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Protección contra el fuego de elementos estructurales de hormigón armado

Lunes, 11 Septiembre, 2023

Hoy, en la web del Colegio de Ingenieros Técnicos de Obras Públicas, os dejamos un artículo de máxima importancia en el desempeño de la profesión. Se trata de “Protección contra el fuego de elementos estructurales de hormigón armado”, a través de un caso práctico para conocer mejor algunos de los cambios introducidos en el Código Estructural de 2021. 

CTE Documento Básico SI. Seguridad en caso de incendio

El Código Técnico de la Edificación establece en el documento básico SI, sección “SI 6. Resistencia al fuego de la estructura” las características de comportamiento frente al fuego de los diferentes elementos estructurales (pilares, muros, vigas y forjados). 

“Se admite que un elemento tiene suficiente resistencia al fuego si, durante la duración del incendio, el valor de cálculo del efecto de las acciones, en todo instante t, no supera el valor de la resistencia de dicho elemento. En general, basta con hacer la comprobación en el instante de mayor temperatura que, con el modelo de curva normalizada tiempo-temperatura, se produce al final del mismo”. 

Para el caso de elementos estructurales principales, se establece la siguiente resistencia al fuego general (existen casos singulares indicados en la tabla 3.1), de los distintos elementos estructurales:

Uso del sector de incendio considerado (1) Plantas de sótano  Plantas sobre rasante Altura de evacuacióndel edificio 
≤ 15 m. ≤ 28 m. > 28 m. 
Vivienda unifamiliar (2) R30 R30 
Residencial vivienda,residencial público, docente, administrativo R120 R60 R90 R120 
Comercial, pública concurrencia, hospitalario R120 (3) R90 R120 R180 
Aparcamiento (edificio de uso exclusivo o situado sobre otro uso) R90 
Aparcamiento  (situado bajo un usodistinto) 

1. La resistencia al fuego suficiente R de los elementos estructurales de un suelo que separa sectores de incendio es función del uso del sector inferior. Los elementos estructurales de suelos que no delimitan un sector de incendios, sino que están contenidos en él, deben tener al menos la resistencia al fuego suficiente R que se exija para el uso de dicho sector.

2. En viviendas unifamiliares agrupadas o adosadas, los elementos que formen parte de la estructura común tendrán la resistencia al fuego exigible a edificios de uso Residencial Vivienda.

3. R 180 si la altura de evacuación del edificio excede de 28 m.

4. R 180 cuando se trate de aparcamientos robotizados.

Cuando los elementos estructurales se encuentren en zonas de riesgo especial integradas en los edificios se establecen las siguientes resistencias:

Riesgo especial bajo R90
Riesgo especial medio R120
Riesgo especial alto R180
No será inferior al de la estructura portante de la planta del edificio excepto cuando la zona se encuentre bajo una cubierta no prevista para evacuación y cuyo fallo no suponga riesgo para la estabilidad de otras plantas ni para la compartimentación contra incendios, en cuyo caso puede ser R 30.

La resistencia al fuego suficiente R de los elementos estructurales de un suelo de una zona de riesgo especial es función del uso del espacio existente bajo dicho suelo.

El Código Estructural y la resistencia al fuego de las estructuras de hormigón armado. Cambios con respecto a EHE-08 (CTE BD-SI)

El Código Estructural establece algunos cambios con respecto a la EHE-08 a la hora de establecer distancias mínimas a ejes y a recubrimientos. En el artículo 5, “Datos tabulados” del anejo 20 del Código Estructural, se establecen unas reglas generales de cálculo y requisitos mínimos relativos a las dimensiones de la sección y de los recubrimientos mecánicos. De esta manera, se desarrollan en el Código Estructural una serie de reglas y tablas tanto para elementos portantes verticales (pilares y muros) y elementos horizontales (vigas y forjados).

Tras unos meses trabajando en el nuevo contexto establecido por el Código Estructural, es en el caso de los pilares donde hemos observado que se establecen unos cambios con respecto a la EHE-08 que son apreciables a la hora del dimensionado de estos elementos y que pueden afectar a la arquitectura en fases avanzadas del proyecto, con los inconvenientes y problemas de todo tipo que esto puede ocasionar como, por ejemplo, en las dimensiones de plazas de garaje.

EHE-08 (SI) vs CE: análisis de un caso práctico en el dimensionamiento de pilares de sótano

Vamos ahora a proceder a analizar un caso práctico en el que podremos ver en qué medida nos puede afectar aplicar del Código Estructural con respecto a la misma situación aplicando la EHE-08.

Resistencia al fuego Dimensión mínima bmin / Distancia mínima equivalente al eje amin (mm)(*)
R 30 150(**)/15
R 60 200(**)/20
R 90 250/30
R 120 250/40
R 180 350/45
R 240 /td> 400/50

Situación con C.E. Vamos a utilizar la tabla A20.5.2a Dimensiones mínimas del pilar y recubrimientos mecánicos medios para pilares con sección rectangular o circular:

Resistencia al fuego normalizado Dimensiones mínimas (mm) Anchura del pilar ./recubrimiento mecánico de la armadura principal
Pilar expuesto en másde una cara Expuesto en una cara 
µ fi = 0,2  µ fi = 0,5  µ fi = 0,7  µ fi = 0,7 
R-30R-30200/25 200/32 300/27  155/25 
R-60 200/25 200/36 300/31 50/46 350/40 155/25
R-90200/31 300/25 300/45 400/38350/53 450/40** 155/25
R-120250/40 350/35350/45** 450/40**350/57** 450/51** 175/35
R-180350/45**350/63**450/70** 230/55
R-240350/61**450/75** 295/70
** Mínimo 8 barras


Si comparamos las anteriores tablas, podemos observar un incremento considerable de los requisitos de dimensiones y recubrimientos mecánicos mínimos en pilares, especialmente en condiciones de un requerimiento de resistencia a fuego superior o igual a R-90. Esta situación conlleva una serie de implicaciones que deben ser consideradas tanto en el diseño como en el cálculo de la estructura. 

