Acero & Fuego – Parte 1

En el mundo de la ingeniería & construcción es un lugar común decir que las estructuras de acero tienden a “sufrir” cuando hay fuego.  Muchos casos de incendios en bodegas/galpones de acero terminan con colapsos estructurales, con vigas que alcanzan grandes deformaciones y caen hasta el piso. 

Dado el problema, en Chile y el mundo se han establecido normas y también toda una industria de productos de protección pasiva para el acero.  En esta serie de breves columnas intentaré explicar que hay detrás de este tema, sus causas, fundamentos, aristas técnicas, y cómo intentamos resolverlo desde un punto de vista normativo, y el rol de los productos de protección.

Para lo que nos interesa del comportamiento estructural, el incendio genera altas temperaturas, parte de la energía (calor) generada en la combustión se transmite hacia la estructura de acero, calentándola. En esta columna anterior vimos algunos fundamentos sobre el tema protección pasiva, en particular la curva estándar de incendio.

Dos de las propiedades mecánicas más relevantes del acero son afectadas al subir la temperatura: la tensión de fluencia (????_y) y el módulo de elasticidad (E) caen  fuertemente:

Simplificando la explicación: cuando cae _????y significa que el acero soporta menos carga.  Si por ejemplo un ingeniero estructural diseñó una columna que soporta hasta 10T, para una carga real de 6T, esa capacidad empieza a disminuir al calentarse el acero. Si la resistencia baja y llega a ser menor que la carga aplicada (6 T), entonces hay un posible colapso.  Por otra parte, al caer E aumentan las deformaciones dado que la carga aplicada es la misma (???? = E * ℇ).

Pero: ¿cuándo ocurre eso? y ¿a qué temperatura?: Como casi siempre, la respuesta es depende. En particular depende de que tanta carga tengan los elementos:

En un ejemplo extremo: si hay un elemento muy cargado, cercano a su capacidad máxima, cualquier pérdida de capacidad podría generar ese colapso, incluso con aumentos de temperatura pequeños, quizás el factor de seguridad era demasiado pequeño.  En el otro extremo: un elemento con muy poca carga podría soportar altas temperatura y mayores pérdidas de resistencia sin llegar a colapso, en este caso el elemento probablemente estaba “sobre diseñado”.

Los ingenieros estructurales diseñan tomando ciertos factores de seguridad (es decir:  resistencia > carga) y también tratando de usar el acero del modo más eficiente posible.  Dado eso, lo habitual es que el acero soporte temperaturas del orden de 500°C, que generan una pérdida de resistencia del orden del 40-50%, que a su vez cuadra con factores de seguridad típicamente usados.

La legislación Chilena² define para el acero una “temperatura crítica” de 500°C, y otras legislaciones usan valores de 538, 550 o 620°C con una lógica similar.

En resumen: el principal problema de las estructuras de acero es que el incendio calienta los elementos, y con eso disminuye su resistencia y aumentan las deformaciones. Para aumentos de temperatura muy altos se consume cualquier factor de seguridad del diseño y eso nos acerca a un posible colapso.

En la próxima columna veremos 2 temas complementarios respecto al acero: 

– Deformaciones por expansión térmica, y los efectos que esto produce, tanto es aumento de tensiones, pandeos y rotura de conexiones.

– Velocidad de calentamiento de los elementos: factor de masividad y relación con la caracterización de productos.

Referencias:

1. SFPE Handbook of fire protection engineering, Analytical Methods for Determining Fire Resistance of Steel Members, James Milke
2. NCh 935/1 Of.97; “Ensayo de Resistencia al Fuego –. Parte 1: Elementos de Construcción en General”.