Ingeniería de seguridad ante incendio - Doctrina y retos de futuro

Ingeniería de seguridad ante incendio. Doctrina, y retos de futuro SEGURIDAD ANTE INCENDIO BASADA EN PRESTACIONES M A R C O R E G L A M E N T A R I O Y M E T O D O L O G Í A S D E D I S E Ñ O Fernando Morente Responsable de Seguridad ante Incendio y Explosiones de TECNALIA R&I fernando. morente@tecnalia.com

objetivo de la i.s.a.i.
uso de principios de ingeniería, reglas y juicios expertos basados en apreciaciones científicas del fenómeno del incendio, de los efectos del fuego y de la reacción y comportamiento de las personas en caso de incendio para:
salvar vidas, proteger propiedades y preservar el medio ambiente y el patrimonio histórico.
cuantificar los daños y el riesgo del fuego y sus efectos.
evaluar analíticamente las medidas de prevención y de lucha contra incendio óptimas necesarias para limitar, dentro de los marcos prescritos, las consecuencias del incendio .
(comité ISO 92 SC 4 fire safety engineering)

¿por qué ahora la I.S.A.I. SI ? círculo virtuoso: - necesidades (catástrofes, sensibilidad social) - avance de la ciencia - evolución de la reglamentación

términos de aceptación del diseño basado en prestaciones “ el diseñador o proyectista podrá, bajo su responsabilidad, adoptar soluciones alternativas, siempre que justifiquen técnicamente que el edificio proyectado cumplimenta los requisitos esenciales del CTE porque sus beneficios de seguridad son, al menos equivalentes a los que se obtendrían de la aplicación del documento básico “ CTE parte 1

r i e s g o combustible: (cantidad, tipo de,…) ventilación: (sistemas - pautas) función-uso medidas origen escenarios de incendio características propias + personas

inicio evolución extinción propagación fenómenos: Tª, radiación, mov. de fluidos, presión, generación de humo,.. efectos: sobre: estabilidad estructural / condiciones de supervivencia

edificio seguro sujetos de seguridad en incendio personas: - usuarios - bomberos bienes: - propios - terceros garantizar evacuación y operación seguras minimizar daños objetivos de seguridad en incendio edificio seguro

estructura personas: no debe colapsar sobre las personas permitiendo un entorno seguro para la… - usuarios: …evacuación - bomberos: …operación bienes: manteniendo su estabilidad, debe impedir la propagación del incendio a otros recintos u otros edificios … sin embargo esto es sólo una parte…

efectos del incendio térmicos: conducción, convección, radiación otros: visibilidad, toxicidad medios del incendio llama efluentes (humos, gases, partículas,…) “ control de humos”

modelos de incendio fuego iso SI sirve para: - normalizar productos y sistemas - lograr soluciones simplificadas accesibles NO sirve para: - realizar un diseño eficiente basado en prestaciones fuego natural (n.f.s.c.) Sirve para: - diseño basado en prestaciones - lograr alta aproximación al fenómeno real de incendio - obtener alta eficacia de las soluciones de seguridad - optimizar ratio seguridad/coste

modelos de incendio fuego iso No considera: - Carga real de combustible - Ventilación - Disipación térmica - Medidas activas CURVA ISO 834 tiempo temperatura atención: no solo tiene efecto en términos de temperatura , sino además en tiempo y generación de humo y gases

modelos de incendio fuente: n.i.s.t. fuego natural (n.f.s.c.) R.H.R.- curva de generación de calor curva Tª gas

gráfica comparativa coste/seguridad coste del análisis coste de las medidas prescripción métodos simplificados métodos avanzados curva equi-seguridad conocimiento del incendio

ingeniería de seguridad ante incendio, i.s.a.i. diseño de escenarios de incendio cálculo de los efectos del incendio determinación de las acciones térmicas análisis estructural (respuesta térmica) comportamiento y control de humos estudios de evacuación i.s.a.i. clave para el diseño basado en prestaciones

modelos avanzados de la acción de incendio i.s.a.i. modelos de incendio objetivos/criterios selección/definición de los modelos función de los campos de seguridad implicados:
condiciones
compatibles
con la vida
Efectos:
Térmicos
otros
estructural Acción térmica Respuesta térmica

modelos avanzados de la acción de incendio - modelos de zonas
modelos de campo
LABEIN i.s.a.i. 2005 ©

