Comportamiento de la madera frente al fuego

No existen los materiales estructurales que no sufran daños al estar expuestos a la acción del fuego, lo que hace imposible diseñar y edificar construcciones a prueba de fuego. Existen numerosos casos de incendios severos de construcciones realizadas con materiales incombustibles donde las estructuras colapsaron rápidamente. Un ejemplo en Chile fue el incendio ocurrido en el ex edificio Diego Portales el año 2006, en el cual el acero fue el material estructural. En cualquier tipo de construcción sólo se puede entregar una mayor o menor seguridad frente a un incendio, considerando que en la mayoría de las edificaciones el riesgo no reside en la estructura misma sino en el contenido o carga combustible de los recintos.

La madera es un material combustible, que al quedar sometida a temperaturas superiores a los 120 °C comienza un proceso de deterioro químico, originando carbón y gases inflamables. Sin embargo debido a su baja conductividad térmica, tiene un avance de carbonización lento que en promedio es de 0,6mm/min, lo que le da una importante resistencia al fuego cuando las secciones de los elementos de madera son de un tamaño considerable, como ocurre con la madera laminada. 

La instalación de placas de yeso-cartón permite aumentar la resistencia al fuego de entramados ligeros de madera

Algunos conceptos sobre la teoría de la combustión de la madera: 

1. Pirólisis

A medida que la temperatura de un material aumenta, sus átomos y moléculas incrementan su energía cinética. Cuando los átomos de un sólido vibran en forma demasiado violenta, se rompen las uniones químicas entre ellos y se producen moléculas más pequeñas. El proceso en el cual los sólidos complejos se descomponen térmicamente en sólidos más simples, líquidos o finalmente en gases, se denomina pirólisis y es esencialmente la primera etapa en la ignición y consiguiente combustión de los materiales.

En la mayoría de los sólidos la fenomenología de la pirólisis es compleja, debido a la cantidad de factores en juego. Al calentar una pieza de madera, fuera de todo contacto con aire, se origina una descomposición térmica del material, que avanza desde las superficies expuestas al calor hacia el interior de la pieza.

 

2. Combustión

La combustión corresponde a una reacción química de oxidación rápida, de carácter exotérmico y que por ello puede automantenerse como reacción en cadena mientras haya oxígeno y combustible en cantidades suficientes.

 

3. Carbonización superficial

Cuando, producto de temperaturas propicias, la madera se inflama y comienza a arder, experimenta en un nivel superficial una paulatina desintegración, acompañada de la formación de carbón, el que por su baja conductividad térmica (0,03 kCal/mºCh), origina un recubrimiento aislante que además de dificultar el acceso del oxígeno necesario para su combustión, permite que las temperaturas en su interior permanezcan muy por debajo de las exteriores. Así, las zonas centrales de la pieza mantienen un gran porcentaje de su capacidad resistente en condiciones normales, experimentando ante el avance de la carbonización una disminución gradual de sus dimensiones. La suma de los efectos anteriores explica que elementos constructivos de madera puedan alcanzar una apreciable resistencia al fuego. 

Detalle del proceso de combustión de la madera

4. Temperatura de ignición

Es la temperatura mínima a la cuál debe ser calentado un material en presencia de aire, para que inicie una combustión independiente de la fuente de calor. La temperatura de ignición de la madera, que se estima en 250ºC como un valor promedio, sin embargo determinar un valor exacto es difícil, debido a que depende una serie de factores como la naturaleza, tamaño e intensidad de la fuente de calor; dimensiones y forma la pieza de madera; densidad y contenido de humedad de la madera; suministro de aire (oxígeno); velocidad y duración del período de calentamiento; y presencia o ausencia de llama piloto.

