8. Será válido el uso de materiales
con un tiempo mayor de 15 minutos como los mencionados en la tabla 4 para la
cara que no será expuesta al fuego.
Tabla 8. Membrana de piso o techo
Ensamblaje
Miembros estructurales
Cobertura de papel
según el código de
construcción
Capa sobre el suelo o
terraza
Acabado de piso o
techo
Piso Madera
1/2 pulg. (12.7 mm)
Madera contrachapada o
11/16 pulg. (17.5 mm)
Madera blanda
contrachapada
Piso de madera dura o
blanda sobre papel de
colgadura; o piso
resistente, piso parqué,
cubiertas de piso en
fibra sintética de fieltro,
alfombrado o tableta de
cerámica sobre 3/8 pulg.
(9.5 mm) de espesor de
subcapa; o tableta de
cerámica sobre 1 1/4
pulg. (31.8 mm) de
mortero.
Techo Madera
1/2 pulg. (12.7 mm)
Madera contrachapada o
1 1/16 pulg. (17.5 mm)
Madera blanda
contrachapada
Material para acabados
de techo con o sin
aislamiento térmico
El reglamento norteamericano de la SFPE menciona en sus comentarios del
capítulo de protección de madera, la habilidad de las vigas y las columnas para
resistir y mantener la estructura en pie durante la exposición al fuego. Antiguos
molinos del siglo XIX eran construidos con grandes cantidades de madera, los
cuales eran bastante buenos para resistir cargas y mantenerse en pie durante un
incendio. Este tipo de maderas son usadas debido a su efecto carbonizado
mencionado en el ensayo de exposición al fuego de la ASTM E119, donde se logra
la carbonización de la madera en una medida de 1/30 de una pulgada por minuto
(0.85 mm/min) para un tiempo de exposición de 15 a 20 minutos. Pasada la primera
fase, la carbonización de la madera se reducirá a un promedio de 1/40 de pulgada
por minuto (0.54 mm/min). Este segundo rango decrece la acción del fuego debido
36
al grado de carbonización logrado en la primera franja de tiempo, el cual protege
parcialmente la estructura. Cuando la madera se ha carbonizado, se crea una
protección adicional de este material sobrante en la sección en cruz de la estructura.
Esta sección del capítulo se refiere al modelo matemático mencionado
anteriormente para hallar el tiempo que resistirá la estructura al fuego.
Este modelo matemático empírico es bastante conservador en cuanto a las
medidas mínimas establecidas para la construcción y ensayo de la estructura en
madera. También, este modelo tiene en cuenta las secciones en cruz que ya han
sido carbonizadas para aumentar la exposición en tiempo al fuego. Además, se
tendrá en cuenta la exposición al fuego a grandes temperaturas, siempre y cuando
se contemplen las dimensiones mínimas de las secciones para la capacidad de
carga-resistencia que ofrecerán los elementos durante un incendio.
Dentro de estos comentarios, se aclara el uso de Vigas de madera laminada
pegada donde la tensión laminar externa es la que más sufre durante un incendio.
Para aumentar la resistencia a la exposición, se sugiere el añadir una capa laminar
de tensión adicional en la estructura, eliminando una capa interna para balancear
el efecto de la resistencia.
En cuanto a piezas fundamentales en la estructura como los conectores y las
correas de metal usadas para dar una mayor estabilidad a la estructura, se deben
proteger de la exposición al fuego por medio de la aplicación de membranas o
cubiertas protectoras. También es permitida la inclusión de los conectores y correas
en la sección en cruz de las vigas y columnas.
Finalmente, gracias a los ensayos ejecutados en 1960 por el consejo nacional de
investigación de Canadá, se lograron establecer las “10 reglas de los rangos de
resistencia al fuego” propuestas por Harmathy, las cuales indican una metodología
para aplicar las resistencias al fuego de los elementos individuales como un modelo
combinado de las mismas al momento de ensamblar la estructura. La mención de
estas reglas será complemento del Método del componente aditivo para calcular
y demostrar el ensamblaje de resistencia al fuego. Las reglas se explicarán
brevemente a continuación:
- Regla 1: la resistencia “térmica” al fuego de una construcción consiste en
que un número paralelo de capas sea mayor que la suma de las
características de resistencias “térmicas” al fuego de las capas individuales
cuando son expuestas separadamente al fuego.
37
Cuando dos materiales de panel, como paneles de yeso o madera contrachapada
se usan como materiales de protección, y se ajustan a la estructura, la resistencia
al fuego de estos materiales individualmente, será combinada para aportar una
mayor resistencia al ensamblaje.
- Regla 2: la resistencia al fuego de una construcción no decrece con la
adición de más capas.
Como lo indica esta regla, cada capa añadida, aumentará el tiempo de resistencia
al fuego, no importa el límite de materiales de cobertura que sean usados.
- Regla 3: la resistencia al fuego de construcciones que contengan espacios
continuos de aire o cavidades es mayor que la resistencia al fuego de
construcciones de peso similar, pero que no contengan espacios o
cavidades.
Todos los espacios que sean creados entre viguetas o juntas protegidas con
materiales de cobertura, aumentarán la resistencia del ensamblaje.
- Regla 4: entre más lejos un espacio de aire o una cavidad esté localizada
de la superficie expuesta, más beneficioso es su efecto en la resistencia al
fuego.
Los espacios creados por Viguetas o juntas protegidas por materiales de cobertura,
con un grosor de panel de 2” (51 mm), se verá mayormente reflejado en la
resistencia, que una cavidad generada por un panel de 1/2" (12.7 mm) de grosor.
Esto se verá mejor reflejado en la regla 7
- Regla 5: la resistencia al fuego de un ensamblaje no puede ser mayor por
aumentar el grosor de una capa de aire completamente cerrada.
Esta regla establece que al aumentar el grosor de los materiales de la estructura
como viguetas o juntas, no se aumentará la resistencia al fuego de la misma.
- Regla 6: Las capas de materiales de baja conductividad térmica se usarán
de mejor manera sobre la cara de la construcción en la cuál será más posible
que ocurra un incendio.
38
Los materiales con base a la madera, serán más eficientes a la hora de proteger la
estructura, que otros materiales que tengan una conductividad térmica más
elevada, como los metales. Esta madera se deberá usar en caras opuestas del
ensamblaje para evitar el excesivo ascenso de temperatura, ya que puede llevar a
la falla a la estructura, antes de los tiempos aceptados en los ensayos de la ASTM
E119. Esto se complementa mejor con la regla número 7.
- Regla 7: La resistencia al fuego de las construcciones asimétricas depende
de la dirección de la corriente de calor.
El rendimiento de la resistencia al fuego de los materiales también dependerá de
su distribución en caras opuestas, además de depender de cuál será la cara que
se verá expuesta al fuego. Esto complementa las reglas 4 y 6 donde se deberán
tener en cuenta la distribución del espacio entre viguetas y juntas, seguido de los
materiales sólidos que protegerán la estructura.
- Regla 8: La presencia de humedad, si no resulta en un desprendimiento
explosivo, incrementa la resistencia al fuego.
La humedad de los materiales que contengan un porcentaje igual o mayor al 15%
de humedad, aportarán mayor resistencia al fuego que materiales que posean
únicamente el 4% de humedad o menos, frente al mismo tiempo de exposición al
fuego.
- Regla 9: Elementos que soporten cargas, como las vigas, viguetas y parales,
aportaran una mayor resistencia al fuego cuando están sujetas a pruebas de
resistencia contra fuego como partes de ensamblajes de suelo, techo o
cubierta a las que deberían tener independientemente cuando se prueban
separadamente.
Los elementos que están incluidos dentro del cuerpo de la estructura, tendrán un
mejor desempeño que cuando son expuestos al fuego individualmente.
- Regla 10: los elementos que soporten cargas (vigas, viguetas, parales, etc.)
de un ensamblaje de piso, techo o cubierta pueden ser reemplazados con
otros elementos que soporten cargas que, cuando se prueban
separadamente, aporten a la resistencia al fuego no menor que las del
ensamblaje.
39
Los elementos como parales se podrán sustituir por otros ejemplares de parales
que posean una resistencia mayor a la del ensamblaje.
Otra parte importante a tener en cuenta son los tiempos que genera el método del
componente aditivo expresado en la tabla 4, donde se refiere a los tiempos que
duraran en ignición los elementos de protección a usar para cubrir los elementos
estructurales. El reglamento es claro a la hora de no confundir los “tiempos
asignados” en esta tabla con los tiempos finales de cada uno de los materiales. El
tiempo final de los materiales que protegerán la estructura será cuando los pernos
o parales de madera logran una temperatura promedio de 250 °F (140 °C) o una
temperatura individual de los materiales de 325 °F (180 °C) sobre la temperatura
ambiente en la cara expuesta al fuego. Algunas membranas combinadas tendrán
mayor resistencia al fuego como se demuestra en la tabla 4.
El tiempo de resistencia al fuego de los elementos estructurales como pernos y
parales es tenido en cuenta cuando llegan a la falla cuando los materiales
protectores ya han sido consumidos por el fuego. Estos tiempos se aprecian de
mejor manera en la tabla 5, los cuales son los establecidos cuando la estructura es
sometida al fuego y con cargas de diseño como lo indica la ASTM E119, donde se
ensayaron los materiales sin ningún tipo de capa de materiales de protección. Estos
tiempos de resistencia al fuego sin materiales de protección no decrecen si se
usaran, como ejemplo, pernos de 2” x 6” (38 mm x 10 mm) en lugar de pernos de
2” x 4” (38 mm x 89 mm).
Para aumentar la resistencia al fuego, el reglamento sugiere el uso de materiales
provistos en la tabla 6 a la hora de realizar el ensamblaje de la estructura con lana
de roca mineral de alta densidad, papel o con bloques de aislamiento de fibra de
vidrio con revestimiento de aluminio. Los tiempos de estos materiales se apreciarán
en la tabla 6.
Una notación bastante importante del reglamento es que la adición arbitraria del
aislamiento de un ensamblaje que no está dentro de estos parámetros y
metodologías, siendo incluidas dentro de los cálculos de la estructura, pueden
reducir la resistencia general al fuego de la estructura.
40
6.2. MÉTODOS ESTÁNDAR PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA AL
FUEGO DE CONSTRUCCIÓN EN ACERO ESTRUCTURAL.
Por otro lado, en la sección Métodos estándar para determinar la resistencia al
fuego de construcción en acero estructural se describen analíticamente algunos
procedimientos para establecer el grado de resistencia al fuego en miembros
estructurales en acero como vigas, columnas, viguetas y cerchas. Estos cálculos
han sido validados experimentalmente para materiales específicos de protección
contra fuego para el acero estructural, con base en los resultados estándar de los
ensayos de fuego de la ASTM E119.
6.2.1. COLUMNAS EN ACERO ESTRUCTURAL
Experimentalmente se ha confirmado que la resistencia al fuego de columnas en
acero estructural está directamente relacionado a la masa de la columna y el área
de la superficie expuesta. Para determinar el grado de resistencia al fuego en
columnas en acero estructural, se contemplan los siguientes parámetros, W es el
peso promedio de una columna estructural en acero en lb por ft (N o kN por m en
SI). Y el perímetro calendado D es el perímetro interno del material de protección
contra fuego en pulgada (mm en SI), tal como se muestra en la Figura 4.
Figura - 4. Determinación del perímetro calentado (D) de columnas de acero
41
A continuación, se plantean los métodos de protección y prevención concebidos
por el código SFPE, para columnas en acero estructural:
6.2.1.1. Lámina de yeso
La resistencia al fuego de los diferentes tipos de columnas en acero estructural con
una relación de peso-calor-perímetro (W/D) menor o igual a 3.65 (unidades
imperiales) o 0.215 (unidades SI) que sean protegidas con yeso tipo X será
determinada con las siguientes ecuaciones:
𝑅 = 2.17 [(ℎ(
𝑊′
𝐷)
2)]
0.75
(Eq. 6.7)
En unidades SI
𝑅 = 1.60 [(ℎ(
𝑊′
𝐷)
2)]
0.75
(Eq. 6.8)
Donde
R = Resistencia al fuego en horas
h = grosor total de lámina de yeso, pulgada. (mm)
D = perímetro calentado de la columna de acero estructural, pulgada. (mm)
W’ = peso total de columna de acero estructural y protección de lámina de yeso
en libras por ft lineal (kg por m).
