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Seguridad

E l riesgo que ocurra un incendio dentro deun tnel se encuentra latente constante-mente en la mayora de los tneles del mundo,

y debido a los recientes accidentes ocurridos

en varios tneles donde no solo hubo daos

estructurales sino tambin la prdida de vidas

humanas, el disear estructuras resistentes al

fuego se ha convertido en un asunto de gran

relevancia tanto para los organismos regulado-

res como para los mismos proyectistas.

Dentro de los eventos en materia de tne-

les ms relevantes afectados por incendios te-

nemos el Tnel Great Belt en Dinamarca, The

Channel Tnel entre Dinamarca y Noruega, y

por ltimo el Mont Blanc que ocasiono la per-

dida de cuantiosas vidas humanas. En la Ta-bla de la Fig. 1 se muestra un resumen de losdaos ocasionados en trminos estructurales

en estos eventos.

El hecho que los tneles sean estructuras

confinadas, y que en el momento de producir-

se un incendio las llamas se encuentran en

contacto directo con el hormign de la estruc-

tura, tiene como consecuencia que las tempe-

raturas que se alcanzan sean muy elevadas,

ocasionando el deterioro rpido de la estructu-

ra en caso de no existir ningn tipo de protec-

cin antifuego.

La funcin primordial que debe ser cumpli-

da por cualquier instrumento de proteccin

contra el fuego dentro de los tneles es la de

darle el tiempo necesario a las personas que

se encuentran dentro de este para escapar.

Adems, asegurar la resistencia mecnica de

la estructura para que los bomberos puedan

entrar en el tnel y extinguir el fuego. Queda

claro que principalmente son los primeros mo-

mentos del incendio en donde una proteccin

pasiva antifuego debe actuar.

La exposicin de los elementos constructi-

vos a temperaturas altas trae como conse-

cuencia la alteracin de las caractersticas fsi-

cas y mecnicas de los mismos, reduciendo

su funcionalidad estructural. En el caso espe-

cfico del hormign esta degradacin se va

dando por etapas a medida que las tempera-

turas se incrementan. Esta degradacin puede

observarse a travs de la representacin grfi-

ca de la Fig. 2El primer fenmeno que ocurre en el mo-

mento de un incremento de temperatura es el

del desconche de la cara superficial o spalling;

en el momento que las temperaturas superfi-

ciales del hormign empiezan a incrementar la

mayora del vapor de agua que se encuentra

dentro del hormign intentara dirigirse al inte-

rior donde las temperaturas son menores, este

fenmeno trae como consecuencia el incre-

mento de la presin interna de la matriz hasta

llegar al punto de superar la propia resistencia

del hormign producindose el fenmeno de

spalling, o desconche de la cara superficial.

Este desconche de la cara superficial se

produce en forma de explosiones violentas, las

cuales ocurren normalmente sobre los 20 30

minutos despus de iniciarse el fuego, para

una tasa promedio de incremento de tempera-

tura de +- 2 a 3 grados centgrados por minu-

to, llegando a lograr este fenmeno sobre una

temperatura de 300 grados centgrados. A

continuacin se muestra grficamente en la

Fig. 3, la explicacin del fenmeno.Para comprender con ms exactitud el

proceso de deterioro del hormign debido al

incremento de la temperatura, en la Fig. 4 semuestra un esquema grfico de las reaccio-

nes fsicoqumicas ocurridas durante el incre-

mente de la temperatura que abarca desde el

inicio del spalling y deterioro de la capacidad

resistente del hormign hasta el colapso del

material.

Es importante destacar que en el caso de

los hormigones de alta resistencia y de eleva-

das prestaciones el fenmeno de spalling es

Desde hace aos las estructuras de los tneles han sido calculadas eficazmente

para resistir las cargas mecnicas a las que estos estarn expuestos a lo largo

de su vida til; sin embargo, existe otro tipo de fenmeno que debe ser tomado

en cuenta a la hora de disear los soportes de los tneles, el fuego. Lo expuesto

en este artculo son pruebas y consideraciones realizadas para materiales

del portafolio Maccaferri y A. Bianchini Ingeniero, S.A. En todo caso, la

realidad tcnica es que todo proveedor debe demostrar que los materiales

son aptos y producen el comportamiento adecuado para las curvas de

calentamiento previstas en la especificacin del proyecto.

Uso de fibras de polipropileno para mejorarla resistencia al fuego del hormign

Palabras clave: CARGA, COMPORTAMIENTO,CURVA DE CALENTAMIENTO, DAO,

ESTRUCTURA, FIBRA, FUEGO, HORMIGN, PROTECCIN PASIVA, SPALLING, TNEL.

