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SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS EN MADERA FRENTE A INCENDIO Y COMPARATIVA CON ACERO...

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SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS EN MADERA FRENTE A INCENDIO Y COMPARATIVA CON ACERO TRABAJO DE FIN DE MA STER MÁSTER EN INGENIERÍA DE LA CONSTRUCCIÓN 13/09/2019 AUTOR: PERU SAN MIGUEL OIARBIDE DIRECTOR: JESÚS CUADRADO ROJO

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SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS EN MADERA FRENTE A INCENDIO Y COMPARATIVA CON ACERO

Tabla de contenido Tabla de ilustraciones .......................................................................................................................... 2 1

Introduccio n ........................................................................................................................................ 3

2

Alcance................................................................................................................................................... 5

3

Normativas de referencia ............................................................................................................. 5

4

Estado del arte ................................................................................................................................... 6

5

Planteamiento del problema ....................................................................................................... 8

6

Bases de Ca lculo ............................................................................................................................. 10 6.1

7

Madera........................................................................................................................................ 10

6.1.1

Madera sin condicio n de incendio ....................................................................... 10

6.1.2

Madera en caso de incendio .................................................................................... 11

Comparativa realizada ................................................................................................................ 14 7.1

Caso 1: Sin incendio ............................................................................................................. 14

7.2

Caso 2: Con incendio, sin elementos protectores .................................................. 14

7.3

Caso 3: Con incendio, con elementos protectores ................................................. 15

8

7.3.1

Madera .............................................................................................................................. 15

7.3.2

Acero .................................................................................................................................. 16

Comparativa presupuestaria.................................................................................................... 17 8.1

Madera........................................................................................................................................ 17

8.2

Acero ........................................................................................................................................... 17

8.3

Presupuesto ............................................................................................................................. 19

9 10

Conclusiones .................................................................................................................................... 20 Bibliografí a.................................................................................................................................... 21

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Tabla de ilustraciones Ilustracio n 1 Procendencia de madera aserrada estructural en Europa ......................... 3 Ilustracio n 2 Procendencia de madera aserrada estructural en Espan a ......................... 3 Ilustracio n 3 Intensidad de cosecha forestal en Europa .......................................................... 4 Ilustracio n 4 Comparativa de emisiones de CO2 entre diferentes materiales .............. 4 Ilustracio n 5 Curvas temperatura-tiempo ...................................................................................... 6 Ilustracio n 6 Seccio n de madera carbonizada .............................................................................. 7 Ilustracio n 7 Colapso de una estructura de madera frente a una de acero .................... 8 Ilustracio n 8 Tabla de resistencia suficiente frente al fuego.................................................. 8 Ilustracio n 9 Esquema estru ctural de la pieza a analizar ....................................................... 9 Ilustracio n 10 Tabla de coeficientes de modificacio n ............................................................ 11 Ilustracio n 11 Expresio n de carga de ca lculo ............................................................................ 11 Ilustracio n 12 Tabla para reduccio n de cargas en caso de incendio ............................... 12 Ilustracio n 13 Ca lculo de la profundidad carbonizada ......................................................... 12 Ilustracio n 14 Reduccio n de la seccio n eficaz ............................................................................ 12 Ilustracio n 15 Tabla de velocidad de carbonatacio n en maderas sin proteccio n ..... 12 Ilustracio n 16 Tabla de posibles soluciones de CYPE ............................................................ 14 Ilustracio n 17 Reduccio n de resistencia del acero a nte el incremento de temperatura .......................................................................................................................................................................... 16 Ilustracio n 18 Comparativa presupuestaria ............................................................................... 19

