La seguridad es uno de los elementos más importantes a la hora de diseñar una estructura, y los incendios continúan siendo uno de los riesgos más preocupantes. El concepto general ve a la madera como incapaz de lidiar con esto, pero requerimientos normativos y tecnología tienen otra visión, mostrando que el material cuenta con sus propias herramientas para asegurar la resiliencia
La relación de la humanidad con el fuego varía según el objetivo. En la prehistoria nos permitió iluminar la noche y abastecernos de calor, para luego permitirnos dominar diversos materiales e ingredientes, siendo pieza clave de nuestra evolución y la de nuestra tecnología. Sin embargo, cuando se piensa en la necesidad de cobijo, el fuego deja de ser una herramienta y se convierte en un riesgo.
Los incendios son un serio peligro para la construcción en cualquiera de sus escalas, que abarca un abanico de riesgos y posibilidades ante las cuales los expertos en seguridad, diseño y estructuras han desarrollado estrategias. La combustión y los peligros a la seguridad de los habitantes se suman al peligro de falla estructural causado por el debilitamiento de las soluciones y sus materiales constructivos.
Existe muchísima literatura que explica cómo funciona este fenómeno, los distintos elementos clave a considerar y cómo evitar estos riesgos o reducir su coste, permitiendo que ingenieros, arquitectos y diseñadores conozcan las capacidades y limitantes de cada material utilizable. Esta información, sin embargo, no suele salir de los círculos especializados, lo cual permite que las visiones perjudiciales contra algunas materialidades prevalezcan.
La madera es la mayor afectada en este sentido. Si bien es uno de los materiales más utilizados en construcción habitacional de baja altura en el país, contando con más de 43 millones de m2 autorizados para construir en los últimos 20 años según estudios del Centro UC de Innovación en Madera (CIM UC), el inconsciente colectivo aún mantiene la idea de que las estructuras construidas en madera sucumbirán ante las llamas en cualquier escenario.
Los países y sus sectores de la construcción han intentado solucionar el riesgo de los incendios a través de la creación de regulaciones y códigos normativos que entreguen un marco de requisitos como estrategia contra el fuego en diversos tipos de necesidades, usos y contextos. En nuestro país las herramientas más utilizadas para cubrir este tema son la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (OGUC) y las diversas normativas NCh asociadas al tema, la cual detalla los tiempos que debería ser capaz de resistir cada solución constructiva en base a su aplicación y el método a utilizar para comprobar su efectividad.
Al revisar la guía, destaca el hecho de que los requerimientos son transversales para todos los materiales, como lo señala el jefe de proyecto de CIM UC – CENAMAD y Magister en Arquitectura Sustentable y Energía UC, Diego Maige “todos los materiales tienen que cumplir la misma resistencia al fuego. Un muro de hormigón, de acero galvanizado, de madera; bajo un cierto tipo de edificio y bajo ciertas condiciones, sin importar cuál sea el material".
Esto se explica en que el foco de la normativa en Chile y otras partes del mundo tiene un objetivo claro en este tema, donde la prioridad es la seguridad de las personas dentro de cada estructura y su posibilidad de evacuar el edificio en llamas. Para esto, el requerimiento técnico apunta a la resistencia a fuego de los elementos por una cantidad de tiempo predeterminada que haga posible esta evacuación, el cual se conoce como F.
Maige comenta que los distintos valores de F se determinan en función al uso de cada estructura, dejando en claro el tiempo que deben resistir edificios habitacionales, comerciales, hospitalarios, entre otros, más allá de la materialidad utilizada. Para cerciorar el cumplimiento de dichos requerimientos, se realizan pruebas en horno de gran tamaño donde se ubica la solución constructiva por validar y se somete a una carga térmica (temperatura) estandarizada y cargas simuladas que se acerquen al esfuerzo real que les significaría un incendio.
Las soluciones aprobadas son las que mantienen su capacidad de soporte durante y tras la exposición, no filtran el paso de fuego o gases inflamables, y no sufren fallas tales como aumentos de más 140ºC en su temperatura media por encima de la inicial, golpes de temperatura de 180ºC más de lo inicial en uno o más puntos de la solución, o temperaturas superiores a los 220ºC, independiente de la temperatura inicial del muro o losa al inicio del ensayo.
“¿Qué particularidades tiene la madera?” comenta al pensar directamente en la madera, “en las estructuras de entramado siguen los mismos criterios de diseño que las de acero galvanizado: pies derechos, aislación, y las placas (de yeso-cartón, fibrosilicatos, etc.), a lo que se suma la posibilidad de ser diseñadas para edificios de mediana altura”. En tanto, en las estructuras de madera masiva y productos de ingeniería, el arquitecto señala que estas nuevas tecnologías están exhibiendo propiedades únicas, y con ello, nuevas oportunidades para el diseño.
