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A.1. NORMATIVA ESPAÑOLA Y EUROPEA

La resistencia al fuego que debe tener un edificio está definida por las normas.Para los edificios rige el Código Técnico de la Edificación, para las naves indus-triales el Reglamento de seguridad contra incendios en establecimientos indus-triales RSCIEI. Este reglamento tiene un ámbito de aplicación muy bien definidoen su artículo 2 y establece las excepciones para usos no industriales donde sedebe aplicar CTE (en el texto se cita la antigua norma CPI96).

En aquellas partes de una nave donde el uso sea comercial u otro debe aplicar-se CTE, y compartimentarlas de modo que constituyan un sector de incendio di-ferenciado. Por otra parte hay casos en los que CTE en almacenamientos comer-ciales obliga a aplicar RSCIEI, como cuando la carga total de fuego excede3.106 MJ.

Como ya se ha insistido en otros capítulos de este libro el diseño estructural es subsi-

diario del funcional. Antes de abordar el cálculo hay que saber qué es lo que hay que

proteger, en qué medida, y tratar de armonizar la distribución de sectores.

Es aconsejable conocer en profundidad el RSCIEI ya que contiene todo el cuerpode doctrina aplicable en cuanto a clasificación, sectorización, evacuación, insta-laciones etc. En este anejo solamente se tratará la defensa pasiva proporcionadapor la resistencia de la estructura frente al incendio.

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ARESISTENCIA AL FUEGO DE NAVES APORTICADAS

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En la evaluación de la resistencia de la estructura lo más adecuado es usar elmétodo simplificado contenido en el Eurocódigo 3, parte 1-2. La versión actualdel CTE se basa en una versión superada de esta norma.

La acción de incendio es una situación accidental de proyecto y se analiza en elcapítulo XII y en el Anejo nº 9 de la Instrucción EAE.

El método simplificado es de fácil aplicación, como se verá en los ejercicios al final de

este anejo. El cuerpo de doctrina se basa en el Eurocódigo y está aceptado en la ma-

yoría de países por las autoridades competentes en materia de seguridad. En la ins-

trucción EAE se han añadido además un anejo con curvas de fuego paramétricas, mo-

delos localizados, y se contempla la opción de utilizar modelos avanzados.

Frecuentemente lo mejor es enemigo de lo bueno. Para naves industriales se puede re-

solver el aspecto de defensa contra-incendio con RSCIEI en cuanto a clasificación, re-

quisitos e instalaciones, y con el método simplificado para defensa pasiva.

A.2. CONFIGURACIÓN, DISEÑO Y REQUISITOS EXIGIBLES

El punto de partida es la configuración de la nave. En general se trata de un edifi-cio aislado y en ocasiones de recintos adosados de distintos propietarios que for-

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PUBLICACIONES APTA EDIFICACIÓN INDUSTRIAL

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man parte de una misma nave. En el RSIEI se establecen varios tipos a los que seles exigirán distintos requisitos. La nave aislada es la denominada de tipo C. Enlas adosadas hay una variante sobre si comparten estructura o no pero pertene-cen al tipo B.

Dependiendo de varios factores, entre ellos la denominada carga de fuego (ener-gía acumulada en el recinto susceptible de convertirse en calor) el Reglamento,en su anejo 2, establece la resistencia al fuego exigible.

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AANEJO A · RESISTENCIA AL FUEGO DE NAVES APORTICADAS

Tipo B

FIGURA C.1. Tipos de establecimiento según RSCIEI

Tipo A: estructura portante común con otros establecimientos

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Para las cubiertas ligeras, entendidas como las que tienen un peso propio inferiora 1 kN/m2, los requisitos se rebajan con respecto a las cubiertas o forjados con-vencionales. Si la instalación dispone de rociadores automáticos hay otra rebajade 15 minutos.

Como puede verse la clasificación del riesgo es esencial. En muchos proyectosno se conoce la clasificación definitiva en la fase de diseño de la estructura. Estasituación supone un grave inconveniente, ya que la protección debe lograrse deforma conjunta eligiendo perfiles adecuados y tipo de protección.

