Por sus características estructurales, en caso de incendio los túneles tienden a generar temperaturas más elevadas que las que surgen en los edificios. En esta nota se contemplan con detalle las opciones para la protección pasiva en el revestimiento de concreto en los túneles.

Sin embargo, la integridad estructural contra el fuego tiene un impacto sobre las personas en diversas formas (por ejemplo, los objetos pesados o el concreto caliente desgajado pueden caer sobre la gente, o el túnel quedar inundado cuando el recubrimiento se quiebra o desgarra).

Adicionalmente, hay impactos financieros y socio – económicos (los costos de las reparaciones o la suspensión del servicio, que impacta a la economía local o regional).

Mejora de la protección contra el fuego en túneles

Aunque históricamente siempre ha habido incendios en los túneles, particularmente el daño provocado a los recubrimientos de concreto durante los incendios ocurridos en el Túnel del Gran Cinturón en Dinamarca en 1994 y luego el del Túnel del Canal, suscitaron un enorme interés tanto en Dinamarca como en el.

Reino Unido para considerar la protección estructural contra los siniestros de una manera mucho más escrupulosa.
Resulta curioso que mientras las estadísticas indican una baja frecuencia de incendios en los túneles en Europa, el siniestro en el del Gran Cinturón sucedió durante su construcción, mientras que el del Canal de la Mancha se suscitó inmediatamente después de su construcción.

Escenarios

La respuesta estructural a los incendios en túneles depende de la naturaleza del fuego, la cual puede variar considerablemente entre uno y otro espacio. La característica clave es la curva de temperatura – tiempo determinada por el fuego que afecta la superficie de la estructura y especialmente:
1) La tasa de calentamiento (tasa del incremento de la temperatura) que repercute en el desarrollo de la temperatura, la humedad y el gradiente de la presión de la porosidad dentro del concreto.
2) El nivel máximo de temperatura, que influye sobre la naturaleza de las relaciones físico–químicas en el material y a través de estas propiedades.
3) La duración del incendio, que interviene en el desarrollo de la temperatura dentro de la estructura respecto del tiempo.
4) El régimen de enfriamiento (por ejemplo, el del agua que tendría una preponderancia diferente sobre el material) y la distribución de la temperatura con un enfriamiento “natural”.
Debido a la particularidad confinada del túnel, los incendios en estos espacios tienden a generar temperaturas más elevadas a los edificios y duran mucho más debido al acceso limitado para el ingreso de cuadrillas de bomberos, así como de su equipo.
Un número de curvas nominales de fuego han sido propuestas para los túneles. La más crítica es la Curva de Hidrocarbón Holandesa RWS, donde la temperatura alcanza 1100°C después de cinco minutos y 1350°C luego de una hora. En los edificios, la combustión de materiales celulósicos se representa por una curva menos crítica del ISO 834, donde las temperaturas alcanzan 556°C en cinco minutos y 821ºC al pasar los 30 minutos.

El incendio ISO también ha sido propuesto para túneles con pequeños incendios. Todos los demás siniestros de túneles nominales caen dentro de estos dos extremos. (Ver Cuadro 1)

Protección pasiva para los recubrimientos de túneles

A pesar de su falta de combustibilidad y baja difusividad térmica, el concreto experimenta durante el incendio la formación de presiones porosas y de tensiones internas dúctiles que generan astillas explosivas. Esto tiene como resultado la pérdida de secciones y la exposición del acero de refuerzo a temperaturas extremadamente elevadas.
Adicionalmente, debido al calentamiento, en particular a temperaturas superiores a los 300ºC, el concreto pierde resistencia. Estos problemas pueden ser enfrentados mediante la protección pasiva contra los incendios
en el revestimiento del túnel, aunque todo depende del tipo que se esté considerando: en los subterráneos sumergidos y los túneles cortados y recubiertos, el propósito de la protección contra incendios es básicamente
resguardar el refuerzo y de ese modo evitar el hundimiento en el techo plano.

En cambio, la protección contra incendios en los túneles perforados sirve para prevenir la explosión de esquirlas a la que un grado superior de concreto es mucho más sensible. En términos generales, la protección pasiva contra incendios se convierte en un asunto prioritario en cualquier lugar donde se presente una combinación que englobe los siguientes aspectos: prevención de explosión de astillas; protección de refuerzo y acero presforzado, para que no exceda temperaturas críticas; protección para que el concreto no exceda temperaturas excesivas.

Explosión de astillas

Esta explosión es el rompimiento violento de las capas o piezas de concreto de la superficie de un elemento estructural cuando ha sido expuesto a un aumento rápido de temperaturas, como el que tiene lugar en un incendio.
Esto normalmente se lleva a cabo durante los primeros 20 o 30 minutos en una conflagración. Muchos materiales (por ejemplo, la permeabilidad, el nivel de saturación, el tamaño y el tipo de agregado; la presencia del resquebrajamiento y el refuerzo), las formas geométricas (como el tamaño de la sección) y el medio ambiente (el nivel de resistencia, o la tasa y el perfil de calentamiento) han sido factores que influyen en la explosión de astillas durante un incendio, como se ha identificado a partir de los experimentos.

