Pensando por fuera del rectángulo
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Sistemas Hidráulicos, Supresión & Extinción

Pensando por fuera del rectángulo

Por Steven Scandaliato

El área remota de los cálculos hidráulicos exige que los ingenieros especializados en la protección contra incendios tengan una comprensión más amplia que en el pasado.

Definir los criterios de diseño adecuados es, sin duda, un paso imprescindible en el diseño de los sistemas de rociadores contra incendios. Igual de importantes son los cálculos hidráulicos que verifican que dichos criterios estén realizados correctamente.

Desafortunadamente, a menudo ciertos detalles del procedimiento de cálculos hidráulicos no llegan a comprenderse del todo. Un gran número de diseñadores miden el área remota sólo basándose en la cantidad de rociadores contra incendio, y los resultados son a menudo incorrectos. Otros se basan en sus computadoras. “Si salió de mi PC”, dice su teoría, “entonces debe ser correcto”. A pesar de que los cálculos hidráulicos generados por computadora no siempre son incorrectos, el hecho de que a veces lo estén nos hace dudar siempre.

El área remota es la base de los cálculos hidráulicos, pero una serie de temas cruciales y fundamentales relacionados con el área remota a menudo no llegan a comprenderse del todo. Es de extrema importancia que las autoridades con jurisdicción comprendan estos temas, ya que representan la red de seguridad final para asegurar que se instalen sistemas adecuados de la manera apropiada.

Función del área remota
La función del área remota es reflejar la demanda máxima del sistema de flujo de agua en galones por minuto (gpm) y presión de agua en libras por pulgada cuadrada (psi) creados por un diagrama de sistema de rociadores específico para una base de diseño establecida. El área remota debe presentar la demanda hidráulica más importante en la sección de un edificio cubierto por su base de diseño. Los diseñadores pasan por alto a las secciones de un edificio que presentan bases de diseño diferentes hasta que ubican sus áreas remotas.

En contra de la lógica, la ubicación que posee la demanda hidráulica más importante no es siempre la que se encuentra más lejos del elevador. Por el contrario, es la ubicación la que crea la demanda de agua más importante. Esto puede resultar poco claro porque la ubicación con la demanda de agua más grande no es necesariamente la ubicación con la demanda de presión más alta.

Digamos que la demanda en una ubicación es 50 psi (3.45 bar) a 400 gpm (1,514 litros por minuto), y la demanda en otra ubicación es 40 psi (2.76 bar) a 600 gpm (2,271 litros por minuto). La cercanía de estos puntos a la curva de abastecimiento de agua determinará qué ubicación tiene mayor demanda. Si se obtiene una curva de abastecimiento plana —es decir, una capacidad de flujo elevado— con una presión estática de 45 psi (3.10 bar), la presión más elevada será la que demande más. Si se obtiene una curva pronunciada— es decir, presión pero poco flujo—el flujo más elevado es el problema. El problema es que dichas diferencias de flujo tan marcadas sólo aparecerán si surge la necesidad de más de un área remota.

La razón por la que sólo debemos comprobar el área más remota es simple y lógica. Si tenemos suficiente agua para abastecer la ubicación de mayor demanda de un edificio, entonces podemos dar por sentado con tranquilidad que todas las demás áreas de la sección del edificio recibirán aún más agua, lo que excederá el criterio de diseño determinado. Es por eso que debemos confiar en que el área remota es la ubicación de la mayor demanda.

En un sistema ramificado, la ubicación de mayor demanda resulta bastante evidente. Sin embargo, en un sistema de grillas no lo es. Es por eso que el Artículo 8.4.4.2 de la NFPA 13, Instalación de Sistemas de Rociadores, requiere dos cálculos adicionales para sistemas de grillas, que comparan los dos lados adyacentes al área remota seleccionada. Esto se denomina llevar a un pico el área de demanda, y la mayor parte de los programas de hidráulica lo realizan de manera automática.

Áreas remotas múltiples
Aunque el abastecimiento de agua del sistema de rociadores necesario para una sola área remota a menudo cubre un edificio de manera adecuada, es importante proveer diseños de sistemas propios a diferentes secciones de la estructura. En realidad, ciertos edificios o incluso secciones de edificios que cuentan con una única base de diseño a menudo tienen más de un área remota. Se podría tomar el área remota de mayor demanda de un edificio y basar el diseño del sistema para toda la estructura en ese esquema, pero eso sumaría costos innecesarios al dueño del edificio.

