1

VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN Y MÓDULO ELÁSTICO DEL

CONCRETO POR ACCIÓN DEL FUEGO

DIEGO F. PÁEZ M. LINA Y. RODRIGUEZ C. DARUYN C. ROZO R.

Profesor-Investigador Escuela de Transporte y Vías Escuela de Transporte y Vías

Facultad de Ingenieria - UPTC linilla.05@hotmail.com camilorozor@gmail.com

diego.paez@uptc.edu.co

RESUMEN

Este artículo presenta los resultados de la variación de la resistencia a la compresión y módulo de elasticidad del

concreto después de ser expuesto a cambio térmico, de dos grupos de 12 especímenes cilíndricos de concreto con

diferente resistencia a la compresión, elaborados con agregado calcáreo y curados durante 28 días, empleando tiempos

de exposición de 30, 60 y 120 minutos y temperatura de exposición cercana a 600 °C, para observar el comportamiento

de las variables objeto de estudio, Los resultados mostraron una reducción significativa en la resistencia a la compresión

y del módulo de elasticidad de los especímenes de concreto, debido al aumento de la temperatura y el material de

agregado utilizado.

INTRODUCCIÓN

Fenómenos como los incendios provocan afectaciones severas que se manifiestan principalmente en variaciones en la

resistencia, comprometiendo la integridad de la estructura y la capacidad para soportar las solicitaciones para la cual

fue diseñada.

Hoy en día el reglamento colombiano de construcción sismo resistente NSR-10 y las normas técnicas colombianas

NTC, no han adoptado ningún tipo de criterio que abarque medidas preventivas contra fenómenos externos de alto

riesgo como incendios en estructuras de puentes y túneles; a excepción de las edificaciones según sea el tipo de

ocupación [2]. Después del año 1998, el reglamento colombiano de construcción sismo resistente NSR-10 empezó a

considerar requisitos de protección contra incendios en estas estructuras tradicionales, recapacitando en la seguridad de

los usuarios en caso que se presentara una situación de incendio.

Con base en estos requerimientos, este proyecto se encamina en determinar la influencia que tienen las altas

temperaturas sobre especímenes de concreto con resistencias a la compresión comúnmente usadas para la construcción

de estructuras de concreto, teniendo en cuenta las normas técnicas colombianas NTC editadas por el ICONTEC y el

reglamento colombiano de construcción sismo resistente NSR-10.

La influencia del cambio térmico fue analizada en función del tiempo de exposición de 30, 60 y 120 minutos sobre los

especímenes con diferentes resistencias, en donde los parámetros a evaluar serán la resistencia a la compresión y el

módulo de elasticidad después de ser sometidos los especímenes a temperaturas cercanas a los 600 °C.

Páez, D.; Rodríguez, L.; Rozo, C.

Variación de la resistencia a compresión y módulo elástico del concreto por acción del fuego

2

1. DESCRIPCIÓN DE LA METODOLOGÍA EXPERIMENTAL.

1.1. Materiales

Para la elaboración de los especímenes de concreto se contó con el apoyo de la empresa concretera HOLCIM Colombia

S.A. de la ciudad de Tunja, a quien se le solicitó 12 especímenes con resistencias a la compresión de 28 MPa y 12

especímenes con resistencia de 35 MPa, que para el desarrollo de este trabajo se denominaran dichas resistencias R1 y

R2 respectivamente, además se solicitó una muestra representativa del agregado al cual se le realizaron las pruebas de

caracterización según lo establecido en las normas técnicas colombianas NTC editadas por el ICONTEC.

El Cuadro 1 muestra los resultados de la prueba de fluorescencia de rayos X de una muestra pequeña donde se

determinó los componentes del agregado utilizado en la elaboración de los especímenes, este presentó propiedades y

componentes característicos de material con naturaleza calcárea al tener 70.6% de CaO.

Cuadro 1. Prueba de fluorescencia a los agregados.

1.2. Metodología experimental

Los especímenes fueron curados durante un periodo de 28 días, una vez trascurrido este tiempo fueron nombrados como

(Ei-Ti) en donde Ei identifica el orden del espécimen y Ti el tiempo de exposición al cambio térmico como se

representa en el Cuadro 2.

Cuadro 2. Nomenclatura de los especímenes.

Se sometieron estos especímenes a una temperatura de 600 °C utilizando una mufla termoeléctrica, teniendo en cuenta

periodos de exposición de 30, 60 y 120 minutos. Después de la exposición se realizó una evaluación física de cada uno

de los especímenes y posteriormente fueron llevados a la máquina Universal donde se efectuaron los ensayos de

Páez, D.; Rodríguez, L.; Rozo, C.

