Quim Vilar, màster en Incendis i Protecció Civil. Safety Engineering, organitzat per la UPC i el ISPC, és col·laborador del CLÚSIC; actualment treballa la consultoria de seguretat contra incendis del Laboratori del Foc, LGAI, Applus. És l’autor d’aquest article.
***
L’acer és un material constructiu molt utilitzat en estructures de l’edificació com en construcció industrial. L’acer presenta grans avantatges com són l’alta resistència en relació el seu pes o la rapidesa i facilitat constructiva de les estructures, però té un inconvenient: la necessitat de protecció contra el foc quan es demanen requisits elevats, habitualment per resistències al foc superiors a R30.
La capacitat portant de l’estructura disminueix notablement a mesura que n’augmenta la temperatura si no es realitza una protecció tèrmica. Per tant, en situació d’incendi les estructures d’acer es veuen afectades i apareixen deformacions que poden provocar el col·lapse de l’estructura si s’assoleix l’anomenada temperatura crítica.
Es coneix com temperatura crítica la temperatura a la que col·lapsa un element de l’estructura d’acer (biga, pilar o unió), ja que en aquesta temperatura les càrregues a les que està sotmès l’element són superiors a la seva resistència estructural, degut a que l’acer veu reduïdes les seves propietats físiques i mecàniques amb l’augment de la temperatura.
És per aquest motiu que les diferents normatives exigeixen una resistència al foc a l’estructura expressada en minuts i suposant l’exposició al foc normalitzat ISO 834, per tal de garantir que en cas d’incendi durant un temps determinat l’estructura i els diferents perfils que la conformen no assoleixin la temperatura crítica i per tant es garanteixi que l’estructura no col·lapsarà, permeten l’evacuació dels ocupants i la intervenció dels serveis d’emergència.
Majoritàriament s’ha considerat, i es considera habitualment encara, que la temperatura crítica del acer és 500ºC. Aquesta consideració en la majoria dels cassos és una suposició bastant restrictiva i conservadora, ja que la temperatura crítica pot ser superior als 500ºC i per tant s’està sobredimensionant la protecció passiva amb les conseqüències econòmiques i mediambientals que això provoca. Però també ens podem trobar el cas que la temperatura crítica pugui ser inferior als 500ºC, com per exemple tots els perfils de Classe 4 que tenen una temperatura crítica de 350ºC, i per tant un mal dimensionament de la protecció passiva provoqui greus conseqüències a nivell de la seguretat en cas d’incendi, tant pels ocupants de l’edificació com pels serveis d’emergència que intervinguin en el incendi.
En general, per a dimensionar la protecció passiva existeixen dues metodologies de càlcul. Aquestes metodologies, permeten determinar la capacitat portant, expressada en minuts, de la pròpia estructura i garantir que en un temps determinat l’estructura no col·lapsarà.
Les metodologies de càlcul són:
- Mètodes simplificats, metodologia presentada al Eurocodi 3 UNE EN 1993 1-2 o en la instrucció de l’acer estructural EAE, bassada en el càlcul de la resistència intrínseca al foc del perfil d’acer a partir del càlcul de la seva temperatura crítica. Això permet dimensionar la protecció passiva a aplicar a partir de la temperatura crítica calculada per tal de complir les exigències normatives de resistència al foc de l’estructura. També es possible treballar en el domini de la resistència.
- Mètodes avançats de simulació i modelització d’incendis per tal de conèixer el desenvolupament del incendi i seva la transferència de calor i l’afectació a les estructures, en aquest cas d’acer. És una metodologia força més complexa. Per tal d’evitar la fallada de l’element calculat i provocar el col·lapse de l’estructura caldrà que:
Efi,d ≤ Rfi,d,t
Sent:
Efi,del valor del càlcul dels efectes de les accions a les que està sotmès l’element.
Rfi,d,tel valor de càlcul de la resistència al foc de l’element en el instant t.
Per tant, entre el instant on es produeix el incendi i l’instant t, Efi,dno podrà ser major que Rfi,d,tja que sinó voldrà dir que els efectes de les accions han superat la capacitat portant de l’element en situació d’incendi i per tant es pot produir el col·lapse de l’estructura.
En aquest article ens centrarem en el mètode simplificat que ens presenta el Eurocodi 3, UNE-EN 1993 1-2, que ens permet analitzar d’una forma numèrica la resistència al foc d’un element en situació d’incendi. Cal destacar que no es realitza un anàlisi conjunt de l’estructura com ho podrien fer els mètodes avançats basats en la modelització i simulació, sinó un anàlisis element per element de l’estructura. Aquest anàlisi també pot considerar els fenòmens d’inestabilitat com el vinclament o la bolcada lateral a que està sotmès cada element.
Les accions que intervenen en situació d’incendi les podem dividir entre permanents, sempre hi són presents, i variables, la seva presència depèn de diversos factors com per exemple la meteorologia. Per tal d’aconseguir la càrrega total (Efi,d) resultant que afecta l’estructura en situació d’incendi, cal realitzar una combinació de les diferents accions presents, tenint en conte els diferents coeficients de seguretat (γ) depenent del tipus de càrrega i els coeficients de simultaneïtat (Ψ).
