—  Tutorial nº 107  —

Comportamiento del Acero con la Temperatura

Índice de contenidos:

1- Influencia de la temperatura

1.1- Generalidades

1.2- Características mecánicas de los aceros estructurales

2- Materiales de protección

2.1- Tipos y sistemas

2.2- Propiedades

3- Estimación de la temperatura en estructuras de acero en caso de incendio

ANEXOS:

• Anexo nº 1.-  Cálculo del Factor de Sección de elementos estructurales sin protección

• Anexo nº 2.-  Cálculo del Factor de Sección de elementos estructurales con revestimiento protector

 

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DESARROLLO DEL CONTENIDO

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1- Influencia de la temperatura

1.1- Generalidades

En este tutorial se va a estudiar la influencia que sobre el acero tiene cualquier aumento de la temperatura en su comportamiento estructural y resistente.

En este sentido, las propiedades mecánicas del acero NO son las mismas a 20 ºC (temperatura que se suele considerar de referencia para el diseño de estructuras de acero), que las que pueda tener a 200 ºC, 400 ºC ó a 1000 ºC. De hecho, y según ensayos realizados en base a la Norma NFPA 251 el acero estructural colapsa al alcanzar los 538 ºC.

La temperatura de 538 ºC se puede alcanzar fácilmente en caso de producirse cualquier incendio que pueda afectar directa o indirectamente a la estructura. Así, y según se muestra en la curva de la figura (1) siguiente, en un incendio tipo esta temperatura se alcanzaría aproximadamente a los 5 minutos de originarse el incendio.

 

Figura 1. Curva normalizada Temperatura - Tiempo de un incendio

No obstante, antes de producirse el fallo estructural, las propiedades mecánicas del acero van variando gradualmente conforme se va produciendo el aumento de la temperatura. En los siguientes capítulos se mostrará cómo calcular las propiedades del acero a distintas temperaturas a que esté sometido.

También se estudiará los materiales y sistemas más comunes empleados para la protección de las estructuras de acero contra el fuego y temperaturas elevadas, y las propiedades mínimas que le son exigibles para poder cumplir su función eficazmente.

Por último, en ocasiones a nivel de proyecto o en la fase de diseño resulta útil poder estimar la temperatura que alcanza el acero en caso de incendio para distintos momentos y con diferentes grados de protección, con objeto de poder conocer sus propiedades resistentes. En el apartado 3 se mostrará un método aproximado que permitirá estimar de manera aproximada la temperatura que alcanza la superficie de una estructura de acero, en función del tiempo de exposición al fuego y del grado de recubrimiento protector que disponga.

 

1.2- Características mecánicas de los aceros estructurales

Se adjunta la tabla 1 siguiente donde se puede consultar la variación de las principales características mecánicas de los aceros estructurales con la temperatura. En concreto en dicha tabla se representan la variación de los siguientes coeficientes con la temperatura a la que se encuentre el acero:

• K_y,T = f_y,T / f_y : este coeficiente expresa el cociente entre el límite elástico del acero (f_y,T) para la temperatura (T) que se desee conocer, y el límite elástico del acero a 20 ºC (f_y), valor este último que se puede consultar en cualquier tabla de características del acero (ver Tutorial Nº 100 "Características Mecánicas del Acero");

• K_E,T = E_T / E : este coeficiente expresa el cociente entre el módulo de elasticidad longitudinal del acero o módulo de Young para la temperatura (E_T) que se desee conocer, y el módulo de elasticidad del acero a 20 ºC (E). De nuevo se recomienda consultar el Tutorial Nº 100 "Características Mecánicas del Acero" para conocer el valor del módulo de elasticidad del acero (E) a 20 ºC;

• K_p,T = f_p,T / f_y : este coeficiente expresa el cociente entre el límite de proporcionalidad (f_p,T) para la temperatura (T) que se desee conocer, y el límite elástico del acero a 20 ºC (f_y). Para conocer más sobre concepto de límite de proporcionalidad (f_p) del acero se remite al lector a consultar el Tutorial Nº 100 "Características Mecánicas del Acero".

