Efecto del fuego sobre la resistencia a compresion de un elemento de concreto de resistencia de dise˜no de 210 kg/cm
2Nelson Hern´andez
Escuela de Ingenier´ıa Civil, Facultad de Ingenier´ıa. Universidad de Carabobo. Valencia, Venezuela
Resumen.-
Se trata de determinar el efecto sobre la resistencia a compresi´on de un elemento de concreto de resistencia de dise˜no de 210 kg/cm2 luego de ser expuesto durante un tiempo determinado a fuego, y obtener criterios para enfrentar el dise˜no de las estructuras de concreto armado, para que brinden una resistencia al fuego adecuada que permita evacuar a las personas , protegerlas del incendio antes de su colapso si llegase el caso. Para lograr este objetivo se plante´o un experimento de laboratorio en el cual se dise˜n´o la mezcla, se prepar´o el concreto, se llenaron los moldes, se obtuvieron las probetas, se le aplic´o un curado adecuado, dividi´endolas en dos grupos, el primer grupo sin exposici´on al fuego y un segundo grupo se le aplic´o un ensayo de exposici´on al fuego. El concreto sufre diversas alteraciones en sus propiedades y caracter´ısticas cuando es sometido a la acci´on del fuego: disminuci´on de la resistencia a compresi´on, cambios de color, agrietamientos.
Palabras clave: Resistencia, fuego, estructuras, concreto.
Fire effect on the compression resistance of concrete element of design 210 kg/cm
2Abstract.-
The issue is the effect on the compression resistance of a concrete element of design resistance 210 kg/cm2after being exposed for a determined amount of time to flames and obtaining basic criteria to technically deal reinforced concrete structure’s design so it can provide an adequate fire resistance enabling proper building evacuation and protection of flames before its eventual collapse. In order to achieve this objective a laboratory experiment has been proposed in which the mix was designed, the concrete was prepared, the molds were filled, the test tubes were obtained, they were adequately prepared, dividing them in two groups, the first one was not exposed to the fire effects while the second had to go under the fire exposition experiment. The concrete suffers several alterations in its properties and characteristics when it has been under the fire directly: decrease of compression resistance, chromatic change and general cracking.
Keywords: resistance, fire, structures, concrete.
Recibido: 11 diciembre 2009 Aceptado: 03 agosto 2010
1. INTRODUCCI ´ON
Los incendios en edificaciones son eventos que amenazan la seguridad tanto de las personas
Correo-e: dpto [email protected] (Nelson Hern´andez)
que se encuentran en ellas como a la misma estructura. A nivel mundial existe una normativa que es cada vez m´as exigente para prevenir y tratar de minimizar sus efectos. En Venezuela se cuenta con normas muy estrictas para la prevenci´on, detecci´on y extinci´on de incendios en edificaciones, adicionalmente existe una serie de disposiciones para proteger a las estructuras y hacerlas que ofrezcan una resistencia al fuego
antes de su colapso. Sin embargo el riesgo de que ocurra un incendio siempre estar´a vigente, y aunado a las grandes construcciones en donde se alberga mayor cantidad de personas en cen- tros comerciales y oficinas, este riesgo es a´un mayor. Cuando ocurre un incendio, ´este tiene un poder muy destructivo cuyo impacto puede ser catastr´ofico para el edificio, a las personas que est´an en ´el e inclusive a los vecinos de la misma. Dentro de este contexto, se tiene a las edificaciones construidas de concreto armado, que afortunadamente abundan en el pa´ıs, esto representa una ventaja porque el concreto es un material que se comporta “muy bien”, por sus caracter´ısticas como son baja conductividad t´ermica que lo protege del fuego, no lo alimenta [1]. Las temperaturas m´aximas promedio, que se alcanzan en un incendio var´ıan de 1250◦C a 1300
◦C, con un tiempo para alcanzar tales temperaturas relativamente exponencial, es decir, antes de los 60 minutos se llega a los 800 ◦C, destac´andose que a los 30 minutos se alcanza un fuego totalmente desarrollado y llamas en combusti´on viva, lo cual facilita la propagaci´on del mismo [2].
