Comportamiento de los materiales de construcción ante la incidencia del fuego



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COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN ANTE LA INCIDENCIA DEL FUEGO.

Como es de todos sabido, en la construcción se utilizan diversos tipos de materiales, unos persiguiendo conseguir la estética en su diseño y otros la resistencia de la propia estructura, ahora bien ante la incidencia del fuego sobre este tipo de materiales, estos se comportan de distinta forma según su composición.

Estudiaremos el comportamiento de materiales como el acero, el hormigón y la madera, habituales en todos los sistemas constructivos actuales.

Cuando los materiales se encuentran en su estado puro, es decir no disponen de ningún tipo de protección o revestimiento, éstos sufren de un modo más incisivo la acción del fuego, el acero por lo general es un elemento que sometido las temperaturas de un incendio, constituye por si mismo un riesgo considerable, el calor se expande rápidamente a su través y cuando el material sustenta cargas, presenta con facilidad colapsos en su estructura.

ACERO

El acero es un buen conductor del calor, recordemos una de las formas clásicas de la transmisión del calor “conducción”, debido a que el hierro (elemento mayoritario en la composición del acero) como metal que es posee electrones libres, lo que puede propagar el calor fácilmente a través de elementos construidos con este material (vigas, columnas, paneles, etc.) originando a continuación nuevos focos térmicos que expanden el área de calor a una nueva combustión.



Aún cuando el acero funde entre 1.300 º C y 1.400º C, mucho antes de llegar a este punto, pierde su resistencia, reduciéndose a la mitad al llegar a los 500 º C, el calor lo dilata con gran facilidad, llegando una viga de 20 m a alcanzar los 21 m a esta temperatura, el acero estructural pierde dos tercios de su resistencia inicial y en proporción al aumento y dirección de la carga a la cual es sujetada, comenzando por pandear y ceder, con el consiguiente arrastre del resto de los elementos portantes de la construcción.

Este comportamiento del acero en estructuras de contenido, no presupone la presencia de altas temperaturas o anormales condiciones, sino que son suficientes de pequeños a moderados incendios para que se produzca la deformación del material. En general, todos los metales bajo la acción del calor presentan un riesgo máximo a la distorsión y colapso.

Cuando formando parte de un armazón estructural una viga de acero cede, se producirá simplemente un desplome local que dentro de la importancia de oponerse o resistir al incendio en conjunto, se comprende la necesidad de dotar a estos elementos estructurales de una protección acorde a su naturaleza o condiciones.

HORMIGON ESTRUCTURAL ARMADO

Por su parte el hormigón estructural armado, pretensado, tiene por lo general una buena resistencia, ésta se define por el periodo de tiempo en que su comportamiento ante las temperaturas que se observan en el espectro de un incendio.

Dadas las características de su composición, el hormigón estructural no sufre generalmente colapsos ante un incendio; aunque es factible experimentar desvíos de posición tanto en la carga como en el suelo. La mayor parte de las estructuras suelen ser, después de haber sufrido la acción del fuego, lo suficientemente seguras como para restablecer sus funciones normales.

En relación a la tracción y la flexión, las resistencias del hormigón ante el fuego, son las más afectadas. En cambio, esta acción es mucho menor en la resistencia a la compresión, estableciendo en términos generales una reducción en la resistencia de un 80 % a unos 800º C.

Ante un incendio, incluso aquellos materiales considerados tradicionalmente como incombustibles (hormigón) no son lo suficientemente seguros contra el fuego. Si consideramos que en un incendio se alcanzan fácilmente 600º C a los 10 minutos de su inicio, y los 1.200º C a los 20 minutos, se comprende que incluso el hormigón no es absolutamente seguro.

A los 1000º C la grava se disgrega y el cemento se deshidrata. Si se mantiene una temperatura de entre 1.000º C a 1.200º C durante un tiempo aproximado de tres horas, los efectos del fuego sobre el hormigón son, con toda seguridad nefastos. Los elementos de hormigón se disgregan a una velocidad de unos cuatro (4) cm por hora y las armaduras a estas temperaturas, dejan de cumplir su función.

El hormigón, aunque lentamente, puede corroerse, hasta su total destrucción, incluyendo su armadura. Todo elemento de construcción de superficie porosa, absorbe muy fácilmente los gases de la combustión, éstos en un incendio son gases ácidos, los cuales por el efecto de la reacción química se neutralizan con los compuestos cálcicos contenidos en el hormigón estructural formándose cloruro de calcio, sustancia higroscópica que, combinada en el interior de la masa, con el vapor de agua de extinción contenido en el aire confinado por la estructura del recinto, es absorbido igualmente por el hormigón en sus iones calcio y cloro.