𝑊’ = 𝑊 +50ℎ𝐷
144 (Eq. 6.9)
En unidades SI
𝑊’ = 𝑊 + 0.0008ℎ𝐷 (Eq. 6.10)
Estas láminas de yeso deben ser soportadas como lo indica la Figura 5 para una
resistencia al fuego de 4 horas o menos, o deben ser ajustadas como lo indica la
Figura 6 para una resistencia de 3 horas o menos. Las columnas estructurales con
una proporción de peso-calor-perímetro (W/D) mayor que 3.65 en unidades
imperiales, deben ser protegidas con láminas de yeso que deberán tener un grosor
42
para la resistencia al fuego específico indicado por un perfil IPE W14 233 (unidades
imperiales) o W360 347 (unidades SI).
Lo anterior se ha basado en una serie de ensayos de fuego realizados por los
Laboratorios Underwriters, Inc. (UL) y el consejo nacional de investigación de
Canadá.
Figura - 5. Columnas de acero estructural protegidas con paneles de yeso con
Sistema de fijación de tornillo / perno de acero (3 horas o menos)
1. Columna de acero estructural, cualquier figura de perfil IPE, circular o tubular.
2. Láminas para pared de yeso tipo X. para aplicaciones con capas sencillas, la lámina para
pared debe ser instalada verticalmente sin juntas horizontales. Para aplicaciones de capa múltiple,
las juntas horizontales son permitidas con espaciamiento mínimo de 8 ft (2.4 m), provista que las
juntas en capas sucesivas están escalonadas por lo menos 12 in. (304.8 mm). El grosor total
requerido de la lámina de muro debe ser determinado en la base de la medida de la resistencia al
fuego especificada y el peso y el perímetro calentado de la columna. Para medidas de resistencia
al fuego de 2 horas o menos, una de las capas requeridas de lámina de yeso debe ser aplicada al
43
exterior de las cubiertas de las columnas en láminas de acero con 1 in (25.4 mm) de longitud con
tornillos tipo S espaciados a 1 in (25.4 mm) desde el borde de la lámina y 8 in, desde el centro. Para
estas instalaciones, 0,016 in (0.4 mm) de grosor mínimo de ángulos de pared de acero galvanizado
con 1 1/2 in. (203.2 mm) las extensiones deben ser ajustadas a la lámina con tornillos tipo S
espaciados 12 in. (304.8 mm) desde el centro.
3. Para las resistencias dominantes de 3 horas o menores, la cubierta de la columna debe ser
fabricada de 0.024 in. (0.0 mm) de grosor mínimo de acero galvanizado o inoxidable. Para medidas
de 4 horas de resistencia al fuego, la cubierta de la columna debe ser fabricada de 0.024 in (0.06
mm) de grosor mínimo de acero inoxidable. La cubierta debe ser erigida con detalles de agarradera
o juntas Pittsburgh. Para medidas de resistencia al fuego de 2 horas o menores, la cubiertas de
columnas fabricadas de 0.027 in. (0.07 mm) de grosor mínimo de acero galvanizado o inoxidable
debe ser erigido con juntas de encaje. Las juntas de encaje deben ser ubicadas en cualquier parte
alrededor del perímetro cubierta de la columna. La junta de encaje debe ser asegurada con 1/2 in.
(12.7 mm) de longitud con tornillos tipo S espaciados 12 in. (304.8 mm) desde el centro. La cubierta
de columna debe ser provista con una altura mínima de expansión mínima de 1/8 in. por pie lineal
(10.4mm/m) entre las terminaciones de las cubiertas y restricción constructiva.
Figura - 6. Columnas de acero estructural protegidas con paneles de yeso con
sistema de fijación de tornillo / perno de acero (4 horas o menos)
44
1. Columnas de acero estructural, sea de formas de perfil IPE, circular o tubular.
2. 1 5/8 in. (15.9 mm) de broches profundos de 0.021 in. (0.5 mm) de grosor mínimo de acero
galvanizado con 1 5/16 (33.3 mm) o 1 7/16 in. (36.5 mm) de extensiones y 1/4 in. (6.4 mm) de
reborde rigidizado. La longitud de los broches de acero debe ser 1/2 in. (12.7 mm) menos que la
altura del ensamblaje.
3. Láminas de yeso tipo X. para aplicaciones de capa simple, la lámina debe ser aplicada
verticalmente sin juntas horizontales. Para aplicaciones de capa múltiple, las juntas horizontales
deben ser permitidas en un espaciamiento mínimo de 8 ft (2.4 m), provisto que las juntas en capas
sucesivas están escalonadas por lo menos 12 in, (304.8mm). El total de grosor requerido de lámina
debe ser determinado con base en la medida de resistencia al fuego especificada y el peso y el
perímetro calentado de la columna.
4. Los ángulos de pared de acero galvanizado (0.016 in. [0.4 mm] de grosor mínimo) con 1 1/2
in. (38.1 mm) de extensiones ajustadas a la lámina con 1 in. (25.4 mm) de longitud con tornillos tipo
S espaciados 12 in. (304.8 mm) desde el centro.
5. Abrazaderas de acero No. 18 SWG espaciadas 24 in. (160 mm) desde el centro.
6. Ángulos de lámina metálica con 2 in. (50.8 mm) de extensiones fabricadas de 0.021 in. (0.5
mm) de grosor mínimo de acero galvanizado.
7. Tornillos tipo S de 1 in. (25.4 mm) de longitud debe ser usado para ajustar la primera capa
de lámina a los broches de acero y la tercera capa a los ángulos de lámina metálica a 24 in. (609.6
mm) desde el centro. Tornillos tipo S de 1 3/4 in. (44.5 mm) de longitud debe ser usados para ajustar
la segunda capa de lámina a los broches de acero y la cuarta capa a los ángulos de lámina metálica
a 12 in. (304.8 mm) desde el centro. Tornillos tipo S de 2 1/4 in. (57.2 mm) de longitud deben ser
usados para ajustar la tercera capa de lámina a los broches de acero a 12 in. (304.8 mm) desde el
centro.
6.2.1.2. Materiales de spray aplicados
La resistencia al fuego de columnas protegidas con materiales aplicables como
spray para protección contra el fuego, como lo indica la Figura 7 será determinada
por las siguientes ecuaciones:
Columnas perfil IPE
𝑅 = (𝐶1𝑊
𝐷+ 𝐶2) ℎ (Eq. 6.11)
45
En unidades SI
𝑅 = (𝐶3𝑊
𝐷+ 𝐶4) ℎ (Eq. 6.12)
La base de datos debe incluir por lo menos dos ensayos para cada dos tamaños
de columnas diferentes. Ensayos que determinen el grado mínimo y máximo de
resistencia al fuego en columnas de dos tamaños diferentes y ensayos para
especímenes protegidos con el mínimo y máximo espesor previsto de materiales
de protección contra el fuego.
Estos cuatro ensayos establecen los límites que rigen el uso de la ecuación
resultante. Estos límites incluyen el grosor mínimo y máximo permitido de
protección, el grado mínimo y máximo de resistencia al fuego y los tamaños
mínimos y máximos de columna.
Para obtener límites diferentes se deben realizar ensayos adicionales con
diferentes tamaños de columnas. Las constantes dependientes de materiales son
determinados con base a todos los datos de ensayos aplicables usando técnica
lineal, mínimos cuadrados, ajuste de curvas o análisis estadísticos similares.
Columnas circulares y tubulares
𝑅 = 𝐶′1 (𝐴
𝑃) ℎ + 𝐶′2 (Eq. 6.13)
En unidades SI
𝑅 = 𝐶′3 (𝐴
𝑃) ℎ + 𝐶′4 (Eq. 6.14)
Donde
R = Resistencia al fuego en horas
H = grosor del material de protección contra el fuego en spray en
pulgadas (mm)
D = perímetro calentado de la columna de acero estructural en
pulgadas (mm)
W = peso promedio de la columna de acero en libras por ft lineal
(kg por m)
46
C1, C2, C3, y C4 = Constantes de material-dependiente para columnas perfil IPE
P = perímetro calentado de la columna de acero estructural en
pulgadas (mm)
A = área sección-cruzada de la columna de acero en pulgadas
cuadradas (mm)
C’1, C’2, C’3, y C’4 = constantes de material-dependiente para columnas circulares
y tubulares
La resistencia al fuego de columnas circulares y tubulares protegidas con
materiales de spray aplicado será un poco menor que las columnas de perfil IPE
con la misma relación peso-perímetro calentado (W/D) y grosor de protección. Esta
diferencia radica en los principios de transferencia de calor debido a la geometría
de las secciones. Se debe tener en cuenta que solo aplica para casos de protección
del contorno de la sección.
Los materiales a usar para proteger las estructuras, deben ser los materiales
aprobados en los ensayos ejecutados en la ASTM E119. Además, las ecuaciones
presentadas anteriormente se deberán regir bajo los siguientes parámetros:
- Columnas con proporciones de peso-calor-perímetro (WID) que sean iguales
o mayor que la columna más pequeña ensayada.
- Columnas con proporciones de peso-calos-perímetro (WID) que sean
iguales o menores que la columna más grande ensayada.
- Grosor de la protección que sea igual o mayor que el grosor mínimo
ensayado.
- Grosor de la protección que sea igual o menor que el máximo grosor
ensayado.
- Medidas que sean iguales o mayores que el mínimo tiempo de resistencia al
fuego para la serie de ensayos aplicables.
- Medidas que sean iguales o menores que el máximo tiempo de resistencia
al fuego para la serie de ensayos aplicables.
- El uso de la ecuación de perfil IPE para otras geometrías de columnas con
secciones abiertas en cruz (ej. Canales, ángulos y Tees estructurales) deben
ser permitidas. El uso de la ecuación de perfil IPE no debe ser permitida para
columnas con secciones cerradas en cruz (ej. Columnas circulares y
tubulares)
- El uso de la ecuación de columnas circulares y tubulares debe ser permitida
para geometrías de otras columnas con cualquier sección abierta o cerrada.
47
Figura - 7. Columna de acero estructural con spray aplicado para protección contra
el fuego
6.2.1.3. Columnas de acero huecas rellenas de concreto
Las ecuaciones paramétricas para columnas de acero huecas rellenas con concreto
simple (sin refuerzo) fueron desarrolladas por Lie y Harmathy basados en un
análisis de 44 cargas de ensayos de resistencia al fuego.
El tiempo para la resistencia al fuego de columnas huecas en acero estructural,
como circulares y tubulares, rellenas de concreto de peso normal sin refuerzo se
hallará con la siguiente ecuación:
𝑅 = 0.58𝑎(𝑓′𝑐+2.90)
𝐾𝐿−3.28𝐷2 (
𝐷
𝐶)
0.5
(Eq. 6.15)
En unidades SI
𝑅 = 𝑎(𝑓′𝑐+20)
60(𝐾𝐿−1000)𝐷2 (
𝐷
𝐶)
0.5
(Eq. 6.16)
48
Donde:
R = medida de Resistencia al fuego en horas
a = 0.07 para columnas circulares rellenas de concreto con agregados de
silicio
= 0.08 para columnas circulares rellenas de concreto con agregado de
carbonato
= 0.06 para columnas cuadradas o rectangulares rellenas de concreto con
agregados de silicio
= 0.07 para columnas cuadradas o rectangulares rellenas de concreto con
agregados de carbonato
f’c = resistencia a la compresión específica a los 28 días de concreto en kips
por pulgada cuadrada (Megapascales)
KL = longitud efectiva de la columna en pies (mm)
D = diámetro exterior para columnas circulares, pulgadas (mm)
= dimensión exterior para columnas cuadradas, pulgadas (mm)
= menor dimensión exterior para columnas rectangulares, pulgadas (mm)
C = fuerza de compresión debido a cargas muertas y cargas vivas sin factorizar
en kips (kilonewtons)
Las ecuaciones anteriores y sus aplicaciones estarán limitadas por las siguientes
condiciones:
- La medida requerida de Resistencia al fuego debe ser menor o igual a 2
horas.
