1. Introducción

Los incendios pueden comprometer gravemente la estabilidad de cualquier estructura, incluidos los elementos portantes de hormigón, provocando colapsos parciales o totales de las estructuras. Por ello, la seguridad estructural frente al fuego es un requisito fundamental en los Eurocódigos y en la normativa española, desarrollada a través del CTE, el RIPCI y el RSCIEI.

En España, el CTE DB‑SI, y especialmente su sección SI 6 – Resistencia al fuego de la estructura, fija las prestaciones mínimas que deben cumplir los elementos estructurales para mantener su estabilidad durante un incendio. Establece clases de resistencia R, REI o EI, según la clasificación europea UNE‑EN 13501‑2, que determinan la capacidad portante (R), la estanqueidad (E) y el aislamiento térmico (I) del elemento durante un tiempo especificado.

Las exigencias varían en función del uso del edificio, su altura y la carga de fuego. Por ejemplo, un edificio residencial público con una altura de evacuación superior a 15,50 m requiere resistencia R 90, mientras que los aparcamientos subterráneos exigen R 120 según el CTE DB‑SI. (véase Fig.1)

En conjunto, tanto los Eurocódigos como la normativa española persiguen el mismo objetivo: garantizar que los elementos estructurales mantengan su capacidad durante el tiempo necesario para permitir la evacuación, la actuación de los equipos de emergencia y evitar el colapso del edificio.

Fig.1 . Requisitos de seguridad contra incendios en todo tipo de estructuras de edificios

Las conexiones con barras corrugadas a posteriori se utilizan ampliamente para conectar elementos de hormigón ejecutados en diferentes momentos, creando un comportamiento monolítico entre los elementos existentes y los nuevos. Ofrecen soluciones fiables, rápidas y económicas tanto para necesidades de construcción previstas como imprevistas.

Si bien los códigos de construcción proporcionan una orientación clara para el diseño en caso de fuego de los sistemas tradicionales de hormigón armado, que suelen utilizar datos tabulados o métodos simplificados, los métodos de construcción alternativos, como el uso de barras corrugadas a posteriori, requieren enfoques de diseño más avanzados y un juicio de ingeniería, debido al comportamiento térmico y físico distinto de las resinas de inyección en comparación con el hormigón y el acero. Sigue siendo responsabilidad del ingeniero estructural garantizar que dichos sistemas cumplan los requisitos de seguridad en caso de incendio prescritos.

A continuación, se profundiza en el procedimiento para el diseño en caso de incendio de las aplicaciones de barras corrugadas a posteriori.

2. Clasificación de las aplicaciones de CONEXIONES ESTRUCTURALES CON CORRUGADOS A POSTERIORI

El ámbito de aplicación de las conexiones de barras corrugadas, instaladas a posteriori, puede dividirse a grandes rasgos en:

1.     Solapes utilizados para prolongar elementos como losas, vigas, muros o columnas, y conexiones en perpendicular, que conectan elementos como losas a muros o columnas a losas, con o sin momentos activos (véase Fig.2 )

a) Solape    b) Conexión en perpendicular
Fig.2 . Clasificación general de las aplicaciones de conexiones estructurales, con corrugados a posteriori

2.     Conexiones en perpendicular simplemente apoyadas: transfieren cargas cortantes o axiales sin momentos, como, por ejemplo, en una losa apoyada sobre un muro.

Sin embargo, en la práctica, muchas conexiones se comportan como juntas semirrígidas o rígidas, desarrollando momentos debido a la fijación parcial o total entre elementos de hormigón como pilares, muros o losas.

Las disposiciones de diseño de la norma EN 1992-1-1 limitan estas conexiones rígidas a configuraciones de solape, lo que puede no ser siempre factible en situaciones de rehabilitación o construcción por etapas.

Para solucionar este problema, el informe técnico TR 069 de la EOTA proporciona una metodología de diseño para conexiones en perpendicular con momentos y corrugados a posteriori, lo que elimina la necesidad de configuraciones de solape en los elementos existentes y proporciona método de cálculo sencillo para este tipo de conexiones, no cubiertas por las normativas existentes.

