INTRODUCCIÓN

El adecuado funcionamiento de una estructura (edificio, puente, muelle, etc.) depende, en buena medida, de su condición estructural. Cuando ésta se ve involucrada en un evento de incendio y, derivado de ello, no se tiene certeza de su integridad, es necesario realizar algunas inspecciones y pruebas que evidencien su situación actual para determinar si es necesario aplicar acciones de reparación antes de volverla a poner en servicio.

El daño por incendio es uno de los problemas que afecta de manera significativa la vida de servicio de las estructuras. Se sabe que el uso de concreto, como componente principal, proporciona niveles excepcionales de protección y seguridad en caso de incendio, ya que se repara con relativa facilidad. No obstante, aunque la normatividad de la construcción contempla especificaciones y propiedades de protección contra el fuego, es importante que, una vez padecido un evento de ese tipo, deban ser revisadas para determinar si pueden ser reutilizadas o si requieren reparación/refuerzo o, incluso, demolición. Actualmente existen diversas técnicas y procedimientos de inspección que pueden ejecutarse con ese propósito, a los cuales se hace referencia en este documento.  

EVALUACIÓN DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO

Un aspecto que debe revisarse cuidadosamente es la cuantificación del daño de las estructuras para determinar las acciones que pueden aplicarse. Aunque no existe una única forma de evaluar el estado de las estructuras post incendio, el análisis suele enfocarse en dos aspectos complementarios:

1. Revisión directa de daños, sin enfocarse en las causas. Hay varias opciones disponibles para efectuar la revisión, entre las que está la inspección visual de deformación, niveles, “spalling” en concreto, fisuras o grietas; revisión de pandeos y patrones de grietas; medición de deformación; ensayos de compresión en muestras de concreto y pruebas de tensión, dureza y metalografía en acero, así como estudios petrográficos con el fin de observar y evaluar el deterioro estructural.

2. Enfoque térmico del incendio, que implica evaluar los flujos de calor, temperaturas y tiempos de exposición de los elementos estructurales en evaluación. El enfoque térmico se alimenta de datos tomados en campo, que enriquezcan la información sobre la duración del incendio, los flujos de calor para dimensionar la potencia del mismo, las temperaturas alcanzadas y la forma en que se desarrolló el incendio, su posible crecimiento y el calor generado.

Una adecuada evaluación combina e integra ambos aspectos; dado que el daño estructural es el resultado de los fenómenos térmicos que genera el incendio, permite integrar el análisis de causas con consecuencias. Con la combinación de estos enfoques se logra tener aproximaciones justificadas para definir, de modo seguro, si la estructura o una parte de ella presenta algún nivel de daño relevante y si amerita reparaciones /refuerzos puntuales, en vistas de poder ser reutilizada, (Granda J., 2020).

En el mundo se han desarrollado numerosos métodos de ensayo adecuados para evaluar las propiedades del concreto no dañado. Sin embargo, el concreto dañado por el fuego, al ser un material estratificado y heterogéneo, se convierte en un tema bastante complejo, por lo que es útil la combinación de métodos de campo (in situ), que se realizan en el lugar del incendio, y métodos de gabinete, que se realizan a través de ensayos de laboratorio, cuyos principales ensayos se describen a continuación.

MÉTODOS DE CAMPO (IN SITU)

Ensayo de cuantificación de la deformación

La pérdida de tensión (pérdida de preesfuerzo) en elementos pretensados puede determinarse a partir de la medición de la deformación generada por la relajación de la pretensión posterior al incendio. Esta deformación por relajación se obtiene al comparar elementos que estuvieron expuestos al fuego con aquellos elementos no expuestos, si los hay, o con otros elementos estructurales de referencia, como elementos sanos en estructuras o en laboratorio con configuración similar, donde la deflexión (pandeo horizontal) puede ser el indicador de la deformación. La Figura 1 muestra un ejemplo de relajación extrema en elementos de concreto tipo doble T con algunas curvas de deformación que facilitan su interpretación técnica (fib, 2008).

Figura 1. Ejemplo de relajación o pandeo extremo en elementos de concreto doble T.

