Protección contra incendios de estructura de acero: temperatura crítica, R90-R120 y revestimiento

El acero no se quema, pero se suaviza: a unos 550 °C un miembro de acero estructural ha perdido aproximadamente la mitad de su resistencia a la temperatura ambiente, y el acero sin protección en un incendio estándar alcanza esa temperatura en 10 a 20 minutos. Debido a que el costo de la protección contra incendios generalmente cae entre el 8% y el 20% del presupuesto total del trabajo siderúrgico en un proyecto comercial y debido a que el mercado de protección va desde pintura delgada intumescente hasta tablero cementício de múltiples capas a casi diez veces el peso y el costo la decisión de ingeniería contra incendios es una de las decisiones económicas más consecuentes que un propietario o contratista general hará en un edificio siderúrgico.

Esta guía está escrita para propietarios, arquitectos, ingenieros y gerentes de proyectos que necesitan entender lo que significa una calificación de incendio, cómo se determina el espesor de protección y cómo elegir entre el revestimiento, la placa y la protección a base de agua sin sobre- o sub-ingeniería. GB 51249-2017 (Código de protección contra incendios de estructuras de acero en edificios), EN 1993-1-2 (Diseño de incendios estructurales), y el sistema de normas de referencia NFPA para proyectos de América del Norte, con GB 50016 estableciendo las cualificaciones de resistencia al fuego requeridas por ocupación.

Cubrimos el concepto de temperatura crítica, los requisitos de calificación, las familias de materiales de protección y sus regímenes de espesor, la protección combinada, el enfriamiento de agua y una comparación de costos de toda la vida útil que los propietarios pueden aplicar a sus propios números de proyecto.

1. La temperatura crítica: ¿Por qué 550°C?

La resistencia del acero estructural se descompone con la temperatura en una curva repetible: a 400°C la resistencia al rendimiento es todavía aproximadamente el 90% del valor a temperatura ambiente, a 550°C aproximadamente la mitad, y a 700°C aproximadamente el 20%. temperatura crítica la temperatura de acero a la que el miembro, bajo su combinación de carga de incendio, alcanza su relación de utilización de diseño. 500620°C la banda; el 550°C comúnmente citado es la simplificación utilizada cuando no se calcula explícitamente la utilización de los miembros.

La consecuencia de la ingeniería es a menudo contraintuitiva para los propietarios: Cuanto más eficientemente se diseña el miembro a temperatura ambiente, más protección contra incendios necesita, porque un miembro que lleva el 80% de su capacidad alcanza su temperatura crítica a una temperatura de acero más baja que un miembro idéntico que lleva el 50%. Una reducción del 5% en la utilización de los miembros puede reducir el grosor y el coste de la protección en un 1525% en todo el marco.

Práctica a nivel de cláusula: GB 51249-2017 proporciona la curva de temperatura-tiempo estándar del fuego y el método de relación carga para determinar la temperatura crítica; EN 1993-1-2 proporciona el enfoque equivalente de temperatura de acero con factores de sección y conductividades de protección; NFPA 251 se armoniza con ISO 834 en la propia curva estándar. Cualquiera que sea la familia de códigos que utilice el proyecto, los resultados del ingeniero de incendios deben ser los mismos: una temperatura crítica miembro por miembro, una tabla de espesor de protección y un rastro de auditoría que muestre la relación de utilización detrás de cada espesor.

Factor de sección: el número que determina el espesor de la protección

El factor de sección A_{el número de}/V (perímetro expuesto por unidad de volumen de acero, en m^-1) regula la velocidad de calentamiento de un miembro: una columna pesada de gran tamaño se calienta lentamente, una cuerda de red delgada se calienta casi instantáneamente.

A_{el número de}/V = perímetro expuesto ÷ área de sección transversal: 500 × 500 × 30 columnas de caja → unos 33 m^-1; sección hueca de 120 × 120 × 6 → de unos 140 m^-1 → el miembro pequeño necesita aproximadamente un 5080% más de espesor de protección para la misma calificación R90

La consecuencia de la ingeniería es que el tamaño de los miembros y la protección contra incendios se resuelven juntos: un miembro redimensionado de 120 × 120 × 6 a 160 × 160 × 8 reduce el factor de sección, el grosor del revestimiento y el área pintada por unidad de capacidad de carga, y el ahorro combinado a menudo supera el costo del acero añadido el argumento clásico para integrar la ingeniería contra incendios con el diseño estructural en lugar de tratarlo como una asignación posterior a la licitación.

