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18/05/2017

Modelos informáticos y ensayos de incendio

Artículo técnico de Carlos Garrido, Business Development Manager de COTTES.

En el ámbito de la seguridad contra incendios, existen dos disciplinas fundamentales que son el apoyo técnico para muchas situaciones: los ensayos de incendio y los modelos informáticos de incendio.

Los ensayos de incendio han sido utilizados desde hace muchos años para múltiples objetivos, desde la homologación de equipos a la reconstrucción de siniestros. Por su parte, los modelos informáticos y las simulaciones son una técnica relativamente reciente que ha demostrado su utilidad en control de humos, evacuación, etc.

 

Ensayos de incendio a escala real

Esta técnica es muy reconocida y utilizada, fundamentalmente para la reconstrucción de siniestros de incendio, así como para la representación de escenarios de incendio que permita verificar la utilidad de un determinado sistema de control o extinción.

El ensayo real permite estudiar la evolución de un incendio, desde la ignición hasta la extinción del mismo, de forma que pueda conocerse información derivada del proceso tales como su emisión de energía, la cantidad y composición de los humos generados, valores de temperatura en el establecimiento, niveles de radiación, etc. En definitiva, un ensayo real ofrece la posibilidad de verificar el desarrollo del fuego en diferentes materiales, o en las sucesivas capas que conforman, por ejemplo, una unidad de carga de un almacén.

Otra ventaja interesante de los ensayos a escala real es que permiten observar y estudiar el comportamiento del agua de los sistemas de rociadores. Gracias a esto, los ensayos a escala real son, lógicamente, una excelente herramienta para comprobar el comportamiento ante el fuego de un determinado equipo complejo, y para validar la eficacia de un sistema de extinción bajo esta situación. Por ejemplo, son conocidos los ensayos realizados para la extinción de incendios en transformadores de gran potencia, o los realizados para la selección de sistemas de espuma en grandes tanques de almacenamiento de líquidos combustibles.

Sin embargo, los ensayos a escala real tienen por su parte algunas limitaciones importantes. La más evidente es el coste. Un ensayo real de incendio y extinción requiere de un gran despliegue de medios técnicos, no sólo el propio equipo a ensayar, sino también la instalación del sistema de extinción en un local de condiciones controlables. Por otra parte, y relacionado con ello, el número de ensayos realizables para un determinado caso está muy limitado. No se puede verificar lo que sucede en una determinada situación en la que pueden variar diferentes parámetros, porque el coste implicado es altísimo. Puede probarse, por ejemplo, el comportamiento de un sistema de rociadores automáticos para un tipo de almacenamiento determinado, en una altura determinada. Pero no podrá probarse todas y cada una de las situaciones: alturas de techo, pendientes de techo, existencia o no de obstrucciones, presencia o no de aireadores, distancia entre cargas, configuración del almacenamiento, etc. Como es lógico, el ensayo debe realizarse considerando una casuística estándar, y a partir de dicha situación se establecen los límites de funcionamiento del sistema de extinción (por ejemplo, distancia entre cargas, pendiente máxima, etc.).

Modelización y simulación informática

Los modelos informáticos de simulación de incendios se basan precisamente en la capacidad para reproducir un incendio, ya sea de manera teórica a través de programar la curva de potencia liberada o de manera más ajustada a la realidad a partir de generar los materiales dotándolos de las propiedades físicas y químicas que intervienen durante el proceso de combustión. Cabe destacar que esta última alternativa requiere de un elevado conocimiento de los materiales involucrados y del manejo del programa de simulación.

En función del objetivo que se persiga con la simulación informática puede ser más recomendable una opción u otra.

La gran ventaja que presenta este tipo de estudios es la flexibilidad y la posibilidad de realizar múltiples escenarios a un coste relativamente pequeño. Los obstáculos para comprobar situaciones diferentes en los ensayos reales desaparecen. De este modo las conclusiones que se obtienen del estudio pueden ser tener un mayor rango de cobertura.

