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Artículo Técnico
Simulación de incendios para el diseño
del sistema de control de temperatura y
humos de un pabellón deportivo
Raúl Insúa
Comité Sectorial de Puertas, Control de Humos y Señalización de TECNIFUEGO-AESPI
L
a aplicación de la simulación de
incendios en el diseño del sistema de control de temperatura y evacuación de humos (SCTEH)
mediante software CFD (Computational
Fluid Dynamics) presenta grandes ventajas frente a los clásicos métodos de cálculo analíticos adoptados por la normativa. Esto se debe a que los métodos
analíticos son escalares, mientras que
los CFD aplican métodos vectoriales,
por lo que obtienen gran cantidad de
información con la que justificar determinados hechos que con métodos escalares no sería posible.
Entre las muchas ventajas de la simulación informática frente a los métodos
de cálculo analíticos cabe destacar la
posibilidad de tener en cuenta geometrías complejas, abordar el problema de
la transmisión de calor y de dinámica
de fluidos, estudiar la interacción entre
las diferentes instalaciones de protección contra incendios, etc.
Existen numerosas aplicaciones en
el campo de los CFD, así como en el
campo de los modelos de zona, que
permiten abordar los problemas que se
presentan en el diseño de los sistemas
de control de temperatura y evacuación
de humos. De entre todas ellas, destaca
como una de las herramientas más utilizadas el FDS (Fire Dynamics Simulator),
avalado por numerosos trabajos de validación en este ámbito.
En este trabajo se plantea un caso
práctico de aplicación del FDS para el
diseño y posterior verificado del correcto funcionamiento del SCTEH en un
edificio de pública concurrencia.
El objetivo del presente estudio es el
diseño y verificación del correcto funcionamiento del SCTEH de un pabellón polideportivo multiusos mediante
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Figura 1. Render 3D (izda.) y modelo en FDS (dcha.) de la edificación.
Entre las ventajas de la simulación informática frente a
los métodos de cálculo analíticos destaca la posibilidad
de tener en cuenta geometrías complejas
la simulación de incendios a través de
la herramienta informática FDS [1] desarrollada por el Building and Fire Research
Laboratory del NIST (National Institute of
Standars and Technology) en colaboración con el VTT Building and Transport
de Finlandia.
Los motivos de aplicar esta metodología de diseño y no el método analítico propuesto por la norma responden
a la singularidad del edificio. El diseño
a partir del método analítico no tiene
en cuenta, entre otras cosas, la geometría del establecimiento, mientras que en
un modelo de simulación informática es
una característica prioritaria, de lo que
se deriva que el diseño obtenido estará
más ajustado para el caso abordado y,
por lo tanto, tendrá una mayor eficacia.
Descripción del edificio
La edificación objeto de estudio se corresponde con un pabellón multiusos
en el cual se realizan tanto eventos deportivos como espectáculos musicales, culturales, etc. Está constituida por
un núcleo de forma cilíndrica con una
altura máxima de cornisa de 32,15 m.
De este núcleo cilíndrico sobresalen
las gradas ubicadas a mayor altura y las
torres que sirven de elementos de acceso a espectadores y de soporte estructural de la cubierta, siendo la altura máxima de las torres de 48 m. (Figura 1).
La cubierta de la edificación se corresponde con una cubierta tipo Deck,
en la que se identifican dos partes diferenciadas que confluyen en el canalón de recogida de aguas pluviales, la
cubierta central de pendiente del 3% y
una altura máxima de 30,68 m., y la cubierta perimetral de pendiente del 16%
y máxima altura de 31,74 m.
Se planta un SCTEH compuesto
por aireadores de tiro natural con di-
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Figura 2. Esquema de depósitos de humo y aireadores del pabellón.
mensiones interiores del hueco de
2.500x2.000 mm. y 13 depósitos de
humos (uno central y 12 perimetrales)
compartimentados mediante cortinas
de humo con una caída desde cubierta
de 7,35 m., de los cuales se tienen los
2,45 m. iniciales con cortina de humos
fija cubriendo el canto de la estructura
y los 4,90 m. restantes mediante una
cortina móvil que desplegará en caso
de señal de incendio con la apertura
de los aireadores (Ver figura 2).
Para el correcto funcionamiento de
un SCTEH por tiro natural es necesaria la instalación de entradas de aire
para reemplazar los gases evacuados
para evitar problemas de diferencias
de depresión en el interior del establecimiento, y además para facilitar el tiro.
En este caso existen unas rejillas en fachada a 3 metros de altura sobre la
cota cero cuya superficie aerodinámica
(útil) total asciende a 21 m2 para llevar
a cabo esta función.
Descripción del modelo
Modelo geométrico: Tras diversos estudios de sensibilidad, y debido a la limitación de los recursos computacio-
nales, se opta por inscribir la geometría del pabellón en 16 mallas con un
total de 12.481.920 celdas de 0,35 x
0x35 x 0,35 m., tal y como se muestra
en la figura 3.