De esta forma la corrosión del hormigón se produce de manera muy lenta tras el incendio continuando la migración o penetración alrededor de 0,25 a 2 cm2 por día, si las condiciones del medio le son favorables y propias; en este caso es mucho más importante la corrosión del acero que la del hormigón, cuando las circunstancias no le son favorables. Los porcentajes de cloro susceptibles de dañar al hormigón armado, son aproximadamente de 0,6% de cloruro, para el hormigón armado normal y aproximadamente de o,01% para el pretensado.

DILATACIÓN TÉRMICA DEL ACERO Y EL HORMIGÓN

Es importante distinguir entre los materiales a la hora de juzgar su comportamiento ante el fuego, el hormigón, acero, piedra, cemento, etc., pueden considerarse como agentes pasivos frente al incendio. Es decir, nunca inician o propagan el fuego.

Considerándose al hormigón como material, su resistencia al fuego se determinará, fundamentalmente, por la protección que experimente el acero contra un excesivo aumento de temperatura. Esta resistencia será inversa a mayores gruesos entre superficies o inmediatas al acero embutido, estableciéndose que a mayor cubrimiento mayor será el periodo de resistencia, partiendo de la llamada “temperatura crítica” del acero sueva, alrededor de 550º C, y aproximadamente de 400º C para el acero sensible, resistente a la tracción.

Cuando el hormigón es recalentado por llama directa o por calor de convección y radiación, la zona externa calentada excesivamente se separa de la interior de masa totalmente fría. De ahí que la influencia del conglomerado de cemento en un hormigón expuesto a las elevadas temperaturas de un incendio, se traduzca en el concepto de resistencia (nunca inicia o propaga el fuego) agente pasivo. En una masa equivalente de 300 kg/ m3 la pérdida de agua de cristalización es tal, que el cemento queda pulverizado a temperaturas elevadas.

MADERA


Los vegetales y especialmente los leñosos, están compuestos además de por agua, por dos tipos de sustancias, que son la celulosa y la lignina. El porcentaje de ambos compuestos oscila alrededor del 90%, quedando el resto para sustancias minerales, grasas, ceras, etc, por lo que se refiere a sólidos.

Ante un incendio, la madera, como elemento estructural posee la peculiaridad de absorber gases y vapores, sin experimentar daños aparentes, si bien transcurrido un tiempo, la madera puede desprender progresivamente los ácidos absorbidos, “Clorhídrico, cianhídrico” etc.

El riesgo específico, lo constituye que la madera transmite el riesgo de corrosión a los materiales circundantes a ella. En incendios en los que se halla presente PVC, se da esta circunstancia por la exposición de la madera a sus vapores. En ocasiones las pérdidas son bastante largas en el tiempo, lo que ha supuesto muchas veces desconciertos por estos efectos aparecidos de forma imprevisible, sobre el utensilio y el mobiliario afectado.

Por otro lado, en el espectro de un incendio, la madera se quema y se carboniza, construyendo un elemento activo, es decir la madera puede iniciar y propagar un incendio.

Este fenómeno se conoce como reacción al fuego, es decir el comportamiento ante el efecto del fuego de lo distintos materiales, el cual viene determinado por:

•El poder calorífico (cantidad de calor desprendido en la combustión) de los mismos.


•Combustibilidad.
•Inflamabilidad (tendencia a producir gases en cantidades y naturaleza tales que producen llamas).
•Velocidad de propagación de las llamas en la superficie.
•Velocidad de la combustión de la superficie por el calor radiante.

La madera, al estar construida básicamente por celulosa, constituye un elemento muy combustible ( puede iniciar o propagar una llama fácilmente).



Protección de estructuras metálicas, hormigón y madera










Como todos sabemos, en cuestión de incendios no sé tiene una segunda oportunidad, por eso son tan importante los trabajos previos que se  realicen en función de la Prevención.

Los incendios, relacionados con el ámbito del trabajo o del esparcimiento han causado la muerte de cientos de personas y lesionado un sin número de otras. Sin embargo muchos de estas muertes podrían haberse evitado, si se hubieran tomado los recaudos necesarios en cuanto a instalaciones denominadas de protección activa (Extintores, mangueras de incendio, hidrantes, etc.) y se tomara en cuenta factores tales como la resistencia o estabilidad y la reacción al fuego de los materiales  utilizados, lo que se conoce como protección pasiva, o sea las acciones que podemos realizar, encaminadas a mejorar el comportamiento de dichos materiales frente al fuego.