Modelos de zonas
Simplificación de las ecuaciones de gobierno del incendio
Resolución de las ecuaciones de conservación de masa y energía
División del dominio en volúmenes de control (compartimentos)
Cada compartimiento queda dividido en 2 o más zonas
Se asumen condiciones uniformes variables con el tiempo en cada zona

Modelos de 2 zonas
La zona superior representa la acumulación de humo caliente y productos generados en la combustión
La zona inferior contiene el aire fresco
Existe una interfase separando ambas zonas
modelos de 2 zonas disponibles : CFAST (NIST) OZone (Universidad de Lieja, Bélgica) Argos ( DBI - Danish Institute of Fire and Security Technology ) Modelos de zonas

Algoritmos en ecuaciones diferenciales temperatura y densidad presión, volumen y temperatura Modelos de zonas

Caso en CFAST: 1- Geometría -Dimensiones de cada compartimento (superficie en planta y altura) -Aperturas horizontales y verticales (ventanas, puertas y exutorios) -Detectores de temperatura y rociadores instalados. Interacción aproximada -Características de la ventilación forzada 2- Escenario de incendio Localización del incendio Curva HRR de generación Generación de sustancias Modelos de zonas

Características y limitaciones de los modelos de zonas Limitación para edificios de grandes dimensiones No es capaz de trabajar con geometrías complicadas No se tienen en cuenta efectos locales Resultados conservadores Resultados generalistas (bajo nivel de detalle) Rapidez Modelos de zonas

Modelos de campo o CFD Discretización del dominio en pequeños elementos o celdas Resolución en cada celda de las ecuaciones de gobierno del incendio * Ecuaciones de Navier – Stokes * Ecuaciones de transferencia de calor * Proceso de combustión Modelado muy preciso de los sistemas contra incendio (activos / pasivos) Simulación de la pauta o protocolo de actuación algunos modelos de campo: FDS (NIST) JASMINE ( FRS, UK) FLUENT (Fluent Inc.) SOFIE (Univ. Grandfield, UK) Computational Fluid Dynamics

Caso con CFD 1- Geometría Dimensiones y forma del edificio Generación de la malla (dimensiones y número de celdas). Optimización del cálculo Introducción en el modelo de todos los elementos presentes en el escenario Detectores y rociadores instalados Características de la ventilación natural y/o forzada 2- Pauta de actuación Apertura / cierre de ventanas, puertas y / o exutorios Acción de la ventilación forzada Acción de los rociadores 3- Escenario de incendio Elección del punto de incendio Curva RHR de generación Reacción de combustión, generación de sustancias Interacción del agua de los rociadores con el incendio Efecto de los exutorios en el sistema LABEIN i.s.a.i. 2006 © Modelos de campo o CFD

Características y limitaciones de los modelos de campo Necesidad de un conocimiento experto del fenómeno del incendio y de las características del escenario Elevado tiempo de preproceso, proceso y postproceso Requiere la representación muy aproximada de la geometría del edificio Permite la simulación de la pauta de actuación Valores de temperaturas, velocidades, concentración de sustancias, etc.. en cada punto en función del tiempo Resultados precisos, detallados, y comprendiendo fenómenos locales Aplicable en situaciones complejas donde se necesite un alto nivel de detalle y un conocimiento preciso de la evolución del incendio Modelos de campo o CFD

