Rehabilitación de estructuras de concreto afectadas por el fuego

Los incendios constituyen uno de los eventos más perjudiciales para la integridad de las edificaciones. Aunque el concreto y la albañilería armada suelen presentar un mejor comportamiento frente al fuego que los materiales ligeros y altamente combustibles, considerarlos completamente inmunes puede conducir a decisiones inseguras.

Se da por sentado que, por sus propiedades, el hormigón -y también, la albañilería- es ignífugo. Sin embargo, ¿qué quiere decir esto en la realidad? ¿El hormigón se ve afectado por incendios de gran magnitud? Y si es así, ¿cómo tomar la decisión de reparar, reforzar o, en el peor de los casos, demoler?

Aunque el foco sea pequeño, un incendio posee el potencial para provocar un desastre mayúsculo. Es por esto que este tema es de vital importancia desde el punto de vista de la ingeniería civil y la construcción.

Según la Asociación Internacional de Bomberos y Servicios de Rescate (CTIF), mediante su Centro de Estadísticas de Incendios (CFS), en el último boletín emitido para países de habla hispana (2016); reportan una cifra de 777.794 incendios a nivel mundial en estructuras durante ese año, dejando 18.051 víctimas fatales, donde la mayor cantidad de reportes pertenecen a los Estados Unidos.

Por qué el concreto puede dañarse durante un incendio

El nivel de incombustibilidad del hormigón se asocia, como se menciona antes, a los diferentes análisis determinados en la normativa, ya sea nacional e internacional. En ese sentido, la profesional explica que las fallas que puede provocar el fuego sobre el hormigón se generan debido a la acción de este elemento sobre los componentes del material.

El hormigón, si bien es una mezcla de cemento, agua y agregados, los que son de diferentes tipos. Y lo otro -agregó- es que el hormigón posee agua en su interior, tiene humedad.

El problema del concreto tradicional en caso de incendio es que el agua o humedad presente en el concreto se evapora en un tiempo muy breve debido al rápido aumento de la temperatura. Esta transición al estado gaseoso provoca un aumento de mil veces del volumen del agua: cuanto más densa sea la matriz de concreto y mayor sea el contenido de humedad del concreto, mayor será la presión de vapor que se desarrolle.

Entonces, cuando se eleva a tal grado la temperatura, primeramente, empiezas a perder esa humedad. Porque por encima de los 100°C, lo que sucede es que el agua, entre los 98°C y los 100°C, empieza a ebullir y esto genera que, a nivel microscópico, se empiecen a generar expansiones y esto provoque diferentes fisuras.

Si no se puede reducir la presión de vapor -o no lo suficientemente rápido-, se producirá un desconchado explosivo del concreto llamado spalling. Esto ocurre después de sólo unos minutos y causa inmediatamente daños extensos y profundos en las estructuras.

La adición de microfibras de monofilamento de polipropileno (PP) adecuada en el concreto es ahora ampliamente aceptada para controlar el desconchado explosivo en concreto colado, prefabricado y concreto proyectado. Esto ocurre debido a su punto de fusión relativamente bajo de 160 °C.

La adición de fibras de polipropileno proporciona una reducción considerable o incluso total de dicho desconchado explosivo del concreto, debido a su punto de fusión relativamente bajo de 160 °C.

Este tipo de protección se denomina “protección pasiva contra incendios”, lo que significa que es parte integral de la estructura de concreto y no requiere activación externa en caso de incendio.

El desconchado explosivo puede presentar un grave riesgo para la integridad estructural de una estructura debido a la pérdida de la sección del concreto y/o la fluencia del refuerzo de acero empotrado cuando se exponen a altas temperaturas.

Principales efectos de las altas temperaturas

De acuerdo con los estudios realizados por la Asociación Nacional de Protección contra el Fuego (NFPA), los principales efectos de las altas temperaturas sobre el concreto son:

Todas estas consecuencias pueden verse magnificadas en la medida en que se tengan falencias en los recubrimientos, diseño de mezcla y/o diseño estructural del concreto.

