Sistemas hidráulicos fijos para el combate de incendio en túneles viales
      Olvido su clave?  

 

Artículo Seleccionado >>

Sistemas hidráulicos fijos para el combate de incendio en túneles viales

Por Kenneth J. Harris, P.E., y Bobby J. Melvin, P.E.

La edición 2008 de NFPA 502, Norma para túneles viales, puentes y otras carreteras de acceso limitado, modificó su perspectiva sobre los sistemas hidráulicos fijos para el combate de incendio (FFFS, por sus siglas en inglés) en aplicaciones de túneles viales. Estos son sistemas de diluvio de boquilla abierta que descargan agua sobre una zona determinada para brindar una aplicación hidráulica inmediata sobre el incendio y el área circundante. El Anexo E de la norma NFPA 502 brinda excelentes antecedentes sobre la historia de la aplicación de los sistemas FFFS en túneles viales, además de información actual y orientación de diseño para ingenieros, operadores y socorristas de emergencia, para ser utilizada cuando se considere su incorporación en nuevos túneles viales.

Las experiencias de los últimos años han demostrado que los incendios en túneles viales pueden tener grandes tasas de liberación de calor en incendios (FHRR, por sus siglas en inglés) aún con cargas que normalmente no se consideran riesgosas. El incendio de marzo de 1999 en el túnel Mont Blanc, que se extiende entre Francia e Italia, es uno de los mejores ejemplos[1]. El incendio inicial desatado en una carga de manteca y harina fue tan intenso que se extendió a otros vehículos, ocasionando la muerte a 39 personas. Los cálculos colocan la FHRR en 70 a 200 megavatios, que es el rango actual de vehículos de carga pesada en la NFPA 502.

El 12 de octubre de 2007, ocurrió otro incendio de envergadura en el túnel I-5 Newhall Pass de 550 pies (168 metros) de longitud, ubicado cerca de Santa Clarita, California, cuando un camión derrapó y chocó contra una barrera de seguridad en la entrada del túnel. Los restos generados provocaron el choque de dos camiones cerca de la salida del túnel, lo que a su vez causó la colisión de más camiones y un automóvil dentro del túnel en una reacción en cadena. Treinta camiones con remolque y un automóvil se vieron involucrados en el subsiguiente incendio, en el que murieron 3 personas y 10 resultaron heridas. El túnel sufrió daños de consideración y las reparaciones pudieron finalizarse recién el 15 de noviembre, cinco semanas después.

El 23 de marzo de 2007 en Australia, hubo un accidente de características similares en el túnel Burnley de 11.200 pies (3.400 metros) de longitud, pero el resultado fue diferente. El accidente ocurrió cuando un camión sufrió desperfectos en el carril izquierdo del túnel y dos automóviles que venían detrás aminoraron la marcha para tratar de pasar al carril central. Detrás de los dos automóviles, otro camión también trató de pasar a la derecha pero colisionó con vehículos ubicados en los carriles izquierdo y central, lo que provocó un choque múltiple en cadena en el que se vieron involucrados cuatro automóviles y tres camiones. Los FFFS y los sistemas de ventilación se activaron de inmediato, y aproximadamente 400 personas fueron evacuadas, 3 de las cuales fueron llevadas al hospital. Aunque el informe de investigación todavía no se ha publicado, los informes iniciales señalan que tres personas murieron en la colisión inicial. El túnel volvió a abrirse a los cuatro días.

Los FFFS del túnel Burnley pueden haber sido un factor importante en la reducción de daños al túnel, y sus operadores deberían considerar esa posibilidad cuando contemplen las diferentes medidas de protección contra incendio.

Diseño del proyecto de investigación
Parsons Brinckerhoff (PB), una empresa consultora sobre ingeniería, realizó un estudio para evaluar la efectividad de los FFFS en un par de túneles viales urbanos[2]. El estudio incluyó sistemas existentes de investigación, modelos computarizados de sistemas fijos de combate de incendio en un túnel, y pruebas comparativas efectuadas por terceros con los resultados del modelo.