Ensayo de capacidad de carga

Realizar una prueba de carga en la estructura ayuda a estimar la vida residual. Esta prueba consiste en aplicar una serie de cargas, en puntos específicos, medir la deformación o flexión resultante y asociarla con las propiedades mecánicas y geométricas del material y elementos de la estructura. Aunque las pruebas de carga consumen mucho tiempo y son costosas, los resultados de pruebas cuidadosamente diseñadas son confiables y pueden ser útiles para determinar si la estructura puede repararse en lugar de reemplazarse. Ejemplo de la aplicación de este tipo de pruebas se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Ejemplos de ensayos de capacidad de carga en estructuras de concreto

Ensayo de martillo de rebote (Schmidt)

El martillo de rebote (Schmidt) es utilizado para evaluar la continuidad del concreto, cuyo principio es la transmisión del sonido producida por una percusión, que es distinta en un concreto sano que en uno dañado. El martillo de rebote consta de un cuerpo exterior, un émbolo, una masa de martillo, un resorte, un mecanismo de enganche y un cojinete deslizante, (Figura 3, Malhotra V. M., 2004). Cuando el émbolo se presiona lentamente contra la superficie de concreto, el resorte se tensa hasta que el mecanismo de enganche libera la masa del martillo que golpea el émbolo en la última posición. La distancia de rebote de la masa se mide en una escala lineal de 10 a 100, cuya lectura corresponde al número de rebote.

El martillo de rebote es adecuado para su uso en el laboratorio y en el campo. Puede ser utilizado en objetos de prueba orientados en cualquier pendiente, donde se aplican tablas de calibración o corrección para todos los ángulos de prueba, debido a efectos de la gravedad. Hay varios tipos y tamaños de martillos disponibles comercialmente para medir diferentes tipos de concreto y diferentes clases de resistencia. Además, la determinación del número de rebote está normalizada por la norma europea EN 12504-2:2001, mientras que por el lado americano se aplica la ASTM C 805/C805M y ambas proporcionan información equivalente.

Ensayo de velocidad de pulso ultrasónico

Este método de prueba se ha utilizado durante más de 60 años para evaluar la calidad del concreto (Tarun R. et al, 2004). El principio del método de pulso ultrasónico es que la velocidad del pulso depende de las propiedades elásticas y la densidad del concreto, por lo que pueden detectarse áreas con poca elasticidad o baja densidad, como el concreto dañado por el fuego.

El equipo de prueba consta de un generador de pulsos, un sensor transmisor, un sensor receptor y una unidad de medida. El tiempo de arribo de las ondas de compresión depende de las que se propagan más rápido en el concreto y lo mide el sistema en el sensor receptor. Para evitar errores de medición, la superficie del concreto debe ser lisa y los sensores (emisor – receptor) deben tener buen contacto con el concreto, que se logra al aplicar una capa delgada de gel en la zona de contacto y manteniendo presión constante sobre los sensores durante la medición. La colocación de los sensores puede ser en diferentes configuraciones, como se muestra en la Figura 4, y se deben tener en cuenta las grietas por contracción y delaminación al evaluar el concreto dañado por el fuego, al interpretar los resultados (fib, 2008).

Figura 4. Diferentes configuraciones para medidas de la velocidad del pulso ultrasónico.

Ensayo de resistencia a la perforación

Este ensayo consiste en medir de manera continua el trabajo disipado y la profundidad del agujero durante la perforación con un taladro rotomartillo ordinario, que permite detectar daños térmicos considerables en el concreto (Felicetti R., 2006). La resistencia a la perforación está fuertemente influenciada por la energía de fractura del material y la dureza del agregado, donde el trabajo disipado por unidad de perforación (trabajo específico, J/mm) es el indicador más sensible de la integridad del material. Con este método se escanea el material desde la superficie hasta el interior y utiliza como referencia la resistencia a la perforación en concreto no dañado ni calentado por el fuego.

Dado que las medidas son relativas, factores como el desgaste de la broca, la rigidez y la masa del objeto no influyen en la sensibilidad del método. La prueba es rápida, adecuada para su uso, tanto in situ como en laboratorio, y suele proporcionar resultados fiables, especialmente indicada en casos de daños severos por incendio. El método detecta niveles similares de resistencia a la perforación a los de un modelo conocido como sección transversal reducida; es decir, en el que se desprecian secciones con un historial de temperatura superior a 500 °C al calcular la capacidad portante posterior a la carga y que corresponde a una caída del 50-70 % de la resistencia a la compresión original. A bajas temperaturas, el trabajo específico es más alto que en concreto original y es más sensible en materiales más blandos, como concreto de baja calidad o concreto ligero. La Figura 5 presenta una imagen del equipo y la representación gráfica de sus resultados.