La protección del acero de refuerzo ante la acción del fuego está directamente relacionada con el espesor del recubrimiento de concreto, el cual actúa como una barrera térmica.

Respecto a la primera, referida al diseño de la mezcla del hormigón, la profesional de Hilti comentó que “existe lo que dictan algunos códigos de construcción internacionales como el International Building Code o el ACI 216, los que mencionan que, de cierta manera, se tienen que proveer ciertos materiales dentro de la misma mezcla del hormigón para que exista cohesión entre los agregados y la mezcla como tal”.

El hormigón, si bien es una mezcla de cemento, agua y agregados, los que son de diferentes tipos. Cada tipo de agregado reacciona de manera diferente al calor.

Las acciones térmicas que dañan principalmente la pasta de cemento pueden provocar pérdida de agua, agrietamiento y desprendimiento superficial. En concreto de alta resistencia, los mecanismos de fallo o colapso estructural del elemento y los riesgos de spalling pueden ser muy variables e impredecibles.

Qué ocurre con el concreto a diferentes temperaturas

Así, Pérez comenta que, una vez la temperatura supera los 700°C, “el hormigón ya perdió su humedad, ya perdió de alguna manera cierta resistencia y lo que sucede es que ahora los agregados que no están completamente homogéneos en la mezcla y que están secos, comienzan a contraerse y entonces, a nivel molecular, se generan dos acciones: una contracción y una expansión.

Al aumentar la temperatura de forma violenta, la afectación al material -especialmente si éste posee poca resistencia al fuego- puede apreciarse a simple vista.

El cambio de color puede proporcionar una referencia inicial sobre la intensidad térmica recibida por el elemento, aunque no permite determinar por sí solo la resistencia remanente ni el estado interno del concreto y del acero.

Otro método de ensayo no destructivo que menciona Rodrigo Reyes dice relación con las cartas colorimétricas “o colorimetría, en las que uno puede comparar el color en que quedó el elemento estructural con estas cartas. Y un ejemplo muy básico: si una zona el hormigón quedó mucho más enrojecido, puede ser que su resistencia remanente sea de un porcentaje menor que la resistencia inicial.

La acción del fuego sobre la infraestructura, sea esta de hormigón u otro material, ocurre en un margen de tiempo limitado. Sin embargo, la intensidad del daño depende de la temperatura alcanzada, la velocidad de calentamiento, el tiempo de exposición, la carga del elemento, las características de la mezcla, el recubrimiento y las condiciones de enfriamiento.

Otro aspecto que el experto extrae exclusivamente de la evaluación del terreno, ya que esos datos se recolectaron directamente con los afectados, dice relación con el tiempo de exposición al fuego.

Las personas me mostraban algunos videos de cuando comenzaron a evacuar. En algunos casos, me enseñaron registros que eran de las 6, 7 u 8 de la tarde y hasta las 3 de la madrugada, 5 de la madrugada, cuando aún había focos.

Comportamiento del concreto armado y la albañilería armada

Como destaca Rodrigo Reyes, una primera inspección visual en las edificaciones afectadas por el incendio dejó en claro que aquellas construcciones con hormigón o albañilería armada tuvieron un mejor comportamiento que las de material ligero, altamente combustible, asociadas a construcciones irregulares.

Lo cierto es que, ante emergencias provocadas por incendios, tanto el hormigón como la albañilería armada son materiales constructivos que pueden brindar seguridad a los usuarios de edificaciones fabricadas con estas materialidades.

No tenemos que olvidar que, al ser armado, ya sea hormigón o albañilería, el material convive con el acero, que no tiene el mismo comportamiento ante la temperatura que las materialidades ya mencionadas.

Si el refuerzo queda expuesto, no tiene protección contra el fuego y su función estructural se pierde pronto.

La reacción interna del acero y sus consecuencias es imposible verlas con una primera inspección visual. Ahí, es donde entran los métodos de ensayos destructivos.

El desconchado explosivo puede provocar pérdida de sección del concreto y dejar expuesto el refuerzo, mientras que el calentamiento del acero puede reducir su capacidad resistente y afectar la adherencia entre el acero y el concreto.

