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Aplicación de modelos de simulación de incendios para el diseño del Sistema de Control de Temperatura y Evacuación de Humos (SCTEH) de un pabellón deportivo multiusos

La aplicación de la simulaciones de incendios en el diseño de sistemas de control de temperatura y evacuación de humos 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 PCI, 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.

1. OBJETIVO 

El objetivo del presente estudio es el diseño y verificación del correcto funcionamiento del Sistema de Control de Temperatura y Evacuación de Humos (SCTEH) de un pabellón polideportivo multiusos mediante la simulación de incendios a través de la herramienta informática FDS “Fire Dynamics Simulator” [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.

 

2. 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. Render 3D (izda.) y modelo en FDS (dcha.) de la edificación
Figura 1. Render 3D (izda.) y modelo en FDS (dcha.) de la edificación

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 Sistema de Control de Temperatura y Evacuación de Humo compuesto por aireadores de tiro natural con dimensiones interiores del hueco de 2.500 x 2.000 mm y 13 depósitos de humos (1 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.

Figura 2. Esquema de depósitos de humo y aireadores del pabellón
Figura 2. Esquema de depósitos de humo y aireadores del pabellón

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

3. DESCRIPCIÓN DEL MODELO

 

3.1.      MODELO GEOMÉTRICO

Tras diversos estudios de sensibilidad y debido a la limitación de los recursos computacionales, se adopta 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 siguiente figura:

Figura 3. Geometría del pabellón inscrita en 16 mallas
Figura 3. Geometría del pabellón inscrita en 16 mallas

3.2.      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 un gran incorporación de aire a través del perímetro del propio penacho enfriando los humos; este enfriamiento podría provocar una caída de la capa 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 growthrate) [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 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 siguiente figura se muestra el emplazamiento del foco de incendio y la curva de liberación de calor que genera:

Figura 4. Ubicación del foco de incendio y curva de liberación de calor generada
Figura 4. Ubicación del foco de incendio y curva de liberación de calor generada

4.      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 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], es menor que el ASET, condición que garantiza la evacuación en condiciones seguras.

Figura 5. Evolución del humo generado por el incendio a los 1250 s
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
Figura 6. Caudal másico a través de los aireadores y rejillas (izda.). Temperatura bajo cubierta a los 1250 s
Figura 7. Visibilidad en una sección del edificio a los 1250 s
Figura 7. Visibilidad en una sección del edificio a los 1250 s

 

5.      REFERENCIAS

 [1]  NIST SpecialPublication 1019-5. Fire Dynamics Simulator. User’s Guide. Kevin McGrattan, Randall McDermott, SimoHostika, Jason Floyd ABAQUS/Standard Version 6.6 User’s Manual: Volumes I-III. Pawtucket, Rhode Island: HibbitKarlsson&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.

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