Marco propuesto para un método basado en la fiabilidad para incendios de diseño estructurales

Por: Ing. Kevin LaMalva, Dr. Panagiotis Kotsovinos y Dr. Colleen Wade

INTRODUCCIÓN

Un incendio descontrolado dentro de un edificio es un hecho extraordinario y poco probable pero que puede tener consecuencias muy graves. Los sistemas de rociadores reducen significativamente la probabilidad de que ocurra, pero estos sistemas no suelen ser efectivos en los incendios muy grandes. Por eso, la resistencia al fuego estructural sirve como una medida de seguridad secundaria en el improbable caso de que un incendio se salga de control y alcance su máximo potencial.

El calentamiento de los sistemas estructurales provocado por el incendio produce efectos en las cargas térmicas que no se tienen en cuenta en el diseño de ingeniería estructural convencional, como una menor resistencia del material, deformaciones y/o tensiones térmicas inducidas por la restricción de la expansión térmica. En estas condiciones, es crítico que los sistemas estructurales conserven su estabilidad para proteger a los ocupantes y a los bomberos, y que cumplan con otros objetivos de rendimiento (como soportar una fachada resistente al fuego ante la propagación externa del incendio, etc.)  

Los ingenieros especializados en incendios estructurales pueden aprender de las recomendaciones y los diferentes aspectos de la ingeniería estructural convencional, que tiene un marco bien desarrollado basado en la fiabilidad. Este artículo describe el marco de un método basado en la fiabilidad para calcular incendios de diseño estructurales y que está siendo considerado por el Comité de Normas de la SFPE sobre la Exposición Térmica Estructural.

TEORÍA DE LA FIABILIDAD EN LA INGENIERÍA

Cada parámetro de un diseño de ingeniería es una variable aleatoria (estocástica) con una distribución de probabilidad, que puede ser idealizada; en la ingeniería estructural se suele utilizar una distribución log-normal, donde el coeficiente de variación es una medida de la dispersión de un parámetro y se define como la relación entre la desviación estándar y la media de la variable aleatoria. Además de la variabilidad del parámetro, también existe incertidumbre con respecto a la capacidad de las ecuaciones y modelos de ingeniería para producir un resultado cierto, lo que puede deberse a las simplificaciones (generalmente conocido como incertidumbre del “modelo”). 

En los métodos de diseño de ingeniería basados en la fiabilidad, generalmente se establece una fiabilidad objetivo, que limita la probabilidad de excedencia o falla del diseño a un nivel de “tan bajo como sea razonablemente factible”, o ALARP, por sus siglas en inglés. Por cuestiones económicas, esta probabilidad debe ser finita y considerable. El índice de fiabilidad objetivo [ ] está relacionado con la probabilidad de excedencia (falla) de acuerdo con la siguiente relación[i]

La relación entre la fiabilidad objetivo y la probabilidad de excedencia se muestra en la Figura 1 a continuación:

MARCO BASADO EN LA FIABILIDAD para LA INGENIERÍA ESTRUCTURAL

Los métodos de diseño de factor de carga y resistencia (LRFD) utilizan un enfoque estadístico para predecir las cargas y la resistencia de los materiales y usan criterios para reducir la probabilidad de que el efecto de la carga exceda una capacidad hasta un nivel aceptable (ALARP). La fiabilidad objetivo se puede expresar en términos de valores de desviación media y estándar del efecto de la carga y la capacidad de soportar el efecto de la carga, como se muestra a continuación:

Esta expresión se puede representar gráficamente como se muestra en la Figura 2, abajo. El área debajo de la intersección de las dos curvas representa la excedencia de un estado límite (falla).

Por lo tanto, este método da como resultado miembros dimensionados para soportar todos los efectos de las cargas considerados durante el diseño del sistema estructural, con un nivel de fiabilidad apropiado para cada estado límite relevante. Por ejemplo, las cargas vivas (como una biblioteca) pueden exceder los niveles de diseño, o la resistencia mecánica real del material puede ser menor a la que se creía, en casos extremadamente atípicos. Los estados límite específicos que tienen una mayor consecuencia de falla (como los modos de falla por quiebre) suelen tener una mayor fiabilidad objetivo.