Las implicaciones más reseñables son:

  • El pilar puede requerir unas dimensiones superiores a las requeridas debido a sus solicitaciones según la resistencia a fuego a la que deba someterse.

Por ejemplo, en el caso de una vivienda unifamiliar compuesta por planta baja más garaje (que en principio podríamos estimar en un predimensionado de pilares de 25*25 cm), según lo estipulado por la EHE, sería suficiente para una resistencia a fuego RF 120. En cambio, según el Código Estructural sería necesario un pilar de 350*350 mm en la zona de garaje al necesitar una resistencia a fuego RF 120.

  • El recubrimiento necesario del pilar puede resultar desaconsejables desde el punto de vista de la ejecución del elemento.

Por ejemplo, en el mismo caso de una vivienda unifamiliar, sería necesario un recubrimiento mecánico de 57 mm, lo que en pilares armados con de Ø16 y cercos de Ø8 nos obligaría a calcular con un recubrimiento de 41mm superior al exigido en un ambiente XC1, por lo que debe tenerse en cuenta a la hora del cálculo.

El Código Estructural, en el anejo 20 punto 5.3.2 (4), “pueden evaluarse otros valores para datos tabulados utilizando la ecuación (5.7)”, lo que nos permite utilizar la siguiente fórmula: 

R = 120 ((R?fi + Ra + Rl + Rb + Rn)/120)1,8 

Según se describe en el Código Estructural, principalmente existente tres factores que pueden variarse para aumentar o disminuir la resistencia a fuego del pilar, estos serían:

  • El armado del pilar.
  • Las dimensiones del pilar
  • El recubrimiento de la armadura.

A continuación, se muestra un ejemplo de cálculo de un pilar que debe cumplir una resistencia a fuego RF 120 con el programa CYPECAD Versión 2023.e de la empresa CYPE Ingenieros S.A.

Primero, dimensionamos este pilar a comprobaciones de resistencia:

  • Armadura máxima y mínima (C.E., artículo A19.9.5.2).
  • Estado límite de agotamiento frente a cortante (C.E., artículos A19.9.5.2, A19.6.2.3 y A19.9.2.2).
  • Estado límite de agotamiento frente a solicitaciones normales (Código Estructural, artículos A19.5.2, A 19.5.8.3.1, A19.5.8.8 Y A19.6.1).

Así, obtenemos un pilar de las siguientes características:

  • Dimensiones: 30*30.
  • Armado: Longitudinal 4 Ø12, cercos Ø6c15.
  • Recubrimientos: 35 mm.

Como podemos observar en la tabla A.6.5.2 “Soportes de la EHE. 08 (ver también imagen incluida en Cimbra)”, este pilar cumpliría con los requisitos para acreditar una resistencia a fuego RF 120 con la antigua normativa. En cambio, como podemos observar con estos datos, no cumpliría con los requisitos marcados por la tabla A20.5.2a del Código Estructural y, como se muestra a continuación, si se emplea la formula facilitada, la resistencia a fuego del pilar sería R 87 (ver imagen en el número 423 de Cimbra).

Por lo que, en primer lugar, para evitar modificar las dimensiones de pilar que podría afectar a la distribución arquitectónica, se decide aumentar el armado del pilar a 4 Ø16, cercos Ø6c15 y aumentar el recubrimiento a 45 mm. De esta manera, según se muestra a continuación, la resistencia del pilar se aumenta hasta R 117 (ver imagen en el número 423 de Cimbra).

Para poder cumplir con los requisitos, se decide modificar la longitud de pilar en solo una de sus direcciones hasta los 34 cm para evitar afectar a la arquitectura. Así, según se muestra a continuación, la resistencia del pilar se aumenta hasta R 120 y cumpliría con la normativa vigente (ver imagen en el número 423 de Cimbra).

Se comprueba un pilar con unas dimensiones y unos recubrimientos fuera de lo indicado en los datos tabulados, pudiendo obtener un pilar de unas dimensiones inferiores a lo marcado por las tablas.

Conclusiones

En el caso estudiado, en comparación con la EHE.08, aplicar el Código Estructural supone un aumento del volumen de hormigón de un 13% y un incremento de la cuantía de armado de un 44%. Crecen, considerablemente, los recursos materiales necesarios para la ejecución de la estructura respecto a los necesarios según la antigua normativa EHE-08 (estas conclusiones se acompañan de unas imágenes técnicas, incluidas en el número 423 de Cimbra).

Autores. Raúl Carmona Muñoz, Ingeniero Técnico de Obras Públicas y Arquitecto, Director de EASYCTE. José Herrero Gallego, Arquitecto, Responsable del departamento de Estructuras de EASYCTE. 

Artículo incluido en el número 423 de Cimbra, la revista de Ingeniería Civil del Colegio de Ingenieros Técnicos de Obras Públicas, cuyo link os dejamos aquí.