El estudio evaluó tres tipos de sistemas fijos de supresión de incendio caracterizados por el diámetro medio de la gota de pulverización de agua. Los sistemas fueron el de gotas grandes (1.400 micrones), el de gotas estándar (700 micrones) y el de agua nebulizada de alta presión (50 a 100 micrones).

Se utilizaron dos escenarios modelo. El primero fue una tasa de liberación de calor en incendio (FHRR) constante de 100 megavatios (341 MBtu/hora) que representaba un caso extremo en el que el agua no tenía efecto sobre la FHRR pero sí sobre el calor irradiado, la temperatura y la visibilidad. El mismo, representa una aplicación durante incendio de gran envergadura. El segundo, consistió en un incendio en crecimiento y mostraba los efectos de una aplicación hidráulica temprana en la reducción de la FHRR.

Los modelos se realizaron mediante Simulador Dinámico de Incendios (FDS, por sus siglas en inglés), Versión 4, un programa de dinámica computacional de fluidos desarrollado por el Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST, por sus siglas en inglés)[3]. El FDS, que ha estado en desarrollo en el Laboratorio de Investigación de Incendios en Edificios del NIST por más de una década, está diseñado para simulaciones de incendio y puede simular el funcionamiento de ventilaciones, detectores y sistemas de diluvio.

El túnel modelado tenía una longitud de 399 pies (120 metros), un ancho de 49 pies (15 metros) y una altura de 23 pies (7 metros) con un nivel de tierra plano. Se colocó en el centro una fuente de incendio que representaba un camión de carga pesada, y las simulaciones se llevaron a cabo con una protección sobre el incendio para desviar la aplicación directa de agua y sin una protección. En todos los casos simulados, se introdujo una tasa de ventilación longitudinal de 3 metros por segundo (600 pies por minuto) desde un portal. Se utilizó una reja de boquilla de 10 pies (3 metros) por 12 pies (3,7 metros) en una zona de 49 pies (15 metros) de largo. Para boquillas de gotas estándar y  grandes, se utilizó una densidad de diseño de 0,14 milímetros por segundo (0,20 galones por minuto por pie cuadrado). Para agua nebulizada de alta presión, se utilizó una densidad de diseño de 0,051 milímetros por segundo (0,08 galones por minuto por pie cuadrado). Esta densidad reducida fue congruente con las recomendaciones de los proveedores de sistemas de agua nebulizada de alta presión. Los sistemas de agua nebulizada de alta presión que utilizan boquillas de densidad más baja requieren menos agua, y por lo tanto los requisitos de abastecimiento y drenaje se ven reducidos.

Tasa constante de liberación de calor en incendios
Para el caso de la tasa constante de liberación de calor, se analizaron la temperatura, la visibilidad y el calor irradiado (ver Tabla 1). Se seleccionaron las ubicaciones del cielorraso para dar una indicación del efecto sobre la estructura. El nivel del cabezal descendente indica si el medio podría ser sostenible para una evacuación. Los encabezados de la tabla brindan los valores de temperatura entre paréntesis para el caso sin supresión. Para un incendio sin protección, se previeron reducciones significativas de temperatura en la mayoría de los casos. Las temperaturas directamente sobre el incendio fueron un poco superiores para el agua nebulizada de alta presión; estas resultaron significativamente más bajas en sentido descendente. Para incendios con protección, los efectos fueron aún más pronunciados. Los tres sistemas brindaron una reducción de temperatura significativa.

Tabla 1. Resumen de resultados de la tasa constante de liberación de calor vs. casos sin supresión
tunnel fire table1

La visibilidad para incendios con y sin protección fue similar. La visibilidad en sentido descendente al incendio no sufrió grandes cambios con boquillas de gotas grandes, se vio reducida en forma significativa con boquillas de gotas estándar, y se eliminó por completo con agua nebulizada de alta presión. Cabe destacar que la visibilidad en sentido descendente se midió cerca del incendio. A mayores distancias, se esperaría que la capa de humo descendiera si se aplicara supresión o no. La visibilidad forma parte de los criterios para las condiciones de evacuación sostenibles. Aunque el nivel de visibilidad es muy bajo, las temperaturas previstas no soportarían las condiciones de evacuación sostenibles en sentido descendente del incendio, incluso con un sistema fijo de supresión de incendio.

