Son los que forman parte de la estructura resistente y que están sometidos a cargas, como pilares, vigas o jácenas.

Transcripción

1 Resistencia al fuego Introducción. Los incendios constituyen el riesgo mas grave para los ocupantes de un edificio (Figura ), además de los bienes incluidos en el mismo, e incluso la propia edificación. Las consecuencias de un incendio se resumen en una sola palabra: perdidas. Siempre habrá perdidas materiales de bienes familiares, sociales o empresariales. Con frecuencia, también habrá derivaciones en carencia de servicios. Sin embargo, lo más grave y doloroso, por lo irreparable, son las pérdidas de vidas humanas. La estabilidad del edificio depende del comportamiento de los elementos estructurales frente al desarrollo de un incendio, ya que el enorme calor y las elevadas temperaturas, pueden provocar el colapso de los mismos. Figura Incendio de un edificio. Los elementos constructivos se pueden clasificar según la incidencia del incendio sobre los mismos y por tanto sobre la estabilidad del edificio, así como en la progresión del fuego. Elementos estructurales Son los que forman parte de la estructura resistente y que están sometidos a cargas, como pilares, vigas o jácenas. Elementos separadores Son los que separan e independizan diferentes compartimentos, como tabiques o mamparas, puertas y cubiertas no estructurales. Elementos portantes-separadores Son aquellos donde se combinan ambas funciones, como muros de carga y forjados.

2 Una pregunta surge ante esto: habrá algún medio de eliminar este problema? La respuesta es que probablemente nunca pueda eliminarse, pero si reducirlo notablemente en dimensiones, mediante acciones adecuadas de incrementar la protección pasiva y activa, especialmente en el habitat de las personas, como es el caso de los edificios. Un país que empezó a aplicar esta política a mediados de los años 70 fue EE.UU. con los resultados indicados en el cuadro Cuadro Estadísticas de los incendios en Estados Unidos. La reducción es notable si se tiene en cuenta el incremento de población del 22% en el periodo La protección contra el fuego. Todos los países de nuestro entorno, conscientes del grave problema de los incendios, han legislado normas de obligado cumplimiento, para aumentar la protección de los edificios. La Norma española NBE-CPI-96 contempla los aspectos de protección pasiva y activa de los edificios o establecimientos, excluidos los de uso industrial. Aunque la norma es clara en las definiciones y aplicación, es conveniente resaltar algunos aspectos de interés para el proyectista Medidas de protección pasiva. Son acciones orientadas a que un edificio, dentro de una arquitectura y uso determinados, presente mayor resistencia a que se generen incendios y, en todo caso, a reducir la velocidad de propagación de los mismos. De este modo se facilita la evacuación ordenada de los ocupantes (victimas potenciales) y podrán utilizar los medios de protección activa para reducir el incendio (disminución de daños). En este contexto, las lanas minerales aislantes (lanas de vidrio y de roca), juegan un papel importante, según los dos aspectos diferentes del comportamiento frente al fuego de los materiales y de los elementos constructivos del edificio. Comportamiento ante el fuego de los materiales. Definiciones de protección frente al incendio aplicables a los diferentes elementos constructivos. Reacción al fuego. La reacción al fuego es una característica propia de un material o producto y trata de significar la magnitud relativa con la que pueden favorecer el inicio y desarrollo de un incendio, es decir, es la respuesta de un material al fuego medida en términos de su contribución al desarrollo del mismo con su propia combustión, bajo condiciones definidas de ensayo. La forma de evaluar esta característica es mediante ensayo normalizado en laboratorio homologado, por la que se determina la clase de reacción al fuego. En nuestro país, de acuerdo con la norma UNE 23727, las clases son: M0 (material incombustible), M1 (material combustible, pero no inflamable) y M2, M3 y M4, que corresponden a materiales combustibles con grado creciente de inflamabilidad.