- La resistencia a la compresión específica de concreto, f'c, debe ser igual o
mayor que 2.90 kips por pulgada cuadrada (20 Megapascales).
- La Resistencia a la compresión específica de concreto, no debe exceder
5.80 kips por pulgada cuadrada (40 Megapascales).
- La longitud efectiva de la columna debe ser por lo menos 6.50 ft (2,000 mm)
y no debe exceder 13.0 ft (4,000 mm).
- D debe ser por lo menos 5.50 pulgadas (140 mm) y no debe exceder 12 in.
(305 mm) para columnas cuadradas y rectangulares o 16 in. (410 mm) para
columnas circulares.
- C no debe exceder la resistencia diseñada del núcleo del concreto
determinado de acuerdo con AISC LRFD-94, "Factor de especificaciones de
diseño de carga y resistencia para construcciones de acero estructural."
49
6.2.1.4. Protección de concreto o mampostería
La ecuación para columnas de concreto recubierto fue derivada directamente de
una expresión desarrollada por Lie y Stringer. La resistencia al fuego de columnas
no compuestas de acero estructural y con protección de concreto como se aprecia
en la Figura 8, o con protección de mampostería como se aprecia en la Figura 9,
se hallará con las siguientes ecuaciones:
𝑅 = 𝑅𝑜(1 + 0.03𝑚) (Eq. 6.17)
𝑅𝑜 = 0.17 (𝑊
𝐷)
0.7
+ 0.28ℎ1.6
𝑘𝑐0.2
∗ [1 + 26 (𝐻
𝜌𝑐𝐶𝑐ℎ(𝐿+ℎ))
0.8
] (Eq. 6.18)
En unidades SI
𝑅𝑜 = 1.22 (𝑊
𝐷)
0.7
+ 0.0027ℎ1.6
𝑘𝑐0.2
∗ [1 + 31000 (𝐻
𝜌𝑐𝐶𝑐ℎ(𝐿+ℎ))
0.8
] (Eq. 6.19)
Donde:
R = medida de resistencia al fuego en condiciones de equilibrio de humedad
en horas
Ro = medida de resistencia al fuego con contenido de cero humedad en horas
m = contenido de equilibrio de humedad de concreto o mampostería, por
volumen (%)
W = peso promedio de la columna de acero en libras por ft lineal (kg por m)
D = perímetro calentado de la columna de acero, pulgada (mm)
h = grosor de concreto o grosor equivalente de mampostería, pulgada (mm)
kc = Conductividad térmica del concreto o mampostería a temperatura del
ambiente en Btu/hr-ft-°F (W/m-K) (ver Tablas 9, 10, y 11)
H = capacidad térmica de la columna de acero a temperatura del ambiente
= 0. 11 W Btu/ft-°F (kJ/m-K)
Pc = densidad de concreto o mampostería en libras por ft cúbico (kg por m3)
(ver Tablas 9, 10, y 11)
Cc = calor específico del concreto o mampostería a temperatura del ambiente
en Btu/lb-°F (kJ/kg-K) (ver Tablas 9, 10, y 11)
L = dimensión interior de un lado de la caja de protección de concreto o
mampostería, pulgada (mm)
50
Las columnas de acero con perfil IPE protegidos con concreto en todos sus
espacios como lo demuestra la Figura 8, detalle C, debe contemplar la capacidad
térmica del concreto en los espacios reentrantes del perfil IPE de acuerdo con las
siguientes ecuaciones:
𝐻 = 0.11𝑊 +𝜌𝑐 𝐶𝑐
144∗ [𝑏𝑓𝑑 − 𝐴𝑠] (Eq. 6.20)
En unidades SI
𝐻 = 0.46𝑊 +𝜌𝑐 𝐶𝑐
1000000∗ [𝑏𝑓𝑑 − 𝐴𝑠] (Eq. 6.21)
bf = Columna de acero con perfil IPE, pulgada (mm)
d = profundidad de la columna de acero, pulgada. (mm)
As = área de sección cruzada de la columna de acero en pulgadas cuadradas
(mm2)
Figura - 8. Columnas de acero estructural protegidas con concreto
Nota: cuando el perímetro interno de la protección de concreto no es cuadrada, L debe ser tomado
como el promedio de L1 y L2. Cuando el grosor de la cubierta de concreto no es constante, h debe
ser tomado como el promedio de h1 y h2.
* Las juntas deben estar protegidas con un mínimo de 1 pulg. (25.4 mm) de grosor de aislamiento
de fibra de cerámica e aluminio-silicio con una densidad de 4 a 8 lbs por ft cúbico (64 a 128 kg/m3).
El grosor del aislamiento no debe ser menor que la mitad del grosor de la cobertura de la columna.
La junta no debe exceder 1 pulg. (25.4 mm) máximo.
51
Figura - 9. Columnas de acero estructural protegidas de mampostería de hormigón
Nota: la dimensión L en la ecuación 6.18 o 6.19 debe ser el promedio de L1 y L2. La dimensión h en
la ecuación 6.18 y 6.19 debe estar basada con la ecuación del grosor equivalente de la unidad de
mampostería de concreto. Para unidades de mampostería sólida, h debe igualar al menor de t1 y t2.
Para unidades de mampostería hueca, h debe igualar al menor de t1 y t2, veces el porcentaje sólido
de la unidad expresada como un decimal.
Tabla 9. Propiedades del concreto
Peso normal (1) Estructura aligerada (2)
Conductividad térmica,
kc 0.95 BTU/h-ft-°F (1.64 W/m-K) 0.35 BTU/h-ft-°F (0.61 W/m-K)
Calor especifico, Cc 0.20 BTU/h-ft-°F (0.84 kJ/kg-K) 0.20 BTU/h-ft-°F (0.84 kJ/kg-K)
Densidad, pc 145 lb/ft3 (2,323 kg/m3) 110 lb/ft3 (1,762 kg/m3)
Contenido de humedad,
m (porcentaje por
volumen)
4 5
1 Concreto de peso normal es concreto de agregados de silicio o carbonatados, como lo define el
capítulo 2. 2 Concreto estructural aligerado es concreto aligerado o arena ligera, como lo define el capítulo 2,
con una densidad mínima (Peso de unidad) de 110 lbs por ft cuadrado (1,762 kg por m3).
52
Tabla 10. Propiedades de la mampostería de hormigón
Densidad Conductividad térmica
(lb/ft3) (kg/m3) (BTU/h-ft-°F) (W/m-K)
80 1281 0.21 0.36
85 1362 0.23 0.4
90 1442 0.25 0.43
95 1522 0.28 0.48
100 1602 0.31 0.54
105 1682 0.34 0.59
110 1762 0.38 0.66
115 1842 0.42 0.73
120 1922 0.46 0.8
125 2002 0.51 0.88
130 2082 0.56 0.97
135 2162 0.62 1.07
140 2243 0.69 1.19
145 2323 0.76 1.32
150 2403 0.84 1.45
El calor específico, cc, para mampostería de concreto debe ser tomada como 0.20 Btu/lb-°F (1.05
kJ/kg-K) y el contenido de humedad de equilibrio, m, como cero.
Tabla 11. Propiedades de la mampostería de arcilla
Densidad Conductividad térmica
(lb/ft3) (kg/m3) (Btu/h-ft-°F) (W/m-K)
120 1922 1.25 2.16
130 2082 2.25 3.89
El calor específico, Cc, para mampostería de acilla debe ser tomado como 0.24 Btu/16-°F (I.00 kJ/kg-
K) y el contenido de humedad de equilibrio, m, como cero.
Cuando en muchos casos la información anterior no está disponible para el
diseñador, una tabulación conservadora de estas propiedades está incluida, la cual
puede ser usada en la ausencia de datos específicos. Esta tabulación fue
desarrollada de una publicación de datos por Abrams.
6.2.2. VIGAS Y VIGUETAS DE ACERO ESTRUCTURAL
Para determinar la resistencia al fuego de vigas y viguetas de acero estructural, se
tienen los parámetros que se han utilizado anteriormente; (W) es el peso promedio
53
del miembro de acero estructural en lbs por ft lineal (kg por m). El perímetro
calentado (D) es el perímetro interno del material de protección contra fuego en
pulg. (mm) como se muestra en la Figura 9.
Figura - 10. Determinación del perímetro calentado de vigas de acero y viguetas
En este caso, el perímetro calentado (D) no incluye la parte más alta del borde
superior, el cual está protegido de la exposición directa al fuego por las losas de
piso o entrepiso.
6.2.2.1. Materiales con spray aplicados
Las vigas y viguetas de acero estructural pueden ser protegidas con materiales de
spray cementante o fibra mineral. Estos elementos estructurales ya sean grandes
o pequeñas deben permitir ser reemplazadas por vigas y viguetas especificadas en
diseños de ensamblaje de piso y techo resistentes al fuego aprobados o en diseños
individuales de vigas resistentes al fuego aprobadas, provistas del grosor del
material, siempre que el grosor del material de spray aplicado de protección contra
incendios se ajuste de acuerdo con las siguientes expresiones:
ℎ2 = [
𝑊1𝐷1
+0.60
𝑊2𝐷2
+0.60] ℎ1 (Eq. 6.22)
En unidades SI
54
ℎ2 = [
𝑊1𝐷1
+0.036
𝑊2𝐷2
+0.036] ℎ1 (Eq. 6.23)
h = grosor de material de spray aplicado de protección contra incendios, pulg.
(mm)
W = peso de la viga o vigueta de acero estructural en lbs por ft lineal (kg por m)
D = perímetro calentado de la viga o vigueta de acero estructural, pulg. (mm)
Nota: el subíndice 1 se refiere a la viga o vigueta y el grosor de la protección contra el fuego en
diseños de ensamblaje de resistencia contra el fuego aprobados o en el diseño de vigas individuales
de resistencia contra el fuego aprobados. El subíndice 2 se refiere a la sustitución de vigas o viguetas
y el grosor requerido de protección contra fuego.
El uso de las ecuaciones 6.22 y 6.23 debe ser de acuerdo a las siguientes
condiciones:
1) La proporción del peso y el perímetro calentado (W2/D2) para la viga o
vigueta sustituida no debe ser menor que 0.37 (sistema inglés) o 0.022
(unidades SI).
2) El grosor (h2) del material de protección contra fuego calculado para la viga
o vigueta sustituta no debe ser menor que 3/8 de pulg. (9.5 mm).
3) Para vigas y viguetas, en ensamblajes de piso y techo clasificados como
sin restricciones, el grosor del material de protección contra fuego usado
en las ecuaciones (h1) debe ser el grosor asignado a la viga (o vigueta) en
el diseño de ensamblaje de piso (o techo) resistente al fuego aprobado,
basado en las medidas de ensamblaje sin restricción.
4) Para vigas y viguetas, en ensamblajes de piso y techo clasificados como
restringidos, el grosor del material de protección usado en las ecuaciones
(h1) debe ser el grosor asignado a la viga (o vigueta) en el diseño de
ensamblaje de piso (o techo) resistente al fuego aprobado, basado en los
rangos de ensamblaje restringidos.
5) Para vigas y viguetas individuales clasificadas como sin restricción, el
grosor del material de protección usado en las ecuaciones (h1) debe ser el
grosor asignado a la viga (o vigueta) en el diseño de viga individual
resistente al fuego aprobado, basado en rango de la viga sin restricción.
