métodocam

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL CI 52 J CONSTRUCCIONES EN MADERA UNIVERSIDAD DE CHILE Profesor : Mario Wagner M.

1

EL MÉTODO ADITIVO DE COMPONENTES, (CAM) PARA EL DE CÁLCULO Y VERIFICACIÓN DE LA RESISTENCIA AL FUEGO

DE ENTRAMADOS DE PAREDES, PISOS Y TECHOS. 3/2008 Adaptado de "Component Aditive Method for Calculating and Demonstrating Assembly Fire Endurance". Serie: Design for Code Acceptance Nº 4. National Forest Products Association. Washington, D.C. 1991 Antecedentes generales. Las paredes, pisos y cubiertas constituidas de tabiquerías livianas de madera estructural permiten una solución versátil para la construcción de estructuras resistentes, económicas y de buen funcionamiento energitérmico. Resulta común la imposición de exigencias de Resistencia al Fuego mínimas sobre estos elementos existiendo, desde el punto de vista del diseño, una amplia gama de opciones para dar cumplimiento a las mismas. En el presente texto se describe una alternativa que permite plantear una justificación analítica del comportamiento al fuego de entramados livianos de madera, desarrollada sobre la base de los antecedentes experimentales disponibles como resultado de los ensayos normalizados al fuego realizados con componentes constructivas de madera. La mayor parte de los Códigos de Construcción exigen que las componentes estructurales de las construcciones, tales como paredes exteriores, tabiques estructurales interiores, entramados de piso y cielo y techumbres, cumplan con una Resistencia al Fuego mínima. En el caso de las tabiquerías de madera "protegidas" con coberturas incombustibles esta capacidad se ha verificado tradicionalmente por medio de ensayos normalizados de exposición al fuego. De acuerdo con el comportamiento y al tipo de falla apreciados en el ensayo se asigna al elemento una Resistencia al Fuego específica, RF. En los EEUU se recurre a la norma ASTM E119 "Método Estándar de Ensayo al Fuego de construcciones y materiales", mientras que en Chile, el documento pertinente corresponde a la norma NCh 965/1. Of 84, "Prevención de incendios en edificios - Ensayo de resistencia al fuego - Parte 1: Elementos de construcción en general". Existen numerosas fuentes disponibles para la obtención de información de la RF de componentes estructurales. Generalmente las publicaciones y certificados de los Laboratorios de Ensayo autorizados constituyen la base para la estimación de la RF de los entramados que han sido ensayados. Los códigos de construcción y organismos contralores de la construcción aceptan la RF asignada a los entramados incluidos en estas publicaciones. Cabe destacar, en todo caso, que hasta hace poco, en Estados Unidos y Canadá los Inspectores de la Construcción no aceptaban otro método de determinación de la RF, que no fuera el ensayo. Esto condujo en el pasado, al rechazo de muchos entramados para los que no se disponía de un ensayo de RF. Con el propósito de permitir el uso de entramados no incorporados en los listados, se ha adaptado para el uso una metodología para el cálculo analítico de la RF de componentes constructivas estructurales y no estructurales, constituyentes de pisos, paredes, cielos y techos. En la actualidad son numerosos los Códigos Estatales de la Construcción que aceptan los índices de RF desarrollados por medio de esta metodología de cálculo, designada como "Método Aditivo de Componentes", (CAM), y como se señala más


