Diez principios fundamentales sobre la definición y expresión de la exposición térmica como condiciones límite en la ingeniería de la protección contra incendios 

Por Ulf Wickström, FSFPE

Predecir la temperatura de los objetos expuestos es una de las tareas más comunes y fundamentales en la ingeniería de la protección contra incendios. Como primer paso, se debe especificar la exposición térmica. Esto puede hacerse con mediciones, modelado de incendios o especificaciones de las normas. Debe ser clara, bien definida y consistente. No obstante, su interpretación muchas veces se ve empañada por no saber cómo usar los parámetros de exposición para estimar y calcular la temperatura de los cuerpos expuestos. Esta deficiencia obstaculiza el firme desarrollo de la ingeniería de protección contra incendios.

Los ingenieros dedicados a la protección contra incendios suelen usar la temperatura del gas, los flujos de calor incidente y, últimamente, la temperatura adiabática superficial (AST, por sus siglas en inglés) para expresar la exposición térmica. Pero, como los métodos no siempre son uniformes, el grupo de trabajo sobre Exposición al Fuego Local del Comité de Normas SFPE para el Cálculo de Exposición al Fuego ha formulado 10 principios básicos fundamentales para definir y expresar las condiciones térmicas límite en la ingeniería de protección contra incendios.

Los principios son generales y pueden ser aplicados a los problemas de reacción del material al fuego, como la estimación del tiempo de ignición y la resistencia al fuego de estructuras expuestas a temperaturas muy altas.¹

Los 10 principios se muestran en negrita, con comentarios a modo de explicación adicional.²

Principio 1 
La exposición térmica se rige por dos parámetros independientes: el flujo de calor radiante incidente o irradiancia  y la temperatura del gas T_g.

Como  and T_g son independientes, deben tratarse por separado y, en principio, no pueden ser reemplazados por un solo parámetro, como temperatura del fuego o flujo de calor, como suele verse en los textos de ingeniería de protección contra incendios.   

Principio 2
El calor se transfiere a las superficies sólidas por radiación y convección —   donde la radiación neta es la diferencia entre la radiación absorbida y la emitida, es decir, .

La radiación neta  es la diferencia entre las dos entidades independientes – calor radiante absorbido  y calor radiante emitido . Por otro lado, el flujo de calor por convección depende de la diferencia entre la temperatura del gas y la temperatura de la superficie. El flujo de calor  es proporcional al gradiente térmico de la superficie sólida.

Principio 3
La radiación incidente puede expresarse como . La temperatura de radiación puede ser mayor o menor que la temperatura del gas _.

 El término temperatura de radiación debe usarse como alternativa para radiación incidente e incluye las contribuciones de todas las superficies, masas de gases, llamas, etc. que podrían irradiarse sobre una superficie.

Principio 4
La transferencia del calor  a las superficies sólidas está compuesta por tres elementos independientes: el calor absorbido por la radiación , el calor emitido por la radiación  y el calor transferido por convección, es decir .

De este modo, los tres parámetros – radiación incidente, temperatura de la superficie y diferencia entre la temperatura del gas y la temperatura de la superficie– rigen la transferencia del calor. La transferencia del calor por convección no puede dividirse en cantidades físicas positivas y negativas como ocurre con la radiación.

Principio 5
La temperatura del gas T_g puede medirse con termopares muy delgados o de aspiración. La radiación incidente  or T_r puede medirse con radiómetros.

Los termopares influidos por las temperaturas de la radiación y el gas se adaptan a temperaturas de entre T_g and T_r. Cuanto más delgados son, más precisa es la medición de la temperatura del gas.

Un medidor del flujo de calor enfriado con agua (HFM, por sus siglas en inglés) mide el flujo de calor en una superficie pequeña que está a una temperatura cercana a la del agua de enfriamiento. A temperatura ambiente, mide la radiación incidente. Sin embargo, cuando se lo coloca en gases calientes, la transferencia de calor por convección al sensor puede alcanzar la misma magnitud que la transferencia de calor por radiación y, en la práctica, el resultado es más o menos imposible de interpretar en términos de radiación incidente.