Al respecto, el análisis sobre cómo estructurar estrategias efectivas contra fuego en este nuevo escenario ha llevado a identificar tres elementos clave para asegurar la resiliencia de la capacidad de carga, evitar posibles filtraciones de fuego o gases y fallas de temperatura en estructuras en madera, ya sean de entramado o productos de ingeniería: la geometría, el contexto, y la integración temprana de la seguridad contra fuego en el diseño.
La conjugación de estos elementos en la supervivencia del edificio será la clave de que este, erigido en madera, prevalezca más allá de uno o más incendios y garantice la seguridad de las personas en su interior.
Qué evitar, y como hacerlo
Evitar que la madera se encienda o arda es muy difícil, si bien se están desarrollando alrededor del mundo diversos productos retardantes del fuego o directamente ignífugos. Por lo tanto, para entender cómo evitar que este inevitable sea un problema, hay que pensar en cómo funciona esta combustión.
En este sentido, cualquier combustión necesita de tres elementos: combustible (algo que quemar), comburente (algo que produzca una reacción que libere energía) y calor, que active esta reacción en cadena. La madera puede convertirse en combustible una vez se activa esta reacción, y sus fibras comienzan a descomponerse en gases inflamables y una costra alta en carbono en un proceso llamado pirolisis.
Este proceso tiene limitantes, sin embargo, y los expertos en el tema han aprendido a aplicar las cualidades mismas de la madera para avanzar en estrategias de seguridad. Un ejemplo de esto es aprovechar esa misma capa de carbón que se forma en el exterior a raíz de la pirolisis, y contabilizarla como una protección de las piezas de madera estructural, en un procedimiento llamado carbonización.
“El carbón aísla” es como inicia su explicación al respecto el investigador principal del Centro Nacional de Excelencia para la Industria de la Madera (CENAMAD) y la Pontificia Universidad Católica (PUC), Wolfram Jahn; “entonces cuando hay una capa de carbón y hay un incendio, básicamente cubre la madera virgen que está detrás”.
A partir de esta capa protectora natural, cuya acción puede medirse a partir de la tasa en que una pieza de madera se carboniza, es posible tomar decisiones de diseño que permitan la supervivencia del elemento ante el fuego.
“(Con esta tasa) yo puedo asegurar que, después de dos horas de incendio, la viga virgen que queda es suficiente para tomar la carga de todo el edificio, y con eso me aseguro de que no se va a caer” señala.
A pesar de contar con este mecanismo natural, la madera requiere de contabilizar más elementos para poder manejar de manera efectiva y segura eventos de fuego. El diseño de la estructura y sus cuartos interiores o compartimientos tienen un rol clave, tanto para generar una autoextinción del evento como para evitar su expansión hacia otros compartimientos del edificio.
Jahn explica al respecto que todas las normativas asociadas a fuego a nivel mundial “descansan en que eventualmente en un compartimento o departamento, haya una cierta carga combustible. Cuando tiene una cierta carga de combustible, voy a tener un incendio acotado, se acaba el combustible, se apaga el incendio”. Este cálculo debe alinearse con la carbonización para que esta sea efectiva, ya que implica que la carga combustible tiene que ser capaz de consumirse en un lapsus de tiempo, que debe ser menor de aquel en el que la sección sin quemar de la madera deja de ser capaz de resistir las cargas.
Para poder asegurar esto, hay conocer cómo se alimenta el fuego, lo cual explica el texto “We need to talk about timber” de los ingenieros de la Universidad de Edimburgo Angus Law y Rory Hadden. Según este texto, la pirolisis ocurre cuando se alcanza una temperatura de entre 200 y 350ºC, caracterizada por una rápida pérdida de masa por parte del combustible.
El comportamiento que vaya a tener la madera una vez encendida, en tanto, dependerá netamente del tiempo, ya que esta sólo podrá sostenerse si hay una ganancia de energía tanto de fuentes externas como de la misma retroalimentación que entrega la madera encendida a la flama; y que a su vez debe ser menor a las pérdidas de energía, causadas por la radiación de calor desde la superficie de la madera y o la conducción de calor hacia la madera.
La característica de ser un mal conductor térmico juega a favor de la madera en este sentido, pero no es suficiente como para asegurar el éxito. Sobre esta base, la geometría de los distintos compartimentos y la cantidad de madera expuesta en cada uno de ellos será clave para poder generar esta mayor pérdida de energía en la reacción que permita la autoextinción del incendio con la menor cantidad de daño posible.
El rol de la geometría proviene en que determinadas formas permitiran evitar que la combustión inicial continúe alimentándose de fuentes externas de calor. Jahn lo explica utilizando como ejemplo las fogatas: “Cuando (la fogata) se está quemando con tremendas llamas, tu agarras uno de los palos y los sacas, lo más probable es que el palo se apague. (…) Necesita de esa geometría de encerrar el calor, para que se siga quemando con llamas; en un edificio puedo hacer un poco lo mismo”.
