Protección pasiva contra el fuego en estructuras

Protección pasiva contra el fuego en estructuras

Introducción
El fuego se ha convertido en un factor de alto riesgo en las edificaciones, especialmente en aquellas cuya estructura principal está basada en elementos de madera o acero. En el mundo se han presentado grandes tragedias debido a los daños que el fuego ha causado en edificios altos.

Desdichadamente no sólo los daños se limitan a edificios de cierto tamaño, ya que el fuego se puede producir en cualquier tipo de obra, tales como viviendas, apartamentos, condominios, bodegas y otros.

En nuestro país, la gran mayoría de los incidentes de este tipo se producen en viviendas unifamiliares, producto generalmente de deficiencias en las instalaciones eléctricas o por descuido de parte de los propietarios.

No se debe dejar de lado que actualmente existen muchos proyectos que son diseñados a base de elementos de metal, especialmente locales de comidas rápidas y edificios de mediana altura, con el sistema de marcos formados por vigas o columnas, o grandes naves de acero que son utilizadas primordialmente con fines comerciales, razón por la cual reviste gran importancia la protección de los elementos estructurales contra el fuego.

Protección contra el fuego
La protección contra incendios se divide en dos aspectos primordiales:

  • La protección activa contra incendios. Esta tiene como objetivo señalar un comienzo de incendio (detectores de humo, de calor y otros) o controlar y poner en marcha medios de lucha (sistemas de aspersión, extintores automáticos y otros).
  • La protección pasiva contra incendios. Consiste en cortar la transmisión del fuego y retardar sus efectos mediante el refuerzo de la resistencia de ciertos elementos estructurales al calor de los incendios, para garantizar su estabilidad mecánica durante un cierto tiempo. También la transmisión del fuego se puede evitar a través del diseño de compartimentos en la edificación, que eviten la propagación del mismo. 


Figura 1
El triángulo del fuego
(Ministerio de Salud de Chile, 2000)

El fuego se alimenta de tres grandes componentes: el oxígeno, el calor y el combustible o fuente generadora de éste (ver Figura 1). Usualmente en un incendio la fuente de combustible serán los elementos no estructurales, tales como cortinas, muebles, alfombras, ropa y otros. Una vez que estos se incendien, el fuego se propagará a los distintos elementos de la estructura.

Por tanto, a efectos de minimizar los daños en una edificación, los principales materiales a proteger son el acero, el concreto y la madera en cuanto a la estructura se refiere, y los conductos de ventilación o de extracción de humos ya que se convierten en medios muy eficientes de propagación del fuego.

Productos y soluciones constructivas para la protección de elementos estructurales
Existen varios productos y soluciones constructivas que ayudan a la protección de elementos estructurales contra el fuego (Castillo, 2003):

  • El fibrocemento. Fabricado a partir de una mezcla de cemento y fibras, usualmente es empleado como en las obras en paredes, entrepisos, cielos, fachadas y precintas, debido a su facilidad, rapidez de instalación y bajo peso.
  • Poliestireno expandido. Está compuesto por una estructura de poliestireno expandido cubierto con una malla de acero galvanizada de acero electrosoldada, a la cual se le aplica un mortero como recubrimiento.
  • Revestimientos intumescentes. A partir de mediados de 1990 se introducen al mercado los primeros productos intumescentes los cuales son capaces de proteger contra el fuego elementos estructurales de acero. Probablemente sean estos los primeros en dar un cambio radical en el uso de productos alternativos a los ya conocidos para proteger estructuras metálicas.
  • Productos ignífugos. Se utilizan para retardar el inicio de la combustión de productos combustibles, tales como madera y textiles cuando estos se someten a la acción de una llama incipiente.
  • Mortero lanzado. Este producto, constituido principalmente por fibras y aditivos a base de cemento de aspecto rugoso, se ha incorporado últimamente como una solución contra el fuego en estructuras metálicas de acero.
  • Láminas de fibrosilicato. Producto de última generación, consiste en láminas de silicato cálcico hidratado, sometidas a autoclave y reforzadas con fibras especiales que las hacen excepcionalmente estables ante el fuego y otras condiciones extremas. Su particular característica de pertenecer a la familia de los refractarios le permite trabajar a temperaturas de 1200°C.
  • Concreto celular. El concreto celular autoclavado es un producto de última generación compuesto principalmente por arena, cal, cemento, yeso, agentes expansivos y agua, capaz de entregar buenas propiedades de resistencia al fuego en soluciones de paredes.
  • Selladores intumescentes. Productos intumescentes de gran aplicación en el sellado de ductos eléctricos, paso de tuberías de PVC, tuberías metálicas, tratamientos de juntas de dilatación y todo tipo de aberturas dejadas en losas o muros. Estos productos son capaces de mantener compartimentos aislantes con resistencias al fuego de hasta 180 minutos o más.

