MATERIALES

Inflamabilidad y Combustión:

No son Terror para la Madera en Construcción Redacción M&M

Durante siglos, la madera ha sido considerada –en comparación con otros– un material de alto riesgo debido a su tendencia a consumirse fácilmente en eventos asociados con el fuego. Sin embargo, este mito carece de sustento cuando se revisa su comportamiento real en esta situación y la efectividad de los productos desarrollados para retardar su combustión.

C

ada año se consumen en el mundo más de 4.000 millones de metros cúbicos de madera, el 56 por ciento se utiliza como combustible y el 44 por ciento restante en aplicaciones industriales diversas, cifras que da cuenta de la alta demanda que existe de este material, valorado por ser tan imprescindible y tradicional como noble. De hecho, una de las aplicaciones más antiguas y exigentes está en el sector de la construcción que en países como Estados Unidos, Canadá, Francia, España, Gran Bretaña, Japón, Alemania, Austria, Rusia, Turquía, Irán, Australia, Nueva Zelanda o Escandinavia se practica desde tiempos remotos alcanzando hoy grandes avances en cuanto a técnicas constructivas y productos para la protección de la madera; de hecho, por la seguridad y calidez que ofrece el material, ha logrado desplazar al concreto, en algunas ocasiones. Paradójicamente, en países latinoamericanos y del trópico como Colombia, el uso de la madera se ha limitado a la fabricación de muebles, partes, arquitectura interior, embalajes y otros “menores” que no exigen del material esfuerzos estructurales pues, sobre ella se ha cernido un manto de desconfianza asociado principalmente con su tendencia a arder y consumirse en eventos de fuego.

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Pese al prontuario de grandes beneficios: versatilidad, resistencia sísmica comparada con el concreto o el acero, propiedades térmicas, calidez, belleza estética y fácil transformación, el hecho citado la ha sacado injustamente del portafolio local de materiales usados en construcción y obras estructurales estimado por arquitectos y constructores, en clara ignorancia frente al material, su comportamiento y ventajas reales en hechos donde el fuego es antagonista.

Un Mito Consentido y Creído Tras los años de experiencia recogidas en los países donde la madera ha tenido un puesto preponderante en la construcción de los proyectos de vida de sus habitantes –y en distintos ámbitos– son numerosas las pruebas que demuestran como éste es y ha sido uno de los materiales más seguros al contacto con el fuego, a lo largo de la historia. Contrario a lo que se piensa –y pese a ser combustible por contener carbono en su composición– la madera no es precisamente el material responsable de arder y propiciar llamas una vez entra en contacto primarios con una fuente de calor de elevada temperatura; de hecho, en los episodios de incendio son materiales como las telas, fibras o revestimientos existentes en un espacio, los que contribuyen a su evolución y desarrollo. En realidad, la madera soporta tiempos prolongados de exposición, antes de arder y mucho más largos antes de consumirse, en especial si se trata previamente con sustancias retardantes de llama. No en vano, cuando el fuego ataca estructuras en madera de grandes dimensiones, estas poseen la facultad de conservar su capacidad de carga por más tiempo si se

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compara con las fabricadas en acero que pierden ductilidad a los 400°C y a los 600°C, resistencia y propiedades mecánicas; o el concreto que, sometido a temperaturas de 1000°C, se dilata y en corto tiempo se desploman. La razón para que el desempeño de las estructuras con madera pesada –de espesores y dimensiones importantes– en las condiciones descritas sea superior al de materiales incombustibles desprotegidos, obedece al proceso de descomposición química o pirolisis que sufre una vez comienza a arder y que origina una carbonización superficial que le sirve como barrera aislante que impide la emisión de gases y la conducción de calor al interior de la madera. De esta manera, el material permanece protegido –aun a temperaturas superiores a los 120°C–, registrando dilataciones térmicas mínimas que mantienen sus propiedades mecánicas, su estabilidad y por ende neutraliza el peligro de desplome. Se ha establecido, de hecho, que una pieza de madera en el momento de ser alcanzada por el fuego y comenzar a arder, pierde entre 0.5 y 1.0 milímetro de espesor por minuto, medida que puede variar según la tendencia a carbonizarse propia de cada madera, de acuerdo a su especie. Así