La radiación incidente puede medirse con termómetros de chapa (PT, por sus siglas en inglés), que tienen una mayor superficie de exposición, lo que reduce la contribución de la convección. Junto con las mediciones de la temperatura del gas, los termómetros de chapa pueden usarse para identificar el flujo de calor incidente y las temperaturas adiabáticas superficiales tanto en el aire ambiente como en los gases calientes del fuego.

Principle 6
En la ingeniería de protección contra incendios, el flujo de calor (radiación más convección) suele medirse con medidores de flujo de calor enfriados con agua (HFM). Como se asume que una superficie expuesta tiene la misma emisividad y coeficiente de transferencia de calor por convección que el sensor del HFM, la transferencia de calor a una superficie expuesta se puede calcular como  donde  es la temperatura de la superficie del sensor.

Al utilizarse los datos del HFM enfriado con agua, se deben realizar hipótesis sobre el coeficiente de transferencia de calor por convección y la emisividad de la superficie del sensor.³ 

Principio 7
Con una relación determinada  una sola temperatura de exposición “efectiva”, la temperatura adiabática superficial , puede definirse con la relación  or . siempre está entre T_g and T_r.

Cuando una superficie sólida tiene una temperatura adiabática superficial, la suma de la transferencia de calor por radiación y convección es cero. La AST siempre está entre la temperatura del gas y la temperatura de radiación y puede medirse con PTs hechos de placas metálicas delgadas con aislación en la parte posterior.

Principio 8
El flujo de calor hacia una superficie con una temperatura T_s puede calcularse como .

La AST puede reemplazar a la temperatura de radiación y del gas y puede usarse como un solo parámetro de condición límite.

Desafortunadamente, muchas de las normas para el cálculo de la temperatura en estructuras expuestas al fuego especifican vagamente las condiciones límite como flujo de calor, implícitamente como flujo de calor hacia una superficie que está a temperatura ambiente o de una manera similar. Este tipo de condición límite generalmente no puede aplicarse a los cálculos y, por lo tanto, debe evitarse.

Principio 9
La puede medirse con termómetros de chapa (PT), que tienen una gran superficie y pueden proporcionar un coeficiente de transferencia de calor por convección, así como una emisividad equivalente a la de un cuerpo expuesto. La placa sensora del PT es delgada, lo que permite obtener una respuesta rápida (una constante a corto plazo). Como la radiación incidente depende de la dirección, la temperatura del PT T_PT y la  dependen de la orientación.

La AST medida con el PT puede tomarse como base para calcular el flujo de calor hacia cuerpos expuestos al fuego. En muchos casos de condiciones de incendio severas, las mediciones de los PT son solo una forma práctica de obtener datos para calcular la temperatura en, por ejemplo, estructuras de acero.

Principio 10
Dado que se asume que el HFM y el PT tienen las mismas emisividades y coeficientes de transferencia de calor por convección, _.

En ciertas condiciones, existe una relación de uno a uno entre el flujo de calor medido con un HFM y la temperatura medida con un PT. En ese caso, el flujo de calor incidente, o flujo de calor más corto, hacia una superficie enfriada, como se da en una norma, puede ser interpretado como una AST y utilizado para los cálculos.

Ulf Wickström, FSFPE, trabaja para la Universidad Tecnológica de Luleå y la consultora de incendios TASEF

References

¹ Wickström, U., Cálculo de la temperatura en la ingeniería de protección contra incendios, Springer International Publishing. 2016.

²Wickström U, Hunt S, Lattimer B, Barnett J, Beyler C. El fuego y los materiales. 2018;1–4.

³ Brian Y. Lattimer, “Transferencia del calor de los incendios a las superficies,” en Hurley, et al., Eds. (2015). Manual de Ingeniería de Protección contra Incendios de SFPE, 5th Ed. Gaithersburg, MD: SFPE.

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.