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Especial Túneles y Obras Subterráneas
Análisis de sistemas fijos de extinción en túneles mediante técnicas de fluidodinámica computacional
Estudio de la potencia de incendio y la visibilidad
José Ignacio Abad Martínez
Ingeniero industrial. Geoconsult, Ingenieros Consultores S. A. U.
David Aznar Raja
Graduado en Ingeniería Industrial. Geoconsult, Ingenieros Consultores S. A. U.
Sobre la base de los ensayos de sistemas fijos de extinción de incendios mediante agua en túneles que se realizaron en el túnel de Runehamar, el presente artículo aborda el modelado del incendio ensayado mediante CFD con los objetivos de evaluar la capacidad de las técnicas habituales de modelado y simulación para estos sistemas, y de estudiar las consecuencias sobre la visibilidad por el uso de estos sistemas en distintas condiciones de ventilación y de retardo en su activación. Los resultados muestran la dificultad actual para simular correctamente la extinción, así como los posibles problemas de visibilidad generados por los sistemas de extinción.
Palabras clave: Incendio, extinción, túnel, simulación, visibilidad.
Based on the tests of fixed fire extinguishing systems using water in tunnels carried out in the Runehamar tunnel, this article addresses the modelling of the fire scenario tested by using CFD simulations with the objective of evaluating the capacity of the usual modelling and simulation techniques for these systems, as well as studying the effects on the visibility of the use of these systems in different ventilation conditions and different delays in their activation. The results show the current difficulty in correctly simulating extinction, as well as the possible visibility problems generated by the extinction systems.
Keywords: Fire, extinguishing, tunnel, simulation, visibility.
En los años 2003, 2013 y 2016, se llevaron a cabo una serie de ensayos de incendio a escala real en el túnel noruego de Runehamar (Ingason, 2016a, 2109b, 2015c) con el objetivo de ver las consecuencias de un incendio de un vehículo de mercancías peligrosas, y, posteriormente, el efecto de una medida de mitigación como es el uso de un sistema fijo de extinción de incendios basado en rociadores.
En los distintos ensayos se emplearon rociadores con activación mediante electroválvula y mediante fusibles térmicos. Estos últimos se concluyeron como no adecuados para túneles, debido al efecto que produce la ventilación y el tiro natural del túnel, que pueden provocar que se activen en un lugar diferente a la localización del incendio, reduciendo así la eficacia del sistema.
Los resultados de los ensayos comprobaron la eficacia de estos sistemas para reducir el calor emitido por un incendio en hasta un 85%.
Sobre la base de los ensayos indicados, se ha pretendido realizar un análisis de las consecuencias de la utilización de estos sistemas sobre las condiciones de evacuación de un túnel con el objeto de comprobar si el beneficio de la reducción de la potencia de incendio es mayor que los potenciales perjuicios sobre la evacuación debido a la pérdida de visibilidad por desestratificación del humo.
Antecedentes y estado del arte
El empleo de rociadores como sistema fijo de extinción de incendios es una herramienta empleada con frecuencia en algunos sectores como la industria y la edificación. Sin embargo, no se ha estandarizado para su empleo en túneles, a excepción de algunos países como Japón o Australia, o de algunos estándares americanos como el NFPA-502. En España hay dos ejemplos de túneles con este sistema: los túneles de la M-30 y el túnel de Vielha.
Atendiendo a los distintos estudios realizados sobre la efectividad sistemas FFFS en túneles, no cabe duda sobre su buen desempeño en cuanto a la contención de la potencia máxima del incendio, ya que consiguen reducir potencias de incendio a valores más sencillos de controlar.
Otro factor reseñable es el tiempo que transcurre desde el inicio del incendio hasta la activación del sistema de extinción, clave en dos aspectos diferentes:
- mayor efectividad de cara a minimizar la potencia de incendio; y
- tiempo transcurrido hasta reducción de la visibilidad en la zona afectada por el incendio, así como aguas abajo del mismo.
Propuesta de estudio
Se consideró de interés el recrear los experimentos realizados en el túnel de Runehamar mediante simulaciones de fluidodinámica computacional (CFD) con los siguientes objetivos:
- comprobar los efectos producidos por los sistemas de extinción sobre las condiciones de evacuación del túnel;
- disponer, como resultado de ello, de una herramienta que permita valorar cuándo efectuar la activación de los sistemas de extinción; y
- simular de la forma más realista posible la interacción entre la pulverización de agua y el incendio.
