Cómo evitar la propagación del fuego por la fachada de los edificios altos utilizando las pruebas de incendio correctas 

Por Gaurav Agarwal, Richard Davis, y Yi Wang

En los últimos tiempos, se ha visto una oleada de materiales de construcción nuevos que optimizan la eficiencia energética, la resistencia climática y la estética de los edificios altos. Desafortunadamente, estos productos pueden ser combustibles y han generado varios casos de incendios graves.^1-2

Los ensambles de paredes hechas con materiales compuestos de aluminio o metal (ACM/MCM) son ejemplos de estos materiales de construcción combustibles. Estos revestimientos pueden contener numerosos componentes combustibles, como los revestimientos de ACM, la aislación continua (AC) o la barrera impermeable (BI), que se muestran en la Figura A. Estos revestimientos se caracterizan por tener una cavidad de aire para facilitar el drenaje del agua de lluvia y la ventilación de la fachada detrás del revestimiento. Y aquí surge la pregunta de si los códigos de construcción han sido adaptados para contemplar los peligros de incendio reales que presentan estos ensambles de paredes.

Escenarios de incendio y códigos de construcción

Para un ensamble de pared exterior con cavidad de aire, el sistema debe poder resistir correctamente a dos escenarios de incendio:

• (a) Una exposición directa del sistema de revestimiento al fuego, que puede darse ya sea por penachos de fuego que salen de una ventana, como en un incendio compartimental post-combustión (ej. el incendio de Grenfell, Londres, RU, 2017),² o un incendio exterior causado por elementos combustibles que están fuera del edificio, como un contenedor de basura, un vehículo, un balcón, etc. (ej. Knowsley Heights, RU, 1991; Munich, Alemania, 1996; Dijon, Francia, 2010; Grozny, Rusia, 2013; Torre Antorcha, Dubái, 2017; Estambul, Turquía, 2018).³ Un escenario extremo de una fuente de incendio externa también puede ser una explosión en la ciudad (después de un terremoto) o un incendio en el límite entre una zona rural y una urbana.

Para este escenario, la mayoría de los códigos de construcción usan una prueba de incendio a gran escala para simular un incendio post-combustión y determinar la resistencia al fuego de un ensamble de pared. A pesar de que los eventos de incendios exteriores son severos por naturaleza y altamente relevantes en términos estadísticos, la mayoría de los códigos de construcción no incluyen una prueba de incendio que simule estos peligros. Por ejemplo, la prueba de incendio NFPA-285 utilizada en el IBC dice explícitamente que solo contempla los incendios post-combustión de origen interior. Dado que la mayoría de los edificios altos modernos tienen rociadores, estadísticamente es mucho menos probable que se produzca un incendio post-combustión que un incendio exterior. Por lo tanto, se necesita una prueba sólida que pueda evaluar realísticamente el peligro de los incendios exteriores severos.

• Un incendio que pueda iniciarse o penetrar en el espacio oculto de la cavidad de aire dentro del sistema de revestimiento y se propague por los componentes combustibles. Algunas posibles fuentes de ignición para este escenario son las chispas provocadas por soldaduras, incendios eléctricos, brasas que vuelan, etc.; y la penetración del fuego en el espacio de la cavidad a través de una ventana u otras aberturas mal protegidas, como ventilaciones sanitarias o de sistemas de climatización. Por ejemplo, el incendio del hotel Water Club de Atlantic City, Nueva Jersey, EE.UU.,³ de 2007 se produjo por la caída de chispas de soldaduras desde el techo que ingresaron en la cavidad de aire de su fachada y prendieron fuego la aislación continua expuesta. Como la fuente está oculta, estos incendios dentro de las cavidades de aire pueden ser indetectables hasta que se vuelven incontrolables.

Los códigos de construcción actuales no tienen una prueba de incendio apropiada que replique la instalación final de los sistemas de revestimiento con cavidad de aire y ofrezca una protección contra dichos peligros de incendio.

Pruebas de incendio en fachadas y severidad relativa

La severidad relativa ya sea de los incendios post-combustión o exteriores se define en términos del flujo de calor ejercido sobre la fachada exterior. Una prueba de incendio sólida aplicaría un flujo de calor lo suficientemente alto para revelar las vulnerabilidades del sistema de pared, como se espera en un escenario de incendio real. En el mundo, existen numerosas pruebas de incendio de fachada a gran escala,³ y su exposición al flujo de calor va de solo 40 kW/m² en la prueba NFPA-285 hasta 110 kW/m² en la prueba ANSI/FM 4880, como se muestra en la Figura B.

