Caso de estudio sobre un diseño basado en el rendimiento de un sistema de control de humo en centros de detención
Por el Ing. Steven Dannaway
Un proyecto recientemente diseñado ofrece la oportunidad de evaluar factores generales que llevan a diseñar sistemas de control de humo basados en el rendimiento en centros de detención. El sistema en cuestión está instalado en un centro de detención de Columbia, Carolina del Sur, y fue diseñado bajo el Código de Construcción Internacional de 2015. Los elementos del proyecto que requerían de control de humo eran cinco unidades de alojamiento de dos pisos, una enfermería y un pasillo de circulación central. Tres de las unidades de alojamiento tenían dos niveles de celdas abiertos entre sí, con un balcón para el nivel superior. Las demás unidades de alojamiento estaban compuestas por dos niveles de pisos interconectados por una abertura vertical en uno de los extremos de la unidad. La enfermería y el pasillo central eran de un solo piso.
El proyecto aplicó el método de extracción como base del diseño del sistema. Era necesario usar una metodología de diseño basado en rendimiento con Simulador de Dinámica de Incendios (FDS, por sus siglas en inglés) para analizar los criterios de sostenibilidad debido al tamaño limitado del compartimiento y la falta de un depósito de humo de tamaño considerable.
Carga combustible e incendios de diseño
El centro proporcionó información sobre los materiales combustibles de la sala de estar y las pertenencias que los residentes podían tener. Las pertenencias –ropa, elementos de higiene, material de lectura, etc.—debían entrar en un armario de metal de 25 pies3. Se realizan inspecciones diarias y se confiscan las cosas que no entran en el armario. Los residentes también pueden tener otros elementos personales, como varios pares de zapatos, colchones/ropa de cama ignífugos, contenedores de basura, fotos personales en las paredes, máquinas de escribir, televisores y mobiliario no combustible.
Las salas de estar contienen muebles no combustibles, lavarropas y secarropas, televisores y otros materiales combustibles transitorios.
El caso de estudio provocó incendios con combustible controlado y crecimiento en t2, con una tasa de generación de calor pico sostenida (~650 kW) en las salas de estar con cielorraso de doble altura. La tasa de generación de calor pico se basó en la carga combustible disponible en una celda individual menos el colchón/ropa de cama. Se asumió que sería poco real que los residentes fueran a arrastrar sus colchones hasta la sala de estar al iniciarse el fuego y antes de la intervención del personal de seguridad.
Para las áreas de un solo nivel, el caso de estudio utilizó fuegos t2 controlados por rociadores institucionales de respuesta rápida de 165°F. La altura de los cielorrasos era de entre 9 y 10 pies, con una distancia entre rociadores de 12´x 10´ (tasa de generación de calor pico ~475–500 kW). En una de las celdas, la curva de la tasa de generación de calor del incendio de diseño se determinó mediante la superposición de diferentes curvas de generación de calor obtenidas de datos de pruebas de incendio para materiales combustibles similares a los que se encontraban en la celda (tasa de generación de calor pico 600 kW a los 150 segundos, disminución a 400 a los 220 segundos, sostenida entre 300 y 400 kW durante el resto de la simulación). Cada elemento del edificio tenía un diseño arquitectónico diferente; por lo tanto, fue necesario realizar un análisis por separado para cada elemento.
Características de los ocupantes y procedimientos de emergencia
El centro proporcionó información sobre sus procedimientos de evacuación de emergencia. De acuerdo con su experiencia y sus protocolos, dijeron que el personal tardaba 2 minutos en investigar un incendio después de la notificación inicial de la alarma en el Control Central. El personal adicional tardaba hasta 2 minutos en responder al lugar del incendio y aproximadamente 4 a 6 minutos en evacuar la unidad de alojamiento donde se originó el incendio. Esto da como resultado un tiempo de evacuación de 8 a 10 minutos desde la recepción de la alarma.