La geometría del túnel, los rociadores y sus características se introdujeron en el modelo de forma realista respecto a los ensayos de referencia, utilizando el modelo de rociador TN-25 con una constante de rociador K de 360 l/min-bar1/2 y una presión de 0,55 bar, siendo estos valores los más favorables según los ensayos. En la primera tabla «Características de las boquillas utilizadas en el ensayo real se pueden ver los rociadores utilizados en el ensayo real, así como el seleccionado para las simulaciones CFD.
El modelo del incendio se realizó sobre la base del ensayo de 2016 (Ingason, 2016) en el que se utilizaron 20 torres de pallets (21 pallets en cada torre) distribuidos en dos columnas y diez filas. En los ensayos originales la carga se encontraba parcialmente protegida por un techo de metal y sendas paredes verticales (frontal y trasera), de forma que el combustible se asemejara a la carga de un camión. La imagen de la página siguiente muestra el modelo realizado en FDS a semejanza del original de los ensayos.
En los ensayos reales el origen del fuego consistió en dos bañeras de heptano de dimensiones 0,2 x 0,8 m cada una, estimando una potencia total de 500 kW. En el modelo FDS se incorporaron dos fuentes de ignición en la zona baja de las dos primeras pilas de pallets, que aportaron la potencia estimada en el ensayo real.
Respecto a cada uno de los pallets, sus propiedades de potencia aportada se modelaron por área, temperatura de ignición y curva de crecimiento de la potencia, de tal manera que la potencia de cada pallet se correspondiera con la estimada en los ensayos reales. Estos datos se incluyen en la tabla «Características de la combustión».
Respecto a las condiciones ambientales, se consideró la velocidad del aire medida en los ensayos reales, que fue de 3 m/s, proponiéndose posteriormente variaciones en la misma para comprobar su efecto.
Finalmente, la activación de los rociadores se modeló de distintas formas, en función de los escenarios a simular. La tabla adjunta detalla los distintos escenarios simulados. Los escenarios del 1 al 6 pretenden valorar la influencia que los parámetros del ensayo (ventilación, sistema de extinción, techo sobre los pallets, etc.) pueden tener sobre la potencia total desarrollada y las condiciones en el interior del túnel. Por otra parte, los escenarios 7 y 8 son réplicas del escenario 1 variando el tiempo de activación de los rociadores con el objetivo de ver su influencia sobre las condiciones de visibilidad y temperatura en el interior del túnel (véase la tabla).
Por último, la imagen siguiente muestra, en vista en planta, la ubicación de los distintos sensores a lo largo del modelo del túnel, así como tres posiciones seleccionadas por su interés para el análisis de los resultados.
Vista del modelo realizado en FDS para el combustible del ensayo
Análisis de los resultados
De las simulaciones realizadas se han obtenido resultados relevantes respecto a la potencia de incendio desarrollada y a la visibilidad resultante en el túnel.
Potencia de incendio
En los casos reales estudiados en la bibliografía, se aprecia una diferencia muy relevante en la potencia de incendio desarrollada entre los casos en los que se utiliza algún tipo de extinción y el caso ensayado en el que no se utilizó. No obstante, en los ensayos realizados en la presente investigación esa diferencia no ha sido tan notable, tal como se puede apreciar arriba, en el gráfico de la abajo.
En él se puede observar que las potencias generadas en aquellos escenarios que tienen extinción (línea continua) son algo inferiores a los que no tienen extinción (línea discontinua). No obstante, la diferencia no es significativa, ya que la reducción se encuentra entre un 8,6% y un 11,6% en función del caso, lo cual no concuerda con las importantes diferencias observadas en los experimentos reales.
Además, el caso en el que se ha simulado que el incendio no tiene un techo que pueda obstaculizar el paso del agua tampoco presenta un comportamiento diferencial frente al mismo caso sin extinción.
Condiciones de visibilidad en el túnel
En las simulaciones mediante CFD, una de las principales variables de interés planteadas era la visibilidad en el interior del túnel, puesto que, en circunstancias normales, es el parámetro más restrictivo respecto a las condiciones ambientales que permiten o no la evacuación segura de los usuarios. Tras analizar la visibilidad en distintos puntos del túnel tal y como se indica en la imagen inferior de la página anterior, se han obtenido los resultados incluidos en las gráficas de las páginas 69 y 70. Se resaltan los límites del coeficiente de extinción según la metodología de análisis de riesgos en túneles españoles (MARTE) (Ministerio de Fomento, 2012), y según la norma NFPA-502 (NFPA, 2020), que son 0,4 m-1 y 0,3 m-1 respectivamente.