Los principales factores que repercuten en las esquirlas son la tasa de calentamiento (especialmente sobre los 2° o 3°C/minuto), la permeabilidad del material, el nivel de saturación de los poros (especialmente sobre 2 o 3% de contenido de humedad por peso del concreto), la presencia de refuerzo y el nivel de resistencia externa aplicada.

La baja permeabilidad del concreto de alto desempeño (HPC) muestra una mayor tendencia para astillarse y experimentar múltiples astillas, que aquél con la resistencia normal del concreto a pesar de su mayor resistencia a la tensión.
Esto se debe a que mayores presiones en los poros se van construyendo durante el calentamiento debido a la baja permeabilidad del material. También, el punto más alto en la presión de los poros ocurre más cerca de la superficie para el concreto de alto desempeño (HPC), lo que explica porqué las secciones más delgadas del concreto se astillan en forma repetida a partir del concreto de alto desempeño (HPC) en un incendio.

Mecanismos para la explosión de astillas

Para explicar la explosión de astillas de concreto, los mecanismos propuestos desembocan en tres categorías. La primera, el astillamiento debido a la presión de los poros, provocado por el desarrollo de las presiones de los poros hacia el interior del concreto, dependiendo del contenido de humedad, la tasa de calentamiento y la permeabilidad del material. La segunda, corresponde a la tensión de astillamiento térmico, como la que presentan las cerámicas, sin agua, pero que explotan a tasas muy altas de calentamiento.La tercera es una presión de poros combinada con una tensión térmica de astillamiento, favorecida por el autor.

La prevención del astillamiento explosivo

A pesar de que en el pasado han sido propuestas una enorme cantidad de medidas para combatir el astillamiento explosivo, los métodos más efectivos son:
• Una barrera térmica para proteger la superficie del concreto que pueda ser atacada por el fuego. Estas son particularmente efectivas, ya que actúan al reducir sustancialmente el flujo de calor al material de substrato, y por tanto, al limitar el ascenso de las temperaturas. Hay varios tipos de barreras térmicas que varían desde paneles hasta de recubrimientos del tipo vermiculita desarrollado recientemente a partir del concreto en aerosol.
El empleo exitoso del concreto en aerosol muestra que un concreto adecuadamente diseñado es de por sí resistente al fuego, y que irónicamente, el concreto puede ser utilizado para proteger al concreto contra el fuego.
• La fibras de polipropileno (PP), moldeadas en la mezcla de concreto con el propósito de aumentar la per-meabilidad durante el calentamiento reducen las presiones de los poros y el riesgo de astillamiento. Las fibras
de PP se derriten cerca de los 160°C y proporcionan canales en el concreto para que se pueda escapar la humedad. Adicionalmente, el análisis microscópico ha revelado fracturas muy delgadas cerca de las fibras que también contribuyen a la reducción de la presión. Las pruebas actuales han demostrado que el tipo más efectivo de fibra es una de monofilamentos de 18 micras de diámetro. Un avance mucho más reciente ha sido el desarrollo de fibras de PP de bajo derretimiento (130ºC) que prometen ser mucho más efectivos. Sin embargo, la efectividad de las fibras de PP todavía debe optimizarse para un alto desempeño y para concretos de auto compactación.

La decisión sobre el método a utilizar (o bien, ambos) depende de ciertos factores:

• Los túneles ya existentes vs. los de nueva construcción. En los túneles existentes sólo se puede usar una barrera térmica. En los nuevos, se cuenta con la opción de emplear cualquier método o ambos.
• Costo y excesivas temperaturas. Las fibras de polipropileno son una opción mucho más barata ya que puede ser mezclado en el concreto durante el moldeo. Las fibras de polipropileno actúan para evitar la creación de presiones excesivas en los poros pero no reduce el desarrollo de la temperatura dentro del concreto. Por tanto, deben evitarse las altas temperaturas (por ejemplo, la corona del túnel y/o el refuerzo), y en todo caso se deben utilizar barreras térmicas también en los nuevos túneles.

Los incendios y el material de acero

La resistencia al fuego del concreto reforzado no depende únicamente de las propiedades del concreto, sino también de las de sus refuerzos a altas temperaturas. En particular, es el caso en estructuras expuestas a cargas de tensión, como el de un tubo sumergido, o en los túneles cortados y cubiertos.
Una característica típica de las estructuras de concreto reforzado expuestas al fuego es que el mínimo en la capacidad de carga se lleva a cabo no cuando la temperatura de las superficie se encuentra en su punto más alto, sino cuando la temperatura del acero alcanza su valor más alto, lo cual puede ser algún tiempo después. La falla ocurre cuando la temperatura del acero excede su valor crítico. El acero puede ser protegido contra temperaturas excesivas mediante el recubrimiento de concreto, si es que éste no está en riesgo de astillarse (mediante el uso de fibras de polipropileno). En una situación semejante, y ante un posible escenario de incendio, deben emplearse unos paneles con un eje de distancia y un refuerzo mínimo. Sin embargo, si el acero no tiene un recubrimiento suficiente de concreto o si se encuentra con el riesgo de astillarse, entonces deben usarse barreras térmicas.

