Resumen

Introducción Las estructuras metálicas debido a sus propiedades mecánicas se han convertido en el material líder en el mundo de la construcción. La mayor ventaja de trabajar con estructuras de acero es la optimización de tiempo ya que los elementos estructurales son preparados en planta y solo se lleva a obra a su montaje, con ajustes mínimos. Además de ser más ligeras y más resistentes la fiabilidad y seguridad de poder dar paso a los deseos arquitectónicos [1]. La principal necesidad de la estructura metálica es la de protección contra el fuego, ya que el acero a pesar de no ser un material de combustión es conductivo de calor y dependiendo su composición es necesario un estudio del comportamiento de este enfrentado a altas temperaturas como las de un incendio, ya que nos permitirá precautelar vidas en un siniestro, después de ocurrido el incidente en el World Trade Center de EE.UU. la normativa FEMA 403 determinó un análisis detallado de estructuras sometidas a altas temperaturas y de ella se han derivado algunas normativas que nos ayudan al estudio de este caso como ASTM E119 secciones 5,6,7 ASTM D 573, ASTM D 671-90, entre otras [2]. Como parte del trabajo se detalla el análisis del comportamiento de aceros expuestos a diferentes tiempos y temperaturas, mostrándose en este el cambio de las propiedades mecánicas que sufren estos después de haber sido sometidos a un incendio, esto se lo hace a través de ensayos metalográficos de las muestras que previamente han sido preparadas, teniendo en cuenta la curva recomendada por ISO y adoptada por ASTM que muestra un importante aumento de la temperatura en los primeros minutos, por otra parte, es sabido que el acero pierde gradualmente su resistencia a partir de los 300℃ hasta alcanzar aproximadamente el 60% de su resistencia inicial a los 550℃. En la actualidad no hay una normativa enfocada en el diseño y construcción de edificaciones contra fuego. En la NEC solo se menciona el incendio como carga accidental, pero no existen procedimientos de diseño estructural. Por esta razón se investiga el estado límite de resistencia de diferentes elementos estructurales de acero expuestos a distintas cargas de temperaturas en distintos tiempos. Debido a que constituyen un riesgo grave para los ocupantes de las estructuras.

Objetivos Caracterizar diferentes elementos estructurales de acero que hayan sido expuestos a diferentes tiempos y temperaturas producidas por un incendio

Método La investigación necesaria para el estudio sobre el comportamiento de elementos expuestos a fuego se realizará en los laboratorios de la Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica de la Universidad Técnica de Ambato ubicada en la ciudad de Ambato Campus Huachi Chico; Se utilizó la técnica de revisión bibliográfica y de campo, y consiste en simular las condiciones reales de un flagelo que afecten a una estructura metálica, exponiendo las muestras de acero AST A36 a temperaturas de 600, 800 y 1000 grados centígrados y a tiempos de 30, 45 y 60 minutos, para posteriormente realizar ensayos de dureza e inspección metalográfica; con los datos obtenidos de la dureza se pudo determinar la variación de la resistencia última a la tracción en función de temperaturas y tiempos; con los datos del ensayo metalográfico de pudo determinar la presencia y variación de perlita y ferrita en función también de las temperaturas y tiempos de exposición.

Principales resultados Se cuenta con datos reales obtenidos de 27 probetas de elementos estructurales de acero ASTM A36, expuestas a diferentes tiempos y temperaturas simulando un incendio real en un horno convencional, las cuales fueron ensayadas en laboratorio mediante ensayo de Dureza Brinell y Metalográficos; En el estudio metalográfico realizado se puede ver que mientras más tiempo de exposición tiene un elemento y se lo expone a mayor temperatura, el porcentaje de perlita va disminuyendo mientras que el de ferrita va aumentando en sus fases. A pesar de alcanzar temperaturas de 1000 grados centígrados en ningún caso llegamos a la fase de martensita; en las Microestructuras de los ensayos realizados de metalografía se puede visualizar como la Ferrita va tomando formas alargadas e irregulares, mientras mayor es el tiempo de exposición de las probetas el tamaño de grano va aumentando; De los resultados del cálculo de Dureza y Resistencia se puede ver que las probetas ensayadas a 600°C mantienen su resistencia a la resistencia del material sin ser expuesto que es de 58 kpsi, y al llegar a una temperatura de 800°C y 1000°C el aumento su resistencia, pero al llegar a la temperatura máxima se mantiene casi lineal con la de 800°C se mantiene casi lineal; a temperaturas de 600°C la resistencia es casi igual a la del material sin ser expuesto, y a 800°C y 1000°C la resistencia aumenta en un 10% de la original, debido al fenómeno de recocido del acero, pero al no ser tan inmediato el enfriamiento no llegamos a una fase de martensita, por lo que sigue en la fase de perlita más ferrita; Se pudo visualizar claramente como el esfuerzo del material va decayendo a conforme va aumentando la temperatura, es decir que el material se volverá más plástico y finalmente se pudo observar que el acero pierde fluencia al elevarse la temperatura a la que se encuentra expuesto, volviéndose rápidamente plástico.

Conclusiones Por los antecedentes estudiados de diversos autores, conocemos que el material de acero a pesar de no ser un material combustible, si cambia sus características sometido a temperaturas mayores a los 600°C, y dependiendo del método de enfriamiento se ha encontrado que los aceros pasen a una fase de martensita lo que conlleva a que se vuelva más frágil el material, sin embargo, en este estudio no llego a dicha fase debido a que el enfriamiento no fue lo suficientemente rápido. De acuerdo con la literatura científica revisada los principales ensayos utilizados para este tipo de análisis son destructivos y no destructivos que nos van a permitir conocer el comportamiento del material después de haber sido expuestos a altas temperaturas midiendo la resistencia, dureza, y microscopia del acero. El acero pierde fluencia al elevarse la temperatura a la que se encuentra expuesto, siendo así que cuando llega a una exposición de 1000°C pierde su fluencia en un 96% volviéndose rápidamente plástico, sin embargo, en el estudio al ser enfriado rápidamente con agua, esta deformación no es total. El material expuesto a temperaturas de 600°C su resistencia es casi igual a la del material sin ser expuesto, y a 800°C y 1000°C la resistencia aumenta en un 10% de la original, debido a la elevación de temperatura del acero, pero al no ser tan inmediato el enfriamiento, no cambio de fase.