Acero & Fuego – Parte 2

En la primera mitad de los 90’s se construyó en Santiago laTorre Telefónica, que por varios años fue el edificio más alto de Chile. La torre principal contempla dos núcleos de hormigón armado conectados por largas vigas inclinadas de acero.  El mito dice que, durante un día de verano, en etapa de montaje de una viga, notaron que esta no cabía, era algunos centímetros más larga de lo necesario.

En esta columna hablé de la pérdida de resistencia del acero al subir la temperatura, y como esto puede llevar al colapso estructural.  Hoy veremos un tema algo distinto pero que también forma parte del comportamiento del acero frente a incendios:

Expansión térmica

La historia del edificio Telefónica me la contaron algunos profesores de cuando estudiaba pregrado de Ingeniería Civil UC, a fines de los 90’s.  Lo que pasaba es que las vigas quedaban donde les llegaba el sol directamente, y en el caluroso verano de Santiago la radiación solar hacia que la temperatura de las vigas superase con holgura los 70°C.

La expansión o dilatación térmica es un fenómeno en que los materiales aumentan su volumen debido a aumentos de temperatura.  Para un elemento con una dimensión mucho mayor que las otras, como una viga o columna, una forma simplificada de cuantificarla es:

Para el acero, y a temperatura ambiente, el factor a_20ºC es de 0,012 mm/m°C.  Esto quiere decir que una viga de 30 m de largo, que aumenta su temperatura en 50°C se expande casi 2 cm.  Por eso la viga no cabía en su posición, y la solución fue mantenerlas a la sombra, “frías”, para evitar las dilataciones.

Si el elemento puede deformarse libremente, la deformación puede estimarse según la regla antes indicada, y algo importante: no hay generación de tensiones internas.

En el otro extremo teórico: si se impide la deformación térmica necesariamente el aumento de temperatura se traduce en un aumento de tensiones internas. No poder deformarse implica que se generan “cargas”:

El comportamiento de la estructura es algo más complejo que solo el cálculo de deformaciones.  Las vigas se conectan a columnas o muros que restringen en parte su deformación, y eso causa aumento de tensiones internas (equivalentes a cargas sobre la estructura), pero también siempre hay deformaciones que “reparten” tensiones/carga entre elementos y reducen en parte las posibles tensiones internas.  

2 efectos extras del mismo fenómeno de expansión térmica:

• Hay posibles pandeos térmicos locales asociados al aumento de tensiones por calentamiento con temperatura entre 150ºC – 200ºC .
• El calentamiento induce mayor tensión en conexiones (soldaduras/pernos) pudiendo también causar la rotura de ellas.

En resumen: el comportamiento de la estructura de acero es una compleja interacción entre pérdida de resistencia del acero, y deformaciones térmicas de los elementos que a su vez causan aumento de tensiones internas, posibles pandeos locales y rotura de conexiones.  

En la próxima columna veremos aspectos sobre la velocidad de calentamiento de los elementos, factor de masividad y como se caracterizan los productos de protección pasiva.