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Edición eXTRA de FPE 11, abril de 2018

El rol de la física y química en la carbonización de la madera en incendios reales

Por Franz Richter, Panagiotis Kotsovinos y Guillermo Rein

Introducción

La madera masiva es un material de construcción emergente cada vez más utilizado en los edificios altos gracias a su sustentabilidad y a que el proceso de construcción es más rápido y menos costoso que con el uso de materiales tradicionales.1 En todo el mundo, se está proponiendo la construcción de rascacielos de madera de más de 70 pisos de altura (350 m). La construcción de edificios de madera –particularmente los altos – obviamente presenta inquietudes relacionadas con los incendios ya que se sabe que la madera tiene una baja resistencia al fuego. Pero todos los materiales de construcción tienen sus riesgos en los incendios y un diseño basado en conocimientos puede reducir dichos riesgos a un nivel razonable.

Cuando un elemento estructural de madera se calienta, genera una capa de residuo carbonoso negro que se propaga lentamente por el elemento. Esta capa de carbón aumenta la resistencia térmica, por la menor difusión térmica entre el fuego y la madera. En otras palabras, ralentiza la degradación de la madera disminuyendo la velocidad del proceso de calentamiento. Al evaluar la resistencia al fuego de la estructura hecha con elementos de madera, generalmente se asume que la capa de residuo carbonoso no tiene ninguna resistencia residual, mientras que la capa de madera intacta que está debajo mantiene toda su resistencia. Por lo tanto, se puede calcular la resistencia de una sección de la madera una vez determinado el índice de carbonización. Este método se llama método de sección transversal reducida.2

Las normas de diseño actuales, como el Eurocódigo, asumen un índice de carbonización constante universal2 basado en el tiempo de exposición a un incendio estándar. Pero, el incendio estándar no representa a un incendio real,3 sino que solo tiene en cuenta las condiciones de combustión en las que la habitación se quema en forma pareja y a la misma temperatura (ver Figura 1, izquierda) y no se incluye una fase de enfriamiento.

Estas suposiciones solo se aplican a compartimentos pequeños, mientras que en los compartimentos grandes y abiertos, como los pisos de oficinas modernos, el fuego tiende a moverse. Los incendios paramétricos, localizados y móviles4 capturan este comportamiento, o parte de él. La Figura 1 ilustra estas diferencias entre el incendio estándar y un incendio real usando incendios móviles como ejemplos de incendios reales.

Un incendio móvil crece hasta un cierto tamaño y luego se mueve por el área. Delante de las llamas, la estructura se pre-calienta a una temperatura relativamente baja (campo lejano) y recién cuando llegan las llamas se expone a temperaturas altas (campo cercano). Una vez que pasa el frente de llama, la estructura vuelve a recibir el calor de campo lejano. La Figura 1 (centro) ilustra una típica curva de temperatura-tiempo para un incendio móvil que genera un entorno térmico no uniforme y puede prolongar la duración de la combustión en comparación con los incendios post-combustión. En consecuencia, los incendios móviles pueden tener un mayor impacto sobre las estructuras.4

Hay poca información sobre la combustión de la madera en incendios reales y los resultados de las pruebas de incendios estándar no son del todo apropiados.5 Este artículo describe algunas cuestiones físicas y químicas de la carbonización utilizadas para desarrollar un modelo científico que pueda predecir la carbonización de la madera en condiciones de incendios reales.

Figura 1. Ilustración de la diferencia entre el incendio estándar y el incendio móvil en términos de dinámica y temperatura del fuego. Nota: La escala de tiempo para el incendio estándar y el móvil es indicativa ya que solo el último utiliza tiempos reales. [Esta figura está protegida bajo los derechos de autor de, 2018]

 

Modelos en diversas escalas

La carbonización forma parte del proceso de pirólisis, que son los cambios físicos y químicos simultáneos de un sólido que proporciona el combustible gaseoso a las llamas que están en su superficie6. Es una compleja interacción entre la transferencia del calor y la masa y la química, como se ilustra en la Figura 2. En química, esto se refiere a la descomposición de la gran estructura polimérica de la madera en moléculas más pequeñas de gas y residuo carbonoso.

Hay otros dos procesos –secado y fuego latente—que también afectan la dinámica de la pirólisis. Delante del frente de pirólisis (ver Figura 3), el calor se absorbe para evaporar la humedad (frente de secado). Por eso, el contenido de humedad impide la carbonización. Detrás del frente de pirólisis, el oxígeno puede oxidar (quemar) directamente el residuo carbonoso. Este proceso de fuego latente libera calor y consume el residuo carbonoso. Así, el fuego latente aumenta la carbonización, pero puede ser un proceso autosustentable (no autoextinguible). A pesar de la importancia del fuego latente para reducir lentamente la resistencia al fuego (espesor de la capa de residuo carbonoso) de la madera, los modelos actuales no la tienen en cuenta.