3. Diferencia básica entre las barras corrugadas embebidas y las barras corrugadas a posteriori en caso de incendio 

El comportamiento de las barras corrugadas a posteriori en caso de incendio difiere significativamente del de las barras corrugadas embebidas, debido a las distintas propiedades térmicas y mecánicas de las resinas de inyección (véase Fig.3 ).

La adherencia de las resinas orgánicas se deteriora rápidamente al aumentar la temperatura, y el grado de degradación depende en gran medida del producto.

Dado que las resinas orgánicas e híbridas pierden capacidad a temperaturas mucho más bajas que el acero o el hormigón, es esencial comprender esta pérdida en función del tiempo y la temperatura, para realizar un diseño preciso en caso de incendios. El HIT-FP 700-R de Hilti se desarrolló como un mortero de cemento inorgánico inyectable a base de aluminato cálcico y experimenta una reducción muy baja, de su capacidad de adherencia, a temperaturas elevadas superiores a 500 °C.

Fig.3 . Curvas de reducción del rendimiento de las resinas inyectables, el hormigón y el acero en función de la temperatura

El perfil de distribución de la temperatura en aplicaciones de barras corrugadas a posteriori se ve influido por:

·      El recubrimiento de hormigón

·      La longitud de empotramiento

·      El tiempo de exposición al fuego.

En aplicaciones de barras corrugadas a posteriori que utilizan solapes, la distribución de la temperatura de a lo largo de la longitud de empotramiento suele ser constante, en la mayoría de los casos habituales (véase Fig.4 a).

En aplicaciones de conexiones en perpendicular, la distribución de la temperatura suele variar a lo largo de la profundidad de empotramiento de la barra corrugada instalada a posteriori (véase Fig.4 b). 

a) Distribución constante de la temperatura paralela a la superficie del hormigón sometida al fuego (típica en solapes).
b) Distribución no uniforme de la temperatura a lo largo de la barra (típico en conexiones en perpendicular)

Fig.4 . Distribución típica de la temperatura en conexiones de barras corrugadas instaladas a posteriori

4. marco regulatorio y el eslabón perdido

El diseño de barras corrugadas a posteriori no se aborda directamente en las normas EN 1992-1-1 (estática) y EN 1992-1-2 (incendios). Los enfoques para la verificación del diseño en caso de incendio, de las barras embebidas se recogen en la norma EN 1992-1-2 en forma de:

1)     Datos tabulados: utilizando la geometría mínima del hormigón y el recubrimiento para diferentes resistencias al fuego.

2)     Cálculo simplificado: análisis con sección transversal reducida en caso de fuego, utilizando el método isotérmico o por zonas.

3)     Método avanzado: simulaciones termo-mecánicas avanzadas por elementos finitos de toda la estructura.

El enfoque de datos tabulados es el más utilizado en la práctica y se basa en el principio de que el detalle del elemento estructural es tal que, la temperatura del acero las barras nunca supera los 500 °C.

En tales condiciones, el diseño para la hipótesis de fuego no es decisivo. Este enfoque no puede aplicarse directamente a las barras corrugadas a posteriori, ya que las resinas orgánicas pierden rápidamente su adherencia a temperaturas muy inferiores a los 500 °C (véase la figura 3).

Esto a menudo requiere un mayor recubrimiento de hormigón o longitudes de empotramiento mayores, soluciones que pueden resultar poco. Además, las disposiciones de diseño actuales de la norma EN 1992-1-1 restringen las aplicaciones de barras corrugadas a posteriori a solapes y conexiones en perpendicular sin momentos.

Para abordar esta limitación, la norma EOTA TR 069 introdujo un método de diseño para conexiones en perpendicular con momentos activos. Aunque anteriormente se limitaba a casos estáticos y sísmicos, la norma EOTA TR 069 incluye ahora una metodología de diseño en caso de incendio, lo que permite a los ingenieros diseñar aplicaciones de barras corrugadas a posteriori, que resistan momentos para clasificaciones de resistencia al fuego de hasta 240 minutos, lo que cierra una brecha crítica en el diseño estructural (véase Tabla1 ).

