Lo que debemos de saber sobre el comportamiento del acero a altas temperaturas

Lo que debemos de saber sobre el comportamiento del acero a altas temperaturas

Uno de los temas más importantes que debemos de tomar en cuenta cuando diseñamos estructuras metálicas es la influencia que la temperatura tiene sobre el acero. En este sentido debemos tomar en consideración que las propiedades mecánicas del acero no son las mismas a 20º Celsius (temperatura que se suele utilizar de referencia para el diseño de estructuras metálicas) o la que pueda tener a 200º Celsius, 400º Celsius, o hasta 1000º Celsius. De hecho, según varios estudios realizados en base a diferentes normas el acero estructural colapsa al alcanzar los 538º Celsius

Si tenemos en cuenta que la combustión consta de tres etapas:

Precalentamiento: en esta etapa la fuente de calor eleva la temperatura del combustible. Cuando alcanza los 100º Celsius comienza a perder humedad en forma de vapor de agua. Con una temperatura cercana a los 200º Celsius los compuestos volátiles de las resinas comienzan a evaporarse.

Combustión de los gases: Al llegar la temperatura hasta los 300º o 400º Celsius se inicia la gasificación de los componentes estructurales y la ignición del material combustible. La temperatura sigue en aumento hasta los 500º / 600º C momento en que la combustión continúa por sí sola aún si se retirara la fuente de calor.

Por lo anterior podemos notar que una temperatura de 538º Celsius es fácil de alcanzar en incendios en edificios y naves industriales donde se concentre químicos o combustibles inflamables, por lo general esa temperatura puede alcanzarse hasta en 5 minutos de originarse un incendio.

Curva normalizada Temperatura - Tiempo de un incendio
Figura 1. Curva normalizada Temperatura - Tiempo de un incendio

No obstante, antes de producirse el fallo estructural, las propiedades mecánicas del acero van variando gradualmente conforme se va produciendo el aumento de la temperatura, a altas temperaturas debemos considerar que el acero tiende a expandirse y a reducir su punto de flexión, por lo que no solo debemos considerar 538 grados como el punto de mayor riesgo, sino que también debemos de considerar otros factores del proyecto que se puedan ver afectados por las modificaciones en el acero.

El acero suele ser un buen conductor térmico por lo que el mal análisis de riesgos o una mal aplicación del sistema retardante al fuego podría propiciar la propagación del fuego en otros lugares del edificio.   También algunos expertos en el acero sugieren que siempre debemos considerar 500 grados Celsius como el punto de fallo estructural del acero.

Existen tres tipos de soluciones que se consideran cuando se diseña una estructura que debe de tener resistencia al fuego considerable:

La primera es el uso de Morteros que estén compuestos por perlita, vermiculita o lana de roca mezclados con aditivos específicos que le dan cualidades resistentes al fuego.  Normalmente una solución de este tipo puede presentar hasta 4 horas de resistencia al fuego y ésta dependerá del espesor de las capas que se apliquen sobre la estructura. Es importante considerar que si aplicamos este sistema normalmente obtendremos un acabado rugoso, lo que no siempre es bueno si se quiere respetar el diseño arquitectónico del edificio.

Otro sistema que es muy común al construir naves industriales es envolver la estructura con paneles a base de lana mineral resistente al fuego, ésta normalmente actúa como un retardante, suelen ser te hasta 2 o 3 pulgadas y se van consumiendo poco a poco mientras están en contacto con el fuego. Su objetivo es dar suficiente tiempo a los bomberos para que puedan llegar al siniestro y controlar el fuego antes de que la estructura colapse.

Esta opción, aunque es muy elegante y de fácil instalación suele ser en una solución cara ya que el precio se considera por m2 y suele ser mucho más caro que la estructura por si sola, por lo que solo se usa en ciertas aplicaciones, es normal utilizar paneles de lana mineral para naves de fundición y producción de energía eléctrica a base de ciclo combinado. Este tipo de paneles además de presentar las características mencionadas también suelen ser buenos aislantes térmicos por lo que también se utilizan como aislante térmico.

Por último, el sistema más utilizado para proteger la estructura metálica en naves industriales y edificios es la aplicación de pinturas intumescentes.

Entre las soluciones que existen para ofrecer protección al acero en contra del fuego esta puede ser la más estética ya que no implica ninguna modificación a la geometría ni dimensiones de los elementos donde se aplica la pintura. Cuando apliquemos estos sistemas es importante que consideremos que el tiempo de tolerancia que presentan al fuego dependerá en gran medida del tipo de pintura y el espesor que apliquemos. Cuando utilizamos este tipo de sistemas podemos ver un incremento considerable el costo de la estructura llegando a ser casi del mismo valor que el precio del acero.

Aunque en México suele ser raro el uso de retardantes al fuego normalmente se deben utilizar en naves industriales que emplean el manejo de químicos y procesos que tengan riesgos de fuego. También se pueden utilizar en edificios residenciales y hoteles, aunque su uso depende en gran medida del análisis de riesgos de cada proyecto, las medidas adicionales que se propongan para controlar el fuego y los lineamientos locales de protección civil.

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