Tradicionalmente, se ha asumido que los procesos físicos son los que dominan la carbonización y que los químicos no son tan importantes. Sin embargo, un simple análisis dimensional revela que ambos son importantes. Antes de que se forme una capa de residuo carbonoso, la transferencia térmica controla el calentamiento de la muestra. Una vez alcanzadas temperaturas lo suficientemente altas, se desarrolla una zona de pirólisis. Este desarrollo es controlado por la química. La transferencia térmica (a lo largo de la capa de residuo carbonoso) dominaría una vez formada la capa de residuo carbonoso. Un modelo correcto de carbonización debería incorporar tanto la transferencia térmica (física) como la química. De hecho, el fuego latente hace que la capa de residuo carbonoso sea más delgada, lo que favorece el proceso de carbonización controlado por la química. Desafortunadamente, al evaluar la resistencia al fuego de la madera estructural, no se suele tener en cuenta la química de la carbonización (pirólisis y oxidación).

Figura 2. Descripción de los diferentes procesos físicos y químicos que ocurren o afectan la carbonización de la madera. Esta figura se encuentra como N Bal 2009 y está protegida bajo los derechos de autor de, 2018
 
Figura 3. Dibujo de las diferentes etapas de la combustión de la madera que muestra los tres frentes (secado, pirólisis y fuego latente) (imagen de madera en combustión de Reszka, 2008[7]). Esta figura está protegida bajo los derechos de autor de, 2018.

 

Para entender mejor la carbonización de la madera, estudiamos cada proceso dominante por separado. Como resultado, adoptamos el método de las diferentes escalas. En la microescala (muestras en mg), estudiamos y dedujimos la química de la carbonización usando el análisis termogravimétrico (TGA). En la mesoescala (muestras en kg), estudiamos la transferencia térmica de la carbonización usando un calorímetro cónico y configuraciones equivalentes. En la macroescala (componentes estructurales), podemos predecir la pérdida de resistencia de la madera en diferentes escenarios de calor aumentando la escala del modelo y usando el método de sección transversal reducida.

Como la química no ha sido estudiada en detalle, debimos desarrollar nuestro propio modelo de cinética. Modelamos la madera como una superposición lineal de sus principales componentes, que están presentes en diferentes cantidades en todas las especies de madera, para capturar el comportamiento de las diferentes especies. Para la validación, utilizamos datos documentados sobre el índice de pérdida de masa de muestras en mg en un horno pequeño (TGA). A diferencia del estudio anterior, nuestro modelo cinético predice con exactitud el índice de pérdida de masa de diferentes especies de madera bajo condiciones de calor y concentraciones de oxígeno a lo largo de numerosos experimentos (más de 80).

También validamos ampliamente el modelo cinético con predicciones ciegas. Luego, implementamos este modelo cinético en un modelo de transferencia de calor y masa a mesoescala para validar todo el modelo de carbonización contra los experimentos de avanzada de Kashiwagi y Ohlemiller.8

La Figura 4 muestra que nuestras predicciones preliminares sobre la profundidad del residuo carbonoso y el índice de carbonización a mesoescala coinciden con los experimentos. El modelo captura correctamente la mayor velocidad de carbonización con concentración de oxígeno, aunque no logra predecir los índices de carbonización antes de 200 segundos. La investigación continúa y todavía estamos analizando los motivos por los que no se logra predecir esto. Además, todavía no hemos incorporado el secado en el modelo, ya que ese modelo todavía se encuentra en la fase de desarrollo.

Mindeguia, et al.,9 ha desarrollado recientemente un modelo de carbonización de la madera –solo pirólisis – que logró predecir los índices de carbonización en incendios estándar y paramétricos (diferentes condiciones de calor). Al igual que nuestro modelo, éste incluyó tanto a la química como a la transferencia térmica, pero solo se adoptaron experimentos a mesoescala para construir el modelo de química y transferencia térmica. Aun así, nuestro trabajo y el de Mindeguia, et al. demuestran que los modelos de carbonización generalizados podrían mejorar la precisión de las predicciones de carbonización con las herramientas que se utilizan convencionalmente –como el índice de carbonización constante – debido a que capturan el efecto de las condiciones térmicas, las concentraciones de oxígeno y las especies de madera. De hecho, el índice de carbonización del Eurocódigo no es conservador en nuestras condiciones de calentamiento, como se muestra en la Figura 4.