6) Para vigas y viguetas individuales clasificadas como restringidas, el grosor
del material de protección contra fuego usado en las ecuaciones (h1) debe
ser el grosor asignado a la viga (o vigueta) en el diseño de viga individual
resistente contra el fuego aprobado, basado en el rango de la viga
55
restringida. Para vigas y viguetas individuales, clasificadas como
restringidas, la viga sustituta (o vigueta) las secciones de acero estructural
deben ser conforme a la clasificación de la sección compacta, como se
define en la AISC diseño de especificaciones de factor de carga y
resistencia para construcciones de acero estructural.
6.2.3. ARMADURAS DE ACERO ESTRUCTURAL
La resistencia contra fuego de armaduras de acero estructural protegidas con
materiales cementantes o fibra material de spray aplicado a cada uno de los
elementos estructurales de una armadura debe ser determinada de la siguiente
manera:
El grosor de protección para cada elemento de la armadura debe ser
determinado de acuerdo con la sección de Materiales de Spray Aplicados en
Columnas de Acero Estructural.
La proporción de peso-perímetro calentado (W/D) de los elementos de la
armadura expuestos al fuego en todas sus caras debe ser determinado con
la misma base que las columnas de acero estructural.
La proporción de peso-perímetro calentado (W/D) de los elementos de la
armadura que soportan directamente construcciones de piso o techo deben
ser determinadas con la misma base de las vigas y viguetas.
1. Columnas de acero estructural, ya sean de forma de perfil IPE o tubulares.
2. Láminas de yeso tipo X. para aplicación de capas sencillas, la lámina debe
ser aplicada verticalmente sin juntas horizontales. Para la aplicación de
capas múltiples, las juntas horizontales son permitidas con un espaciamiento
mínimo de 8 ft (2.4 m), provisto que las capas sucesivas de juntas están
escalonadas por lo menos 12 pulg. (304.8 mm). El grosor total requerido de
lámina debe ser determinado con base al rango especificado de resistencia
al fuego y al peso y al perímetro calentado de la columna. Para rangos de
resistencia al fuego de 2 horas o menos, una de las capas requeridas de
lámina de yeso debería ser aplicada a la lámina de cubierta de la columna
de acero con 1 pulg. (25.4 mm) con tornillos largos tipo S espaciados 12
pulg. (304.8 mm) desde el centro.
56
3. Para el rango de resistencia al fuego de 3 horas o menos, las cubiertas de
la columna deben ser fabricadas de 0.024 pulg. (0.6 mm) de grosor mínimo
de acero inoxidable. Las cubiertas de la columna deben ser creadas con
detalles de agarraderas o juntas Pittsburgh. Para rangos de resistencia al
fuego de 2 horas o menos, las cubiertas de la columna fabricadas de 0.026
pulg. (0.7 mm) de grosor mínimo de acero galvanizado o inoxidable deberían
ser creados con junta traslapada. La junta traslapada debe ser asegurada
con 1/2 pulg. (12.7 mm) de longitud de tornillos para lámina metálica No. 8
espaciados 12 pulg. (304.8 mm) desde el centro. Las cubiertas de la columna
deben ser provistas con una expansión de altura libre mínimo de 1/8 de pulg.
por ft lineal (10.4 mm/m) entre el final de la cubierta y cualquier restricción
de la construcción.
57
7. EJEMPLOS DEL USO DE LOS MÉTODOS ENCONTRADOS EN EL
REGLAMENTO NORTEAMERICANO - “MÉTODOS ESTÁNDAR DE
CÁLCULO PARA LA PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS
ESTRUCTURALES” - SFPE
7.1. MÉTODOS USADOS EN MADERA
7.1.1. VIGAS
EJEMPLO: Los miembros estructurales de un edificio de 2 pisos requieren tener 1
hora de resistencia al fuego. El edificio es de 35 pies (10.67 m) de ancho y 60 pies
(18.29 m) de largo. El marco repetitivo de los miembros se extiende desde las
paredes exteriores a las vigas de lámina pegada al centro del edificio. Dos vigas
simplemente apoyadas, cada una con 30 ft (9.14 m) de longitud, soportan las
paredes exteriores y una columna al centro del edificio. La viga es de profundidad
mayor que el sistema piso/cubierta; entonces una porción de la viga será dejada en
exposición bajo el ensamblaje de piso/cubierta nominal. Determinar el valor de la
resistencia al fuego de la viga seleccionada para cargar las cargas impuestas. Fibra
extrema en flexión Fb es dada como 2.400 PSI (16.55 MPa) y las especies son
abeto de Douglas. Las cargas vivas y muertas son 50 lb/ft2 (2.394 N/m2) y 15 lb/ft2
(718 N/m2) respectivamente. El factor de duración de carga, CD’ es tomado igual a
1.0.
SOLUCIÓN:
𝑤 = 65𝑙𝑏
𝑓𝑡2𝑋 17’ − 6”
𝑤 = 1,137.5 𝑙𝑏
𝑓𝑡 (16.6
𝑘𝑁
𝑚)
𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 =𝑤𝑙2
8 = 1.536 𝑋 106 𝑖𝑛. −𝑙𝑏 (174 𝑘𝑁 − 𝑚)
𝑆𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 =1,536,000
2,400
𝑆𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 = 640𝑖𝑛.3 (10.5 𝑋 106𝑚𝑚3)
58
Probar una viga con dimensiones actuales 9 3/4” X 24”;
𝑆𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 = 840𝑖𝑛.3 (13.8 𝑋 106𝑚𝑚3)
Revisar el factor de volumen (Valores tomados de la sección 5.3.6 Factor de
volumen Cv, de la Especificación Nacional de Diseño Para Construcción en Madera,
Eq. 5.3-1)
𝐶𝑣 = 0.85
𝑆𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜
𝐶𝑣= 753 𝑖𝑛.3 < 804 𝑖𝑛.3 ː 𝑂. 𝐾
Calcular la relación de carga:
𝑟 =753 𝑖𝑛.3
840 𝑖𝑛.3= 90%
Calcular el factor de carga de la sección 6.1.1.1.1 Eq. (6.2):
𝑧 = 0.7 + 30
𝑟= 0.7 +
30
90= 1.033
Calculo de t de la sección 6.1.1.1.2 Eq. (6.4)
𝑡 = 𝛾𝑧𝑏 [4 − (𝑏
𝑑)]
𝑡 = 2.54(1.033)(8.75) [4 − (8.75
24)]
Tiempo hasta la falla = 83 minutos > 60 minutos
Luego el ensamblaje será provisto con una hora de resistencia al fuego. Eliminar
una lámina central y añadir una tensión exterior de la zona laminar en la parte más
baja de la viga.
59
7.1.2. COLUMNAS
EJEMPLO: La columna que soporta las vigas de lámina pegada en ejemplo anterior
está dejado a exposición. Una columna de lámina pegada de abeto de Douglas con
una sección actual de 8 3/4 in. X 9 in. (222 mm X 229 mm) que ha sido especificada.
La longitud de la columna es 8 ft (2.44 m). Determinar el valor de la resistencia al
fuego de la columna seleccionada para cargar las cargas impuestas. La fuerza de
compresión y su rigidez son Fc = 1,900 psi (13.2 MPa) y E = 1,700,000 psi (11,721
MPa), respectivamente.
SOLUCIÓN:
Á𝑟𝑒𝑎 = 78.75 𝑖𝑛.2 (50.8 𝑋 103𝑚𝑚2)
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 = 65𝑙𝑏
𝑓𝑡2 𝑋 35
𝑓𝑡
2 𝑋 60
𝑓𝑡
2
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 = 34,125 𝑙𝑏𝑠 (152 𝑘𝑁)
Calcular el esfuerzo de compresión requerido:
𝐹𝑐, 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 =34,125 𝑙𝑏
78.75 𝑖𝑛.2
𝐹𝑐, 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 = 433 𝑝𝑠𝑖 (3 𝑀𝑃𝑎)
Determinar el factor de longitud efectiva de la figura 11:
60
Figura - 11. Cara expuesta al fuego
𝐾𝑒 = 1.0
Calcular la longitud efectiva:
𝑙𝑒 = 1.0 = 8′(12) = 96 𝑖𝑛. (2.44 𝑚)
Calcular el factor de estabilidad de la columna (Sección 3.7.1 Factor de estabilidad
de columna, Cp de la Especificación Nacional de Diseño Para Construcción en
Madera, Eq. 3,7-1):
𝐶𝑝 = 0.957
Cálculo ajustado: F’c
𝐹′𝑐 = 1,900 𝑝𝑠𝑖 𝑋 0.957 = 1,819 𝑝𝑠𝑖 (12.54 𝑀𝑃𝑎)
Cálculo del factor de carga de la sección 6.1.1.1.1:
𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎, 𝑟 =433
1,819= 0.24 = 24%
61
Cálculo de la relación de esbeltez:
𝐾𝑒𝑙𝑒
𝑑= 1 𝑋 96 𝑖𝑛. / 8.75 𝑖𝑛. = 10.97 ː 𝑍 = 1.5
Cálculo del tiempo de falla de la sección 3.2.2.3, Eq. (3.5):
𝑡 = 𝛾𝑧𝑑 [3 − (𝑑
𝑏)]
𝑡 = 2.54(1.50)(8.75) [3 − (8.75
9)] (Eq. 3.5)
t = 67.6 min
Luego el ensamblaje será provisto con 1 hora de resistencia al fuego.
7.1.3. MÉTODO DEL COMPONENTE ADITIVO PARA CALCULAR Y
DEMOSTRAR LA RESISTENCIA AL FUEGO EN ENSAMBLAJES
Ejemplo: Determinar el rango de resistencia al fuego de un ensamblaje de muro
teniendo una capa de 5/8 in. (15.9 mm) de lámina de yeso tipo X adjunta a broches
de marea sobre la cara expuesta al fuego como lo muestra la figura 11.
Solución: La tabla 4 muestra que una lámina de yeso tipo X de 5/8 in. (15.9 mm)
ha sido asignada con un tiempo de 40 minutos. La tabla 5 muestra que los broches
de madera espaciados 16 in. (406 mm) del centro tienen un tiempo de 20 minutos.
Sumando los dos componentes resulta una resistencia al fuego de 60 minutos.
Si el muro se asume que está expuesto al fuego por ambas caras (por ejemplo,
para paredes interiores resistentes al tiempo), cada superficie de los miembros
enmarcados se requerirá que sean protegidos por lo menos 40 minutos de
membranas de cubierta de la tabla 4. Si el muro propuesto se asume es expuesto
al fuego únicamente por el interior, una contribución total de 40 minutos de la
membrana de cubierta es requerida de la tabla 3-1 es requerida. Sin embargo, en
este caso, la cara exterior debe ser protegida de acuerdo con la tabla 7, o cualquier
otra membrana que sea asignada con un tiempo mínimo de 15 minutos listado en
la tabla 4.
62
Si las cavidades del muro entre los broches han sido rellenadas con aislamiento de
lana mineral de roca añadiendo 15 minutos de resistencia al fuego, como lo
describe la tabla 4, la lámina de yeso tipo X de 5/8 in. (15.9 mm) puede ser
reemplazada por una lámina de yeso tipo X de 1/2 in. (12.7 mm). Así, añadiendo el
tiempo de contribución a la resistencia al fuego para 1/2 in. (12.7 mm) de lámina de
yeso tipo X, los broches de madera y el aislamiento (24 minutos + 20 minutos + 15
minutos), la resultante del rango de resistencia al fuego debe ser igual a 60 minutos.