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1 Introducción La construccio n en madera es un a rea en alza en muchas partes del mundo. Aunque en Espan a todaví a quede un largo recorrido en el se ctor, en otras muchas partes del mundo (Paises No rdicos, Francia o Reino Unido en Europa o Canada y Estados Unidos en Norte Ame rica) hay una larga tradicio n o tendencia e n dicha industria. Como claro ejemplo de ello, en el Reino Unido en 2 015 el sector de las estruct uras de madera tuvo una tasa de crecimiento mayor que la economí a local. Aun ma s, en 2018 el porcentaje de la construccio n madera entre las casa de nueva construccio n fue del %27. En otros paises, como Japo n, se ll eva construyendo en madera desde hace muchí simo tiempo ya que la cultura Nipona esta muy unida a la naturaleza. Su depurada te cnica les permite hacer frente a los numerosos sismos que asolan la isla, lo que proporciona otra prueba de l a utilidad de la madera no solo este ticam ente sino que tambie n estructuralmente. En Espan a, las preferencias en cuanto a los materiales de construccio n han sido sobre todo el hormigo n, el ladrillo y el acero estructural. La accesibilidad de los materiales, factor muy unido a su precio, han decantado la balanza en las u ltimas de cadas. Las regiones en las que ma s se emplea la madera serí an las norten as, debido a la abundancia de de madera de calidad, que ha favorecido su uso. Como se ve en los gra ficos, si se compara las procedencias de la madera estructural en Europa y Espan a, se observa la gran diferencia en cuanto a la cantidad utiliza se refiere.

Ilustración 1 Procendencia de madera aserrada estructural en Europa

Ilustración 2 Procendencia de madera aserrada estructural en España

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Por otro lado, en los gra ficos de intensidad en cosechas forestales tambie n se pueden observar considerables alternancias en los diferentes paises de Europa.

Ilustración 3 Intensidad de cosecha forestal en Europa

Pero los tiempos cambian y actualmente, el peso de la madera esta incrementando a gran velocidad, sobre todo debido a la crecie nte conciencia de que hay que cuidar el medio ambiente. Las emisiones de CO2 se reducen exponencialmente si se comparan con los materiales previamente mencionados. De hecho, la mad era no solo emite menos, sino que, adema s, almacena el CO2, lo que cambia el signo de la ecuacio n de negativo a positivo.

Ilustración 4 Comparativa de emisiones de CO2 entre diferentes materiales

Antes que nada, hay que subrayar que la madera es un material que provoca prejuicios a primera vista entre la gente menos cercana a la construccio n e incluso entre g ente del sector. A pesar de que tie ne fama de pudrirse, quemarse o ser comido por insectos, con un disen o adecuado se puede construir casi cualquier cosa con ella. Las ventajas del material en general superan a las desventajas. Al ser un material abundante, con una adecuada explotacio n se convierte en un recurso totalmente sostenible, renovable y reciclable. Su capacidad e structural es alta a pesar del poco peso y es un buen aislante te rmico y acu stico. En el presente trabajo se abordara una de las desventajas de la madera, que serí a su comportamiento co ntra el fuego. Se analizara el coste de un pilar de diferentes materiales frente a situacio n de incendio y se estudiara n los resultados obtenidos.

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2 Alcance El ana lisis frente a incendios es un tema clave con todo tipo de materiales, pero es ma s crucial dependiendo del comportamiento del material frente al fuego. Primero hay que acotar el tipo de elemento que se esta sometiendo a estudio, ya sea estructural o no. Por otro lado, se debe decidir si dichos elementos son principales o secundari os. Por u ltimo, dependiendo del uso del sector de incendio considerado para el edificio y las plantas de e ste sobre rasante, el elemen to debera mantener sus propiedades una cantidad determinada de tiempo. Este trabajo se centrara en un pilar sometido mayormente a cargas de compresio n, analiza ndose la respuesta que darí an diferentes materiales ante el fuego y soluciones para mejorar la respuesta. Se modelizara n las alternativas en un software y se procedera a la comparacio n presupuestaria. El objeto principal del trabajo es la resistencia relacionada a casos de incendio por lo que se considerara un pilar de interior, ignorando los efectos del clima en la durabilidad del mismo. Los tratamientos previamente mencionados sera n u nica y exclusivamente relacionados con el fuego. Se comenzara con un apartado teo rico para informar sobre la como se calcula la capacidad estructural de un pilar como el que se va a analizar. Adema s, se explicara la respuesta que da la madera al fuego, con un breve s umario sobre las diferentes formas de solventar el problema y las diferentes respuestas obtenidas dependiendo de si la madera esta o no protegida. Despue s, se analizara n diversas combinaciones de materiales y protecciones y se concluira con la solucio n que ma s favorable resulta. No se incluira en este documento informacio n sobre el acero, ni informacio n adicional te cnica sobre los elementos de proteccio n del pilar, ya que la idea es centrarse en la madera misma y en la respuesta que se puede llegar a consegu ir. A pesar de ello, s e comentara n las principales ventajas y desventajas de las alternativas analizadas, con el fin de justificar la opcio n final.