2

adelante, su aplicación en el medio nacional podría flexibilizar, agilizar y abaratar enormemente la aprobación de soluciones constructivas con capacidades de RF conforme a las exigencias vigentes. La metodología original para el cálculo de la RF de ensambles por medio del CAM fue desarrollada a comienzos de los sesenta por el Comité de Ensayos al Fuego del National Research Council de Canadá, NRC. Corresponde esencialmente al resultado de una revisión detallada de 135 informes de ensayos normalizados de paredes de tabiquerías de madera y 73 ensayos de pisos de envigados de madera y de la aplicación de las "Diez Reglas de Resistencia al Fuego" de Tiber Harmathy, un eminente especialista en incendios del NRC, las que se explicarán a continuación. La revisión acuciosa de los ensayos de laboratorio disponibles permitió fundamentar valores de tiempo asignados para la contribución a la RF de cada componente individual de un entramado constructivo. Las Reglas de Harmathy. Las "Diez Reglas" brindan un método para combinar las contribuciones individuales y determinar la RF de una componente constructiva, y pueden resumirse en la siguiente descripción, que se complementa por medio de esquemas gráficos ilustrativos y ejemplos aclaratorios: Regla 1. La resistencia térmica al fuego de una construcción consistente de un número de estratos paralelos es mayor que la suma de las características de resistencia térmica al fuego de los estratos individuales, al quedar estos expuestos al fuego por separado. Aquí, el concepto de resistencia térmica queda expresada como el tiempo requerido para un incremento medio de temperatura de 140 °C (o un incremento puntual de temperatura de 180°C) en la superficie no expuesta al fuego.

Cuando se fijan adecuadamente a los pies derechos del bastidor dos estratos de material de recubrimiento de tabiquerías, tales como tableros de yeso cartón o de contrachapado, su efecto combinado sobre la resistencia al fuego del entramado será mayor que la suma de sus contribuciones individuales. Por ejemplo, si la resistencia al fuego asignada a un tablero de yeso cartón de 12,5 mm de espesor es 15 minutos, dos capas de tableros de yeso cartón de espesor 12,5 mm tendrán una resistencia al fuego superior a 15+15=30 minutos. Regla 2. La resistencia al fuego de una construcción no disminuye con la adición de estratos adicionales.


3

Esta regla es prácticamente recíproca de la anterior. Establece que cada vez que se agregue una capa adicional a los materiales de un tabique o entramado, se incrementará la resistencia al fuego, independientemente de la cantidad de capas que se vayan agregando. Regla 3. La resistencia al fuego de una construcción que tiene espacios de aire continuos o cavidades interiores con aire, es mayor que la resistencia al fuego de una construcción similar del mismo peso, pero que no contiene estas separaciones o cavidades con aire.

Los espacios interiores que se forman entre los pies derechos y vigas y que quedan confinados por los revestimientos, contribuyen a incrementar la resistencia al fuego de dichos entramados. Regla 4. Cuanto mas se desplace un espacio o cavidad con aire de la superficie expuesta, mayor será el beneficio de su efecto sobre la resistencia al fuego.

El efecto sobre la resistencia al fuego de las cavidades formadas por vigas, en pisos, o pies derechos, en paredes, y que se encuentren protegidas contra la exposición al fuego por materiales de 50 mm de espesor, será superior al que resultaría con la disposición de un solo tablero de yeso cartón de espesor 12,5 mm . Regla 5. La resistencia al fuego de un entramado no puede incrementarse como resultado del incremento del espesor de una capa de aire completamente confinado.


4

Incrementar la altura de escuadría de pies derechos de 90 mm a 140 mm, o incluso a 300 mm no incrementa el nivel de resistencia al fuego del tabique. Regla 6. Los estratos de materiales con baja conductividad térmica se utilizan mejor en la cara de la construcción sobre la que probablemente actuará el fuego. Un material de construcción constituido de fibra de madera es mas efectivo contra la transmisión de calor que un material que posea una conductividad térmica relativamente alta, tal como un metal. La madera será más efectiva como elemento de protección contra un incremento excesivo de la temperatura en la cara opuesta al fuego del entramado, dado que este incremento de temperatura puede llegar a constituirse en la causal de rechazo en un ensayo de aceptación.

Regla 7. La resistencia al fuego de estructuraciones asimétricas depende de la dirección del flujo de calor.