En las primeras fases del diseño hay que decidir la sectorización y el esquemaresistente teniendo en cuenta la defensa pasiva contra el incendio.

a) Cada sector de incendio debe tener un sistema de arriostrado que se man-tenga intacto durante el incendio, ya sea mediante contravientos en el pro-pio recinto o bien procedente de otro con elementos de conexión (correas)protegidas.

b) El uso de secciones de clase 1 o 2 tiene la ventaja adicional de obtener co-eficientes de «masividad» altos, como se verá más adelante.

c) Los pilares y dinteles (vigas o celosías), con mayor margen de seguridaden el diseño frente a acciones normales (sobrecarga, nieve, viento) tienensu recompensa al analizar su comportamiento a fuego.

Es muy importante establecer los requisitos de defensa como criterios iniciales dediseño. En una nave de almacenamiento, donde puede variar enormemente lanaturaleza de las mercancías, hay que ser conservador y prever un nivel de ries-go alto. En naves con puentes grúa o grandes cargas esta precaución no sueleimplicar apenas costes.

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TABLA 2.3 del RSCIEI

Nivel de riesgo intrínseco TIPO B TIPO C

Sobre rasante Sobre rasante

Riesgo bajo R 15 (EF-15) No se exigeRiesgo medio R 30 (EF-30) R 15 (EF-15)Riesgo alto R 60 (EF-60) R30 (EF-30)

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Por el contrario, en naves ale-jadas más de 10 metros deotros edificios no se requiereprotección a fuego, ni aún encaso de riesgo alto de acuer-do con el RSCIEI.

A.3. MÉTODO SIMPLIFICADO

El método simplificado se basa en calcular la estructura con las acciones de pesopropio y una fracción de las sobrecargas, considerando que se mantiene el mismoesquema resistente y despreciando el efecto de dilataciones y gradientes térmicos.

La estructura tiene las propiedades mecánicas correspondientes a la temperaturaque se alcanza en el acero. Esta temperatura es la provocada en un incendio nor-malizado convencional ISO 834.

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(sigue →)

FIGURA C.2. Variación con la temperatura de las características mecánicas del acero

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FIGURA C.2. (Continuación)

θa ky,θ = fy,θ/fy kp,θ = fp,θ/fy kE,θ = Ea,θ/Ea

20 °C 1,000 1,000 1,000100 °C 1,000 1,000 1,000200 °C 1,000 0,807 0,900300 °C 1,000 0,613 0,800400 °C 1,000 0,420 0,700500 °C 0,780 0,360 0,600600 °C 0,470 0,180 0,310700 °C 0,230 0,075 0,130800 °C 0,110 0,050 0,090900 °C 0,060 0,0375 0,06751000 °C 0,040 0,025 0,0451100 °C 0,020 0,0125 0,02251200 °C 0,000 0,000 0,000

FIGURA C.3. Curva ISO-834

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El tiempo de resistencia de la estructura a esa curva de fuego se mide a partir delinicio de la misma. La ley temperatura-tiempo del incendio normalizado ISO 834es monótona creciente:

θ = 20 + 345 log10 (8t + 1)

En los incendios reales las curvas temperatura-tiempo son muy diferentes y no tan des-

favorables para extensiones generales. Por otra parte el efecto de las dilataciones que-

da afectado por la variación del coeficiente de dilatación y la distribución real de tem-

peraturas en el recinto. Por todo ello se considera que el método simplificado

constituye una aproximación razonablemente conservadora del comportamiento de la

estructura.

A.4. TEMPERATURA CRÍTICA

Una vez establecidas las cargas en caso de incendio se trata de calcular la es-tructura por elementos simples, en el caso de naves los pórticos. Lo usual seráconsiderar solamente las cargas constantes (peso propio de estructura y cobertu-ra), excepcionalmente una fracción de sobrecarga de nieve (coeficiente de com-binación ψ2).

A partir de los esfuerzos obtenidos se determina el límite elástico que supondríala igualdad a la capacidad resistente. Obviamente ese valor será inferior al nomi-nal (al del acero a temperatura ordinaria) y representará hasta dónde puede bajaresa característica resistente, que viene a ser lo mismo que saber hasta dóndepuede subir la temperatura en el acero. Al cociente entre ese límite elástico redu-cido y el nominal se le denomina µ0, grado de utilización que equivale a:

µ0 = Efi,d/Rfi,d,0

siendo:

Efi,d Valor de cálculo de las acciones en caso de incendio

Rfi,d,0 Valor de cálculo de la resistencia del elemento en caso de incendio en eltiempo cero (es decir a temperatura ambiente y con coeficientes de seguri-dad de materiales γM = γM,fi = 1.0,

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Aplicando las tablas de Eurocódigo 3, parte 1-2, o la fórmula siguiente se obtienela temperatura de colapso, denominada temperatura crítica (para los caso de fle-xión y tracción, donde no hay influencia de la inestabilidad).