3 Normativas de referencia •

CTE-SI: Seguridad en caso de incendio.

•

CTE-SE-M: Seguridad estructural: Madera.

•

UNE EN 1365-4 2000: Ensayos de resistencia al fuego de elementos portantes: Parte 4: Pilares.

•

EUROCO DIGO 5: Proyecto de estru cturas de madera: Parte 1-2: Proyecto de estructuras sometidas al fuego.

•

CTE-SE-AE: Seguridad estructural: Acciones en la edificacio n.

•

CTE-SE-AE: Seguridad estructural.

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4 Estado del arte Como todo el resto de los materiales, la madera tambie n debe soportar adecuadamente las condiciones impuestas por el fuego. La red europea HIFI (High Fire Performance Wood Products) fue una de las organizaciones que se involucraron en la investigacio n a principios del milenio. Ante la necesidad de expandir conocimientos debido a que la madera es combustible, la red HIFI tuvo como objetivo resolver las brechas a ctu ales en el conocimiento y as í ayudar a la industria europea a mejorar el rendimiento frente al fuego de los productos de madera, así como su usabilidad en te rminos de durabilidad y rendimiento ambiental. Para ello, trabajaron en diversos a mbitos como la regulacio n de me todos de e nsayos o cas os pra cticos de obras en las que se utilizaron productos de madera ignifugados. Adema s, estudiaron productos igní fugos, como funcionan y seleccionan. Otros estudios ma s recientes, se han basado en los esta ndares de la ASTM, ma s concretamente en el “Standard E119 Standard test methods for fire tests of building construction and materials”. En dichos ensayos, se graban la duracio n de elementos bajo carga en ambientes de incendio, lo que sigue una curva de temperatura- tiempo similar a la de ISO-834 u otras similares.

Ilustración 5 Curvas temperatura-tiempo

Las diferencias entre las curvas de la ilustracio n no deberí an ser significativas debido al elevado nu mero de Biot ( nu mero adimensional utilizado para calc ular transmisiones de calor, que relaciona el ca lor conducido por conduccio n o conveccio n dentro del cuer po) de los elementos de madera estructurales. En ensayos de resistencia al fuego de pilares de madera hay que diferenciar entre los productos laminados o macizos. Este documento, al centrarse en los segundos, no analizara el estado del arte de los primeros.

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El estudio de la resistencia al fuego de piezas macizas de madera bajo carga se lleva estudiando desde inicios del siglo XX. Estos ensayos mostraron que pilares cargados con un 10% de su carga lí mite, sostení an dicha carga durante ma s tiempo que pilares de acero desprotegidos, an te niveles de carga parecidos. Se observo que las columnas de madera fallaban cerca de las viseras d e acero por las cuales se les aplicaba la carga. En posteriores experimentos se corroboro esta idea ya que piezas de madera co n soportes de acero fallaban mucho antes que las soportadas con sostenes d e hormigo n. Adema s, se percibio que los elementos se fracturaban en zonas en las que la madera tení a defectos. En resumen, la presencia de acero incrementaba la probabilidad de fallo en condiciones de altas temperaturas. En cua nto al comportamiento natural de la madera frente al fuego, es predecible y seguro. Se puede calcular el tiempo que tarda en quemarse. Por otro lado, aunque se queme , puede seguir prestando servicio, ya que no se derrite ni se descompone ra pidamente. La madera comienza a quemarse en torno a los 400ºC y sufre un proceso de carbonizacio n. Debido a esta carbonizacio n, se va perdiendo seccio n u til resistente, pero nada ma s, por lo que sobredimensionando un poco la pieza se solventa el problema. Como se observa en la imagen, la seccio n tendrí a 3 zonas una vez empeza da la carbonizacio n. La zona superior serí a la carbonizada. En ella, parte de la madera ha perdido su capacidad resistente y actu a como ais lante. La intermedia serí a la de piro lisis, en la cual parte de las propiedades de la madera se ven afectadas por el efecto de la temperatura. Por u ltimo, la zona intacta, en la cual las propiedades se mantienen.