La importancia de la encapsulación es similar, dado que es un método en que la madera se cubre con otros materiales para su protección, pero apunta a restringir el suministro de combustible para que no pueda haber más adquisición de energía, evitando un proceso llamado reirradiación. Siguiendo la comparación entre una fogata y una estructura de madera, el investigador e ingeniero UC señala que “si tengo tres paredes expuestas, van a irradiar calor y se van a mantener quemando. Si yo tapo una de esas paredes, aquí ya no hay flujo de calor y el flujo neto es muy poco para mantenerlo”.
Estos dos elementos se amalgaman con la carbonización al permitir calcular la cantidad de combustible a dejar al descubierto y cuánto tiempo tardaría toda esta en consumirse, permitiendo su autoextinción. “Si yo logro determinar o demostrar que con una superficie expuesta, y todas las otras encapsuladas, ese incendio se va a apagar, yo puedo después diseñar mi viga con la (suficiente) carbonización para que después, cuando se apague, mi viga virgen (parte no quemada) sea suficiente para mantener la estructura del edificio” es como describe Jahn este proceso.
Tener este banco de consideraciones en mente, junto al uso que se le dará, es clave a la hora de diseñar el edificio en cuestión, por lo que es de suma importancia poder contar con la visión de la seguridad contra fuego desde el inicio del proyecto para asegurar su factibilidad y efectividad. “Hay ciertas configuraciones geométricas que me permiten que todo sea expuesto, pero hay que verlo, y el desafío es que no hay una fórmula; (por eso) es super importante que la protección contra fuego se incluya desde un principio en el proceso”.
Actualmente, la forma más usada para poder probar configuraciones geométricas, de encapsulamiento o de diseño en cuanto a estrategias de fuego es con pruebas a escala, ya sea menor o real. Debido a esto, existen decenas de informes y registros de estos ensayos que únicamente son aplicables al caso particular que atendieron. Recopilando esta amplia base de datos, Jahn y su equipo de investigación buscaron encontrar esos factores o elementos en común que permitan avanzar hacia un método unificado de estrategia contra fuego en madera.
Estado del arte, patrones comunes y colaboración internacional
A inicios del 2022, Jahn se adjudicó uno de los primeros 13 proyectos capital semilla otorgados por CENAMAD, para realizar el proyecto “Análisis del estado del arte y modelación de experimentos realizados por otros investigadores sobre la dinámica de incendios de construcciones con madera expuesta”. El objetivo de este trabajo fue conocer el estado del arte de la dinámica de incendios en compartimientos de madera existentes hasta el minuto, y poder revisar los experimentos pertinentes existentes para contrarrestarlos con sus modelos teóricos correspondientes.
“Nuestra idea es buscar entre tanto experimento que se ha hecho, interpolar entre experimentos, y encontrar una fórmula con diez parámetros y me diera el valor” describe el académico, especializado en la modelación numérica de sistemas térmicos como sistemas de combustión y dinámica de incendios. “No creo que lleguemos a eso, pero de alguna forma tratar de encontrar patrones en esa selva de experimentos que se han hecho para determinar cómo hacerlo, y eventualmente ojalá, poder hacer experimentos virtuales” agrega.
Para esto, el equipo ha realizado una exhaustiva revisión de bibliografía que abrirá el paso para identificar cuáles son los siguientes desafíos existentes para cerrar la brecha existente en esta área del conocimiento y como se pueden afrontar: “la hipótesis original es que existe una manera de determinar o cuantificar la cantidad de madera expuesta que puede tener un edificio o compartimento, de manera que yo pueda asegurar la auto extinción y evitar la propagación de un incendio”.
Resulta particularmente importante señalar que, en el proceso de identificar este estado del arte como punto de partida, el equipo liderado por Jahn ha podido identificar y crear redes con otras entidades enfocadas a este tema alrededor del mundo, “hay unas cuatro o cinco universidades a nivel mundial que son fuertes en este tema, y nosotros estamos conversando con todos ellos de tú a tú, colaborando con todos ellos, de hecho” comenta.
Entre estas entidades se cuenta al Fire Research Center de Escocia, a la Universidad de Queensland en Australia, y al centro de investigación Fire-safe Sustainable Built Environment (FRISSBE), ubicado en Lyuliana, Eslovenia. Este último destaca por recibir la visita del Dr. Agustín Majdalani, investigador de CENAMAD y parte del equipo de Jahn. “Fue para lanzar la campaña de experimentación conjunta en los laboratorios de ZAG (pertenecientes a FRISSBE)” comenta Majdalani al respecto, “Nosotros desde CENAMAD hicimos la investigación teórica como primer paso, ahora la próxima etapa es la experimental”.
Estos experimentos comenzarían en julio de este año y se extenderán hasta diciembre del mismo, pudiendo permitir encontrar más respuestas respecto de la posibilidad de aplicar la autoextinción a escala de edificios como estrategia contra el fuego, siendo un gran y nuevo paso en el camino de la exploración de la autoextinción como una estrategia de protección contra incendios, especialmente en construcciones de gran altura en madera.
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