 

Protección de elementos de concreto
La estabilidad al fuego, de las estructuras de concreto reforzado, se obtiene mediante la limitación de la elevación de temperatura de los aceros y armaduras incluidos en el concreto. Usualmente durante un incendio el concreto puede presentar cambios volumétricos, pérdida de las capas exteriores, reducción de la resistencia, del módulo de elasticidad y de conductividad térmica (Calvo, 2003).

En una prueba típica de fuego de dos horas de duración en elementos estructurales de concretos, se observará una temperatura superior a los 300°C solamente en los 50 milímetros exteriores del concreto (Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, 1990). Debido a que en la práctica en la mayoría de las obras los aceros están recubiertos por tan sólo 25 milímetros de concreto, es altamente conveniente proveer de una adecuada protección contra incendios a los elementos de concreto, para compensar la pérdida de resistencia creada por aceros más superficiales.

Las vigas de concreto reforzado pueden recibir una protección pasiva contra incendios mediante un revestimiento cortafuego fibroso (lana mineral proyectada), un mortero (producto pastoso a base de vermiculita, por ejemplo) o una pintura intumescente.

Las columnas de concreto reforzado tienen además el requerimiento de una protección mecánica de las partes expuestas a los choques y al roce a fin de preservar la integridad del producto cortafuego. En efecto, cualquier daño sufrido por el producto cortafuego tendría como consecuencia una elevación más rápida de la temperatura en el elemento estructural.

En general se tiene que los revestimientos fibrosos son los más débiles y frágiles y que los morteros pastosos tienen una mejor resistencia mecánica, pero también necesitan una protección contra el movimiento de elementos estructurales. Igualmente las pinturas y los barnices intumescentes se tienen que proteger contra los movimientos.

 


Protección de elementos de metal
La estabilidad al fuego de las estructuras metálicas de acero se consigue mediante la limitación de la subida en temperatura de los elementos estructurales. Aunque el acero tiene una alta capacidad de carga, es sumamente vulnerable al fuego, viéndose afectada su ductilidad, la resistencia a la tensión, a la dureza, la conductividad térmica y el módulo de elasticidad (Calvo, 2003).

La composición de la aleación del acero es importante para predecir el comportamiento de la estructura (Carvajal, 2001). Generalmente elementos de acero sujetos a temperaturas entre 470°C y 550°C presentan problemas de una resistencia insuficiente, lo cual en caso de un incendio, se puede presentar en menos de 10 minutos (ver Fotos 6, 7, 8, 9, 10 y 11).

La protección pasiva contra incendios puede consistir en la aplicación sobre el acero de un revestimiento aislante, de tipo fibroso (lana mineral) o pastoso (mortero de vermiculita) o en algunos casos de tipo intumescente (pintura, barniz). El revestimiento aislante provee mayor protección que el de tipo intumescente.

En general se busca que la aplicación del producto contra fuego sea homogénea y en ningún caso su espesor debe ser menor al especificado para el grado de protección buscado.

La aplicación de pinturas intumescentes usualmente se usa cuando se requiere dejar elementos arquitectónicos visibles.

Las columnas (ver Figuras 2 y 3) tienen además el requerimiento de una protección mecánica de las partes expuestas a los choques y al roce, a fines de preservar la integridad del producto cortafuego.


Figura 2
Opciones para proteger columnas de acero con concreto.


Figura 3
Columnas de acero protegidas con concreto.

Protección de elementos de madera
La resistencia al fuego de la madera está afectada por su densidad, los defectos naturales y su contenido de humedad (Calvo, 2003). La estabilidad al fuego de las estructuras de madera se consigue limitando la subida de temperatura de la misma. De hecho, la madera empieza a emitir sustancias inflamables a partir de temperaturas del orden de 300°C (ver Fotos 12, 13, 14 y 15). Esa temperatura está considerada como el límite que se pueda admitir para estructuras de madera.

Los productos retardantes de fuego (pinturas y barnices) que se aplican en la madera generalmente se clasifican en tres categorías:

• Aquellos que se incorporan directamente a productos compuestos de madera durante su fabricación.
• Los que se impregnan a través de medios a base de presión en madera contrachapada, madera sólida y otros tipos de productos.
• Los que se aplican sobre la superficie de la madera después de que esta sea instalada.

 

Conclusiones
La protección pasiva de la estructura de los edificios es un aspecto sumamente importante, especialmente debido al uso generalizado que se ha producido en los últimos años del acero, en sistemas de marcos y bodegas, y a la gran cantidad de materiales no estructurales combustibles presentes en las obras.

Los diseños arquitectónicos, estructurales y electromecánicos deben considerar la protección de los distintos componentes del edificio. Afortunadamente los avances tecnológicos de hoy día permiten disponer de una gran variedad de productos y soluciones constructivos que facilitan la protección pasiva contra el fuego.

Aquí una vez más se resalta la importancia de la constructibilidad, ya que los diseñadores deben trabajar cada vez más en estrecha relación con profesionales con experiencia en el área de protección de estructuras contra el fuego, logrando con ello mejores diseños y edificaciones más seguras.

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