Con respecto a la protección pasiva, es mucho lo que se puede hacer para mejorar la performance de una obra frente a un incendio. Le proponemos un simple ejercicio: Observe a su alrededor y determine que tipo de materiales lo rodean: Paredes, puertas, ventanas, cielo raso, equipos de iluminación, sillas, escritorios, archivos, alfombras, estanterías, etc. ¿Cuántos de estos materiales son inflamables?  ¿Lo pensó alguna vez? Queremos comentarle también algunos datos de interés para evaluar:

Según estudios realizados por especialistas Suizos en un ambiente con materiales tradicionales el gradiente de temperaturas una ves iniciado un incendio es el siguiente:

EN 5 MINUTOS LA TEMPERATURA  ASCIENDE A  550 oC

EN 10 MINUTOS LA TEMPERATURA ASCIENDE A 720 oC

EN 30 MINUTOS LA TEMPERATURA ASCIENDE A 830 oC

EN 60 MINUTOS LA TEMPERATURA ASCIENDE A 1000 oC

Estos gradientes son estimados y varían de acuerdo a factores tales como:

a) Conductividad de los elementos que intervienen

b) Características endotérmicas y exotérmicas

c) Calor específico de los mismos

d) Temperatura ambiental

e) Ventilación

f) Grado de inflamabilidad

Para los proyectistas estos datos son fundamentales dado que tienen que considerar al fuego como una carga especial, comparativa a otras cargas que intervienen en la construcción, ya que las resistencias de los materiales estructurales dependerán fundamentalmente de su naturaleza, teniendo cada uno de ellos un comportamiento diferente.



MATERIALES ESTRUCTURALES

Se consideran bajo esta denominación a todos los elementos de construcción que por su capacidad de resistencia a esfuerzos exteriores, sirven de base para las estructuras. Muchos son los materiales utilizados a través de la historia por el hombre, desde la piedra y la madera, pasando por los ladrillos y tejas de barro cocido hasta las modernas estructuras de acero y de hormigón armado. Estos últimos presentan ciertas desventajas frente al fuego que son necesarias conocer para poder evaluar adecuadamente los riesgos en el caso de incendio.



EL ACERO EN LAS ESTRUCTURAS

Se Considera al acero, dentro del grupo de metales utilizados en la construcción ( acero, aleaciones de aluminio, hierro forjado, galvanizado, etc.) por poseer una elevada resistencia a la carga estructural y una calidad muy uniforme. Por otra parte el acero es incombustible frente al fuego, pudiéndose considerar esto como una ventaja. Sin embargo es un material muy vulnerable a las temperaturas, perdiendo resistencia en forma rápida. Esta característica hace que los espacios utilizados por la gente, que ofrecen las estructuras de acero, debido a la inmediata perdida de su resistencia, sumada a su elevado coeficiente de dilatación, sufran hundimientos sin dar tiempo para que actúen los sistemas contra incendios (extintores, bomberos etc.) 

No solamente hay que tomar en cuenta la perdida de resistencia del acero frente a las temperaturas, la cual dependerá fundamentalmente de la masividad del mismo y  la temperatura generada por el fuego, sino que al dilatarse por lo general el acero desplaza su base, originado fuerzas que provocan una compresión de aproximadamente 1200 Kg /cm2. Esos desplazamientos así como las torsiones  y flexiones propias, originan serios daños a otros elementos próximos por tracción y rotura de las soldaduras: Ej: escaleras, puertas, etc.

A temperaturas entre 315 y 420oC el acero comienza a debilitarse, si recordamos la tabla de gradiente térmicos comentada anteriormente, estas temperaturas se obtiene antes de los 5 minutos. El Aluminio por su parte pierde consistencia y rigidez entre los 100 y 315oC

LA MADERA EN LAS ESTRUCTURAS

Si bien la madera no constituye el elemento constructivo por excelencia en nuestro mercado, fácilmente lo podemos encontrar en construcciones antiguas y también en algunos proyectos dirigidos a diferentes sectores que aprecian este tipo de material.

Si bien se trata de un material calificado como Inflamable y Combustible, posee ciertas ventajas frente al acero, fundamentalmente derivadas de su baja conductividad térmica. La estabilidad portante  de las estructuras de madera resiste condiciones durísimas, permaneciendo en su base soportando la carga preestablecida.  En las mismas condiciones una estructura de acero quedaría totalmente inutilizada

Este comportamiento estable frente al fuego (en cuanto a su resistencia) se comprende fácilmente a partir del conocimiento de los cambios que ocurren en la estructura interna de las mismas por efecto de la temperatura.