2. Cualificaciones de resistencia al fuego: R90, R120 y el sistema de clase R

Las cualificaciones de resistencia al fuego se expresan en minutos de resistencia al fuego estándar: R30, R60, R90 y R120 Los niveles comunes, R denotando capacidad de carga (I denota integridad, E aislamiento tanto materia para paredes y pisos resistentes al fuego, pero sólo R se aplica a los miembros estructurales). GB 50016 establece las cualificaciones requeridas por clase de edificio, altura y ocupación: un edificio comercial típico de media altura requiere R60R90 para vigas y columnas; edificios de gran altura y grandes montajes públicos requieren R90R120 para columnas y elementos centrales; y las ocupaciones de mayor riesgo (estructuras de techo sobre grandes espacios de montaje, troncos de transferencia, estructuras similares a puentes) pueden exigir R120 o más con un estudio basado en el rendimiento.

Dos sutilezas de calificación merecen atención en la fase de licitación. En primer lugar, la calificación se aplica al montaje, no al acero desnudo: un miembro que está completamente incrustado en el hormigón se considera protegido, un miembro de techo por encima de una curva combustible se puede calificar a través de un escenario de incendio basado en el rendimiento en lugar de la curva estándar, y una conexión (grupo de tornos, soldadura) debe satisfacer la misma calificación que los miembros que se une la protección nunca se detiene en la línea de tornos. En segundo lugar, la curva estándar (ISO 834 / GB 51249 hidrocarburos y curvas estándar difieren) debe ser nombrada en la especificación, ya que la misma R90 bajo una curva de hidrocarburos exige sustancialmente más protección que R90 bajo la curva estándar, y las incompatibilidades entre los esquemas, curva y suposiciones de ocupación son la fuente más común de esquemas rechazados.

Clasificación por ocupación y altura

La aplicación del sistema de clase R en la práctica sigue la tabla de ocupación más que el informe estructural: una sala industrial de un solo piso con ocupación no combustible por lo general requiere R30R60 para su marco; una oficina de varios pisos R60R90; un edificio de alto nivel o ocupación de montaje R90R120 para columnas y elementos centrales; y los entornos de mayor riesgo grandes atrios, salas de exposiciones, pisos de transferencia sobre el espacio ocupado R120 y más, a menudo mediante una evaluación basada en el rendimiento. La calificación se aplica por miembro: una columna que soporta dos pisos tiene el mayor de los dos requisitos, y un tronco de transferencia por encima de un atrio hereda la calificación del espacio debajo de él, por lo que las listas de incendios por miembro y el precio de la licitación de tal manera, no deben ser calificadas como un grueso promedio de película.

La interacción entre protección activa y pasiva

La protección contra incendios de un edificio de acero nunca debe interpretarse solo como protección pasiva: los aspersores, el control de humo y la compartimentación interactúan con el revestimiento o el tablero, y los códigos acreditan esa interacción formalmente. En China, los edificios totalmente protegidos por un sistema de aspersores automáticos pueden reducir la calificación de resistencia al fuego requerida de los miembros en una capa en ocupaciones específicas cuando el código lo permita (disposiciones GB 50016 sobre la construcción protegida por aspersores); los equivalentes EN 1993-1-2 y BS 9999 siguen la misma lógica con diferentes tablas de crédito. La traducción dirigida al propietario es una pregunta presupuestaria: una densidad extra del aspersor o una pared de compartimiento extendida puede ser más barata que mover la película de acero intumes de la banda R90 a R120 en decenas de miles de metros cuadrados de techo, y la comparación es el material de ingeniería contra incendios, no un libro de estudio de precios correcto. Por consiguiente, el diseñador de la estructura debe entrar en conversación sobre el incendio con el sistema activo ya definido, ya que el espesor de protección pasivo es una función del mismo.