Inspección y evaluación post-incendio

El análisis post-incendio requiere una metodología rigurosa, sustentada en ensayos no destructivos (NDT) y técnicas de inspección complementarias.

Un diagnóstico correcto que establezca la causa, naturaleza y magnitud del daño y la debilidad o el deterioro causado en la estructura es muy esencial, ya que un diagnóstico defectuoso puede llevar a una selección inadecuada de los materiales y técnicas de reparación que conduzcan al fallo de la zona reparada.

También, puede ser necesario comprobar el buen funcionamiento de la estructura después de realizar las reparaciones pertinentes.

Con respecto a la evaluación post-incendio, la experta comenta que son aquellas en las que se realizan ensayos en los elementos afectados por el incendio, una vez que el siniestro está controlado o ya ocurrió.

Por mencionar algunos ensayos, se debe realizar la revisión de la resistencia a la compresión simple y el módulo de elasticidad que posee el hormigón remanente, dijo Paloma Pérez.

La inspección debe distinguir entre daños superficiales, pérdida de recubrimiento, fisuración profunda, pérdida de sección, deterioro de la adherencia, deformaciones y alteraciones del acero de refuerzo.

La evaluación visual constituye una primera aproximación, pero no puede sustituir la investigación del interior de los elementos. Las zonas aparentemente estables pueden presentar daños que no sean visibles desde la superficie.

Ensayos no destructivos

• Cartas colorimétricas o colorimetría para comparar la tonalidad del concreto con referencias de exposición térmica.
• Inspecciones complementarias para localizar zonas dañadas, pérdida de sección y discontinuidades.
• Tecnología de GPR para analizar exhaustivamente elementos de hormigón y albañilería armada que resistieron el ataque del fuego.
• Aplicaciones de realidad aumentada para apoyar el análisis de los elementos evaluados en terreno.

Gracias a un convenio con la Comisión Chilena de Energía Nuclear (CChEN), el experto accedió a la tecnología de GPR y gracias a una aplicación de realidad aumentada, se pudo realizar un análisis exhaustivo a los elementos de hormigón y albañilería armada que resistieron el ataque del fuego en la zona afectada por este gran incendio.

Ensayos destructivos y de laboratorio

• Extracción de núcleos para observar el estado hacia el interior de la estructura.
• Apertura de regatas para examinar el concreto y el acero de refuerzo.
• Revisión de la resistencia a la compresión simple.
• Determinación del módulo de elasticidad del hormigón remanente.
• Examen de posibles pérdidas de sección, deformaciones, golpes u óxido en el acero.

Para la rehabilitación de estructuras de concreto afectadas por el fuego según lo dispuesto en el ACI 562, se deben implementar los siguientes pasos:

1. Identificar los efectos causados por el fuego sobre los materiales mencionados anteriormente, mediante ensayos de laboratorio como: la extracción de núcleos o la apertura de regatas, con el fin de observar el estado hacia el interior de la estructura y demás daños no apreciables superficialmente.
2. Realizar un diagnóstico estructural a través del análisis de modelos computacionales y memorias de cálculo, teniendo en cuenta los resultados de los ensayos del paso 1, permitiendo visualizar el estado actual de la estructura, en cuanto a la distribución de cargas, diagramas de momentos y cortantes, y cualquier cambio de esfuerzos.

A partir del diagnóstico técnico, se plantean estrategias de intervención orientadas a restituir la resistencia de los elementos estructurales afectados. Estos procedimientos deben estar sustentados en modelos matemáticos no lineales que consideren la degradación de propiedades elásticas por efecto de la temperatura, tiempo de exposición y condiciones de enfriamiento.

El diagnóstico debe considerar la función y la importancia de la estructura, la disponibilidad de materiales e instalaciones adecuadas para la reparación y el conocimiento profundo del comportamiento a largo plazo de los materiales utilizados para los trabajos de reparación.

Decidir entre reparar, reforzar o demoler

La técnica a adoptar para la reparación o restauración de la estructura depende de la causa, el alcance y la naturaleza del daño, la función y la importancia de la estructura, la disponibilidad de materiales e instalaciones adecuadas para la reparación.