7.2. MÉTODOS USADOS EN ACERO
7.2.1. CÁLCULO DE ESPESOR DE SPRAY APLICADO
Ejemplo: Montaje de piso restringido y vigas y viguetas restringidas
La composición básica de piso diseñado escogido para este ejemplo es una
esquina de voladizo típica en un edificio con estructura metálica (figura 12). El
sistema de piso consiste en una losa de concreto aligerada de 3 1/4 in. de grosor,
con una malla de acero electro soldada de 6 X 6 – W1.4 X W1.4, sobre una
estructura de Steel deck estriada calibre 20 de 3 in. De profundidad soldada a las
vigas soportantes. La medida de las secciones de las vigas y viguetas se aprecia
en la figura. Para este ejemplo, se asume que el profesional registrado para diseñar
ha determinado que el montaje de piso (incluyendo las vigas de piso) y el marco
estructural de vigas y viguetas se clasifica como restringido
63
Figura - 12. Marco de acero
Problema
Determinar el grosor del spray aplicado para protección contra fuego necesaria para
satisfacer los siguientes requerimientos:
Construcción de piso de 2 horas
Vigas de piso de 2 horas
Marcos estructurales de 3 horas (incluye viguetas, vigas de marcación de pisos y
entrepisos, y vigas de piso con conexión directa a las columnas)
Solución
Para el montaje de piso, el arquitecto/ingeniero selecciona el diseño UL No. D916
(Ver anexo 1) de restricción de montajes ya que incluye vigas compuestas y la
construcción del piso es consistente con la deseada para este ejercicio. Ninguna
protección es requerida para el Steel deck. La medida de viga especificada en el
diseño D916 es W8 X 28 (W/D = 0.819) y 1/2 in. De protección es requerida para
la medida del montaje restringido para 2 horas. Las vigas actuales de piso W14 X
64
26 (W/D = 0.628) puede ser sustituido en este diseño, y el grosor de protección
requerido puede ser ajustado de acuerdo con la ecuación 6.22. Las relaciones
relevantes de W/D pueden ser encontradas en las tablas 1-36 a la 1-53 del manual
de la AISC “Steel Design Guide 19 – Fire Resistance of Structural Steel Framing”.
ℎ2 = (𝑊1 𝑙 𝐷1 + 0.60
𝑊2 𝑙 𝐷2 + 0.60)
ℎ1 = (0.819 + 0.6
0.628 + 0.6) 0.5 = 0.58 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠 (𝑈𝑠𝑎𝑟 5/8")
Porque de las 3 horas de requerimiento para el marco estructural, un diseño
aprobado de resistencia al fuego de una vida individual debe ser usado para
viguetas W 16 X 57, viga de demarcación de pisos y entrepisos W 35 X 150 y W 36
X 182, y la viga W 14 X 26 que conecta directamente a la columna. Aquí, el diseño
UL N708 (Ver anexo 2) puede ser usado con una viga de medida especificada W 8
X 28 y un grosor de protección contra el fuego de 1 7/16” para el rango de 3 horas
de viga restringida. Las vigas y viguetas actuales pueden sustituidas en este diseño,
y el grosor de protección puede ser ajustado solo se menciona a continuación (aquí
todas las secciones de viga y vigueta son compactos):
ℎ2 = (𝑊1 𝑙 𝐷1 + 0.60
𝑊2 𝑙 𝐷2 + 0.60)
ℎ1 = (0.819 + 0.6
𝑊2 𝑙 𝐷2 + 0.6) 1.4375 =
2.040
𝑊2 𝑙 𝐷2 + 0.6
Para viguetas W 16 X 57 (W/D = 1.09)
ℎ2
2.040
1.09 + 0.6= 1.21 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠 (𝑈𝑠𝑎𝑟 1 − 1/4")
Para una viga de demarcación de piso y entrepiso W 36 X 150 (W/D = 1.43)
ℎ2
2.040
1.43 + 0.6= 1.00 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎 (𝑈𝑠𝑎𝑟 1")
65
Para una viga de demarcación de piso y entrepiso W 36 X 182 (W/D = 1.72)
ℎ2
2.040
1.72 + 0.6= 0.88 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠 (𝑈𝑠𝑎𝑟 7/8")
Para una viga W 14 X 26 (W/D = 0.628) con conexión directa a la columna
ℎ2
2.040
0.628 + 0.6= 1.66 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠 (𝑈𝑠𝑎𝑟 1 − 11/16")
7.2.2. CÁLCULO DEL TIEMPO DE PROTECCIÓN CON CONCRETO
El siguiente ejemplo de cálculo de resistencia al fuego en un elemento estructural
de acero, se realizará por medio de la metodología en común que presenta el
Reglamento colombiano sismo-resistente NSR-10 y el Código de la Society Of Fire
Protection Engineers (SFPE).
Ejemplo: Determinar el rango de Resistencia al fuego de una columna en acero
estructural perfil cuadrado 6 X 6, que será protegida con concreto vaciado en el
sitio. Espesor de recubrimiento de concreto recomendado de 50 mm.
Figura - 13. Perfil estructural en acero
66
Según ficha técnica de tubos colmena, se tienen los siguientes datos para el perfil
en acero estructural solicitado13:
Perfil cuadrado 6 X 6, espesor de pared de 6 mm.
W = 26,40 kg/m
MÉTODO DE LA NSR-10.
La resistencia al fuego, en minutos, R0, cuando el acero se protege con concreto
que no tiene contenido humedad se calcula mediante la siguiente ecuación:
𝑅0 = 14.74 (𝑊
𝑃)
0.7
+ 0.552 (𝑒1.6
𝑘𝑐0.2) [1 + 6.085𝑥10−5 (
𝑇𝑎
𝑑𝑐𝐶𝑐𝑒(𝐿 + 𝑒))
0.8
] (Eq. 5.2)
Datos:
W = 26,40 kg/m
e = 50 mm
Kc = 1,644 W/m/K
dc = 2400 kg/m3
Cc = 837,4 J/(N.°C)
L = 150 mm
Realizando la conversión de unidades solicitadas por la NSR-10:
𝑊 = 26,40𝑘𝑔
𝑚∗
9,8066 𝑁
1 𝑘𝑔 = 258,894
𝑁
𝑚
𝑃 = 150 𝑚𝑚 ∗ 4 = 600 𝑚𝑚
13 http://tuboscolmena.com/colmena/wp-content/uploads/2018/03/perfil-estructural.pdf
67
𝑘𝑐 = 1,644
𝑊𝑚𝐾
= 1,644 𝐽 𝐾
𝑠 𝑚∗
3600 𝑠
1 ℎ= 5918,4 (𝐽/ℎ/𝑚/𝐾)
𝑇𝑎 = 46975 ∗ 258,894𝑁
𝑚= 12161545,65 (𝐽/ℎ/𝑚/𝐾)
𝐶𝑐 = 837,4𝐽
𝑘𝑔 𝐾∗
1 𝑘𝑔
9,8066 𝑁= 85,391
𝐽
𝑁 𝐾
Realizando el cálculo de la ecuación 5.2 tenemos lo siguiente:
𝑅0 = 14.74 (258,89
600)
0.7
+ 0.552 (501.6
5918,40.2 ) [1 + 6.085𝑥10−5 (
12161545,65
2400 ∗ 85,39 ∗ 50 ∗ (150 + 50))
0.8
]
𝑅0 = 58,98 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠
𝑅 = 𝑅𝑜(1 + 0.03𝐻)
𝑅 = 58,98(1 + (0.03 ∗ 4)) = 66,06 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠
𝑅 ≅ 1,10 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ∴
Luego de recubierto el elemento estructural con concreto, será provisto con 1,10
horas de resistencia al fuego.
MÉTODO DEL CÓDIGO DE LA SOCIETY OF FIRE PROTECTION
ENGINEERS.
Para hallar el valor de resistencia al fuego de la columna en cuestión, se usarán las
fórmulas 6.17 y 6.19 del presente documento:
𝑅 = 𝑅𝑜(1 + 0.03𝑚)
68
𝑅𝑜 = 1.22 (𝑊
𝐷)
0.7
+ 0.0027ℎ1.6
𝑘𝑐0.2
∗ [1 + 31000 (𝐻
𝜌𝑐𝐶𝑐ℎ(𝐿 + ℎ))
0.8
]
Datos:
W = 26,40 kg/m
h = 50 mm
kc = 1.64 W/m-K
H = 0.11 kJ/m-K
Pc = 2,323 kg/m3
L = 150 mm
Cc = 0.84 kJ/kg-K
m = 4
𝐷 = 150 𝑚𝑚 ∗ 4 = 600 𝑚𝑚
𝑅𝑜 = 1.22 (26.40
600)
0.7
+ 0.0027501.6
1.640.2 ∗ [1 + 31000 (
0.11 ∗ 26.40
2323 ∗ 0.84 ∗ 50(150 + 50))
0.8
]
𝑅𝑜 = 1.55 horas
𝑅 = 1.55(1 + 0.03 ∗ 4)
𝑅 = 1.74 horas ∴
Luego de recubierto el elemento estructural con concreto, será provisto con 1,74
horas de resistencia al fuego.
69
8. COMPARACIÓN DE LAS METODOLOGÍAS DE CADA SISTEMA
Una vez se ha realizado las respectivas investigaciones de cada uno de los
reglamentos tanto colombiano como americano, se puede apreciar la diferencia en
los métodos que son usados para realizar un aumento en los tiempos de ignición de
materiales estructurales como el acero y la madera, de entrada, se evidencia que el
reglamento colombiano no hace ningún tipo de referencia, método o recomendación
técnica y constructiva que permita proteger los elementos estructurales con base al
material mencionado anteriormente, caso contrario que ofrece el reglamento
norteamericano de la SFPE, el cual incluye dos métodos principales subdivididos
en sus respectivas categorías dependiendo del elemento estructural a proteger.
Una de las notaciones que se realizan es que el reglamento colombiano no ofrece
ningún tipo de recomendación que proteja elementos estructurales con base a la
madera.
Por otro lado, el uso de métodos para la protección del acero estructural para la
construcción de edificaciones sí es mencionado en ambos reglamentos, siendo el
reglamento colombiano enfático en dos métodos constructivos con materiales de
protección como el concreto. En cambio, el reglamento norteamericano de la SFPE
menciona hasta 3 métodos con diferentes materiales que protegen el acero por
medio de métodos constructivos y aplicativos como el uso de láminas de yeso,
mampostería, concreto en sitio y materiales epóxicos como sprays aplicados sobre
la estructura.
Cabe resaltar que al hacer uso de la metodología propuesta en el reglamento
colombiano en cuanto a protección de elementos estructurales en acero con
materiales como el concreto, se evidencian errores de digitación en cuanto a las
unidades que se deben introducir en la ecuación (5.2), pues no cumple con los
criterios de unidades del sistema internacional como debe ser manejado en la NSR-
10, además de no presentar coherencia al obtener resultados por medio de la
fórmula que indican, ya que se realizó el cálculo varias veces y no se obtuvo un
resultado válido mientras que al modificar una parte de la fórmula se logra obtener
un resultado favorable.
70
Ecuación 5.2 (original):
𝑅0 = 14.74 (𝑊
𝑃)
0.7
+ 0.552 (𝑒1.6
𝑘𝑐0.2) [1 + 6.085𝑥10−5 (
𝑇𝑎
𝑑𝑐𝐶𝑐𝑒(𝐿 + 𝑒))
0.8
]
Ecuación 5.2 (modificada):
𝑅0 = 14.74 (𝑊
𝐷)
0.7
+ 0.552 (𝑒1.6
𝐾𝑐0.2
) [1 + 6.085𝑥10−5 (𝑇𝑎
𝑑𝑐 ∗ 𝐶𝑐 ∗ 𝑒 ∗ (𝐿 + 𝑒))
0.8
]
Luego de reemplazar las unidades que deben ser manejadas en el reglamento
colombiano (N, m, K, etc.), y modificada la ecuación 5.2 en el segundo factor, se
halló un valor de 1.10 horas de protección en elementos de acero protegidos con
concreto, mientras que el uso de las ecuaciones provistas en el reglamento
norteamericano arroja un resultado de resistencia al fuego de 1.74 horas. Esto
sugiere que los métodos de protección para estructuras en acero estructural son
más efectivos en el reglamento norteamericano de la SFPE, a la hora de
compararlos con los expuestos por el reglamento colombiano NSR-10.
