Afección por incendios en estructuras de acero

AFECCION POR INCENDIOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO LAMINADO

Durante un incendio el acero pierde transitoriamente parte de sus capacidades mecánicas. Esta pérdida es temporal, y por lo tanto, después del incendio podríamos dudar si la estructura sigue o no siendo útil. La valoración dependerá entre otros de la duración e intensidad del fuego, y de si el elemento de acero estaba o no protegido de antemano.

Es importante señalar que lo desarrollado en este post es de aplicación en los aceros laminados típicos de la construcción, de bajo contenido de carbono, y no sería de aplicación para aceros con alto porcentaje de carbono o de límite elástico superior a 450 Mpa.

IMPORTANCIA DE LA UBICACIÓN DEL ELEMENTO RESPECTO AL FOCO

En primer lugar, hay que subrayar que un elemento estructural puede verse dañado esté dentro del recinto del incendio, o también estando fuera del mismo. Un caso típico de afección fuera del recinto sería la subestructura en muros cortina. Además siempre es importante localizar el foco del incendio, porque los daños causados por el fuego dependen en gran medida de la temperatura que el acero alcance durante su exposición al fuego.

Así, una estructura muy cercana al foco en una zona muy poco ventilada presentará daños mucho más importantes que la misma estructura, dentro del mismo recinto, pero lejos del foco y cerca de un punto por el que pudiera disipar temperatura (como ventanas o balconadas al exterior).

TEMPERATURA Y EXPOSICIÓN LIMITE

Todos los estudios realizados hasta la fecha coinciden en que se debe usar el límite de 700ºC y 20 minutos de exposición a fuego como frontera que ninguna estructura debe sobrepasar (en caso de sobrepasar este límite, se debe descartar su reutilización).

Estado de estructura de acero tras incendios experimentales (pruebas realizadas en Cardington, UK, Test nº4 – 1996) Foto: SCI

¿CÓMO RECONOCER LA INTENSIDAD DEL INCENDIO A PARTIR DE SUS EFECTOS SOBRE EL ACERO?

PANDEO LOCAL / ABOLLADURA

El primer fenómeno físico que podemos detectar en una estructura de acero laminado que ha sido sometida a un incendio es el pandeo local de sus alas o alma. Si la estructura está muy constreñida, la dilatación térmica puede provocar estos fenómenos desde temperaturas tan bajas como 120ºC. En estructuras sin apenas restricciones al movimiento, este fenómeno puede empezar a darse a los 315ºC, y se vuelve muy visible a los 650-750ºC.

Alrededor de los 700ºC el acero ha perdido ya la mitad de su resistencia y su dureza, y es prácticamente imposible que las recupere al 100% al enfriarse, lo que es el motivo por el que debe descartarse.

En resumen, este pandeo, o más bien la falta del mismo, es un buen indicativo de cara a escoger qué piezas pueden ser reutilizables desde una perspectiva conservadora.

FLECHA / DEFORMACION GENERAL

La reducción de la rigidez por incremento de temperatura puede hacer que determinadas piezas deformen sobremanera. Es habitual ver grandes deformaciones vigas o viguetas de acero tras incendios. Sin embargo esto no significa necesariamente que se hayan sobrepasado los 700ºC que establecemos como límite.

A diferencia del pandeo local, esta deformada depende de factores exógenos a la estructura (por ejemplo: la flecha de una viga depende de la carga que sostenga). Por ello no es tan fácil establecer una relación causa-efecto que permita desestimar la reutilización de una pieza a partir de su deformada. Pero si se supiera la carga a la que estuvo expuesta, y a partir de la deformada final, se podría llegar a conocer la pérdida de rigidez sufrida por el elemento durante el incendio y de ahí derivar a la temperatura que alcanzó la pieza (vía cálculo).

OXIDACIÓN / PÉRDIDA DE SECCION

También a partir del límite de los 700ºC empieza a aparecer oxidación en la superficie del acero y puntos de corrosión por picaduras del acero. Esto puede incluso derivar en una pérdida significativa de la sección resistente del acero.

Dado que estos fenómenos ocurren a la temperatura que se considera límite, son una buena forma de establecer un criterio de corte (siempre teniendo en cuenta que la oxidación o la corrosión por picaduras pueden haberse dado antes del incendio en sí, por otro motivos)

COLOR

La exposición a fuego excesiva tiende a volver al acero más grisáceo o blanquecino, pero si estuviera pintado, o en función de los elementos que se hayan quemado en el entorno, podría adquirir otras tonalidades más negruzcas (propias de la quema de residuos o combustibles fósiles, por ejemplo).

Detalle de afecciones estructurales tras incendios experimentales (Cardington, UK, Test nº4 – 1996). Foto: SCI

ANALISIS DE LABORATORIO

Los análisis más fiables son los de tipo destructivos, que nos permiten conocer el límite elástico y de rotura de un elemento sometido a fuego. La ventaja que presentan es que si mapeamos la afección del incendio en la estructura, y luego discriminamos zonalmente por tipo de perfil y grado de afección, podemos llegar a tener una idea muy precisa en cuanto a qué elementos debemos descartar y cuáles podemos mantener.

Si no se pueden hacer análisis destructivos, se podría recurrir a un análisis metalográfico in situ,. Mediante la comparación entre zonas afectadas y no afectadas, se pueda llegar a establecer si ha habido variaciones en la resistencia en las piezas.

Estos ensayos in situ tienden a ser poco conservadores, pero servirían al menos para discriminar sin duda las piezas que hayan sufrido un daño severo de las que no lo han sufrido.

CONSIDERACIONES FINALES

Pese a que podamos tener una estructura en la que no se detecte ningún efecto que la haga sospechosa de haber sobrepasado los 700ºC, tendremos que tener en cuenta también estos dos últimos aspectos:

  • La deformación remanente puede hacer inviable el cumplimiento del estado límite de servicio a futuro (dado que la deformación de cálculo no empieza de cero)
  • Aunque las deformaciones no sean muy significativas, es posible que en función de su uso estructural futuro, algunas piezas puedan fracasar. Un ejemplo claro sería el efecto del pandeo sobre una pieza en compresión que ya esté pre-deformada. Se recomienda desechar toda pieza deformada que vaya a soportar compresión o flexocompresión y que no esté perfectamente arriostrada a lo largo de su eje, por pequeña que sea la deformación observada.
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