Variación de la resistencia a compresión y módulo elástico del concreto por acción del fuego

3

resistencia a la compresión y módulo de elasticidad sobre los especímenes de acuerdo a los grupos de cada tiempo de

exposición.

Finalmente con los resultados obtenidos, se realizó el análisis correspondiente a la variación de los especímenes

expuestos al cambio térmico en función de los datos del grupo patrón, además de una comparación con resultados

obtenidos con trabajos desarrollados anteriormente en la universidad.

2. RESULTADOS

2.1 Resultados del ensayo de resistencia a la compresión

Como se mencionó en el numeral 1.1 se solicitó a la empresa concretera especímenes con resistencias a la compresión

R1= 28 Mpa, y R2= 35 MPa, pero en los resultados del ensayo de resistencia a la compresión los valores promedio de

las muestras patrón fueron mayores, en este caso los especímenes con resistencia a la compresión R1 soportaron

esfuerzos cercanos a 37 MPa, mientras que los especímenes con resistencia R2 soportaron 45 MPa.

2.2.1 Resultados del ensayo de resistencia a la compresión de los especímenes de resistencia R1.

En la Figura 1 se muestra el comportamiento de la resistencia a la compresión y la pérdida de este valor a medida que

aumenta el tiempo de exposición al cambio térmico en los especímenes de resistencia R1, en donde presentaron

pérdidas hasta del 68% de resistencia a compresión.

Figura 1. Comportamiento Resistencia a Compresión especímenes de resistencia R1.

2.2.2 Resultados de los especímenes con resistencia a la compresión R2.

La Figura 2 muestra el comportamiento de los resultados obtenidos de resistencia a la compresión para cada grupo de

especímenes de resistencia R2, en donde el periodo más crítico y en donde pierde más resistencia el concreto, esta entre

los 30 y 60 minutos, después de este tiempo la perdida tiende a estabilizarse. Se resalta que después de 60 minutos de

exposición los especímenes pierden cerca del 67 % de la resistencia tomando como referencia los valores de resistencia

patrón.

Figura 2. . Comportamiento Resistencia a Compresión especímenes de resistencia R2.

0

10

20

30

40

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135

RES

ISTE

NC

IA A

LA

C

OM

PR

ESIÓ

N (

MP

a)

TIEMPO DE EXPOSICIÓN (MINUTOS)

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN Vs TIEMPO DE EXPOSICIÓN A 600°C

0

20

40

60

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135RES

ISTE

NC

IA A

LA

C

OM

PR

ESIÓ

N (

MP

a)

TIEMPO DE EXPOSICIÓN (MINUTOS)

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN Vs TIEMPO DE EXPOSICIÓN A 600°C

Páez, D.; Rodríguez, L.; Rozo, C.

Variación de la resistencia a compresión y módulo elástico del concreto por acción del fuego

4

2.3 Resultados del ensayo de módulo de elasticidad.

El módulo de elasticidad (E en Mpa) se determinó utilizando la ecuación 1, descrita en las normas técnicas que rigen en

Colombia. [3]

𝐸 =𝑆2−𝑆1

𝜀2−0.00005 (Ecuación 1)

Dónde:

Ec: Módulo de elasticidad en (MPa)

S2: Esfuerzo correspondiente al 40 % de la carga ultima.

S1: Esfuerzo correspondiente a la deformación longitudinal ε1, de las 50 millonésimas, en MPa.

Ε2: Deformación longitudinal producida por el esfuerzo S2.

2.3.1 Resultados del ensayo del módulo de elasticidad los especímenes con resistencia a la compresión R1.

En la Figura 3 se presenta el comportamiento del módulo de elasticidad en función del tiempo de exposición al cambio

térmico de cada grupo de especímenes de concreto con resistencia a la compresión R1, se observa también que la

variación del módulo de elasticidad pasados los 120 minutos de exposición llego a perder el 86 % respecto al valor del

módulo patrón, indicando que los especímenes pierden rigidez.

Figura 3. Comportamiento del módulo de elasticidad especímenes de resistencia R1

2.3.2 Resultados del ensayo del módulo de elasticidad los especímenes con resistencia a la compresión R2.

El módulo de elasticidad para los especímenes de resistencias R2 tuvieron un comportamiento diferente a los obtenidos

en los especímenes de resistencia R1, el modulo disminuyo de manera súbita su valor después de 60 minutos de

exposición a la temperatura de 600 °C y se estabilizó en los 120 minutos de exposición.

Figura 4: Comportamiento del módulo de elasticidad especímenes de resistencia R2.