Para otros valores de temperatura (T) que no aparezcan en la tabla siguiente se permite interpolar entre los valores.

Tabla 1. Coeficientes de corrección con la temperatura de las características
mecánicas de los aceros estructurales al carbono

A continuación se muestra cómo es la variación con la temperatura de otras propiedades físicas en los aceros al carbono:

• Coeficiente de dilatación lineal (α_T):

El coeficiente de dilatación lineal térmico del acero, α_T = ΔL(T) / L(20 ºC), siendo ΔL(T) la dilatación o variación de longitud experimentada por el elemento a la temperatura (T) considerada, y L la longitud del elemento a 20 ºC, toma los valores siguientes en función de la temperatura (T) considerada:

-   Para   20 ºC ≤ T < 750 ºC:           α_T = 1,2·10^-5·T + 0,4·10^-8·T²- 2,416·10^-4

-   Para   750 ºC ≤ T < 860 ºC:         α_T = 1,1·10^-2

-   Para   860 ºC ≤ T ≤ 1200 ºC:       α_T = 2·10^-5·T - 6,2·10^-3

Para procedimientos simplificados se puede considerar una relación lineal entre el coeficiente de dilatación lineal (α_T) y la temperatura (T) mediante la siguiente expresión:

α_T = 14·10^-6·(T - 20)

• Calor específico del acero (c_a):

El calor específico del acero (c_a , en J/kg·K) se puede calcular en función de la temperatura (T) a partir de las siguientes expresiones:

-   Para   20 ºC ≤ T < 600 ºC:            c_a = 425 + 0,773·T - 1,69·10^-3·T² + 2,22·10^-6·T³

-   Para   600 ºC ≤ T < 735 ºC:         c_a = 666 + 13002 / (738 - T)

-   Para   735 ºC ≤ T < 900 ºC:         c_a = 545 + 17820 / (T - 731)

-   Para   900 ºC ≤ T ≤ 1200 ºC:       c_a = 650

Para procedimientos simplificados se puede considerar el calor específico del acero (c_a) independiente de la temperatura y de valor:

c_a = 600 J/(kg·K)

• Conductividad térmica (λ_a):

La conductividad térmica del acero (λ_a , en W/m·K) se puede calcular en función de la temperatura (T) a partir de las siguientes expresiones:

-   Para   20 ºC ≤ T < 800 ºC:            λ_a = 54 - 0,0333·T

-   Para   800 ºC ≤ T ≤ 1200 ºC:       λ_a = 27,3

Para procedimientos simplificados se puede considerar la conductividad térmica del acero (λ_a) independiente de la temperatura y de valor:

λ_a = 45 W/(m·K)

 

2- Materiales de protección

2.1- Tipos y sistemas

La protección de elementos estructurales de acero contra la acción del fuego se puede realizar de múltiples maneras. A continuación se exponen las más utilizadas:

• Protección mediante morteros proyectados:

Es posiblemente la solución más económica y de mayor empleo en el sector de la construcción y obra civil.

Estos tipos de morteros están compuestos por ligantes hidráulicos y áridos ligeros como la perlita, vermiculita o lana de roca mezclados con aditivos específicos que le aportan las cualidades de estabilidad frente al fuego.

Con este tipo de protección las estructuras de acero pueden exponerse hasta cuatro horas al fuego. No obstante, el espesor de revestimiento final que se aplique dependerá del tiempo de resistencia al fuego que se precise.

Aunque la superficie de acabado es rugosa, puede tratarse para conseguirla lisa si se requiere.

 

Figura 2. Protección mediante mortero proyectado

 

• Paneles o placas:

Este tipo de protección se basa en envolver al perfil estructural de acero con paneles o placas que están fabricadas a base de lana mineral, o de yeso con aditivos especiales o bien de silicato cálcico. El espesor y el número de capas superpuestas de paneles será función del tiempo requerido de resistencia al fuego.

