Estado del arte en Colombia del diseño estructural para condiciones de incendio bajo el reglamento colombiana de construcciones sismo resistentes – NSR10, antecedentes y precedentes - Torres Zafra, Fabián (Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, 2017)
In view of the great importance that has been taken for the Colombian economy the construction of civil works, the latter becoming as one of its main engines of development and then of the great events and tragedies by earthquake disasters at the global level, the Colombian regulations governing the structural design was modified and updated from the Colombian Standards of Design and Construction of Earthquake Resistant - NSR98 (in force since the year of 1998 until 2010), the Colombian regulation of Building Earthquake Resistant NSR-10, in force since July 2010. This update and change of norms, applied as a law of the Republic bringing important changes of substance and form in the design and construction of civil works in the national territory, especially in buildings. Among the main changes brought by the implementation of the new regulation NSR10, was the increase in the structural safety that should provide the buildings and which should be planned from the very beginning of the designs both architectural and structural, for then to be applied in the construction of the same. The most notable changes brought by the implementation of the new regulation NSR10, were reflected in the titles F (metal structures) and J (fire protection requirements in buildings), in relation to the structural design for fire conditions, integrated theme especially for steel structures (given their vulnerability to this action). In the practice of structural design in Colombia, this design is novel, because its purpose basically lies in the fact that the structure may not be the cause of the loss of human lives to collapse before the action of fire.

Entre los principales cambios que trajo la aplicación del nuevo reglamento NSR10, se encuentra el incremento en la seguridad estructural que deben proporcionar las edificaciones y la cual debería ser prevista desde el mismo inicio de los diseños tanto arquitectónicos como estructurales, para luego ser aplicada en la construcción de las mismas. Los cambios más notables que trajo la aplicación del nuevo reglamento NSR10, se plasmaron en los títulos F (estructuras metálicas) y J (requisitos de protección contra incendios en edificaciones), en lo referente al diseño estructural para condiciones de fuego, tema integrado en especial para estructuras de acero (dada su vulnerabilidad ante esta acción). En la práctica del diseño estructural en Colombia, este diseño es novedoso, pues su finalidad básicamente radica en que la estructura no puede ser causante de pérdidas de vidas humanas al colapsar ante la acción del fuego.
State of the Art in Colombia of the Structural Design for Fire Conditions Under the Rules of the Colombian Earthquake Resistant Constructions - NSR10, Background and Precedents
CONTENIDO Pág. Introducción. 24 1. DEFINICIONES 25 2. GENERALIDADES DEL DISEÑO ESTRUCTURAL PARA CONDICIONES DE FUEGO. 37 2.1. La ingeniería de fuego y el uso de modelos avanzados. 39 2.2. Severidad del incendio y resistencia al fuego. 40 2.3. El factor tiempo. 41 2.4. Resistencia al fuego. 42 2.5. Ensayos de resistencia al fuego. 43 2.6. Criterio de colapso. 44 2.7. Cálculo estructural avanzado. 44 2.8. La ingeniería del fuego. 47 2.8.1. Dinámica de incendios. 48 2.8.2. Protección contra incendios. 48 2.9. Medidas de protección. 49 2.10. Diseño prescriptivo. 