PRFV (GFRP) FRENTE AL FUEGO

Autores: Ing. Luis Enrique Zepeda Morales, Egresado de la UDLAP y Analista de estructuras fabricadas con PRFV y Paneles./ Ing. Juan A. Sánchez Hernández, Egresado del Instituto Tecnológico de Tapachula y Analista de estructuras reforzadas de con acero y con PRFV.

En caso de incendio en un edificio, la naturaleza de los elementos y materiales que integran su construcción y su contenido influyen decisivamente en el inicio, desarrollo y propagación del fuego, y pueden determinar el tiempo disponible para la evacuación de sus ocupantes y el alcance de los daños materiales.

Una vez que comienza el incendio, las medidas de protección pasiva ralentizan y contienen el fuego en el recinto de origen, lo que permite la acción combinada de medios de protección activa y la intervención de brigadas de emergencia.

Normalmente, el fuego se desarrolla siguiendo una serie de fases comunes en todos los casos:

1) Fase I. Según aumenta la temperatura el combustible comienza a desprender partículas invisibles al ojo humano.

2) Fase II. La concentración de partículas que se desprenden del material forma humos y vapores que ya son visibles.

3) Fase III. En presencia de la cantidad de oxígeno necesaria los vapores se transforman en llamas, con gran aumento de humos y desprendimiento de calor.

4) Fase IV. Los gases y vapores desprendidos, en determinadas proporciones, pueden provocar explosiones, al igual que los líquidos o los sólidos combustibles pulverizados, presentes en el ambiente.

El punto de crecimiento álgido al inicio de la fase III (Aprox. 300°C) es conocido con el nombre de Flashover, también llamado Combustión Súbita Generalizada. Se trata de la transición de un incendio, de su fase de desarrollo a la fase de incendio totalmente desarrollado, en la cual la liberación de energía térmica es la máxima posible, en función del combustible que se ve implicado en el mismo.

Después del flashover, el fuego alcanza su punto máximo y empieza a decaer, puesto que se ha consumido la mayor parte del material combustible. Entonces, la reacción se hace más lenta y llega al punto de pararse por ella misma. Si un incendio llega a la fase de flashover, es prácticamente imposible de extinguir hasta que no llegue a la fase IV. Durante este tiempo, los esfuerzos del equipo de extinción suelen centrarse exclusivamente en evitar que el fuego llegue a otras zonas colindantes no afectadas.

El fuego tiene tres medios de propagarse a lo largo y ancho de una estructura:

  1. Radiación.
  2. Convección.
  3. Conducción.

El parámetro que mide la facilidad de dicho avance es la conductibilidad del material. De aquí la importancia de la conductibilidad de los materiales en la propagación de los incendios, puesto que pueden retardar de forma muy significativa la propagación del incendio, aumentando sus probabilidades de extinción, una de las ventajas del PRFV ante el acero es que las fallas suelen ser más locales, aunque un colapso estructural afecta también a lo subyacente.

El comportamiento frente al fuego del concreto armado con acero se ha estudiado extensamente en la literatura. El concreto tiene comparativamente una baja conductividad térmica, y los elementos de concreto pueden lograr, en consecuencia, altos índices de resistencia al fuego sin ninguna protección adicional.

Pese a que en aplicaciones estructurales con armadura interna de PRF, protegida de la combustión por el recubrimiento de concreto, se ha demostrado que existe  pérdida de adherencia a temperaturas mayores que la crítica de la matriz del polímero, las propiedades transversales suelen ser las más afectadas por las elevadas temperaturas que las longitudinales, debido a que la fibra resulta parcialmente inmune al calor. De hecho cuando las capas periféricas pierden totalmente su resina debido a la combustión, las fibras restantes actúan como una capa aislante para el material subyacente (Sorathia et al.2001). Esto fué corroborado posteriormente por Correia et al. (2013), que argumenta que las propiedades mecánicas (rigidez y Resistencia) en compresión y corte del material PRFV (GFRP) (las cuales están relacionadas a la matriz polimérica) resultan más afectadas por el aumento de la temperatura que las propiedades en tracción (cuya capacidad está ligada a las fibras).

Los estudios, también han evidenciado que una adecuada resistencia al fuego para los elementos de concreto armado está asegurada generalmente si se proporciona unas dimensiones mínimas a la sección y un recubrimiento suficiente de la armadura de acero o PRFV. El recubrimiento de concreto aísla al armado interno, y asegura que no exceda de los límites prescritos en la conclusión.

La temperatura crítica de las estructuras de concreto armado con acero se ha establecido en los 300°C-593°C, sin embargo, tales temperaturas críticas no se han establecido para la mayoría de las varillas de PRF disponibles en la actualidad, aunque ampliamente se considera que están en el rango de 120-300°C, resultando difícil en la mayoría de los casos establecer unos recubrimientos mínimos que garanticen un adecuado rendimiento a fuego.

NEFCOM Corporation (1998) llevó a cabo ensayos de fuego de losas de concreto bajo un estado de cargas dado, armadas con emparrillados de PRFV (GFRP) y  CFRP. Se observó que la deformación de las losas aumentaba dramáticamente cuando la temperatura en la parte inferior del armado alcanzaba los 600°C. No obstante los autores concluyeron que no había ninguna diferencia reconocible en la deformación debida al fuego entre las losas armadas con FRP o con acero, y que dichas losas podían alcanzar resistencias a fuego de una hora bajo un estado de carga de 2.90 kN/m2.

De acuerdo a la curva de temperatura Vs. Tiempo, normalmente aceptada por algunos reglamentos, la temperatura en un incendio, suele comportarse según la gráfica anexa, lo cual tanto en el caso de acero o de PRFV, nos darían tiempos menores a los 30 minutos, para lograr una evacuación exitosa.

