Ensayo de Resistencia al fuego

Baupanel® System establece un nuevo hito en el ensayo de resistencia al fuego en forjados

El pasado jueves 27 de septiembre hemos realizado el ensayo de resistencia al fuego de nuestro forjado BSF 200, en el Centro de Ensayos (LICOF) de la Asociación para el Fomento de la Investigación y la Tecnología de la Seguridad contra Incendios (AFITI) ubicado en Toledo.

Certificación de resistencia al fuego Afiti en forjados Baupanel

La prueba consistió en la exposición de la cara inferior de nuestro forjado al interior de un horno donde se desarrollan temperaturas que siguen una curva patrón en función del tiempo de duración del ensayo.

Evolución de la temperatura media del horno

Figura 1. Evolución de la temperatura media del horno, presión y curva patrón de calentamiento

Tal como se puede observar en la Figura 1, la temperatura aumenta muy rápidamente; en 5 minutos ya alcanza 576,4ºC

El forjado tenía una luz libre abierta al fuego de 4,00 m x 4,00 m.

Los ensayos han sido efectuados según la norma UNE‐EN 1363‐1:2015 “Ensayos de Resistencia al Fuego. Parte 1: Requisitos generales” y UNE‐EN 1365‐2:2016 “Ensayos de resistencia al fuego para elementos portantes. Parte 2: Suelos y cubierta”.

Sección de Panel BSF 200, Baupanel® System

Figura 2. Sección del panel BSF 200

Vista de la cara superior del forjado con las cargas colocadas

El peso propio del panel es de 234 Kg/m2más el peso de la solera y el enlucido de yeso. De este modo se alcanza un peso muerto total de 341 Kg/m2.

La sobrecarga total aplicada fue de 8.000 Kg (500 Kg/m2)

Por lo tanto el panel de forjado debía resistir durante todo el tiempo que durara el ensayo una carga total de 841 Kg/m2

Figura 3. Vista de la cara superior del forjado con las cargas colocadas

COMPORTAMIENTO MECÁNICO PREVISIBLE A 120 MINUTOS

La siguiente tabla, extraída del documento “Méthodede prévisionpar le calculdu comportement au feu des structures en béton (XP P92701/a1, Décembre2000) indica la temperatura que se alcanza en un incendio, de acuerdo con la curva de fuego normalizado, en función del tiempo que dura el mismo.

Méthode de prévision par le calcul du comportement au feu

Tabla 1. Méthode de prévision par le calcul du comportement au feu

El recubrimiento de la armadura del panel es igual a 27,5 mm de hormigón + 10 mm de yeso; esto equivale a un total de 45 mm de hormigón.

Así la temperatura previsible de la armadura del lado caliente a los 120 minutos de iniciado el incendio sería de 425 ºC según la Tabla 2.

La siguientes tablas, obtenida del EUROCODIGO 2: Diseño de estructuras de Hormigón. Parte 1-2: Resistencia al Fuego (ENV 1992-1-2) indican la pérdida de resistencia a tracción del acero de la armadura (fyk) de un hormigón armado y de la resistencia a la compresión del propio hormigón con árido silíceo (fck), así como la disminución del módulo de elasticidad, en función de la temperatura alcanzada por el material.

Baupanel - Diseño de estructuras de Hormigón.

Interpolando en la Tabla 3 a una temperatura de 425 ºC  la pérdida de capacidad de las armaduras de la cara inferior del forjado al cabo de 120 minutos sería menor al 20%.

El valor del Momento flexor en estado límite último del panel BSF 200 en la dirección secundaria es según su ficha técnica igual a 11,18 kNm/m

Ficha técnica BSF 200
Esquema ELU panel BSF 200

Figura 4. Esquema ELU panel BSF 200

Si la capacidad de la armadura disminuyera el 20% por acción de la temperatura el valor del momento último a 120 minutos sería de:

Tabla 3. Ficha técnica BSF 200

Mu120 = 0,8 x 11,18 kNm/m = 8,94 kNm/m

Al resultar este valor mayor al Momento flexor debido a las cargas, la previsión es que el forjado resistirá mecánicamente las acciones durante 120 minutos.

El fallo mecánico se produciría cuando el acero de la cara al fuego perdiera más del 50% de su resistencia y entonces se alcanzara el Momento flexor de las acciones cuyo valor es:

Mmax = 0,001 x 0,841 x 4,002 x 42 = 565 Kgm/m = 5,65 kNm/m

Eso podría ocurrir según lo observado en las tablas a una temperatura de 550ºC que se corresponde con una exposición al fuego mayor a 180 minutos.

Hasta aquí la previsión de comportamiento.