A continuación se presentará un cuadro comparativo luego de examinados los
reglamentos colombiano de construcciones “NSR-10” y el reglamento
norteamericano de la SFPE “MÉTODOS ESTÁNDAR DE CÁLCULO PARA LA
PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS ESTRUCTURALES”, donde se apreciarán
los diferentes métodos que son aplicados a la hora de proteger las estructuras
contra el fuego cuando estas están construidas con materiales como el acero y la
madera, lo cuales son materiales que son altamente susceptibles al fuego, cuyos
tiempos de ignición pueden ser aumentados con los métodos mencionados en cada
uno de los reglamentos:
71
TABLA 12. TABLA COMPARATIVA DE MÉTODOS APLICATIVOS PARA AUMENTAR LA RESISTENCIA AL FUEGO EN
LAS ESTRUCTURAS
CATEGORÍA\REGLAMENTO NSR-10 MÉTODOS ESTÁNDAR DE CÁLCULO PARA LA
PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS ESTRUCTURALES
MADERA N/A
DISEÑO DE MIEMBROS DE MADERA EXPUESTOS RESISTENTES AL FUEGO
- Método analítico para miembros de madera expuestos a) Factor de carga y factor de longitud efectiva b) Vigas c) Columnas d) Conectores y correas MÉTODO DEL COMPONENTE ADITIVO PARA CALCULAR Y DEMOSTRAR EL MONTAJE DE RESISTENCIA AL FUEGO
- Método analítico para montajes de madera protegida a) Tiempos del componente b) Madera contrachapada expuesta c) Montajes de muros asimétricos d) Ensambles de piso/cubierta y techo/cubierta * Cabe aclarar que este último incluye las 10 reglas de Harmathy a la hora de tener detalles constructivos que aumentan la resistencia al fuego de las estructuras.
ACERO
ELEMENTOS DE ACERO ESTRUCTURAL
- Elementos adheridos a la estructura a) Concreto vaciado en sitio b) Placas prefabricadas de concreto ELEMENTOS DE ACERO CON SECCIONES HUECAS
- Elementos rellenos de concreto
COLUMNAS DE ACERO ESTRUCTURAL
a) Lámina de yeso b) Materiales de spray aplicados c) Columnas de acero huecas rellenas de concreto d) Protección de concreto o mampostería VIGAS Y VIGUETAS DE ACERO ESTRUCTURAL
a) Materiales de Spray aplicado ARMADURAS DE ACERO ESTRUCTURAL
72
9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
- El reglamento colombiano NSR-10 carece de la aplicación de métodos que
protejan las estructuras construidas con materiales como el acero y la
madera ante la exposición al fuego, lo que compromete la vida de los
habitantes o usuarios de los edificios u ocupaciones con base a estos
materiales.
- Se recomienda la implementación de los métodos de protección contra fuego
para aumentar la resistencia ante el mismo, de los edificios y ocupaciones
construidos con materiales estructurales como el acero y la madera, que se
encuentran aplicados en el código norteamericano “MÉTODOS ESTÁNDAR
DE CÁLCULO PARA LA PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS
ESTRUCTURALES” al reglamento colombiano de construcciones NSR-10.
- El código norteamericano de la SFPE proporciona métodos para calcular la
resistencia al fuego de miembros estructurales seleccionados utilizando
únicamente acero estructural, concreto simple, concreto reforzado, madera,
mampostería de concreto y mampostería de arcilla. Los resultados de
resistencia al fuego obtenidos por los métodos de cálculo son destinados
para el uso en evaluaciones de incendios de edificios o para aplicaciones de
códigos de protección contra incendios de edificios.
- El uso de materiales que aumentan la resistencia al fuego como láminas de
yeso, concreto y materiales epóxicos aplicados en la estructura, mayormente
utilizados a la hora de proteger estructuras con base en acero estructural, no
son exclusivos de este material, pues son usados también en estructuras con
materiales base como la madera. Esta última, no solo utiliza los métodos de
materiales aplicados, pues también son permitidos los métodos constructivos
que aumentan la resistencia al fuego como el reemplazo de láminas de
madera reubicadas que permiten el aumento del tiempo en la estructura en
pie, sin un aumento significativo en costos para protección estructural.
- Se evidencia por medio de la bibliografía consultada en este proyecto
investigativo, que los diferentes ensayos destinados a producir tiempos de
clasificación de resistencia al fuego sean equivalentes a los resultados
obtenidos de la prueba de fuego estándar, ASTM E119 y sus aplicaciones
consolidadas en el reglamento norteamericano de la SFPE, que vela por la
73
resistencia al fuego en las diferentes metodologías constructivas y
aplicativas, en cuanto a materiales estructurales en acero y madera que
logren un aumento de exposición de las edificaciones.
- Logrando la comparación de los reglamentos colombiano y norteamericano,
se evidencia la falta de desarrollo y profundización que carece el reglamento
constructivo NSR-10 en Colombia, lo que infiere la falta de investigación en
cuanto este tipo de temas para ampliar el conocimiento y procesos
constructivos y así aumentar el ratio de vidas a preservar por medio de este
tipo de ensayos, logrando una actualización al reglamento colombiano para
estar a la vanguardia de posibles desastres naturales o provocados por
acción del hombre que atente contra la vida de los usuarios de edificaciones
o estructuras habitables.
- Realizando una comparación exhaustiva en el uso de los diferentes métodos
presentados y desarrollados por cada una de los reglamentos con un
ejercicio equivalente para su respectiva comparación, se evidencia que el
reglamento colombiano carece de claridad a la hora de exponer y usar
materiales de protección como el concreto en estructuras de acero
estructural, pues sus fórmulas y unidades no son coherentes con los
resultados arrojados. Luego de corregidas la unidades en NSR-10, se
evidencia que el método tiene una gran desventaja respecto a los resultados
finales que sí expone el reglamento de la SFPE. Siendo así, se recomienda
el uso de metodologías y ecuaciones desarrolladas en el reglamento
norteamericano SFPE a la hora de aumentar la resistencia contra el fuego en
estructuras de acero estructural, pues ofrece resultados más acertados y
unidades de uso concreto y coherente tanto para el sistema internacional de
unidades como para el sistema inglés.
74
10. BIBLIOGRAFÍA
- COMISION ASESORA PERMANENTE PARA EL REGIMEN DE
CONSTRUCCIONES SISMO RESISTENTES. Reglamento Colombiano de
construcción sismo resistente NSR-10. Título J – requisitos de protección
contra incendios en edificaciones. Bogotá D.C., Colombia. 2010. 36 p.
- SOCIETY OF FIRE PROTECTION ENGINEERS. Standard calculation
methods for structural fire protection. Estados Unidos. 1998. 67 p.
- ASTM INTERNATIONAL. Standard Test Methods for Fire Tests of Building
Construction and Materials ASTM E119 – 00a. Estados Unidos. 2019. 24 p.
- DEPARTAMENTO ADMINISTRATIVO NACIONAL DE ESTADÍSTICA -
DANE. DANE en el Bicentenario. Historia de la división político -
administrativa y los censos en Colombia. {En línea}. {26 de noviembre de
2019} disponible en:
(https://dane.maps.arcgis.com/apps/Cascade/index.html?appid=09609b3e8
1434c17b1a286b6d8070014).
- URIBE ESCAMILLA, Jairo. Incendio en las alturas: edificio Avianca, 40 años
después. {Diapositivas}. Bogotá D.C, Colombia. Asociación colombiana de
ingeniería estructural – ACIES. 2013. 108 diapositivas.
- DUQUE, Karina. Clásicos de Arquitectura: Edificio Avianca / Esguerra,
Saenz, Urdaneta y Samper Arquitectos. {En línea}. {26 de noviembre de
2019} disponible en: (https://www.archdaily.co/co/02-164700/clasicos-de-
arquitectura-edificio-avianca-german-samper)
- VALENCIA, Nicolás. Así avanza Torres ATRIO, el proyecto de Richard
Rogers + El Equipo de Mazzanti en Bogotá. {En línea}. {26 de noviembre de
2019) disponible en: (https://www.archdaily.co/co/890179/asi-avanza-torres-
atrio-el-proyecto-de-richard-rogers-plus-el-equipo-de-mazzanti-en-bogota)
- POZZI, Sandro. El número de víctimas mortales del 11-S sigue creciendo 18
años después. El país, Internacional. {En línea}. {11 de septiembre de 2019}
disponible en:
75
(https://elpais.com/internacional/2019/09/11/actualidad/1568205258_93747
0.html)
- Infobae. {En línea}. {16 de abril de 2019} disponible en:
(https://www.infobae.com/america/cultura-america/2019/04/16/seis-
grandes-incendios-que-arrasaron-edificios-iconicos-del-mundo/)
- PÁEZ ESCOBAR, Gustavo. Memoria del fuego. El Espectador. {En línea}.
{19 de julio de 2013) Disponible en:
(https://www.elespectador.com/opinion/memoria-del-fuego-columna-
434862)
- JONES, B., & SALMINEN, M.(Abril de 2020). AISC (American Institute of
Steel Construction). En Charles J. Carter (Presidencia), 2020 NASCC: The
Virtual Steel Conference, Performance-Based Structural Fire Engineering for
Steel Buildings. Conferencia llevada a cabo virtualmente.
76
11. ANEXOS
11.1. DISEÑO DEL DIRECTORIO DE LA RESISTENCIA AL FUEGO UL D916
DISEÑO No. D916
Abril 25, 2002
Clasificaciones de montajes restringidos – 3/4, 1, 1-/2, 2 o 3 Hr.
(Ver ítems 1, 6, 7, 8 y 11)
Clasificaciones de montajes no restringidos – 0 Hr. (Ver ítems 3, 4 y 4A)
Clasificaciones de viga no restringida – 1, 1-1/2, 2 y 3 Hr.
(Ver ítems 4, 4A, 7 y 11)
Figura - 14. Diseño de montaje de una estructura en acero diseño No. D916
Soportes – Vigas de acero de 8x28 de medida mínima. O viguetas de acero o
correas (no se muestran en la imagen), compuestas o no compuestas. Soldada o
atornillada al final de los soportes. Designado por las especificaciones de S.J.I. para
una tensión máxima de tracción de 30 ksi. Puede estar sin recubrimiento o con una
capa de pintura. Para las clasificaciones de 2 h o menos de una viga restringida o
sin restringir, las correas superior e inferior deben consistir en dos ángulos con un
área total mínima de 0.96 y 0.77 pulgadas cuadradas, respectivamente. Los
miembros de la correa deben ser barras redondeadas o ángulos. El área mínima de
la pieza diagonal debe ser de 0.444 pulgadas cuadradas. El área mínima de cada
de las primeras seis piezas interiores diagonales debe ser de 0.406 pulgadas
77
cuadradas. Todas las demás piezas interiores deben tener un área mínima de 0.196
pulgadas cuadradas. Para las clasificaciones de 3 h de una viga restringida y sin
restringir, cada uno de los miembros superiores e inferiores de la correa debe
consistir de dos ángulos con un área total mínima de 1.74 pulgadas cuadradas. Los
miembros de la correa deben ser barras redondeadas o ángulos. El área mínima de
cada una de las primeras 5 piezas diagonales debe ser de 0.866 pulgadas
cuadradas. Todos los demás miembros interiores deben tener un área mínimas de
0.441 pulgadas cuadradas. Reforzar con un puenteo de viguetas según las
especificaciones de S.J.I. se requiere cuando las viguetas no compuestas son
usadas. Para viguetas no compuestas, piezas de acero de relleno del tamaño
adecuado, 1 o 2 pulgadas de longitud deben ser soldadas entre los ángulo
superiores de la correa a medio camino entre todas las piezas superiores de los
puntos del panel.