Oportunidades de diseño basadas en el rendimiento

Cuando termina la ruta de código, comienza la ruta basada en el rendimiento: en lugar de la curva de horno estándar, el equipo de diseño modela el escenario de incendio real la carga de combustible de la ocupación real, las aberturas de ventilación, el tiempo de respuesta del rociador y calcula las temperaturas reales del acero y la utilización de los miembros a esas temperaturas. El mismo techo que necesita R90 en papel puede ser demostrable en R60 en el escenario real, y el ahorro en un techo de 40.000 m2 puede financiar el estudio de ingeniería de incendios cien veces más. La disciplina requerida: el escenario debe ser conservador, el modelo debe ser validado con los datos de prueba del producto de protección, y los supuestos de ocupación deben estar bloqueados en el edificio una reducción manual basada en el rendimiento que sobrevive solo mientras el edificio esté ocupado. Para el propietario que decida entre el camino estándar y el camino basado en el rendimiento, la cuestión es la de los costes de revisión frente a los costes materiales, y debe plantearse en la etapa del régimen, no después de la licitación del contrato de protección.

3. Familias de protección material y regímenes de espesor

Tres familias de materiales dominan la protección contra incendios de acero, y su economía se rige por el factor de sección la relación del perímetro expuesto al área de sección transversal (A)_{el número de}/V), expresado en m^-1. miembros pequeños y de gran tamaño (A)_{el número de}/V por debajo de 40) calentarse lentamente y tomar protección delgada; miembros delgados_{el número de}En el caso de los sistemas de protección, el diseño de los sistemas de protección se basa en la negociación de dicho factor.

Protección	espesor típico para R90 (A)el número de/V 80 120)	Peso aplicado	El mejor ajuste
Recubrimiento intumescente	1.5 3,0 mm (película)	Luz, 35 kg/m2	Acero acabado arquitectónicamente expuesto
Spray de vermiculito / cementado	15 35 mm	Moderado, 1530 kg/m2	Cuadrados estructurales ocultos
Envasado de tablero de fuego	25 50 mm (de doble capa)	Peso pesado, 3060 kg/m2 más enmarcado	Columnas, ejes, zonas de alto impacto

Los revestimientos intumescentes El material de película aplicado de 1,53 mm se hincha 3050× en el calentamiento para formar una placa de aislamiento. Se adaptan a todos los miembros visibles, se aplican sobre el primer de corrosión en la tienda o en el lugar, y son la solución más ligera pero son los más sensibles a la preparación de la superficie, la uniformidad del grosor de la película y el rendimiento de la placa de envejecimiento, y el régimen de película de 24 mm requiere un certificado de aplicación de spray, no pintura en manchas. Sprays de cemento y vermiculito son el campeón de costes para los miembros ocultos: 1535 mm aplicados rápidamente en grandes áreas, pero añaden 1530 kg/m2 a las cargas de gravedad y son inadecuados cuando las baldosas de techo y los servicios deben recortar al acero.

Envasado de tablero de fuego (tablas a base de yeso o tablas de silicato de calcio) es la especificación de elección para columnas, ejes de elevación y rutas de tránsito en las que la resistencia al impacto y a la humedad son: 2550 mm en dos capas, dando una superficie inerte, limpia y repaintable con el mayor peso y costo material de los tres. El resumen comercial para los propietarios: intumescent compra apariencia con sensibilidad de certificación, spray compra costo con el requisito de ocultamiento, tabla compra robustez con peso y costo y la elección correcta es una función del factor de sección, exposición, ocupación y el plan de mantenimiento, no de costumbre.

Prueba y certificación del sistema de protección

La protección contra incendios es uno de los pocos materiales en un edificio cuyo rendimiento se verifica mediante pruebas a temperatura elevada, no mediante cálculos de tensión: el sistema de revestimiento o tablero debe llevar un certificado de prueba de horno de la calificación requerida (serie ISO 834 / GB / T 9978) con la adhesión, el espesor de película seca y la densidad verificados en el lugar de instalación. La licitación debe indicar que los certificados de espesor, los registros de aplicación y las lecturas DFT del sitio forman parte de la documentación de entrega, y que los certificados de lote son rastreables a los miembros de acero que protegen. Un sistema de protección sin certificados auditivos es una responsabilidad que sobrevive al ciclo de mantenimiento más antiguo del edificio y es la brecha más común encontrada en las auditorías de ingeniería de incendios de edificios de acero completos.

4. Sistemas combinados de protección, refrigeración por agua y sistemas compuestos

Además de la protección de un solo material, tres sistemas de ingeniería completan la caja de herramientas. Sistemas combinados Familias de pares: intumescentes en las flanges expuestas con tabla cementitaria en la red, o rociando sobre la sección completa con intumescentes en los extremos del haz donde no se puede instalar la tabla. Su validez es una cuestión de ingeniería de fuego estándar cada componente debe llevar la calificación con la interfaz verificada, no se supone pero rutinariamente reducen el costo en 1020% en los marcos de exposición mixta.