Varios estudios^4-8 han demostrado que el flujo de calor hacia una fachada de una sola pared en el orden de 40 kW/m² no es representativo de un peligro de incendio post-combustión real; en cambio, la exposición a un flujo de calor de 70–80 kW/m²es más realista. Otros estudios^9-10 han demostrado que el flujo de calor hacia fachadas de una sola pared puede superar los 100 kW/ m² si el interior tiene una carga combustible alta. La investigación de Oleszkiewicz⁹ muestra que, si hay un rincón cerca de una ventana, los flujos de calor podrían llegar a ser de 150 kW/m², debido a la re-radiación de la pared adyacente. De modo similar, Alpert y Davis¹¹han demostrado que los flujos de calor en escenarios de incendios en rincones provocados por incendios exteriores están en el orden de los 110 kW/m². Por lo tanto, los flujos de calor superiores a los 100 kW/m² ofrecen una representación más realista de estos peligros de incendio, independientemente de que la prueba simule un incendio exterior o un incendio post-combustión.

Estudio reciente con ANSI/FM 4880

Recientemente, FM Global utilizó la norma ANSI/FM 4880 para realizar un estudio¹² con el fin de examinar los peligros de incendio de los ensambles de paredes de ACM. Tradicionalmente, la norma ANSI/FM 4880 se basó en pruebas de incendio en rincones de 25 y 50 pies de altura; en estas pruebas, se utiliza una fuente de incendio de madera para ejercer un flujo de calor de 110 kW/m² sobre la superficie de las paredes y se mide la extensión de la propagación del fuego. Desde los años 90, se han estado realizando estudios para desarrollar una nueva prueba que se correlacione con las pruebas de rincón y sea comparativamente más económica. Fue así como se desarrolló la prueba de paneles paralelos de 16 pies de altura¹³ y se incluyó en la norma ANSI/FM 4880 como alternativa a las pruebas de incendio en rincones.

La prueba consiste en dos paneles de pared de 16 pies de alto por 3,5 pies de ancho montados en paralelo con una separación de 1,75 pies; las medidas y la colocación de los dos paneles paralelos se diseña cuidadosamente para atrapar correctamente el calor convectivo y lograr el mismo factor de vista de radiación que con las pruebas de incendio en rincones. Usando un quemador de arena de propano se emite un flujo de calor de 110 kW/m² hacia la parte inferior de ambos paneles y se coloca todo el ensamble bajo el control de un calorímetro para medir la tasa de generación de calor con resolución temporal. La teoría de propagación vertical de las llamas y los resultados experimentales muestran que la tasa de generación de calor pico se correlaciona con el alcance de la propagación de las llamas y puede ser utilizada como medida confiable y como un criterio pasa/falla objetivo de la prueba.¹³

El método de la prueba de paneles paralelos de 16 pies fue utilizado en este estudio para evaluar los ensambles de ACM. Los ensambles testeados fueron construidos con diferentes combinaciones de productos de ACM, aislación continua y barrera impermeable. La Figura D muestra los perfiles de tasas de generación de calor para las pruebas de paneles paralelos de 16 pies¹² y los umbrales del criterio satisfactorio en instalaciones sin límite de altura y con un límite de altura de 50 pies, según la norma ANSI/FM 4880. Las pruebas 1 y 3 utilizaron ACMs con interior termoplástico y no superaron la prueba. Las pruebas 4 y 5 usaron ACMs con interior ignífugo, sin aislación continua y superaron la prueba en la instalación sin límite de altura; y las pruebas 6 y 7 utilizaron ACMs con interior ignífugo, con dos tipos de aislación continua combustible y ambos superaron la prueba en la instalación con un límite de altura de 50 pies. Los resultados demuestran que este protocolo basado en la tasa de generación de calor en la prueba de paneles paralelos de 16 pies es un medio objetivo y sólido para evaluar el comportamiento de los ensambles de paredes exteriores en un incendio.

La Figura E muestra la propagación pico del fuego en la Prueba 1 (no superada), Prueba 4 (superada sin límite de altura) y Prueba 6 (superada con límite de altura de 50 pies). El ensamble de ACM de la Prueba 1 definitivamente no superó la prueba de paneles paralelos de 16 pies ya que tuvo una propagación acelerada y las llamas se extendieron a más de 25 pies de altura a los 4 minutos de comenzar la prueba. El mismo ensamble, que ha superado la prueba de incendio de 30 minutos de la norma NFPA-285 con un flujo de calor significativamente inferior de 40 kW/m², puede ser utilizado, según el IBC, para instalaciones altas en los EE.UU. Los resultados de estos estudios [12] demuestran la importancia de usar una prueba de incendio a gran escala con una exposición al fuego realista para evaluar el comportamiento de los ensambles de ACM en un incendio.