3 Clase Definición Ejemplo M-0 No combustible (Incombustible) Fibrocementos Silicatos lanas minerales M-1 Material combustible, pero no inflamable Aglomerados M-1, DM-I, Poliestireno extruido M-2 Difícilmente inflamables Aglomerados tipo M-2 M-3 Medianamente inflamables Aglomerado homogéneo. M-4 Fácilmente inflamables Plásticos. Fibras textiles. La clasificación de los materiales en los grupos M0, M1..., M4, indica la magnitud relativa de ellos para favorecer el inicio o desarrollo de un incendio, según las normas UNE. Las clases M2, M3 y M4 significan productos con un grado de inflamabilidad creciente. Las lanas minerales son de naturaleza M0, como materiales inorgánicos. Sin embargo, las normas españolas en sus exigencias no son explicitas en dos características importantes de los materiales en caso de incendio: la carga de fuego y los humos. (a).- Los materiales orgánicos presentan valores de carga de fuego caracterizados por su PC (Poder Calorífico), independiente de su clasificación al fuego. Este valor es característico de cada material y no se reduce con la adición de componentes ignifugantes que mejoran la clasificación al fuego. Así, productos que son naturalmente M4, pueden pasar a clasificación M1 con ignifugantes, pero mantienen su PC prácticamente igual. Si bien la posición relativa de los materiales en una solución constructiva supone diferente nivel de riesgo, es evidente que la colocación de productos de elevado poder calorífico en posición expuesta para un posible incendio incrementa los riesgos, con independencia de la clasificación al fuego. Dentro de las posiciones expuestas, están obviamente los elementos vistos de un local y también aquellos introducidos en cámaras de aire con circulación de este y en todo caso las cámaras de alto volumen relativo, con escasa protección de incendios en alguno de los cerramientos de las mismas. (b).- La generación de humos de los materiales combustibles durante un incendio supone una problemática muy grave. Los humos representan un riesgo suplementario para la evacuación de las personas y para la lucha contra el incendio, debido a la reducción de la visibilidad (opacidad) y a la disminución del oxigeno respirable. En el limite, según el tipo de incendios y de los materiales en ignición, los humos pueden contener gases tóxicos (CO, CNH...) que son letales incluso a bajas concentraciones. Sobre la importancia de estas características, es suficiente indicar que más del 80% de las victimas de los incendios perecen a causa de los humos, mediante dos mecanismos diferentes: la opacidad y la toxicidad de los humos. La opacidad es la medida del oscurecimiento, que impide el paso de la luz a través del humo. En la realidad de un incendio, humos con alto grado de opacidad, impiden la visión de las personas y retardan el tiempo de evacuación de las mismas. Esto aumenta considerablemente el riesgo para aquellas y el potencial numero de victimas. La generación de humos en cuanto a opacidad esta ligada a las características de composición de los materiales, siendo más intensa o rápida a mayor carga de fuego, especialmente en los materiales plásticos El efecto de toxicidad esta relacionado con la capacidad de algunos gases producidos en las combustiones de los materiales orgánicos, para producir alteraciones físicas o psíquicas en el ser humano. Este tipo de alteraciones pueden suponer desde la reducción de la capacidad de movimiento, hasta casos agudos de envenenamiento. En cualquier caso, impiden la evacuación de la zona de incendios por medios propios. Los análisis de composición de humos permiten conocer la presencia cuantitativa de gases tóxicos, dependientes de la composición de los materiales. En función de las concentraciones del análisis y de las concentraciones normalizadas máximas admisibles, algunas normas (ISO, NF...) determinan el «índice de toxicidad de los humos».ensayos de este tipo se están estudiando para las futuras normas europeas. Resistencia al fuego (RF). La resistencia al fuego es la característica que corresponde a una solución constructiva, por la cual se determina la capacidad de resistir en el tiempo, a la acción del fuego. En todo caso, la característica es el tiempo: cuanto mayor sea el tiempo disponible, será mejor para evacuar personas o luchar contra el incendio. La forma de evaluar esta característica es mediante ensayo normalizado en laboratorio homologado, por la que se determina el tiempo de:

4 - La estabilidad al fuego (EF) o capacidad portante: Esto aplicable a cualquier tipo de solución constructiva. Es la capacidad de un elemento constructivo de mantener durante un tiempo determinado la estabilidad o capacidad portante de uso para impedir el colapso del edificio en caso de incendio. Se determina en un ensayo normalizado de acuerdo con la norma UNE EN Ausencia de emisión de gases inflamables en la cara no expuesta al fuego. - Estanqueidad al paso de llamas o gases calientes a la cara no expuesta al fuego. - Resistencia térmica suficiente para impedir que en la cara no expuesta al fuego, se produzcan temperaturas superiores a las establecidas por norma. La primera condición representa la estabilidad al fuego (EF). Si se cumplen las tres primeras condiciones, será parallamas ( PF, Comportamiento de un elemento constructivo sea portante o no, que garantiza durante un tiempo determinado, la estanquidad a las llamas o gases.), y si se cumplen todas, se denominara resistencia al fuego (RF). La escala de tiempos normalizada es: 15, 30, 60, 90, 120, 180 y 240 minutos. La estabilidad al fuego (EF) de los elementos estructurales depende en buena medida del material de estructura, en cuanto a la reducción de la resistencia mecánica de este con la temperatura. Las estructuras portantes metálicas de los edificios en la actualidad, están constituidas por perfiles normalizados de acero (aleación de hierro y carbono), que tienen una elevada capacidad para absorber las solicitaciones mecánicas. La acción del fuego sobre el acero modifica la plasticidad del mismo y con ello se rompe el equilibrio de las tensiones de trabajo previstas, con lo que se origina una pérdida de la estabilidad de la estructura. La temperatura a partir de la cual aparece el fenómeno de plasticidad, permite valorar la resistencia al fuego de los elementos estructurales. Dicha temperatura es bastante baja y se alcanza con facilidad en toda la masa de la estructura, W debido a la elevada conductividad térmica del acero, k = 52, lo que representa un aspecto negativo en cuanto mk. a la resistencia al fuego, ya que alcanza la «temperatura critica» en pocos minutos. Además su calor específico que es J de 486, también es una característica que influye negativamente. kg. K A partir de una temperatura de 250 ºC, se modifican la resistencia y el límite elástico del acero. A partir de una temperatura de 538 ºC (denominada "temperatura crítica") la caída de la resistencia es muy acusada, con lo que la estructura no puede soportar la carga de diseño. El coeficiente de pérdida de sus propiedades mecánicas supone que alrededor de los 500 ºC éstas se reducen, aproximadamente, entre un 45 y un 60 %. En la tabla se proporcionan los coeficientes para la reducción de las características mecánicas del acero a elevadas temperaturas que se indican a continuación: ky, = fy,/fy Factor de reducción del límite elástico. kp, = fp,/fy Factor de reducción del límite proporcional. ke, = Es, Es Factor de reducción del módulo de deformación longitudinal. Estos coeficientes son válidos para procesos de calentamiento con incrementos de temperatura entre 2 y 50 ºK/min. En la figura puede verse la variación de las características mecánicas del acero en función de la temperatura.

5 Tabla Factores de reducción para la relación tensión deformación del acero a elevadas temperaturas Figura Coeficientes para la reducción de las características mecánicas del acero a elevadas temperaturas

6 En la tabla se proporcionan los coeficientes para la reducción de la resistencia característica a compresión del hormigón en función de la temperatura Tabla Valores de los parámetros principales de la relación tensión-deformación de hormigones con áridos silíceos o calizos a elevadas temperaturas. Figura Coeficiente Kc() de reducción de la resistencia característica a compresión del hormigón de a altas temperaturas.

7 Otro efecto negativo es la dilatación producida en los elementos que constituyen la estructura, aumentando las tensiones que pueden producir el colapso de la misma. Resumiendo la estructura además de perder resistencia mecánica, esta sometida a tensiones mayores Así, las estructuras de acero en la mayor parte de los casos no cumplen las mínimas exigencias en cuanto a la estabilidad al fuego, ya que para un periodo superior a 10 minutos la caída de resistencia y las tensiones producidas por la dilatación, originan el colapso de las mismas. El hormigón soporta mejor la acción del fuego por ser un material peor conductor del calor y la resistencia estructural solo depende del tiempo en que las armaduras de acero alcancen la temperatura crítica. Para aumentar hasta los limites requeridos la estabilidad al fuego de los elementos estructurales de acero, es necesario revestirlos con un material aislante térmico que disminuya de forma efectiva el flujo de calor. Se puede revestir mediante paneles de lana minerales, mediante morteros que se proyectan sobre el elemento estructural o mediante pinturas (Figura ). Figura Revestimiento de elementos estructurales de acero mediante paneles de lana minerales o bien mediante morteros