Existen cinco razones básicas por las cuales un edificio puede necesitar más de un área remota. La primera es un cambio en los contenidos del edificio. Esto puede ser tan sutil como un cambio en la clasificación de grupo de personas por el control de incendios basado en el grupo de riesgo: por ejemplo, que un grupo cambie de peligro bajo a peligro normal. O puede ser tan obvio como un cambio total: una transición del control de incendios basados en el grupo de riesgo al control de incendios por almacenamiento. Incluso un cambio en el tipo de sistema de supresión —por ejemplo, de residencial a gran escala— puede requerir más de un área remota.

Un edificio también puede necesitar más de un área remota cuando hay un cambio en el método de diseño, como cuando se pasa del método estándar área/ densidad al método de diseño de habitación. Esto también se aplica a un cambio en el factor K o a un cambio en el tipo de rociador, como cuando se cambia de un rociador colgante estándar a uno lateral o de cobertura extendida.

Se puede necesitar más de un área remota cuando se realizan modificaciones de sistemas en solo una parte del edificio, como una sección limitada con techos inclinados, o cuando se utiliza una rápida reducción de respuesta.

Donde hay una elevada demanda localizada de agua, como un área limitada con estaciones de mangueras, rociadores contra incendio empotrados o una cortina de agua, también se puede necesitar más de un área remota, ya que cada ubicación debe equilibrarse con la demanda del techo que protege el suelo. Por ejemplo, si hubiera una cortina de agua al lado del elevador del sistema, se tendría que colocar un área remota en esa ubicación, a fin de incorporar el flujo para la cortina de agua, y se necesitaría una segunda área remota para demostrar que el sistema tiene un abastecimiento adecuado en el lado opuesto del edificio.

Finalmente, se necesitan múltiples áreas remotas cuando se produce un cambio sustantivo en el esquema de los caños que no deja claro si otra área tiene una demanda de sistema más grande. Esto es obvio cuando el esquema cambia de un diseño ramificado a uno de grillas.

Aunque no exista un requerimiento de que el esquema en el resto del edificio sea idéntico al del área remota, se deben agregar áreas remotas adicionales si se producen cambios significativos en el sistema de rociadores, como una reducción en el tamaño de los caños en las líneas derivadas o en las tuberías principales, rociadores contra incendios adicionales en una línea derivada, o incluso accesorios adicionales, especialmente en las líneas derivadas. También se deben proveer áreas remotas adicionales si se producen cambios significativos en el área de cobertura del rociador contra incendios.

Factores que afectan la ubicación del área remota
Las cortinas de agua y los rociadores empotrados a menudo requieren de por lo menos dos áreas remotas en la sección del edificio protegido por una base de diseño simple. Un área remota debe encontrarse adyacente a una cortina de agua y debe estar directamente por encima del área de almacenamiento que contiene los rociadores contra incendios empotrados, los que comúnmente se encuentran limitados a una sección del área de almacenamiento. Se hace una excepción cuando toda el área contiene rociadores empotrados de modo que el área remota esté ubicada exclusivamente cerca de la sección del techo más exigente desde el punto de vista hidráulico.

También hay una excepción para las cortinas de agua. Si se pretende que un solo incendio accione los rociadores de cortina de agua y el sistema calculado de rociadores, el agua debe agregarse a la demanda del techo adyacente. El excluir la cortina de agua requiere la separación física de los rociadores de techo y la cortina de agua con paredes. Comúnmente, ambas son expuestas a un solo incendio, así que técnicamente el resto del esquema de rociadores podría basarse en la muy exigente área remota con la cortina de agua. Sin embargo, no sería el sistema más eficiente en relación a los costos debido a la pérdida por fricción extra asociada a un flujo combinado más elevado de la demanda del techo y la cortina de agua. Además, tendría que ser obvio que una ubicación más remota no es más exigente hidráulicamente, incluso con el flujo de agua más bajo para los rociadores del techo.

También se debe prestar atención a las diferencias en elevación entre varias secciones de un edificio que utilizan la misma base de diseño cuando se determina si el área remota es la ubicación más remota hidráulicamente, ya que los cambios en elevación pueden generar pérdidas de presión. Un caño más pequeño que abastece una ubicación diferente puede crear una pérdida por fricción que excede la pérdida de 0.433 psi/pie (0.03 bar) debido a la elevación.