Históricamente, la madera lleva a cuestas la fama de presentar un pésimo comportamiento en episodios de incendio, sin embargo las pruebas demuestran lo contrario.

por ejemplo, una columna de pino silvestre (Pinus sylvestris) de 12 x 12 pulgadas –que soporta un peso de 90 toneladas– puede resistir al fuego antes de consumirse hasta 45 minutos, mientras que una de igual espesor, pero en acero, resiste máximo 15 minutos antes de deformarse. Paralelamente, la baja conductividad térmica de la madera aporta al control de la temperatura interior del material y disminuye el riesgo de incendios de grandes magnitudes, no en vano se reconoce que luego de ocurrido un episodio de este tipo es más sencillo reparar obras construidas con madera que las levantadas en otros materiales, dado que los daños son también menores.

Reacción y Resistencia: Conceptos para Revisar Corría el año de 1666, un incendio voraz arrasó más de 13.000 viviendas en Londres hecho que dejó como balance una ciudad destruida, incalculables pérdidas materiales, cientos de víctimas y la redacción –luego del hecho– del ‘London Building Act’, el primer código de construcción de la era moderna, que señaló la manera de edificar con madera, donde hacerlo y que dio origen a las compañías de seguros contra incendios.

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de muros o techos, lo que supone una reacción distinta si se trata de estructura o simple material.

Techo de madera tratada para ignifugar en el aeropuerto Charles de Gaullen en Roissy (Francia). Arquitecto Pau Andreu.

A partir de este episodio se dio también la revisión, por parte de arquitectos, diseñadores y gobiernos de todo el mundo, del tema de la madera en relación con el fuego y la manera de protegerlo a partir del estudio de los factores que inciden en su naturaleza como material combustible. Así pues, se estableció que existen dos criterios importantes a la hora de estimar el comportamiento de un material frente al fuego: la reacción y la resistencia, entendido el primero como el comportamiento del material estimado en términos de inflamabilidad, combustibidad, propagación de llama, tasa de calor liberado, tiempo de ignición, generación de humos y gases y goteo del material fundido; y el segundo, como el periodo de tiempo que una sección estructural puede soportar antes de desplomarse, es decir, el tiempo que mantiene sus cualidades estructurales Bajo estas premisas, puede afirmarse que la madera ofrece buena resistencia frente al fuego gracias a su capa protectora de carbón, pero su reacción si es limitada, por cuanto arde con facilidad si alcanza piezas en madera de dimensiones y espesores delgados, tipo muebles, revestimientos

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Precisamente, y para contar con normativas en el tema de seguridad y promover el desarrollo de productos protectores frente al fuego han aparecido sistemas como el de Euroclases, que clasifica el comportamiento de los elementos constructivos a partir de criterios como la combustibilidad, producción de humos y producción de gotas inflamables y, actualmente, sustituye los sistemas nacionales de clasificación de los países miembros de la Comunidad Europea, para este propósito. Esta normativa, que incluso es atendida en países distintos a los europeos, es fundamental para estimar el comportamiento que tendrá un elemento al contacto con el fuego una vez en uso e incluye dos categorías para el tema: materiales de construcción (excluidos pisos) y otro para pisos. Para el caso de resistencia al fuego evalúa criterios como: Capacidad portante (R), Integridad (E) y aislamiento térmico (I). (Ver cuadro1). Vale señalar que tanto la normativa europea como otras que abordan el tema (1) realizan las clasificaciones descritas a partir de pruebas de resistencia al fuego en laboratorio, que les permiten a diseñadores y constructores

posteriormente, calcular de manera precisa el valor nominal de resistencia que puede alcanzar un elemento estructural, así como también su tamaño, grado de exposición y las cargas que puede soportar en una construcción. En este contexto la madera, así como sus derivados tipo tableros de fibras, tableros de partículas y demás, se clasifica como D (combustible con grado de contribución al desarrollo del incendio creciente) en la reacción al fuego, aunque dicho grado de afectación pueden aumentar cuando se recubren con tintes, barnices y pinturas que se sabe son en su mayoría sustancias muy inflamables o disminuir, si se protegen con adecuados productos retardantes de llama. Sin embargo, no todas las maderas presentan igual comportamiento.

