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La acción del fuego
sobre las estructuras de concreto

Las altas temperaturas resultan perjudiciales siempre que se desencadenan incendios; pues sus consecuencias en la vida humana incluyen: asfixia, quemaduras y envenenamiento.

La magnitud de un incendio en el interior de un edificio puede llegar a superar en un 30% la de uno en exteriores, debido a la reflexión y radiación de las paredes de la construcción. Si los incendios se producen en interiores, a las anteriores amenazas se les incorpora el peligro de degradación de la estructura y las pérdidas humanas y patrimoniales que pueden sobrevenir en sucesos como los que se exhiben en la foto.

Este escrito tiene como propósito fundamental recrear en principio los efectos de las altas temperaturas en edificios de concreto estructural, así como señalar precisiones y pautas generales que contribuyan a reducir el riesgo de daños y el colapso potencial en estas estructuras frente a la acción del fuego.

La seguridad en las construcciones ante el fuego tiene una fuerte naturaleza subjetiva pues se relaciona con el entorno social en el cual está ubicada. Por mucho tiempo, el incendio fue considerado como una catástrofe causante de irremediables daños. En la medida en que ha crecido la importancia de los edificios construidos (costo, cantidad de usuarios, número de niveles, etc.) se ha incrementado la percepción del riesgo. En este sentido, la normativa ha evolucionado para ahora contemplar la prevención de incendios, manteniendo su carácter accidental y pretendiendo evitar que se produzcan daños a las personas y excesivas pérdidas económicas.

Por lo general, las construcciones se proyectan y construyen de modo tal que en caso de producirse un incendio, la capacidad resistente de la estructura se mantiene durante un periodo determinado. Adicionalmente se deberá limitar la aparición y expansión de las llamas y del humo dentro de la construcción, así como la expansión del incendio a las construcciones colindantes. Otros aspectos a considerar son: que los ocupantes puedan abandonar la construcción o ser rescatados por otros medios, y que además se tenga en cuenta la seguridad de los equipos de rescate. Estos requisitos pueden ser alcanzados a través de dos estrategias fundamentales que incluyen medidas de protección activas, como aquellas que procuran apagar el incendio, así como pasivas, que adecuan la resistencia de la estructura y limitan su propagación.

Para el estudio de los efectos de las altas temperaturas en los materiales y las estructuras, es preciso el modelado de un “fuego real”. Esta precisión resulta sustancial; sin embargo, dado que los incendios son eventos muy particulares, en los que intervienen disímiles variables haciendo diferir mucho un evento de otro, es necesaria la evaluación cuidadosa y particular de cada problemática. De acuerdo a lo anterior, durante el proceso de análisis se deberá garantizar la seguridad en las construcciones frente al fuego, siendo necesario el estudio diferenciado de cada caso; modelando el evento y exigiendo a la estructura un comportamiento adecuado frente a una exposición y durante un tiempo tal, que produzca en ella los mismos efectos que el denominado: “fuego real”.

Dado el carácter indeterminado del fenómeno, las normativas adoptan convencionalmente de referencia, una curva normalizada o de “fuego-tipo”, similar a la que se presenta en la Fig.1, tanto para los cálculos, como para ensayar el comportamiento de los materiales y elementos constructivos.

El punto crítico de ignición (flashover point) se ubica en los 273ºC. A partir de esta temperatura se desarrolla el referido “fuego tipo” o equivalente, que es al que se refieren todas las reglamentaciones y resistencias al fuego de materiales, afirmándose que al ser superados los 40 minutos de “fuego tipo”, podrían presentarse ya considerables pérdidas y daños en el incendio.

Los criterios fundamentales que manejan los especialistas y códigos actuales, para establecer la idoneidad de cada elemento estructural o no estructural de un edificio en caso de incendio son el de integridad, el de aislamiento y el de resistencia. El Criterio de Integridad parte del hecho de considerar que durante un incendio no deben producirse roturas, fisuras o aberturas que permitan el paso de las llamas o los gases a alta temperatura durante un tiempo suficiente. Por su parte, el Criterio de Aislamiento considera que la capacidad aislante del elemento deberá ser suficiente como para que no se produzcan en la cara no expuesta temperaturas que puedan generar la ignición espontánea de los materiales durante un tiempo suficiente. Aunado a esto, el Criterio de Resistencia establece que si la falla del elemento compromete la seguridad de la estructura en caso de fuego, éste deberá mantener su función portante durante un tiempo suficiente.