Tradicionalmente esta propiedad ha sido un parámetro importante en algunas clasificaciones por comportamiento al fuego para materiales, prefiriéndose aquellos que presentan temperaturas de ignición mayores, por considera que estos reducen el riesgo de incendio. Sin embargo, las condiciones que se generan en un incendio provocan la inflamación de muchos otros materiales, que teniendo una temperatura de ignición superior a la de la madera, pueden contribuir al desarrollo del fuego de una manera más enérgica de lo que hace esta.

En general se ha determinado que en maderas de baja densidad, como el Pino radiata, presentan temperaturas de ignición menores respecto a maderas de alta densidad. Se ha determinado experimentalmente que la temperatura máxima a la cual puede exponerse la madera durante períodos prolongados de tiempo sin que se inflame es cercana a los 120 °C.

 

5. Velocidad de llama superficial

Corresponde a la rapidez con que la llama se propaga superficialmente sobre un material, y es una característica importante para materiales de revestimiento. De la velocidad de esparcido de llama depende, en algunos casos, la posibilidad de contar con un lapso adecuado de tiempo para extinguir el fuego o para evacuar un recinto. 

La velocidad de la llama superficial se mide observando, mediante instrumentos adecuados, el incremento de avance de una llama sobre la superficie de un material combustible. Esta medida puede variar notablemente dependiendo de la posición del elemento, de la forma de aplicación del calor y de la llama, y de otros factores externos como la ventilación. Para la determinación de los índices de propagación superficial de llama se utiliza habitualmente un túnel de fuego, descrito en la norma ASTM E84-50T, y que corresponde a uno de los métodos de mayor confiabilidad.

 

6. Velocidad de carbonización

La velocidad de carbonización es la propiedad pirógena que presenta mayor interés para el desarrollo de criterios analíticos de diseño contra el fuego. Su independencia práctica frente a factores externos ha facilitado la elaboración de métodos experimentales para su determinación siendo el más frecuente someter piezas de madera a las condiciones normalizadas de incendio, verificando la penetración de la carbonización luego de un cierto tiempo de exposición.

La velocidad con que penetra la carbonización en la madera ha sido determinada en diversos estudios, en un rango variable comprendido entre 0,5-1,2mm/min, dependiendo principalmente de la densidad, permeabilidad y contenido de humedad de la madera; además del grado de ventilación existente durante el proceso de combustión. En general maderas menos densas y más permeables experimentan una mayor velocidad de carbonización.

Un detallado estudio experimental realizado por RAMIREZ (2001), obtuvo la velocidad de carbonización para madera laminada de pino radiata, y diferentes maderas crecidas en Chile. Se obtuvo que el pino radiata presenta una velocidad de carbonización de 0,87mm/min; para madera laminada con adhesivo uréico es de 0,77mm/min; y para madera laminada con resorcinol como adhesivo estructural es de 0,89mm/min.

En tanto la velocidad de carbonización de la madera de Álamo de 403 kg/m3 de densidad es de 1,08 mm/min; mientras que la velocidad de carbonización de la madera de Roble de 818 kg/m3 de densidad es de 0,69 mm/min.

 

En un próximo blog detallaremos algunos conceptos de protección y criterios de diseño contra el fuego en madera. 

 

Fuentes: 

– QUIROZ, J. 2001. Protección y tratamiento de la madera frente al fuego. Tesis para optar al título de Ingeniero Civil. Facultad de Cs. Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile.

– RAMÍREZ, A. 2001. Comportamiento de la madera frente al fuego y su protección. Tesis para optar al título de Ingeniero Civil. Facultad de Cs. Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile.

– RODRÍGUEZ, G. 2007. Diseño de edificios contra incendios. Apuntes del curso. Facultad de Cs. Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile.

– WAGNER, M. 2009. Comportamiento al fuego de elementos constructivos de madera. Apuntes del curso construcciones en madera. Facultad de Cs. Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile. 

– GONZÁLEZ, M. 2010. Comportamiento y resistencia al fuego de la madera laminada. Tesina Magíster en Construcción en Madera, Universidad del Bío Bío.