La clasificación de secciones en caso de incendio es diferente, un poco más des-favorable que frente a acciones convencionales. El factor ε es:

Por lo tanto muchas secciones bajan su clasificación, entre ellas el caso más desfavo-

rable es el de paso de 3 a 4. Para las secciones de clase 4 hay dos caminos de com-

probación: considerar 350 °C como su temperatura crítica (sin tener en cuenta su nivel

de carga) o aplicar el anejo E de UNE EN 1993, parte 1.2 que está incluido en la Ins-

trucción EAE. Al final de este anejo se presenta un ejemplo de aplicación.

Dado que en dintel y pilares se tiene axil, la determinación de la temperatura críti-ca es algo más laboriosa ya que debe procederse por tanteos al depender la re-sistencia a compresión del módulo de elasticidad. También se está en este casosi hay posibilidad de pandeo lateral. La manera práctica de proceder es empezarpor 500 °C y comprobar la estructura con las características de esa temperatura,es decir aplicando estrictamente las fórmulas de cálculo con fy y E a esa tempera-tura.

Si la capacidad de la sección a esa temperatura (lo más aconsejable es usar lafórmula simplificada de EAE para pandeo en flexocompresión) supera a la solici-tación se puede probar con una temperatura mayor, repitiendo el proceso hastaque se alcance dicho valor. En el capítulo 7, dedicado a pórticos, se desarrolla unejemplo completo donde puede verse la aplicación progresiva de este procedi-miento.

La obtención del método simplificado obliga a calcular una temperatura críticapor elemento estructural. Las correas que deban contribuir a la estabilidad de lospórticos son un ejemplo. También lo son aquellas que deben dar apoyo a una

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protección de sectores (las contiguas a una divisoria de recintos). Las correas decubiertas ligeras sin ninguna de esas dos funciones no necesitan resistencia alfuego.

En pórticos con pilares y dinteles o cerchas la temperatura crítica será la corres-pondiente al elemento más vulnerable. Los esfuerzos se calculan con las cargasrealistas indicadas (G + ψ2Q) y pueden ser obtenidos por proporcionalidad conlos esfuerzos a temperatura ambiente. Se procede por tanteos, aumentando latemperatura progresivamente hasta que falle el elemento más débil (adviértaseque se supone conservadoramente que todo el pórtico está a la misma tempera-tura).

Una disposición estratégica que contribuye a obtener una seguridad adicional consiste

en diseñar los pilares con mayor margen que los dinteles. De este modo el inevitable co-

lapso de la nave sobreviene por plastificación de los dinteles antes que por pandeo con

flexo compresión de pilares, por lo tanto de una manera paulatina y dúctil, «avisando».

Este recurso es similar al exigible en diseño antisísmico de «viga débil-pilar fuerte».

A.5. TIEMPO DE ESTABILIDAD

Una vez conocida la temperatura a la que colapsa la estructura de la nave (o seala temperatura crítica) la cuestión fundamental es conocer cuánto tiempo pasarádesde el inicio del incendio hasta que el acero alcance esa temperatura. Esetiempo es el tiempo de estabilidad o de resistencia estructural y es el que fijan lasnormas, considerando que el incendio es exactamente el definido por la ley tiem-po-temperatura del aire ISO 831.

En naves o edificios de grandes dimensiones o casos especiales puede resultar venta-

joso usar otros modelos de fuego, con curvas paramétricas tiempo-temperatura que re-

producen de forma más realista el incendio. Pueden verse en los anejos de la Instruc-

ción EAE.

El tiempo de estabilidad en naves industriales con cubierta ligera varía de 15 a 90minutos y es el que debe aplicarse. Para estructuras de edificación cabe la posi-bilidad de afinar ese valor de acuerdo con el anejo D de la parte SI del CódigoTécnico que recogen los anejos de UNE EN 1991, parte 1-2.