Las Más y Menos Ardientes Aunque en general, las especies maderables son inflamables y en calibres importantes presentan comportamientos similares, existen especies con mayor tendencia que otras a arder o que en cambio, resisten mejor los embates del fuego. Así, tras estudios adelantado en distintos laboratorios para maderas, con

Cuadro1 Reacción al fuego Combustibilidad

A, B, C, D, E, F y FL (para suelos)

A1: No Combustible. A2 y B: Poco Combustible. C, D y E: Combustible con grado de contribución al desarrollo del incendio creciente. F: Muy alta contribución al incendio, fuera de las clasificaciones anteriores.

Humos

s1, s2, y s3. Indica la producción de humo creciente al aumentar el índice.

Gotas

d0, d1 y d2. Indica el goteo de partículas / gotas inflamadas creciente al aumentar el índice.

REI - tt

Tiempo (tt) durante el cual cumplen los criterios de capacidad portante (R), integridad (E) y aislamiento térmico (I).

RE - tt

Tiempo (tt) durante el cual cumplen los criterios de capacidad portante (R) e integridad (E).

R - tt

Tiempo (tt) durante el cual cumplen los criterios de capacidad portante (R).

Resistencia al fuego

(*) Esta clasificación toma como base las normas UNE-EN-13501-1 para el caso de la reacción al fuego y la UNE-EN-13501-2, para resistencia al fuego.

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MATERIALES probetas de variadas especies se ha podido determinar que entre las más inflamables están las variedades de Pinos (Pinus), Sauces (Salix), Alisos (Agnus) y Abetos (Abies alba), cuya particularidad es su composición resinosa que las hace blandas e ideales para construcción de casas prefabricadas por su consistencia y bajo costo. El segundo grupo lo conforman las maderas medianamente inflamables, entre las que se cuentan el Haya (Fagus sylvatica), el Castaño (Castanea sativa) y la Caoba (Swietenia macrophylla), mientras que en el grupo de las menos inflamables están la Encina (Quercus rotundifolia), el Ébano (Diospyros ebenum) y el Alerce (Larix decidua) que se ubican también entre las frondosas o que poseen bajo contenido de resina y que al contacto con el fuego arden superficialmente de forma lenta y con llama corta. De igual manera se sabe que las maderas secas, en especial las piezas delgadas, dispuestas horizontalmente y sometidas a una temperatura inicial de 300°C, arden rápidamente; mientras las húmedas tardan más tiempo en reaccionar al fuego, al igual que las piezas de calibre grueso dispuestas en forma horizontal. Vale anotar que uno de los productos que presenta altísimas resistencias en la situación descrita –además de los tableros OSB sometidos a tratamientos especiales– es la madera laminada que en construcción, se emplea para la fabricación de elementos estructurales como vigas y columnas. De acuerdo a pruebas realizadas por profesionales del departamento de investigaciones de Arauco, compañía fabricante de tableros, al someter una probeta de madera laminada al fuego, en su borde de avance de carbonización, la temperatura no asciende a más de 200 °C, y en su interior alcanza máximo 90 °C, siendo muy baja para provocar la combustión de la madera. De igual forma se comprobó que este producto presenta una velocidad de carbonización menor que la registrada por la madera maciza.

Gráfica: www.cttmadera.cl

Desarrollo de temperatura viga laminada

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Desarrollo típico de temperaturas a través de una sección transversal de una viga, que ha sido sometida en un horno a temperaturas cercanas a los 1.000º C.