Antonio GALLOVICH (1), Bruno ROSSI (1), Roberto MAJORAL (2)

(1)Officine MACCAFERRI SpA, Bologna-Italia(2)A. BIANCHINI INGENIERO, S.A. - Espaa

[Figura 1].- Resumen de daos estructurales de los eventos msrecientes de incendios en tneles. [Fig. 2].- Incremento Temperatura vs Degradacin del Hormign.

ms pronunciado debido a las altas presiones

que se producen dentro de estructuras ms

compactas y cerradas, como las de estos

hormigones habitualmente usados en revesti-

miento final de tneles, ya sea con segmentos

prefabricados o en revestimiento convencio-

nal.

La intensidad del fuego depender de la

naturaleza del material que lo origina. Por tan-

to, en el momento de disear una proteccin

contra el fuego para el hormign deber con-

siderarse el tipo de vehculos y/ materiales

que transitarn por el tnel.

Existen varias curvas de calentamientos

propuestas por diversas normativas, dndole

al proyectista la oportunidad de seleccionar la

curva que se adapte a la situacin del tnel.

La Norma Europea EN 1363-1-2/1999 define

dos tipos de curvas (Fig. 5) que pueden serutilizadas:

Estndar (Para intensidades de fuego

baja):

Hidrocarburos (para Fuegos de mayor

intensidad):

Donde:

t: es el tiempo desde el inicio del ensayo(en min).

T es la temperatura media requerida en elhorno en C.

Otras propuestas de curvas de calenta-

miento han sido propuestas por otros cdigos

como el Holands, el Dans, y la ISO (Fig. 6).

Objetivo de la Proteccin Pasivadel Hormign al FuegoEl principal objetivo que debe ser cumplido por

cualquier proteccin pasiva del hormign con-

tra el fuego es la de evitar la prdida de vidas

humanas logrando que las caractersticas me-

cnicas de los elementos estructurales se con-

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Seguridad

[Figura 3 Ejemplificacin grfica delfermeno de spalling.

[Figura 5] .-Ejemplo decurvas decalentamientosegn NormaEuropea EN1363-1-2/1999.

[Figura 6] .-Comparacinde curvas decalentamientopara diversoscdigosEuropeos.

[Figura 4].- Reaccin fsico qumica de laestructura del hormign vs. el incrementode la temperatura.

serven estables durante el proceso de evacua-

cin del tnel y actuacin de los bomberos.

Las caractersticas estructurales que debern

ser aseguradas por la proteccin pasiva son:

a) Conservacin de la capacidad portante.

b) No emisin de gases inflamables en la cara

expuesta.

c) Evitar la disipacin de las llamas o los

gases.

d) Aislamiento trmico hacia el interior del

elemento estructural.

Se puede concluir entonces, que toda pro-

teccin pasiva contra el fuego del hormign

deber jugar un papel importante en los prime-

ros minutos en que se produce el incendio,

pues es durante estos momentos que la eva-

cuacin de las personas se realizar y los

bomberos intentarn extinguir las llamas.

Como puede ser observado en la figura de de-

terioro del hormign vs. incremento de la tem-

peratura, es al problema del Spalling al que se

deber prestar mayor atencin por ser este el

principal deterioro que el hormign sufrir du-

rante los primeros minutos del incendio.

A pesar de que actualmente no exista una

normativa para ensayos de resistencia al fuego

para hormigones en tneles, se recomienda

utilizar la normativa europea EN 1363 1 y 2

(2000) de ensayos de resistencia al fuego, en

la que se describen los procedimientos para

realizar dichos ensayos.

Fibras de Polipropileno comoProteccin Pasiva del Hormigncontra el FuegoRecientes investigaciones llevadas a cabo han

llegado a la conclusin que el agregar a la matriz

micro-fibras de polipropileno (tipo mono-filamen-

to y dimetros menores a 32 m) reduce signi-

ficativamente el fenmeno de spalling en el hor-

mign durante un incendio. Existe una relacin

directamente proporcional entre el nmero de fi-

bras incorporadas a la matriz y la mejora del

comportamiento del hormign ante el fuego.

El mecanismo por el que las fibras de poli-

propileno contribuyen a reducir el fenmeno

de spalling es simple. En el momento que se

alcanzan los 160C las fibras de polipropileno

se derriten reduciendo el volumen que ocu-

pan. Al alcanzarse los 360C el polipropileno

se evapora creando una serie de conductos

en el interior de la matriz que llegan hasta la

superficie. Parte de estos gases son liberados

en la atmsfera por medio de los pequeos

canales que se crean debido a la desaparicin

de las fibras. Estos pequeos conductos son

utilizados tambin por los gases que se pro-

ducen por la evaporacin del agua interna en

el hormign, reduciendo as la presin que se

producira evitando el desconche de las capas

superficiales (Fig. 7).

