Resumen de Validación y corrección de un modelo hidro-térmico del comportamiento del hormigón en caso de incendio

Jorge Crespo Álvarez

• El incendio constituye uno de los elementos de riesgo más serios a los cuales puede verse sometida una estructura a lo largo de toda su vida útil. De manera general, los miembros estructurales confeccionados de hormigón de resistencia normal (NSC) presentan un buen desempeño en caso de incendio. No obstante, incendios recientes en túneles y estructuras han dejado en evidencia que los nuevos tipos de hormigones (alta resistencia, autocompactantes, etc.) presentan un comportamiento diferente y son más vulnerables a la agresión térmica que los hormigones convencionales, adquiriendo especial relevancia la aparición de fenómenos nocivos como el desconchamiento explosivo (spalling).

  El spalling se produce por una serie de complejas interacciones que tienen lugar en el interior del hormigón, así como por factores externos, entre los cuales intervienen la permeabilidad, el desarrollo de la presión de poros, la magnitud e intensidad del ataque térmico, las tensiones internas originadas por los gradientes de temperatura, etc.

  Los avances en el campo teórico del comportamiento del hormigón en caso de incendio y la evolución en las técnicas y métodos numéricos, han permitido el desarrollo de modelos físico-matemático-computacionales para determinar la evolución de las temperaturas, la presión de poros y la probabilidad de ocurrencia de spalling en hormigones expuestos al ataque térmico, abordándose el fenómeno desde diversos enfoques (termo-mecánico, hidro-térmico, hidro-termo-mecánico e hidro-termo-químico-mecánico).

  En función de su complejidad, estos modelos de predicción pueden ser clasificados como modelos complejos, los cuales necesitan de una gran cantidad de parámetros de entrada y un elevado coste computacional para reproducir los complejos mecanismos e interacciones que tienen lugar en el hormigón a elevadas temperaturas, o modelos simplificados, los cuales utilizan asunciones y simplificaciones para describir el fenómeno.

  Recientemente, algunos autores han demostrado que es posible calcular la evolución de las temperaturas, las presiones de poros en el interior del hormigón, e incluso, predecir la ocurrencia de spalling con una precisión aceptable a efectos prácticos empleando modelos hidro-térmicos simplificados. Sin embargo, estos modelos presentan un problema fundamental: su aplicabilidad se encuentra limitada a un número reducido de casos, ya que la mayoría presentan limitaciones tales como el rango de temperaturas dentro del cual tienen validez las expresiones del modelo, no consideran fenómenos como los calores latentes de vaporización y deshidratación, no tienen en cuenta el agua vinculada físicamente o no consideran efectos importantes como la contribución de la adición de fibras de polipropileno en la reducción de la presión de poros.

  En ese sentido, los trabajos realizados en la presente Tesis doctoral han estado encaminados al desarrollo de un modelo simplificado, que partiendo de los modelos actuales, permita resolver de forma parcial o total, las limitaciones más importantes encontradas en estos modelos.

  Por otra parte, un aspecto sumamente importante dentro de la disciplina del modelado y la simulación computacional de cualquier fenómeno lo constituye la validación del modelo. Para el caso del hormigón, la validación de los modelos existentes ha sido efectuada bajo disímiles condiciones de ensayo, las cuales muchas veces no se encuentran del todo bien documentadas, lo cual atenta contra la reproductibilidad de los ensayos y resultados. Por otra parte, las técnicas experimentales empleadas presentan una gran cantidad de factores que no se encuentran del todo controlados que hacen que se presenten grandes incertidumbres, tales como la condición de exposición térmica real en la cara expuesta, etc.

  A fin de resolver este problema, y de cara a contar con un método de validación fiable, en la presente Tesis Doctoral se propone una metodología experimental, fundamentada en la realización de ensayos de calorimetría de pérdida de masa a pequeña escala, la cual ha sido empleada a efectos de validación del modelo.

  En resumen, los resultados de la presente Tesis aportan una nueva herramienta para la predicción del comportamiento de hormigones en caso de incendio, mediante el modelado y la simulación computacional, así como un método de validación experimental para futuros modelos de análisis de la afectación del incendio sobre elementos de hormigón.