Las paredes que no poseen los mismos materiales en ambas caras ofrecerán distintas resistencias al fuego, dependiendo de cual sea la cara expuesta al fuego. Esta regla resulta ser una consecuencia de las Reglas 4 y 6, y resalta la importancia de la localización de los espacios de aire y de la secuencia que se decida en la disposición de los diferentes estratos de sólidos.


5

Regla 8. La presencia de humedad, excepto cuando resulta en resquebrajamientos explosivos, incrementa la resistencia al fuego. Los materiales cuyo contenido de humedad sea 15% tendrán una mayor resistencia al fuego que aquellos que tengan un contenido de humedad del 4% en el momento de quedar expuestos al fuego.

Regla 9. Los elementos estructurales, tales como vigas y costaneras, alcanzan una mayor resistencia al fuego cuando se someten a ensayos de resistencia al fuego integrando entramados de piso y de techo, que cuando se ensayan separadamente. Una viga de piso se comporta mejor cuando se encuentra incorporada al entramado de piso que cuando se ensaya individualmente bajo la misma carga. Regla 10. Los elementos estructurales (vigas, viguetas, costaneras) de un entramado de piso, techo o cielo pueden ser reemplazados por otros elementos estructurales que, al ser ensayados separadamente, alcancen resistencias al fuego no inferiores a la del entramado. Una viga de un entramado de piso puede ser reemplazada por otro tipo de viga que tenga una resistencia al fuego que no sea menor que la del entramado. Uso y Aplicación del Método Combinando los resultados de los ensayos de fuego y las bases proporcionadas por las 10 Reglas de Harmathy se desarrolló una metodología para el cálculo de la RF. La revisión de los certificados de ensayos al fuego a escala real de entramados de madera, por parte del Comité de Ensayos al Fuego, permitió validar la metodología. Estos ensayos incluyeron tanto entramados estructurales como no estructurales con madera, yeso-cartón y otras membranas. Los niveles de RF variaron entre 20 a 90 minutos. Al desarrollar la metodología, el Comité de Ensayos de Fuego descompuso la RF del entramado en la contribución a la RF de la membrana expuesta y el tiempo de colapso de las piezas de tabiquería. Como consecuencia de este criterio, la RF calculada resulta igual a la suma de : (1) la contribución de la membrana expuesta al fuego, (2) el tiempo de falla de los miembros de la tabiquería, y en caso de ser aplicable, (3) de cualquier protección adicional debida al uso de aislación del espacio entre pies derechos o envigados, según se trate de paredes o pisos, o de refuerzo de la membrana.