En la Figura 1 se presenta una ilustración gráfica de esto, que muestra una serie de láminas de visibilidad cortadas en forma longitudinal y lateral dentro del túnel. Estas muestran la visibilidad de un incendio con protección antes y después de la activación del sistema. Como puede verse, la visibilidad es pobre antes de la activación y se reduce más después de activarse la supresión.

Figura 1. Visibilidad en metros antes de la activación del sistema (azul=visibilidad cero)
tunnel fire figure1 500 esp

En todos los casos, los sistemas fijos de supresión redujeron los niveles de calor irradiado previstos para incendios con protección. El calor irradiado afecta la capacidad de los bomberos para enfrentar un incendio, además de la capacidad de propagación de un incendio. Los experimentos han demostrado que los bomberos pueden soportar un nivel de calor irradiado de 5 kilovatios por metro cuadrado durante por lo menos siete minutos. Sin embargo, para que un bombero pueda soportar una exposición de 20 minutos, el nivel de radiación no puede superar los 2 kilovatios por metro cuadrado. La Figura 2 muestra los niveles de calor irradiado en forma longitudinal para cada sistema.

Figura 2. Niveles de calor irradiado medidos a 10 pies (3 metros) del incendio
tunnel fire figure2 425 esp

Tasa de liberación de calor en incendios en crecimiento
Para el modelo de un incendio en crecimiento, los investigadores evaluaron la capacidad de cada sistema de controlar la magnitud de la FHRR. Dado que los sistemas de gotas grandes funcionan idealmente donde es necesaria una gran masa de agua para penetrar la base del incendio y no funcionan tan bien cuando el incendio tiene protección, sólo se evaluaron los sistemas de gotas estándar y agua nebulizada de alta presión para la tasa de liberación de calor en incendios en crecimiento. El montaje del modelo fue similar al de la tasa constante de liberación de calor en incendios, y ésta se trazó en el tiempo para incendios con y sin protección. La activación de la ventilación y de los FFFS se señala para cada escenario. La activación de los FFFS ocurrió justo antes de la combustión súbita generalizada.

Resultados de la simulación
La Figura 3 muestra el efecto de un sistema de supresión en un incendio bien protegido en crecimiento sometido a ventilación longitudinal. En todos los casos, la ventilación brinda un efecto significativo de refrigeración, lo que reduce la FHRR efectiva en cerca de 10 megavatios. Finalmente, el incendio se reagrupa y comienza a crecer de nuevo. La supresión se activa justo antes de la combustión súbita generalizada a los 240 segundos.

Figura 3. Incendio en crecimiento con proteccióntunnel fire figure3 500 esp

En este caso, la introducción de la supresión tiene poco efecto sobre la FHHR en comparación con el incendio sin supresión porque las gotas más pesadas se encuentran protegidas del incendio y las más livianas en su mayoría son eliminadas mediante el flujo de ventilación. No pueden acumularse en la base del incendio con una concentración suficiente como para enfriar los combustibles en forma significativa.

La Figura 4 ilustra el efecto de un sistema de supresión en un incendio en crecimiento sin protección con la influencia de ventilación longitudinal. La supresión se activa justo antes de la combustión súbita generalizada, que en este caso ocurre a los 120 segundos. Al igual que con el incendio con protección, las gotas del sistema de agua nebulizada no producen una reducción significativa en la FHRR. El sistema de gotas estándar, con una buena distribución de gotas finas y más grandes, reduce radicalmente la FHRR porque las gotas más grandes pueden penetrar la base del incendio.

