• Sistemas de control de humo

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Objetivos de aprendizaje

  1. 1. Entender qué códigos/normas rigen los sistemas de control de humo.
  2. 2. Conocer bien los controles de humo activos y pasivos.
  3. 3. Entender por qué una ventilación mayor no es necesariamente mejor.

Aunque nos esforzamos para prevenir, minimizar y controlar la ocurrencia y gravedad de los incendios mediante la instalación de sistemas de aspersores y minimizando el uso de materiales combustibles en la construcción así como las fuentes de ignición, se siguen produciendo incendios y perdiendo vidas. Actualmente sabemos que la mayor amenaza para la vida en caso de incendio en un edificio es el humo (el monóxido de carbono y otros productos de la combustión). Mientras que el fuego puede ser localizado, el humo se desplazará por donde el flujo de aire del edificio y su propia flotabilidad lo lleven. Sin dispositivos de seguridad, el humo pasará por conductos, huecos de ventilación, aberturas en paredes y suelos, y por atrios y galerías abiertos.

Un buen ejemplo es el trágico incendio del MGM Grand Hotel de Las Vegas el 21 de noviembre de 1980, en el que murieron 85 personas y cerca de 600 resultaron heridas. El humo producido por un incendio en un área sin aspersores de la planta baja se propagó por los 21 pisos del casino. Sesenta y una de las víctimas mortales se encontraban en las numerosas plantas de la torre, donde el humo llegó a través de escaleras, juntas del suelo, huecos de ventilación y el sistema climatización. Solo 18 de las muertes se produjeron en el piso en el que tuvo lugar el incendio. Fue la libre circulación del humo lo que produjo la mayoría de las víctimas.

Los seres humanos, por naturaleza, actuamos por reacción, y en el caso de un desastre como el incendio del MGM Grand, reaccionamos buscando formas de prevenirlos en el futuro. Lo hacemos desarrollando códigos y normas para la construcción que se aplicarán a todos los edificios nuevos, o como mínimo a los sujetos a un código determinado.

El Código Internacional de Edificación (IBC, por sus siglas en inglés), en su edición de 2012, aborda el tema de la migración del humo por diversos medios e incluye requisitos para el sellado de aberturas entre pisos, protección de ventilaciones verticales, barreras y tabiques contra el humo y sistemas de control de humo. El IBC establece específicamente varios requisitos para el suministro de sistemas de control de humo para galerías y atrios que conecten más de dos pisos, para edificios subterráneos y para edificios sin ventanas, incluidas las cárceles.

El IBC únicamente identifica dónde se requiere un sistema de control de humo; el tipo de sistema debe elegirlo un ingeniero con conocimientos suficientes de cada situación para adaptar el sistema a las características del edificio y sus ocupantes. Este ingeniero puede elegir tanto un sistema mecánico como pasivo. Un sistema mecánico puede utilizar bien el sistema de climatización del edificio o extractores específicos para extraer el humo del edificio o crear un diferencial de presión que evite su migración desde la zona de origen del incendio. Un sistema pasivo se basa en la flotabilidad natural del humo y en el efecto chimenea para permitir que el humo salga del edificio.

Controles de humo activos y pasivos

Figura 2: Este es un ejemplo de un sistema de climatización que incorpora funciones de control de humo usando los mismos ventiladores, conductos y otros equipamientos que utiliza para el acondicionamiento del edificio. Una adecuada planificación y coordinación puede ayudar a minimizar los costes de infraestructuraEl efecto chimenea es lo que permite que el humo de una chimenea salga a través de ella en lugar de llenar la casa de los productos de la combustión. Este sistema pasivo se basa en las diferencias de temperatura entre la chimenea y el aire exterior para, utilizando la flotabilidad natural de los gases calientes, transportar el humo fuera del edificio. Este mismo enfoque puede utilizarse al diseñar un sistema de control de humo para un edificio, pero la complejidad de variables como la temperatura exterior, la velocidad del viento, la presión barométrica, el arrastre del aire frío circundante en la zona del incendio y los diferenciales de presión inducidos por el sistema de climatización limitan el interés y la viabilidad de este enfoque.

Dada la limitada aplicación de los sistemas de control de humo pasivos, la atención se centra generalmente en los sistemas mecánicos activos. Estos sistemas se dividen en dos categorías: extracción y presurización. Cada uno de estos sistemas tiene su aplicación, y ambos pueden ser medios muy eficaces de proteger a los ocupantes del edificio de la exposición a los productos de la combustión, pero las características del edificio determinarán qué tipo de sistema es el adecuado.

Los grandes espacios abiertos, como galerías y atrios, tienden a exponer a todos los ocupantes a un mismo entorno y a las mismas amenazas. Como aprendimos en el incendio del MGM Grand, un fuego originado en el atrio del casino de un hotel tiene potencial suficiente para poner en peligro no solo a las personas de las inmediaciones del incendio, sino también a aquellas situadas muchos pisos por encima. El peligro potencial es aún mayor cuando el casino forma en realidad parte del atrio. En estos grandes espacios abiertos, no acostumbra a ser práctico tratar de contener el humo en la zona de origen del fuego, puesto que no hay paredes, pero puede controlarse el humo mediante un sistema de extracción mecánica.