Refrigeración por agua Se utiliza cuando los miembros no pueden ser revestidos en absoluto generalmente grandes giras de transferencia, celosías sobre los atrios o miembros en entornos agresivos donde la integridad del revestimiento no puede garantizarse: el miembro se fabrica como una caja cerrada o tubo y se llena de agua tratada, que absorbe el calor y circula (o se herve) para mantener el acero cerca de 100 °C mientras el agua dura. Requiere circulación, control de nivel y gestión de congelación, y su costo es un sistema de ingeniería en lugar de un material, por lo que solo se justifica cuando otras soluciones se expulsan por función o apariencia.

Alternativas estructurales y compuestas Cambiar el problema: los tubos de acero llenos de hormigón (CFST) ganan capacidad de incendio desde el núcleo de hormigón con un revestimiento cero en la interfaz; las láminas compuestas dan el diafragma y la membrana de incendio al sistema de piso; y el diseño basado en el rendimiento puede aceptar daños parciales en los miembros secundarios sacrificales mientras que el marco primario lleva el caso de carga de incendio a una utilización reducida. Cada uno de estos es una decisión de diseño documentada por un ingeniero de bomberos con el informe estructural detrás y cada uno es un apalancamiento legítimo para reducir el costo de las áreas pintadas que domina los presupuestos de incendios de acero.

Curva estándar frente a la curva de hidrocarburos

La misma clasificación R90 exige una protección muy diferente dependiendo de la curva de incendio que gobierna. La curva estándar (ISO 834) alcanza unos 1.050 °C en dos horas de crecimiento; la curva de hidrocarburos (clase ISO 13501, utilizada para almacenamiento de combustible, túneles y edificios de procesos) alcanza más de 1.100 °C en cuestión de minutos y calienta el acero aproximadamente dos veces más rápido en el primer cuarto de hora. Los espesores de protección bajo la curva de hidrocarburos son típicamente 1.52 veces el espesor de la curva estándar para la misma clasificación, y no todos los productos consumibles están certificados para ambos.

5. Comparación económica y lista de control de decisiones

El costo de toda la vida se agrupa en cinco números: el costo inicial de material y aplicación por m2 de superficie protegida, el peso propio añadido (spray y placa añaden carga que redimensionan los miembros), el intervalo de mantenimiento (los filmes intumescentes necesitan inspección cada 510 años en atmósferas agresivas; las tablas son inertes), el costo de acceso para una estructura alta, y la conexión de la protección con el cronograma de construcción (spray en el sitio retrasos revestimiento; intumescentes aplicados en la tienda no).

• Calcule el factor de sección primero: miembros del tronco delgado con A_{el número de}/V > 150 empuja el espesor de la película intumescente a 34 mm y el spray cementício a 4050 mm ambos caros, y la respuesta puede ser un tamaño de miembro diferente, no más protección.
• Revisar el presupuesto del índice de utilización: La reducción de la utilización de los miembros del 80% al 70% eleva la temperatura crítica en aproximadamente 60100°C y puede reducir el espesor de la protección en un nivel completo a un coste cercano al cero del acero.
• Separados expuestos a superficies ocultas en la licitación: Intumescent sólo cuando sea visible, spray o tabla donde esté oculta una especificación combinada generalmente ahorra 1525% en comparación con un sistema de método único.
• Nombre de la curva de incendio y la ocupación en el contrato: La curva estándar frente a la curva de hidrocarburos cambia de espesor aproximadamente de 1,5 a 2×, y la ambigüedad aquí es la causa más común de las reclamaciones posteriores a la licitación.
• Auditar el plan de protección con respecto al calendario: La intumecencia aplicada en la tienda sobre un primer certificado es de dos semanas en el camino crítico, mientras que la pulverización aplicada en el sitio es de dos meses de secuenciación.