La raz´on de esta investigaci´on es determinar el comportamiento de la resistencia de un elemento de concreto de resistencia de dise˜no de 210 kg f /cm2 luego de ser sometido a fuego, c´omo influye en su resistencia a la compresi´on, y obtener criterios b´asicos para enfrentar t´ecnicamente el problema de las estructuras de concreto armado, abarcando inclusive desde su concepci´on inicial, su dise˜no, para que brinden a las personas una resistencia al fuego adecuada que permita evacuar a las personas, protegerlas del incendio antes de su colapso si llegase el caso. Para lograr este objetivo se plante´o un experimento de laboratorio en el cual se dise˜n´o la mezcla, se prepar´o el concreto, se llenaron los moldes, se obtuvieron las probetas, se les aplic´o un curado adecuado, se prepararon dos grupos, el primero se ensay´o en condiciones normales y un segundo grupo se le aplic´o un ensayo de exposici´on al fuego, para luego hacerle los estudios correspondientes.
2. DESARROLLO DE LA INVESTIGA–
CI ´ON
Esta investigaci´on se puede clasificar como exploratoria o experimental, ya que la metodolog´ıa utilizada consiste en la utilizaci´on de experimentos y ensayos sobre una muestra determinada amplian- do la informaci´on que existe sobre el efecto del fuego sobre un elemento de concreto .Para que el an´alisis sea adecuado y confiable se requiere de una estricta vigilancia de los componentes de las mezclas y un constante chequeo de la cantidad
´optima de los agregados, las cantidades de agua y cemento, tiempo de mezclado y apropiada colocaci´on de las mezcla en los moldes, as´ı como el tiempo e intensidad de la exposici´on al fuego de las probetas.
2.1. Nivel de investigaci´on
En el presente art´ıculo se procedi´o a realizar una investigaci´on experimental, apoyada en un m´etodo pr´actico y sencillo que permiti´o definir el efecto que produce una exposici´on controlada de fuego sobre la resistencia de un elemento de concreto. Dicho m´etodo consiste en la preparaci´on de una mezcla de concreto de una de resistencia 210 kg/cm2, se someti´o a la prueba de fuego, man- teniendo constante las otras variables como son caracter´ısticas f´ısicas del resto de los materiales (piedra, arena y cemento). Y las cantidades de los mismos dependieron del dise˜no de la mezcla, para posteriormente realizar en los cilindros de concreto, el ensayo a compresi´on .Cada uno de los ensayos est´a regido y regulado por las normas COVENIN referidas al dise˜no de mezclas de concreto [3]. Todas las mezclas fueron realizadas y ensayadas en el Laboratorio de Materiales y Ensayos de la Escuela de Ingenier´ıa Civil de la Universidad de Carabobo. El dise˜no de esta investigaci´on es de tipo experimental respecto a la estrategia metodol´ogica ya que en el transcurso de la investigaci´on se someter´an diversas variables operacionales a diferentes est´ımulos para observar el comportamiento del proceso.
2.2. Descripici´on del trabajo de laboratorio El trabajo de laboratorio fue dividido en las siguientes fases:
A. La elaboraci´on de mezcla de concreto, para luego fabricar las probetas cil´ındricas de di- mensiones normalizadas, que ser´an sometidas a ensayos, un primer grupo en condiciones normales y un segundo grupo a ser sometidas al fuego para luego medir su resistencia a la compresi´on.
B. Dise˜no y elaboraci´on de la mezcla de concre- to y la fabricaci´on de la probetas cil´ındricas normalizadas. Se fijo la resistencia de dise˜no a estudiar igual a 210 kg/cm2, y un grado bueno de control, trabajabilidad igual a 12.5 cm [4].