6

Tabla 1 TIEMPO ASIGNADO A LAS CUBIERTAS DE PROTECCIÓN

Descripción del acabado Tiempo, minutos

contrachapado fenólico de pino oregón de espesor 9,5 mm 5

contrachapado fenólico de pino oregón de espesor 12,5 mm 10

contrachapado fenólico de pino oregón de espesor 16 mm 15

yeso cartón de espesor 9,5 mm 10

yeso cartón de espesor 12,5 mm 15

yeso cartón de espesor 16mm 20

yeso cartón Tipo X de espesor 12,5 mm 25

yeso cartón Tipo X de espesor 16 mm 40

yeso cartón de espesor 9,5 mm, doble 25

yeso cartón doble de espesor 12,5 + 9,5 mm 35

yeso cartón de espesor 12,5 mm, doble 40 1. En paredes, los tableros de yeso cartón deben colocarse con la dimensión longitudinal dispuesta paralela a los pies derechos, con todas las uniones selladas. Sin embargo los tableros de yeso cartón de 16 mm Tipo X pueden instalarse horizontalmente con sus bordes horizontales libres (X designa a los tableros que califican con resistencia al fuego RF 60 minutos cuando su espesor es 16 mm o con resistencia al fuego RF 45 minutos cuando su espesor es 12,5 mm). 2. En entramados de piso / cielo, los tableros de yeso cartón deben colocarse con su dirección longitudinal perpendicular a las piezas de la tabiquería, con todas las uniones selladas. Los tiempos asignados a los revestimientos protectivos de paredes y cielos se entregan en la Tabla 1, y se basan en la capacidad de la cobertura de mantenerse en su lugar durante los ensayos de fuego. Este "tiempo asignado" no debe confundirse con el "índice" de falla de la membrana. Un "índice de falla" es el tiempo que se requiere para que la temperatura se incremente en 140° C en la superficie no expuesta de un material, cuando el material se expone a una fuente calórica que sigue la curva Tiempo-Temperatura de ASTM E119. En esta curva, el desarrollo de temperaturas en el tiempo queda dado por la expresión T = To + 345 log10 (8*t + 1) con T, temperatura en el interior del horno de ensayo, en °C, To , temperatura inicial del recinto experimental, considerada usualmente 23°C y t, el tiempo transcurrido desde el inicio del ensayo, expresado en minutos.


7

Como se establece en Tabla 1, en el ensayo de determinados acoplamientos de revestimientos se obtienen RF superiores a la suma de las RF individuales, lo que concuerda con la Regla Nº1 de Harmathy. Los tiempos asignados a pies derechos y envigados de madera fueron determinados sobre la base del tiempo que requiere su colapso, después que se ha producido la falla de la cubierta de protección. El tiempo de RF asignado a los miembros de tabiquería se indica en la Tabla 2. Estos tiempos se basan en la capacidad de las piezas de tabiquería para brindar un apoyo estructural sin la colaboración de una membrana protectora, al quedar sometidas al ensayo de RF según la norma ASTM E119. Estos tiempos son en parte el resultado de ensayos a escala real de pies derechos y envigados, estando los elementos estructurales solicitados por la carga normativa de diseño. Son aplicables sobre todos las piezas de entramados y no se incrementan si, por ejemplo, se emplearan pies derechos de 40*140 mm en lugar de 40*90 mm, tal como se infiere de la Ley Nº5 de Harmathy.

Tabla 2 TIEMPO ASIGNADO A COMPONENTES DE TABIQUERIAS DE MADERA

Descripción del bastidor Tiempo, minutos

pies derechos de madera espaciados cada 41 cm 20

vigas de madera espaciadas cada 41 cm 10

Disposición de cerchas de techo y piso espaciadas cada 61 cm 5 Paredes Mediante el uso de lana mineral de alta densidad o tableros de fibra de vidrio forrados con papel o láminas (foil) de aluminio es posible obtener una RF adicional en entramados de paredes. El tiempo original de contribución a la RF de cada tipo de aislación se presenta en la Tabla 3. Para una pared o tabique en que solo se emplee contrachapado como cubierta en la cara asumida como expuesta al fuego, la aislación debe usarse dentro del entramado. En el desarrollo de esta metodología se determinó también que la función primaria de la cubierta en la cara no expuesta de una pared exterior es mantener la aislación en su lugar y prevenir la transmisión de calor. La RF del entramado de pared depende fundamentalmente de la contribución a la RF del revestimiento de la cara expuesta al fuego. Como un resultado de ésto, queda abierta la posibilidad de optar entre una variada gama de materiales de revestimiento exterior como membranas de la cara no expuesta de los entramados de paredes exteriores. Por ello, cuando se deba determinar la RF de una pared exterior usando el CAM, podrá especificarse cualquier combinación de forros, papel o acabado exterior listado en la Tabla 4 , o bien expresado de otra forma, la membrana exterior puede consistir de cualquiera combinación de cubiertas que tengan en la Tabla 1 una capacidad de contribución a la RF de al menos 15 minutos.

Tabla 3 TIEMPO ASIGNADO SOBRE MEDIDAS DE PROTECCION ADICIONALES

Descripción de la medida de protección adicional Tiempo, minutos

Sume al índice de RF de tabiquerías de madera de paredes, si los espacios entre pies 15


8

derechos se llenan con lana mineral o colchonetas de lana mineral de peso no inferior

a 1,25 kgf/m2 de superficie de pared.