Las combinaciones de efectos de las cargas, usadas para el diseño de ingeniería estructural convencional, corresponden a las que resultan de los efectos de las cargas muertas (es decir, el propio peso), vivas (es decir, pesos móviles), nivales, pluviales, eólicas y sísmicas. Las cargas nominales suelen definirse con referencia a un nivel de probabilidad (por ejemplo, carga nival de 50 años). También se puede incluir la combinación de efectos de las cargas por exposición a incendio descontrolado. Por ejemplo, ASCE/SEI 7 especifica lo siguiente[i]

[i] ASCE/SEI 7: Cargas de diseño mínimas y otros criterios para edificios y otras estructuras, Sociedad Americana de Ingenieros Civiles: Instituto de Ingeniería Estructural, 2016

Esta combinación de efectos de las cargas reconoce la baja probabilidad de que ocurra un incendio descontrolado durante un evento de carga viva o nival pico aplicando los factores de carga asociados inferiores a la unidad. Las cargas nominales generalmente se basan en una combinación de los datos medidos y criterios de ingeniería. Así, hay una probabilidad pequeña pero finita de que la carga nominal se exceda año a año. Otras normas, como los Eurocódigos, adoptan factores de seguridad diferentes para las cargas muertas y vivas y, por ejemplo, no tienen en cuenta a las cargas nivales en el estado límite del incendio.

PARÁMETROS Y DATOS RELEVANTES DE LA EXPOSICIÓN AL FUEGO

Generalmente, se asume que los incendios modelados en compartimientos pequeños y medianos tienen ventilación controlada. El cálculo del historial de tiempo-temperatura de un incendio con ventilación controlada suele incluir los siguientes parámetros:

• Carga de combustible distribuida [ ]
• Superficie total de las paredes del compartimiento [ ]
• Superficie total de las aberturas de ventilación [ ]
• Altura de las aberturas de ventilación [ ]
• Densidad de las paredes del compartimiento [ ]
• Conductividad térmica de las paredes del compartimiento [ ]
• Calor específico de las paredes del compartimiento [ ]

La altura/superficie de las aberturas de ventilación puede ser incierta dada la aleatoriedad de la ruptura de ventanas, que generalmente necesita de estudios de sensibilidad.

MÉTODO BASADO EN LA FIABILIDAD PARA DETERMINAR LAS CARGAS DE COMBUSTIBLE

La norma NFPA 557 proporciona un método basado en la fiabilidad para calcular las cargas de combustible distribuidas, que consiste en calcular un factor de riesgo de carga de combustible que refleje la probabilidad de que ocurra un incendio descontrolado con un valor β objetivo de aproximadamente 4.8 ( ) anual, que es una función de lo siguiente:[i]

• Tipo de ocupación.
• Características de la construcción.
• Presencia o ausencia de sistemas de protección de incendios activos.
• Nivel de protección de incendios inherente y aplicado presente.

Basándose en estudios específicos de cargas de combustible, esta norma especifica valores de desviación promedio y estándar de la carga de combustible distribuida para una cantidad muy limitada de tipos de ocupación. Estos valores reflejan una banda de confianza superior del 99 por ciento. En el diseño, la carga de combustible distribuida se calcula como una función de estos valores estadísticos y el factor de riesgo de la carga de combustible. En cambio, el Eurocódigo 1 trata a la carga de combustible nominal como un parámetro variable con una distribución de Gumbel y sugiere usar un intervalo de confianza superior del 80 por ciento. Además, los factores de riesgo se determinan considerando un valor β de aproximadamente 4.7 ( ) anual y una fiabilidad clase 2.  