Prueba de la pared con cavidad de aire

Actualmente, no existe un consenso sobre las pruebas de incendio que evalúen el peligro de incendio en los espacios ocultos de los ensambles de revestimiento. No obstante, la norma FM 4411 incluye una prueba de incendio de pared con cavidad de aire, que se muestra en la Figura F, y que utiliza dos paneles de 8 pies de alto por 4 pies de ancho. Un panel es el revestimiento y el otro es o bien una aislación continua o una barrera impermeable detrás del revestimiento. Los dos paneles están separados por la profundidad de la cavidad, replicando la instalación final del sistema de revestimiento. Un quemador de propano emite un flujo de calor de 40 kW/m² hacia ambos paneles, que es representativo de los incendios en espacios ocultos. El comportamiento del ensamble del revestimiento se mide a través de la tasa de generación de calor y la propagación del fuego durante las pruebas.

Próximos pasos

Basándose en los resultados de los estudios, recientemente se ha modificado la norma FM 4411 con el fin de incluir dos pruebas de incendio para sistemas de fachadas de paredes con cavidad de aire: la prueba de paneles paralelos de 16 pies de altura con exposición de la fachada a incendios realistas en escenarios tanto de incendio post-combustión como de incendio exterior, y una prueba de pared con cavidad para evaluar el peligro de incendio en los espacios ocultos de los ensambles de revestimiento. Se propondrá la adopción de estas dos pruebas como métodos de prueba en los códigos de construcción correspondientes.

Gaurav Agarwal, Richard Davis y Yi Wang trabajan para FM Global..

Referencias

¹La Torre de Dubái se incendia por segunda vez y nuevamente se cuestiona el revestimiento inflamable. (2017)(2017). https://www.nytimes.com/2017/08/03/world/middleeast/torch-tower-dubai-fire.html. 

²London Fire: A Visual Guide to What Happened at Grenfell Tower. (2017).http://www.bbc.com/news/uk-40301289. 

³White N, Delichatsios MA. (2014). Riesgos de incendio de ensambles de paredes exteriores con componentes combustibles. The Fire Protection Research Foundation, Quincy, MA.

⁴Empis CA. (2010). Análisis de los parámetros de incendio compartimental que influyen sobre la incidencia del flujo de calor en la fachada estructural. Universidad de Edimburgo. 

⁵Hakkarainen T, Oksanen T. (2002). Evaluación de la protección contra incendios de las fachadas de madera. Fire Mater 26 (1):7-27. doi:http://dx.doi.org/10.1002/fam.780.

⁶Mikkola E, Hakkarainen T, Matala A. (2013). Protección contra incendios de los sistemas de aislación térmica externa con poliestireno expandido (EPS ETICS) en edificios residenciales de varios pisos. VTT. 

⁷Peng L, Ni Z. (2016). Estudio experimental de llamas y plumas eyectadas por la ventana sobre muros de cortinas de vidrio. MATEC Web of Conferences 46:05009.

⁸Ondrus J. (1985). Riesgos de incendio de fachadas con aislación térmica adicional aplicada en el exterior. Experimentos a gran escala. LUTVDG/TVBB-3021-SE 3021.

⁹Oleszkiewicz I. (1990). Exposición de paredes exteriores al fuego y propagación de llamas en revestimientos combustibles. Fire Technol 26 (4):357–375. doi:http://dx.doi.org/10.1007/bf01293079.

¹⁰Su J, Lafrance P-S, Hoehler M, Bundy M. (2017). Pruebas de incendio en compartimentos de madera laminada para estudiar los desafíos de la protección contra incendios de los edificios de madera altos - Fase 2 NRC, Canada and NIST, USA. 

¹¹Alpert RL, Davis RJ. (2002). Evaluación del riesgo de incendio de los sistemas de aislación y acabado exterior para aplicaciones comerciales. J Fire Prot Eng 12 (4):245–258.. doi:http://dx.doi.org/10.1106/1042391031317.

¹²Agarwal G. (2017). Evaluación del comportamiento de los ensambles de material compuesto de aluminio (ACM) usando la norma ANSI/FM 4880. FM Global, Norwood, MA. doi:https://www.fmglobal.com/research-and-resources/research-and-testing/research-technical-reports.

¹³Nam S, Bill RG. (2009). Nueva prueba de incendio de escala intermedia para evaluar la inflamabilidad del material de construcción. J Fire Prot Eng 19 (3):157–176. doi:http://dx.doi.org/10.1177/1042391508101994.