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Protección

contraincendios

del acero estructural Por Fernando Marín

Fotos: ThinkStock

¿Qué factores afectan la resistencia de un sistema de protección contraincendios para estructuras metálicas? ¿Cuáles estándares deben cumplir los materiales utilizados? ¿Qué tecnologías novedosas ofrece el mercado para salvaguardar la integridad del acero estructural?

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Construcción Metálica 15

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L

as edificaciones en acero estructural ofrecen muchas ventajas: son livianas, sismorresistentes y pueden construirse rápidamente. Sin embargo, dado que el acero es el elemento clave a la hora de soportar la carga estructural, es necesario proteger su integridad ante un incendio, de manera que se garanticen cuatro aspectos fundamentales: • La evacuación de los habitantes o residentes.

• La protección de los bomberos mientras desarrollan las maniobras de extinción.

• La contención del fuego al proveer una plataforma de acción de los sistemas antiincendios (como rociadores, muros cortafuegos…).

• La protección de bienes y equipos valiosos.

Si se busca una solución integral que dé respuesta a este tipo de siniestros, se deben incluir dos tipos de sistemas contraincendios: activos y pasivos.

1. Los sistemas activos son aquellos que emplean dispositivos automáticos o la acción humana para iniciar medidas para combatir el fuego –alertar a los ocupantes o atacar y suprimir el fuego–. Por ejemplo: • Sistemas de rociadores automáticos.

• Alarmas y sistemas de detección de humo y fuego.

• Sistemas de suministro de agua, gabinetes para mangueras y extintores.

2. Los sistemas pasivos son aquellos que operan sin necesidad de activación externa. Por ejemplo: • Limitación de la combustibilidad de productos al interior de las edificaciones (muebles, equipos, etcétera).

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• Diseño por áreas independientes, cada una con barreras contra humo y fuego, y puertas, ventanas y sellos contrafuego.

• Sistemas de recubrimiento con materiales de protección contrafuego que prevengan o retrasen el incremento de temperatura en los elementos estructurales.

Basados en el uso de la edificación, las autoridades locales o las compañías aseguradoras son las encargadas de determinar el nivel de protección contrafuego de los elementos estructurales –pisos, columnas, vigas y techos–. Estos últimos, antes de clasificarse en uno u otro nivel, requieren pruebas contrafuego en las que se somete el acero a temperaturas por encima de lo 1.100 °C hasta por 4 horas.

De hecho, existen varias pruebas internacionales que se emplean para evaluar la protección que se provee al acero en caso de un incendio. Cada una de ellas utiliza regímenes similares de duración y limitaciones de transferencia de calor.

Ahora bien, aunque el criterio para aceptar o rechazar un material de protección contrafuego difiere en cada prueba, el común denominador es que los termopares que miden el incremento de temperatura en el acero no alcancen o superen 540 °C durante la prueba.

Para poder ser usados como producto no combustible en la construcción, los materiales para proteger el acero deben proveer evidencias a las autoridades regulatorias de que el material ha sido “aprobado”, lo que le permite al producto obtener un nivel de resistencia al fuego, expresado usualmente en términos de horas de resistencia: 1, 1.5, 2, 3 y 4 horas.

El listado de certificaciones de una agencia de pruebas como Underwriters

Para poder ser usados como producto no combustible en la construcción, los materiales a los que se recurre para proteger el acero deben proveer evidencias a las autoridades regulatorias de que el material ha sido “aprobado”.

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Foto: cortesía Pedro Albornoz

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Laboratories (UL) provee información del diseño y espesor requerido para que cada elemento estructural cumpla con las horas de resistencia exigidas. Algunos ejemplos de pruebas comerciales incluyen: • Estados Unidos: UL 263, ASTM E119 • Reino Unido: BS 476 • Canadá: ULC-S101 En Colombia, la Norma NSR-10, Título J, especifica el nivel de protección contrafuego que debe tener una edificación, el cual depende de varios factores: • La clasificación de la edificación: comercial, institucional, lugares de reunión, residencial, almacenamiento, industrial y de alta peligrosidad.

• Área total construida.

• El potencial combustible.

• El número de pisos.

