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Como se ha mencionado en artículos pasados cada vez es más común ver o realizar diseños de sistemas contra incendios basados en el desempeño. Para que uno de estos diseños sea aprobado por la autoridad competente se suele pedir un análisis de riesgo que garantice que el diseño es igual o más seguro que el prescriptivo. Por este motivo han surgido herramientas de simulación que permiten predecir valores como temperaturas de humo, tiempo de activación de rociadores automáticos, altura de la capa de humo, entre otros. Los resultados de estas simulaciones se cotejan con los valores máximos de tolerancia y de esta manera se demuestra que el diseño presentado es seguro de implementar. Esta metodología no es algo nuevo o innovador, sin embargo, los modelos de simulación actuales han alcanzado un punto de confiabilidad suficiente para las autoridades por lo cual ahora son más utilizados. En este artículo se pretende mostrar los modelos existentes, sus ventajas y desventajas, y factores a tomar en cuenta, se presentarán en orden ascendente de complejidad.

Antes que todo, es importante recalcar que el uso de herramientas de simulación está al alcance de todos los ingenieros, es decir gran variedad de los softwares son de libre acceso. Esto es una gran ventaja para pequeñas empresas de diseño que están surgiendo. Sin embargo, en una profesión poco regulada como lo es la ingeniería contra incendios es vital recordar que el uso inapropiado de estas herramientas puede tener consecuencias catastróficas en términos de vida humana, o protección de la propiedad. El ingeniero encargado del diseño es el responsable de conocer las limitaciones de los modelos, evaluar la idoneidad de la herramienta para el caso en estudio, y entender el funcionamiento de esta. Un diseño sub-dimensionado no va a ser capaz de manejar la situación de incendio y por tanto proveer una salida segura para los ocupantes.

La selección de un método de verificación del diseño contra incendios está regida por varios factores, esto incluye, los recursos computacionales disponibles, el tiempo, el nivel de precisión requerido, la idoneidad de la herramienta, los datos de geometría y ocupación disponibles. Un modelo más sofisticado no siempre significa un mejor resultado, de hecho, en muchas ocasiones la evaluación se inicia con el modelo idóneo más simple, generando unos resultados preliminares, que permiten evaluar si una herramienta más sofisticada es necesaria, o si se cuenta con todos los datos requeridos por esta.

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Dependiendo el caso en estudio, se puede tener uno o varios modelos disponibles, y recae en el diseñador discernir cual es el más conveniente para el caso específico.

El primer modelo que suele utilizarse como modo de escrutinio rápido son las ecuaciones a mano o modelos algebraicos. Estos proporcionan una idea rápida del comportamiento del incendio y en específico la las características del humo. Estas ecuaciones fueron y son derivadas de datos empíricos, o en la mayoría de los casos de experimentos a pequeña escala. Esto significa que fueron derivados de escenarios simplificados donde la mayoría de variables fueron controladas. Usualmente se obtiene un valor para una única variable y no se tiene noción detallada del comportamiento de esta en el conjunto del incendio. La incertidumbre y el error en la predicción de los valores están ligados a la similitud del caso estudiado con el experimento que dio origen a la ecuación. Una mayor diferencia respecto a la configuración del experimento genera una menor confianza en la predicción del comportamiento del incendio.

La segunda herramienta son los modelos de dos zonas. Estos modelos generan dos zonas para las cuales se aplican ecuaciones algebraicas que resuelven las propiedades relevantes del flujo. Suele implementarse en compartimientos cerrados, donde se espera que se cree una capa de humo, esta capa es la zona 1, y la parte libre de humo es la zona 2. Se asume que las propiedades de cada zona son uniformes. Como la capa de humo aumenta a medida que transcurre el incendio, suelen usarse ecuaciones discretizadas en el tiempo. Utilizando equipos de cómputo es posible obtener resultados en cuestión de segundos o minutos. En otras palabras, los modelos de dos zonas automatizan los modelos algebraicos, esto permite analizar diferentes variables que afectan un incendio en solo unos minutos. La limitación principal se da cuando no se cumple la suposición de las dos zonas homogéneas. Adicionalmente, no es posible modelar geometrías no rectangulares.  Una de las herramientas de libre acceso fue diseñada por el National Institute of Standars and Technology – NIST y se conoce como CFAST. Este es rápido, y suele tener buena concordancia con modelos experimentales. Suele usarse para predecir la temperatura del humo y la altura de la capa de humo. Aunque se ha usado en diferentes situaciones para predecir la activación de rociadores no está verificado para este uso.

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Tomado de: https://www.nist.gov/services-resources/software/cfast

El tercer modelo es conocido como Computational Fluid Dynamics – CFD. Este da una solución numérica a las ecuaciones fundamentales de Navier-Stokes, describiendo los fluidos y los fenómenos de transferencia de calor asociado con los incendios. A diferencia de los modelos de dos zonas este modelo divide el volumen en miles o millones de volúmenes de control. Un menor volumen de control también conocido como cuadricula permite obtener resultados más certeros, pero tiene un costo computacional y de tiempo muy alto, una simulación puede llegar a tardar, días, semanas o incluso meses. Los modelos de CFD modelan exitosamente el movimiento y la transferencia de calor del humo, también permite modelar geometrías complejas en múltiples compartimientos. Uno de los paquetes de simulación de CFD especialmente diseñado para incendios se conoce como Fire Dynamic Simulator – FDS. Este código esta especificado para flujos de baja velocidad, con énfasis en el transporte de humo y calor de los incendios.

En conclusión, cada vez son más requeridas las herramientas de simulación que permiten verificar los diseños por desempeño. Estas herramientas deben ser utilizadas por profesionales que conozcan las limitaciones y suposiciones requeridas para cada uno de los modelos, así como discernir la idoneidad de estos para el caso en estudio. Existen modelos simples que se pueden generar con cálculos a mano, así como unos más complejos que requieren mayores recursos, computacionales, de tiempo y de conocimiento.

En EHR S.A., contamos con profesionales y las herramientas necesarias para asesorarlo de forma efectiva. Para mayor información acerca de nuestros servicios y productos por favor póngase en contacto con nosotros, con gusto haremos parte de su proyecto.

Referencias:

  1. FIRENG. A Fire Engineering Modelling Blog. An introduction to fire modelling. Recuperado de: http://www.fireng.org/p/introduction-to-fire-modelling.html#:~:text=Drawbacks%20of%20CFD%20models%20include,and%20completing%20the%20necessary%20simulations. 
  2. McGrattan, K. Fire Modelling: Where are we? Where are we going?. Fire Safety Science–Proceedings of The Eighth International Symposium. pp. 53-68. 2005
  3. Merci, B. Computer Modelling for Fire and Smoke Dynamics in Enclosures: A Help or a Burden?. Fire Safety Science-Proceedings of The Eleventh International Symposium. pp. 46-65. 2014
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Autor

Lorena Cifuentes.
Ingeniera Química
Departamento de Diseño
EHR S.A.

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There are 2 Comments

  1. Publicado por Luis Rodriguez

    Excelente aporte

  2. Publicado por Jorge Rios Florian

    En el artículo "Diseños basados en el desempeño" publicado en el Journal en Español de la NFPA el autor refiriendose al diseño por desempeño dice:" esta es muy poco apropiada para nuestro entorno técnico en Latinoamerica".
    Con el repeto que merece el autor, y a contracorriente de lo afirmado por él, pienso que lo sugerido por Uds en su artículo es muy pertinente pues impulsa el uso, guardando las limitaciones y exigencias del caso, de las herramientas creadas por la informatica en el desarrollo de nuestra incipiente ingenieria de protección contra incendio.

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