Figura 4. Incendio en crecimiento sin protección
tunnel fire figure4 500 esp

Aunque el desempeño de la supresión con gotas estándar parece ser una ventaja significativa para los incendios sin protección, la mayor parte de los incendios en túneles serán en incendios vehiculares bien protegidos, y no se obtendrá el beneficio total de las gotas más grandes. Los incendios de magnitud del tipo que se indica aquí probablemente ocurrirán en los acoplados abiertos de los vehículos de carga pesada. Aunque estos incendios son bastante menos comunes, representan el escenario de diseño tradicional de un incendio que crece en gran magnitud a mucha velocidad. Sin embargo los resultados de la simulación sugieren que un sistema de supresión de gotas estándar puede limitar un incendio al vehículo de origen, ya que la propagación de un incendio de vehículo a vehículo es comúnmente un fenómeno sin protección.

Otras consideraciones
El FDS tiene ciertas limitaciones en sus algoritmos, y a través de los modelos pudieron verse estas limitaciones. Todos los flujos son de velocidad baja, y se utilizó geometría rectilínea para los modelos del túnel y de la estructura del incendio. Se puede esperar que la confiabilidad de la tasa fija de liberación de calor sea mayor a la confiabilidad de los incendios en crecimiento porque las propiedades del combustible elegido pueden variar significativamente con respecto a las de los combustibles reales y el proceso de combustión puede ser diferente al supuesto. Sin embargo, en este caso el objetivo era estudiar la tasa de liberación de calor en incendios, por lo que el proceso de combustión real no es tan importante. Para acelerar el tiempo de cómputo, el FDS simplifica algunos cálculos sobre combustión y radiación. Estas limitaciones deberían comprenderse cuando se interpretan los resultados.

Programas de prueba
Los investigadores reconocieron desde el comienzo que los modelos sin alguna clase de validación serían interesantes pero no concluyentes. Las búsquedas de información revelaron que con anterioridad se habían llevado a cabo pruebas a escala real de FFFS, pero no necesariamente con modelización. Los resultados de las pruebas se analizaron para confirmar resultados o tendencias de los modelos y para ver qué otros fenómenos pueden estar ocurriendo.

Modelización de FDS
El Instituto Nacional Sueco de Pruebas e Investigación[4] realizó un estudio que incluyó un análisis comparativo de sistemas fijos de supresión basados en el diámetro medio de las gotas. Aquí, se llevaron a cabo las simulaciones de FDS para incendios en contenedores de embarque a bordo de barcos utilizando sistemas de gotas estándar y agua nebulizada de alta presión. Para el sistema de gotas estándar, se utilizó una densidad de diseño de 0,26 milímetros por segundo (0,38 galones por minuto por pie cuadrado) y para el agua nebulizada de alta presión se utilizaron 0,04 milímetros por segundo (0,06 galones por minuto por pie cuadrado). Los resultados demostraron que ambos sistemas redujeron la FHRR y evitaron que el incendio se propagara a contenedores adyacentes.

Esto es congruente con la modelización de PB, teniendo en cuenta las características de combustión de los materiales utilizados.  Estas simulaciones representan un caso más ideal para los sistemas de agua nebulizada porque el incendio quedó restringido en un área cerrada con relativamente poca ventilación. A pesar de que la densidad de aplicación de agua que se utilizó en el sistema de gotas estándar era mucho más elevada que en las simulaciones de PB, el sistema de agua nebulizada funcionó igualmente bien.

Programas de prueba a escala real en túneles
Hace varios años se vienen llevando a cabo una serie de programas de prueba en túneles viales para evaluar el desempeño de sistemas tradicionales de diluvio de gotas estándar. Recientemente, se realizaron varios programas en sistemas de agua nebulizada de alta presión.

Sistemas de rociadores tradicionales de gotas estándar
Hace poco se llevaron a cabo una serie de programas en el segundo túnel Benelux en los Países Bajos, además de varios en Japón, para evaluar los beneficios y limitaciones de la supresión fija contra incendio. En el segundo túnel Benelux, las pruebas se orientaron hacia el desempeño de los FFFS en relación a su capacidad de prevenir la propagación del incendio, de controlar la temperatura del túnel y de extinguir los incendios[5]. En los incendios de hasta 20 megavatios (68 MBtu por hora), estos sistemas controlaron muy eficientemente la temperatura y evitaron la propagación del incendio a un camión cisterna adyacente con líquido inflamable. En una prueba de un incendio con protección en la que se utilizó una activación temprana de supresión, el incendio alcanzó un máximo de FHRR de 6 megavatios (20 MBtu por hora).