Tabla1 . Marco de diseño de aplicaciones de barras de barras corrugadas a posteriori

5. DISEÑO DE CONEXIONES ESTRUCTURALES, CON CORRUGADOS A POSTERIORI, SOMETIDAS A FUEGO

En el diseño estático, los coeficientes de seguridad parciales para las acciones y las resistencias de los materiales se seleccionan para mantener un margen de seguridad conservador, frente a las condiciones normales de vida útil.

Por ejemplo, las cargas de diseño suelen aumentarse (= 1,35 para acciones permanentes, = 1,5 para acciones variables), mientras que las resistencias de los materiales se reducen (= 1,15 para el acero, 1,5 para el hormigón). Estos valores ayudan a garantizar una fiabilidad adecuada frente a fallos durante la vida útil de la estructura.

Sin embargo, en caso de exposición al fuego, la filosofía de diseño pasa de prevenir cualquier fallo a mantener la estabilidad estructural durante el tiempo de resistencia al fuego requerido (R). Dado que, la probabilidad de que un incendio, en pleno desarrollo, coincida con las cargas estáticas máximas de diseño es baja, la norma EN 1992-1-2 permite reducir los factores de seguridad en el diseño contra incendios, normalmente = 1,0 para los materiales y un factor de reducción de la carga 𝜂𝑓𝑖 ≈ 0,7 aplicado a los efectos de la carga estática de diseño .

Esta diferencia de cargas de diseño y factores de seguridad de materiales, más bajos, en el diseño en caso incendios, es la base del enfoque de datos tabulados utilizado en la norma EN 1992-1-2, donde se proporcionan los tamaños mínimos tabulados de los elementos y los recubrimientos de hormigón, suponiendo niveles de carga y factores de resistencia de los materiales reducidos.

Esto garantiza el diseño en caso incendios sin necesidad de realizar análisis adicionales.

Diseño de la longitud de solape en caso de incendio:

El diseño de la longitud de solape se puede calcular utilizando las mismas disposiciones de diseño para un caso de carga estática de la sección 8 de la norma EN 1992-1-1. Sin embargo, se utilizará la adherencia reducida, de la homologación (ETA) pertinente, para el fuego en lugar de . La adherencia de diseño bajo fuego se reduce al aumentar la temperatura. Esta curva se traduce en el factor de reducción  calculando la relación entre los valores de adherencia, en caso de incendio, y el valor de adherencia sin fuego, para barras corrugadas en función de la clase de hormigón correspondiente (véase Fig.5 ).

Fig.5 . Diseño de solapes en caso de incendio

Diseño de conexiones en perpendicular (sin momentos) en caso de incendio, según el Eurocódigo:

Los principios de diseño, en caso de fuego, son similares a los del diseño para solapes, utilizando un enfoque similar de reducción de la adherencia de la unión a partir de la homologación (ETA) pertinente. Sin embargo, en el caso de las conexiones en perpendicular, la distribución de la temperatura suele variar a lo largo de la longitud de empotramiento de la barra corrugada (véase Fig.6 ).

Se calcula la tensión de adherencia de diseño en una posición «x», a lo largo de la longitud del anclaje, desde la superficie sometida al fuego y se determina la resistencia de adherencia al fuego para una longitud de empotramiento fijada, utilizando un método de integración. Esta resistencia no debe ser inferior a , lo que requiere un proceso de diseño iterativo.

Las disposiciones del Eurocódigo, para el diseño al fuego de conexiones en perpendicular, sólo son válidas para conexiones simplemente apoyadas (sin momentos actuantes) y no para aplicaciones con momentos actuantes. En tales aplicaciones, se requiere un criterio técnico para considerar el efecto de la conexión parcial en las barras de conexión superiores.

Fig.6 . Diseño de conexiones en perpendicular sin momentos sometidas a fuego, según el Eurocódigo 

Diseño de conexiones en perpendicular con momentos en caso de incendio, según EOTA TR 069 :

Para evaluar la resistencia a la rotura del cono de hormigón en condiciones de incendio, se utiliza un método basado en la temperatura.