0

10000

20000

30000

40000

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135

MO

DU

LO D

E EL

AST

ICID

AD

(M

Pa)

TIEMPO DE EXPOSICIÓN (MINUTOS)

MODULO DE ELASTICIDAD VS TIEMPO DE EXPOSICIÓN

0

10000

20000

30000

40000

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135

MÓ

DU

LO D

E EL

AST

ICID

AD

(M

pa)

TIEMPO DE EXPOSICIÓN (MINUTOS)

MÓDULO DE ELASTICIDAD Vs TIEMPO DE EXPOSICIÓN A 600°C

Páez, D.; Rodríguez, L.; Rozo, C.

Variación de la resistencia a compresión y módulo elástico del concreto por acción del fuego

5

La Figura 4 muestra la variación del módulo de elasticidad de los especímenes de resistencia R2, en donde la

disminución del valor del módulo durante los primeros 30 minutos de exposición es baja (14%) definiendo que estos

especímenes son rígidos y no sufren afectaciones para este tiempo de exposición, por otro lado después de 60 minutos y

hasta los 120 minutos de exposición el concreto pierde 87 % de este valor asemejándose al valor obtenido a los

especímenes de resistencia R1.

2.4 Análisis de los resultados.

Como se mencionó anteriormente, se utilizaron áridos de origen calcáreo los cuales teóricamente son capaz de soportar

temperaturas elevadas cercanas a 900 °C [4], lo expuesto anteriormente se comprobó al someter lo especímenes R1 Y

R2 a cambios térmicos cercanos a los 600 °C sin presentarse al colapso en ninguno de estos.

2.4.1 Comportamiento de los valores de resistencia a la compresión R1 y R2 en función del tiempo de exposición a

temperatura de 600 °C.

En la Figura 5, las líneas continuas muestran el comportamiento de los especímenes R1 y R2 respectivamente, donde

se observa que el valor de resistencia desciende a medida que aumenta el tiempo de exposición al cambio térmico en los

dos grupos de especímenes utilizados, es de resaltar que para estos dos grupos el comportamiento del valor de pérdida

de resistencia descendió de manera similar hasta llegar a un punto de convergencia cercana al 68 % con tiempo de

exposición de 120 minutos a temperatura de 600 °C. Se destaca además que los primeros 30 minutos de exposición al

cambio térmico, es el intervalo de tiempo más crítico para el grupo de especímenes R1, en donde estos perdieron el

34,08% de resistencia; y para los especímenes R2 el intervalo de tiempo crítico de exposición al cambio térmico está

entre los 30 y 60 minutos, presentando un valor de pérdida de resistencia cercanos al 36,5 %.

Las líneas punteadas representan los resultados obtenidos de un proyecto ya desarrollado en la misma institución

universitaria, en el que se manejaron áridos de origen silíceo y los especímenes no soportaron cambios térmicos

mayores a los 300 °C, presentando pérdidas de resistencia cercanas 39 % después de 120 minutos de exposición al

cambio térmico.

Figura 5. Comportamiento de la resistencia a compresión de los especímenes a temperaturas de 300 °C y 600°C

2.4.2 Comportamiento de los valores de módulo de elasticidad de los especímenes con resistencia a la compresión R1 y

R2 en función del tiempo de exposición a temperatura de 600 °C..

En la Figura 6, las lineas continuas representan el comportamiento del valor del módulo de elasticidad obtenidos de los

especímenes R1 y R2, allí se observa que el valor del módulo de elasticidad disminuye a medida que el tiempo de

exposición al cambio térmico aumenta, resaltando que para los especímenes con resistencia a la compresión R1 el

módulo de elasticidad decreció de forma suavizada y uniforme hasta llegar a perder un 86% despúes de 120 minutos de

exposición respecto al valor patrón, además se nota que luego de los 60 minutos de exposición el valor del módulo de

elasticidad tiende a estabilizarse mostrando así que los primeros 30 minutos de tiempo de exposición es donde el valor

de los especímenes decrece más, cerca del 45% en relacion al valor patrón, mostrando ser el intervalo de tiempo más

crítico.

05

101520253035404550

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135

RES

ISTE

NC

IA A

LA

C

OM

PR

ESIÓ

N M

Pa

TIEMPO DE EXPOSICIÓN (MINUTOS)

RESISTENCIA A LA COMPRESIÒN DESPUES DE LA EXPOSICIÒN.

Resistencia a la compresión a300°C (21 MPa) Rafael Larrota

Resistencia a la compresión a300°C (28 MPa) Rafael Larrota

Resistencia a la compresión a600°C (R1) Los autores

Resistencia a la compresión a600°C (R2) Los autores

Páez, D.; Rodríguez, L.; Rozo, C.

