Tecnología

La acción del fuego
sobre las estructuras de concreto

Los incendios en general producen un efecto muy complejo en las estructuras de concreto, tanto la durabilidad como las prestaciones mecánicas se afectan bajo la acción de las elevadas temperaturas. Factores como los materiales componentes de la estructura y las corrientes de aire, son algunos de

Al referirse al concreto como un material por excelencia heterogéneo; sus distintos componentes reaccionan de manera diferente frente a las altas temperaturas. La variación de las características físico-mecánicas que sufre el material, está en función de los materiales utilizados en su composición, así como de la temperatura a que se encuentra sometida la masa del concreto. El daño en estructuras de concreto dependerá principalmente del nivel de temperatura alcanzado durante el incendio, del tiempo de exposición, del tipo de enfriamiento y de la composición del material. En la Tabla 1 se presenta una comparación del comportamiento ante el fuego de tres de los materiales más utilizados actualmente en la industria de la construcción.

La conductividad del calor establece importantes consideraciones para el concreto estructural; tanto el acero como el concreto, manifiestan diferencias en su conductividad; el acero muy alta y el concreto muy baja, lo que garantiza comportamientos totalmente diferentes de ambos materiales frente a las elevadas temperaturas. El concreto se calienta más lento, y su sección interior alcanza temperaturas inferiores a las del fuego en un instante dado, mientras que el acero se calienta prácticamente de inmediato, llegando a alcanzar la temperatura del incendio en toda su sección. De acuerdo a lo anterior, alguno de los efectos de las altas temperaturas sobre las estructuras de concreto son: modificación de las características mecánicas del concreto y el acero, reducción de la adherencia entre el acero de refuerzo y el concreto que lo recubre, pérdida significativa del espesor del recubrimiento del concreto, desarrollo de esfuerzos por deformaciones impuestas y por diferenciales térmicos, destrucción de juntas y sellados, entre otros.

El efecto de las altas temperaturas afecta a las características de resistencia y de deformación, tanto del concreto como del acero, generándose incrementos de esfuerzos, causados por las dilataciones que son transmitidos a través de los nudos rígidos de la estructura. En consecuencia, estos efectos implican que el concreto sea cada vez menos resistente, y con capacidad reducida para deformarse antes de romperse. La resistencia al fuego se determina fundamentalmente, por la protección del acero frente a un excesivo aumento de temperatura; a mayor recubrimiento mayor será el tiempo en que el elemento se mostrará resistente.

Una característica particular del concreto y el acero, es que ambos materiales tienen prácticamente el mismo coeficiente de dilatación térmica, lo que permite su empleo de conjunto sin tener en cuenta los esfuerzos que se producirían por la variación de temperatura. Sin embargo, como antes analizamos, la conductibilidad térmica es diferente: el acero es un buen conductor, mientras que el concreto, más que un conductor puede ser considerado como un aislante térmico.

Respecto a las pérdidas por adherencia, al existir oquedades en la sección, las elevadas temperaturas atraviesan la masa de concreto y llegan rápidamente al acero. El acero al calentarse se dilata generando esfuerzos no deseados sobre el concreto que lo tienden a fisurar; posteriormente, el enfriamiento conlleva a la rotura por salto térmico. Mientras persistan las altas temperaturas, el acero comprimirá al concreto, reduciéndose así la capacidad de anclaje y de adherencia.

El proceso de desprendimiento, también llamado en la literatura como spalling, se desarrolla a temperaturas oscilantes entre los 100 y 150 ºC. En las Figuras 1 y 2 se evidencia este efecto posterior a un incendio en el interior de un edificio. Se trata de un efecto inmediato como consecuencia del impacto térmico y el cambio de estado del agua intersticial. Al calentarse el concreto, el agua comienza a evaporarse. El vapor atrapado en la masa densa de concreto propicia un aumento de presión que cuando supera la resistencia del material provoca el inicio del desprendimiento.

En dependencia de su severidad, el spalling puede causar el desprendimiento total del recubrimiento de concreto, dejando al descubierto al acero de refuerzo, que hasta entonces ha estado protegido y de alguna manera ha mantenido sus propiedades. Con el desprendimiento, a aproximadamente 250 ºC de temperatura, sobreviene la pérdida de resistencia del acero.

Tanto la pérdida de adherencia, como el spalling en el concreto sometido a elevadas temperaturas, pueden reducirse si se garantizan adecuados recubrimientos, y se aplican protecciones pasivas contra incendios; evitando (o retardando) que se alcance así la temperatura crítica. Con la aplicación de adecuados recubrimientos inorgánicos es posible proteger las estructuras contra incendios, pues se evita el desprendimiento que no solo provoca un grave daño a la estructura; sino también puede obstaculizar las acciones de rescate y salvamento en el interior del edificio. Algunos de estos productos son las masillas aislantes de asbestos o de fibra de vidrio, el chapado con refractarios o el uso de pinturas intumescentes.