De igual forma, la técnica de reparación dependerá de la necesidad. Esta puede ser de una naturaleza superficial -cosmético- o, en algunos casos, puede implicar la sustitución de una parte o la totalidad de la estructura.

La necesidad de reparar estructuras puede surgir debido a cualquiera de los siguientes casos:

• Diseño defectuoso de la estructura.
• Ejecución inadecuada y mala mano de obra.
• Condiciones climáticas y ambientales extremas.
• Alto grado de ataque químico.
• Envejecimiento de la estructura.
• Daños causados por incendios, inundaciones, terremotos, etc.

La reparación puede considerarse cuando el daño está delimitado, el concreto remanente conserva propiedades suficientes y el acero puede mantenerse o sustituirse de forma técnicamente viable.

El reforzamiento se plantea cuando, después de sanear y reparar el elemento, la sección o la capacidad resistente resultan insuficientes para las solicitaciones previstas.

La sustitución parcial o total puede ser necesaria cuando la pérdida de sección, el deterioro del acero, la pérdida de adherencia o la disminución de resistencia comprometen la seguridad y no pueden corregirse de manera confiable.

En ingeniería, el problema puede ser más estético que estructural cuando la afectación se limita a cambios de coloración o deterioros superficiales que no reducen de forma significativa la capacidad resistente.

Proceso de rehabilitación de estructuras de concreto

1. Identificar los efectos causados por el fuego sobre los materiales mencionados anteriormente, mediante ensayos de laboratorio como: la extracción de núcleos o la apertura de regatas, con el fin de observar el estado hacia el interior de la estructura y demás daños no apreciables superficialmente.
2. Realizar un diagnóstico estructural a través del análisis de modelos computacionales y memorias de cálculo, teniendo en cuenta los resultados de los ensayos del paso 1, permitiendo visualizar el estado actual de la estructura, en cuanto a la distribución de cargas, diagramas de momentos y cortantes, y cualquier cambio de esfuerzos.
3. Desarrollar el diseño de la intervención, la cual, debe contener toda la preparación previa -apuntalamiento- y los ciclos de ejecución de la rehabilitación.
4. Realizar un saneado en toda la superficie a intervenir, que incluya la remoción de todo lo afectado por el fuego. Dependiendo de los resultados del diagnóstico estructural y de la profundidad de los daños, se remueve parcial o totalmente el concreto, dejando intacto el acero de refuerzo, siempre y cuando no se afecte durante el proceso de remoción del concreto y no posea pérdidas de sección ni de forma -por golpes u óxido-.
5. Se repara la estructura reemplazando el acero en mal estado y fundiendo nuevo concreto, donde lo removido haya sido superior al recubrimiento, de lo contrario pueden usarse morteros de reparación estructural, lo cual se debe consultar previamente con el diseñador estructural.
6. Según el estado de la estructura, se deben plantear medidas de reforzamiento, como puede ser el recrecimiento de la sección transversal con aumento de la cuantía de acero o reforzamiento con estructuras o materiales externos, como lo pueden ser rigidizadores metálicos o fibras de carbono que cumplan con la normativa local vigente.
7. Por último, con el fin de darle un acabado duradero a la estructura, se determinan medidas de protección, como lo son los recubrimientos intumescentes o sistemas de rociadores; los cuales, pueden obedecer a necesidades estructurales o arquitectónicas, pero en cualquier caso siguiendo lo estipulado sobre la resistencia de los materiales al fuego en la ACI 216.

Técnicas de reparación y rehabilitación

Las técnicas de reparación se pueden clasificar en tres grupos principales:

• Inyección en grietas, huecos o áreas llenas de agujeros.
• Tratamiento superficial.
• Remoción y reemplazo del material o el área defectuosa o dañada.

La selección debe realizarse después de establecer la causa, naturaleza y magnitud del daño. No es suficiente elegir un material de alta resistencia si la solución no es compatible con el concreto remanente, el acero, el nivel de exposición ambiental y las condiciones de servicio.

