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El desafío material: ¿Por qué el fuego es un carga de diseño esencial para el hormigón prefabricado
Los tendones de acero resistente son la columna vertebral de las estructuras de hormigón de larga duración, desde los garajes de estacionamiento y puentes hasta losas de suelo de alta altura y los vasos de contención nuclear. Estos elementos de acero de alta resistencia están tensos para colocar el hormigón en compresión, permitiendo diseños esbeltos y eficientes. Sin embargo, las propiedades muy metalúrgicas que hacen prestreñimiento de acero tan poderoso también lo hacen único irreversible al fuego.
Una estrategia integral de protección contra incendios para el hormigón preestablecido debe abordar toda la trayectoria de carga, desde el tendón mismo hasta las zonas de anclaje y la matriz de hormigón circundante. Esto requiere que los ingenieros se trasladen a simples tablas prescriptivas y adopten una comprensión holística de la transferencia de calor, la ciencia material y los mecánicos estructurales a altas temperaturas.
La Física y Metalurgia de Acero de Pretensión en Fuego
El acero de presión se fabrica para alcanzar altas resistencias a la tensión, que suelen oscilar entre 1,720 MPa y 1.860 MPa. Esta fuerza se obtiene a través de un proceso de reducción del frío y del estrés, que crea una microestructura finamente sintonizada. Cuando se expone al fuego, la energía térmica interrumpe esta estructura. A temperaturas tan bajas como 150°C a 200°C, el acero comienza a experimentar una constante
A medida que la temperatura se eleva hacia 400°C, la tasa de estribo de acero prestresante se acelera significativamente. La deformación dependiente del tiempo bajo estrés, hace que el tendón se elimine permanentemente, reduciendo directamente la fuerza de prestreñimiento eficaz del acero. A 600°C, una cadena preestrestrezante típica habrá perdido más del 80% de su fuerza de tensión de la estructura.
Curvas de tiempo-temperatura y transferencia de calor
El diseño de la seguridad contra incendios requiere una definición clara de la exposición al fuego. El estándar más común para la construcción de edificios es la ISO 834 curva estándar de fuego, que simula un fuego celulósico totalmente desarrollado. Esta curva se enciende rápidamente, alcanzando los 600°C en cinco minutos y más de 1.000°C en una hora.
La conductividad térmica del hormigón es relativamente baja, lo que proporciona protección inherente. Sin embargo, la profundidad de la cubierta de hormigón es la variable geométrica más importante en la protección de tendones. Un aumento de 25 mm en la cubierta puede duplicar el tiempo que toma para que el tendón alcance una temperatura crítica. Los ingenieros deben utilizar modelos de transferencia de calor validados para verificar que la cubierta especificada es adecuada para mantener la temperatura del tendón debajo de los límites críticos necesarios para el período de resistencia al fuego, como 60, 90 o 120 minutos.
La amenaza adicional de la vaciación de hormigón
El diseño de la barrera de la lupa escupida, que se puede utilizar en el caso de la presión de la piel, y que se puede utilizar en el caso de la presión de la piel.
Estrategias de protección de incendios pasivos para prevalorar los inquilinos
La protección pasiva contra incendios (PFP) es la primera línea de defensa para los tendones estructurales. Estos sistemas están diseñados para contener o frenar la propagación del fuego y para mantener la integridad estructural del edificio. Para el hormigón preestablecido, PFP se puede clasificar en cubierta concreta, revestimientos aplicados y sistemas de encasillado.
Cubierta de hormigón Sacrificio
El método más simple y rentable de proteger los tendones de preestrezo proporciona un espesor suficiente de cubierta de hormigón.El hormigón actúa como una esponja térmica, disminuyendo la tasa de transferencia de calor al acero. Códigos de construcción y estándares, como ACI 216.1 y Eurocode 2, proporcionan tablas que vinculan el espesor requerido a los períodos de resistencia al fuego.
Materiales de Resistente al Fuego Aplicados por el Spray (SFRMs)
Cuando la cubierta necesaria no puede ser alcanzada debido a limitaciones de diseño, o cuando se necesita protección adicional para las estructuras existentes, se aplican frecuentemente SFRMs. Estos materiales cementosos, yesos o basados en la vermiculitis se rocian directamente sobre la superficie de hormigón. Proporcionan una capa gruesa y aislante que retrasa la penetración del calor. Los SFRM son rentables y se pueden aplicar a geometrías complejas.
Coatings intumescentes y reactivas
Para el hormigón o áreas de exposición arquitectónica donde se requiere una apariencia fina y terminada, los revestimientos intumescentes son la solución preferida. Estos revestimientos se aplican como películas delgadas (normalmente 1-3 mm para una calificación de 2 horas sobre hormigón) pero se expanden bajo calor para formar un grueso, de baja densidad char. Este char insulate el sustrato. Mientras que los intumescents son más comunes para el acero estructural, son altamente eficaces para proteger los colores expuestos
Nota sobre la aplicación y el mantenimiento: Todos los revestimientos deben ser inspeccionados regularmente. Los revestimientos intumescentes pueden degradarse bajo luz UV y humedad. Un contratista calificado de protección contra incendios debe realizar inspecciones por las especificaciones del fabricante, a menudo cada 1 a 5 años, dependiendo de la exposición ambiental.
