Proteger contra incendios las estructuras de túneles carreteros

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 51)

Ramón San Miguel Coca; Director Técnico de Promat Ibérica S.A.

Es una trágica realidad que en los túneles se producen incendios, en algunos casos con pérdida de vidas humanas. Es un riesgo potencial elevado, mayor en túneles carreteros que en los ferroviarios, dado las cargas de fuego de los vehículos que transitan por ellos o de los equipos que lo recorren (como cables, por ejemplo) y que en un momento dado pueden provocar y sostener el incendio.
Además de la carga de fuego, otros factores pueden influir en su desarrollo, alcance y severidad, y aunque el balance del siniestro en pérdidas de vidas sea nulo, las pérdidas económicas debidas al incendio nunca son leves. Debe priorizarse, sobre todo, la seguridad de los usuarios y miembros de los Cuerpos de Extinción, pero sin dejar de lado otros aspectos de la seguridad que además de colaborar en ese objetivo prioritario, permitan minimizar las pérdidas económicas que pudieran producirse.
Un elemento clave es la estructura del túnel. Si este elemento tan importante resultara afectado por un incendio, los daños producidos en ella podrían conllevar desprendimientos (a veces de forma explosiva, como el efecto spalling), roturas, e incluso podría llegarse al extremo de un colapso estructural, el peor de los escenarios en túneles por ejemplo que trascurran bajo el agua, o que pasen justo bajo edificios o construcciones que pudieran resultar afectadas por dicho colapso. ¿Podría imaginarse el resultado de un colapso así en un túnel bajo, por ejemplo una estación de ferrocarril, o una central térmica, no solo en términos de coste sino también en el de pérdidas humanas?
La protección de la estructura de los túneles evita estos efectos. Además de evitar el colapso estructural (durante un tiempo predeterminado para el que dicha protección haya sido diseñada) disminuye los efectos del fuego en el mismo hormigón. Los daños por tanto al hormigón son menores, las reparaciones más sencillas y menos costosas, y el tiempo de parada de uso del túnel mucho menor. Es por eso que en la mayoría de los túneles es conveniente considerar el uso de una protección de la estructura.
Porque la estructura de hormigón sufre daños en caso de incendio, no debemos olvidarlo. Aun siendo incombustible, el fuego afecta al hormigón de varias maneras:

A partir de los 300ºC el gel de cemento sufre cambios y deshidratación, con lo que queda muy debilitado.
La subida rápida de temperatura puede provocar rápida evaporación del agua, que junto con la baja porosidad de los hormigones de alta resistencia es la principal causa del spalling explosivo, que puede ser altamente violento y dejar el armado del túnel expuesto directamente al calor.
El propio hormigón, al igual que las armaduras, al calentarse pierden capacidad resistente, un efecto bien conocido y tabulado.
Las tensiones mecánicas causadas por las dilataciones diferenciales.