En todos los criterios referidos se reconoce una nueva consideración: el “tiempo suficiente” que viene a establecer diferencias en dependencia del material y la temperatura que llegue a alcanzarse, así como del grado de importancia del elemento de que se trate; pues de acuerdo a ello, se tomarán en cuenta uno, dos, o todos los criterios. En general, los materiales de uso habitual en la construcción pueden verse dañados por las altas temperaturas que desencadena el fuego. Los materiales combustibles se suman a la carga de fuego que configura el contenido del edificio, y se consumen en el incendio. En cambio, aquellos materiales incombustibles (como es el caso del concreto), pueden ver disminuida su capacidad resistente y su rigidez, así como verse sometidos a importantes niveles de deformaciones impuestas por las altas temperaturas. En tal sentido se maneja en la literatura especializada el término “Resistencia al Fuego”, catalogado como la capacidad del material de soportar elevadas temperaturas, manteniendo determinada resistencia que permita que la estructura no colapse. De acuerdo a lo anterior, los especialistas refieren, que los objetivos de la seguridad estructural de un edificio sometido a la acción de fuego se ubican alrededor de: reducir el riesgo de daños a las personas y reducir el riesgo de pérdidas materiales.

En el primer objetivo se refiere a las personas que son tanto los ocupantes usuales o accidentales del edificio, como el personal de los equipos de rescate y extinción. Sin embargo, al referirse a las pérdidas materiales, se hace referencia a diferentes variables involucradas, tales como el valor de la estructura y su contenido, los daños a edificaciones adyacentes, costo de recuperación, entre otras pérdidas.

Si se desea tener una noción de cómo afectan en general las altas temperaturas a los materiales, debemos referir que el concreto comienza a deteriorarse a temperaturas superiores a 380 ºC durante un tiempo prolongado. Antes de ésta, hasta aproximadamente 100°C, la pasta se deshidrata por lo que se contrae y los agregados, dependiendo de sus calidades, se expanden, predominando su expansión sobre la contracción de la pasta; posteriormente comienza la deshidratación del silicato de calcio hidratado. Cuando los niveles de temperatura son oscilantes entre los 300 y 600ºC, el material va adquiriendo una tonalidad rosácea que puede ser indicativa de haber perdido hasta un 60% de su resistencia inicial a la compresión. Con estas temperaturas, los agregados del concreto dejan de ser estables y los cambios tienden a ser irreversibles, manifestándose en la masa de concreto una gran cantidad de microfisuras que a su vez degradan la interfase entre el agregado y el mortero. Asimismo, aproximadamente a los 400 ºC se produce una pérdida de resistencia de entre un 15 y un 25%, en dependencia de las características del agregado grueso componente.

Entre los 600 y los 900 ºC, el color del concreto se torna gris claro con partículas rojas, indicativas de friabilidad con elevada succión de agua, volviéndose poroso y disgregable, y pudiendo en este momento experimentar una disminución de su resistencia, variable entre el 60 y el 90 %. Con temperaturas superiores a los 800ºC, el concreto adquiere un tono blanquecino o amarillento, perdiendo considerablemente su resistencia a la compresión. En este caso, se destruye el conglomerante y su resistencia residual prácticamente se ve ya anulada, aumentando considerablemente el riesgo del colapso durante el enfriamiento. Esta es la razón por la que en las normativas de muchos países no se recomienda el empleo del concreto para estructuras que puedan quedar expuestas a niveles de temperaturas oscilantes entre 500 y 700 ºC.

La Fig. 2 muestra los diferentes procesos físicos que desarrolla el concreto como material, conforme se incrementa la temperatura.

Respecto a la rigidez, en términos generales la variación del modulo de elasticidad tiene una tendencia similar a la que tiene la resistencia a la compresión. En concretos curados en masa, en las primeras edades no hay variaciones importantes hasta aproximadamente 100ºC. Sin embargo, para temperaturas mayores a 120ºC, el módulo de elasticidad se reduce significativamente, siendo dicha disminución muy importante cuando la temperatura excede los 500ºC. La magnitud de la reducción de referencia, es función de las características del agregado grueso empleado en la elaboración de la mezcla.

Por otro lado, a los 400ºC el acero se torna dúctil, y a los 600ºC se produce una caída brusca de su resistencia; sin embargo, a diferencia del concreto, el acero sometido a altas temperaturas puede recuperar prácticamente toda su resistencia, por supuesto si éstas no llegan a sobrepasar los 600ºC. En caso que las temperaturas se presenten muy elevadas, debe discernirse entonces entre los aceros deformados en frío y los de dureza natural. Los primeros experimentan una disminución importante de su resistencia tras el enfriamiento, la cual puede llegar a ser de un 30% para temperaturas de aproximadamente 700ºC. Los segundos mantienen la propiedad de recuperación de su capacidad resistente hasta temperaturas que pueden llegar a superar los 800ºC. Asimismo, los aceros pretensados pueden experimentar elevadas pérdidas de resistencia dependiendo si el recubrimiento es suficiente o no.

Texto por: I y E Vidaud.

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