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La Clave | Experiencias
Comparación de soluciones de evacuación mediante simulaciones computacionales en un túnel ferroviario
Los diseños prescriptivos y prestacionales son las dos formas más comunes de diseño de soluciones de evacuación en trenes ferroviarios. En este estudio se han comparado las soluciones aportadas por ambos métodos. Así mismo, se ha comprobado la afección que distintas variables tienen en la eficacia de la evacuación, concluyendo que la utilización del modelo prestacional como complemento al diseño prescriptivo permite la obtención de soluciones que únicamente mediante el modelo prescriptivo no serían posibles, dotando así a los diseñadores de una mayor flexibilidad.
Palabras clave: Túnel ferroviario, CFD, evacuación, incendios.
Prescriptive and performance-based designs are the two most common forms of design for evacuation solutions in railway trains. In the present study the solutions provided by both methods were compared. Furthermore, the effect of different variables on the efficiency of evacuation was analyzed, giving as a result that the use of the performance-based model as a complement to the prescriptive design enables to obtain solutions that would not be possible only with the prescriptive model, thus providing designers with a greater flexibility.
Keywords: Low Emission Zones, modal shift, Madrid.Railway tunnel, CFD, evacuation, fire.
Francisco Javier Pérez Mas
Geoconsult Ingenieros
Consultores, Madrid,
España.
Según la definición recogida en el Reglamento 1303/2014 de la Comisión Europea de 18 de noviembre de 2014 sobre la especificación técnica de interoperabilidad relativa a la seguridad en los túneles ferroviarios del sistema ferroviario de la Unión Europea, un túnel ferroviario es “una estructura una excavación o una construcción alrededor de las vías que permite que el ferrocarril pase, por ejemplo, por debajo del terreno, edificios o agua”. De esta definición se puede extraer que un túnel ferroviario puede ser considerado como un espacio confinado en el cual puede producirse un trasiego de personas.
Uno de los mayores riesgos asociados a túneles es la generación de un incendio en su interior, ya que, debido a la situación de confinamiento que se experimenta, se produce en el interior del túnel la acumulación de humos y por ende de diversas sustancias nocivas para el ser humano.
Generalmente se tiende a creer que la mayoría de fallecimientos en incendios provienen de los efectos térmicos del fuego. Sin embargo, como muestran diversos estudios estadísticos realizados en el National Institute of Standards and Technology (NIST), aproximadamente dos terceras partes de las víctimas de los incendios se producen debido a la intoxicación por humo después de producirse la combustión súbita generalizada (5), es decir, no por las elevadas temperaturas o por el colapso de las estructuras.
En España, la evacuación rápida y eficaz de las personas es el método principal para la protección de vidas humanas frente al incendio. Actualmente, el diseño de los parámetros o soluciones de evacuación se realiza mediante métodos de cálculo enfocados a una vía prescriptiva (1) (2) (3), apoyándose al mismo tiempo en métodos basados en prestaciones.
Los requisitos de los códigos prescriptivos definen medidas de prevención sin demostrar si las mismas alcanzan un determinado nivel de seguridad contra incendios; es aquí donde aparece la necesidad de métodos basados en prestaciones.
La vía prescriptiva está enfocada al cumplimiento de la normativa interna de los operadores nacionales de ferrocarriles. Mientras que el diseño basado en prestaciones se fundamenta en el planteamiento de unas medidas de protección particularizadas a cada estación o túnel, en base al conocimiento relativo al desarrollo que tendrá el incendio en cada escenario probable.
Como resultado de la diferencia de criterios entre ambas vías, existen situaciones en las cuales según la vía utilizada puede obtenerse que un túnel tiene una solución de evacuación segura o deficiente. Por lo tanto, se hace necesario en estos casos el debate sobre la idoneidad de cada vía de diseño.
Vía prescriptiva en túneles ferroviarios
Para abordar el diseño de las soluciones de evacuación a través de la vía prescriptiva es necesario establecer una normativa que fije los parámetros de diseño. En el caso de España, la normativa de aplicación se corresponde con (1) (2) (3) (4), indicándose en esta los siguientes parámetros:
- Deben existir salidas de emergencia a la superficie, laterales o verticales, como mínimo cada 1000 m.
- Las puertas de acceso desde el pasillo de evacuación a la zona segura tendrán una abertura libre de al menos 1,4 m de ancho por 2 m de alto. De manera alternativa, se permite utilizar múltiples puertas contiguas de menor anchura siempre que se verifique que la capacidad total de paso de personas es equivalente o superior.