El càlcul de Efi,di de Rfi,d,t=0(instant inicial t=0) permetrà conèixer el grau d’utilització (μ0) d’Eurocodi 3, anomenat coeficient de sobredimensionament (μf) al Codi Tècnic de l’Edificació. Sent:
μo = (anomenat μfial CTE DB-SI)
A continuació, podem determinar la temperatura crítica de l’element tot considerant la relació amb la disminució de la tensió del límit elàstic del material.
Hi ha dues opcions, la temperatura crítica la podrem determinar mitjançant la següent equació que ens presenta l’Eurocodi 3 UNE-EN 1993 1-2:
A l’hora d’aplicar aquesta equació cal tenir en conte les restriccions d’ús que apliquen, si és el cas.
O mitjançant la taula 4.1 del propi Eurocodi 3:
En els mètodes simplificats es considera la distribució uniforme de la temperatura en el perfil, tant pel cas de bigues o pilars, per tal de corregir aquesta assumpció ja que la distribució no és uniforme, cal aplicar el coeficient de correcció K, que té en conte l’exposició al foc del perfil, o altres consideracions sobre la hiperestaticitat del sistema estructural.
Després caldria la resolució del problema tèrmic, és a dir, calcular el temps que necessita l’element per assolir aquesta temperatura mitjançant la resolució de l’equació diferencial de govern per diferències finites, per l’assumpció que la distribució de la temperatura és uniforme i el càlcul del factor de forma o massivitat (Am/V) segons si el perfil està o no protegit.
Aquesta determinació, tant de la temperatura crítica com el temps de resistència al foc, la podem realitzar de forma molt avantatjosa mitjançant la anomenat nomograma europeu.
Exemple de nomograda. ECCS No. 89, Euro-Nomogram.
Per a casos on apareguin inestabilitats, com el vinclament de pilars o la bolcada lateral de bigues, el càlcul de la temperatura crítica no és elemental. Així, Rfi,d,t=0és el valor de càlcul de la resistència al foc de l’element en el instant t=0 tenint en consideració el fenomen d’inestabilitat. Per tant, generalment caldrà realitzar interaccions, tenint en conte els coeficients de reducció de les propietats de l’acer en funció de la temperatura, tensió de límit elàstic i mòdul d’elasticitat, i els fenòmens d’inestabilitat als que està sotmès.
Enconclusió, el càlcul acurat de la temperatura crítica permet dimensionar la protecció passiva a aplicar a les estructures metàl·liques d’una forma més acurada i precisa, i en els casos on la temperatura crítica calculada és superior als 500ºC permet reduir els gruixos de protecció passiva a aplicar respecte la metodologia convencional de considerar la temperatura crítica igual a 500ºC.
Aquest dimensionament més acurat i la optimització dels gruixos de protecció passiva a aplicar, sempre que el càlcul de la temperatura crítica ho permeti, redueix els costos de la protecció passiva i afavoreix la competitivitat entre els fabricants i les aplicacions de protecció passiva, com és el cas de les pintures intumescents on per requisits de resistència al foc elevats la seva aplicació es veu compromesa degut a les dificultats d’aplicar una espessor de pintura força elevat i el alt cost que té. També cal destacar que el dimensionament més acurat i la optimització dels gruixos de protecció passiva a aplicar redueix el consum de recursos naturals com la producció de residus.
És important que per tal de poder aplicar la metodologia de càlcul de la temperatura crítica i el dimensionament de la protecció passiva en que es basa aquesta, cal que els fabricants disposin i proporcionin les dades necessàries, és a dir, la relació de gruix de protecció passiva en base a diferents temperatura crítiques, actualment ja hi ha fabricants que les disposen. Com també que les direccions facultatives o projectistes en relació a les accions considerades i resistència dels perfils, disposin dels càlculs i verificacions necessàries per tal de poder calcular la temperatura crítica i aplicar aquesta metodologia. També destacar, que aquesta metodologia haurà d’anar acompanyada d’uns controls més intensos en la seva aplicació, per assegurar que s’assoleixen les prestacions finals del producte sense disminuir la seguretat o les garanties de l’usuari final de l’edifici.
Per últim, és important que aquests càlculs i metodologies, com molts altres temes en matèria de protecció contra incendis, siguin duts a terme per enginyers de foc o de seguretat contra incendis. Per això, cal destacar, recalcar i afavorir el paper de la figura de l’enginyer de foc o de seguretat contra incendis, ja que ha de tindre un paper molt més important tant en el sector de l’enginyeria com de la construcció, per tal d’aportar un grau de coneixement més elevat que permetrà donar un pas endavant en el sector, afavorint el coneixement tant pràctic com teòric, realitzar projectes amb un major contingut tècnic i reduir-ne els costos, sense oblidar que estarem posant la seguretat en cas d’incendi a les mans d’un expert com és l’enginyer de foc.
