Edición Extra de FPE 3, agosto de 2017

e-evaluación del concepto de “Restringido vs. No restringido”

Por Kevin J. LaMalva, P.E.

La amplia mayoría de los diseños estructurales de protección contra incendios se realizan usando un diseño de resistencia al fuego estándar (es decir, el método prescriptivo). Este método permite a los diseñadores seleccionar entre los ensambles o conjuntos resistentes al fuego que figuran en las listas disponibles, que han sido clasificados por medio de pruebas en horno. Para algunas listas, el diseñador debe decidir si lo más apropiado para la aplicación es un ensamble “restringido” o “no restringido”. Muchas veces, los arquitectos dejan esta decisión en manos de los ingenieros especializados en protección contra incendios o los ingenieros estructurales. Muchas listas permiten la aplicación de una protección contra incendios menor para lograr una determinada clasificación de resistencia al fuego cuando se adopta una clasificación “restringida”, en comparación con la “no restringida”.

¿Qué significa Restricción? (Prueba en horno)

ASTM introdujo por primera vez el concepto de “restringido vs. no restringido” en los años 70,1 basándose en la observación de que la restricción térmica que proporciona el recinto del horno suele mejorar el comportamiento de los ensambles durante la prueba del horno. Se considera que un ensamble es “restringido” cuando llega directamente hasta los bordes del horno al comienzo de la prueba.2 Por lo tanto, el Directorio de Resistencia al Fuego de UL especifica que las paredes del horno proporcionan aproximadamente 850.000 kilolibras por pulgada de rigidez flexural,3 que es significativamente mayor a la que proporcionan la mayoría de los sistemas estructurales.

¿Qué significa Restricción? (Construcción real)

En la construcción real de edificios, la restricción de los ensambles estructurales se produce cuando el sistema estructural que los rodea resiste su expansión térmica al ser expuestos al calor. Se debe evaluar cuidadosamente el efecto de la restricción térmica ya que puede dominar el comportamiento de un sistema estructural ante su exposición al fuego.4 Para complicar las cosas, sabemos que hay una gran cantidad de factores que afectan las condiciones de restricción (ej. diferente rigidez elástica, como se muestra en la Figura 1), y estos factores pueden aumentar o disminuir la resistencia del sistema estructural expuesto al fuego. Por ejemplo, la restricción térmica puede generar fuerzas suficientes para que las conexiones cedan o se quiebren precipitando la caída de la estructura. Alternativamente, la restricción térmica puede limitar la deflexión de los miembros estructurales y dar una mayor estabilidad.

 

Figura 1: Restricción térmica (Prueba en horno vs. Construcción real)

¿Por qué volver a evaluarlo ahora?

La práctica de la protección estructural contra incendios es un punto de inflexión crítico dadas las mejoras tecnológicas y la mayor posibilidad de aplicar principios de ingeniería que unan las disciplinas de la seguridad contra incendios y la ingeniería industrial. Específicamente, la próxima edición de la norma ASCE/SEI 7 (Cargas de diseño mínimas y criterios asociados para edificios y otras estructuras) introduce una nueva norma de control con el consenso de la industria para la protección estructural contra el fuego.5 Una nueva sección del Capítulo 1 (Resistencia al fuego) especifica al diseño de resistencia al fuego estándar como la opción por defecto, en la cual el diseñador debe cumplir estrictamente con las históricas disposiciones de resistencia al fuego del código de construcción aplicable sin excepciones, extrapolaciones ni variantes. Por lo tanto, el diseño de resistencia al fuego estándar se caracteriza correctamente por ser un sistema de indización empírico que ayuda a mitigar el riesgo de fallas estructurales ante la exposición al fuego.

La alternativa al diseño de resistencia al fuego estándar es la ingeniería estructural contra incendios, como se establece en el Apéndice E de la nueva norma ASCE/SEI 7-16 (Procedimientos de diseño basados en el comportamiento para el efecto del fuego en las estructuras).6-7 La ingeniería estructural contra incendios apunta a controlar el calentamiento de un sistema estructural y proporcionar la resistencia estructural adecuada para satisfacer determinados objetivos de comportamiento ante la exposición al fuego (ej. evacuación total del edificio hacia una vía pública). Para sustentar las disposiciones del Apéndice E, el Comité de Protección contra Incendios de ASCE/SEI ha desarrollado un nuevo Manual de Prácticas de ASCE/SEI (Ingeniería estructural contra incendios), que se encuentra en revisión y con fecha tentativa de lanzamiento para fines de este año.