- La anchura del pasillo de evacuación debe ser de al menos 0,8 m.
- La altura libre mínima por encima del pasillo de evacuación debe ser de al menos 2,25 m.
- La altura del pasillo estará al nivel de la parte superior del carril o incluso más alto.
- Se evitarán estrechamientos locales provocados por obstáculos dentro del gálibo de evacuación. La presencia de obstáculos no debe la anchura mínima a menos de 0,7 m y la longitud del obstáculo no debe superar los 2 m.
Vía prestacional en túneles ferroviarios
La vía prestacional, al igual que cualquier otro método de cálculo, debe encontrarse sustentado y permitido en las normativas vigentes del país de aplicación. En el caso de España, las normativas (1) (2) (3) (4) indican que:
“Se permiten soluciones técnicas alternativas que proporcionen una zona segura con un nivel de seguridad, como mínimo, equivalente. El nivel de seguridad equivalente para pasajeros y personal del tren se verificará mediante el método común de seguridad para la evaluación del riesgo”.
Para la realización del diseño prestacional se pueden utilizar diversos criterios o métodos con el fin de identificar la solución óptima. Uno de estos métodos es el recogido en la normativa (1), el cual se muestra en la figura de la página anterior.
En este método se recomienda el análisis de diversas casuísticas en los modelos de fuego y evacuación. El análisis de las consecuencias de las casuísticas consideradas se puede realizar mediante diversos modelos, que pueden ser algebraicos o de simulación computacional, siendo el modelo final utilizado dependiente del caso de estudio concreto.
Dentro de los modelos de simulación computacional, existen a su vez distintos tipos, siendo el más extendido el modelo CFD, el cual permite el cálculo de la distribución de humos o temperaturas, entre otros.
Características del túnel de estudio
Para realizar la comparación entre los diseños prestacionales y prescriptivos es necesario considerar un túnel base sobre el que aplicar ambas vías de diseño. Para este caso, se considera un túnel con las siguientes características:
- Túnel monotubo
- Longitud: 1077 metros
- Área: 85 m2
- Pendiente constante de –3.12‰
- Ancho pasillos evacuación: 1,66 metros
El material rodante considerado en el interior del túnel se corresponde con un túnel RENFE S-112 en composición doble. Este material rodante cuenta con ocho vagones de clase turista y tres vagones preferentes, un vagón cafetería y dos cabezas tractoras. La distribución del mismo se observa en la imagen de arriba.
Para el modelo de tren estudiado, se observa que todos los vagones cuentan con puerta de salida menos el extremo turista. Estas puertas están en ambos laterales. Las salidas de los trenes cuentan con un ancho libre de 81,3 cm.
La ocupación del tren se ha establecido en 730 personas, 365 por cada composición. Esta ocupación presenta varios perfiles poblacionales con diferentes velocidades. La tabla de la página siguiente muestra el porcentaje de personas de cada uno de los tipos poblacionales, así como la distribución de velocidades horizontales y en escaleras para cada uno de ellos.
La distribución de velocidades considerada se corresponde con la presentada en el MSC/CIR 1533 (6). En base a esto, en la tabla de la página 150 se recogen los datos de ocupación de los distintos vagones del tren.
Definición de los parámetros y soluciones de estudio del caso 1
Con el fin de realizar la comparación entre el diseño que se obtendría por la vía prestacional frente al obtenido por la vía prescriptiva, se ha realizado un primer estudio, considerando como parámetros de estudio la distancia hasta la salida del túnel y la anchura del pasillo de evacuación.
Para el estudio se han seleccionado las dos soluciones, siendo la solución A la correspondiente a la vía prescriptiva, es decir, aquella que cumple estrictamente las condiciones fijadas en normativa, y siendo la solución B la correspondiente a la vía prestacional. Las características de ambas soluciones se indican en la tabla de la derecha, junto a estas líneas.
Como se puede observar, la solución B no cumple íntegramente con la distancia exigida por la normativa. Sin embargo, la distancia extra hasta la salida se suple mediante el ensanchamiento del pasillo de evacuación.
Como parámetro de análisis de la idoneidad de las soluciones estudiadas se utiliza el tiempo necesario para la evacuación de cada zona o de llegada a zona segura (RSET) y de tiempo de salida seguro disponible (ASET).
En el gráfico de abajo se muestra esta comparativa de parámetros.
Definición de los parámetros y soluciones de estudio del caso 2
A fin obtener una mejor comprensión de la incidencia que diversos parámetros tiene en la eficacia de la evacuación, se ha realizado un segundo estudio en el cual se han llevado a cabo diversas simulaciones del túnel de estudio, suponiendo las soluciones recogidas en la tabla de la derecha.