1. Concreto de peso normal o aligerado – Concreto de peso normal con
agregados de carbonato o silicio, de 3500 PSI de fuerza de compresión, vibrado.
Concreto aligerado, de lutita expandida o agregados de laja por el método del
horno rotatorio, o agregado de arcilla expansiva por el método del horno rotatorio
o el método de sinterización, de 3000 PSI de fuerza de compresión, vibrado, con
un porcentaje de aire incluido del 4 al 7 por ciento.
Tabla 13. Propiedades y tipos de concreto
Clasificación de
montajes restringidos en
Hr
Concreto
(Tipo)
Unidad de peso del
concreto pcf
Grosor del concreto en
pulgadas
1 Peso Normal 147-153 3-1/2
1-1/2 Peso Normal 147-153 4
2 Peso Normal 147-153 4-1/2
3 Peso Normal 147-153 5-1/4
3/4 o 1 (Ver ítem 6) Peso Aligerado 107-113 2-1/2
1 Peso Aligerado 107-120 2-5/8
1-1/2 Peso Aligerado 107-113 3
2 Peso Aligerado 107-113 3-1/4
2 Peso Aligerado 107-116 3-1/4*
2 Peso Aligerado 114-120 1-1/2
3 Peso Aligerado 107-113 4-3/16
3 Peso Aligerado 114-120 4-7/16
*Para uso con steel deck o unidades encofradas de 2 o 3 pulgadas únicamente.
78
2. Malla electrosoldada – 6 x 6, 10 x 10 SWG.
3. Steel deck y unidades encofradas* – Unidades galvanizadas compuestas de
1-1/2, 2 o 3 pulgadas de profundidad. Las unidades estriadas deben ser sin
revestir o con pintura/fosfatada. Los calibres mínimos son 22 MSG para unidades
estriadas y 20/20 MSG para unidades celulares. La siguiente combinación de
unidades puede ser usada:
Todas las unidades celulares de 24 o 26 pulgadas de ancho.
Todas estriadas.
Una o dos de 3 pulgadas de profundidad, 12 pulgadas de ancho, unidades
celulares mínimas de 18/18 MSG, alternándolas con unidades estriadas de
3 pulgadas de profundidad u otra unidad celular.
Cualquier mezcla de unidades estriadas y unidades celulares de 24 o 36
pulgadas de ancho.
3 pulgadas de profundidad, las unidades celulares de 30 pulgadas de ancho
con 8-1/8 pulgadas a lo largo de las juntas laterales se pueden usar cuando
barras de refuerzo de diámetro de 3/8 de pulgada son ubicadas a 1-1/2
pulgadas a cada lado de las juntas y a 1 pulgada sobre la parte inferior de la
unidad.
SISTEMAS CONSOLIDADOS – Unidades de 24 o 36 pulgadas de ancho de tipo
CFD-2, CFD-3; unidades de 24 o 36 pulgadas de ancho de tipo CFD-1.5; 24
pulgadas de ancho de tipo NC; 24 pulgadas de ancho de tipo Versa-Dek S, LS, XLS.
El espaciado de las soldaduras que unen las unidades a los soportes debe ser de
12 pulgadas OC para unidades de 24 o 36 pulgadas de ancho, cuatro puntos de
soldadura por lámina para unidades de 30 pulgadas de ancho. A menos que se
anote lo contrario, las unidades adyacentes presionadas con botones o soldadas a
36 pulgadas OC a lo largo de las articulaciones laterales. Para clasificaciones de 3
Hr, las unidades con traslapo con juntas laterales soldadas entre sí a una distancia
máxima de 24 pulgadas OC.
79
Cuando una carga impuesta de 250 PSF es deseada el espaciamiento de la
soldadura o de presión con botones no debe exceder 24 pulgadas OC a lo largo de
las juntas laterales.
La clasificación de montajes sin restricciones es igual a la clasificación de la viga sin
restricciones para un máximo de 3 Hr. Y se limita las siguientes unidades y
limitaciones:
1-1/2 pulgadas de profundidad, 24 pulgadas de ancho, 22 MSG o un material
estriado más grueso con tramos claros de no más de 7 pies 8 pulgadas.
1-1/2 pulgadas de profundidad, 24 pulgadas de ancho, 20 MSG o un material
estriado más grueso con tramos claros de no más de 8 pies 8 pulgadas.
1-1/2 pulgadas de profundidad, 24 pulgadas de ancho, 16 MSG o un material
estriado más grueso y 18/18 MSG o un material celular más grueso con
tramos claros de no más de 9 pies 11 pulgadas.
3 pulgadas de profundidad, 36 pulgadas de ancho, 18 MSG o un material
estriado más grueso y de 24 pulgadas de ancho, 20/18 MSG o un material
celular más grueso con tramos claros de no más de 13 pies 2 pulgadas.
4. Materiales resistentes al fuego de spray aplicado* – Aplicado mezclado con
agua y rociándolo en una o más capas hasta un grosor final como se muestra en
la tabla 14, para superficies de vigas de acero las cuales deben estar limpias y
libres de suciedad, escamas sueltas y de aceite. El promedio mínimo y la
densidad mínima debe ser 15/14 pcf respectivamente. Para el método de la
determinación de la densidad, consulte la sección de información.
80
Tabla 14. Espesor de spray aplicado
Clasificación de
montajes restringidos
en Hr
Clasificación de
montajes sin
restricción en Hr
Clasificación de
vigas sin restricción
en Hr
Resistencia al fuego
respecto al grosor
del spray aplicado
sobre la viga en
pulgadas
1 1 1 1/2
1-1/2 1 1 1/2
1-1/2 1-1/2 1-1/2 13/16
2 1 1 1/2
2 2 2 1-1/16
3 1-1/2 1-1/2 13/16
3 3 3 1-9/16
Los espesores de los materiales de spray aplicado resistentes al fuego que se
muestran en la tabla 15 son aplicables cuando el espesor sobre los bordes inferiores
de la viga es reducido a la mitad de lo que se muestra en la tabla:
Tabla 15. Espesor de spray aplicado – bordes reducidos a la mitad
Clasificación de
montajes restringidos
en Hr
Clasificación de
montajes sin
restricción en Hr
Clasificación de
vigas sin restricción
en Hr
Resistencia al fuego
respecto al grosor
del spray aplicado
sobre la viga en
pulgadas
1 1 1 9/16
1-1/2 1 1 9/16
1-1/2 1-1/2 1-1/2 7/8
2 1 1 9/16
2 2 2 1-3/16
3 1-1/2 1-1/2 7/8
3 3 3 1-3/4
Los espesores de los materiales de spray aplicado resistentes al fuego que se
muestran en la tabla 16 son aplicables cuando el espesor sobre los bordes inferiores
de la viga es reducido a la mitad de lo que se muestra en la tabla y las vigas están
soportando todas las unidades estriadas de piso o las unidades confinadas de
concreto aligerado únicamente:
81
Tabla 16. Espesores de spray aplicado – vigas soportando unidades estriadas
Clasificación de
montajes restringidos
en Hr
Clasificación de
montajes sin
restricción en Hr
Clasificación de
vigas sin restricción
en Hr
Resistencia al fuego
respecto al grosor
del spray aplicado
sobre la viga en
pulgadas
1 1 1 7/16+
1-1/2 1 1 7/16+
1-1/2 1-1/2 1-1/2 3/4
2 1 1 7/16+
2 2 2 1
3 1-1/2 1-1/2 3/4
3 3 3 1-9/16
+El grosor aplicado al borde inferior de la viga debe ser mínimo de 1/4 pulgadas.
El grosor del material requerido sobre las viguetas de acero para la variedad de
clasificaciones son mostradas en la tabla 17:
Tabla 17. Grosor de material requerido sobre las viguetas de acero
Clasificación de montajes
restringidos y no
restringidos en Hr
Clasificación de vigas sin
restricción en Hr
Resistencia al fuego
respecto al grosor del spray
aplicado sobre las viguetas
y el puente de refuerzo en
pulgadas
1 1 1-1/8
1-1/2 1-1/2 1-3/4
2 2 2-1/4
3 3 2-7/8
ARABIAN VERMICULITE INDUSTRIES – Tipo MK-5.
GRACE CANADA INC – Tipo MK-4, MK-5.
W R GRACE & CO – CONN CONSTRUCTION PRODUCTS DIV – Tipo MK-4, MK-
5, MK-6/HY, MK-6s, RG, Monokote Acoustic 1.
GRACE KOREA INC – Tipo MK-6/CBF, MK-6/ED, MK-6/HY, MK-6s, Monokote
Acoustic 1.
82
PYROK INC – Tipo LD.
SOUTHWEST VERMICULITE CO – Tipo 4, 5, 5EF, 5GP, 5MD, 8EF, 8GP, 8MD,
9EF, 9GP, 9MD.
VERMICULITE PRODUCTS INC – Tipo MK-4, MK-5, VP4, VP5.
4A. Materiales alternos resistentes al fuego de spray aplicado* – Aplicado
mezclado con agua y rociándolo en una o más capas hasta un grosor final como se
muestra en las tabla a continuación, para superficies de vigas de acero las cuales
deben estar limpias y libres de suciedad, escamas sueltas y de aceite. Cuando un
Steel deck estriado es usado, el área entre el Steel deck y el reborde superior de
las vigas debe ser rociado con un promedio mínimo y una densidad mínima de 19/18
pcf, respectivamente para tipos 7GP, 105. Un promedio mínimo y una densidad
mínima de 22/19 pcf, respectivamente para tipos Z-106, Z-106/G, Z-106/HY. Para
el método de la determinación de la densidad, consulte la sección de información.
Tabla 18. Clasificación de montajes para concreto aligerado
Clasificación de vigas
restringidas en Hr
Clasificación de
montajes
restringidos en Hr
Tipo de concreto
Resistencia al fuego
respecto al grosor
del spray aplicado
sobre la viga en
pulgadas
1 1, 1-1/2, 2 Aligerado 9/16
1-1/2 1, 1-1/2, 2, 3 Aligerado 7/8
1 1, 1-1/2, 2 Aligerado 3/4
1-1/2 1, 1-1/2, 2, 3 Aligerado 1
W R GRACE & CO - CONN CONSTRUCTION PRODUCTS DIV – Tipo Z-146
investigado para uso exterior.
GRACE KOREA INC – Tipo Z-146 investigado para uso exterior.
5. Cortante – Parales conectores – Opcional – Parales de 3/4 de pulgada de
diámetro por 3 pulgadas de largo, para unidades confinadas de 1-1/2 pulgadas
de profundidad a 5-1/4 pulgadas de longitud para unidades confinadas de 3
pulgadas de profundidad; Tipo cabeza o equivalente según especificaciones
83
AISC. Soldada al reborde superior de la viga a través de las unidades de acero
confinadas.
6. Inserciones eléctricas – (No se muestran) Clasificadas como “Cajas y
accesorios de salida clasificados para la resistencia al fuego”.
H H ROBERTSON – Inserciones preestablecidas.
Para el uso con revestimiento de concreto aligerado de 2-1/2 pulgadas sobre
unidades encofradas de acero QL-WKX. Instalado sobre las unidades de piso
perforadas de fábrica según las instrucciones de instalación adjuntas.
El espaciado no debe ser mayor a una inserción en cada 14 pies cuadrados de área
de piso con un espaciamiento a lo largo de las unidades de piso no menor que 48
pulgadas OC. Los hoyos cortados en la tapa para el paso de cableado no deben ser
mayor a 1/8 de pulgada de diámetro del cable. La clasificación de montajes
restringidos es de 3/4 de hora con inserciones de Tapmate II-FS-1 y de 1 hora con
inserciones de Tapmate II-FS-2.
H H ROBERTSON – Tapmate II-FS-1, II-FS-2; Serie KEB.