Sistemas de junta y revestimiento para los inquilinos externos
Para los tendones de la manta post-tensión externa, como los utilizados en puentes o techos de estadio, los tendones se encuentran fuera de la sección transversal de hormigón. En estos casos, están protegidos por sistemas de tableros de fuego ] o mantas de fibra de cerámica ].
Diseño para el robo de incendios de nivel de sistema
La protección de la mediana de un tendón no es suficiente. Un diseño seguro de fuego debe considerar todo el sistema estructural, incluyendo conexiones, continuidad y rutas de carga.
Asegurando la Redundancia Estructural
En un evento de incendios, es razonable esperar que algunos tendones experimenten una reducción de la fuerza. Una estructura robusta proporciona caminos de carga alternativos para que si un tendón o un rayo pierde capacidad, la carga se pueda redistribuir sin causar un colapso progresivo. Esto a menudo implica diseñar la acción de membrana en losas o proporcionar un refuerzo de continuidad sobre los soportes.
Zona de anclaje Vulnerabilidad y protección
La zona de preamplificación es la parte más sensible de un miembro prestresado. La cabeza del anclaje y las cuñas son a menudo fundición de acero con concentraciones de alta tensión. Tienen una cubierta muy pequeña en comparación con el tendón medio-span. Además, el refuerzo de la explosión en la zona de anclaje puede ser denso, lo que conduce a posibles vacíos de hormigón.
Comportamiento de Tendon sin abonar vs. Bonded en el fuego
El comportamiento de un tendón en un fuego está fuertemente influenciado por si está unido o sin acoplamiento. En un sistema de acoplamiento , el tendón se agrieta dentro de un conducto. La grout proporciona una protección térmica y, si el tendón pierde la unión, el hormigón todavía proporciona cierta moderación.
Cumplimiento de los códigos de construcción y las normas de ingeniería de incendios
La base legal para el diseño de seguridad contra incendios es el código de construcción local. La mayoría de los códigos se refieren a normas específicas para determinar la resistencia al fuego.
Senderos Prescriptivos: ACI 216.1 y Eurocode 2 Parte 1-2
El enfoque prescriptivo implica seleccionar las dimensiones de los miembros y cubrir las tablas proporcionadas en estándares como ACI 216.1 / TMS 0216] (Requisitos del código para determinar la resistencia al fuego de las asambleas de construcción de hormigón y de Masonería ) o Eurocode 2 Parte 1-2.
Enfoques de ingeniería de incendios basados en el rendimiento
Para estructuras complejas o de alto riesgo, un diseño basado en el rendimiento (PBD) se emplea a menudo. Esto implica definir escenarios de incendio específicos (por ejemplo, un incendio de vehículos localizados en un garaje de estacionamiento), realizar transferencia de calor y análisis estructural, y demostrar que la estructura cumple con los criterios de aceptación. PBD permite a los ingenieros optimizar el diseño, reducir costoso sobre protección, y evaluar escenarios de incendios realistas en lugar de pruebas estándar.
Criterios de aceptación para el ensayo de resistencia al fuego
Los criterios de aceptación suelen incluir la adecuadrilla estructural] (la capacidad de soportar la carga de diseño), la transmisión de temperatura (limitando el aumento de temperatura en la cara no expuesta para prevenir el encendido) y la intensidad de acero ] (no permiten abrir los gases
Rendimiento y mantenimiento a largo plazo de los sistemas de protección contra incendios
Un sistema de protección contra incendios sólo es eficaz si permanece en su lugar y se realiza según lo previsto en su vida de diseño.
Inspección de sistemas de protección
Los revestimientos y recintos recubiertos con fuego son susceptibles a daños por impacto, humedad, corrosión y vandalismo. Las inspecciones regulares deben incluir la comprobación del espesor de la cubierta de hormigón utilizando medidores de cubierta, inspeccionando SFRM para delamización, y sistemas de tableros de control para huecos o deslocalización. En las estructuras de estacionamiento, la exposición a sales deshidratadas puede deteriorarse tanto el hormigón como el revestimiento.
Reparación y Retrofit de los Tendones dañados por el fuego
Después de un incendio, las estructuras pretensadas pueden parecer sonoras pero han perdido una fuerza de prestreñimiento significativa. Los métodos de evaluación no destructiva (NDE), como la vigilancia acústica y la termografía infrarroja, pueden ayudar a localizar tendones dañados. Sin embargo, evaluar la fuerza de prestreza residual es difícil. La reparación a menudo implica cortar los tendones dañados y reemplazarlos con nuevos tendones externos, o instalar un refuerzo estructural de la operación completa.
Conclusión
La concepción de la seguridad contra incendios en estructuras que utilizan tendones de acero prestresing requiere un enfoque disciplinado de la selección de materiales, análisis de transferencia de calor, diseño estructural y garantía de calidad. La vulnerabilidad del acero de alta resistencia a temperaturas elevadas exige que los ingenieros prioricen la cubierta de hormigón, evalúen los riesgos de despilfarro y especifiquen sistemas de protección pasiva de incendios adecuados para los tendones y anclajes.