Diseñar y evaluar un concreto híbrido con fibras de polipropileno y de lana de roca para mejorar las propiedades mecánicas y térmicas de las estructuras, ante efectos de incendios en edificaciones en la Ciudad de Lima

Abstract

En esta investigación se ha analizado la data histórica de incendios en Lima, específicamente en el distrito del Cercado de Lima, el cual presenta entre 11 y 19 incendios por kilómetro cuadrado. Este elevado índice se ve agravado por el tipo de edificación predominante en la zona, la presencia de calles tugurizadas y negocios informales que dificultan el acceso ante una emergencia. Ante esta problemática, se diseñó y evaluó un concreto híbrido con fibras de polipropileno y lana de roca en diferentes proporciones (M0, M1, M2 y M3), con el objetivo de mejorar sus propiedades mecánicas y térmicas. Después de exponer las probetas al fuego, el diseño M1 presentó la mayor resistencia a la compresión, con una reducción del 8.23 % en comparación con el 15.62 % del diseño patrón (M0), lo que lo hace más consistente y confiable. Por otro lado, la muestra M2 mostró una disminución menor del 4.25 %, destacando por sus mejores propiedades térmicas; sin embargo, su resistencia fue inferior al diseño M0. En términos de flexión, M1 también sobresalió, con una pérdida de resistencia del 9 %, frente a la degradación más severa de M0. Aunque M2 mostró un buen desempeño térmico, su resistencia a la flexión fue significativamente menor, con una disminución del 33.4 %. El diseño M0 evidenció la mayor degradación bajo condiciones extremas de temperatura, lo que lo hace menos confiable ante el fuego. Desde el punto de vista económico, aunque los diseños modificados (M1, M2 y M3) presentan un costo superior al concreto convencional, dicho incremento se justifica por las mejoras en su desempeño. M1, con un aumento de solo 3.8 %, se posiciona como la opción más rentable. Los diseños M2 y M3 presentan incrementos de 10 % y 12.58 %, respectivamente, con mejoras térmicas significativas, pero menor competitividad en términos de costo-beneficio. En conclusión, el diseño M1 se perfila como la alternativa más adecuada para aplicaciones que requieren alta resistencia al fuego, ofreciendo un equilibrio óptimo entre rendimiento mecánico y viabilidad económica.

This research analyzed historical fire data in Lima, specifically in the district of Cercado de Lima, which reports between 11 and 19 fires per square kilometer. This high rate is further exacerbated by the predominant building types in the area, the presence of overcrowded streets, and informal businesses that hinder emergency access. In response to this issue, a hybrid concrete was designed and evaluated, incorporating polypropylene and rock wool fibers in different proportions (M0, M1, M2, and M3), with the objective of improving its mechanical and thermal properties. After exposing the specimens to fire, the M1 exhibited the highest compressive strength, with an 8.23% reduction compared to a 15.62% reduction in the standard concrete (M0), making it more consistent and reliable. On the other hand, the M2 sample showed a smaller reduction of 4.25%, standing out for its superior thermal properties; however, its strength was lower than that of the M0. In terms of flexural strength, M1 also performed better, with a 9% loss compared to the more severe degradation of M0. Although M2 showed good thermal behavior, its flexural resistance was significantly lower, with a reduction of 33.4%. The M0 design showed the greatest deterioration under extreme temperature conditions, making it less reliable in fire scenarios. From an economic perspective, although the modified concretes (M1, M2, and M3) present higher costs than conventional concrete, this increase is justified by their enhanced performance. M1, with a cost increase of only 3.8%, stands out as the most cost-effective option. M2 and M3 had higher increases of 10% and 12.58%, respectively, offering significant thermal improvements but lower cost-benefit competitiveness. In conclusion, M1 stands out as the most suitable alternative for applications requiring high fire resistance, offering an optimal balance between mechanical performance and economic viability.