¿Qué pasa si los incendios en los aparcamientos se desarrollan más rápido de lo que pensamos?
Por Wojciech Węgrzyński, PhD FSE
Siempre me ha fascinado la seguridad contra incendios en los aparcamientos. Los diseños generales, las soluciones técnicas y las cargas de combustible suelen ser los mismos, por lo que los aparcamientos parecen muy similares (y aburridos). Sin embargo, los detalles de la arquitectura y sus características de ventilación conducen a la aparición de patrones de flujo demasiado complejos, al desarrollo de incendios impredecibles y a la propagación del humo. Esto hace que cada aparcamiento sea un desafío verdaderamente único a la hora de ofrecer seguridad a sus usuarios. Ya hemos abordado esta notable diversidad en el pasado, centrándonos en el rendimiento de los sistemas de ventiladores de chorro [1].
En los últimos años, Europa ha sido testigo de una serie de grandes incendios (Liverpool, Reino Unido (2017); Cork, Irlanda (2018); Stavanger, Noruega (2019); Varsovia, Polonia (2020)) que llevaron la seguridad contra incendios de los aparcamientos a la punto de la discusión pública sobre la seguridad una vez más. Además, nos acercamos a lo desconocido: los vehículos de combustible nuevos presentan desafíos a los que no nos habíamos enfrentado en el pasado [2]. Algunos países ya han prohibido los vehículos eléctricos (VE) en los aparcamientos cerrados por falta de conocimiento. Pero, ¿seguirá siendo una estrategia viable una vez que los vehículos eléctricos se vuelvan frecuentes? En lugar de prohibir, debemos aprender a gestionar y mitigar el riesgo. Será un desafío aún mayor para los países sin una cultura de rociadores, como Polonia.
La seguridad contra incendios de los aparcamientos se diseña comúnmente con el uso de métodos de diseño basados en el rendimiento, y en el corazón de cada análisis de este tipo se encuentra el incendio de diseño. La descripción de un incendio de diseño parece sencilla para oficinas o almacenes; generalmente asumimos alguna función cuadrática de crecimiento en el tiempo, a menudo descrita como el incendio "αt²". Dejamos que el fuego se desarrolle hasta que consuma todo el combustible, quede limitado por el oxígeno disponible o se extinga. En los aparcamientos, sin embargo, el desarrollo del incendio de un solo vehículo no vuelve a ensamblar una función de crecimiento tan simple, Figura 1. Al observar los resultados de múltiples experimentos con incendios en todo el mundo, puede notar que el tamaño del incendio del vehículo cambia significativamente después ciertos eventos - rotura de las ventanas del compartimiento de pasajeros, falla del tanque de combustible o en el caso de los vehículos eléctricos - falla de la batería. Tales eventos ocurren en diferentes momentos, y no podemos excluir que ocurrirán muy temprano en el incendio, como se ve en videos virales de incendios de vehículos eléctricos. En consecuencia, el crecimiento de la HRR puede ser rápido y el fuego puede alcanzar en breve la HRR máxima de un evento en particular.
Figura 1. HRR medida en el experimento de fuego TNO [3], Las flechas indican los eventos en el experimento que fueron seguidos por un cambio repentino en la HRR del fuego.
No significa necesariamente que el HRR crecerá a un valor muy grande, especialmente en los aparcamientos con riego por aspersión. De hecho, en nuestra investigación, nos centramos en los incendios pequeños , con sus HRR máximas entre 0,25 y 1,50 MW, que se pueden comparar directamente con los incendios de diseño que se utilizan comúnmente en la actualidad. Nuestra suposición era modelar incendios que crecen desde cero hasta el pico de HRR en 30 segundos. El escenario de diseño de referencia fue el incendio TNO descrito por la norma holandesa NEN 6098 [4]. Hemos comparado la cantidad total de calor (y humo) liberada de todos los escenarios dentro de los primeros minutos del incendio, lo que representa la fase de evacuación. Nuestro fuego con HRR pico = 750 kW libera la misma cantidad de calor en los primeros 4 minutos que el fuego de diseño de referencia. Los incendios con HRR máximas de 1000 - 1500 kW emiten más calor que la referencia, mientras que 250 - 500 kW emiten menos calor que la referencia (Figura 2).