MATERIALES La razón principal de este comportamiento tan conveniente, es la efectiva aislación térmica del tablero que dista mucho de la que exhiben los metales incombustibles usados en construcción, como el acero y el aluminio, que pierden rápidamente su resistencia colapsando en poco minutos de iniciado un hecho de incendio. Estos son excelentes conductores de calor en la medida que lo distribuyen eficientemente, longitudinal y transversalmente, en la totalidad de pieza.

impregnan mediante inmersión antes de someterlo a encolado o bien, se agregan los productos al adhesivo usado en la fabricación.

Ignífugos y Sustancias Protectoras: Héroes de la Jornada

Para el caso de los tratamientos superficiales –que consisten en la aplicación de protectores mediante pincelado, inmersión, pulverización o proyección– se emplean básicamente dos sustancias: pinturas ó barnices, que pueden actuar bien, hinchándose por la acción del calor con lo cual forman una capa aislante o bien, impidiendo que el oxígeno alcance la madera. Vale señalar que como desventaja, estos productos y sistemas no ofrecen la misma duración que los de penetración dado que con el paso del tiempo, pierden su eficacia.

La historia da cuenta que en el año 86 a.C, se dio la frustrada quema de una torre que soportó el embate de las llamas gracias a un recubrimiento con potasio de alumina, que para salvar la madera de ser consumida por el fuego, los pobladores sumergían el material en una solución de vinagre y alumbre y que, a principios del siglo XX, las sustancia combustibles en las luces relámpago empleadas en fotografía obligó al desarrollo de baños de fácil aplicación para proteger la madera de las cámaras de galería. Podría decirse que estos son algunos de los sistemas y productos que dieron origen a los llamados ignífugos, exitosamente desarrollados por la industria durante los últimos años, y que han cumplido un papel determinante en la modificación favorable de la reacción de la madera frente al fuego, fortaleciendo la confianza hacia ella, en el mercado y la industria en general. Estos, que pueden ser productos químicos o materiales incombustibles (fibras minerales, asbesto o tableros de yeso) tienen como propósito disminuir en la madera su nivel de combustibilidad e inflamabilidad o bien, servir como pantalla para impedir la acción del calor sobre ella, evitar una combustión sostenida y disminuir la velocidad de propagación de las llamas y la producción de gases inflamables, en caso que arda. Actualmente, existe una gran variedad de ignífugos en el mercado (ver cuadro 2) que, de acuerdo a la forma de aplicarlos, pueden dividirse en dos grupos: los tratamientos de profundidad y los tratamientos superficiales. Para el primer caso –que se basan en la penetración del producto en la madera– cuando se trata de madera maciza, las sustancias se aplican de forma artificial mediante presión, usando autoclave; mientras que para los tableros se recurre a varios métodos dependiendo del tipo. Así, para tableros contrachapados por ejemplo, se aplica el tratamiento usando autoclave una vez fabricados; se

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Ya, cuando se protegen tableros de partículas, los productos ignífugos se añaden a las partículas antes de encolarlas o bien en la misma cola, y si se trata de tableros de fibras MDF, se mezcla el producto con el adhesivo o se aplica en la manta de fibras.

Vale señalar también que pese a la efectividad de muchos de los productos enunciados, existe una gran desventaja respecto a los ignífugos a base de Cloro y cuya fórmula contiene halógenos, dado que suelen incrementar el volumen de humos y productos de descomposición tóxica que se desprenden durante la combustión, lo que resulta nocivo para la salud –cuando hay inhalación principalmente– y para el medio ambiente. De hecho, los primeros retardantes a base de Bifenoles policlorinados fueron suspendidos en 1977, aunque hoy abunden en el mercado. Cuadro 2 Productos o sistemas de Comportamiento Ignífugo