Variación de la resistencia a compresión y módulo elástico del concreto por acción del fuego

6

Para los especímenes con resistencia a la compresión R2 se observa que el módulo de elasticidad se redujo con un

comportamiento diferente que los especímenes de la resistencia R1, en los primeros 30 minutos la pérdida no fue

significativa, cerca del 14% del valor patrón; después de los 30 minutos y hasta los 60 minutos de exposición al calor, el

valor del módulo de elasticidad presentó una reducción considerable cercana al 87% con respecto del módulo de

elasticidad patrón, luego a los 120 minutos de exposición la rigidez del concreto intenta estabilizarse a pesar de que para

este tiempo ya ha disminuido cerca del 87% en relacion al valor.

Las lineas continuas por su parte representan el comportamiento del módulo de elasticidad de un proyecto ya

desarrollado en la institución universitaria, observandose la disminución de este valor pero en menor proporción debido

a que la temperatura de exposición solo fue de 300 °C.

Figura 6. Comportamiento del módulo de elasticidad de los especímenes expuestos a temperaturas de 300 °C y 600°

3. CONCLUSIONES

• El agregado calcáreo maneja bien los cambios de temperatura, permitiendo llegar a los 600ºC, a pesar de esto se debe

tener en cuenta que a temperaturas mayores a 900ºC el material calcáreo puede deshacerse y convertirse en lo que

comercialmente se conoce como cal.

• El concreto disminuye la resistencia a compresión y módulo de elasticidad de forma irreversible al ser expuesto a altas

temperaturas con tiempos prolongados, pues a medida que aumentó el tiempo de exposición a 600 °C, el módulo de

elasticidad decayó siendo inversamente proporcional, lo cual indica que la disminución de este valor puede ocasionar

que las estructuras de concreto en general bajo la acción del fuego sean menos rígidas y susceptible al colapso

estructural.

• El comportamiento de la resistencia a la compresión también es inversamente proporcional al tiempo de exposición al

cambio térmico, disminuyendo su valor a medida que la exposición a las altas temperaturas aumentaba, provocando que

después de 120 minutos los especímenes no soportaran esfuerzos mayores a 15 Mpa. Puntualizando que las estructuras

en general, después de un incendio está implícita a colapsar al no poder soportar incluso hasta el peso propio de la

misma por unidad de área.

• Esta metodología propuesta ha demostrado ser adecuada para describir los efectos que produce el cambio térmico

sobre el concreto en el caso de que se presente un incendio, en ese sentido, es posible aplicar dicha metodología para

evaluar posibles soluciones para mitigar los cambios que produce este fenómeno sobre el concreto, buscando una línea

de continuidad para establecer mejoras en los materiales que componen las mezclas de concreto.

0

10000

20000

30000

40000

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135

MÓ

DU

LO D

E EL

AST

ICID

AD

(M

Pa)

TIEMPO DE EXPOSICIÓN (MINUTOS)

COMPARACIÓN MÓDULOS DE ELASTICIDAD Vs TIEMPO DE EXPOSICIÓN A 300°C Y 600°C

.

Módulo de elasticidad a 300°C(21 MPa) Rafael Larrota

Módulo de elasticidad a 300°C(28 MPa) Rafael Larrota

Módulo de elasticidad a 600°C(R1) Los autores

Módulo de elasticidad a 600°C(R2) Los autores

Páez, D.; Rodríguez, L.; Rozo, C.

Variación de la resistencia a compresión y módulo elástico del concreto por acción del fuego

7

4. REFERENCIAS.

[1].LARROTA, R. A. (2012). “Influencia del fuego en el módulo elástico y resistencia a compresión del concreto”.

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia UPTC, Tunja, Colombia. 136 pág.

[2]. REGLAMENTO COLOMBIANO DE CONSTRUCCION SISMO RESISTENTE. NSR-10, Titulo J. Requisitos de

protección contra incendios en edificaciones. 1625 pág.

[3] INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN (ICONTEC), Norma Técnica

Colombiana NTC 4025, Concretos. Método de ensayo para determinar el módulo de elasticidad estático y la relación de

Poisson en concreto a compresión (ASTM C 469:2002). Bogotá 2010.

[4] CAPOTE ABREU J. A.; ALVEAR PORTILLA M. D.; CRESPO ÁLVAREZ J. “Análisis experimental de

hormigones expuestos al fuego. Evaluación de variables hidro-térmicas”. Universidad de Cantabria. GIDAI. Dpto.

Transportes y Tecnología de Proyectos y Procesos. Artículo de investigación. Vol. 85 N° 575. Noviembre de 2011. 11

pág.