51 2.11. Diseño por prestaciones o desempeño. 51 2.12. Investigación de incendios y su desarrollo. 52 2.13. Ingeniería estructural para condiciones de fuego en Colombia. 52 3. CONCEPTOS BÁSICOS DEL FUEGO Y EL INCENDIO. 55 3.1. El fuego. 55 3.2. El incendio. 55 3.2.1. Incendio de diseño. 57 3.2.2. Incendio real. 58 4. COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES ESTRUCTURALES A TEMPERATURAS ELEVADAS EN SITUACIÓN DE INCENDIO. 60 4.1. Acero estructural. 60 4.2. Concreto. 65 4.2.1. Concreto reforzado. 65 4.2.2. Concreto pretensado 69 4.3. La madera. 71 4.4. Materiales mixtos concreto y acero. 73 4.5. Materiales de bajo poder comburente. 77 4.5.1. Vidrio. 77 4.5.2. Yeso. 78 4.5.3. Concreto liviano. 78 4.5.4. Asbesto. 78 4.5.5. Mampostería. 79 4.5.6. Plásticos. 79 5. INTEGRIDAD DE LAS ESTRUCTURAS DURANTE INCENDIOS. 80 5.1. Conceptos teóricos. 80 5.2. Pruebas de resistencia y diseño de protección contra el fuego. 84 5.2.1. Pruebas de resistencia al fuego. 86 5.2.1.1. Historia de las pruebas de resistencia al fuego. 86 5.2.1.2. Procedimiento de pruebas incendio. 87 5.2.1.3. Tasas de resistencia al fuego. 89 5.2.1.4. Variaciones en resultados de pruebas. 90 5.3. Sistemas de armadura o estructura de soporte estructural. 92 5.3.1. Sistemas de concreto reforzado. 93 5.3.2. Sistemas en estructuras de acero. 95 5.3.3. Sistemas de barrera. 95 5.3.4. Conjuntos de piso y cielo raso. 98 5.3.5. Conjuntos de techos y cielo rasos. 111 5.3.6. Paredes y particiones. 111 6. SISTEMAS DE PROTECCION CONTRA EL FUEGO PARA ESTRUCTURAS DE ACERO. 120 6.1. Materiales de protección contra incendios. 122 6.1.1. El yeso. 123 6.1.1.1. El panel de yeso. 124 6.1.1.2. Gypsum-base yeso. 124 6.1.2. La mampostería. 125 6.1.3. El mortero. 125 6.1.4. Sistemas de aplicación por aspersión de materiales resistentes al fuego. 126 6.1.4.1. SFRM fibrosa. 126 6.1.4.2. SFRM cementantes. 127 6.1.5. Cartones minerales. 127 6.1.6. Recubrimientos intumescentes. 127 6.2. Tipos o clases de protección. 128 6.2.1. Protección sólida. 128 6.2.2. Recubrimientos con mamposterías. 130 6.2.3. Recubrimiento con planchas. 130 6.2.4. Morteros. 131 6.2.5. Mantas protectoras. 132 6.2.6. Pinturas o masillas intumescentes. 132 6.2.7. Relleno de miembros huecos. 133 6.2.8. Estructuras externas. 134 6.2.9. Pantallas. 135 6.2.10. Elementos de acero cercanos a elementos de concreto y mampostería. 135 6.3. Ventajas y desventajas de los sistemas de protección contra el fuego. 136 6.3.1. Protección sólida. 136 6.3.2. Recubrimientos con mamposterías. 136 6.3.3. Recubrimiento con placas. 136 6.3.4. Morteros. 136 6.3.5. Mantas protectoras. 137 6.3.6. Pinturas o masillas intumescentes. 137 6.3.7. Relleno de miembros huecos. 137 6.3.8. Estructuras externas. 137 7. CÓDIGOS Y NORMAS INTERNACIONALES. 139 7.1. Generalidades. 139 7.2. Códigos de seguridad contra incendios a nivel internacional. 139 7.3. Códigos y normas en norte américa. 140 7.3.1. Reglamentación en norte americanas para el diseño por fuego. 143 7.3.2. Clasificaciones estructurales por resistencia al fuego en Norte América. 144 7.4. Códigos y normas en Europa: euro códigos. 157 7.4.1. Principios fundamentales de los Eurocódigos. 160 7.4.2. Las acciones en el caso de fuego. 164 7.4.2.1. Respuesta mecánica. 164 7.4.2.2. Respuesta térmica. 166 8. NORMAS DE PROTECCION ESTRUCTURAL CONTRA EL FUEGO EN COLOMBIA. 168 8.1. Requisitos de resistencia contra incendios en las edificaciones según las nsr10. 169 8.2. Clasificación de edificaciones en función del riesgo de pérdida de vidas humanas o amenaza de combustión. 