Sume al índice de RF de tabiquerías de madera de paredes no estructurales, si los

espacios entre pies derechos se llenan con colchonetas de lana mineral de peso no

inferior a 1,25 kgf/m2 de superficie de pared.

5

Tabla 4 CUBIERTA DE LA SUPERFICIE EXTERIOR DE PAREDES

Se puede recurrir a cualquier combinación de revestimiento base, papel (en caso de ser requerido) y acabado exterior del siguiente listado.

Revestimiento base Papel Acabado exterior Madera machihembrada 16 mm contrachapado exterior 8 mm tablero yeso cartón 12,5 mm Nada

Papel de revestimiento (asfáltico) Nada

entablado de madera tejuelas de madera contrachapado exterior 6 mm tablero de fibra 6 mm forro metálico Stucco sobre malla metálica chapa de ladrillo contrachapado exterior 10 mm

Techumbres y Entramados de piso / cielo. En el caso de un entramado de piso / cielo, el ensayo de fuego se lleva a cabo normalmente a través de una exposición inferior del entramado. Para cumplir con esta metodología de cálculo, los entramados de piso y cielo deben tener una cubierta de protección acorde con lo establecido en la Tabla 1. La membrana superior debe consistir de una base de piso o cubierta de techo y un acabado de acuerdo con lo establecido en la Tabla 5. Alternativamente, cualquier combinación de membranas listada en la Tabla 1, con una contribución de RF de al menos 15 minutos, puede ser empleada en la cara no expuesta (superior). Si el entramado propuesto es un cielo con un ático superior, la mayor parte de las Ordenanzas de Construcción aceptan la eliminación de la membrana superior.

Tabla 5 MEMBRANA DE TECHO O PISO

Entramado Piezas estructurales

Base de piso o cubierta de techo

Acabado de piso o revestimiento de techo

Piso madera contrachapado 12 mm ó entablado machihembrado 17,5 mm

entablado de piso sobre papel asfáltico; o piso resiliente, piso de parquet, cubiertas de piso de fibra sintética de fieltro, alfombra o baldosa cerámica sobre tablero contrachapado de base de piso de 10 mm; o baldosa cerámica sobre capa de mortero de 31 mm.

techo madera contrachapado 12 mm ó entablado machihembrado 17,5 mm

material de acabado de techo con o sin aislación

Posibilidades de aplicación del método CAM en Chile.


9

Una de las principales críticas que se han planteado a las recientes innovaciones establecidas en nuestra Ordenanza General de Construcciones y Urbanización con respecto a las disposiciones de prevención de incendios se ha centrado en la exigencia de ensayos de comprobación de resistencia al fuego de todas las estructuraciones consideradas en el diseño de los entramados de paredes, pisos y techos. Se ha planteado que dicha disposición inhibe las innovaciones y propicia un gran entrabamiento burocrático para aquellas soluciones que deban ensayarse, dado que los ensayos, además de ser onerosos, requieren de considerables lapsos de tiempo. Por otra parte en todo el territorio nacional existe un único centro experimental que cuenta con la infraestructura mínima requerida por los ensayos, el IDIEM de nuestra Universidad, lo que se constituye en otro factor de generación de atochamiento para los eventuales solicitantes de certificaciones. De hecho, la infraestructura disponible resulta pertinente sólo para el control y ensayo de los sistemas de paredes y cuando el ensayo se refiere a las capacidades de confinamiento y aislación, resultando sumamente complicado la incorporación de efectos estructurales. Para sistemas de entramados horizontales se cuenta con una cámara de ensayo horizontal que permite controlar los tres conceptos de la RF, estabilidad, integridad y aislación, y consecuentemente la certificación de sistemas de piso y de techo. El poder contar con una alternativa de estimación de resistencia al fuego de naturaleza analítica, tal como la que brinda el CAM, constituye sin lugar a dudas de una interesante válvula de escape a las trabas operativas que se han mencionado. Desde ya y como resultado de la acción experimental que ha sido desarrollada por IDIEM durante las pasadas décadas se dispone de numerosos archivos que reflejan el comportamiento al fuego de diferentes configuraciones constructivas de sistemas de paredes. Previo consentimiento de los clientes que solicitaron dichos estudios podrán analizarse y asignarse resistencias al fuego de distintos tipos de materiales. Por otra parte podrían cubrirse sistemáticamente en forma experimental aquellos elementos del sistema que aún no han sido estudiados, como es la resistencia estructural al fuego de los bastidores de madera de las tabiquerías de paredes y entramados de piso y techo, con lo que el método podría validarse en forma confiable y responsable.