En una prueba final con una carga similar, se permitió que el incendio continuara y traspasara su protección. La FHRR calculada fue de 13 megavatios (44 MBtu por hora). Después de quemar la protección, el incendio se convirtió en uno sin protección y el sistema fijo de combate de incendio lo apagó de inmediato. Esto refleja la capacidad del sistema fijo de combate de incendio para limitar el tamaño del incendio y extinguirlo. En ningún caso las temperaturas del camión cisterna adyacente alcanzaron límites peligrosos.

La prueba realizada en Futatsugoya, Japón, demostró resultados congruentes[6,7]. Estuvo compuesta por tres camiones medianos, tres camionetas para entregas, e incendios de charco de 22, 43 y 65 pies cuadrados (2, 4 y 6 metros cuadrados). Los incendios con protección no se extinguieron, pero la FHRR se redujo, los chorros de humo se enfriaron y se evitó la propagación del incendio a otros vehículos. El incendio sin protección se extinguió con rapidez.

Sistemas de agua nebulizada de alta presión
Con la llegada de los sistemas de agua nebulizada de alta presión como una opción para la supresión de incendios en túneles, una serie de propietarios ha realizado programas de prueba a escala real en túneles[8,9,10]. En estas pruebas, la densidad de la aplicación de agua fue significativamente menor a la utilizada en sistemas tradicionales de gotas estándar, desde un cuarto hasta un décimo de la cantidad.

Una vez más, los resultados de la prueba fueron congruentes con las simulaciones. La reducción de la FHRR en incendios de criba de madera se ubicó en el rango del 40% al 80%. El peor desempeño ocurrió en pruebas en las que se utilizaron mercancías de un calor de combustión muy elevado y de ventilación fuerte. En estos casos, al igual que en las simulaciones, la reducción de la tasa de liberación de calor fue de tan sólo 20%. Resultó muy difícil la extinción total del incendio tanto con protección como sin protección. Como se esperaba, hubo una reducción en la temperatura del túnel y se evitó la propagación del incendio.

Detección y activación
Los FFFS que se han puesto en servicio fueron diseñados para activarse manualmente desde un centro de control, lo que permite al operador verificar el incendio y confirmar su ubicación. NFPA 502 requiere que la detección automática ubique un incendio dentro de 50 pies (15 metros). Desafortunadamente, los sistemas convencionales de detección de incendios en túneles tienen ciertos problemas para realizar esta función principalmente porque la mayor parte de los sistemas de detección utiliza la transmisión aérea de productos de la combustión. El medio ambiente del túnel incluye grandes movimientos de aire prevenientes del tránsito de vehículos, viento y ventilación, lo que imposibilita que estos dispositivos detecten un incendio a tiempo o que determinen su ubicación con la precisión requerida para activar un FFFS. Un estudio reciente publicado por la Fundación para la Investigación de Protección contra Incendios11 ofrece una evaluación del desempeño de varios tipos de sistemas de detección de incendios en túneles.

Resumen
La prueba de modelos y a escala real de una serie de sistemas fijos de combate de incendios demuestra que estos pueden ofrecer beneficios significativos en la seguridad humana contra incendios y en la protección de estructuras en túneles ya que:

  • Reducen la propagación del incendio.
  • Reducen la temperatura del aire y de las superficies circundantes.
  • Reducen la tasa de liberación de calor en incendios.
  • Evitan la propagación del incendio hacia otros vehículos.
  • Ofrecen una respuesta inmediata mientras el incendio es de dimensiones pequeñas.

La información publicada de programas de prueba a escala real en túneles demuestra que los incendios sin protección con tasas de liberación de calor similares a las de los modelos pueden extinguirse por completo mediante sistemas tradicionales de diluvio de gotas estándar.