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Esta clasificación establece, en el caso colombiano, que las edificaciones deben tener un nivel de protección para 0, 1, 1.5 y 2 horas de resistencia al fuego. La tabla 1 resume las exigencias de la norma NSR-10 en horas de protección.

En las aplicaciones diseñadas para uso exclusivo en el sector hidrocarburos y en plataformas petroleras y túneles, las pruebas de resistencia al fuego utilizan para los ensayos temperaturas más elevadas, al igual que incrementos de temperatura mucho más rápidos.

Algunos ejemplos de las pruebas para fuegos por hidrocarburos incluyen: • Estados Unidos: UL 1709 • Holanda: RWS • Reino Unido: BS 476 Part 24

Tecnologías de protección Actualmente existen varias tecnologías disponibles para proteger al acero estructural durante un incendio. Estas emplean distintos métodos para lograr distintos niveles de protección e incluyen materiales de aplicación directa que proveen aislamiento térmico al acero, membranas de protección, y otros sistemas de defensa activos que bloquean la radiación o circulan agua para bajar la temperatura de la estructura.

El espesor requerido en el producto de protección contrafuego depende del tamaño del componente estructural que vaya a protegerse. Así, elementos con secciones transversales más grandes, largas o pesadas pueden requerir menor cantidad de aislamiento que elementos menores –y por ende un nivel diferente en horas de resistencia–.

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tabla 1. Resumen Norma NSR -10 Título J, Requisitos de protección contrafuego en edificaciones Grupo y subgrupo de ocupación

Clasificación

C

Comercial

C-1

Servicios

C-2

Bienes

I

Institucional

I-1

Reclusión

I-2

I-3

I-4

Salud o incapacidad

Educación

Seguridad pública

Área total construida At, m2

# de pisos 1

2

3

4

5

6

>=7

# horas de resistencia At>1500

1,0

1,0

1,5

1,5

1,5

2,0

2,0

At<1500

1,0

1,0

1,0

1,5

1,5

1,5

2,0

At>500

1,5

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2,0

1,5

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At<500 500<At>1000

1,5

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At<500

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1,5

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2,0

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At>1000

1,0

1,5

1,5

2,0

2,0

2,0

2,0

500<At>1000

1,0

1,0

1,5

1,5

2,0

2,0

2,0

At<500

1,0

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1,5

2,0

At>1000

1,5

1,5

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

1,0

1,5

1,5

2,0

2,0

2,0

At<1000 At>1000

1,0

1,5

1,5

2,0

2,0

2,0

2,0

500<At>1000

1,0

1,0

1,5

1,5

2,0

2,0

2,0

At<500

1,0

1,0

1,0

1,5

1,5

1,5

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500<At>1000

1,5

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2,0

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At<500

1,0

1,0

1,5

1,5

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2,0

2,0

I-5

Servicio público

L

Lugares de reunión

L-1

Deportivos

At>1000

1,5

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

L-2

Culturales y teatros

At>1000

1,5

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

L-3

Sociales y recreativos

At>1000

1,5

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

L-4

Religiosos

At>1000

1,5

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

500<At>1000

1,5

1,5

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

At<500

1,0

1,0

1,5

1,5

2,0

2,0

2,0 2,0

L-5

De transporte

R

Residencial

R-1

Unifamiliar y bifamiliar

R-2

Multifamiliar

R-3

Hotel

A

Almacenamiento

A-1

Riesgo moderado

A-2 F

F-1

F-2

P

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Riesgo bajo

Unidades > 140 m2

1,5

2,0

2,0

Unidades < 140 m2

1,0

1,5

1,5

2,0

Unidades > 140 m2

1,5

2,0

2,0

2,0

1,0

1,5

1,5

2,0

At> 5000 m2

1,0

1,5

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

At< 5000 m2

1,0

1,5

1,5

1,5

2,0

2,0

2,0

Cc>8000

1,5

1,5

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

4000<Cc<8000

1,0

1,5

1,5

2,0

2,0

2,0

2,0

Cc<4000

1,0

1,0

1,0

1,5

2,0

2,0

2,0

Cc>8000

1,5

1,5

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

4000<Cc<8000

1,0

1,5

1,5

2,0

2,0

2,0

2,0

Cc<4000

1,0

1,0

1,0

1,5

2,0

2,0

2,0

Cc>8000

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

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4000<Cc<8000

1,5

1,5

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2000<Cc<4000

1,0

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1,5

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2,0

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Cc<2000

1,0

1,0

1,5

1,5

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Cc>8000

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

4000<Cc<8000

1,5

1,5

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2,0

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2,0

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2000<Cc<4000

1,0

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1,5

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2,0

2,0

Cc<2000

1,0

1,0

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1,5

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Cc>8000

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2,0

2,0

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2,0

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4000<Cc<8000

1,5

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2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