Mientras que los ensayos a escala real son muy utilizados en investigación de siniestros y en verificación de sistemas de extinción, las simulaciones informáticas son muy utilizadas en el diseño de los sistemas de control de temperatura y evacuación de humos, así como en los estudios de evacuación de personas y, en general, en ingeniería de incendios.

En lo referido a los estudios relacionados con la evacuación y la seguridad de las personas, resulta muy complicado efectuar ensayos reales de evacuación en presencia de gases tóxicos, o con visibilidad reducida, en especial si se trata de edificios de gran ocupación. En este aspecto, las simulaciones informáticas que revelan el comportamiento de los humos y cómo su presencia afecta a las condiciones ambientales, junto con los programas capaces de resolver la evacuación de las personas a partir de conocer ciertos patrones que influyen en el proceso, suponen una alternativa muy valiosa dentro de ese campo.

En lo relativo al diseño de los sistemas de control de temperatura y evacuación de humos, sería muy complicado tratar de hacerlos a través de sucesivos ensayos reales, por lo que de nuevo la técnica de la simulación, capaz de resolver el movimiento de los humos, aporta un valor indudable. Este es uno de los casos en lo que resulta más interesante la aplicación de un incendio por curva de potencia programada, de forma que se pueda evaluar la eficiencia de la instalación ante un incendio que genera una cantidad de humo determinada.

Para la evaluación del comportamiento de las estructuras ante el fuego, la simulación informática aporta también una solución muy eficiente, puesto que los ensayos reales en estos casos son también poco viables, al poder llevar las mismas a su destrucción o a la pérdida de propiedades. Otra de las capacidades de los programas de simulación de incendios es la de calcular la transmisión de calor desde la masa de humos a través de las secciones de los elementos estructurales. De esta forma puede determinarse si el elemento en cuestión va a sufrir una pérdida de estabilidad o incluso llegar a colapsar.

Adicionalmente, los programas de simulación de incendios incluyen la opción para generar un modelo de rociador con gran precisión, indicando multitud de sus características tales como la temperatura de tarado del fusible, el factor K, la presión de funcionamiento e incluso definir el diámetro de las gotas que libera y la forma del cono de agua que genera. Esta posibilidad junto con la capacidad de programar un incendio por materiales abre la posibilidad de complementar los ensayos reales para estudiar la eficacia de los sistemas de rociadores. De la misma forma, podrían emplearse curvas de incendio programadas para obtener información de esta instalación que no se encuentre directamente relacionada con la capacidad de extinción de la misma, como por ejemplo el instante de activación del primer rociador en diferentes situaciones de distancia a la cubierta o pendiente de la misma.

La modelización y simulación de incendios requiere un estudio muy exhaustivo de los escenarios de incendio y de los parámetros de entrada al software. En especial, tal como se indicaba anteriormente, las simulaciones de incendio por materiales requieren de un gran esfuerzo de modelado y los errores de entrada pueden llevar a resultados muy diferentes a la realidad. Es posible por tanto obtener resultados poco precisos si no se dispone de todos los datos y se realiza la modelización exhaustiva.

 

Combinación de ensayos y simulaciones

Como consecuencia de todo lo anteriormente explicado, la mejor opción es, sin duda, aprovechar las ventajas de ambas aproximaciones para obtener resultados mejores y de mayor precisión.

Mientras que la modelización de incendios por materiales tiene gran dificultad en la entrada de datos, es posible utilizar ensayos reales para obtener determinadas propiedades de los materiales ante el fuego, que sean aplicables a ensayos de diferente magnitud. Valores como temperatura real de ignición, tasa de pérdida de masa por pirólisis, radiación, emisión de energía, etc., pueden ser tomados de ensayos reales y aplicados a modelos informáticos.

Por tanto, y a pesar de sus diferencias, su uso combinado puede ayudar a obtener resultados mucho más precisos, con más escenarios de incendio, y que además aporten soluciones para verificación de sistemas, investigación de siniestros, diseño de control de humos, evacuación, etc. 

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