Al decidir implementar un FFFS, deben considerarse ciertos factores como la geometría específica del túnel, el tipo y la cantidad de combustibles y los riesgos intrínsecos a dicho túnel. También deben desempeñar un papel de importancia los requisitos de drenaje y la disponibilidad del abastecimiento de agua, además de los requisitos de almacenamiento de agua. Debe apreciarse el beneficio de una respuesta rápida del sistema e incluirse dentro de los sistemas de detección de incendio y de la planificación de operaciones.

Las simulaciones realizadas por PB y los resultados de los programas de pruebas a escala real, han demostrado sistemáticamente la capacidad de los FFFS de reducir los impactos de los incendios en túneles. Los costos de estos sistemas deben contraponerse a las pérdidas potenciales para los operadores de túneles y las comunidades cercanas.

Kenneth J. Harris, Ingeniero, y Bobby J. Melvin, Ingeniero, trabajan para Parsons Brinckerhoff en Sacramento, California.

REFERENCIAS

  1. Pierre Duffé, Inspector General, y Michel Marec, Ingeniero del Estado de puentes y carreteras, Informe del grupo de trabajo para la investigación técnica del incendio del túnel vehicular Mont Blanc ocurrido el 24 de marzo de 1999, Ministro del Interior, Ministerio de Equipamiento, Transporte y Vivienda, 30 de junio, 1999.
  2. Harris, Kenneth J., y Melvin, Bob J., "Hot Topic," (Tema caliente), ITS International, septiembre/octubre 2007.
  3. McGrattan, Kevin, Instituto Nacional de Normas y Tecnología, Guía de referencia técnica del programa Fire Dynamic Simulator (Version 4), julio de 2004.
  4. , K., y Stensaas, J.P., Medidas para el alivio de incendios, para el Segundo Simposio Internacional, Lausanne, 2006.
  5. POpstadrueba de seguridad en proyectos, Informe sobre pruebas de incendio, informe sobre pruebas de incendio realizadas en el segundo túnel Benelux, Países Bajos, para la Dirección de Obras Públicas y Administración Hidráulica, Centro para la seguridad en túneles.
  6. Mashimo, H., Instituto de Investigación de Obras Públicas, Tsukuba, Japón, Mizutani, T., Centro de Investigación Avanzado de Obras Públicas, Tokio, Japón, Estado actual de seguridad en túneles en Japón, 2002.
  7. Chiyoda Engineering Consultants, Rociadores en túneles viales japoneses, informe solicitado por el Centro para la seguridad en túneles del Ministerio de Transporte de los Países Bajos, 2001.
  8. Mawhinney, J.R., e Ingason, H., "Approval Testing of a Hi-Fog Water Mist System for Fire Protection of Highway Transport Tunnels for Heavy Goods Vehicles," (Pruebas de aprobación de un sistema de agua nebulizada Hi-Fog para protección contra incendio de túneles de transporte en carreteras para vehículos de carga pesada), Informe sobre prueba de incendio, Pruebas de incendio de la serie de San Pedro De Anes sobre incendios en túneles de transporte en carreteras, 2 al 27 febrero, 2006, Informe N° HAI-5022-010-2-D, Hughes Associates Inc., 23 de julio 2006.
  9. Weatherill, Alan, BG Consultants, y Guigas, Xavier, Cofiroute, Francia, “Dynamic Fire and Water Mist Tests for the A86 Tunnel” (Pruebas de incendios dinámicos y agua nebulizada para el túnel A86), noviembre, 2005.
  10. Arvidson, A., Axelson, J., Simonson, y M., Tuovinen, H., Instituto Nacional Sueco de Pruebas e Investigación, “Fire Safety Approach on the Deso Ropax” (Enfoque de seguridad de incendio en el Deso Ropax), enero, 2006
Compartir:

Nosotros

Quiénes Somos

La National Fire Protection Association (NFPA) es la fuente de códigos y normas que gobiernan la industria de protección contra incendios y seguridad humana.

Suscripción al NFPA JLA
NFPA JLA E-Newsletter

Hemos actualizado nuestra política de privacidad, que incluye como son recolectados, usados y compartidos sus datos personales. Al usar este sitio, usted acepta esta política y el uso de cookies