Cc<4000

1,0

1,5

1,5

2,0

2,0

2,0

2,0

Unidades < 140 m2

Potencial combustible Cc(Mj/m2)

Fabril e Industrial

Riesgo moderado

Riesgo bajo

Alta peligrosidad

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Adicional al desempeño bajo fuego, se debe poner especial atención a las propiedades físicas y a la vida útil del sistema seleccionado. Estas son las principales pruebas realizadas para medir las propiedades físicas del material con su norma respectiva: Prueba Fuerza de adherencia Resistencia a compresión Deflexión Resistencia al impacto Erosión por el aire Resistencia a la corrosión Combustibilidad Resistencia al moho

Norma ASTM E736 ASTM E761 ASTM E759 ASTM E760 ASTM E859 ASTM E937 ASTM E1354/ASTM E136 ASTM G21

Materiales aislantes La aplicación de materiales aislantes es uno de los métodos más comunes de protección contrafuego. Estos protegen la estructura metálica de la exposición al fuego y ofrecen también propiedades de baja conducción de calor, de tal manera que se incrementa el tiempo requerido para transferir calor al elemento estructural. En el pasado se usaba hormigón, ladrillo, azulejo y asbesto, ya que se desempeñaban bien a temperaturas elevadas; en la actualidad, las pinturas intumescentes han ganado terreno.

de acero con una relación directa entre el espesor del hormigón y la cantidad de horas de protección. La principal ventaja de su uso es su durabilidad: este material se comporta muy bien en entornos donde se requiere excelente resistencia al ataque físico y del medioambiente: parqueaderos, estructuras externas de plataformas de perforación petrolera y bodegas.

Este material puede ser usado para proporcionar protección contraincendios tanto en infraestructura de uso comercial como de hidrocarburos. Además, ha mostrado un excelente rendimiento en las múltiples pruebas ASTM mencionadas anteriormente y se puede esperar que permanezca en su sitio durante la vida útil del edificio.

El uso del hormigón como un agente ignífugo ha disminuido notablemente en los últimos años por una serie de razones, entre ellas los elevados costos de instalación y que, por su mayor peso, exige un reforzamiento de la edificación que redunda en sobrecostos.

• Sistema de entamborado mediante paneles Los paneles son típicamente elaborados a partir de silicato de calcio, yeso o de fibra mineral con resina o yeso, y pueden contener rellenos livianos entre los que se incluye la vermiculita. Dichos paneles normalmente vienen con un marco metálico o de madera.

El tipo más común de panel de aislamiento empleado lo constituye el panel yeso. Este material –liviano y fácil de instalar– se utiliza por su apariencia limpia y porque puede ser pintado y decorado ajustándose al diseño.

El yeso es un aislante barato y de muy buen desempeño. Como contiene un alto porcentaje de agua, enfría tempranamente al acero durante un incendio; además, hace falta una gran cantidad de energía para deshidratar y evaporar dicha agua.

Los principales inconvenientes de la utilización de paneles de yeso son su costo y la necesidad de un mantenimiento regular.

Hasta ahora, no se le han realizado prue-

A continuación se discutirán algunas de las tecnologías más populares de aislamiento para proteger los elementos estructurales, que se utilizan típicamente en los edificios comerciales, residenciales, hospitales, fábricas y escuelas. El desempeño de cada sistema depende también de un número de factores, donde se incluyen la instalación y el método de fijación.

• Concreto u hormigón Uno de los métodos de protección de mayor acogida consiste en el encapsulamiento del acero en hormigón. Como buen aislante térmico, el hormigón impide la transmisión de calor a los elementos

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Existen pinturas intumescentes que se pueden utilizar para protección contraincendios ocasionados por hidrocarburos, pues contienen dos partes de elemento epóxico.

