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La base de datos de calorimetría de incendios del NIST: un recurso para los ingenieros de protección contra incendios

Por Matthew Bundy, PhD

El tamaño del fuego, la tasa de crecimiento y la tasa de producción de humo que resultan de materiales en combustión reales son importantes para los ingenieros y científicos en protección contra incendios. El tamaño de un incendio, cuantificado como la tasa de liberación de calor (HRR), generalmente se mide en kilovatios (kW). Hay muchas formas de determinar el tamaño del fuego, pero un método versátil y preciso es capturar todos los productos de la combustión de un fuego usando una campana extractora estilo dosel y medir la cantidad de oxígeno que consume el fuego. Este método se basa en la observación de que para una amplia gama de materiales combustibles, la energía térmica producida por un incendio es proporcional a la masa de oxígeno que consume [1]. La calorimetría del consumo de oxígeno se ha adoptado ahora ampliamente como una herramienta para estudiar incendios y desarrollar materiales con un mejor comportamiento frente al fuego [2]. Los dispositivos de escala de banco como el calorímetro de cono (ASTM 1354 e ISO 5660) y los calorímetros grandes de dosel abierto (ASTM 2067, ISO 9705 e ISO 24473) utilizan esta metodología.

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     Figura 1: Dibujo esquemático de un calorímetro de consumo de oxígeno a gran escala [4].

El Laboratorio Nacional de Investigación de Incendios (NFRL) ubicado en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Gaithersburg, MD [3] tiene cuatro calorímetros de fuego y puede realizar mediciones de calorimetría para incendios de hasta 20.000 kW y estudiar los efectos del fuego en múltiples -Estructuras de la historia. Bryant y Bundy [4] describen en detalle el laboratorio, las campanas extractoras, la instrumentación, los métodos de medición y el análisis de incertidumbre.

La base de datos de calorimetría de incendios (FCD) del NIST [5], lanzada en diciembre de 2020, es un recurso público en línea que contiene los resultados de los experimentos con incendios realizados en el NFRL. El FCD contiene experimentos que varían en escala, desde pequeños elementos individuales hasta habitaciones completamente amuebladas. Cada experimento contiene documentación detallada sobre la metodología y la incertidumbre como se describe en un informe revisado por pares. El conjunto de datos publicados inicialmente consiste en datos aumentados de video, imágenes, gráficos y datos tabulados de más de 180 experimentos. Otros 200 experimentos de proyectos en curso están listos para su publicación pendiente de revisión y se espera que la base de datos crezca cada año. Cada experimento se describe con metadatos y cálculos dependientes del tiempo basados en docenas de sensores de medición y parámetros de entrada, cada uno con incertidumbre cuantificada.

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Figura 2: Instantánea de un video en la base de datos que muestra el flashover de una habitación amueblada 6 minutos después del encendido [6].

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Figura 3. Gráficos de datos de muestra para la prueba de flashover en la habitación con marcadores de eventos anotados. 1-Encendido, 2-Flashover, 3-Arranque de supresión de la manguera de agua 4-Salida de incendio 5-Habitación despejada [6].

El NIST FCD tiene varios usos potenciales. Además de la tasa de liberación de calor, la base de datos proporciona otras propiedades del fuego, como los rendimientos de hollín y monóxido de carbono. Se puede utilizar para seleccionar "incendios de diseño" como entrada para modelos predictivos avanzados o cálculos de ingeniería simples. Los modelos computacionales de campo o los modelos de zona pueden requerir velocidades de combustión prescritas para una aplicación determinada, y hay datos limitados disponibles sobre elementos de combustión reales. Estos datos se pueden utilizar para desarrollar materiales con un mejor comportamiento frente al fuego. El NIST FCD ha demostrado ser una herramienta útil para que los investigadores planifiquen experimentos futuros y compartan los resultados con las partes interesadas.