173 8.3. Resistencia requerida contra el fuego. 176 8.4. Resistencia requerida para elementos de acero estructural según la nsr10. 178 8.4.1. Métodos de dimensionamiento estructural. 178 8.4.1.1. Análisis térmico. 178 8.4.1.1.1. Métodos analíticos simpliﬁcados. 179 8.4.1.1.2. Métodos numéricos. 182 8.4.1.2. Dimensionamiento de la estructura o análisis mecánico. 182 8.4.1.2.1. Métodos analíticos simpliﬁcados. 183 8.4.1.2.2. Métodos experimentales. 186 8.4.1.2.2.1. Ensayos simpliﬁcados. 187 8.4.1.2.2.2. Ensayos realistas. 187 8.4.1.2.2.3. Métodos numéricos. 188 8.4.2. Diseño para condiciones de fuego según la NSR10, literal F.2.18. 188 8.4.2.1. Métodos analíticos. 189 8.4.2.1.1. Métodos de análisis avanzados. 193 8.4.2.1.2. Métodos de análisis simplificados. 194 8.4.2.2. Diseño por ensayos de calificación. 194 8.4.2.3. Diseño por combinaciones de carga y resistencia requerida. 195 9. BASES TEORICAS PARA EL CÁLCULO ESTRUCTURAL PARA CONDICIONES DE FUEGO - ANÁLISIS DE RESISTENCIA AL FUEGO. 197 9.1. Introducción. 197 9.2. Procedimientos de cálculo para el análisis de la resistencia al fuego. 199 9.3. Parámetros de análisis de la resistencia al fuego de estructuras. 203 9.3.1. Calculo del escenario de fuego. 203 9.3.2. Calculo del fuego. 203 9.3.3. Análisis térmico. 204 9.3.4. Análisis mecánico. 204 9.4. Cargas para el análisis térmico – cargas térmicas. 206 9.4.1. Curvas de fuego nominales. 209 9.4.1.1. Curva estándar tiempo-temperatura (fuego estándar ISO 834). 209 9.4.1.2. Curva de fuego exterior. 211 9.4.1.3. Curva de fuego de hidrocarburos. 211 9.4.2. Curvas de fuego paramétricas. 213 9.4.3. El transporte de calor. 214 9.4.3.1. El transporte de calor en el concreto reforzado. 214 9.4.3.2. El transporte de calor en el acero. 216 9.4.4. Propiedades estructurales por temperatura. 218 9.4.4.1. Flujo de calor neto (hnet). 218 9.4.4.2. Factor de forma (am/v). 219 9.4.4.3. Calor específico (ca). 222 9.4.4.4. Coeficiente de sombra (ksh). 223 9.5. Cargas estáticas y dinámicas – consideraciones en la respuesta mecánica. 223 9.6. Variación de las propiedades mecánicas por temperatura. 225 9.6.1. Reducción del límite elástico y módulo de Young para elementos de acero. 225 9.6.2. Resistencia de compresión reducida para el concreto reforzado. 226 9.6.3. Dilatación térmica del acero y concreto reforzado. 227 9.7. Parámetros especiales para de diseño estructural para condiciones de fuego en edificaciones. 229 9.7.1. Resistencia al fuego teórica de los principales materiales estructurales. 229 9.7.1.1. Resistencia al fuego equivalente del acero estructural. 230 9.7.1.2. Resistencia equivalente al fuego del concreto reforzado. 233 9.7.1.3. Resistencia equivalente al fuego de la madera. 236 9.8. Método del tiempo equivalente de exposición al fuego. 238 9.8.1. Curva normalizada tiempo-temperatura ISO 834. 239 9.8.2. Norma ASTM E119. 240 9.8.3. Cálculo analítico del tiempo equivalente de exposición al fuego. 243 10. Ejemplos de aplicación y cálculos matemáticos según Eurocódigos. 251 11. Ejemplos de aplicación – método grafico por medio de nomogramas. 315 12. Calculo de la resistencia de elementos sometidos a fuego bajo la metodología americana. 336 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 348 BIBLIOGRAFIA 352 Anexo A - Factores de sección para perfiles tipo europeo. Anexo B - Factores de sección para perfiles tipo americano. Anexo C – Métodos avanzados – software de diseño para condiciones de fuego.
Keywords: Estabilidad de Estructuras; Prevención de Incendios; Fuego; Diseño de Estructuras; Structural Stability; Fire Prevention; Fire; Structural Design