Influencia del edificio sobre el incendio de diseño

Introducción

Los incendios de diseño son utilizados por los ingenieros de seguridad contra incendios en todo el mundo para evaluar los diseños PBD de seguridad contra incendios y pueden ser una herramienta inestimable si se utilizan correctamente. Recientemente se ha producido una tendencia a incluir recomendaciones, en los códigos de construcción, sobre los incendios de diseño, con el fin de ayudar al diseñador y reducir las posibles variaciones entre diferentes diseñadores. Sin embargo, uno de los posibles problemas que aparece con esta inclusión es que se recomiende el mismo incendio de diseño para tipos similares de edificios, a pesar de que algunas características de los edificios que pueden afectar al desarrollo del incendio, tal como los materiales de construcción, puedan ser muy diferentes. En este documento se resume una investigación numérica realizada por Wahlqvist y van Hees [1] sobre cómo influyen, varias características clave de un edificio, en el incendio de diseño.

El concepto simple de incendio de diseño se ha utilizado ampliamente para evaluar diseños PBD en todo el mundo. Sin embargo, el incendio de diseño es una simplificación aproximada del mundo real y su uso en aplicaciones fuera de los límites de su intención original podría dar lugar a conclusiones erróneas en cuanto a la seguridad contra incendios. Un problema que puede surgir al utilizar directamente las tasas de crecimiento propuestas es que no se tenga en cuenta la influencia de las características del compartimento donde se desarrolla el incendio; por ejemplo, ¿se comportará igual un edificio muy aislado que un edificio de chapa de acero o la radiación reflejada aumentará el crecimiento del incendio y la tasa máxima de liberación de calor? ¿Se comporta de forma diferente una habitación más pequeña que una grande? ¿En qué medida afecta la cantidad de aberturas en el recinto de incendio (tanto las fijas, como las provocadas por la evacuación de personas como la apertura de puertas) al desarrollo de un incendio?

Escenarios  

Para investigar la influencia de las diferentes características del edificio en los incendios de diseño, se creó una sala sencilla en el modelo Fire Dynamics Simulator (FDS). Se realizaron simulaciones con diferentes materiales de construcción y diferentes superficies de suelo, alturas de sala y aberturas. Se utilizó como referencia una sala de las siguientes dimensiones: 10X10X3 metros (véase Figura 1).

Este compartimento de 10X10X3 metros se seleccionó como sala "por defecto" para representar un caso "normal" razonable,  pero también se adaptó para poder ver una clara distinción entre los distintos materiales de construcción. 

Modelo numérico

Para poder predecir los cambios en la tasa de crecimiento y la tasa máxima de liberación de calor (HRR) es importante modelar la radiación reflejada al combustible y la disminución del nivel de oxígeno. Wahlqvist y van Hees han presentado y validado un modelo sencillo, implementado en FDS, que se utiliza para cambiar dinámicamente la tasa de liberación de calor [2]. En resumen, el modelo consta de dos partes distintas: la disminución de la tasa de pérdida de masa debido a la reducción de los niveles de oxígeno cerca del foco del incendio y el aumento de la tasa de pérdida de masa debido a la radiación de fuentes externas (por ejemplo, de paredes y capa de humo).

La fracción de volumen de oxígeno en la base de la llama se utiliza para describir el cambio de la radiación reflejada al combustible causado por el enfriamiento de la llama, la extensión de la llama o la separación de la llama de la superficie del combustible. La reducción de la radiación reflejada en el flujo de calor se traduce a su vez en una disminución de la tasa de pérdida de masa. Dado que simular la radiación reflejada de la llama puede resultar muy complejo, el uso de la fracción de oxígeno en la base de la llama puede representar potencialmente este comportamiento en un modelo simplificado.

En muchos casos generales, la temperatura de las paredes de la sala de incendios y de la capa de humo no alcanza un valor suficiente como para volver a irradiar una cantidad significativa de energía al foco del incendio; esto podría deberse a condiciones de buena ventilación con alto intercambio de aire o a grandes pérdidas de calor a través de los límites del compartimento. Pero en algunos casos, como en los compartimentos sellados o bien aislados, como los utilizados en este estudio, esta re-radiación puede suponer una parte significativa de la tasa total de pérdida de masa y, en algunos casos, incluso llegar a ser el factor dominante.

Resultados

Influencia de los materiales de construcción y de la tasa de crecimiento

Se observó que hubo cambios menores en la tasa de crecimiento debido al material de construcción (hormigón 1-7%, paneles de yeso 8-35% y acero 0-20%) con la excepción de las paredes aisladas, donde la diferencia en la tasa de crecimiento es, como máximo de casi el 300% y, como mínimo, del 115%. La tasa de crecimiento real fue de 0,012 kW/s² cuando se utilizaron paredes aislantes y se especificó una tasa de crecimiento de 0,003 kW/s²; la misma que la siguiente clasificación normalizada "media". El aumento relativo no es tan grande (114-213%) si se utilizan tasas de crecimiento más altas, pero podría considerarse significativo cuando se utiliza para evaluar la seguridad contra incendios en un edificio.