Tf =345 Log10 (8 t + 1) + To

Siendo:

Tf – Temperatura media del horno en grados Centígrados.

To – Temperatura inicial en Grados Centígrados.

t  – es el tiempo, en min.

El incendio normalizado es un incendio teórico, cuya representación es una curva normalizada temperatura-tiempo. Que nos proporciona un valor de temperatura en función del tiempo transcurrido desde en inicio de dicho incendio.

Abassi & Hogg (2004) ensayaron vigas de concreto armado con PRFV, bajo un estado de cargas dado. La armadura a flexión de las vigas consistía en barras longitudinales de PRFV, existiendo además armadura de cortante de PRFV en algunas de ellas. Las vigas lograron resistencias a fuego de más de 1,5 h. a pesar que el redondo de PRFV alcanzó temperaturas tan altas como 462°C antes del colapso. Los autores del ensayo atribuyeron el alto rendimiento a fuego que estas vigas presentaron al recubrimiento de concreto de 70 mm que tenía el armado de PRFV.

Kodur & Bisby (2005) presentaron los resultados del estudio experimental y analítico del comportamiento a fuego de losas de concreto armadas con barras de acero, de PRF de vidrio o de carbono. Realizaron las pruebas a una serie de losas de concreto armado con acero y con FRP, bajo un estado de cargas de peso propio, y aplicando la curva normalizada de fuego. Aplicaron el modelo de transferencia de calor dado por Kodur & Baingo, demostrando que concordaba satisfactoriamente con los resultados de las pruebas. Este estudio constataba que la reacción al fuego y el comportamiento cualitativo de transferencia de calor de las losas de concreto armado con FRP era similar al de losas armadas con acero. Sin embargo, las losas armadas con PRF tenían una menor resistencia al fuego que las de acero (definiendo resistencia a fuego en términos de temperatura critica, de 250°C para CFRP y 325°C para PRFV, asumiendo como válidos los datos presentados por Wang et al. (2003)).

Correia, 2004, cuando los materiales FRP están expuestos a temperaturas moderadamente elevadas (100-200 °C), se reblandecen y sus propiedades mecánicas (rigidez y Resistencia) son considerablemente reducidas. Cuando estos materiales son expuestos a temperaturas elevadas (300-500 °C), la matriz polimérica se descompone, liberando calor, humo, hollín y gases volátiles tóxicos.

Almerich Ch. Ana I. (2009) en su Tesis Doctoral, “Diseño, según estados límites, de estructuras de concreto armado con barras de fibra de vidrio PRF basado en lo expuesto por (Rovira, 2009), desarrolló en el departamento de Mecánica de Medios Continuos de la UPV, un modelo apoyado en computadora mediante el software Heat Transfer del programa informático COMSOL v.3.2, considerando las propiedades del acero y el PRFV, y el ensayo directo de pilares y losas armadas de PRFV con diferentes espesores de recubrimiento, obteniendo lo siguiente:

  • Su comportamiento a fuego, dentro de lo que ha sido posible ensayar, es válido para utilizar las varillas PRFV como armadura en elementos portantes, ya que es bastante similar al del acero, siendo los recubrimientos del concreto del mismo orden que los empleados en el armado convencional, y la mínima perdida de resistencia que aparece en los varillas después de un incendio, queda dentro de los parámetros aceptados por los coeficientes de seguridad de los materiales, ya que en ningún caso se ha llegado a una pérdida del 5% del valor característico.
  • Su poca participación, comparada con el acero, al trabajar como armadura de elementos a compresión, conlleva que la reducción de resistencia debida a la elevación de temperaturas, la cual hemos considerado admisible a 120°C, sea válida al no superar el 50% de perdida de resistencia que presentan las resinas a dicha temperatura.

Conclusión

Sin duda, para evitar que el acero o el PRFV llegue a temperaturas donde se comprometa la estabilidad de la
estructura, ésta debe recubrirse con materiales de protección, que deberán cumplir con las normativas correspondientes. Así mismo se debe proveer a la estructura de un sistema contra incendio, capaz de mantener las temperaturas dentro de los limites estimados como críticos.

Temperatura Crítica del PRFV:     325°C             (Wang 2003;  Kodur & Bisby 2005).

Temperatura de diseño:                  120°C             (Correia 2004, Almerich Ch. Ana I. 2009)

Comportamiento cualitativo estructural:             Similar al acero  (Kodur & Bisby 2005).

Tasa de transferencia:                                               Nula (No conductor)

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Referencias

Almerich Ch. Ana I.; “Diseño, según estados límites, de estructuras de concreto armado con barras de fibra de vidrio PRF”;  Tesis doctoral, UPV; 2009.

T. Morgado, J. R. Correia, N. Silvestre, F. Branco; “Resistencia al fuego de perfiles pultruídos de polímero reforzado con fibras de vidrio (GFRP) para aplicaciones en rehabilitación: Estudio experimental, numérico y analítico“, Revista ALCONPAT, Volumen 6, Número 2, May-Ago, 2016.

Correia, J. R. (2012), “Materiais compósitos de matriz polimérica”, em Ciência e Engenharia dos Materiais de Construção, IST Press, Lisboa.

Correia, J. R. (2004), “Perfis pultruidos de polímero reforzado com fibras de vidrio (GFRP). Aplicación de vigas mistas GFRP betão na construção”, Dissertação de Mestrado em Construção, Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa.

Nota:

La mayor parte de la información, se extrajo de la Tesis Doctoral del Almerich Ch. Ana I. (2009). Por lo que algunas citaciones no se relacionaron en la referencias, ya que fueron realizadas en la tesis mencionada.

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