Figura 2. Los fuegos de diseño utilizados en este estudio: la evolución de la tasa de liberación de calor (HRR en kW) y el valor del calor total liberado (THR en MJ)
Una vez definidos los incendios, los hemos colocado dentro de nuestro simulador multiparamétrico de incendios en aparcamientos, cuyos supuestos se dan con más detalle en [5]. La herramienta que hemos creado genera, ejecuta y postprocesa automáticamente simulaciones CFD de aparcamientos con el modelo FDS [6], en base a la altura de entrada y definición de los sistemas de control de humos. El aparcamiento investigado era de 40 x 60 m, y tenía una altura de 2,40 m; 2,70 m; 3,00 m; 3,30 mo 3,60 m. Hemos investigado un aparcamiento con sistemas de ventilación por conductos (3 variantes), sistemas de ventilador de chorro (3 variantes), un aparcamiento abierto y uno sin ningún sistema. En general, hemos realizado 480 simulaciones CFD en el proyecto, y los resultados de 320 que son relevantes para la pregunta de investigación de este documento se discuten aquí. Nos hemos centrado en el análisis de la visibilidad en el humo en los primeros 5 minutos de la simulación, que representa el período de evacuación. Estábamos investigando la rapidez con la que el aparcamiento se llena de humo, cuál es la visibilidad media en el interior y en qué porcentaje del aparcamiento no se cumplen los criterios de sostenibilidad después de cinco minutos.
Primero, hemos visto cómo cambia la visibilidad con el tiempo a lo largo de una línea a través del estacionamiento para tres incendios. Un ejemplo de este análisis para un estacionamiento de 2.70 m de altura sin sistemas de ventilación se muestra en la Figura 3. Se puede observar que la pérdida de visibilidad (color rojo) ocurre tan pronto como entre 50 - 100 s, y para el incendio de 1000 kW, más de la mitad del espacio analizado se llena de humo después de solo 2 minutos. Esto es muy insatisfactorio, ya que en tan poco tiempo, los sistemas de aparcamiento (control automático de humos, aspersores de tubería seca) no podrían reaccionar al fuego. Hemos descubierto que este resultado depende en gran medida de la altura del aparcamiento. En la Figura 4 se puede ver la instantánea de la visibilidad en el aparcamiento después de 3 minutos, para aparcamientos con altura de 2,40 m, 3,00 my 3,60 m, para incendio de 1000 kW. Si bien las condiciones en el aparcamiento más pequeño son insostenibles, la evacuación segura es posible en el mismo escenario en un aparcamiento alto (3,60 m). En general, los resultados no son excelentes, pero ¿son peores que si se analizan con un fuego de diseño tradicional?
Figura 3. Gráficos de espacio-tiempo que presentan los resultados de la medición de visibilidad a lo largo de una línea a lo largo del estacionamiento (eje x) en función del tiempo (eje y). Esta es una representación en 2D de cómo un parámetro (visibilidad) cambia en función del tiempo y el espacio: resultados para escenarios de 500 kW, 1 000 kW y 1 500 kW en un aparcamiento de 2,70 m.
Figura 4. Visibilidad a una altura de 1,80 m sobre el suelo, para un aparcamiento con sistema de ventilación por conductos (17 m³ / s) y la altura de 2,40 m, 3,00 my 3,60 my escenario de incendio de 1000 kW
Para verificar eso, tomamos una instantánea de la visibilidad en el estacionamiento de la simulación CFD con el fuego de diseño de referencia (TNO) y nuestros incendios de rápido crecimiento. Luego hemos restado sus resultados, Figura 5. La figura muestra la diferencia entre los resultados de estas simulaciones después de cinco minutos para un estacionamiento con 2,70 m de altura y un sistema de ventilación por conductos de 34 m³ / s. El color azul indica que la simulación de referencia tuvo peores resultados, y el rojo indica que el rápido crecimiento del fuego conduce a peores resultados. Se puede observar que para los dos primeros incendios, los resultados del caso de referencia son peores, y para el pico de HRR = 750 kW los resultados son los más cercanos entre simulaciones. Lo que no puede ver en la figura estática es la evolución de los cambios: al observar las animaciones transitorias, puede notar que las condiciones para los incendios rápidos son peores, pero las condiciones insostenibles se observan mucho antes que para el diseño tradicional. Especialmente para los incendios más grandes (& gt; 750 kW), los resultados de los incendios de rápido crecimiento fueron significativamente peores. A día de hoy, no tenemos datos confiables sobre los tamaños de los incendios de vehículos eléctricos después de una falla de la batería en una fase temprana del incendio. Teniendo en cuenta los hallazgos de esta investigación, podemos predecir que si dichos incendios tienen más de 750 kW, probablemente sean más desafiantes que los incendios de diseño que se utilizan en la actualidad.