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El uso del hormigón como un agente ignífugo ha disminuido notablemente en los últimos años por una serie de razones, entre ellas los elevados costos de instalación y que, por su mayor peso, exige un reforzamiento de la edificación.

contraincendios. Los materiales cementicios aplicados por aspersión suelen ser productos base cemento o yeso, con un agregado de peso ligero –vermiculita, perlita o perlas de poliestireno expandido– que tiene algún tipo de refuerzo en fibra. Los materiales ignífugos aplicados por aspersión son uno de los medios más económicos para proteger los elementos estructurales.

bas sobre su resistencia al fuego proveniente de hidrocarburos.

• Fibra mineral Los sistemas tipo fibra mineral son comúnmente hechos de lana mineral, la cual se mezcla con cemento y otros aglutinantes y aceites. A menudo, este material se emplea como aislante térmico, así como para la protección contraincendios. Estos sistemas no son humedecidos durante la instalación y son de bajo costo, pero no son estéticamente agradables, por lo que no suelen utilizarse cuando la estructura queda expuesta.

Históricamente, la fibra mineral no ha sido probada para evaluar su nivel de resistencia al fuego por hidrocarburos. Los productos de fibra mineral tienen propiedades físicas muy pobres y existen reportes de que tienden a secarse y desprenderse del acero a través del tiempo. Se puede esperar que el producto permanezca en su lugar durante el tiempo de vida de la estructura, obviamente, si este ha sido debidamente instalado y sometido a mantenimiento preventivo.

• Material cementicio de aplicación por aspersión Es el material más utilizado en la protección

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Entre sus ventajas se cuentan: facilidad de aplicación, durabilidad, bajo peso y menores costos totales. Sin embargo, pueden necesitar una instalación en húmedo y una posible sobreaplicación.

Los materiales ignífugos aplicados por aspersión pueden ser utilizados para proporcionar protección celulósica contraincendios, por hidrocarburos y tipo chorro, y tienen un desempeño excelente en comparación con los productos de fibra mineral.

• Pinturas intumescentes Las pinturas intumescentes son la mayor novedad en la protección del acero estructural.

Estas se ven y sienten como pintura normal, pero reaccionan en presencia de calor y forman una capa aislante, que protege al acero de los efectos del calor. Las intumescentes pueden expandirse hasta 30 veces su espesor inicial durante una prueba estándar de fuego. Una falla de reacción de la intumescente que no forme la capa aislante durante un incendio puede dar como resultado la falla prematura del acero.

Hay dos tipos principales de estas pinturas: 1. Las intumescentes basadas en disolventes que se utilizan normalmente para aplicaciones exteriores y se prueban contra las inclemencias del tiempo y las

variaciones de temperatura. También se utilizan, en ocasiones, para algunas aplicaciones interiores.

2. Las intumescentes base agua son empleadas principalmente en aplicaciones interiores porque tienen menos olor, pero también son menos resistentes a la intemperie y ofrecen una menor duración.

Entre sus ventajas se incluyen la facilidad y el bajo costo de instalación, y la alta durabilidad y estética excelentes, condiciones que permiten al arquitecto mostrar el diseño del acero en el edificio.

Las desventajas incluyen el mayor costo del material, la necesidad de un programa de mantenimiento intensivo y que, por su mayor valor, ha habido informes de fraudes donde se ha sustituido la pintura intumescente por pintura común.

Existen pinturas intumescentes que se pueden utilizar para proporcionar protección contraincendios ocasionados por hidrocarburos, pues contienen dos partes de elemento epóxico. Este tipo de intumescente es utilizada en ambientes hostiles, donde pueden ocurrir altos niveles de daño. Como es de esperarse, es más costosa y difícil de aplicar que los otros tipos de pinturas intumescentes.

Por último, cabe mencionar otros tipos menos comunes de protección contraincendios: uso de varias capas de hormigón, empleo de acero resistente al fuego, uso de tubos rellenos de hormigón o agua, bloqueo de la radiación, escudos antillamas y techos de yeso.

Fernando Marín Director comercial Ingestructuras

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