Al presentarse zonas con elevadas temperaturas en el interior de una estructura, se produce una respuesta general de ésta que tiende a incrementar la longitud de los elementos debido a la dilatación térmica. Esta es la razón por la que se presentan esfuerzos no deseados que pueden incrementar los momentos en las zonas de nudos; llegando incluso a producir el agotamiento por cortante en extremos de marcos. Asimismo, el aumento de temperatura desde la superficie del concreto hacia su interior propicia la presencia de diferenciales de temperatura en las diferentes fibras de la sección, lo que induce a lo que se conoce como esfuerzos por gradiente térmico.

A diferencia del acero que queda embebido en la masa de concreto, este último se encuentra expuesto y por tanto evaluar el efecto de las altas temperaturas suele volverse complejo. Deberán tomarse en cuenta para este análisis variables inherentes al fuego, así como otras intrínsecas del material como pueden ser: porosidad, densidad, tipo de áridos, métodos utilizados en la ejecución durante el vibrado, entre otros. Debido a que el concreto se compone mayoritariamente de agregados, es importante la resistencia de éstos en el estudio del comportamiento ante las altas temperaturas. El tipo de agregado se convierte entonces en uno de los componentes a tomar en cuenta para el estudio del coeficiente de expansión térmica del concreto; pues la expansión del concreto será una función directa de la expansión del agregado.

El coeficiente de expansión térmica de las rocas oscila entre 1 y 16 millonésimas por grado centígrado, debido a sus diferentes composiciones mineralógicas. Asimismo, el coeficiente de expansión térmica de los minerales silíceos es de aproximadamente 12 millonésimas por grado centígrado; siendo superior que el de las calizas. Experiencias en la tecnología del concreto afirman que los concretos fabricados con agregados silíceos presentan mayor conductividad térmica que los fabricados con calizos, lo que los hace más vulnerables en caso de incendio. La Fig. 5, definida por Bonnell y Harper en su artículo “The thermal expansion of concrete”, publicado por la National Building Studies en Londres en 1951 (extraído de Neville, A., 1999, “Tecnología del Concreto”, editado por IMCYC) presenta la dependencia de la expansión del concreto con la de su agregado componente.

Diversos estudios demuestran que el tipo de agregado utilizado en la fabricación del concreto incide de forma directa en la resistencia al fuego del material. Incluso se presentan diferencias entre el comportamiento de los agregados fino y grueso, que van desde cambios en la coloración hasta variaciones en la resistencia y durabilidad. Adicionalmente, la condición del concreto como material poroso hace que este absorba los gases con relativa facilidad. Los gases ácidos, durante el incendio, reaccionan químicamente con los compuestos cálcicos del concreto, formándose el cloruro de calcio; en general se absorben los iones de calcio y cloro, que al combinarse con el vapor de agua que queda retenido en el interior de la masa incrementan considerablemente el desarrollo de la corrosión. De ahí que no deba perderse de vista la estructura posterior a un incendio, pues la corrosión puede afectar el concreto estructural, llegándolo incluso a destruir posterior al cese del fuego.

Debe tenerse especial cuidado durante la extinción del fuego, ya que el agua suministrada con el consecuente enfriamiento que produce a la estructura, puede producir la fragilización del acero descubierto. No es difícil entonces darnos cuenta que los daños producidos por las altas temperaturas de un incendio pueden agravarse según el tipo de enfriamiento que se utilice.

Durante la extinción se produce un enfriamiento acelerado del concreto, pues el agua empleada se encuentra a una temperatura mucho menor. En este momento y por lo anterior puede generarse un choque térmico, lo que trae como consecuencia la aparición de microfisuras en el concreto que afectan su estructura interna. En tal sentido, es válido y recomendable realizar estudios petrográficos con el fin de observar y evaluar el deterioro estructural posterior a un evento de este tipo.

Se considera en la literatura especializada, la correlación por varios autores de la naturaleza, extensión y cuantificación de la fisuración, con las temperaturas máximas alcanzadas durante incendios que afectan elementos estructurales. El estudio microscópico entonces no solo debe precisar una estimación de los valores críticos de temperatura, sino también de la profundidad del daño desde la superficie.

Ha quedado expuesto en breve síntesis, que para el análisis de potenciales daños a estructuras de concreto sometidas a elevadas temperaturas, es preciso el estudio de los factores inherentes al fuego, así como las características del material; todas en mera interacción y considerando tanto el momento del incendio, como la fase de extinción y su posterior enfriamiento. Solo de esta manera se podrá establecer una correcta evaluación de la capacidad resistente residual de la estructura, así como las posibilidades que esta presente posterior al incendio para su reutilización.

Texto por: I y E Vidaud.

<< Regresar