En primer lugar, la madera se deshidrata, aumentando su resistencia. Según la especie, por cada 1% de agua perdida, aumenta casi un 4 % la resistencia a la compresión y un 2% la resistencia a la flexión. Valores muy importantes dado que aportan una acción directa sobre las posibles deformaciones de la estructura y su colapso. Este aumento de la resistencia a la compresión y flexión compensa la posible perdida de sección por carbonización de la superficie. Está comprobado que aún a temperaturas de 1000oC, las estructuras de madera expuestas, sin entrar en contacto directo con el fuego, han soportado sin deformaciones por un tiempo superior a  dos horas.

La carbonización de la madera por efecto del fuego es lenta y disminuye aún más dicha velocidad al formarse la primer capa de carbonización. Los tratamientos ignifugantes realizados previamente a la madera, aportan una mayor protección contra el fuego, demorando la propagación de la llama.

EL HORMIGON EN LAS ESTRUCTURAS

El hormigón es sin duda el elemento constructivo por excelencia en nuestro mercado, dada sus características de colada con armadura de barras de acero, sus valores de compresión y flexión son elevados, muy superiores a los del acero, no así la resistencia a la tracción dado que justamente esta asociada a la del acero que contiene.

Si bien no todos los hormigones tienen el mismo comportamiento, debido fundamentalmente a la variación de sus formulaciones, podemos definir que a temperaturas superiores a los 550oC la resistencia a la tracción se reduce prácticamente a  cero tal como ocurre con el acero. Esta perdida, comparativamente con el acero es mayor en el hormigón a temperaturas menores, equiparándose a los 600oC. Este fenómeno de perdida de resistencia a la tracción genera colapsos en las estructuras. El efecto del calor sobre el material recibe el nombre de Fatiga y esta producida fundamentalmente cuando la tracción no es constante por la doble acción de la temperatura propia del fuego y el agua de extinción.

REVESTIMIENTOS DE PROTECCIÓN:

Como comentamos al principio de esta nota, “En caso de Incendios no se tiene una segunda oportunidad” y todo lo que hagamos para brindar un tiempo adecuado para permitir la llegada de los bomberos, seguramente dará la posibilidad de salvar una o más vidas. La protección de los elementos estructurales y la posibilidad de disminuir el grado de combustión de los elementos que conforman los ambientes, son dos acciones concretas que aseguran un tiempo extra de 30 a 60 minutos, Primordiales a la hora de proteger vidas.

Las pinturas aportan una amplia gama de productos destinados fundamentalmente a la Protección de las estructuras y a disminuir el grado de inflamabilidad o reacción al fuego de los materiales.

                De acuerdo a las normas UNE españolas se ha establecido la siguiente clasificación:



REACCION AL FUEGO

                MATERIALES

q M - 0                 No combustible

q M – 1                Combustible pero no inflamable (Ignífugo)

q M – 2                Difícilmente Inflamable

q M – 3                Moderadamente Inflamable

q M – 4                Fácilmente Inflamable

ELEMENTOS COMPARTIMENTADORES:

 Para estos elementos se determina la Resistencia al fuego:  RF Que es el tiempo transcurrido hasta que un elemento deja de satisfacer una de las siguientes condiciones:



1. Estabilidad mecánica hasta llegar a la temperatura crítica (500 oC) o flecha (deformación) admisible

2. Estanqueidad a las llamas entre compartimentos

3. Estanqueidad a los gases inflamables entre compartimentos

4. Aislamiento térmico entre compartimentos

Dentro de los elementos Compartimentadores se consideran: paredes, muros, cubiertas, fachadas, puertas, elementos vidriados.



ELEMENTOS ESTRUCTURALES:

Para estos elementos se determina la Estabilidad al Fuego: EF y se expresa en minutos: 15 – 30 – 45 – 60 minutos etc.



Dentro de la definición de los productos para la protección contra el fuego, encontramos dos tipos, especialmente en las pinturas:

1. Pinturas Ignífugas: son aquellas que no colaboran con la propagación del fuego, es decir se queman en presencia de llama pero sé auto extinguen al desaparecer la misma.

2. Pinturas Intumescentes: desarrollan frente al fuego o las altas temperaturas (+ de 250oC) una reacción química interna que produce un aumento considerable de su volumen, generando una espuma carbonosa disipadora del calor, disminuyendo por un lapso de tiempo, el efecto del mismo sobre el material de soporte. De esta manera se puede prevenir el colapso de una estructura por un tiempo cercano a los 90 minutos (tiempo máximo)

El esquema de pintado más conveniente se debe definir de acuerdo al tipo de material a proteger y en el caso de los perfiles de acero dependerá también de las características de los mismos, su masividad y la cantidad de caras expuestas al fuego, fijándose el espesor de la capa final en función de dichos valores.

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