Modelo de incendio: Para la configuración del establecimiento estudiado, se supone como situación más
desfavorable la de un incendio situado
a pie de pista, y por lo tanto en la zona
con más distancia a la cubierta. Esto
es debido a que el recorrido de ascenso del penacho de humos es el
mayor posible, por lo que se produce
una gran incorporación de aire a través
del perímetro del propio penacho enfriando los humos. Dicho enfriamiento
podría provocar una caída de la capa
Figura 4. Ubicación del foco de incendio y curva de liberación de calor generada.
Figura 3. Geometría del pabellón inscrita en 16 mallas.
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de humos con la consecuente afección
de las vías de evacuación, uno de los
principales puntos de protección del
SCTEH propuesto. Así pues, se decide
como ubicación del foco de incendio
la pista.
Por otra parte, las características térmicas y geométricas del incendio de
diseño se obtienen de la norma UNE
23585:2004 [3]. A través de los diferentes usos que pudieran darse en el establecimiento, se establece un riesgo ligero, categoría 2, lo cual implica un incendio de dimensiones 4,50 x 4,50 m. y
una tasa de liberación de calor unitaria
de 250 kW/m2.
Como se ha comentado anteriormente, una de las grandes ventajas del
empleo de métodos CFD es el de poder considerar modelos de evolución
de incendio en función del tiempo,
por lo que se implementará la fase creciente del mismo. Para ello se define
un algoritmo de crecimiento cuadrático (t-square fire growth rate) [4], donde
la velocidad de crecimiento se considera rápida (tiempo que el incendio
tarda en alcanzar un potencia liberada
de 1 MW, en este caso 150 segundos).
Esta fase creciente permitirá además
el estudio de la evacuación, ya que
ésta se produce en esta fase del incendio. Finalmente, con los valores indicados en el párrafo anterior se define la
potencia máxima liberada por el modelo de incendio, como el producto
del área de fuego por su tasa de liberación de calor unitaria (5 MW).
Con todo lo descrito, la curva de liberación de calor considerada tiene
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una primera fase de crecimiento exponencial rápido hasta alcanzar la potencia máxima y una segunda fase
estacionaria tras alcanzar dicha potencia máxima. Esta fase estacionaria responde a la filosofía de la norma
de diseño de comprobar la capacidad
del SCTEH de estabilizar el calor y el
humo ante una fuente inagotable de
energía.
En la figura 4 se muestra el emplazamiento del foco de incendio y la curva
de liberación de calor que genera.
Resultados
De las simulaciones de incendio se obtienen gran cantidad de resultados que
permiten verificar el correcto funcionamiento del SCTEH, como la representación 3D del humo, planos de temperaturas, temperaturas puntuales, temperatura media de la capa flotante de
gases calientes, caudal másico a través
de aireadores y rejillas de fachada, visibilidad, concentración de gases (CO2,
CO, O2), radiación…...
Los resultados obtenidos han permitido verificar satisfactoriamente una
Figura 7. Visibilidad en una sección del edificio a los 1250 s.
serie de criterios de aceptación planteados para el diseño y aprobados por
las partes implicadas en el proyecto,
comprobándose así el correcto funcionamiento del diseño del SCTEH planteado. Entre los criterios de aceptación figuran aquellos que aseguran las
condiciones ambientales en las vías de
evacuación; el tiempo durante el cual
los parámetros ambientales se mantienen en los límites fijados por los criterios determina el tiempo disponible
para la evacuación (ASET). Se ha comprobado que el tiempo requerido para
la evacuación del pabellón (RSET) [5]
Figura 5. Evolución del humo generado por el incendio a los 1250 s.
Figura 6. Caudal másico a través de los aireadores y rejillas (izda.). Temperatura bajo
cubierta a los 1250 s.
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es menor que el ASET, condición que
garantiza la evacuación en condiciones seguras.
Referencias
[1] NIST Special Publication 1019-5. Fire
Dynamics Simulator. User’s Guide. Kevin McGrattan, Randall McDermott,
Simo Hostika, Jason Floyd ABAQUS/
Standard Version 6.6 User’s Manual:
Volumes I-III. Pawtucket, Rhode Island: Hibbit Karlsson & Sorenson,
Inc.; 2005.
[2] Guía de Ingeniería de SFPE de protección contra incendios basada en la
eficacia. Análisis y diseño de edificios.
Versión en español publicada por
la Asociación de Investigación para
la Seguridad de Vidas y Bienes-CEPREVEN.
[3] UNE 23585:2004. Seguridad contra
incendios. Sistemas de Control de
Temperatura y Evacuación de Humos (SCTEH). Requisitos y método
de cálculo y diseño para proyectar
un Sistema de Control de Temperatura y Evacuación de Humo en caso
de incendio.
[4] CEN (European Comitte for Standardization). EN 1991-1-2, Eurocode
1: Actions on structures, Part 1.2: General actions – Actions on structures exposed to fire. Brussels: CEN;
2005.
[5] PD7974-6:2004: The application of
fire safety engineering principles to
fire safety design of buildings. Part
6: Human factors: Life Safety strategies-Occupant evacuatioin, behavior and condition, British Standards, 2004. S
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