C. Ensayos de las probetas cil´ındricas de concre- to en condiciones normales, para determinar su resistencia a la compresi´on a los 28 d´ıas de edad, para un primer grupo.
Figura 1: Determinaci´on de tiempo de secado de probetas para la eliminaci´on de humedad
D. Proceso de determinaci´on de tiempo de seca- do de probetas para eliminaci´on de humedad correspondiente al segundo grupo. Este pro- ceso se realiz´o colocando las probetas en el horno a temperatura de 90 ◦C y se pesaba todos los d´ıas hasta que se mantuviera constante. En este procedimiento se deter- min´o que el tiempo fue de 7 d´ıas. Ver Figura 1 del ensayo realizado.
E. Exposici´on de las probetas cil´ındricas de concreto a fuego. Luego de eliminar la humedad por el curado, se procedi´o a some- ter a las probetas del segundo grupo a la exposici´on al fuego. Este proceso se hizo a fuego directo, durante un tiempo de exposici´on de 30 minutos. Las probetas
fueron colocadas sobre un reverbero. Luego de la exposici´on fueron enfriados por choque t´ermico, el cual consiste en un enfriamiento violento, introduciendo la probeta en un tanque a temperatura ambiente de 27 ◦C.
Se dej´o enfriar durante 30 minutos, luego se sacaba y se dejaba reposar durante otros 30 minutos, posteriormente se ensayaban a compresi´on. Durante este procedimiento se procedi´o a medir la temperatura final alcanzada por las probetas, mediante una termocupla de cromo y aluminio tipo K y un term´ometro digital.
F. An´alisis de los resultados obtenidos. Una vez concluidos los ensayos los ensayos de las probetas, con los resultados correspondientes a la resistencia a compresi´on obtenida para el tipo de mezcla y para cada tipo de condici´on, se procedi´o a su estudio para inferir algunas hip´otesis sobre la resistencia a compresi´on de un elemento de concreto de resistencia de dise˜no 210 kg f /cm2sometido a fuego [5].
3. DESARROLLO EXPERIMENTAL 3.1. Materiales utilizados
Agregados El agregado fino utilizado en la elabo- raci´on del dise˜no de mezcla, es Arena Lavada de Mina proveniente de Tinaquillo; y el agre- gado grueso es Piedra Picada N◦1 (triturada), proveniente de Acarigua, Edo. Portuguesa.
Se someti´o a los ensayos de laboratorio de granulometr´ıa, los cuales se encontraron entre los rangos establecidos por las normas COVENIN. Composici´on Granulom´etrica de los Agregados. El objetivo de este ensayo es la determinaci´on de la distribuci´on del tama˜no de los agregados tanto fino como grueso. La metodolog´ıa utilizada en este ensayo es regida por las normas COVENIN 255:1998; COVENIN 277:92.
Cemento El Cemento utilizado para la elabo- raci´on del dise˜no fue cemento Portland Tipo I, en sacos de la Marca Holcim
Agua El agua utilizada es la proporcionada por Hidrocentro, obtenida del laboratorio de En- sayos de Materiales, lugar donde se realizaron las mezclas y por consiguiente los cilindros de prueba. La misma es apta para el consumo humano y elaboraci´on de concreto.
3.2. Dise˜no de mezcla
El dise˜no de mezcla empleado est´a basado en la metodolog´ıa expuesta en el “Manual del Concreto Estructural” conforme a las normas Covenin 1753- 03 de Porrero, Ramos, Grases y Velazco [6]. Dicho dise˜no de mezcla expresa tener un car´acter gene- ral, lo cual sirve de punto de partida para alcanzar con mayor facilidad la combinaci´on adecuada de las cantidades de los componentes del concreto.
Este dise˜no de mezcla se muestra en la tabla 1. Las variables fundamentales consideradas por el m´etodo son: dosis de cemento, trabajabilidad, relaci´on agua/cemento y resistencia.