La aplicación del área remota
Una vez que el diseñador ha establecido el tamaño necesario del área remota, éste debe enfrentar otros problemas que afectan la aplicación de esta área al cálculo hidráulico.

El primero es asegurarse que el área remota tiene la forma adecuada. Para todos los diseños basados en área/ densidad, el área remota debe ser rectangular, con el lado más largo ubicado en forma paralela a las líneas derivadas. Según el Artículo 8.4.4.1.1 de la NFPA 13, la longitud del lado más largo debe ser 1,2 veces la raíz cuadrada del tamaño del área remota. Por ejemplo, un área remota de 1.500 pies cuadrados (139 metros cuadrados) requiere una dimensión de por lo menos 46,5 pies (14.2 metros).

Hay que tener en cuenta que se debe colocar la separación a la mitad de distancia entre dos rociadores contra incendio. Si 46,5 pies (14,2 metros) es menos que la mitad de la distancia entre los dos rociadores, entonces se debe incrementar la longitud hasta ese punto. Si 46,5 pies (14,2 metros) es un poco mayor que la mitad de la distancia entre los dos rociadores, entonces se debe incrementar la longitud más allá del rociador para poder ubicarnos a la mitad de distancia entre los próximos rociadores de la línea derivada.

El otro límite del área remota también se encuentra a mitad de distancia entre las líneas derivadas. Cuando se necesita que menos que el área cubierta por una línea derivada cumpla con el tamaño requerido, se agregan rociadores individuales desde esa línea derivada, según sea necesario. Esto no produce un rectángulo exacto, pero en el Artículo A-8-3.3 (15) de la NFPA 13 se verá como ejemplo en sistemas de grilla.

Los rociadores más cercanos a la tubería principal deben seleccionarse cuidadosamente porque deben soportar la presión más elevada, y por lo tanto crean la demanda más grande y, de ese modo, descargan la mayor cantidad de agua. Existe mucha confusión en este punto, y un gran número de personas elige de manera errónea el rociador ubicado al final de la línea derivada.

El segundo problema surge cuando se trata de determinar el área, no mediante el número de rociadores sino mediante el área real del piso, tomando el área del diseño y dividiéndola por la superficie de cobertura de los rociadores. Esto puede realizarse sólo cuando los rociadores están colocados de manera simétrica, y cada uno brinda la misma área de cobertura. Por ejemplo, 1.500 pies cuadrados (139 metros cuadrados) dividido por 130 pies cuadrados (12 metros cuadrados) por rociador indica 11,5 rociadores, lo que puede redondearse en 12.

El problema es que el área asignada de cobertura del rociador, como lo indica el Artículo 5.5.2.1 de la NFPA 13, está basada en dos veces la distancia hasta la pared o la distancia hasta el próximo rociador, el que sea más elevado. Para rociadores contra incendios, 2 pies (0.6 metros) desde una pared y 13 pies (4 metros) hasta el próximo rociador, con 10 pies (3 metros) de espacio de las líneas derivadas, el área asignada de cobertura es 130 pies cuadrados (12 metros cuadrados). Sin embargo, la superficie cubierta real del piso es sólo 85 pies cuadrados (8 metros cuadrados). El área más grande se utiliza, de manera conservadora, para determinar la cantidad de agua que el rociador debe verter, y el área más pequeña se utiliza para establecer el tamaño del área remota.

Resulta bastante normal descubrir que el tamaño real de un área remota basada en el número de rociadores es demasiado pequeño. El área del piso siempre debe medirse para determinar si el tamaño del área remota es aceptable, teniendo en cuenta que los límites no pueden estar a más de la mitad de la distancia con el próximo rociador o línea derivada. Se debe utilizar el recuento de rociadores como una verificación, ya que debe haber por lo menos esa cantidad de rociadores en el área remota.
Un tercer problema para determinar el área remota es el impacto de los espacios reducidos, tales como armarios o baños, los que necesitan sólo un rociador. Según el Artículo 8.4.4.4, Excepción No. 1, de la NFPA 13, la descarga de esos rociadores no necesita incluirse en el flujo para el área remota porque tales espacios generalmente poseen cargas de combustible bajas. El área de estos espacios reducidos se incluye para determinar el tamaño total del área remota.