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Hay que insistir en que la RF por sí sola no proporciona la protección que debe darse

a un elemento estructural. La protección determinará (junto con el coeficiente de

«masividad» de la pieza) el tiempo que transcurrirá desde el inicio del incendio hasta

una temperatura dada. Algunos suministradores de sistemas de protección conside-

ran interesadamente que esa temperatura es 500 °C identificándola con la temperatu-

ra crítica.

El tiempo requerido de estabilidad debe ser superado por el elemento más vulne-rable, es decir por el que tiene la temperatura crítica más baja. El sentido comúnnos aconseja que exista coherencia con la función del elemento, por eso los pila-res deben ser más resistentes que los dinteles. Si la temperatura critica de los pi-

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FIGURA C.4

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lares fuese inferior habría que protegerlos más que a los dinteles para propiciarque sean los últimos en colapsar.

Una disposición de diseño particularmente ventajosa frente a incendio consiste en

colocar los pilares fuera de la fachada. Al quedar al exterior, protegidos del fuego en

el interior mediante un cerramiento adecuado (paneles de lana de roca, placas pre-

fabricadas o muros de bloques) están a salvo del incendio si no caen dentro de la

zona de influencia de las ventanas. En la parte 1-2 de Eurocódigo 3 se tratan estos

casos.

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FIGURA C.5. Método de cálculo de las estructuras exteriores en el Eurocódigo 3

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A.6. ELEMENTOS PROTEGIDOS Y NO PROTEGIDOS

Cuando se conoce la temperatura crítica, la geometría de la pieza y el tiempo deestabilidad requerido se puede decidir si hay que proteger la estructura o no, yen caso afirmativo cuál es el tipo y espesor adecuado de la protección.

Las ecuaciones que rigen el proceso de calentamiento de una pieza de acero alo largo del incendio están establecidas desde hace muchos años. En la instruc-ción EAE se presentan las dos: para acero sin protección y protegido. Algunasparticularidades se comentan a continuación.

La resolución para acero sin proteger puede abordarse con métodos numéricos ydepende solamente del parámetro geométrico denominado coeficiente de masivi-dad A/V que es el área lateral expuesta dividida por el volumen. Si la pieza es desección constante equivale a la relación perímetro expuesto/área. Las seccionesabiertas y delgadas tienen un valor muy desfavorable (muy alto) y las huecas omacizas por el contrario muy bajo, o sea favorable. En el ábaco de APTA, en la lí-nea de anteriores documentos de la ECCS-CECM-EKB 1, se presenta toda unagama de curvas de parámetro A/V desde 400 m–1 hasta 10 m–1. Entrando con laordenada correspondiente a la temperatura crítica de la estructura y moviéndosehorizontalmente hasta llegar a la curva del parámetro A/V que corresponda soloquedará bajar en vertical y obtener directamente, como abcisa, el tiempo de re-sistencia.

La forma de estas curvas es ascendente, cuanto mayor sea la temperatura crítica más

lejos se podrá llegar. Las curvas de parámetros bajos a su vez llegan más lejos. Las

curvas de alto valor de A/V obviamente son las de menor recorrido. Antes de decidir si

hay que proteger o no, debe valorarse si vale la pena aumentar de sección, con lo cual

aumentaríamos la temperatura crítica (más resistencia) y la curva sería más favorable

(menor parámetro).

Cuando se supera el tiempo requerido hay que proteger la estructura. De estaforma al cabo de ese tiempo requerido la temperatura alcanzada en el acero es

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1 Convención Europea de la Construcción Metálica.

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inferior a la crítica, o dicho de otra manera cuando se alcance esa temperaturacrítica (y la estructura colapse) habrá pasado más tiempo del exigido.

Hay tres tipos de protección:

b) Morteros proyectados con productos especiales (vermiculita, perlita, etc.)

c) Paneles o placas de yeso o materiales similares.

d) Pinturas intumescentes.

El primer sistema es el más barato y fácil de aplicar, pero tiene el inconvenientede la estética y de la posibilidad de desprenderse por golpes. La conductividadtérmica según la dosificación puede ser tan baja como λ = 0,12 W/m °K que per-mite definir el espesor necesario.