Analisis comparativo de un incendio de grandes dimensiones mediante CFD Dimensiones del edificio = 90 x 65 x 8 m (Superficie total = 5850 m 2 ) 18 exutorios y 5 puertas al exterior Cortinas de humo (descuelgue de 3.5 m) Potencia del incendio 10 MW

Debido a las dimensiones del edificio no es posible modelarlo mediante un solo compartimento. Análisis de un incendio de grandes dimensiones mediante un modelo de dos zonas Aceptable Consideracnes específicas Algoritmos especiales (l/h) max < 3 3< l/h < 6 > 6 limitaciones de la herramienta !! Para evitar el acudir a algoritmos especiales, definimos un tamaño de compartimento adecuado

6 compartimentos Análisis de un incendio de grandes dimensiones mediante un modelo de dos zonas Seleccionamos un tamaño tal que la relación de dimensiones sea ligeramente < 6, buscando que el número de compartimentos resultante sea pequeño, para evitar incrementar los ajustes ficticios.

Criterio de ajuste: La aplicación directa del algoritmo no es posible, pues por defecto , dado que no comprende esta aproximación, considera perdidas de carga entre los compartimentos (perdidas de carga que en realidad no se producen, dado que la división en compartimentos es ficticia) Pérdidas de carga debidas al flujo a través de ventanas. Ecuación de Bernoulli Análisis de un incendio de grandes dimensiones mediante un modelo de dos zonas

Criterio de ajuste: Resolución (transformación geométrica ficticia del modelo del compartimento) Referencia: SFPE, 2003 Aumento de las dimensiones de las ventanas para compensar las pérdidas Análisis de un incendio de grandes dimensiones mediante un modelo de dos zonas

Criterio de ajuste: Interacción ficticia entre compartimentos Curvas de velocidad de flujo Detalle de resultados: Pluma de incendio e interacción con el exterior (condiciones de ventilación) Análisis de un incendio de grandes dimensiones mediante un modelo de dos zonas LABEIN i.s.a.i. 2007 © LABEIN i.s.a.i. 2007 ©

LABEIN i.s.a.i. 2006 © Altura libre (m) Tª Zona superior (ºC) Tiempo detección (seg) CFD ZONAS % error 5 5.6 29 36 56 62 19 10 5 Error asociado a las hipótesis asumidas LABEIN i.s.a.i. 2006 © comparación de resultados LABEIN i.s.a.i. 2007 ©

casos prácticos

INTRODUCCION BILBAO EXHIBITION CENTRE (BEC) METODOLOGIA RESULTADOS
117.000 m² útiles en seis edificios
176 x 125 m. sin columnas intermedias
22.000 Tn de acero
Vigas cajón (8x8m) + estructura espacial

INTRODUCCION BILBAO EXHIBITION CENTRE (BEC) METODOLOGIA RESULTADOS ANALISIS TÉRMICO 4 escenarios de incendio – Fuego natural COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) ANALISIS ESTRUCTURAL Por elementos

BILBAO EXHIBITION CENTRE (BEC)  acero <  crítica 231º C < 646 ºC INTRODUCCION METODOLOGIA RESULTADOS

INTRODUCCION BILBAO EXHIBITION CENTRE (BEC) METODOLOGIA RESULTADOS La protección pasiva se redujo en un 80% respecto a la prescripción
Zonas localizadas de las vigas cajón de un edificio requirieron protección pasiva.
La mayor parte de la estructura no requirió protección adicional
La estructura espacial no requirió protección

CENTRO COMERCIAL “LAS CAÑAS” Centro comercial en Navarra En un mismo edificio, rodeando un gran supermercado se situa un mall de tiendas y espacios para el ocio. Edificio público con estructura ligera. Prescripción: EF-30 minutos según curva ISO para toda la estructura de acero. INTRODUCCION METODOLOGIA RESULTADOS