Aplicando un factor de seguridad de 1,5, como lo indica el Código de Construcción Internacional, se calculó que el tiempo de salida sería de aproximadamente 15 minutos a partir de la detección del incendio, por lo que el caso de estudio aplicó una duración del control del humo de 20 minutos.
Otras de las cosas que se tuvieron en cuenta fueron, por ejemplo, que los residentes y el personal seguramente estarían familiarizados con el diseño del lugar, la posibilidad de que haya residentes durmiendo o con problemas de salud (en la enfermería) y que no haya restricciones importantes o requisitos de seguridad que puedan limitar la movilidad de los ocupantes (además de las puertas cerradas de las unidades).
Carga combustible e incendios de diseño
La altura limitada de los cielorrasos y la falta de un depósito de humo de tamaño considerable fue un problema para obtener índices de flujo de aire adecuados e introducir aire de reposición en el espacio. (Este proyecto utilizó extracción mecánica y aire de reposición).
- Por las diferentes configuraciones arquitectónicas, las distintas zonas de humo tuvieron diferentes mecanismos de extracción y aire de reposición.
- Por la limitación del tamaño del depósito de humo, se colocaron múltiples puntos de extracción a lo largo del cielorraso (cantidad mínima de puntos de extracción)
- Se introdujo el aire de reposición por encima de la capa de humo a nivel del cielorraso en varias instancias o en el espacio a una mayor velocidad de aire (entre 400 y 1.000 pies por minuto). El uso del FDS fue crítico para sustanciar ambos métodos.
- En varios casos, se necesitaron puntos de extracción en el nivel inferior de una unidad de alojamiento. Cuando, por restricciones de diseño, no se podían colocar los ductos de extracción sobre la loza, estos se colocaron por debajo de la loza para llegar a estas áreas.
Carga combustible e incendios de diseño
Para la visibilidad, el estudio utilizó un criterio pasa/falla de 4 metros (es común usar 4 o 5 metros en centros de detención). Se supone que los residentes y el personal de las áreas de detención están familiarizados con la geometría del edificio como un lugar de residencia/trabajo, y el personal tiene la responsabilidad de asistir a los residentes durante una evacuación.
Para la exposición a la temperatura, el proyecto usó un criterio pasa/falla de 65°C.
Las autoridades competentes (AHJ) exigieron un análisis riguroso de la exposición a gases tóxicos que incluyó la concentración de CO, HCN y CO2 (la hiperventilación genera una mayor absorción de CO y efectos asfixiantes); la disminución del O2; dosis fraccional efectiva (FED) a través del FDS, y concentración fraccional irritante (FIC) a través del FDS. Las mediciones de la FED y FIC consideran los efectos combinados del CO, HCN, NO2 y gases irritantes, los efectos de hiperventilación del CO2 y la disminución del O2.
El modelo de Química Simple en el FDS no es compatible con productos derivados de la combustión, además del CO2, CO, H2O y el hollín. El rendimiento del producto para el CO, CO2, NO2, HCN, HCl, acroleína y formaldehído se debió definir para modelar la reacción de la combustión usando múltiples reacciones químicas presentadas en el FDS para obtener datos de la FED y la FIC. Uno de los desafíos del análisis toxicológico detallado es la obtención de datos de rendimiento precisos para los productos derivados de la combustión menos prominentes como el HCN, NO2 y los gases irritantes.
Conclusión
El particular entorno de seguridad de los centros de detención presenta la oportunidad de usar una metodología de diseño basado en el rendimiento para el diseño del sistema de control de humo. El modelado por computadora, como el FDS, puede ser una herramienta analítica muy valiosa para tratar algunos de los problemas y diseñar un sistema de control de humo exitoso para los centros de detención. (Se deben tener en cuenta la presencia de otros posibles elementos no mencionados en este artículo, dependiendo de las diferentes condiciones del proyecto).
El Ing. Steven Dannaway trabaja para Coffman Engineers, Inc.