(2) Walker Systems Inc. – Luego de definidas las inserciones.
Servicio único después de definidas las inserciones instaladas según las
instrucciones de instalación adjuntas en un agujero de 2-1/2 pulgadas de diámetro
perforado en el centro a través de una capa de concreto de 3-1/4 pulgada de
espesor hasta la parte superior de la celda de cualquier unidad de piso de acero
celular de 3 pulgada especificada en el ítem 3. El espaciamiento no debe ser mayor
a una inserción en cada 10 pies cuadrados de área de piso en cada tramo con un
espacio mínimo de centro a centro de 16 pulgadas. Si los canales de alto potencial
y bajo potencial de la unidad de piso de acero celular está separada por un valle
lleno de concreto, el espacio de centro a centro del servicio único de alto potencial
y bajo potencial después de que las inserciones sean establecidas puede reducirse
a un mínimo de 7-1/2 pulgadas La clasificación de un ensamblaje restringido es de
2 horas o menos con el tipo 436 protegido internamente luego que la inserción
definida con el tipo de serie M4-, M6- o M8- de montaje de activación adecuada de
servicio único.
84
WALKER SYSTEMS INC – Internamente protegido para el tipo 436 luego que las
inserciones han sido determinadas con un tipo de serie M4-, M6- o M8- de activación
adecuada de servicio único.
7. Láminas de mineral y fibra* – (Opcional, no se muestran). Aplicadas sobre el
piso de concreto sin restricción sobre el grosor de las láminas. Cuando láminas
de mineral o fibra son usadas, la calificación de la viga sin restricción debe
incrementar por un mínimo de 1/2 hora.
Ver láminas de mineral y fibra (CERZ) categoría por nombres de manufactureras.
8. Materiales de cobertura de techo* – (Opcional, no se muestran) consiste de
materiales compatibles con aislamientos descritos aquí el cuál provee cubiertas
de clase A, B o C. Ver materiales de cubierta para construcción de techos in el
directorio de materiales de construcción.
9. Concreto aislante – (No se muestra) Opcional. Varios tipos de concreto aislante
preparado y aplicado en el grosor indicado.
A. Concreto de vermiculita – (No se muestra) Opcional.
1. Mezclar de 6 a 8 pies cúbicos de agregado de vermiculita* a 94 libras de cemento
Portland y un agente de inclusión de aire. Un grosor mínimo de 2 pulgadas medido
desde la parte superior de la superficie del concreto estructural o el espumado
plástico (ítem 10) cuando sea usado.
ELASTIZELL CORP OF AMERICA
SIPLAST INC
VERMICULITE PRODUCTS INC
2. Mezclar 3.5 pies cúbicos de agregado para concreto vibrado normalmente NVC*
o una capa de agregado de sustrato sin ventilación NVS de vermiculita*, un grosor
de 1/8 de pulgada bajo el espumado plástico (ítem 10) cuando sea usado, un grosor
mínimo de 1 pulgada de cubierta.
SIPLAST INC
85
VERMICULITE PRODUCTS INC
El concreto de vermiculita debe ser cubierto con materiales de cobertura de techo
(ítem 8).
B. Concreto celular – mezcla de cubierta para techo* – concentrado mezclado
con agua y cemento Portland según especificaciones del fabricante. Densidad seca
de fundición y una fuerza a la compresión de mínimo 28 días de 190 PSI como es
determinado en ASTM C495-66.
CELCORE INC – Densidad seca de fundición de 31 (+ o -) 3.0 pdf.
CELLUFOAM CONCRETE SYSTEMS, DIV OF CELLUFOAM CONCRETE OF –
Densidad seca de fundición de 30 (+ o –) 3.0 pcf.
CELLULAR CONCRETE LLC – Densidad seca de fundición de 37 (+ o -) 3.0 pcf.
ELASTIZELL CORP OF AMERICA – Tipo II. Mezcla #1 de densidad seca de
fundición de 39 (+ o -) 3.0 pcf, mezcla #2 de densidad seca de fundición de 40 (+ o
-) 3.0 pcf, mezcla #3 de densidad seca de fundición de 47 (+ o -) 3.0 pcf.
C. Concreto celular – mezcla de cubierta para techo* – concentrado mezclado
con agua y cemento Portland según especificaciones del fabricante. Una fuerza a
la compresión de mínimo 28 días de 190 PSI como es determinado en ASTM C495-
66.
LITE-CRETE INC – Densidad seca de fundición de 29 (+ o -) 3.0 pcf.
SIPLAST INC – Mezcla No. 1 o 2 de densidad seca de fundición de 32+3 (Mezcla
No. 1) o 36+3 (Mezcla No. 2) pcf.
D. Concreto de perlita – 6 pies cúbicos de agregado de perlita* a 94 libras de
cemento Portland y 1-1/2 partes de agente inclusor de aire. Un Grosor de 2 pulgadas
mínimo medido desde la superficie del concreto estructural o del espumado plástico
(ítem 10ª) cuando éste sea usado.
Ver agregado de perlita (CFFX) en el directorio de resistencia al fuego para nombres
de manufactureras.
86
E. Concreto celular – mezcla de cubierta para techo* – Espuma concentrada
mezclada con agua, cemento Portland y agregado de vermiculita UL clasificada
según las instrucciones de aplicación de la manufacturera. Densidad seca de
fundición de 33 (+ o -) 3.0 pcf y una fuerza de compresión de 28 días de mínimo 250
PSI como es determinado en ASTM C495-86.
CELULLAR CONCRETE LLC – Mezcla No. 3.
SIPLAST INC
La mezcla de cubierta de piso debe ser cubierta con revestimiento de techo de
membrana simple o construida.
10. Plástico espumado* – (Opcional, no se muestra) para uso exclusivo de
concretos con vermiculita (ítem 9ª) o celular (ítem 9C) - Aislamiento de plástico
rígido de espuma de poliestireno con ranuras y/o agujeros intercalados entre
lechada de concreto de vermiculita que se aplica a la superficie de concreto
normal o aligerado y un revestimiento de concreto de vermiculita (Artículo 9A). El
máximo espesor será de 8 pulgadas.
SIPLAST INC
VERMICULITE PRODUCTS INC
10. Plástico espumado* – Para uso único con concreto celular. Espesor nominal
24 por 48 por máx. 8 pulgadas para paneles de aislamiento de plástico espumado
de poliestireno que tengan una densidad de 1.0 + 0.1 pcf encapsulada dentro de un
revestimiento de concreto celular (Artículo 98). Cada panel de aislamiento debe
contener seis orificios nominales de 3 pulgadas de diámetro orientados dos filas de
tres orificios, cada una con los orificios espaciados 12 pulgadas OC,
transversalmente y 16 pulgadas OC longitudinalmente.
Ver la categoría de plástico espumado* (BRYX) en el directorio de materiales de
construcción o la categoría de plástico espumado (CCVW) en el directorio de
resistencia al fuego para la lista de manufactureras.
11. Plástico espumado* – (Opcional, No se muestra) Aislamiento de techo con
poliisocianurato, aplicado sobre el piso de concreto sin restricción de grosor del
87
aislamiento. Cuando el aislamiento de poliisocianurato es usado, la clasificación de
la viga sin restricción debe ser aumentada a un mínimo de 1/2 hora.
Ver la categoría de plástico espumado (CCVW) para la lista de manufactureras.
*Con la marca de clasificación UL.
88
11.2. DISEÑO DEL DIRECTORIO DE LA RESISTENCIA AL FUEGO UL N708
DISEÑO No. N708
Clasificaciones de vigas restringidas – 1, 2, 3 y 4 Hr.
Clasificaciones de vigas no restringidas – 1, 1-1/2, 2, 3 Y 4 Hr.
Carga restringida para aplicaciones Canadienses – ver guía BXUV7
Figura - 15. Diseño de montaje de una estructura en acero diseño No. N708
1. Viga de acero – W8x28 medida mínima.
2. Concreto de peso normal o peso aligerado – Fuerza compresiva, 3000 PSI.
Para concreto de peso normal cualquier agregado de carbonato o silicio puede
ser usado. Unidad de peso, 148 pcf. Para concreto de peso aligerado, unidad de
peso, 110 pcf.
3. Conector de corte – (Opcional) – Paral, tipo cabeza o equivalente de 3/4 de
pulgada de diámetro según especificaciones AISC. Soldada al reborde superior
de viga a través de las unidades de piso de acero.
4. Malla electrosoldada – (Opcional) – 6x6-10/10 SWG.
5. Unidades de Steel deck* – Unidades corrugadas de profundidad de 1-5/16
pulgadas; o unidades estriadas o celulares de profundidad de 1-1/2 a 3 pulgadas,
soldadas a la viga.
89
6. Materiales de spray aplicado resistentes al fuego* – Aplicado mezclado con
agua y rociando en más de una capa a la viga los espesores finales mostrados a
continuación. Cuando se usan unidades de Steel deck acanalado o estriado, las
áreas de la cresta se deben llenar con materiales de spray aplicado resistentes
al fuego sobre la viga. Las superficies de la viga deben estar limpias y libres de
suciedad, escamas sueltas y aceite. El promedio mínimo y densidad mínima debe
ser 15/14 pcf respectivamente. El promedio mínimo y densidad mínima debe ser
19/18 pcf respectivamente para los tipos 7GP y 7HD. Por el método de
determinación de densidad, ver la sección de Información de diseño.
Tabla 19. Espesores mínimos de spray aplicado
Espesor mínimo en pulgadas
Clasificación en Hr. Clasificación de Viga
restringida en Hr. Clasificación de viga sin
restricción en Hr.
1 1/2 1/2
1-1/2 11/16 13/16
2 15/16 1-1/16
3 1-7/16 1-9/16
4 1-15/16 2
Los espesores de los materiales de spray aplicado resistentes al fuego que se
muestran en la tabla 20 son aplicables cuando las vigas soportan losas sólidas de
concreto liviano o ensambles de piso de concreto liviano que solo contienen piso
estriado o unidades encofradas.
Tabla 20. Espesores mínimos de spray aplicado – vigas soportando losas
Espesor mínimo en pulgadas
Clasificación en Hr. Clasificación de Viga
restringida en Hr. Clasificación de viga sin
restricción en Hr.
1 7/16 7/16
1-1/2 1/2 3/4
2 13/16 1
3 1-5/16 1-5/16
4 1-5/8 1-5/8
90
Los espesores de los materiales de spray aplicado resistentes al fuego que se
muestran en la tabla 21 son aplicables cuando el espesor sobre los bordes inferiores
de la viga es reducido a la mitad de lo que se muestra en la tabla:
Tabla 21. Espesores mínimos de spray aplicado – bordes reducidos a la mitad
Espesor mínimo en pulgadas
Clasificación en Hr. Clasificación de Viga
restringida en Hr. Clasificación de viga sin
restricción en Hr.
1 9/16 9/16
1-1/2 3/4 7/8
2 1-1/16 1-3/16
3 1-5/8 1-3/4
4 2-3/16 2-5/16
Los espesores de los materiales de spray aplicado resistentes al fuego que se
muestran en la tabla 22 son aplicables cuando el espesor sobre los bordes inferiores
de la viga es reducido a la mitad y las vigas soportan losas sólidas de concreto
liviano o ensambles de piso de concreto liviano que solo contienen piso estriado o
unidades encofradas
Tabla 22. Espesores mínimos de spray aplicado – vigas soportando losas
Espesor mínimo en pulgadas
Clasificación en Hr. Clasificación de Viga
restringida en Hr. Clasificación de viga sin
restricción en Hr.
1 7/16+ 7/16+
1-1/2 1/2 3/4
2 13/16 1
3 1-5/16 1-9/16
4 1-13/16 2-1/16
+El grosor aplicado a los bordes inferiores de la viga debe ser mínimo de 1/4 de pulgada.
*Soportando la marca de clasificación de UL.