CASE STUDIES INTRODUCCION METODOLOGIA RESULTADOS CENTRO COMERCIAL “LAS CAÑAS” ANALISIS TERMICO 3 Escenarios de incendio – Fuego ISO y fuego Natural COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) ANALISIS ESTRUCTURAL Análisis de Sub-estructura

INTRODUCCION METODOLOGIA RESULTADOS CENTRO COMERCIAL “LAS CAÑAS”

Las columnas dentro de las tiendas deben ser protegidas (por exposición directa a la llama) - Las columnas embebidas en paredes de ladrillo no precisan protección (apantallamiento y disipación térmica)
Las vigas en el interior de las tiendas no alcanzan EF-30 s/Fuego ISO. Pero el análisis a fuego natural no presenta colapso. Por ello no se requiere protección adicional de la estructura.
La sub-estructura demuestra ser segura sin protección adicional. Criterios de esfuerzos y deformaciones en condición de incendio frente a los máximos.
Reducción del 60% de la protección prescrita INTRODUCCION METODOLOGIA RESULTADOS CENTRO COMERCIAL “LAS CAÑAS”

POLIDEPORTIVO “LA CHANTREA” Pabellón polideportivo cubierto en Navarra. Estructura espacial ligera en cubierta. Prescripción EF-30 min. ISO INTRODUCCION METODOLOGIA RESULTADOS

INTRODUCCION METODOLOGIA RESULTADOS POLIDEPORTIVO “LA CHANTREA” ANALISIS TERMICO 2 Escenarios de incendio – Fuego Natural MODELOS DE ZONAS y CFD ANALISIS ESTRUCTURAL Por estructura global

Acciones térmicas Fuego natural. Curva de generación de calor de un vehiculo. Efectos del incendio INTRODUCCION METODOLOGIA RESULTADOS POLIDEPORTIVO “LA CHANTREA”

Análisis estructural. Desplazamientos INTRODUCCION METODOLOGIA RESULTADOS POLIDEPORTIVO “LA CHANTREA”

Reducción del 100% de la protección prescrita No se precisa protección pasiva adicional INTRODUCCION METODOLOGIA RESULTADOS POLIDEPORTIVO “LA CHANTREA”

Simulación avanzada del comportamiento estructural en caso de incendio

Validación del caso de estudio Incendio real. Comportamiento predicho por las simulaciones. Ausencia de víctimas.

Estudio de sectorización: Prologis Park - Alcalá

Dos sectores de 18.124 m 2 cada uno estudio de sectorización

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Superficie por sector superior al máximo admitido (4.000 m 2 )
- Longitud de evacuación máxima (55 m) superior a la admitida (50 m)
ENFOQUE DE ISAI estudio de sectorización

Modelo CFD analiza: combustión / interacción agua / propagación / generación de humo Mapa de Tª (ºC) - 1 Vectores velocidad (m/s) - 2 Distribución de gotas - 3 1 3 2 Resultado: edificio seguro para las personas sin necesidad de muros de sectorización. dos sectores de 18.000 m 2 c.u.

ingeniería de seguridad ante incendio - i.s.a.i. en edificación análisis teórico-experimental de la seguridad del centro comercial Zubiarte en bilbao mediante el: ensayo de humo caliente limpio labein ®:

ingeniería de seguridad ante incendio - i.s.a.i. en túneles túnel de barajas T4 en la M-12 madrid

caso práctico integral: seguridad integral: estructural + control de humos + evacuación e uskal i rrati t ele b ista

conclusiones

los modelos avanzados de la acción de incendio son el soporte del análisis de un caso de i.s.a.i. a partir de ellos determinaremos los efectos sobre la estructura y las personas. por ello es fundamental disponer del conocimiento y de los criterios adecuados para su definición y cálculo. la i.s.a.i. es la aproximación científica al fenómeno del incendio, y es la vía para lograr una seguridad conocida y eficiente (incluso en términos €)

gracias

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Ingeniería de seguridad ante incendio - Doctrina y retos de futuro

by Fernando Morente on Jul 10, 2011

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