Arquitectura en acero

Presentación del problema

El riesgo de incendio es una constante en todo tipo de edificaciones y depende de una gran variedad de aspectos, entre otros, la estructura y sus materiales predominantes, la forma y la ventilación, el contenido del edificio y la carga combustible que representa. Siendo el acero un material de construcción considerado “no combustible” presenta, sin embargo algunas características que hacen necesaria su protección frente a la acción del fuego. En general, toda la legislación relativa a la protección de las estructuras frente al fuego, responde a los siguientes criterios:

 

• Proteger la vida de los ocupantes, lo que usualmente se traduce en normativas relacionadas a la evacuación y salvamento de ellos.
• Proteger las construcciones y permitir el eficaz combate del incendio.
• Proteger las edificaciones vecinas y el espacio público.

 

Existen dos tipos de protección al fuego que corresponden a dos conceptos diferentes que son recogidos con diversa profundidad en las reglamentaciones de cada país, por lo que se deberá siempre, consultar la normativa específica del lugar de emplazamiento del proyecto. Ellas son:

Protección activa, conformada por sistemas y dispositivos de detección (de humo, temperatura, etc.) que activan sistemas de alarmas y combate del fuego, como rociadores de agua, espumas, gases, etc. Su eficacia radica en que permiten la detección y combate temprano del conato de incendio.

Protección pasiva, basada en elementos de construcción que, por sus condiciones físicas, aíslan la estructura de un edificio de los efectos del fuego durante un determinado lapso de tiempo. En general, las reglamentaciones vigentes especifican un determinado tiempo de resistencia al fuego a diferentes elementos constitutivos de una edificación, tiempo que se mide en minutos (15; 30; 60; 120; 120; 150 y 180).

El desarrollo de las temperaturas en un incendio, conocido por el “incendio-patrón” se ajusta a la curva recomendada por ISO y adoptada por ASTM a principios del siglo XX y muestra un importante aumento de la temperatura en los primeros minutos, alcanzando.

 

Por otra parte, es sabido que el acero pierde gradualmente su resistencia a partir de los 300ºC hasta alcanzar aproximadamente el 60% de su resistencia inicial a los 550ºC.

Es básicamente por esta razón que las estructuras de acero deben protegerse de la acción del fuego. El tiempo que demora un material en aumentar su temperatura depende de su conductividad térmica. El acero es un material conductor, por lo que recibe un mayor flujo de calor que eleva su temperatura. Sin embargo, elementos masivos, de mayor inercia térmica, tienen aumentos más lentos de temperatura. El factor de forma o masividad es la razón entre el perímetro de un perfil expuesto al incendio (en metros) y su sección transversal (en m2), P/A y se expresa en m-¹. A mayor factor de masividad, más rápidamente aumenta la temperatura de los elementos de expuestos a la acción del incendio.

Ejemplo: 

Perfil tubular A = 200 x 200 x 2mm à masividad 504m-¹

Perfil Tubular B = 200 x 200 x 10mm à masividad 104m-¹

Muchos países han normalizado la resistencia al fuego exigible a los elementos constitutivos de la construcción en función del uso o destino del edificio (habitacional, educacional, comercial, etc.), la superficie construida y la altura de edificación. También se regula según otras dos variables importantes, que son la carga de ocupación (la cantidad de ocupantes previstos del edificio, de acuerdo a una tabla que establece una relación base de superficie por ocupantes dependiendo de la actividad) y la densidad de carga combustible (que analiza la carga combustible por unidad de superficie). 

Sin perjuicio de que existen estrategias de diseño que contribuyen a mejorar el comportamiento de un edificio frente a un incendio, como la compartimentación horizontal y vertical en base a elementos de alta resistencia al fuego, en los ejemplos que siguen se mostrarán algunas de las soluciones más frecuentes para lograr la resistencia al fuego de elementos estructurales de acero.

 

2. Soluciones

a. Protección Sólida: rodear el elemento estructural con hormigón corriente o de baja densidad, asumiendo que el hormigón no cumple función estructural sino sólo aporta resistencia al fuego. El espesor del recubrimiento de hormigón dependerá de la resistencia al fuego requerida para el elemento estructural.

 

Ventajas: se logra alta resistencia al fuego (dependiendo del recubrimiento); con una adecuada faena de encofrados se puede coordinar el avance de montaje y protección. 

Desventajas: peso y volumen.

Esta solución también es posible de aplicar dejando los elementos de acero parcialmente expuestos (por ejemplo aplicando hormigón sólo en el interior de las alas, lo que reduce el uso de encofrados o moldajes.

b. Recubrimientos con albañilerías: solución frecuentemente aplicada en las construcciones de fines del siglo XIX en Chicago. 

Ventajas: se logra alta protección al fuego. 

Desventajas: ocupa espacio; es trabajo relativamente artesanal; se debe considerar efectos del sismo.

c. Otros recubrimientos macizos no convencionales: bloques de hormigón celular, bloques de hormigón corrientes, paneles pre-moldeados de hormigón son solo algunas de las alternativas que se pueden desarrollar a partir de elementos macizos.

d. Recubrimiento con planchas: El recubrimiento con planchas en forma de cajón en torno a los elementos de acero a proteger es una solución aplicada crecientemente. Normalmente se utilizan planchas de yeso cartón normal o con agregados que mejoran su resistencia al fuego (muchas veces denominadas planchas RF) o variantes de ellas, como las planchas de fibrosilicatos. 

Ventajas: faena seca; liviana; acabado liso para recibir pintura. 

Desventajas: en elementos de geometría compleja o en conexiones su instalación es dificultosa.