Tabla 2. Diseño de estructuras de Hormigón. Parte 1-2: Resistencia al Fuego (ENV 1992-1-2)

Alcanzado el tiempo de 2 horas se podía observar que la temperatura media del horno era de 1038,2 ºC  y la temperatura media de la cara superior era de 56,88 ºC. Tomando en cuenta que la temperatura ambiente era de 28,4 ºC, el calentamiento de la cara no expuesta había sido de solo 28,5 ºC.

COMPORTAMIENTO REAL

Se inicia la prueba a la hora 13:16

Durante el transcurso del mismo se han registrado los siguientes datos:

  • Temperatura superior (cara no expuesta) a través de 5 termopares
  • Temperatura y presión dentro del horno a través de 12 termopares
  • Deformación por flexión

Figura 5. Vista del horno horizontal al comienzo del ensayo

Figura 6. Cara inferior del forjado vista desde el interior del horno

Figura 7. Pantalla ordenador con datos de temperatura interior

Figura 8. Variación de la deformación con el tiempo de duración del ensayo

Transcurridos 1 hora 13 minutos, la temperatura media de la cara superior era de solo 31,16ºC mientras que la interior del hora era de 977,7 ªC

Tal como se observa en la Figura 6, la evolución de la deformación se mantenía lineal.

A los 90 minutos la temperatura media del horna estaba ya en 1106,2 ºC mientras que la media superior era de 37,67 ºC. Es decir un gradiente térmico de más de 1068 ºC

Figura 9. Pantalla ordenador transcurridas 2 horas

Alcanzado el tiempo de 2 horas se podía observar que la temperatura media del horno era de 1038,2 ºC  y la temperatura media de la cara superior era de 56,88 ºC. Tomando en cuenta que la temperatura ambiente era de 28,4 ºC, el calentamiento de la cara no expuesta había sido de solo 28,5 ºC.

La deformación continuaba variando de manera lineal habiendo alcanzado 92,7 mm.

Comprobado así que no existía razones para interrumpir el ensayo, ya que tanto la temperatura de la cara no expuesta como la deformación no habían alcanzado los limites prefijados se decide continuar la prueba intentando alcanzar las 2 horas y media.

CULMINACIÓN DEL ENSAYO

Alcanzado el tiempo desde el inicio de la prueba de 2 horas y 30 minutos la situación era la siguiente:

Figura 10. Pantalla ordenador transcurridas 2 horas y media

Temperatura media del horno: 1055,3ºC

Temperatura media de la cara no expuesta: 76,41 ºC

Flexión: 124,84 mm

Figura 11. Vista de la cara superior al finalizar el ensayo

A pesar de que la temperatura de la cara no expuesta era lo suficientemente baja como para proseguir, se decide la finalización de la prueba dado que el giro de la sección había inclinado las carga situadas cerca del apoyo y se corría riesgo de que las mismas se desplazaran por caída sobre el forjado.

El calentamiento por sobre la temperatura ambiente fue de solo 48ºC. El ΔT fue de casi 979 ºC

Al abrirse la trampilla lateral del horno una vez finalizado el ensayo se pudo apreciar el estado de la cara inferior del forjado.

Figura 12. Vista de la cara inferior del forjado en estado incandescente

Figura 13. Vista del forjado durante su izaje para retirarlo del horno

Figura 14. Vista de la cara inferior a retirar el forjado del horno

Se pudo observar algún desprendimiento del hormigón de la capa inferior en algunas zonas, pero el forjado ha mantenido la integridad al retirarlo del horno.

Las cargas aplicadas (841 Kg/m2) han sido soportadas por el forjado durante toda la prueba durante 150 minutos.

Figura 15. Deformación y velocidad de deformación del forjado

El resultado ha sido extraordinario también en cuanto a la buena correlación entre el comportamiento previsible y el real.

La grafica ha demostrado que el aumento de la deformación ha sido proporcional a la pérdida de capacidad de las armaduras por la exposición a las altas temperaturas del horno. El recubrimiento de las barras más expuestas (armadura secundaria)  fue de solo 22,5 mm de hormigón más 10 mm de yeso.

Figura 16. Imágenes termo gráficas capturadas durante el ensayo

QUE OCURRE CON EL NUCLEO DE EPS DURANTE UN INCENDIO

Cuando el EPS es calentado, se ablanda y se contrae progresivamente a partir de los 110 a 120°C para el tipo “F” que es el que se emplea en el panel y finalmente se funde.

A temperaturas más altas, 260°C, se desprenden gases combustibles por descomposición de la masa fundida. Esto ocurriría a partir de los 40 minutos, de acuerdo al polinomio indicado en la curva roja.