Remoción y reemplazo

Se realiza un saneado en toda la superficie a intervenir, que incluya la remoción de todo lo afectado por el fuego.

Dependiendo de los resultados del diagnóstico estructural y de la profundidad de los daños, se remueve parcial o totalmente el concreto, dejando intacto el acero de refuerzo, siempre y cuando no se afecte durante el proceso de remoción del concreto y no posea pérdidas de sección ni de forma -por golpes u óxido-.

Se repara la estructura reemplazando el acero en mal estado y fundiendo nuevo concreto, donde lo removido haya sido superior al recubrimiento; de lo contrario pueden usarse morteros de reparación estructural, lo cual se debe consultar previamente con el diseñador estructural.

Inyección de grietas

Las mezclas de concreto o lechadas de cemento -mezclas de agua y cemento- pueden ser adecuadas para sellar áreas dañadas y partes agrietadas.

Las resinas normalmente utilizadas provienen de las familias de epóxidos, poliéster, acrílico o polietileno.

Algunas aplicaciones de los sistemas de resina epoxi se dan en obras de ingeniería civil como lechadas de grietas, reparaciones de estructuras de concreto erosionado, reparaciones de emergencia de puentes, acueductos, columnas y vigas químicamente corroídas.

Tratamiento superficial

El tratamiento superficial puede emplearse cuando la afectación se limita a zonas externas y el diagnóstico confirma que no existe una pérdida relevante de capacidad resistente.

La pulverización de lechadas de concreto o arena de cemento por medio de boquillas de alta presión, a menudo denominada «concreto proyectado» -shotcrete- o «gunitado» -guiniting-, respectivamente, puede resultar eficaz cuando se va a reparar una gran superficie.

El guiniting o shotcrete podrá realizarse con o sin el uso de mallas de refuerzo de acero o fibras de acero.

Materiales para la reparación

Cemento y lechadas de cemento

En la mayoría de casos, es posible que el material de reparación sea a base de cemento, ya que este es el único ingrediente activo en el concreto.

Las mezclas de concreto o lechadas de cemento -mezclas de agua y cemento- pueden ser adecuadas para sellar áreas dañadas y partes agrietadas.

Morteros y concreto de reparación

Los morteros de reparación estructural pueden utilizarse cuando la remoción del concreto no supera determinadas condiciones de la sección, pero su elección debe consultarse previamente con el diseñador estructural.

Cuando lo removido haya sido superior al recubrimiento, se debe fundir nuevo concreto después de reemplazar el acero en mal estado.

Resinas

La aplicación de resinas para trabajos de reparación requiere un conocimiento profundo de sus propiedades químicas y físicas, y su rendimiento en la estructura, sobre todo con el paso del tiempo y en entornos hostiles.

Por lo general, los materiales de resina se utilizan en trabajos de reparación y restauración donde se requieren propiedades, tales como alta resistencia -por lo tanto, secciones delgadas-, excelente adherencia -por consiguiente, pequeños parches-, curaciones más rápidas -ahorro de tiempo- y alta resistencia química.

Refuerzos externos

Según el estado de la estructura, se deben plantear medidas de reforzamiento, como puede ser el recrecimiento de la sección transversal con aumento de la cuantía de acero o reforzamiento con estructuras o materiales externos, como lo pueden ser rigidizadores metálicos o fibras de carbono que cumplan con la normativa local vigente.

Prevención mediante protección pasiva y compartimentación

Además de estos métodos, en el mismo diseño de la edificación se debe considerar la acción del fuego para delimitar su actuar y así, aumentar los tiempos de evacuación para prevenir tragedias.

La compartimentación ayuda a garantizar que existan barreras físicas -o “pasivas”- para restringir el movimiento del fuego, el humo y calor dentro de un edificio.

Técnicamente, los compartimentos ayudan a detener la propagación del fuego, limitan el suministro de combustible y cortan el suministro de oxígeno. Por tanto, atacan a los tres componentes principales de un incendio: calor, combustible y oxígeno.