Existen distintas opiniones sobre la canti-

dad de fibras que deben ser incorporadas en

la matriz para ofrecer una eficaz proteccin.

Cuanto mayor sea el nmero de fibras, mejo-

res resultados se obtienen. Las recomenda-

ciones van desde 0,6 kg/m3de hormign has-

ta 2,0 kg/m3

de hormign, dependiendo de la

calidad del hormign, pues en hormign de

alta resistencia es necesaria una mayor pro-

teccin al fuego.

Presentamos (Figs. 8, 9 y 10) un resumenexperimental de probetas, idnticamente ar-

madas, sometidas a la curva de calentamiento

propuesta por la norma EN 1363-1-2/1999.

Fueron ensayadas probetas diversos tipos

de fibra:

Mezcla normal de hormign sin la inclu-

sin de fibras.

Mezcla con inclusin de fibras de polipro-

pileno.

Fueron evaluados los diferentes comporta-

mientos en las diferentes etapas de la curva de

calentamiento propuesta por la norma EN

1363-1-2/1999, y evaluadas las prdidas de

masa de material a lo largo de la misma, obte-

niendo excelentes resultados con la inclusin

de fibras logrando el objetivo final de mantener

la integridad del elemento por un tiempo pru-

dencialmente correcto para garantizar la posi-

bilidad de evacuar las estructuras que estn

sometidas a un incidente de fuego.

Caso de fibras de polipropilenoEn el ensayo de probetas con fibras de poli-

propileno se ha podido observar un adecua-

do desempeo durante toda la curva de ca-

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Seguridad

[Figura 7 .- Va de escape de los gases dentro de la matriz.

[Fig. 10] .- Ejemplo de probeta empleadaen los ensayos dentro del horno de pruebas.

[Figura 9] .- Fibra de polipropileno paraproteccin contra el fuego.

[Figura 8] .- Detalledel elementoprismtico evaluado,con un recubrimientodel hormign sobreel acero de 30 mm.Todas las medidasestn en mm.

lentamiento, con una mnima prdida de

masa, producto de las reacciones fsico qu-

micas ya explicadas anteriormente. Se obser-

va un casi nulo efecto de spalling en la mis-ma (Figs. 11 y 12).

Caso de probetas sin fibraEs evidente el grado de degradacin que la

estructura alcanza sin ningn tipo de protec-

cin. Durante la realizacin de este proceso

experimental se puede observar el comienzo

del spalling durante los primeros 3 a 8 minutos

delensayo, con prdidas significativas de

masa adicionales a las que se pueden prever

por perdida del agua o vapor producido por el

calentamiento del material (Figs. 13 y 14).

ResumenA continuacin como resumen para ejemplifi-

car un comparativo de prdida de masa entre

las 2 tipologas ensayadas se muestra el grfi-

co de la Fig. 15 de prdida de masa.La proteccin de estructuras de hormign

contra el fuego mediante el uso de microfibras

de polipropileno constituye una solucin efec-

tiva para obras nuevas, y por esto el nfasis

en especificar este tipo de soluciones en los

proyectos de obras subterrneas, al ser estos

proyectos de importancia econmica, social y

poltica en todos los pases donde se constru-

yen, y donde cualquier fracaso incidente ne-

gativo tendra consecuencias irreversibles.

Lo expuesto en este documento muestra

pruebas con materiales del portafolio Macca-

ferri y A. Bianchini Ingeniero, S.A.. Cada pro-

veedor debe demostrar el comportamiento

adecuado de sus productos con las curvas de

calentamiento previstas en la especificacin

del proyecto.

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Seguridad

BIANCHINI INGENIERODiputacin, 279 - 1 080007 Barcelona.: 934 961 300 Fax: 934 961 301Web: www.bianchini.es

[Figura 15].-Grfico decomparacin de prdida demasa para lasprobetasestudiadas.

[Figura 11].-Muestra delmaterial con laaplicacin defibras depolipropileno.Muestra luegode haberfinalizado elensayo.

[Figura 12].-Muestrasensayadas confibras depolipropileno.Obsrvese ellagrimeosuperficial porperdida delagua y vapor.

[Figura 13].-Ejemplo de lasprobetasensayadas sinningun tipo defibra.

[Figura 14].-Ejemplo delmaterialdesprendido porel spallingdurante elensayo deprobetas sininclusin defibras.

Ejemplo de ensayo a escala real: sin fibray con 2 kg/m3 de fibra de polipropileno.