De las mediciones del coeficiente de extinción se pueden extraer algunas observaciones:
- Las simulaciones en las que no se ha utilizado un sistema de extinción presentan resultados notablemente mejores en cuanto a la visibilidad que aquellas que sí que tienen. Más concretamente, las que no tienen extinción mantienen una visibilidad adecuada durante todo el tiempo simulado excepto en la zona inmediatamente adyacente al fuego.
- En todas las simulaciones con extinción, tras la activación de la misma, el coeficiente de extinción aumenta notablemente, impidiendo la adecuada evacuación del túnel al poco tiempo de haberse activado el sistema. Esto se debe a la importante desestratificación de los humos como consecuencia del enfriamiento de la capa de humos y el arrastre por la caída de agua.
- La activación más temprana del sistema de extinción conlleva que la desestratificación de los humos se adelante en la misma medida.
- Respecto a la presencia o ausencia de viento, se observan dos comportamientos: en distancias cortas y medias la estratificación mejora notablemente para los casos sin viento y sin extinción, manteniéndose parecida en los casos con extinción; en cambio, en distancias más largas, la influencia de la ventilación es menor, siendo mucho más relevante la presencia o no de extinción.
Es necesario considerar que todos los resultados mostrados están basados en un incendio cuya potencia el sistema de extinción no es capaz de reducir, por lo que se pueden considerar aplicables a una situación real en la que exista un fuego muy desarrollado o de difícil extinción, pero no se consideran aplicables a un incendio pequeño o incipiente, que podría llegar a quedar extinguido mediante el sistema de diluvio.
Conclusiones
A lo largo de este artículo se ha analizado la extinción de incendios mediante sistemas de diluvio por medio de simulaciones CFD teniendo en cuenta diversos factores. Del trabajo realizado se han extraído las conclusiones y recomendaciones que siguen.
Aunque es posible caracterizar la combustión en simulaciones CFD, su gran dificultad hace que actualmente siga siendo recomendable considerar curvas de incendio predefinidas adaptadas a la situación a representar. No obstante, en base a los experimentos descritos en el estado del arte, se puede concluir que la utilización de un sistema de diluvio permite reducir notablemente la potencia de incendio, por lo que debe ser un parámetro a tener en cuenta para definir la curva de incendio finalmente adoptada y evitar excesos en el diseño de los sistemas de ventilación.
La activación de un sistema de rociadores en un espacio reducido en términos de sección transversal como un túnel implica la inmediata desestratificación de los humos y, por lo tanto, la reducción progresiva de la visibilidad a lo largo del túnel. Respecto a la desestratificación, la presencia o ausencia de ventilación o viento no ha mostrado ser significativa a distancias superiores a los 130 m, acelerando la desestratificación en los primeros 100 m.
En caso de disponer de un sistema de diluvio, este debe considerarse en las simulaciones, no siendo válidas las simulaciones unidimensionales que no tengan en cuenta el efecto del arrastre de la capa de humos.
El tiempo transcurrido hasta la activación de los rociadores es crucial, dado que, a partir de la activación de estos, la visibilidad deja de ser adecuada. Por ello, parece recomendable una activación manual de los mismos, en función de si se tiene certeza de que el túnel ha sido evacuado aguas abajo del incendio, así como según sea el tamaño del incendio y la evaluación de su potencial extinción, puesto que, en caso de no extinguir el mismo, los beneficios de reducción de potencia frente al empeoramiento de la visibilidad podrían resultar perjudiciales.
Referencias
1
Ingason, H. & Li, Ying & Appel, Glenn & Lundström, Ulf & Becker, Conny (2015). Large Scale Tunnel Fire Tests with Large Droplet Water-Based Fixed Fire Fighting System, Fire Technology 52
2
Ingason, H.& Li, Y. Z. (2019). Large Scale Tunnel Fire Tests with Different Types of Large Droplet Fixed Fire Fighting Systems, Fire Safety Journal, pp. 29-43.
3
Ingason, H.& Li, Y. Z. & Lönnermark, A. (2015). Runehamar tunnel fire tests. Fire Safety Journal, pp. 134-149.
4
Ministerio de Fomento (2012). Meto-dología de Análisis de Riesgo en Túneles de la R.C.E.
5
National Fire Protection Association (2020). NFPA 502 – Standard for Road Tunnels, Bridges, and other Limited Access Highways.
6
National Institute of Standards and Technology (2023). Fire Dynamics Simulator User’s Guide.