También se puede observar que la liberación máxima de calor aumentaba con el aumento de la tasa de crecimiento para todos los materiales de construcción. Sin embargo, la duración de la tasa máxima de liberación de calor es bastante corta, ya que el agotamiento del oxígeno comienza a afectar a la tasa de pérdida de masa con bastante rapidez. Es evidente que la tasa de crecimiento se vio obstaculizada por la falta de suministro de oxígeno al compartimento (véase la figura 2).

El hecho de que la liberación máxima de calor aumente con el incremento de la tasa de crecimiento se debe simplemente a que una tasa de crecimiento más rápida alcanza una tasa de liberación de calor más alta antes de que se produzcan los efectos del agotamiento del oxígeno. 

Figura 2. Tasa de liberación de calor (HRR) en función del tiempo, utilizando diferentes materiales de construcción, una apertura en puerta y una tasa de crecimiento del incendio de 0,003kW/s2

Influencia de las aperturas en las puertas 

La tasa de crecimiento fue mayor en todos los casos cuando hubo cuatro puertas en comparación con cuando sólo había una puerta abierta. Por ejemplo, la tasa de crecimiento cuando se utilizan las paredes aislantes y se especifica una tasa de crecimiento de 0,012 kW/s2 supera ahora la siguiente clasificación estándar (rápida, 0,047 kW/s2) con una tasa de crecimiento calculada de 0,057 kW/s2 (véase la figura 3).
De hecho, todas las tasas de crecimiento especificadas son superiores o se acercan a la siguiente clasificación estandarizada (cuando está disponible). Esto significaría, probablemente, que el tiempo disponible para realizar una evacuación segura de un edificio estaría sobreestimado. 

Figura 3. Tasa de liberación de calor (HRR) en función del tiempo, utilizando diferentes materiales de construcción, cuatro aperturas en puertas y una tasa de crecimiento del incendio de 0,003kW/s2

Figura 4. Tasa de liberación de calor (HRR) en función del tiempo, utilizando diferentes superficies de suelo del compartimento, cuatro aperturas en puertas y una tasa de crecimiento del incendio de 0,003kW/s2

Conclusión 

Se ha demostrado que los materiales de construcción utilizados en el compartimento del incendio pueden influir en la tasa de crecimiento de un incendio de diseño de manera significativa; materiales aislantes en pared/techo probablemente aumentarán la tasa de crecimiento, lo que a su vez significará que el tiempo hasta las condiciones críticas será más corto en comparación con el resultado esperado. Sin embargo, si el material de construcción utilizado es térmicamente delgado o tiene una gran capacidad de almacenamiento de calor, la influencia es pequeña. La tasa máxima de liberación de calor y el comportamiento transitorio del incendio se mostraron muy dependientes del factor de ventilación en combinación con el material del edificio; con una sola puerta abierta, el crecimiento inicial del fuego fue rápido debido a la retroalimentación radiactiva, pero luego se vio obstaculizado por el agotamiento del oxígeno, que hizo que la tasa de liberación de calor disminuyera significativamente durante el curso de la duración de la simulación.

Además, se demostró que la superficie de la habitación podría tener un efecto significativo en la tasa de crecimiento y en la tasa máxima de liberación de calor; con una puerta abierta, una habitación más grande tendría una tasa máxima de liberación de calor inicial más alta que las habitaciones más pequeñas, pero en todas se agotaría el nivel de oxígeno poco después y se comportarían de forma similar durante el resto de la simulación. Si hubiera cuatro aberturas de puertas, la retroalimentación radiactiva se impondría al agotamiento del oxígeno y cuanto más pequeña fuera la habitación, mayor sería la tasa máxima de liberación de calor y la tasa de crecimiento.

También se demostró que la altura del techo tiene un efecto significativo sobre la tasa de crecimiento y la tasa máxima de liberación de calor cuando se combina con cuatro aberturas de puertas. Sin embargo, el efecto de la altura de la sala no era tan significativo si la superficie de la sala era menor, ya que las paredes parecen contribuir en mayor medida en ese caso.

En conclusión, se recomienda investigar la aplicabilidad de los incendios de diseño en compartimentos con materiales de construcción muy o moderadamente aislantes, ya que la retroalimentación ambiental probablemente aumentará la tasa de crecimiento de forma significativa, lo que al final podría afectar a las posibilidades de obtener una seguridad de evacuación satisfactoria.

Este artículo es sólo un resumen de la investigación realizada por Wahlqvist y van Hees, si se desea una información más extensa, se puede hallar en el artículo completo [1] publicado en acceso abierto en la revista Case Studies in Fire Safety.