Figura 5. La diferencia entre las simulaciones de fuego de referencia y rápido después de 300 s, el color azul indica menor (peor) visibilidad en el caso de referencia, y el rojo indica menor (peor) visibilidad en el caso de fuego de rápido crecimiento. Simulaciones en un aparcamiento de 2,70 m de altura, con sistema de ventilación por conductos (34 m³ / s)
En la parte final de nuestro análisis, verificamos cómo los sistemas modernos de control de humo cambian los resultados de los incendios. Para ello, investigamos el% de aparcamiento con visibilidad insostenible (menos de 10 m), Figura 6. Primero, hemos notado nuevamente que el cambio de altura tuvo un impacto profundo en los resultados. Además, para los aparcamientos más pequeños (2,40 m de altura) y nuestros incendios más grandes (& gt; 750 kW), las características del sistema de ventilación no importaban realmente: el aparcamiento siempre terminaba lleno de humo. En los aparcamientos más altos, hemos observado una mejora significativa en las condiciones de los aparcamientos ventilados con respecto al caso sin ventilación. Además, las diferencias de rendimiento entre los sistemas particulares de control de humo también fueron sustanciales. Esto confirma que el control de humos es esencial para la seguridad en los aparcamientos, pero no es una cura milagrosa: no se puede mitigar la baja altura del aparcamiento sobredimensionando el sistema de control de humos.
Figura 6. El% del aparcamiento lleno de humo que supera el valor sostenible de visibilidad (aquí elegido como 10 m) para distintas alturas de aparcamiento, sistemas y escenarios de crecimiento de incendios.
Entonces, ¿qué pasaría si los incendios en los aparcamientos se desarrollaran más rápido de lo que pensamos?
Parece que un escenario de incendios de rápido crecimiento es más desafiante que los incendios de diseño que se utilizan actualmente. Tales escenarios pueden representar un incendio de un vehículo eléctrico después de una falla de la batería o un incendio de rápido crecimiento de un vehículo de combustión interna después de la ruptura del tanque de combustible. Como consecuencia de un crecimiento tan rápido del fuego, el estacionamiento puede llenarse de humo rápidamente, incluso antes de que los sistemas de control de humo o de rociadores de tubería seca puedan reaccionar. Los resultados de tales incendios en aparcamientos de baja altura (en nuestro caso, 2,40 m) no fueron satisfactorios. Nuestra investigación ha demostrado que la mejor estrategia de mitigación para incendios de rápido crecimiento es proporcionar una altura suficiente de los aparcamientos (2,70 m +), permitiendo un espacio adecuado para la capa de humo y proporcionando un tiempo de escape más largo. Esta estrategia debe usarse principalmente para aparcamientos donde muchas personas pueden estar presentes simultáneamente (por ejemplo, centros comerciales, estadios deportivos).
Wojciech Węgrzyński trabaja en el Building Research Institute (ITB)
REFERENCIAS :
[1] W. Węgrzyński, SISTEMAS DE JET-FAN EN MÉTODOS DE DISEÑO DE APARCAMIENTOS: VISIÓN GENERAL Y EVALUACIÓN DEL RENDIMIENTO , SFPE Eur. (2018). https://www.sfpe.org/publications/sfpeeuropedigital/sfpeeurope9/issue9feature3
[2] H. Boehmer, M. Klassen, S. Olenick, Informe de la Fundación de Investigación de Protección contra Incendios: "Riesgos de vehículos modernos en estacionamientos y transportadores de vehículos," 2020. http://www.nfpa.org//-/media/Files/News-and-Research/Fire-statistics-and-reports/Building-and-life-safety/RFModernVehicleHazards-in-ParkingGarages.pdf.
[3] N. van Oerle, A. Lemaire, P. van de Leur, Efectividad de la ventilación forzada en aparcamientos cerrados , in: TNO Rep. No. 1999-CVB-RR1442, 1999.
[4] NEN 6098:2010, Ontw. nl Rookbeheersingssystemen voor mechanisch geventileerde parkeergarages, (2010).
[5] W. Węgrzyński, Análisis CFD multiparamétricos para comprender las variables clave en el control de humo de estacionamiento, en: Modelo de evacuación de incendios . Tech. Conf., 2020. https://www.femtc.com/events/2020/d2-10-wegrzynski/
[6] K. McGrattan, S. Hostikka, R. McDermott, J. Floyd, C. Weinschenk, K. Overholt, Guía del usuario de Fire Dynamics Simulator, Sixth Edition, 2017. doi:10.6028/NIST.SP.1019.