8 El material aislante de protección debe cumplir una serie de requisitos, como son: - Estabilidad a temperaturas elevadas (Punto fusión > 1200 ºC) W - Reducida conductividad térmica ( mk. ) y elevado calor específico 840 J Kg. K - Fácil mecanizado y montaje. - Resistencia mecánica (autoportante) y durabilidad. - Compatibilidad con el acero y otros materiales. Los paneles de lana minerales cumplen con las características descritas: -Su composición (potenciada con óxidos metálicos), les confiere una temperatura de fusión que se sitúa por encima de los ºC. -Su elevada densidad aporta una baja conductividad térmica a temperaturas elevadas. - Los paneles fáciles de cortar y perforar, permitan un montaje rápido y simple. - Sus características mecánicas facilitan la fijación mediante sistemas mecánicos y adhesivos especiales, no sufriendo degradación de sus características con el tiempo. - Su composición les hace compatibles con el acero y con el adhesivo utilizado para juntas a base de silicato (ya que su ph 0,9). Así la utilización de lanas minerales como materiales envolventes de los elementos estructurales permite aumentar notablemente los tiempos de EF, debido al poder aislante térmico y a soportar altas temperaturas. Las lanas de roca que deben utilizarse para esta aplicación deben tener un alto punto de fusión (por encima de C), con una densidad muy elevada y una composición especial potenciada en óxidos metálicos. Al tratase de materiales incombustibles (M0), no existe reacción alguna frente al fuego. No existe por tanto ni aporte de energía calorífica, al no haber combustión de materiales, ni desprendimiento de humos de combustión. En este sentido, representan el grado mas elevado de seguridad posible para los usuarios de edificios, en caso de incendios. Por otra parte, las lanas minerales mantienen una capacidad muy elevada de aislamiento térmico, aunque la temperatura en una de sus caras sea muy elevada. Por esto, reducen el paso de calor a trabes del material y aumentan de un modo apreciable, la resistencia al fuego de las soluciones constructivas. De este modo se contribuye a la seguridad, aumentando los tiempos de estabilidad de las estructuras en los edificios y con ello, el tiempo potencial de evacuación. En la figura puede verse que la lana de roca ROCKWOOL no funde hasta temperaturas superiores a los 1000 ºC y conserva sus prestaciones mecánicas frente a altas temperaturas. La lana de roca volcánica ROCKWOOL es termoestable, es decir cuando se somete a temperatura no se dilata ni se contrae. Figura Puntos de fusión o inflamación de algunos materiales de construcción.

9 Para la determinación general de protecciones de estructuras de acero, puede utilizarse un método de cálculo técnico-experimental, de acuerdo con la norma UNE Exp. El método permite establecer unas correlaciones validas entre los factores: - Estabilidad al fuego (EF) de un perfil de acero contorneado por un material aislante de protección. - Masividad o factor de forma del perfil de acero. - Espesor del material aislante de protección. El concepto «masividad» o «factor de forma» del perfil se define como la relación entre el área exterior del perfil con protección contorneada por unidad de longitud y el volumen de acero contenido en dicha área por unidad de longitud. Las dimensiones serán m 2 /m 3, es decir m 1. En la práctica, para perfiles continuos (laminados normalizados) de la misma sección recta, la masividad se calcula mediante la relación : donde: P = Perímetro de la sección recta protegida del perfil (m). A = Área de la sección recta del perfil (m 2 ). En las tablas , , y , se indican las pasividades correspondientes a los perfiles normalizados más habituales en la edificación, de acuerdo con el tipo de protección envolvente (contorneada o cajeada) y las caras expuestas al fuego. Tabla Perfiles normalizados. Masividades

10 Tabla Perfiles normalizados. Pasividades. Tabla Perfiles normalizados. Pasividades.

11 Tabla Perfiles normalizados. Pasividades. La norma UNE Exp. citada establece un número de ensayos determinado para diversos perfiles y protecciones, permitiendo la posterior interpolación de resultados de protección para elementos no ensayados. Los ensayos de estabilidad al fuego se realizan en hornos homologados, estando expuesto el perfil a ensayar a un fuego que sigue una curva patrón establecida de tiempo - temperatura (norma UNE EN1693-1). La curva tiempo - temperatura se obtiene aplicando valores en la ecuación: donde: t = Tiempo, expresado en minutos. T =Temperatura del horno en el tiempo, medida en grados centígrados. T 0 =Temperatura inicial (ambiente) del horno, en grados centígrados. De la ecuación se obtienen los valores numéricos que aparecen en la tabla