ÁREA DE VENTILACIÓN

Para representar la aleatoriedad de la ruptura de las ventanas, el código de modelos probabilísticos del Comité Conjunto de Seguridad Estructural (JCSS)[ii] aporta una expresión para una variable distribuida truncada log-normalmente, que se usa como modificador para el factor de apertura máximo, de la siguiente forma:

[i] NFPA 557: Norma para el cálculo de las cargas de incendio para usar en el diseño de la protección contra los incendios estructurales, Asociación Nacional de Protección contra Incendios, Quincy, MA, 2016

[ii] JCSS: Código de Modelos Probabilísticos, Comité Conjunto de Seguridad Estructural, 2001

MARCO BASADO EN LA FIABILIDAD PROPUESTO PARA INCENDIOS

Las ecuaciones paramétricas del Anexo A del Eurocódigo[i] sirven de “modelo básico” para el marco propuesto. Este “modelo básico” se complementa con disposiciones que establecen el tratamiento de ciertos parámetros de entrada basado en la fiabilidad. En este contexto, se propone que los siguientes parámetros se traten como entradas directas:

• Superficie total del compartimiento de un solo piso rodeado por paredes exteriores y una construcción resistente al fuego [ ].

• Superficie ajustada de las aberturas de ventilación [ ].
• Altura promedio ponderada de las aberturas de ventilación [ ].

• Densidad ambiente de las paredes del compartimiento [ ]
• Conductividad térmica ambiente de las paredes del compartimiento [ ]
• Calor específico ambiente de las paredes del compartimiento [ ]

Asimismo, se propone que los siguientes parámetros se traten como entradas probabilísticas:

• Carga de combustible distribuida según NFPA 557 reducida a un intervalo de confianza superior del 80 por ciento [ ].
• Factor de incertidumbre de correlación térmica multiplicado por la temperatura nominal en cada incremento de tiempo [ ].

• Factor de incertidumbre de correlación temporal multiplicado por la duración nominal del incendio [ ].

Se asume que los factores de incertidumbre de correlación térmica y temporal capturan implícitamente la incertidumbre de los parámetros de entrada directa. Por lo tanto, la SFPE está expandiendo y sintetizando su extensa base de datos de pruebas de incendios para usarla en el desarrollo de este método propuesto. El método se aplicaría a los compartimientos con las mismas características que aquellos en los que puede ocurrir un incendio post descarga disruptiva. Se están realizando más estudios para caracterizar correctamente a los incendios en compartimientos grandes y bien ventilados (también conocidos como incendios itinerantes).

Existen obstáculos para extender los objetivos de fiabilidad ambiente a la ingeniería estructural contra incendios (por ejemplo, el efecto de la exposición al fuego sobre la carga y la capacidad, que es diferente del diseño ambiente). Teniendo esto en cuenta, los factores de incertidumbre térmica y temporal deberían ser derivados y proporcionados como una función del índice de fiabilidad objetivo. Para la ingeniería estructural contra incendios, parecería razonable que el índice de fiabilidad objetivo resultante no debiera ser inferior a 4.2 ( ) anual. La fiabilidad objetivo resultante podría ajustarse hacia abajo o hacia arriba para tener consecuencias menores o mayores, según se considere apropiado. Las próximas ediciones de ASCE/SEI 7 podrían tratar dichos modificadores basados en el riesgo.

El Ing. Kevin LaMalva trabaja para Warringtonfire, el Dr. Panagiotis Kotsovinos trabaja para Arup y el Dr. Colleen Wade trabaja para Fire Research Group.

REFERENCIAS

[1] Victorsson, Victor, K., ‘La fiabilidad de los componentes diseñados por capacidad en los sistemas antisísmicos’ Tesis doctoral, Universidad de Stanford, 2011

[1] Van Coile, R., Decisiones tomadas en base a la fiabilidad para los elementos de hormigón expuestos al fuego, Tesis doctoral, Universidad de Ghent, Bélgica, 2015.

[1] ASCE/SEI 7: Cargas de diseño mínimas y otros criterios para edificios y otras estructuras, Sociedad Americana de Ingenieros Civiles: Instituto de Ingeniería Estructural, 2016

[1] NFPA 557: Norma para el cálculo de las cargas de incendio para usar en el diseño de la protección contra los incendios estructurales, Asociación Nacional de Protección contra Incendios, Quincy, MA, 2016

[1] JCSS: Código de Modelos Probabilísticos, Comité Conjunto de Seguridad Estructural, 2001

[1] EN 1991-1-2 Acciones sobre estructuras – Parte 1-2: Acciones generales – Acciones sobre estructuras expuestas al fuego, Anexo A, 2002.