Presupuesto de los costes de protección por metro cuadrado de acero

Para la elaboración de presupuestos en fase de proyecto, las escalas de costes de protección se basan en la superficie pintada, no en el tonelaje, y la unidad de planificación útil es el metro cuadrado de superficie protegida. Los sistemas intuitivos suelen llegar a un rango del 820% del coste de la acería dependiendo de la calificación, el grosor de la película y el factor de sección; los aerosoles de cemento a un precio de 2540% del precio de intuición por metro cuadrado; el envase de tablero a un precio de intuición de 1,52.5x. Un marco de 3.000 toneladas con 2,5 m2 de superficie por tonelada tiene por lo tanto aproximadamente 7.500 m2 de protección, y el movimiento del régimen de intuición solo a una oferta de intuición en aerosoles oculta cambia el presupuesto de protección por una suma de seis cifras en un proyecto de ese tamaño por lo que la decisión sobre la protección de la familia de materiales debe ser fijada antes de la licitación, no en manos de la licitación más baja aplicable.

Garantias, mantenimiento y registros de auditoría

El contrato de protección debe terminar con documentación, no con el último revestimiento: lecturas de DFT del taller mapeadas a números de miembros, registros de solicitud del sitio, certificados de lotes rastreables a cada lote de revestimiento, y el horario de mantenimiento con intervalos de inspección (510 años para sistemas inmensos dependiendo del medio ambiente y la exposición, ninguno para el envoltorio de tablero inerte excepto la inspección de daños). Un propietario bien administrado guarda el archivo de protección contra incendios con los dibujos de acero construidos, porque cada modificación futura un apego cerrado, un corte, un área pintada de nuevo toca el sistema de protección y necesita los registros para volver a certificarlo. La protección es el único sistema en el edificio donde el papeleo es parte de la seguridad contra incendios.

Prueba de aceptación en el sitio del revestimiento aplicado

La protección contra incendios es uno de los pocos sistemas de construcción en los que el trabajo terminado se verifica por espesor, y el régimen de aceptación sigue GB 51249-2017: el espesor de película seca (DFT) se verifica sobre una base de muestreo definida por miembro protegido, con puntos de medición repartidos por el perímetro de la sección y el número de lugares de control vinculados a la superficie de cada elemento, y cualquier lectura por debajo del diseño certificado DFT se rechaza y se repara antes de la firma. Para los sistemas intumeros, las verificaciones continúan después de la aplicación daño de impacto en la instalación, la continuidad del revestimiento en conexiones enbolta, y la compatibilidad de cualquier campo con los envases de primer y intalentes certificados; para el envasado de tablero, la auditoría es dimensional (tolerancias, fijación de espacios, unión) en lugar de se basa en la espesor. El punto práctico para el contratista y el propietario es idéntico: especificar el criterio de aceptación en el subcontrato de protección en la fase de licitación, ya que un revestimiento que pasa una inspección visual pero no se realiza una inspección de DFT es un defecto de seguridad contra incendios descubierto en el peor momento posible en la entrega, cuando el re-acceso cuesta dinero.

Puntos clave

• 550°C es una simplificación, no una regla: La temperatura crítica real sigue la relación de utilización del miembro (normalmente 500620°C), por lo que el espesor de protección es una salida de ingeniería, no una búsqueda de tabla.
• Las cualificaciones son de R90, R120 y más por ocupación: Los códigos GB 50016 y equivalentes establecen la clase; la curva de incendio y la protección de conexión deben indicarse en la misma frase que la clasificación.
• Los regímenes de espesor difieren en un orden de magnitud: luz intumescente de 1,53 mm, spray de 1535 mm moderado, tabla de 2550 mm pesada elegida por factor de sección, exposición e impacto.
• El factor de sección impulsa todo: miembros delgados de la rejilla con A_{el número de}- V por encima de 150 calor más rápido y más costoso de proteger, a menudo más barato para volver a dimensionar que para revestimiento.
• El costo de toda la vida supera el costo de la primera: Los presupuestos de utilización, las divisiones entre los productos expuestos y los ocultos, la secuenciación entre los productos del taller y los productos de la instalación y los intervalos de mantenimiento separan un buen paquete de incendios de uno caro.

Para una estructura de acero en fase de licitación o diseño desde un salón industrial de 30 m hasta un techo de 229 m de ancho transparente nuestro equipo de ingenieros prepara especificaciones de protección contra incendios miembro por miembro de acuerdo con la práctica de la norma GB 51249, EN 1993-1-2 o NFPA, incluida la revisión de la relación de utilización que generalmente se paga por sí misma. Contacte con nuestro equipo de ingeniería para un estudio de ingeniería de protección contra incendios.