10

Ejemplos. Caso 1: Determinar la RF de una tabiquería de pared que consiste de un tablero de yeso cartón Tipo X de 16 mm, clavado al bastidor de madera aserrada hacia la cara expuesta al fuego (interior)

La Tabla 1 indica que un tablero de yeso cartón Tipo X de 16 mm tiene una RF de 40 minutos. La Tabla 2 indica que una disposición de pies derechos espaciados cada 612 cm entre ejes tiene una RF de 20 minutos. (La disposición de membranas adicionales a la tabiquería quedaría igualmente permitida, de acuerdo con la Regla Nº2 de Harmathy)

tablero de yeso cartón Tipo X de 16 mm = 40 minutos pies derechos de madera aserrada = 20 minutos Indice de RF del tabique = 60 minutos

Si se supone que la pared queda expuesta al fuego desde ambas caras (p.ej. para tabiques confinantes interiores), cada superficie de la tabiquería deberá cubrirse con una protección al fuego consistente de una membrana de RF de al menos 40 minutos, de acuerdo con las indicaciones de Tabla 1. Si la tabiquería se considera expuesta al fuego desde un solo lado, como es el caso de las paredes exteriores, que quedan sometidas al fuego desde el interior únicamente, se requerirá de una protección al fuego de 40 minutos por parte de la membrana de recubrimiento de Tabla 1. Cabe notar que para alcanzar la RF requerida, la cara exterior debe protegerse de acuerdo con lo establecido en Tabla 4 o con una membrana a la que se pueda asignar un tiempo de al menos 15 minutos, de acuerdo con el listado de Tabla 1. Si los espacios confinados de las paredes se llenan con aislantes de lana mineral que agregan 15 minutos de RF, según se establece en Tabla 3, el tablero de yeso cartón Tipo X de 16 mm se puede reemplazar por un tablero Tipo X de 12 mm. De esta forma, sumando las contribuciones parciales de RF del tablero de yeso cartón de 12 mm, los pies derechos y la aislación (25 minutos + 20 minutos + 15 minutos) se alcanza un índice de RF para la pared que asciende igualmente a 60 minutos. Caso 2. Determinar el índice de RF de un entramado de entrepiso consistente de envigados de madera espaciados cada 41 cm entre ejes, protegido en su cara inferior (superficie de cielo) por medio de dos capas de tableros de yeso cartón Tipo X de 12,5 mm y con una sub base de piso de contrachapado de 12 mm sobre su cara superior (superficie de piso).


11

La Tabla 1 indica que la RF para cada capa de tablero de yeso cartón Tipo X de 12,5 mm asciende a 25 minutos. La RF asignada al envigado de madera, según lo indicado en la Tabla 2, es 10 minutos. Sumando los tiempos asignados a las dos capas de yeso cartón y al envigado de madera, se calcula un índice de RF de 60 minutos.

Tablero de yeso cartón Tipo X = 25 minutos Tablero de yeso cartón Tipo X = 25 minutos envigado de madera = 10 minutos Indice de RF del entramado = 60 minutos

métodocam

Documents