Sales Inorgánicas

Contienen fósforo, ácido fosfórico y sales fosforadas, y de la gama se destacan, por demanda, las compuestas de boro. Son utilizadas como aditivos retardantes de llama desde 1800, la mayoría de ellas se descomponen térmicamente generando ácido bórico y liberando agua a través de una reacción endotérmica, a la vez que absorber calor en la fase de descomposición y forman una capa de vapor de agua sobre la fase sólida del material tratado. No afectan el comportamiento la madera a la hora de procesarla industrialmente, ni ofrecen peligro para la salud humana

Rociadores automáticos

Mejorar los valores nominales de resistencia al fuego y dispersión de llamas, y son un producto esencial en la protección pasiva contra el fuego, para el caso de los piezas pequeñas de madera.

Al contacto con el calor, la capa aplicada sobre el material, amplía su masa casi 10 veces previniendo las deformaciones que Pintura ocurren al contacto de altas temperaturas. Según la cantidad intumescente de capas aplicadas del producto, y que se miden en micras, ofrece mayor o menor resistencia al fuego. Se trata de elementos que, usados como escudo o barrera física, aíslan la madera de las llamas o peligro de fuego. Entre Tratamientos ellos están: las placas de yeso, los tableros de fibrocemento, indirectos las lanas de vidrio, las fibras cerámicas o de amianto y los recubrimientos calcáreos.

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Hoy, el mercado ofrece una gran variedad de productos protectores para la madera, contra el fuego; de hecho algunos tienen efectos extremos en el material, como su petrificación.

Pruebas de Fuego Científicos de la Universidad Distrital de Bogotá, realizaron estudios para estimar el comportamiento de diferentes maderas tratadas con sustancias ignífugas frente al fuego, con la conclusión de que éstas tienen efectos sobre la combustibilidad de algunas maderas, según el mayor valor de contenido de humedad en la zona de saturación de las fibras (grupos C y D). En una de las pruebas, se analizó la incidencia de los sistemas de aplicación por inmersión, aspersión y presión de ignífugos –notándose que se logra un mayor grado de efectividad cuando se aplican estos métodos– en las maderas de Abarco (Cariniana pyriformis), Almendro (Dipteryx panamensis), Zapato (Basiloxylum zapato), Otobo (Dialyantera otoba) y Chingalé (Jacaranda copaia), utilizando la fórmula compuesta por 70 por ciento de sulfato de amonio, 20 por ciento de bórax y 10 por ciento de ácido bórico. Otros ensayos realizados con Chanul (Humiriastrum procerum), Machare (Symphonia globulifera), Pantano (Hieronima chocoensis) y Níspero (Manilkara bidentata), demostraron que la aplicación de ignífugos reduce su combustibilidad. Se hizo una prueba en estas maderas, aplicando cinco formulaciones de ignífugos (sales inorgánicas solubles en agua) mediante el método de inmersión durante dos semanas, obteniendo los siguientes resultados: FORMULACIÓN IGNÍFUGOS 1: Sulfato de amonio – cloruro de calcio – bromuro de potasio.

DISOLUCIÓN Mala

2: Cloruro de amonio – carbonato de potasio – cloruro de zinc.

Regular

3: Sulfato de amonio – cloruro de calcio – carbonato de potasio.

Regular

4: Fosfato de amonio – cloruro de amonio – cloruro de cálcio.

Buena

5: Cloruro de zinc – bromuro de potasio – sulfato de amonio.

Buena

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Introducción de un lote de madera en autoclave para ser tratada con un producto ignífugo.