La Normativa europea, materializada en sendas Directivas sobre seguridad en túneles tanto carreteros como ferroviarios, contempla el riesgo inherente al efecto del fuego en las estructuras. En concreto, la Directiva 2004/54/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 29 de abril de 2004, para túneles carreteros de la red europea de carreteras, contempla la protección estructural del túnel frente al fuego. Esta Directiva, como no podía ser de otra forma, ha sido transpuesta al ordenamiento legal español en el REAL DECRETO 635/2006, de 26 de mayo, sobre requisitos mínimos de seguridad en los túneles de carreteras del Estado. En dicho Real Decreto se indica en su Anexo I:
2.9.1 La estructura principal de todos los túneles en los que el derrumbamiento local de la estructura pueda tener consecuencias catastróficas (por ejemplo, túneles subacuáticos o túneles que puedan causar el colapso de estructuras próximas de importancia) garantizará un nivel suficiente de resistencia al fuego.
¿Cuál es el nivel “suficiente” de resistencia al fuego? El real Decreto no lo indica, dejando al proyectista del túnel la responsabilidad de determinarlo. No es una cuestión fácil, a priori, dado que intervienen aspectos como el escenario de desarrollo del fuego, su evolución y la energía liberada, que se traduce en un ascenso dado de la temperatura. Otros parámetros a considerar serían: el tiempo necesario de protección, las temperaturas críticas del hormigón y su velocidad de calentamiento, en lo que también va a influir el tipo de hormigón que tengamos…
En países como Holanda, Francia, Alemania e Italia, la determinación de ese nivel “suficiente” de resistencia al fuego está determinado normativamente. Recientemente, también se ha normalizado en los USA. Estas normativas, por tanto, son un recurso válido para los prescriptores españoles, a falta de esa Normativa en España (un equivalente, digamos, al CTE en edificación, por poner un ejemplo). Así, el proyectista puede definir:
El nivel de riesgo, por ejemplo siguiendo la reglamentación francesa CIRCULAIRE INTERMINISTERIELLE Nº 2000-63 du 25 aôut 2000 que aporta cuatro niveles de riesgo asociados cada uno de ellos a un determinado nivel de protección exigible.
La acción térmica considerada que puede variar desde curvas paramétricas desarrolladas mediante simulación a las más habituales curvas de fuego: programas térmicos temperatura-tiempo que oscilan desde las menos severas como la ISO 834 (usada sobre todo en edificación) o la Curva de Hidrocarburos tal y como vienen definidas en las Nomas EN 1363 partes 1 y 2 a otras más severas y ajustadas a la realidad de la evolución de un incendio de hidrocarburos confinado, como las definidas por la Norma RWS holandesa, la HCM (Hidrocarburos mayorada) francesa, o las RABT (también denominadas curvas EUREKA) aplicadas en Alemania. Estas últimas consideran acciones térmicas que pueden llegar a alcanzar los 1200 y hasta los 1300 ºC.
Estas curvas como la RWS han sido refrendadas por estudios y ensayos de fuego real, como los desarrollados hace ya algunos años dentro del proyecto UPTUN en el túnel Runehamar. Debido a esto, otros países como los Estados Unidos, contemplan la acción térmica de la curva RWS en su Norma NFPA 502.

La temperatura crítica en la superficie del hormigón: oscila entre 250 y 400 ºC dependiendo de factores como la composición del hormigón. En general, las Normas como la RWS consideran entre 250ºC y 380ºC y la velocidad de calentamiento debe ser la adecuada para que no se alcance la temperatura considerada en el tiempo especificado.
Tiempos de resistencia: el requisito más usual es de 120’ cuando se aplican las curvas más severas, pudiendo llegar (aunque no es usual) a 180’. En Francia además consideran hasta 240’ bajo curva ISO 834 en combinación con la HCM 120’ como el requisito para los túneles de mayor nivel de riesgo.
La cuestión que se presenta ahora al proyectista es buscar una solución constructiva que se adapte no solo a estos requisitos sino también a otros propios de la instalación en un túnel. En efecto, dado que se supone que la protección debe mantenerse en su sitio hasta el momento en que pudiera producirse un incendio y durar un determinado tiempo de vida útil, la protección elegida debe resistir a elementos como:

Los gases de los tubos de escape de los vehículos
Las variaciones de temperatura (especialmente en las bocas de los túneles)
Las posibles filtraciones de agua
Las cargas dinámicas, ciclos de presión/depresión provocados por el paso de vehículos por el túnel, y que pueden llegar a ser hasta 3 millones de ciclos al año, con variaciones de entre -800 a +800 Pa de presión en túneles carreteros (mayores aún en túneles ferroviarios)

Como siempre que hablamos de protección al fuego, las soluciones deben garantizar su comportamiento mediante documentación de ensayos avalada por laboratorios Oficiales.
En cuanto a soluciones las más utilizadas son:

Combatir el efecto spalling

El efecto “spalling”, ya mencionado genera daños luego muy difíciles y costosos de reparar. Por lo que se han buscado soluciones para paliar este problema.
El Laboratorio SINTEF, en una serie de ensayos sobre el comportamiento del hormigón frente a fuegos de hidrocarburos para plataformas petrolíferas, constató que la aplicación de barreras térmicas que disminuyan el flujo de temperatura, y por tanto la rapidez de calentamiento del hormigón, actúan muy efectivamente sobre este efecto, disminuyéndolo hasta hacerlo desaparecer por completo.
Otra técnica es la de añadir a las capas más externas de hormigón fibras de polipropileno, material que al subir la temperatura se funde, desapareciendo y creando una porosidad adicional que permite la liberación del vapor de agua sin tensiones. Esta técnica disminuye el efecto spalling, aunque no lo impide del todo. Los ensayos realizados en diversos laboratorios muestran resultados dispares y no concluyentes
Esta solución tiene efecto únicamente sobre el spalling. Por tanto:

No protege de la acción directa de la temperatura y del fuego al hormigón. Los efectos de deshidratación de gel de cemento y de calentamiento de la estructura no se ve detenido
Al desparecer crea debilidades en la capa más externa del elemento de hormigón
El calor puede perfectamente penetrar hasta la armadura y calentarla por encima del límite.
No impide el efecto de las dilataciones.
Las fibras tampoco impiden que se alcance la temperatura límite durante un periodo de tiempo dado…

Por otro lado, las fibras presentan problemas durante la aplicación:
Es muy difícil determinar y controlar la dosificación en obra, y realizar una mezcla correcta. Debe llevarse un control férreo de toda la operación.
La distribución de las fibras generalmente no es homogénea, dada la diferencia de densidad y el grado de apelmazamiento que tienen cuando se añaden al hormigón. Su uso en túneles como el de la M30 ha probado este punto, resultando de zonas con un contenido en fibras muy bajo y totalmente ineficaz.
Si el hormigón se vibra, las fibras tienden a flotar y separarse de la superficie, cancelando su efecto anti-spalling.
Por tanto, la instalación de fibras de Polipropileno no es tan sencilla como pudiera parecer, y su aplicación se recomienda sea hecha por expertos.
En caso de incendio, y tras su extinción, las reparaciones son laboriosas y complejas. Es evidente que el hormigón expuesto al fuego ya no puede ser utilizado, y debe ser retirado y sustituido por otro con las correspondientes fibras. Esta operación es costosa y muy compleja. En contrapartida, reponer placas tras un incendio es muy sencillo.

Protecciones completas con barreras térmicas:

Este tipo de protección tiene como función la de proteger el sustrato de la acción directa del fuego proporcionando un control, mediante su espesor, del flujo de calor a su través, y por tanto, disminuyendo la velocidad de calentamiento y haciendo que el efecto spalling disminuya hasta desaparecer completamente, efecto demostrado en ensayos realizados en EFECTIS (antiguo TNO holandés) y en otros laboratorios. Es capaz, por tanto, de conseguir los objetivos mencionados más arriba y proporcionar una protección completamente eficaz.
Los sistemas de barrera más usados son las placas y los morteros. Ambos son sistemas de instalación sencilla, mecánicamente el primero, mediante proyección el segundo, y son capaces de soportar las agresivas condiciones de los túneles durante largos periodos de tiempo. Los más importantes túneles realizados recientemente, como el de Marmaris que une las partes asiática y europea de Estambúl, el túnel de Palm Island o el túnel del Puerto de Miami disponen de esas barreras Térmicas como protección. En España se han usado en el túnel de Pio XII de Madrid o Churriana en Málaga, entre otros.
Los sistemas de placas añaden, además una mayor facilidad de retirada y cambio de las mismas tras un incendio, con lo que las reparaciones son muy rápidas Se utilizan sobre todo las de silicatos cálcicos, debido a su estabilidad dimensional, su durabilidad y su alta resistencia en ambientes tan agresivos como los de los túneles.
Los morteros suelen ser de tipo cemento/vermiculita, para mayor resistencia. Los morteros de fibras o basados en pueden presentar problemas con el ambiente y especialmente los primeros, con las cargas dinámicas. Un sistema de mortero de cemento reforzado con malla, sin embargo, puede mantener su capacidad de protección sin problemas.
Aunque las placas de determinados tipos pueden llegar a curvarse in situ para adaptarse a la curvatura de túneles abovedados, en caso de radios de curvatura pronunciados el mortero es la mejor solución por su adaptabilidad instantánea a la forma del sustrato.
Debemos insistir en que una solución de protección de estructura en túneles no es comparable a la protección usual de estructuras en edificación. Cuando se trata de proteger una estructura de un túnel, los sistemas tradicionales no llegan. Debe por tanto estudiarse un sistema especializado y perfectamente adaptado a su uso en túneles, incluyendo los pertinentes ensayos de fuego además de los de resistencia a cargas dinámicas y al medio ambiente del túnel.
PROMAT IBERICA S.A. dispone se sistemas de placas de silicato basadas en tecnología de matriz mineral como la PROMATECT T y morteros especializados como el CAFCO FENDOLITE MII capaces de proporcionar resistencias de hasta 120’ bajo curva RWS y HCM con espesores de menos de 35 mm.