Figura 5. Ejemplo del ensayo de resistencia a la penetración y valores residuales de resistencia a la compresión, trabajo de perforación y tiempo de perforación contra la temperatura. Redibujado de (Felicetti R., 2006).

Ensayo de extracción

Los métodos de prueba de extracción se desarrollaron para decidir cuándo retirar el encofrado, la aplicación del postensado y la terminación de protección contra el frío (Carino N.J., 2004). La resistencia a la compresión del concreto se estima a través de la fuerza requerida para extraer un inserto metálico de la estructura, por lo que, a diferencia de otros métodos, el concreto se somete a una carga aplicada lentamente y se mide la resistencia real. Esta prueba es ejecutada de acuerdo a la norma ASTM C 900 y se realiza directamente en la estructura, de manera que se obtiene la resistencia “en el lugar”.

Su proceso comprende la colocación de un disco de acero con un diámetro de 25 mm a una profundidad de 25 mm, que es extraído concéntricamente contra un anillo de contra presión de 55 mm de diámetro en la superficie. El anillo de contra presión hace que dicha prueba provoque una falla por compresión y se mide la fuerza requerida para extraer el inserto. El ensayo se hace ya sea para una carga requerida, caso en el cual la prueba no es destructiva, o para la carga máxima, la cual resulta en una pequeña falla cónica de 55 mm en la superficie (Figura 6).

Ensayo de fractura interna BRE

Esta prueba consiste en crear un orificio de 6 mm en la estructura de concreto con un taladro rotomartillo, el agujero se limpia y se inserta un perno de anclaje hasta que la base alcanza una profundidad de 20 mm. Las fuerzas de reacción para extraer el inserto se transmiten a la superficie del concreto mediante un soporte circular. Primero, se aplica una carga de tensión inicial para expandir y acoplar el “manguito” y después se aumenta la carga hasta que el concreto falle y se registra el valor de carga alcanzada para extraer el ancla.

En comparación con las pruebas de extracción tradicionales, este método ofrece una mayor variación probablemente debido a la variabilidad en la perforación y preparación del hueco (Figura 7). Las partículas de agregado se supone que influyen en el mecanismo de transferencia de carga y en la carga inicial de la falla. La carga estática proporcionada por el inserto permite el tratamiento analítico de los resultados, que muestra una relación no lineal entre la fuerza de tracción requerida para provocar la falla y la resistencia a la compresión del concreto.

Ensayo CAPO (Cut and Pull Out)

La prueba de corte y extracción (CAPO) es un desarrollo adicional a la prueba de extracción tradicional, que requiere se instale el inserto en el encofrado antes del vaciado de concreto, mientras que este método permite la post-instalación del inserto. Para la prueba se prepara un agujero de 18 mm con un taladro rotomartillo que usa una herramienta de fresado especial, que produce una muesca con un diámetro de ranura de 25 mm, a una profundidad de 25 mm. Posteriormente, se coloca un anillo expansor en la ranura y se expande utilizando una herramienta especial, para luego extraer el inserto mediante un anillo de rodamiento y un brazo de carga que se asienta sobre el cojinete del anillo. Las fuerzas de reacción se transmiten al concreto por el anillo de apoyo.

La prueba requiere de una cuidadosa preparación preliminar de la superficie para obtener una superficie plana de apoyo perpendicular al inserto. Al usar las pruebas de extracción en el campo se debe ubicar el inserto en regiones críticas de la estructura y llevar a cabo una serie de pruebas lo suficientemente amplia, para lograr un grado razonable de confianza en los resultados del ensayo, ya que la variabilidad de este método es similar a la de extracción estándar (pull out test). Antes de estimar la resistencia in situ del concreto, se debe determinar la relación entre la fuerza última de extracción y la resistencia a la compresión (Figura 8).