Tabla 1: Dosificaci´on obtenida para 1 m3de concreto Material Cantidad
Cemento 356, 43 Kg Agua 206, 78 ℓ Arena 804, 70 Kg Piedra 983, 74 Kg
3.3. Resistencia media
Para la realizaci´on de este trabajo se decidi´o tomar 210 kg/cm2 como resistencia media. Para la resistencia de c´alculo la obtenemos de la siguiente expresi´on:
F′c = Rdiseeno−Zσ [7].
Rdise
eno ≥Rcalculada+ Zσ
Donde: Z depende de la fracci´on defectuosa, como no se dispone de una informaci´on estad´ıstica previa, y asumiendo agregados de buena calidad y se emplea una mezcladora se elige una fracci´on defectuosa del 10 %
F′c = Resistencia de calculo
Z = Fracci´on defectiva σ =Desviaci´on est´andar
Para una fracci´on defectuosa del 10 %, tenemos que Z = 1, 282
La desviaci´on est´andar seg´un el control de laboratorio, en este caso es σ = 35 Kg/Cm2 (grado de control bueno), debido a que:
Se toma alg´un lote de agregado y se le determina el ´ındice granulom´etrico, se le fijan los l´ımites de aceptaci´on.
Se controla la humedad de los agregados.
Se dosifica en peso con sistemas autom´aticos.
Se rechazan las mezclas que no est´en dentro de los l´ımites establecidos.
No se permite a˜nadir agua posteriormente al mezclado.
Para una resistencia calculada de 210 Kg/Cm2 Rdiseeno = 210 Kg/Cm2+ (1, 282 ∗ 35 Kg/Cm2) = 254, 87 Kg/Cm2
Este valor de resistencia media, se realiza de manera que en la obra no sean superadas las fracciones defectivas asumidas.
4. AN ´ALISIS Y DISCUSI ´ON DE RESULTA- DOS
4.1. Tiempo de secado de probetas
Las probetas deben ser sometidas a un proceso de secado para eliminar el resto de humedad y as´ı evitar interferencias en los ensayos t´ermicos.
Para ello hubo que determinar el tiempo de secado de probetas para eliminaci´on de humedad. Este proceso se realiz´o colocando las probetas en el horno a temperatura de 90 ◦C y se pesaba todos los d´ıas hasta que se mantuviera constante. En este procedimiento se determin´o que el tiempo fue de 7 d´ıas.
4.2. Ensayo de fuego de probetas
Las probetas luego de ser secadas, fueron sometidas a fuego directo, durante 30 minutos.
Para este procedimiento de utiliz´o un reverbero a gas, colocando en forma horizontal a las probetas, exponi´endolas directamente al fuego.
4.3. Medici´on de temperatura de probetas
Figura 2: Temperaturas medidas en las probetas
Inmediatamente despu´es de la exposici´on al fuego, se procedi´o mediante una termocupla de aluminio y cromo tipo K y term´ometro digital a medir la temperatura alcanzada por las probetas.
Este proceso se realiz´o con much´ısimo cuidado, dadas las temperaturas alcanzadas, con un prome- dio de 287 ◦C y un m´aximo 370 ◦C, utilizando guantes de carnaza. Ver Figura 2.
4.4. Enfriamiento de probetas
Luego de la medici´on de temperatura, se pro- cedi´o a enfriar las probetas utilizando el sistema de choque t´ermico, que consiste en sumergir en un tanque de agua a temperatura ambiente de 27◦C a las probetas, utilizando un sujetador de probetas.
Este proceso se realiz´o con mucha seguridad y cuidado. Este enfriamiento se realiz´o durante 30 minutos. Luego se sacaba del tanque y se dejaba reposar durante otros 30 minutos m´as. Para luego ser sometidas al ensayo de compresi´on.