Figura 17. Representación gráfica de los valores de la Tabla 2

Estos gases no se inflaman hasta alcanzar, siempre con el aporte de calor externo, los 500°C (temperaturas de auto ignición del EPS fundido tipo “F”).  Esto ocurriría a partir de los 100 minutos, utilizando para el cálculo el polinomio indicado en la curva roja.

La posibilidad de que estos gases se quemen por acción de una llama o chispa depende enormemente de la temperatura, la duración de su exposición al calor y la cantidad de aire que fluya alrededor del material (la disponibilidad de oxígeno).

Es importante señalar que el aire contenido en la estructura celular del poliestireno expandido no posee suficiente oxígeno para la combustión, siquiera incompleta del material, ya que para ello, con densidad 15 kg/m3,  la necesidad de aire es 150 veces mayor, en volumen, que el que ocupa el material.

Ello significa que no puede haber combustión del material, cuando el mismo se halla protegido por la capa de micro hormigón, que impide la llegada de oxígeno, aun cuando una llama externa (por ejemplo un cortocircuito) sea aplicada al mismo. Mientras el hormigón se mantenga íntegro, la velocidad en la que se produce el cambio de temperatura dependerá únicamente del valor de su difusividad térmica, que en general disminuye con el aumento de temperatura.

El EPS al retraerse primero y fundirse después dará lugar a la aparición de una cámara de aire cuyo espesor irá en aumento, en detrimento del espesor del material aislante.

El aire, a diferencia de los sólidos, no tiene capacidad de almacenar calor en su interior pero es un medio para transportarlo hacia la zona de EPS reblandecida. El aire aumenta su conductividad y su difusividad térmica a medida que aumenta la temperatura.

A la temperatura de fusión del EPS, los valores de conductividad y difusividad del aire de la cámara son: 0.056 W/m ºK y 1,10 x 10-4m2/seg

Cuanto mayor sea el espesor del EPS, más tiempo se requerirá para el aumento de temperatura de la cara no expuesta al fuego.

Durante todo el transcurso del ensayo se aplica una carga térmica muy grande sostenida a través de la potencia de 500 kW del horno del laboratorio LICOF. En el caso de un incendio real la carga de fuego es mucho menor y se extingue velozmente una vez consumido el combustible consistente en los muebles, cortinados y demás enseres de una vivienda.

Dado que el EPS del panel se encuentra confinado por las capas de hormigón, no habría posibilidad de aportación de humos liberados aun en una hipotética aunque improbable combustión del EPS. Así y todo, en la combustión del EPS se liberan humos con muy baja toxicidad que son considerablemente menor que aquellos liberados por otros materiales de uso común en una vivienda como ser la madera, algodón, lana, seda, etc.

CONCLUSIONES

El comportamiento del forjado Baupanel® BSF 200 ha resultado altamente satisfactorio.

Ha mantenido todas las condiciones requeridas de integridad, resistencia y aislación para superar la prueba de resistencia al fuego durante 2 horas y 30 minutos convirtiéndose en el forjado más ligero que existe para emplearse con sobrecargas de uso de 5 kN/m2.

Tabla 4. Valores característicos de las sobrecargas de uso según DB SE-AE

Según la tabla se puede apreciar que el panel ensayado permite cubrir la totalidad de las Categorías de uso establecidas en el CTE, que van desde todas las zonas residenciales hasta aquellas destinadas a supermercados, edificios públicos, garages, etc.

También es de destacar el enorme gran poder aislante térmico que presenta el sistema en condiciones tan extremas. A los 90 minutos de iniciado el ensayo, aun se habría podido caminar descalzo por la cara superior del forjado ya que la temperatura media era de solo 37,68ºC

La Figura 17 muestra cuan lejos ha quedado la temperatura media de la cara no expuesta, de la temperatura máxima aceptable para el cumplimiento del requisito de aislamiento térmico del forjado.

Figura 18. Detalle pantalla ordenador a 1 hora y 30 minutos

Figura 19. Evolución temperatura media cara no expuesta

La capacidad de aislamiento térmico de las fachadas y cubiertas de los edificios resultan fundamentales aldefinir sus condiciones de habitabilidad y confort; pero en caso de incendio, esa parte de nuestro sistema que es el núcleo de EPS, será también un colaborador muy importante para la protección de las personas.

Este sería un caso relevante de uso extremo del aislamiento térmico en nuestro sistema constructivo y constituye una nueva prueba de la increíble prestación termo mecánica que poseen los elementos estructurales Baupanel® System, aun en situaciones de emergencia al límite de lo posible.

Estamos orgullosos de ello.

 

Ing. Marcelo Zolezzi 

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