Ensayo de la Sonda Winsor

Para esta prueba se requiere que una sonda de aleación de acero endurecido de 79.5 mm de longitud y punta de 6.3 mm de diámetro. La sonda es impulsada por una pistola accionada con pólvora y se mide la profundidad de penetración con un micrómetro de profundidad. La energía cinética se absorbe durante la penetración por fractura en la capa superficial y por fricción entre la sonda y el concreto más profundo. En la superficie, la sonda fractura el concreto dentro de una zona en forma de cono y las grietas se propagan hasta la superficie, mientras que por debajo de esta zona la penetración la resiste la compresión del concreto. Los puntos de medición no deben colocarse a menos de 150 – 200 mm de cualquier borde u otro punto de medición, además de que la presencia de refuerzo a menos de 100 mm afecta la profundidad de penetración.

El disparo de una sonda metálica hacia una superficie de concreto permite medir la dureza o resistencia a la penetración (Figura 9), misma que se puede utilizar para estimar la resistencia del concreto (Malhotra V.M., Carette G. G., 2004). El método muestra alta repetibilidad (Schneider et al, 1990), (fib, 2008), y, para lograr resultados de ensayo confiables, la muestra de ensayo debe tener un espesor de al menos tres veces la profundidad de penetración esperada (Malhotra V. M., Carette G. G., 2004).

MÉTODOS DE GABINETE O LABORATORIO

Ensayo de análisis de color

Las transformaciones químico-físicas del concreto pueden degradar su resistencia mecánica. Estudios muestran el efecto de las temperaturas elevadas: arriba de 100 °C el agua ligada físicamente se libera, por encima de 300 °C se descomponen los silicatos hidratados y superior a 500 °C la portlandita se deshidrata (Felicetti R., 2004). Así mismo, los agregados se expanden cuando aumenta la temperatura y algunos agregados comienzan a sufrir cambios cristalinos o se descomponen a partir de 600 °C.

Además de este deterioro de la resistencia, el concreto puede agrietarse, astillarse, vitrificarse y cambiar de color, efectos que pueden detectarse visualmente. El concreto puede cambiar del típico gris a rosa o rojo entre 300 y 600 °C, a gris blanquecino entre 600 y 900 °C y beige entre 900 y 1000 °C, (Figura 10). La decoloración rosada o roja ocurre debido a la presencia de compuestos de hierro en el agregado fino o grueso, que se deshidratan u oxidan a esta temperatura. Para concretos con agregados que no muestran cambios de color confiables, el análisis de imágenes puede restringirse a la pasta de cemento, donde el cambio de color es independiente del tipo de agregados utilizados (Short N. R. et al, 2001).

Figura 10 Cambios de color en concreto calentado (fib, 2008).

Existen numerosos sistemas para cuantificar estos colores. Uno de ellos es el análisis colorimétrico, el cual se ha realizado tradicionalmente en laboratorios utilizando un microscopio con análisis digital. Otro corresponde al uso de imágenes digitales simples, que es útil para evaluar la historia térmica (Felicetti R., 2004), que requiere núcleos de las estructuras a evaluar, aunque las imágenes digitales también pueden ser proporcionadas por un escáner (Hager I., 2010).

Ensayo de muestras de referencia expuestas en horno de laboratorio

Es muy útil exponer al calor muestras de referencia del mismo concreto de la estructura que no ha sido expuesto al fuego, en un horno de laboratorio (Figura 11). Esto puede proporcionar información útil al realizar análisis de color, análisis mediante un microscopio electrónico de barrido (MEB) y con la técnica espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDS).

Ensayo de resistencia a la compresión de núcleos

Aunque es común extraer núcleos y realizar ensayos de compresión tradicionales en concreto dañado por el fuego, esta prueba sólo da información aproximada de la profundidad del daño. La parte del núcleo más cercana al fuego se romperá primero y el valor de la resistencia a la compresión de la prueba no es fácil de asociar con una profundidad específica en la sección transversal. El ensayo de compresión se realiza bajo la norma NMX-C-083, NMX-C-109 y NMX- C 128 y puede emplearse una máquina en carga monotónica como la mostrada en la Figura 12.

Figura 12 Indica ensayo de compresión en ítems de concreto ensayados [Creada por los autores]