A diferencia del método basado en el tiempo, este enfoque no está limitado por la duración del incendio y sigue siendo válido para tiempos de exposición al fuego arbitrarios, incluidos los que superan los 120 minutos (hasta 240 minutos y potencialmente más).

La determinación de la resistencia de diseño del cono de hormigón para una duración específica de exposición al fuego se establecerá siguiendo los pasos previstos en las disposiciones de la EOTA TR 069.

Para evaluar las resistencias de diseño a la extracción y a la fisuración, se utilizan los factores de reducción de la extracción y la fisuración (en función de la temperatura) de las homologaciones (ETAs) pertinentes, para derivar las curvas de degradación de la resistencia basadas en el perfil de temperatura de la aplicación (véase Fig.7 ). Se calculan las longitudes de anclaje de diseño para las resistencias a la fisuración y a la extracción y la capacidad total de carga en caso de fuego utilizando el método de integración.

Fig.7 . Diseño de conexiones en perpendicular con momentos en caso de incendio, según EOTA TR 069

6. Soluciones de productos Hilti

Hilti ofrece una gama de resinas de inyección homologadas para el diseño en caso de fuego, de conexiones estructurales con corrugados a posteriori: HIT-HY 200, HIT-RE 500 y HIT-FP 700R.

HIT-FP700R tiene un rendimiento superior a temperaturas elevadas y suele ser la opción más recomendada para el diseño bajo cargas de fuego en conexiones de solapes.

HIT-HY200 y HIT-RE 500 son las soluciones más adecuadas para el diseño bajo cargas de fuego en conexiones en perpendicular, incluso para aplicaciones con momentos y requisitos de resistencia al fuego (R) de hasta 240 minutos.

Mortero HIT-FP700R Resina HIT-RE 500 Resina HIT-HY 200

7. Diseño con el software PROFIS ENGINEERING

Para realizar sus diseños de conexiones estructurales a posteriori, totalmente conformes con la normativa y más seguros, utilice nuestro software PROFIS ENGINEERING.

Con su avanzado módulo de barras corrugadas a posteriori, PROFIS incorpora ahora las últimas simulaciones de incendio con diversos parámetros, lo que permite a los diseñadores evaluar de forma más realista el rendimiento de las barras de refuerzo y el mortero de inyección a temperaturas elevadas.

PROFIS permite elegir duraciones de exposición al fuego de hasta 240 minutos para cualquier aplicación de corrugadas a posteriori, o bien el usuario puede introducir manualmente la temperatura de las barras de refuerzo. La elección de los lados de exposición al fuego para diferentes aplicaciones también estará disponible próximamente en PROFIS.

El software permite comparar rápidamente diferentes resinas de inyección homologadas bajo múltiples acciones de carga (estáticas, sísmicas y de fuego) y muestra instantáneamente la combinación crítica, lo que ahorra tiempo y mejora la precisión.

8. SOLUCIONES SPEC2SITE™ DE HILTI

Dado que Hilti ofrece una gama de soluciones homologadas para conexiones estructurales con barras corrugadas instaladas a posteriori expuestas al fuego, se facilita a los usuarios la navegación y la selección de la mejor solución para sus aplicaciones.

Para ello, se ofrece las soluciones SPEC2SITE™, que hacen que las aplicaciones de proyecto sean más productivas, seguras y sostenibles.

Las soluciones SPEC2SITE™ ofrecen un portfolio completo de productos software y servicios para cubrir las necesidades de diseño (véase Fig.8 ). 

Fig.8 . Oferta SPEC2SITE™ de Hilti para conexiones estructurales, con corrugados a posteriori, sometidas a fuego

📩 Para profundizar en el tema, explore nuestra sección Artículos y Formación en el Centro de Ingeniería. Te recomendamos visualizar la grabación de nuestro webinar pasado acerca del Diseño de conexiones hormigón-hormigón a posteriori según TR069 bajo cargas de fuego, para profundizar un poco más en este tema.

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