12 Tabla Elevación de la temperatura del horno (T-T 0 ) en función del tiempo. Tiempo t minutos Elevación de la temperatura del horno (T-T 0 ) en función del tiempo ºC Durante el ensayo se toman registros de la temperatura en el alma del perfil hasta el limite de 500 ºC. El tiempo necesario para alcanzar dicha temperatura, será la Estabilidad al Fuego teórica, aunque oficialmente solo se admite el mayor valor inferior a los correspondientes de la escala: EF 15, 30, 60, 90, 120, 180, 240. Por ejemplo si se ha alcanzado un tiempo de 119 minutos, el resultado oficial será EF-90. En la figura se determinan las curvas reales de temperatura de horno y de alma de un pilar de acero protegido con TOP-HEAT. Figura Evolución de la temperatura de la superficie de un pilar metálico protegido con TOP HEAT En los cuadros y se indican los espesores de material TOP-HEAT que son necesarios para estabilidades al fuego hasta 240 minutos (EF-240), de pilares y vigas, respectivamente, en función de la pasividad. (b).- Parecido es el caso de los elementos de cierre y compartimentación, caracterizados en este caso por la resistencia al fuego (RF) Las exigencias son muy severas: no solo se debe impedir el paso de llamas a través del elemento, sino también el paso del calor a la cara no expuesta al fuego, ya que si esta alcanza temperaturas elevadas, se permitiría la ignición de materiales en los espacios contiguos, propagándose entonces el incendio.

13 Cuadro Espesores de material TOP HEAT que son necesarios para estabilidades al fuego de hasta 240 minutos (EF-240) de los pilares de acero.

14 Cuadro Espesores de material TOP HEAT que son necesarios para estabilidades al fuego de hasta 240 minutos (EF-240) de las vigas de acero.

15 La introducción de lanas minerales en el elemento de compartimentación, bien en su interior o bien adosados al mismo, permite aumentar el tiempo de RF del elemento, por las mismas razones que en el caso de los elementos estructurales. Algunos ejemplos reales pueden verse en el cuadro Cuadro Aumento del tiempo de RF del elemento de compartimentación con la introducción de lanas minerales. Consideremos el ejemplo de una cubierta metálica plana (tipo Deck) de una nave industrial. La resistencia al fuego de este tipo de cubiertas, que incorporan un aislamiento de tipo orgánico, no llega a RF-15 en ningún caso. Si a esta cubierta se le añade un aislante térmico de lana de roca de tipo PANEL CUBIERTA de 40 mm de espesor solamente, se alcanza hasta 42 minutos de resistencia al fuego en el ensayo, quedando clasificado RF-30 ( figura ). Figura RESISTENCIA AL FUEGO DE UNA CUBIERTA DE CHAPA DE ACERO (TIPO DECK) AISLAMIENTO DE CUBIERTAS PLANAS NO TRANSITABLES DECK Protección pasiva y aligeramiento de cargas del edificio. La arquitectura moderna, por razones obvias de reducción de costes, trata de encontrar soluciones constructivas cada vez más ligeras y de fácil colocación, sin que se dejen de cumplir las necesarias características de resistencias mecánicas. Sin embargo, la protección contra el fuego parece oponerse a este deseo si sólo se utilizan materiales tradicionales y no una adecuada combinación de estos con revestimientos protectores ligeros y permanentes en el tiempo. En algunos casos el material de estructura no soporta el fuego minimamente. Se puede alcanzar un grado importante de EF en un pilar metálico efectuando una envolvente de ladrillo enlucido. Igual resultado se puede obtener con una lana mineral envolvente y revestida de cartón-yeso, con la ventaja de la facilidad de colocación y un peso mucho más ligero. Existen otros materiales que resisten bien el fuego, pero no con el nivel suficiente exigido por la normativa. Incrementar espesores o utilizar productos más densos, es una solución... pesada. Más aceptable será el adosado de lanas minerales y todavía mejor, la sustitución de divisorios de obra de fábrica, con elementos divisorios de montaje en seco, con un alma interior de lana mineral.