El espesor del recubrimiento de planchas dependerá de las características de la plancha a utilizar y de la resistencia al fuego requerida para el elemento estructural.

e. Morteros: Existen diversas soluciones de aplicación de morteros, ya sea tradicionales o con aditivos (como perlita o vermiculita) que se aplican siguiendo el contorno de los perfiles a proteger y que mejoran sensiblemente su resistencia al fuego. Debido al riesgo para la salud, en muchos países ya está prohibido el uso del asbesto que fue una solución ampliamente aplicada a mediados del siglo pasado. En el caso de aplicaciones tradicionales se deben considerar mallas o elementos de anclaje mecánico que mejoren la adherencia entre el mortero y el acero. También se aplica en forma de spray o mortero proyectado. El espesor del recubrimiento dependerá de las características del mortero a utilizar y de la resistencia al fuego requerida para el elemento estructural.

Ventajas: su aplicación sigue la geometría del elemento permitiendo un control preciso de los espesores, agregando escaso volumen y masa a la estructura; la aplicación se puede hacer parcialmente en taller. 

Desventajas: control de la adherencia mortero-acero; aplicación tradicional es laboriosa e intensiva en mano de obra; ocasionalmente la aplicación proyectada deja una terminación rugosa algo rústica.

f. Filmes o mantas: Existen mantas de fibra cerámica y de lana de roca (lana mineral) que se pueden aplicar en recubrimientos de tipo cajón o de contorno de los perfiles a proteger. En aplicaciones de contorno se fijan mecánicamente al elemento de acero mediante tacos soldados y arandelas, a un distanciamiento no superior a 300mm en todos los sentidos. Aplicaciones tipo cajón son más económicas, pero no deben usarse en perfiles de almas superiores a 150mm sin el uso de una malla auxiliar de fijación que evite las deformaciones y apertura de los encuentros o empalmes. 

Ventajas: son livianas; faena seca. 

Desventajas: instalación laboriosa; riesgo de rotura de la manta en la manipulación; acabado a la vista afecta la presentación.

g. Pinturas intumescentes: son pinturas inertes a bajas temperaturas pero que reaccionan a temperaturas superiores a los 200ºC 

generando una película protectora en forma de esponja que aumenta hasta 50 veces su espesor inicial otorgando una importante aislación térmica que mejora la resistencia al fuego del elemento protegido. En algunos países la aplicación de las pinturas intumescentes está limitada a un cierto rango de resistencia al fuego exigible y a una masividad mínima del elemento a proteger. Debe ser aplicada sobre pintura base y ser protegida con pintura de terminación, especialmente si se aplica en elementos expuestos a la intemperie, debido a que se degrada en presencia de agua. 

Ventajas: de todas las soluciones descritas, es la única que permite expresar la estructura de acero en toda su calidad. 

Desventajas: son relativamente caras; controlar las posibles limitaciones de masividad y de resistencia exigida; durabilidad o garantía limitada, se debe repintar.

h. Relleno de miembros huecos: con frecuencia se puede aprovechar el espacio interior de los perfiles tubulares para rellenarlos con elementos que actúen como masa térmica absorbiendo parte de la energía del calor proveniente del incendio. Hay experiencias con hormigones, hormigón celular e incluso agua (en este último caso asociado a sistemas de recirculación y enfriamiento del agua).

i. Estructuras Externas: En general, los riesgos de incendio provienen del interior de las edificaciones, por lo que se deben cuidar especialmente las estructuras que están confinadas al espacio interior. Una solución interesante es llevar la estructura soportante (o parte de ella) al exterior del edificio, limitando o reduciendo los requerimientos de protección pasiva. Unida a esta estrategia se puede agregar el concepto de pantallas, que se explica en el punto siguiente.

Ventajas: oportunidad de usar expresivamente la estructura en el diseño del edificio. 

Desventajas: dependiendo de la agresividad del medio, se deben considerar protecciones contra la corrosión u otros agentes.

 

j. Pantallas: Las tabiquerías interiores y/o perimetrales de un edificio así como los cielos falsos ofrecen la oportunidad de aportar protección frente al fuego en la medida que puedan asegurar la integridad, el aislamiento y la estabilidad del conjunto.

Con todo, como lo destaca el prof. J.L.Torero, en la ingeniería está hoy radicado el conocimiento y la capacidad para trabajar con rangos más precisos en el estudio del comportamiento del material expuesto a la temperatura. Este saber permite, también, reducir costos más allá de los ejemplos de soluciones propuestas, las diferentes normas existentes y  las sugerencias de los proveedores de sistemas de protección. Esta es la forma mediante la cual se han podido diseñar edificios como los de los Juegos Olímpicos de Beijing donde la Ingeniería Contra Incendios junto con la normativa han sido aplicadas como herramientas y no sólo como obstáculos.

 

3. Bibliografía recomendada y reglamentaciones

• Estructuras de Acero: conceptos técnicas y lenguaje; Andrade de Mattos Días, Luis; Zigurate editora e Comercial Ltda. ILAFA, marzo 2006.
• Arquitectura y Acero; Borgheresi, Horacio y Pfenniger, Francis; Instituto Chileno del Acero ICHA; Santiago de Chile 2002.
• Protección contra el Fuego de Estructuras de Acero; Corporación Instituto Chileno del Acero; Santiago de Chile, marzo 2007.
• Torero, José Luis; Protección contra incendios: ¿Obstáculo u oportunidad? La historia de una transformación tecnológica  (versión no literal, tomada de la conferencia dictada durante el Congreso ILAFA-50, en la ciu­dad de Quito).

AISC tiene una serie de documentos de interés para arquitectos e ingenieros. En esta carpeta se encuentran disponibles algunos de ellos. Material adicional se puede encontrar aquí.