El segundo sistema es más caro que el anterior, pero se puede afinar el espesorrequerido como en el sistema anterior conociendo la temperatura crítica. Aquí laestructura queda forrada y oculta.

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FIGURA C.6. Tipos de protección. Morteros proyectados

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Este sistema se puede aplicar a medianeras separadoras de sectores y resultaequivalente a la protección por tabiquería.

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FIGURA C.7. Tipos de protección. Paneles

FIGURA C.8. Tipos de protección. Placas y tabiquería

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En el sistema de pintura intumescente se depende de las curvas experimentales,obtenidas y homologadas por ensayo. Los fabricantes han sometido a ensayoscertificados distintos tipos de piezas (coeficientes de masividad A/V) con espeso-res de pintura variables y han medido el tiempo que se tarda en alcanzar unatemperatura dada.

Algunos fabricantes garantizan RF de hasta 120 minutos para temperatura de620 °C con espesores totales de pintura razonables. Obviamente para temperatu-ras críticas inferiores se puede disponer un espesor menor.

De nuevo aquí hay que señalar que en ocasiones la ignorancia, la picaresca o ambas

cosas a la vez se conjugan para disponer espesores tan desproporcionados como in-

necesarios, sobre todo en naves industriales donde al darse grados de utilización �0

mucho más bajos que en los casos usuales de edificación las temperaturas críticas son

superiores casi siempre a los dichosos 500 °C.

La forma rápida y segura de diseñar la protección es también recurrir al citadonomograma de APTA (ver pág. siguiente). En este caso las curvas son más ten-didas y llegan más lejos, por supuesto. El parámetro de la curva se obtiene apartir del coeficiente de masividad multiplicado por la relación λ/d. El numeradores la conductividad, es decir la calidad del revestimiento, el denominador es elespesor.

Como se ha indicado antes las secciones mejores son las de mayor coeficientede masividad, por lo tanto los perfiles tubulares en cerchas son muy adecuados.Si se profundiza en la Instrucción EAE se pueden obtener ventajas adicionalesbasadas en UNE EN 1993, parte 1-2 como el efecto sombra en perfiles en dobleT y el efecto favorable del contenido de agua en el revestimiento.

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FIGURA C.9. Nomograma para determinar la temperatura crítica y la resistencia al fuego

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A.7. EJEMPLO DE SECCIÓN DE CLASE 4

Planteamiento

Una cubierta está constituida por paneles sándwich de lana de roca (18 kg/m2),correas de 7,40 m de luz separadas 1,70 m, diseñadas como vigas continuas dedos tramos que se consideran adecuadamente arriostradas lateralmente por elpanel.

La sobrecarga de uso es de 1 kN/m2, superando a la de nieve de 0,40 kN/m2,siendo la altitud inferior a 1000 m.

Se pide:

a) Elegir el perfil adecuado de correa en C para E.L.U. con acero S350 GD+Z(UNE EN 10326).

b) Comprobar la flecha activa.

c) Determinar la temperatura crítica de acuerdo con el anejo E de Eurocódigo3, parte 1-2.

d) Considerando que el ala superior está en contacto con los paneles deter-minar la RF de correas.

Resolución

a) Después de varios tanteos se elige el perfil C 250.75 (t = 2,5 mm, 8,7 kg/m)que puede ser suministrado por varios fabricantes.

La carga constante vale: G = 0,087 + 1,70 0,18 = 0,393 kN/m

La sobrecarga máxima: Q1 = 1,70. 1 = 1,70 kN/m

La sobrecarga de nieve: Q2 = 1,70 0,40 = 0,68 kN/m

Para situación persistente o transitoria la combinación de cargas es:

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Resulta peor que sea Q1 la acción determinante ya que además de ser superior aQ2 su coeficiente de simultaneidad es nulo (ψ0,1 = 0) y el de la nieve esψ0,2 = 0,50.

p = 1,35 G + 1,50 Q1 + 1,50 . ψ0,2 . Q2

p = 1,35 . 0,393 + 1,50 . 1,70 + 1,50 . 0.50 . 0,68 = 3,591 kN/m

El flector máximo se produce sobre el apoyo central.