El grado de subdivisión que deben proporcionar los compartimentos contra incendios depende de varios factores. La carga de fuego en el edificio.

También, las paredes y pisos resistentes al fuego están diseñados para ayudar a prevenir el paso del fuego y el humo de un compartimento a otro.

Es muy común que estas paredes y pisos resistentes al fuego se adapten a múltiples servicios de construcción complejos y en constante cambio.

Estas aberturas -o penetraciones- en las paredes y pisos pueden poner en riesgo todo el edificio. Por lo tanto, todas las aberturas en paredes y pisos resistentes al fuego deben estar protegidas por sellos con resistencia al fuego, con una resistencia igual o superior a la de los pisos y paredes perforados.

A menudo, se descuida el cierre correcto y conforme de las pasadas de servicio según la resistencia al fuego requerida.

El presupuesto y el tiempo limitados conducen a soluciones cortafuegos insuficientes e incompatibles que no solo ponen en riesgo todo el edificio, sino que también pueden causar retrabajos, retrasos inesperados, multas y costos importantes como resultado de una inspección fallida.

Los mandantes de edificios, arquitectos, planificadores e ingenieros deben considerar las medidas cortafuegos adecuadas desde una fase temprana -diseño- del proyecto para ahorrar dinero y tiempo, así como para crear un entorno más seguro.

Experiencia de evaluación en terreno

A inicios de febrero de 2024, un gran incendio forestal en la Región de Valparaíso afectó a las comunas de Valparaíso, Viña del Mar, Quilpué y Villa Alemana.

Varios grupos de voluntarios se organizaron para apoyar en las labores de remoción de escombros, una vez pasada la emergencia.

Se armaron grupos de voluntarios muy rápidamente, como el de la Escuela de Construcción Civil de la Universidad Católica, y ellos pidieron apoyo de áreas estructurales.

Así, el experto viajó a Quilpué junto a un grupo de profesionales, donde evaluaron en terreno la real magnitud del daño que provocó el incendio.

De esta manera, el CEO de ConcreteDurability junto el equipo de profesionales que le acompañó a la Región de Valparaíso, analizaron distintas estructuras afectadas por el gran incendio, tanto en Quilpué como en Viña del Mar.

El hormigón demostró ser un material extremadamente importante para considerar en la construcción, pero no sólo por un tema de carga estructural a la compresión y a la flexotracción, que es lo que típicamente se hace en la construcción de edificios.

También, la experta explica que en el diseño de edificaciones se debe compartimentar áreas, como se menciona anteriormente. ¿Por qué? Porque en este caso, la compartimentación lo que va a hacer es delimitar el avance del incendio sobre la misma estructura a un punto o entre diferentes áreas y, entonces, claramente aquí se tendrá una limitación en la pérdida de resistencia de esa zona.

Planificación de la intervención y documentación

La rehabilitación debe organizarse a partir de información verificable sobre el estado de la estructura, las áreas expuestas, el tiempo de exposición, las temperaturas estimadas, los daños visibles y los resultados de los ensayos.

Tenemos que armar documentos que permitan saber qué información es relevante colectar para pasárselo a los expertos para que puedan hacer “juntas médicas” estructurales y de construcción para saber qué hacer finalmente y cómo reparar o reconstruir en forma rápida, incluyendo a la industrialización.

El diseño de la intervención debe contener toda la preparación previa -apuntalamiento- y los ciclos de ejecución de la rehabilitación.

Los procedimientos deben estar sustentados en modelos matemáticos no lineales que consideren la degradación de propiedades elásticas por efecto de la temperatura, tiempo de exposición y condiciones de enfriamiento.

La reparación y rehabilitación de estructuras de concreto se ha convertido en una de las actividades de construcción más importantes a nivel mundial. Un gran número de estructuras de concreto se están deteriorando, a menudo de manera prematura, por lo que la necesidad de reparación y protección ha aumentado considerablemente en los últimos años.

Las observaciones contenidas en este documento son de carácter informativo y deben ser aplicadas y/o evaluadas por el constructor o usuario solamente en caso de considerarlas pertinentes.

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