Extraer el humo de grandes espacios no es tan simple como colocar un gran extractor de aire en el techo y confiar que pueda igualar el ritmo al que se produce el humo. El diseño de un sistema de extracción de humo requiere de un análisis exhaustivo que tenga en cuenta la geometría del espacio, la carga de combustible (la magnitud esperada de un incendio en el espacio), los medios de introducir aire de repuesto para rellenar el gas que se elimina por los extractores y los efectos del movimiento del aire sobre los componentes de las salidas adyacentes. El IBC establece, para los sistemas de control de humo por extracción, el objetivo de mantener la capa de humo por lo menos 1,83 metros por encima del nivel de circulación más alto del atrio. Así como el IBC se utiliza para determinar cuándo se requiere un sistema de control de humo, la Norma para sistemas de control de humo NFPA 92 proporciona orientación sobre cómo lograr este objetivo. El Manual de Ingeniería de Control de Humo proporciona una amplia información sobre el control de humo que puede ser de utilidad para los diseñadores. Este manual ha sido publicado conjuntamente por ASHRAE, el International Code Council, la NFPA, y la Sociedad de Ingenieros de Protección contra Incendios de los Estados Unidos.

Como diseñar un sistema eficaz

Figura 3: Se colocan difusores de aire alrededor de la base de un gran atrio cónico. Estos difusores de aire se colocan estratégicamente para controlar el movimiento del humo y ayudar a eliminarlo de la parte superior del atrio. Cortesía de: H&A Architects & EngineersEl diseño de un sistema de evacuación de humo por extracción eficaz empieza con un análisis adecuado del uso del espacio y de los contenidos previstos del espacio. Este importante paso establece el posible tamaño y ubicación de un fuego en ese espacio, lo que permite calcular las previsiones de las tasas de crecimiento y de producción de humo. Puesto que el desarrollo de estos parámetros establece las bases para el cálculo y el diseño del sistema, se requiere de una gran experiencia y de conocimientos técnicos. Subestimar el contenido energético o la velocidad de combustión de la carga de combustible puede dar lugar al diseño de un sistema incapaz de extraer el humo lo suficientemente rápido como para mantener un ambiente sostenible, mientras que sobrevalorar el contenido energético o la velocidad de combustión de la carga de combustible dará lugar al diseño de un sistema innecesariamente costoso, complejo o con un consumo de energía desproporcionado.

Aunque el hecho de sobrevalorar el sistema de control de humo pueda parecer una forma inocua de asegurarse de que el diseño cumple con su cometido, deben tenerse en cuenta algunos importantes problemas funcionales y de costes. Un diseño sobrevalorado generalmente conlleva que los extractores sean más grandes o más numerosos de lo necesario. Las implicaciones inmediatas en relación con el coste son obvias: a más extractores, mayor coste. Pero estas implicaciones van más allá del coste inicial de los extractores. El coste total del exceso de capacidad incluye también las canalizaciones adicionales asociadas a los extractores, los refuerzos adicionales instalados en techos, el cableado adicional y la capacidad de generación de energía de reserva añadida necesaria para abastecer la demanda eléctrica adicional. Asimismo, debe preverse el aire de repuesto adicional requerido para el exceso de extracción. El aire de repuesto adicional puede proporcionarse simplemente automatizando el funcionamiento de las puertas o ventanas exteriores, pero puede requerir de la incorporación de ventiladores y conductos para garantizar un volumen suficiente de aire.

Determinar la cantidad adecuada y la ubicación de los extractores, la ubicación y el método de provisión de aire de repuesto y la secuencia de activación del sistema de control de humo requiere de una coordinación entre el IBC y la NFPA 92. Como ya se ha indicado, el IBC dicta dónde se necesita un control de humo y prescribe ciertas funciones y características del sistema, pero la NFPA 92 proporciona una orientación detallada sobre el cálculo de la columna de fuego, las tasas de producción de humo y los requisitos de extracción. Estos métodos de cálculo son el resultado de muchos años de investigación, observación y análisis. Aunque funcionan bien para geometrías simples, presentan deficiencias cuando se aplican a geometrías más difíciles y espacios verticales no uniformes. Aquí es donde el modelado de dinámica de fluidos computacional (CFD) adquiere un valor incalculable.

Modelado y simulación

El modelado CFD permite al ingeniero construir un modelo por ordenador del espacio para simular diferentes escenarios de incendio que pueden utilizarse para optimizar el diseño. El ingeniero puede ejecutar el modelo con diferentes tamaños y ubicaciones del fuego, así como modificar las tasas y la ubicación de los flujos de extracción y de reposición de aire. Aunque pueda sonar sencillo, es un proceso que lleva tiempo, ya que estos modelos necesitan muchos datos y puede llevar desde horas hasta días ejecutar un solo escenario. Puesto que el tiempo es siempre un obstáculo en el proceso de diseño, el ingeniero puede utilizar las ecuaciones de la norma NFPA 92, junto con conocimientos sobre el flujo de aire y el desarrollo del humo obtenidos de experiencias pasadas, para construir el modelo inicial que servirá como punto de partida razonable antes de ser ajustado y modificado para optimizar el diseño del sistema.