Para el caso 2 se ha partido de la existencia de una salida de emergencia a una distancia de 1000 metros de la salida (solución C). El incendio se sitúa taponando una salida de emergencia o la boca de salida que esté más alejada de una salida. De esta forma, esta salida o boca queda inhabilitada para la evacuación por cercanía al fuego. Debido a esto, los pasajeros deben realizar la evacuación por la siguiente salida, en dirección a la cola del tren, que se situará como máximo a 1000 metros. Se considera que la pendiente en el tramo es descendente hacia la salida, lo que provoca que, debido al efecto chimenea, los humos se dirijan en dirección contraria al recorrido de evacuación de los pasajeros, siendo el caso más desfavorable.
Para la realización de las simulaciones se ha supuesto la generación de un incendio de 15 MW de potencia, siguiendo la IFI-2018 (7), según la curva de incendio mostrada en el gráfico de arriba.
Además, se ha considerado que la evacuación desde el tren hacia el pasillo de evacuación se inicia a los 93 segundos desde el inicio del fuego, siendo este valor el resultado del cálculo de frenado del tren a la velocidad de crucero de este tipo de vehículo (300 km/h). Sin embargo, en aquellos casos en los que se considera la evacuación a través de las vías, se ha establecido un tiempo adicional de 30 segundos debido al tiempo de despliegue de la escalera que conecta el tren con las vías, dando un tiempo total de inicio de la evacua – ción de 123 segundos.
Como parámetro de análisis de la idoneidad de las soluciones estudiadas se ha considerado el análisis de la concentración de gases tóxicos, la cual se utiliza para caracterizar el riesgo acumulado asociado a la inhalación excesiva de gases tóxicos producidos por la combustión. Esta concentración es medida mediante una variable integrada en el tiempo conocida como fractional effective dose (FED). El FED es una variable estándar internacional, recogida por la Organización Internacional de Normalización (ISO) en su documento ISO 13571 y por la Society of Fire Protection Engineering (SFPE) en su manual (5), capítulos 2-6.
Para este estudio, el parámetro FED incluye el impacto que produce sobre las personas el exceso de monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO 2 ), así como la depleción de oxígeno. A continuación, bajo estas líneas, se muestran los valores FED asociados a los distintos porcentajes de incapacitación.
Además del FED, se considera la temperatura como segundo criterio de sostenibilidad. Aunque se estima que la piel puede aguantar temperaturas de hasta 120 °C y el tracto respiratorio, de 100 °C (aire húmedo). Para este estudio se ha considerado como límite 60 °C, quedando del lado de la seguridad (3).
Análisis y resultados obtenidos
Las soluciones han sido analizadas mediante los siguientes softwares:
- Fire Dynamics Simulator (FDS), desarrollado por el Building and Fire Research Laboratory del National Institute of Standards and Technology, NIST (EE. UU.), con la colaboración del VTT Building and Transport in Finland.
- Pathfinder versión 2021 de la empresa Thunderhead Engineering. Pathfinder es un simulador de movimiento peatonal que emplea comportamientos de direccionamiento para modelar el movimiento de los ocupantes. Presenta tres módulos de trabajo: una interfaz gráfica, el simulador y un visualizador de resultados en 3D.
Con el fin de lograr una simulación, lo más probable desde el punto de vista estadístico, se han realizado para todas las soluciones propuestas 10 simulaciones, variando la distribución en el interior del tren de los distintos grupos poblacionales.
Para el caso 1, tras realizar las simulaciones, los resultados medios obtenidos se muestran en en el gráfico de arriba.
Tras analizar ambas soluciones, se observan los siguientes resultados. La salida de la primera persona con el perfil de poblaciones estudiado se produce a los 11 minutos y 17 segundos, frente a los 10 minutos y 12 segundos del caso de la normativa de aplicación.
La última persona en salir del túnel lo hace a los 41 minutos y 48 segundos, frente a los 45 minutos y 28 segundos del caso de la normativa de aplicación.
Por tanto, en base a los resultados obtenidos, se puede determinar que el hecho de tener un pasillo de mayor anchura (166 cm frente a los 80 cm mínimos estipulados en la norma) aporta un mayor nivel de seguridad a la infraestructura, a pesar de tener que recorrer 77 metros adicionales y no cumplir con la distancia máxima estipulada en la norma.