La base de datos contiene varias características únicas. El usuario puede ordenar y navegar a través de una lista de proyectos y experimentos o usar el cuadro de búsqueda para encontrar experimentos basados en una descripción del tipo de combustible, muestra o descripción de la prueba. Cada experimento se puede ver en un video de alta resolución comprimido en el tiempo aumentado con datos y marcas de tiempo. La reproducción de video está comprimida para una fácil visualización, generalmente de menos de 1 minuto de duración. A la tasa máxima de liberación de calor, cada video se muestra en tiempo real durante un período prescrito, generalmente de 5 sa 10 s. Cada evento durante un experimento se marca con una marca de tiempo y se proporciona una instantánea de imagen de video en una tabla. Todos los archivos de datos de video, gráficos, instantáneas de eventos y valores separados por comas (CSV) están disponibles para su descarga.

Figura 4. Instantánea del video del experimento de confirmación con un quemador de tubo de gas natural, que muestra la concordancia entre dos métodos independientes (consumo de combustible y consumo de oxígeno) para determinar la tasa de liberación de calor. [5]

La investigación realizada en el NFRL tiene una amplia gama de objetivos. Estos incluyen el estudio del comportamiento frente al fuego de los materiales, la validación de modelos predictivos, las investigaciones posteriores al incendio, el desarrollo de una nueva metrología contra incendios, el desarrollo de códigos o normas contra incendios o el estudio de la resistencia estructural al fuego. Los resultados de estos estudios llegan a las partes interesadas del proyecto; sin embargo, también pueden tener un valor más allá del objetivo y la audiencia previstos. Por ejemplo, alguien puede estar interesado en la relación entre la altura de la llama y la velocidad de combustión para una amplia gama de combustibles y configuraciones disponibles en proyectos no relacionados.

Los datos de acceso abierto son cada vez más frecuentes y algunas revistas alientan a los autores a publicar datos sin procesar para respaldar los artículos de investigación. Los datos sobre la tasa de liberación de calor disponibles para el público son limitados [7,8] y pueden ser difíciles de descubrir y acceder. El NIST FCD puede servir como modelo para que otras instituciones pongan a disposición de la comunidad de seguridad contra incendios valiosos datos sobre incendios.

Matthew Bundy, PhD está en NIST

 

REFERENCIAS:

  1. Huggett C. Estimación de la tasa de liberación de calor mediante mediciones de consumo de oxígeno. Fire Mater 4:61–65 (1980) https://doi.org/10.1002/fam.810040202
  2. Beyler, C., Croce, P., Dubay, C. et al. Calorimetría del consumo de oxígeno, William Parker: 2016 DiNenno Prize. Fire Sci Rev 6, 1 (2017). https://doi.org/10.1186/s40038-016-0016-z
  3. Bundy, M., Hamins, A., Gross, J., Grosshandler, W., Choe, L., Capacidades experimentales de incendios estructurales en el Laboratorio Nacional de Investigación de Incendios del NIST. Fire Tech. 52. (2016) https://doi.org/10.1007/s10694-015-0544-4
  4. Bryant, R. and Bundy, M. El sistema de medición de calorimetría NIST de 20 MW para la investigación de incendios grandes, nota técnica NIST 2077 , (2019) https://doi.org/10.6028/NIST.TN.2077
  5. Base de datos de calorimetría de fuego NIST (2021) https://doi.org/10.18434/mds2-2314
  6. M. Zammarano, MS. Hoehler, JR. Shields, AL. Thompson, I. Kim, IT. Leventon and MF. Bundy, Experimentos a gran escala para demostrar el riesgo de inflamabilidad de los muebles tapizados residenciales y la mitigación con tela de barrera , NIST Technical Note 2129, (2020) https://doi.org/10.6028/NIST.TN.2129
  7. University of Maryland Burning Item Database http://www.firebid.umd.edu/burning-item-database.php
  8. Babrauskas, Heat Release Rates pp.799-904. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, fifth edition (2016) https://doi.org/10.1007/978-1-4939-2565-0_26

Matthew Bundy está con NIST