 

Figura 3. Protección mediante paneles

 

• Pinturas intumescentes:

De entre los sistemas de protección existentes es el que ofrece una solución más estética porque no modifica la geometría ni las dimensiones de los elementos tratados. No obstante, en ambientes exteriores que presenten riesgos de erosión se hace necesario proteger la pintura con un esmalte que sea compatible, de espesor de acuerdo a la resistencia requerida.

En función del tipo de pintura y espesor aplicado, este sistema puede ofrecer una protección de entre 30/60 minutos, tiempo suficiente para poder realizar la evacuación de edificios e instalaciones.

Se denominan así, intumescentes, porque al subir la temperatura a los 250 ºC la pintura sufre una transformación debido a reacciones químicas que genera la expansión de la pintura en forma de una espuma carbonosa aislante que retarda la acción del fuego.

 

Figura 4. Protección mediante pinturas intumescentes

 

Por último, además de los anteriores sistemas, existen otras formas de protección de elementos estructurales de acero, sobretodo para aplicaciones de construcción y obra civil, como pueden ser recubriendo a las estructuras metálicas con hormigón, o bien con fábrica de ladrillos cerámicos, con mármol o granito, o mediante cobertores de lana de roca o mineral.

 

2.2- Propiedades

En la siguiente tabla se indican las propiedades de los materiales de protección más comúnmente empleado como revestimiento de estructuras metálicas para su protección contra el fuego y contra las temperaturas elevadas:

Tabla 2. Valores característicos de propiedades de materiales de protección genéricos

 

3- Estimación de la temperatura en estructuras de acero en caso de incendio

En este apartado se incluye la tabla 3 resumen que recoge las diferentes temperaturas que alcanza el acero, resultado de ensayos con un incendio normalizado según UNE-EN 1363 (partes 1 y 2), para un tiempo comprendido entre 15 y 240 minutos y para diferentes grados del recubrimiento protector del acero.

Los diferentes grados de protección del acero se recoge con la variable s, medido en W/(m³·K), que se define como:

s = S_p / r_p

donde,

S_p,    es el factor de sección del perfil de acero que se protege, en m^-1;

r_p,    es el valor de la resistividad térmica efectiva del revestimiento, en m²·K / W.

El factor de sección (S_p) anterior del elemento o perfil estructural provisto con revestimiento protector se define como:

S_p = A_p / V

siendo,

A_p,    el área de la superficie interna del revestimiento por unidad de longitud del elemento (en m²/m)

V,    el volumen de acero del elemento estructural por unidad de longitud (en m³/m)

En el anexo A.2 se incluye una tabla que muestra cómo calcular el factor de sección (S_p) para perfiles de acero estructurales, según el área expuesta al fuego que presente.

La forma de usar la tabla 3 adjunta es sencilla. Una vez definido el tipo de revestimiento empleado para proteger la estructura de acero, se conoce su resistividad (r_p), valor que se puede obtener a partir de tablas de características del material suministradas por el fabricante o de catálogos comerciales. Por otro lado, de las tablas que se adjuntan en el anexo A.2 se obtiene el factor de sección (S_p) del perfil a proteger.

Una vez conocidos (S_p) y (r_p), la variable (s) es obtenida a partir de la expresión anteriormente vista.

Con el valor de (s) y el tiempo en minutos que se considere de exposición al fuego, la tabla 3 siguiente permitirá estimar la temperatura que puede alcanzar el elemento estructural de acero en el tiempo considerado.

 

Tabla 3. Temperaturas del acero, en ºC, para 15 ≤ t ≤ 240 minutos y 50 ≤ s ≤ 6000 W/(m³·K)

 

 

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ANEXOS

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—  Anexo nº 1:  Factor de sección de elementos sin protección  —

 

 

 

 

—  Anexo nº 2:  Factor de sección de elementos con revestimiento protector  —

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>> FIN DEL TUTORIAL

 

 

 

 

 

 

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Información y consulta:

Hermenegildo Rodríguez Galbarro

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