MEd = p L2/8 = 3,591 . 7,402/8 = 24,58 m.kN

La sección es de clase 3 a flexión, ya que la relación ancho de ala (existe labio ri-gidizador) vale

y resulta inferior a la limitación

El alma también satisface la condición de clase 3 puesto que

es inferior a

La comprobación de resistencia, teniendo el perfil Wel = 81 cm3 de módulo resis-tente elástico en su eje fuerte, es satisfactoria:

resulta menor que

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b) La limitación de flecha activa es L/200 con la parte variable de:

En esta combinación denominada poco probable la carga variable es:

pac = Q1 + ψ0,2 Q2 = 1,70 + 0,50 . 0,68 = 2,04 kN/m

La flecha activa vale:

Resulta holgadamente inferior a L/200 = 37,5 mm

c) En la situación de incendio la clasificación de secciones es más estricta.

El parámetro ε ahora

En el ala se tiene

(por poco)

En el alma se está peor

La correa es de clase 4 y estaría desahuciada desde el punto de vista de su resis-tencia al fuego si se aplicase el criterio simplista y ultraconservador de que su tem-peratura crítica es de 350 °C. Se recurre al anejo E de UNE EN 1993, parte 1-2.

La carga en caso de incendio, aplicando el método simplificado, corresponde ala combinación de accidente:

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Para Q1 (sobrecarga de cubierta) se tiene ψ0 = ψ1 = ψ2 = 0, por lo que resulta de-terminante Q2 (nieve).

P = G1 + Ψ1,2 Q2 = 0,393 + 0,20 . 0,68 = 0,529 kN/m

El momento máximo vale:

La tensión en las fibras extremas:

Por lo tanto el límite elástico podría descender hasta ese valor en el límite de lacapacidad resistente de la correa.

donde µ0 es el denominado «grado de utilización», relación entre solicitación encaso de incendio y resistencia a temperatura ambiente.

La temperatura correspondiente es la temperatura crítica θa,cr. Si la sección nofuese de clase 4 se podría aplicar directamente la fórmula de EC3, parte 1-2, re-cogida en la Instrucción EAE.

Resultando θa,cr = 792 °C. Pero como se ha indicado anteriormente aquí se debeusar el anejo E, donde consta la relación entre temperatura y fracción utilizabledel límite elástico en la tabla E1.

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Interpolando entre los valores correspondientes a 700 °C y 800 °C se obtiene:

d) El coeficiente de masividad de la sección es algo más favorable, ya que el alasuperior está protegida.

A/V = (0,250 + 2 . 0,022 + 0,075) / (11,05 . 10–4) = 334 m–1

El nomograma de APTA, para secciones sin proteger, siguiendo la línea horizontalde 700 °C y alcanzando las curvas de los valores A/V de 200 m–1 y 400 m–1 da va-lores comprendidos entre 15 y 20 minutos.

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TABLA E.1. Factores de reducción en acero al carbono para el diseño de secciones de clase 4 atemperaturas elevadas

Temperatura del acero Factor de reducción Factor de reducción(relativo a fy) para el (relativo a fyb) para el

límite elástico de cálculo límite elástico de cálculode secciones laminadas de secciones conformadasen caliente y soldadas en frío

de clase 4 de clase 4θθa kp0,2,� = fp0,2,�/ fy kp0,2,θ = fp0,2,θ /fyb

20 °C 1,00100 °C 1,00200 °C 0,89300 °C 0,78400 °C 0,65500 °C 0,53600 °C 0,30700 °C 0,13800 °C 0,07900 °C 0,051000 °C 0,031100 °C 0,021200 °C 0,00

NOTA 1: Para valores intermedios de la temperatura del acero, se puede interpolar linealmente.NOTA 2: La definición de fyb debe tomarse de EN 1993-1-3.

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Por lo tanto las correas de esta cubierta podrían ser consideradas aptas paraarriostrar estabilizando los pórticos (con el adecuado contraviento) en naves deconfiguración B con riesgo bajo, y en naves de configuración C con riesgo medio,ya que a ambas se les pide RF 15 para la estructura principal.

Al final del capítulo 7, dedicado a pórticos, se ha desarrollado un ejemplo com-pleto de diseño que incluye la comprobación frente a incendio de un pórtico ados aguas, utilizando el método simplificado.

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