Para el caso 2, tras realizar las simulaciones de incendio y evacuación con la consideración de que aquellas personas con un FED superior a 0,3 quedan incapacitadas y no logran evacuar, se han obtenido los resultados, indicados en la tabla de la izquierda.
Los resultados obtenidos para los casos C, D y E permiten comprobar como al disminuir la distancia entre salidas de emergencia se aumenta notablemente la cantidad de personas evacuadas con éxito. Esto se debe principalmente a que el FED recibido por las personas tiene una clara dependencia temporal, por lo que el hecho de alcanzar la salida en un momento más temprano supone la menor inhalación de gases tóxicos y, por lo tanto, un menor riesgo de muerte.
El resultado obtenido en la solución F muestra que no solo es importante la distancia a la que se encuentra la salida del túnel, sino también la capacidad de los pasajeros de evacuar el coche a la mayor velocidad posible. En este caso, la posibilidad de desplegar una salida adicional de acceso a las vías permite una mayor velocidad en el vaciado de los coches y, por lo tanto, un menor tiempo de evacuación.
El resultado obtenido en la solución G muestra por qué el sistema de ventilación es uno de los principales sistemas de seguridad en túneles, no solo ferroviarios, sino también carreteros. En esta solución, el sistema de ventilación permite la expulsión de los humos en dirección contraria a la evacuación de los pasajeros, permitiendo la salida completa de todos los pasajeros, sin necesidad de la existencia de salidas de emergencias adicionales.
Finalmente, la solución H demuestra que mediante la combinación de distintas soluciones se pueden lograr resultados mejores que cada una de ellas por separado. Sin embargo, esta mejora resulta ser no aditiva, es decir, que la mejora total del número de personas evacuadas no es la suma de las mejoras individuales de cada solución.
Conclusiones
A lo largo de este artículo se han contemplado dos métodos distintos para el diseño de las soluciones de evacuación en túneles ferroviarios, siendo estos métodos la vía prescriptiva y la vía prestacional.
Además, se ha realizado el estudio del impacto que tiene la modificación de distintos parámetros en la eficacia de un proceso de evacuación, comprobándose que la reducción de la distancia de evacuación, la utilización de las vías como medio de evacuación y la instalación de un sistema de ventilación tienen efectos positivos en la eficacia del proceso de evacuación.
Como se ha mostrado, la vía prescriptiva y la vía prestacional permiten la fijación de los parámetros necesarios para el diseño de las soluciones de evacuación. Sin embargo, existen situaciones en las cuales un túnel que el modelo prescriptivo califica como no seguro
pueden resultar en un túnel seguro mediante un modelo prestacional.
El hecho de que un túnel realizado por medio de la vía prestacional permita garantizar la seguridad en la evacuación de un túnel supone una mejora significativa sobre la vía prescriptiva, ya que, en ocasiones, medias normativas —como puede ser la adición de salidas de emergencia adicionales— suponen un coste desmesurado, mientras que soluciones como la permisividad del uso de las vías para evacuación supone un coste mínimo. Esta y otras medidas que se pueden realizar a través de vías prestacionales permiten dotar a los diseñadores de una mayor flexibilidad y, por lo tanto, de la posibilidad de encontrar soluciones más óptimas a los problemas que se planteen.
Referencias
1
Reglamento (UE) n.º 1303/2014 de la comisión de 18 de noviembre de 2014 sobre la especificación técnica de interoperabilidad relativa a la seguridad en los túneles ferroviarios del sistema ferroviario de la Unión Europea.
2
Reglamento de Ejecución (UE) 2016/776 de la Comisión de 16 de mayo de 2019.
3
NFPA 130 “Standard foro Fixed Guideway Transit and Passenger Rail Systems” Ed. 2020. National Fire Protection Association.
4
Reglamento de Ejecución (UE) n.º 402/2013 de la comisión de 30 de abril de 2013, relativo a la adopción de un método común de seguridad para la evaluación y valoración del riesgo.
5
Gann, R., Babrauskas, V., Peacock, R. (1994). Fire conditions for Smoke Toxicity Measurement. Fire and Materials, 18:193-199.
6
MSC/CIR 1533 “Interim Guidelines for Evacuation Analysis for New and Existing Passenger Ships”, (IMO) International Maritime Organization y concuerda con los datos proporcionados por J.Fruin. “Pedestrian planning and design, Metropolitan Association of Urban Designers and Environmental planners”, New York, 1971.
7
“Instrucción ferroviaria para el proyecto y
construcción del subsistema de infraestructura (ifi)”.
ISO 23932 Revisión 2017.