Puede haber una restricción para aplicar esta excepción, la que establece, "donde el área de aplicación es igual o mayor al área mínima permitida de la Figura 7-2.3.1.2." Ya que la figura cuenta con un área remota mínima de 1.500 pies cuadrados (139 metros cuadrados), no queda claro si la excepción al aplicar rociadores de respuesta rápida reduce el área remota. Una aplicación literal de la NFPA 13 no permitiría la reducción de área, pero hasta que se lo defina más claramente, es una decisión que debe tomar la autoridad con jurisdicción.

La NFPA 13 no analiza el cuarto problema de manera explícita, el impacto de las paredes en el área remota. Sólo hace comentarios sobre paredes en secciones de un edificio con un diseño diferente, y sobre el método de diseño de la habitación, que define el área remota como la habitación más grande y más remota basada en la separación de la habitación por paredes con una clasificación de incendios específica. Afortunadamente, el propósito de la NFPA 13 puede determinarse mediante criterios relacionados.

Cuando la base de diseño es diferente, una pared es un límite, según los Artículos 7.1.2, 7.3.1.2.4, y 7.4.1.5.5 de la NFPA 13. La pared no tiene que tener una clasificación contra incendios, sólo debe detener el calor.

Sin embargo, la manera en que se trata a las paredes cuando la base de diseño es la misma depende de si se está diseñando un sistema nuevo o modificando un sistema existente. Cuando se diseñan nuevos sistemas, se pueden pasar por alto las paredes en la sección del edificio con la misma base de diseño y seleccionar el área remota simplemente basándose en los rociadores adyacentes más exigentes. Sin embargo, en sistemas existentes, se debe considerar a las paredes como límites. La facilidad de ubicación ya no es el factor determinante, y se debe tener en cuenta el impacto que las paredes tendrán en el flujo de calor de un incendio. ¿Es posible crear un área remota más exigente si no tenemos en cuenta las paredes? Por supuesto. Sin embargo, puesto que este es otro tema poco claro, la autoridad con jurisdicción debe volver a definir lo que va a permitir.

Requerimientos específicos en el área remota
Una vez que se ha garantizado que los requerimientos generales del área remota son aceptables, se puede comenzar a prestar atención a los temas específicos del área remota. Un buen punto de partida es verificar que el área de cobertura de los rociadores (As) sea aceptable.

Esto es un poco más complicado cuando el techo no es horizontal porque técnicamente existen dos áreas de cobertura diferentes. Un As se aplica al espaciado máximo de rociadores para poder lograr una activación oportuna. El espaciado As se mide a lo largo de la inclinación, como se ve en la Figura 5.6.4.1.3 de la NFPA 13. El segundo As es para descarga y utiliza la distancia horizontal entre rociadores, como lo indica el Artículo 8.4.3.1 de la NFPA 13. Esto crea un área cubierta más pequeña, que se utiliza para determinar la cantidad de agua que debe descargar el rociador para la densidad aplicable, al igual que el tamaño del área remota.

Por ejemplo, el área de 130 pies cuadrados (12 metros cuadrados) de cobertura para un techo con una inclinación de 3 pulgadas en 12 —es decir, rociadores separados por 13 pies (4 metros) y líneas derivadas separadas en 10 pies (3 metros)— se reduce a 126 pies cuadrados (11 metros cuadrados) de área de piso. Cuanto más pronunciada sea la inclinación, mayor será la reducción. Una inclinación de 4 pulgadas en 12 constituye 123 pies cuadrados (11 metros cuadrados) de área de piso. La inclinación del techo también afecta el tamaño real del área remota.

Un segundo problema es el efecto que producen en el área remota los diagramas no simétricos. La NFPA 13 no exige o establece determinados esquemas de rociadores. Los únicos requerimientos para la ubicación de rociadores son el metraje cuadrado máximo permitido por rociador y su ubicación en relación a las obstrucciones. Siempre y cuando el espaciado no exceda los máximos mencionados en la Tabla 5.6.2.2(a), el diseñador puede utilizar el esquema que prefiera.

Cuando se utilizan rociadores para aplicaciones específicas, como los de cobertura extendida, el espaciado mínimo y máximo se establecen en el listado de los rociadores. Las especificaciones del fabricante proveerán la información, y ésta debe seguirse al pie de la letra. Sin embargo, siempre y cuando el esquema no exceda estos valores, el diseñador puede incluir el espaciado que desee.