4.5. Resultados de los ensayos 4.6. An´alisis de los Resultados
Basado en la observaci´on de las Figuras 3 y 4 obtenidas del estudio experimental, se infiere que para la dispersi´on o variabilidad de los datos, es decir, la desviaci´on est´andar asumida para el c´alculo, se cumple con todos los casos obtenidos en los ensayos, ya sea en condiciones normales
Figura 3: Resistencia del concreto a los 28 d´ıas, Rc = 210Kg/cm2. En condiciones normales
Figura 4: Resistencia del concreto a los 28 d´ıas, Rc = 210Kg/cm2. Sometido a fuego
o sometido a fuego. Esto se puede observar en la Tabla 2.
Con estos resultados se puede inferir que se obtuvo un control en el concreto excelente. De acuerdo a los resultados de las resistencias prome- dio de los cilindros, se observa que la exposici´on al fuego influye de manera determinante, ya que se obtiene lo siguiente: Para los cilindros sometidos a fuego con resistencia de dise˜no de 210 kg/cm2, a los 28 d´ıas, disminuyen su resistencia 45,52 kg/cm2, es decir un 19,98 % con respecto a los cilindros en condiciones normales.
5. CONCLUSIONES
De acuerdo a la investigaci´on realizada se logr´o determinar que la resistencia a compresi´on de un elemento de concreto de resistencia a de dise˜no de 210 kg f /cm2 sometido a fuego es afectada en un 19.98 %, disminuyendo su capacidad portante. Se logr´o proponer un m´etodo de ensayo estandarizado para medir la resistencia a compresi´on de cilindros de concreto luego de haber sido expuestos a fuego. El concreto es un material que presenta buenas caracter´ısticas de resistencia frente al ataque del fuego. Sin
Tabla 2: Valores de Desviaci´on Est´andar
Resistencia del concreto (kg/cm2) Σasumida(kg/cm2) σensayo(kg/cm2) Condici´on
210 35 13,96 Normal
35 9,41 Sometido a fuego
embargo, esta cualidad del concreto es limitada y se conserva tambi´en en un tiempo limitado que va a depender de varios factores entre los cuales es decisivo el grado de exposici´on al fuego, como son: temperatura, tiempo de exposici´on y cambios de temperatura. El concreto sufre diversas alteraciones en sus propiedades y caracter´ısticas cuando es sometido a la acci´on del fuego. Estas alteraciones van en detrimento de la capacidad resistente y por ende de la estructura, siendo estas: disminuci´on de la resistencia a compresi´on, cambios de color, agrietamientos.
Referencias
[1] Scannone Rodolfo y Beauperthuy Jos´e, (2005). Eval- uaci´on y Recuperaci´on de Estructuras Afectadas por Fuego. Seminario Internacional Vulnerabilidad de Obras Civiles. Ediciones Sidetur. Caracas. Venezuela.
[2] Paris Alberto, (2005).Protecci´on al Fuego en Estruc- turas de Acero. Ediciones Sidetur. Caracas. Venezuela.
[3] Comit´e Conjunto del Concreto Armado. (1976).
Ensayos de Laboratorio y Especificaciones. Caracas.
Venezuela.
[4] Mart´ınez Marino, (1984).Notas sobre Control y Eval- uaci´on Estad´ıstica de la Resistencia del Concreto.
Universidad de Carabobo, Facultad de Ingenier´ıa, Escuela de Ingenier´ıa Civil. Valencia. Venezuela.
[5] Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto. AC.
(1978). Practica Recomendable para la Evaluacin´o de los Resultados de las Pruebas de Resistencia del Concreto. (ACI-214-77). Editorial Mc Graw Hill Interamericana. M´exico.
[6] Porrero J., Salas R., Ramos C., Grases j., Velasco G.
(2003). Manual del Concreto Estructural, conforme con la norma COVENIN 1753-03. Ediciones Sidetur.
Caracas.
[7] Mendoza, Guillermo.(1980).Gu´ıa de Materiales y Ensayos. Universidad de Carabobo Facultad de Inge- nier´ıa. Valencia. Venezuela.