Incendios y materiales de concreto

El calentamiento provoca en el concreto una variedad de cambios físicos y químicos que van desde los ambientales hasta la fusión a temperaturas que exceden los 1,000°C (Cuadro 3). La naturaleza de estos procesos depende de la mezcla de los componentes y las proporciones utilizadas, así como de la humedad y las condiciones ambientales que prevalecen durante el incendio. Al depender de estos factores, la resistencia a la compresión del concreto a elevadas temperaturas puede, por ejemplo, fluctuar a 300°C, de menos de 60% hasta 130%, de la resistencia. (Cuadro 4)

Dadas las posibles variaciones en la práctica del material y los factores ambientales, sería erróneo asumir que existe sólo una curva “típica” para una propiedad dada del concreto en contra de la temperatura. Los roles importantes de la secuencia carga– calentamiento, nivel de carga y tipo de agregado sobre las propiedades del concreto calentado no han sido consideradas exhaustivamente.
El astillamiento, sobre todo, es un fenómeno estructural más que material. Aún si el astillamiento no se produce, el concreto puede experimentar una significativa pérdida de resistencia a una temperatura superior a los 300°C y es incapaz de soportar una carga sostenida si exceden los 550– 600°C. Por fortuna, debido a la baja difusividad térmica del concreto, únicamente las regiones de la superficie serían expuestas a esas altas temperaturas. Ya se ha establecido como una práctica normal, después de un incendio, remover el concreto previamente expuesto a índices superiores a los 300ºC.

Criterios para barreras térmicas

La principal función para las barreras térmicas es proteger directamente el substrato material del fuego. Así, la función térmica es la primaria.
• Criterio de la temperatura crítica de la zona interfacial. La costumbre hasta la fecha ha sido especificar las temperaturas críticas de la zona interfacial entre la barrera del substrato y la térmica. Mientras esto es lo correcto respecto a los substratos de acero (o cuando los criterios de temperatura son importantes para proteger el concreto y/o para su refuerzo), no lo es, en cambio, para el astillamiento del concreto. La única temperatura crítica realmente efectiva en contra del astillamiento en la zona de interfase es aquélla que se encuentra por debajo de los 100ºC, y este es probablemente un criterio muy exigente.
• Criterio de la tasa de calentamiento crítica. Durante el incendio, la explosión de astillas se produce durante los primeros 10 a 30 minutos, cuando las regiones internas del concreto se encuentran solamente entre los 100 a 200°C. Debido a que la explosión de astillas es una función de la tasa de calentamiento, más que una correspondiente a la temperatura máxima, resulta más adecuado especificar las tasas de calentamiento que las temperaturas críticas de la zona de interfase. Este debería de convertirse en el enfoque del futuro, pero en la actualidad, ningún criterio sobre la tasa de calentamiento crítico ha sido propuesto, con excepción de la presentada por el autor.

Debe hacerse un mayor énfasis en que, durante un incendio, no hay un riesgo cero de astillamiento. Básicamente, se trata de un fenómeno esporádico y la utilización de barreras térmicas y de fibras ayuda a reducir el riesgo del astillamiento en forma importante. Nomogramas que muestran las zonas de astillamiento y de no astillamiento deben utilizarse con mucha precaución y sólo como un indicador de tendencias.

Principios en algunos países

En Alemania, el diseño constructivo destinado a combatir el fuego se ubica, para el refuerzo durante un incendio, en un rango de temperaturas por debajo de los 300°C. No hay daños que amenacen la capacidad de carga y no hay deformaciones del apoyo que disminuyan la utilidad de la construcción del túnel que casi retiene la impermeabilidad.
En los Países Bajos, sin embargo, debido a los numerosos túneles bajo el agua, el diseño contra incendios se especifica de acuerdo con la curva RSW. Para evitar la inundación, la estructura del túnel debe cumplir con todo el criterio cuando se aplica la curva de RWS ante una carga de fuego.
No debe de haber una pérdida de tensión por el agua, ni tampoco producirse un colapso en el túnel. Las pruebas de especificación contra incendios tienen que cumplir con el siguiente criterio:
Para temperaturas menores a 380°C en la zona de interfase se debe contar con un aislamiento protector contra el fuego para el concreto.
Las temperaturas menores a 250°C, en el fondo del refuerzo.
Las temperaturas inferiores a 60°C, en las juntas de hule.
En los túneles perforados donde el astillamiento es el principal problema, los holandeses proponen temperaturas críticas en la zona de interfase de 200 a 250°C.

G. A. Khoury también es autor de “Diseño contra fuego para
las estructuras de concreto” y administrador científico del
proyecto europeo UPTUN, “Mejoramiento de Túneles”.

REFERENCIAS

* Presidente del Comité Internacional del FIB 4.3.18
(FIRE DESIGN FOR CONCRETE ESTRUCTURES), Investigador en
Jefe de UPTUN (European Proyect Upgrading Tunnels)