Ilustración 6 Sección de madera carbonizada

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En resumen, si la seccio n intacta restante es suficiente para soportar las cargas a las cuales la pieza esta sometida, no va a colapsar. Para ello se debe calcular la velocidad de carbonatacio n, para saber si en caso de que el incendio continu e, a que velocidad se ira reduciendo la superficie u til. Una vez que dicha superficie no sea capaz de hacer frente a los esfuerzos, la pieza colapsara . Aun así , la carbonatacio n y la proteccio n que la capa exterior ofrece al resto de la seccio n nos proporciona seguridad frente al colapso.

Ilustración 7 Colapso de una estructura de madera frente a una de acero

5 Planteamiento del problema El problema que se planteara sera el ana lisis de un pilar dentro de un edificio. El edificio elegido para el ensayo sera un hospital debido a que un elemento de estructural de un hospital de menos de 28 m de altura sobre rasante debe superar los 120 minutos de estabilidad al fuego, una cantidad exigente. Por lo tanto, se pretende centrar la investigacio n en l a capacidad resistente en caso de i ncendio y no u nicamente en la capacidad de soportar esfuerzos. Se considera que, al ser un pilar, el fuego afectara perimetralmente al soporte, es decir, en las cuatro caras del mismo.

Ilustración 8 Tabla de resistencia suficiente frente al fuego

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En definitiva, la pieza sera un elemento biarticulado, con un apoyo fijo en l a parte inferior y uno mo vil en la parte superior. Las cargas a aplicar sera n de compresio n, y se calculara n mediante el documento ba sico DB-SE-A del Co digo Te cnico de la Edificacio n. La principal razo n de esto sera la de dotar de realismo al ca lculo. Ma s adelante se resumira la obtencio n de la carga R. Se modelizara la piez a con diferentes materiales, acero y madera, y se vera cua l de las dos opciones es la ma s econo mica y adecuada para la situacio n planteada.

Ilustración 9 Esquema estructural de la pieza a analizar

Los 2 tipos de pilar que se van a comparar sera n: •

Pilar de madera aserrada procedente de coní feras de clase resistente C16.

•

Pilar de acero laminado S275.

Como ya se ha mencionado en el alcance del proyec to, al ser el fuego la idea principal de ensayo, se evitara n otros problemas de durabilidad en la madera, asignand o al elemento a analizar un Clase de uso 1. Sera un pilar de interior de edificio, a cubierto, protegido de la intemperie y no expuesto a la humedad. Adema s, tendra un contenido de humedad menor que el 20%, factor que condiciona la dilatacio n y contraccio n de la madera, lo que provoca tensiones adicionales en la pieza y problemas en las uniones con elementos de otros materiales.

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6 Bases de Cálculo En primer lugar, se analizara el Estado Lí mite de Servicio, que serí a cuando colapsa la estructura. Se multiplicara n las acciones por el correspondiente coeficiente de mayoracio n y las resistencias por el de minoracio n. Por lo tanto, el ca lculo de la accio n resultante R s e calculara mediante la si guiente fo rmula del CTE:

Las cargas consideradas sera n las siguientes: Cargas Muertas: Solado 2.00 KN/m2

Cargas Muertas: Tabiquerí a 1.00 KN/m2

Sobrecarga de Uso 2.00 KN/m2

Peso Propio forjado 3.00 KN/m2

Como la s uperficie tributaria es de 4m2, se multiplicarí an las cantidades por dicho valor. Los coeficientes de mayoracio n sera n 1.35 para las cargas muertas y pesos propios, y 1.50 para las acciones variabl es como la sobrecarga de uso. 𝑅 = 1.35 ∗ (2.00 ∗ 4 + 1.00 ∗ 4 + 3.00 ∗ 4) + 1.50 ∗ (2.00 ∗ 4) Por lo que s...