Un sistema optimizado no solo mantendrá la capa de humo a más de 1,83 metros por encima del nivel de circulación más alto; también debe reducir al mínimo los costes iniciales y continuos, minimizar el consumo de energía, y tener en cuenta la facilidad de mantenimiento y la fiabilidad. No puede valorarse simplemente si el sistema cumple con los requisitos de los códigos aplicables, sino que también debe tener en cuenta las necesidades del propietario y de los usuarios del sistema.

Si no puede lograrse el control del humo por medio del método extracción, hay que valorar otras alternativas. Por ejemplo, si el nivel de circulación más alto en una prisión tiene un techo de solo 2,5 m, no es factible suponer que un sistema de extracción logrará mantener una capa de humo de menos de 60 centímetros de espesor (es decir, más de 1,83 m por encima del nivel de circulación más alto). En su lugar, es más práctico confinar el humo en la zona de origen del fuego y proteger a los que están en los alrededores de la migración del humo. Esto se puede lograr mediante la presurización.

El uso de la presurización

Figura 4: En el atrio de cristal del Museo Nacional del Cuerpo de Marines de los Estados Unidos, la introducción de los extractores no disminuyó el atractivo estético del edificio. Cortesía de: H&A Architects & EngineersSi se origina un incendio en el área común de un ala de una prisión sin un sistema de control de humo, es posible que el humo migre de la zona de origen del fuego y afecte a los ocupantes de toda la prisión. El método de control de humo por presurización minimiza la migración del humo creando una presión relativa más baja en la zona de origen, de manera que el flujo de aire a través de posibles aberturas no protegidas se dirige hacia la zona de origen del fuego, evitando así que el humo escape. Este enfoque puede adaptarse con eficacia a pequeños grupos de celdas para evitar que el humo de un incendio en una celda afecte a los ocupantes de los grupos de celdas vecinos.

En una prisión del norte de Virginia, tanto los detectores de humo como el sistema de climatización y los sistemas de control de humo fueron diseñados para tratar cada ala como una agrupación de cinco áreas distintas: la zona común del centro y cuatro grupos distintos de celdas (planta baja este, planta baja oeste, piso superior este y piso superior oeste). El sistema de presurización se programó para reducir la presión relativa en la zona de origen del fuego dentro del ala, y a la vez reducir la presión relativa de la totalidad del ala con respecto al resto del edificio. Por ejemplo, un incendio originado en una celda del piso superior este haría que el sistema de climatización rebajase el subministro de aire y aumentase la extracción de esa zona, a la vez que disminuiría la presión general del ala. Así se contendría de manera efectiva el humo en el piso superior este. Las pruebas realizadas demostraron que este método, de hecho, detenía el humo en la célula individual donde se situaba el origen del fuego.

No es suficiente con crear una presión negativa en la zona de origen del incendio con respecto a las zonas de los alrededores; también hay que considerar los efectos de la diferencia de presión en las puertas de salida. Las diferencias de presión mínimas se indican en la norma NFPA 92, pero la presión máxima debe deducirse de las fuerzas máximas de apertura permitidas por el IBC o la NFPA 101: Código de seguridad personal La ecuación 909.1 del IBC permite calcular el diferencial máximo de presión de una puerta según las dimensiones de la puerta y la fuerza máxima permitida para abrir la puerta (que pueden encontrarse en el propio IBC).

F=Fdc +K(WA∆P)/2(Wd)

Donde:

A= Área de la puerta, metros cuadrados (m2)

d= Distancia del pomo de la puerta hasta el borde del cerrojo, en metros (m)

F= Fuerza total de apertura de la puerta, newtons (N)

Fdc= Fuerza necesaria para superar los dispositivos de cierre, newtons (N)

K= Coeficiente 5,2 (1,0)

W= Ancho de la puerta, en metros (m)

∆P= Diferencia de presión del diseño, pascales (Pa)

En el cálculo del flujo de aire y de las presiones para el diseño de un sistema de presurización, el ingeniero debe valorar las tasas de fuga de aire a través de paredes, ventilaciones, ventanas, etc. Debido a la complejidad de los sistemas, su interacción con los sistemas de zonas adyacentes y con posibles fugas de aire, no es raro que los sistemas requieran de ajustes durante su puesta en marcha. Mantener el diferencial de presión en las puertas entre los límites mínimo y máximo puede ser un equilibrio muy delicado, pero con una buena planificación es factible.

Si bien no existe una solución única para el control de la migración del humo, los métodos de extracción y presurización han demostrado ser eficaces, y los modelados CFD permiten mejorar día a día el diseño de estos sistemas.

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