Nuestros trabajos también demuestran que utilizar las diferentes escalas es el camino correcto para desarrollar estos modelos de carbonización ya que mejora las predicciones y aporta nuevos conocimientos sobre la física y química subyacente.

Figura 4. Comparación entre las mediciones (símbolos)[8] y predicciones (líneas) a mesoescala con diferentes concentraciones de oxígeno a 40 kW/m2. La línea punteada muestra las predicciones del Eurocódigo2. Las profundidades de la carbonización se calcularon usando la isoterma convencional de 300°C. Se estima que el contenido de humedad de las muestras ronda el 9%.

Conclusión

La carbonización de la madera se ve afectada por una compleja interacción entre la transferencia de calor y masa y la química. Por lo tanto, el índice de carbonización puede variar dependiendo de la condición de calentamiento, la concentración de oxígeno y la especie de madera. Es por eso que los índices de carbonización y las pruebas convencionales en horno tal vez no sean representativos de las condiciones de los incendios reales. Atravesando las escalas, logramos estudiar cada proceso físico y químico por separado y utilizamos esta información para desarrollar un modelo de carbonización generalizado combinado.

Estos modelos generalizados muestran un gran potencial para predecir la carbonización bajo diferentes condiciones de calor, concentración de oxígeno y en diferentes especies de madera. Dado que estos modelos están basados en principios básicos, una vez validados, pueden predecir índices de carbonización bajo cualquier condición. Se cree que con estas herramientas, los ingenieros podrán calcular con mayor precisión la resistencia al fuego de las estructuras de madera. Los próximos trabajos consistirán en desarrollar junto a los ingenieros de seguridad modelos de respuesta de los elementos estructurales de madera a macroescala.

Franz Richter y Guillermo Rein trabajan en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Imperial de Londres, RU. Panagiotis Kotsovinos trabaja en ARUP, RU.


Referencias

1D. Barber, “Tall Timber Buildings: What’s Next in Fire Safety ?” [Edificios altos de madera: ¿Qué sigue en materia de seguridad contra incendios?] Fire Technol., pp. 1–6, 2015, doi: 10.1007/s10694-015-0497-7.

2EC5, “Eurocódigo 5: Proyecto de estructuras de madera . ENV 1995-1-2: Reglas generales-Proyecto de estructuras sometidas al fuego,” Comité Europeo de Normalización, Bruselas, Bélgica, 1994.

3D. Drysdale, An Introduction to Fire Dynamics. [Introducción a la dinámica del fuego] Chichester, RU: John Wiley & Sons, Ltd., 2011.

4E. Rackauskaite, P. Kotsovinos, A. Jeffers y G. Rein, “Structural analysis of multi-storey steel frames exposed to travelling fires and traditional design fires,” [Análisis estructural de las estructuras de acero de varios pisos expuestas a incendios móviles e incendios tradicionales] Eng. Struct., pp. 271–287, 2017, doi: 10.1016/j.engstruct.2017.06.055.

5A. I. Bartlett, R. M. Hadden, L. A. Bisby y A. Law, “Analysis of cross-laminated timber upon exposure to non-standard heating conditions,” [Análisis de madera laminada expuesta a condiciones de calor no estándar] en la 14ta Conferencia y Exhibición Internacional sobre Incendios y Materiales, 2015.

6G. Rein, “Smoldering Combustion,” [Combustión latente] en el Manual de ingeniería de protección contra incendios SFPE, New York, NY: Springer New York, 2016, pp. 581–603.

7P. Reszka, “In-Depth Temperature Profiles in Pyrolyzing Wood,” [Perfiles de temperatura profunda en madera pirolizada] Universidad de Edimburgo, 2008.

8T. Kashiwagi, T. J. Ohlemiller y K. Werner, “Effects of external radiant flux and ambient oxygen concentration on nonflaming gasification rates and evolved products of white pine,” [Efectos del flujo radiante y la concentración de oxígeno sobre los índices de gasificación sin llamas y productos derivados del pino blanco] Combust. Flame, pp. 331–345, 1987, doi: 10.1016/0010-2180(87)90125-8.

9J. Mindeguia, G. Cueff, V. Dréan, G. Auguin y J. Mindeguia, “Simulation of charring depth of timber structures when exposed to non-standard fire curves,” [Simulación de la profundidad del residuo carbonoso de estructuras de madera expuestas a curvas de fuego no estándar] J. Struct. Fire Eng., 2017, doi: 10.1108/JSFE-01-2017-0011.

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