martes, 5 de noviembre de 2013

Comportamiento de las vigas de madera ante el fuego

Algunos materiales que se utilizan para construir las estructuras de los edificios no son combustibles, sin embargo, ninguno de ellos es capaz de resistir satisfactoriamente el fuego de un incendio. Las estructuras metálicas, se dilatan y retuercen rápidamente en un incendio y su resistencia mecánica decrece vertiginosamente con el aumento de la temperatura. El hormigón armado, se agrieta con el calor y más aún cuando se enfría rápidamente al ser mojado por el agua de los equipos de extinción de incendios.

Por su parte la madera se quema porque es un material combustible, fundamentalmente porque está formada por lignina y celulosa.

Aproximadamente un 50% de la madera es carbono, juntamente con otras proporciones de hidrógeno y oxígeno. No obstante, en contra del que se suele pensar, la madera es un material que arde lentamente y se inflama con dificultad.


La combustión de la madera tiene tres fases claramente diferenciadas y que son:
  • Calentamiento
  • Ignición
  • Carbonización.
En todo incendio en el que exista suficiente aportación energética y de oxígeno para poder desarrollarse, la temperatura va aumentando de forma progresiva, haciendo que la madera pierda por evaporación, el agua libre o contenido de humedad de la madera [1] y con ello vaya secándose. En este proceso endotérmico donde el material se va calentando hasta llegar a temperaturas de 100ºC de temperatura. A partir de este momento la temperatura sigue creciendo y se desarrollan gases pirolignosos, porque la madera se oxida y se ennegrece. Cuando se llega a una temperatura cercana a los 275ºC (variable según las especies), se produce la ignición y la reacción pasa a ser exotérmica, con pérdida importante de material en forma de CO2 y volátiles combustibles. Se ha de destacar el hecho de que la madera necesita llegar a esta temperatura en su superficie durante un cierto tiempo, con presencia directa de la llama para que se produzca la ignición. Sin la presencia de la llama seria necesario una temperatura superior a los 400ºC durante un periodo de tiempo superior.

A partir de este punto, la evolución de la combustión se sitúa en una franja (zona de pirolisis) que va avanzando de forma constante hacia el interior, en una situación casi isoterma hacia los 400-500ºC, consumiendo material que aún está intacto y convirtiéndolo en carbón que va formando una capa exterior en todo el perímetro. Este proceso se llama carbonización de la madera y tiene una gran importancia en el comportamiento de la madera frente al fuego.

La carbonización de la madera 

El carbón es un material muy poroso, de baja densidad, con un calor especifico menor que la madera y una conductividad cuatro veces menor, siendo unas seis veces más aislante que el material original. A causa de estas características, la velocidad de carbonización es constante y las propiedades físico mecánicas del interior de la pieza de madera afectada se mantiene relativamente intactas. 





Vigas de madera en el forjado de una vivienda, afectadas por un incendio




Vigas de madera en el forjado de un edificio de uso publico, afectado por un incendio


Debido a este principio elemental, la comprobación de la capacidad portante de un elemento estructural de madera, que realizan todas las normativas internacionales de construcción, se basa en obtener una sección eficaz de cálculo teniendo en cuenta la carbonatación de la madera. La sección eficaz es la sección necesaria para resistir las acciones a que va ser sometida una estructura y por ello sirve para poder peritar o evaluar una estructura afectada por un incendio. Con la sección eficaz más una profundidad eficaz de carbonatación se diseñan, dimensionan y calculan todas las estructuras de madera, ya que la profundidad de carbonización es la que va a garantizar la estabilidad al fuego de un elemento estructural en caso de incendio.


La normativa a aplicar, en el Estado Español, es el Código Técnico de la Edificación[2] -CTE-, que en el apartado E2.1, del Anejo SI-E de resistencia al fuego de la madera, del documento básico DB SI, de seguridad en caso de incendio, establece lo siguiente:

La comprobación de la capacidad portante de un elemento estructural de madera se realiza por los métodos establecidos en DB SE-M, teniendo en cuenta las reglas simplificadas para el análisis de elementos establecidos en E.3, y considerando:
a) una sección reducida de madera, obtenida eliminando de la sección inicial la profundidad eficaz de carbonización, def, en las caras expuestas, alcanzada durante el periodo de tiempo considerado;
                                          def = dchar,n + k· d0
dchar,n =profundidad carbonizada nominal de cálculo
d0de valor igual a 7 mm.
kde valor igual a 1 para un tiempo, t, mayor o igual a 20 minutos y t/20 para tiempos inferiores,en el caso de superficies no protegidas o superficies protegidas cuyo tiempo del incendio la carbonización, tch, sea menor o igual que 20 minutos. Para superficies protegidas cuyo tiempo del inicio de la carbonización, tch, sea mayor que 20 minutos se considerarà que kvaría linealmente desde cero hasta uno durante el intervalo de tiempo comprendido entre cero y tch, siendo constante e igual a uno a partir de dicho punto.





[1] Se llama contenido de humedad de la madera a la masa de agua contenida en la madera, expresada en porcentaje respecto a su masa anhidra. (Definición del Anejo A del documento básico DB SE-M del Código Técnico de Edificación.-CTE-)

[2] Antes de la entrada en vigor del Codigo Técnico de la Edificiación la normativa aplicable en España para el calculo de estructura de madera era el Eurocodigo nº7. Los Eurocódigos son un conjunto de normas europeas experimentales. Desde el año 1998 se fueron  reconvirtiendo de Normas Europeas Experimentales a Normas Europeas finalizandose el año 2006. Desde el año 2006 la normativa aplicable en España es el CTE.