La nueva norma de control para la protección estructural contra incendios impactará en la consideración de la restricción térmica de los diseñadores. Por ejemplo, la Sección E.2 de ASCE/SEI 7-16 dice que la restricción térmica depende completamente del marco estructural adyacente y los detalles de conexión, elementos que no están contemplados en el diseño de resistencia al fuego estándar. Asimismo, la Sección CE.2 dice que la prueba del horno no proporciona la información necesaria para predecir el verdadero comportamiento de un sistema estructural expuesto al fuego porque la prueba del horno califica a los ensambles aislados, sin interconexión o interacción con el sistema estructural que los rodea. A la luz de estos nuevos desarrollos, la industria ha comenzado a re-evaluar el concepto de “restringido vs. no restringido” para ayudar a los diseñadores de ahora en adelante.

Taller para la industria

El 17 de julio de 2017, se realizó en las oficinas principales de Simpson Gumpertz&Heger Inc. en Waltham, MA, un taller para la industria sobre el concepto de “restringido vs. no restringido” (Figura 2) en el que participaron las siguientes organizaciones: AISC, AISI, ASCE/SEI, ASTM, ICC, NFCA, NFPA, NIST, SFPE, y UL, así como fabricantes, asesores de ingeniería e investigadores universitarios especializados en la protección contra incendios.

Figura 2: Taller para la industria (17 de julio de 2017)

Gracias a la amplia representación de la industria en este taller, se obtuvieron valiosas opiniones y perspectivas sobre el concepto de “restringido vs. no restringido” y su aplicación a la protección estructural contra incendios. Los puntos salientes expresados durante el taller fueron:

  • El diseño de resistencia al fuego estándar ha sido muy útil para la industria en el último siglo y debería seguir siendo la opción por defecto para el diseño estructural contra incendios.
  •  Como consecuencia de la modificación de las demandas del mercado del último siglo, han aparecido casos en los que se ha tenido que “expandir y distorsionar” la aplicación del diseño de resistencia al fuego estándar más allá de su intención y capacidad original.
  • La ingeniería estructural contra incendios representa una nueva oportunidad para los diseñadores, pero se deben tener en cuenta ciertos baches de conocimiento y dar las explicaciones pertinentes.
  • La norma ASCE/SEI 7-16 cristaliza lo que los diseñadores han sabido por décadas: no hay correlación entre el comportamiento del ensamble en un horno de prueba y el comportamiento de un sistema estructural in-situ expuesto al fuego.
  • Las normas de pruebas en horno son solo ejemplos/guías para la clasificación de restricción, por lo que el diseñador es quien debe tomar la decisión final.
  • Las condiciones de restricción de las pruebas en horno difieren de las del sistema estructural in-situ.
  • Si bien la consideración de la restricción es una tarea habitual en la industria, a los diseñadores les preocupa la responsabilidad de tener que tomar decisiones dudosas.

El camino a seguir

Todo el taller estuvo de acuerdo en que la aclaración/reforma del concepto de “restringido vs. no restringido” sería de gran beneficio para la industria. La idea es que esta aclaración/reforma se materialice dentro de las normas que rigen las pruebas contra incendios y se adopte en los códigos de construcción. Además, se expresó que la aclaración/reforma debería idealmente evitar que los diseñadores tengan la obligación de tomar decisiones con respecto a la restricción al utilizar un diseño de resistencia al fuego estándar. Dichas decisiones deberían ser tomadas solo cuando se utiliza una ingeniería estructural contra incendios, donde la colaboración entre los ingenieros dedicados a la protección contra incendios y los ingenieros estructurales tiene un futuro brillante.

El Ingeniero Kevin J. LaMalva trabaja para Simpson Gumpertz&Heger, Inc.

Referencias

1ASTM E 119: Método de Prueba Estándar para Pruebas de Fuego en Construcción y Materiales de Edificaciones, ASTM International, 1971.

2ASTM E 119: Método de Prueba Estándar para Pruebas de Fuego en Construcción y Materiales de Edificaciones, ASTM International, 2016.

3Directorio de Resistencia al Fuego de UL, Underwriters Laboratories, 2015.

4Bailey, C.; Lennon, T.; Moore, D.,“El comportamiento de edificaciones con estructura de acero a escala real sometidas a incendios de compartimiento”, The Structural Engineer, Vol. 77, No. 8, 1999.

5ASCE/SEI 7-16: Cargas de diseño mínimas y criterios asociados para edificios y otras estructuras, Sociedad Americana de Ingenieros Civiles: Structural Engineering Institute, 2016.

6Post, N.M., “Guía para el inicio de la ingeniería estructural contra incendios” Engineering News Record, febrero 2017.

7LaMalva, K.J., “Cambios de paradigmas en la protección estructural contra incendios”, Ingeniería estructural contra incendios, Edición 74, Society of Fire Protection Engineers, Q2 2017.

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