Áreas asimétricas
Un área remota que no está trazada de manera simétrica hace que la revisión sea un poco más difícil, en parte porque el último rociador de la línea derivada quizás no sea el más exigente desde el punto de vista hidráulico. En esos casos, el rociador que posea el área de cobertura más amplia puede ser el más exigente.

Además, la cantidad mínima de agua que cada rociador debe descargar, definida como el área de cobertura de cada rociador multiplicada por la densidad asignada, cambiará a través del área remota.

Esto es fácil de verificar, pero se tendrá que determinar la descarga mínima requerida para cada rociador y verificar que todas las exigencias se cumplan. Esto también garantizará que el rociador más exigente reciba la cantidad de agua adecuada, donde sea que esté ubicado.
Por último, si existe una buena razón para ello, es totalmente aceptable utilizar diferentes tamaños de orificios en el área de diseño. Técnicamente, el Artículo 8.4.4.6 de la NFPA 13 establece que una sola razón es aceptable para hacer un cambio: para equilibrar el sistema de rociadores. Esto puede suceder cuando la pérdida por fricción y las diferencias de elevación provocan una suba de la presión entre el rociador inicial y los rociadores ubicados más adelante lo suficientemente grande para permitir que se descargue la densidad requerida utilizando un orificio más pequeño.

Por ejemplo, un flujo necesario de 21 gpm (79 litros), o 106 pies cuadrados (9,8 metros cuadrados) a 0.20 gpm/pies cuadrados (1,2 litros/metros cuadrados), necesita una presión inicial de 7 psi (0,482 bar) con un factor K de 8,0. Con pérdidas por fricción y cambios de elevación, la presión en la próxima línea derivada o incluso fuera del área remota se eleva, y finalmente alcanza 14 psi (0.96 bar). Con esta presión, un factor K de 5,6 producirá el flujo requerido de 21 gpm (74 litros).
Aunque esto cumplirá con la densidad requerida, no es aceptable, principalmente porque dichos cambios invalidan el argumento de que la velocidad de la presión pueden pasarse por alto y la presión total puede utilizarse para calcular la descarga de los rociadores. 

También hay cierta preocupación por el hecho de que, si se reemplazan los rociadores, se pueda instalar un orificio del tamaño equivocado. Por supuesto, esta preocupación también puede aplicarse a los cambios de orificio permitidos.
Afortunadamente, la posibilidad de instalar rociadores equivocados es menor en las instalaciones más nuevas debido a los números de identificación de rociadores que ahora exige la NFPA 13.
El sistema también puede equilibrarse mediante la instalación de un orificio calibrado en una línea derivada ubicada más adelante o en una tubería principal. Un orificio calibrado es una placa de metal con un orificio que provoca una pérdida de presión, que, a su vez, reduce el flujo de los rociadores ubicados después de la placa del orificio. Esto no está permitido porque, aunque el sistema igual puede producir el flujo requerido, el orificio puede bloquearse u obstruirse fácilmente.
Dos excepciones en el Artículo 8.4.6 de NFPA 13 dan ejemplos de situaciones en las que diferentes tamaños de orificio pueden ser aceptables en la misma área remota. Por ejemplo, una cobertura extendida o rociadores laterales en una parte de la habitación y un rociador colgante de orificios más pequeños en otra parte son aceptables, porque es fácil detectar que estos rociadores son diferentes, lo que reduce la posibilidad de un reemplazo incorrecto. También son aceptables tamaños de orificios diferentes en una habitación principal y en una habitación contigua más pequeña, como un armario, ya que las separan barreras sólidas, aún cuando dicha separación no haga nada para compensar un reemplazo incorrecto.

Esta tolerancia tampoco se limita a áreas separadas por algún tipo de barrera. Según el anexo de la NFPA 13, se pueden utilizar diferentes orificios en áreas como un vestíbulo y una habitación contigua porque el vestíbulo tiene un área de piso menor y se necesita menor cantidad de agua para cubrir la densidad necesaria para proteger un área de piso menor.

Estos temas son sólo una parte del panorama hidráulico, pero manejarlos correctamente nos ayudará a garantizar que los cálculos hidráulicos estén basados sobre fundamentos sólidos.

Steven Scandaliato es miembro de los Comités Técnicos que analizan la instalación de sistemas de rociadores y sistemas fijos de pulverización de agua.

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