De igual manera, se observó un buen comportamiento ante el fuego de todas las maderas al ser tratadas con las formulaciones de ignífugos, con un nivel de afectación mayor sobre la variable tiempo de extinción de la llama, para la cual, los tratamientos mostraron buena efectividad. La pérdida porcentual de peso presentó el segundo nivel de afectación, seguida por la velocidad de carbonización. Cabe destacar, que dada la composición y estructura diversa de las maderas y las distintas formulaciones de las sustancias ignífugas, no existe un tratamiento estándar contra el fuego que resulte efectivo para todas las maderas, ni para controlar siquiera las variables indicadoras de combustibilidad que puede presentar una misma especie. Otros interesantes datos los arrojó el estudio ‘Protección contra el fuego: Investigación y desarrollo técnico-comercial para fomentar el uso de la madera en la construcción’, del INFOR-FONDEF de Chile (2), en el que se empleó un cono calorímetro –moderno aparato, y único en Latinoamérica– para determinar las propiedades de reacción al fuego de distintos materiales (40 en maderas y sus derivados) en estos episodios, a través de la simulación de incendios de diferentes intensidades. De acuerdo con el estudio en mención, se estableció que en general el tiempo de ignición de la madera y sus derivados se ubica entre los 5 y 50 segundos, siendo la madera de pino radiata la que presenta mayor rapidez de incendio aunque, tras la aplicación de ignífugos, puede ganar hasta 30 segundos. De igual manera se comprobó que los tiempos más largos de reacción los arrojaron los tableros de alta densidad y que en las maderas, el tiempo de ignición se ve afectado por la densidad y el contenido de humedad que varían según la especie. Así por ejemplo, la madera de Acacia registró un tiempo de ignición de 31 segundos mientras el pino tardó sólo cinco segundos en conflagrar.

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En general, son numerosos los esfuerzos de la industria por hallar sistemas que revistan a la madera de una protección efectiva contra el fuego (3) y numerosos también los hechos que demuestran cómo, aun sin contar con el efecto de sustancias ignífugas, este es uno de los materiales más seguros cuando de soportar las acciones del fuego se trata. Sin duda, pese a ser combustible, la madera es un material confiable que sobrepasa en resistencia –y con pruebas– otros altamente valorados para aplicaciones tan exigentes como la construcción. Por costos, calidad y por tratarse de un material renovable ésta ha sido una opción valiosa para construcción en países desarrollados que incluso, no cuentan con la riqueza en especies existente en países como Colombia Queda la tarea de derrotar los prejuicios que por temor o falta de conocimiento, se han levantado en Colombia frente a este material y que limitan drásticamente su uso. Queda en manos de la industria probar sus ventajas y en cabeza de la academia, arquitectos y constructores aprovechar las innumerable e innegables bondades del recurso en sus campos de acción. Citas 1) Otras normativas clasifican la reacción al fuego de los materiales usando la letra M y desde el 0, distingüendo los materiales no combustibles con la designación M0, los combustibles pero no son inflamables con M1 y los materiales de difícil, mediana y fácilmente inflamables con M2, M3 y M4. 2) Este estudio, que finalizó en marzo de 2002 y tuvo como objetivo dar un impulso al empleo masivo de la madera como material y componente estructural en la construcción, contribuyó a poner término a las creencias que limitan el uso de la madera, especialmente en lo que respecta al fuego y su destrucción, a partir de ensayos y pruebas tecnológicas y la difusión de los resultados. 3) Remitirse al artículo ‘La Madera BS y sus atributos’, publicado en la presente edición.

Fuentes •

William Klinger. Director general del Instituto de Investigación Ambiental del Pacífico. [email protected]

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Alex Orland Arévalo Tribaldos. Ingeniero Forestal. [email protected]

•

Protección de la madera frente al fuego: Ensayos y tratamientos. Marlen González.

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Ficha Madera Laminada HILAM - Arauco. Comportamiento frente al fuego. Guillermo Hevia García.

•

Laboratorio de Tecnologías de Maderas, José Anatolio Lastra Rivera, Universidad Distrital de Colombia: Estudios sobre el comportamiento del fuego ante la madera, realizado por los ingenieros forestales Mauricio Benavides, Patricia Cortés, John González, Manuel Zambrano Bohórquez, Liliana Castañeda y John Sánchez.

•

www.plataformaarquitectura. Comportamiento frente al fuego. Arauco – www.cttmadera.cl

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