Modelo numérico y validación experimental para la simulación de incendios en edificios con recintos de gran volumen (atrios)

Resumen

Resumen extendido: En sociedades modernas, industrializadas y tecnológicamente desarrolladas, como la nuestra, existe una creciente conciencia acerca de la prevención y seguridad frente a riesgos y accidentes, dentro de la cual la seguridad contra incendios representa uno de los principales aspectos a tener en cuenta. La presente tesis se centra en el estudio de incendios en recintos de gran volumen que, de ahora en adelante, serán comúnmente denominados atrios. En los últimos tiempos, este tipo de estructuras se ha convertido en un elemento común de la arquitectura moderna y pueden ser encontrados en edificios de gran altura, auditorios, centros comerciales, aeropuertos y estaciones de transporte, entre otros. El atrio representa un elemento arquitectónico innovador, complejo y no convencional que puede llevar a condiciones inducidas por un incendio que divergen significativamente de aquellas utilizadas en los códigos y normativas actuales. Los atrios son fuente de discusión dentro de la comunidad científica debido a que el humo puede propagarse fácilmente de una planta a otra, resultando de nula o de escasa eficacia las metodologías tradicionales de compartimentación. Además, la detección, control y extinción de incendios en atrios difieren enormemente de los mismos en recintos pequeños. Con estas características arquitectónicas, la dinámica de un incendio en un edificio no tiene porque corresponderse necesariamente con la de otro. Por tanto, para conseguir el diseño de una estructura segura, es necesario un apropiado entendimiento de la dinámica de un incendio y del movimiento del humo para cada edificio en particular. El estudio de los incendios en atrios, tanto experimental como numéricamente, data de los años 80. Sin embargo, realizar experimentos a escala real es muy complejo, costoso y laborioso, lo que lleva a la posibilidad de realizar únicamente un número reducido de tests. La experimentación a escala reducida es otra opción, pero no es fácil preservar las semejanzas fluidas, térmicas y de radiación al mismo tiempo. Asimismo, existen correlaciones analíticas y experimentales para el movimiento de los humos en atrios, pero sólo proporcionan información del comportamiento general y, normalmente, no son válidas para estructuras con diseños complejos como los que estas construcciones presentan. Otra alternativa es el uso de modelos numéricos avanzados para el estudio de los incendios. Gracias al creciente conocimiento de la dinámica de los incendios y movimiento de los humos, junto con la gran potencia de cálculo y mejoras y desarrollos que presentan los códigos numéricos hoy en día, la tendencia internacional actual en las normativas de ingeniería de protección frente a incendios se inclina hacia el diseño basado en prestaciones o en desempeño (perfomance-based design) y los análisis de informes de riesgo. Debido al cambio hacia los códigos basados en desempeño y en la dificultad de realizar experimentos de incendios en atrios, los modelos de incendios están siendo utilizados de manera cada vez más frecuente en el desarrollo de soluciones ingenieriles de protección contra incendios. Sin embargo, el desarrollo actual de este tipo de seguridad contra incendios necesita de más estudios de validación de los modelos numéricos utilizados. Para ello, es esencial la realización de experimentos completos y fiables a escala real. Bajo la situación actual, los dos principales objetivos de la presente tesis son los de proveer de un conjunto de datos experimentales a escala real de incendios en atrios, así como la verificación de la capacidad de dos códigos numéricos para la simulación del ambiente interior inducido por los mismos, a fin de contribuir en el entendimiento científico y en la existencia de bases de datos experimentales. Inicialmente, en el Capítulo 1, se ha realizado una descripción de las principales características de este tipo de estructuras, se han definido los diferentes tipos de escenarios de incendios que se pueden producir y se han identificado los principales problemas que aparecen en estas construcciones en caso de incendio. Como se ha comentado anteriormente, este tipo de estructuras suponen un reto para los ingenieros de seguridad contra incendios debido a reducción de la eficacia de los sistemas de rociadores automáticos, a causa de la altura, y la ausencia de separación entre plantas que pueda limitar la probabilidad de que el incendio y el humo del mismo se puedan propagar más allá de la planta de origen a otras zonas del edificio. Además, las rutas de evacuación en caso de incendio suponen una gran preocupación debido a su vulnerabilidad ante la propagación de los humos. Debido a esta problemática junto con la creciente fiabilidad y robustez de algunos códigos numéricos para simulación de incendios, la tendencia actual en seguridad contra incendios presenta un cambio hacia el diseño prestacional, el cual se apoya en gran medida en el modelado numérico. Posteriormente, se ha realizado una breve presentación de las investigaciones más relevantes en los tópicos que se han abordado en el presente trabajo. De este estado del arte, ha quedado de manifiesto que la aplicación de códigos numéricos en la investigación de incendios en atrios es cada vez más importante. De entre los modelos numéricos existentes, el uso de los modelos de campo es preferible para este tipo de estudios. Estos modelos proporcionan predicciones más fiables y precisas que las de los modelos de zona. Los modelos de campo son capaces de predecir el movimiento de los humos a lo largo del recinto, la no uniformidad térmica de la capa de humos, así como efectos tales como el mezclado de aire fresco y de humos calientes que se produce en la interfase de la capa de humos, el denominado ceiling jet, producido al incidir los humos de un penacho sobre el techo, o el plugholing, producido por la succión de aire fresco interior por parte de extractores mecánicos de humos. De este estado del arte también ha quedado de manifiesto el escaso número de estudios experimentales que se han realizado a escala real, así como la necesidad de continuar con el desarrollo y mejora de los códigos numéricos para la obtención de herramientas más precisas y versátiles para su uso en procesos de diseño y de investigación. De estas necesidades han surgido los principales objetivos de la presente tesis doctoral anteriormente comentados. En el Capítulo 2, se ha realizado una descripción detallada de la instalación experimental utilizada para la realización de los tests (Murcia Atrium Fire Tests), de la instrumentación instalada, así como de los hogares y el combustible utilizados para los mismos. Además, se ha explicado el procedimiento seguido para la realización de los experimentos, las diferentes topologías ensayadas y parámetros que han sido variados en los mismos, así como las variables que han sido registradas en el proceso de toma de datos. Las características principales y condiciones ambiente de algunos de estos tests han sido descritas con detalle. Las características y condiciones ambiente del resto han sido presentados a modo de tablas resumen. Adicionalmente, se ha realizado el estudio de la incertidumbre de las medidas que ha sido incluido en el apéndice A. En el Capítulo 3, se han descrito los códigos numéricos empleados en las simulaciones de los tests realizados. En este capítulo han sido incluidos los principales sub-modelos considerados para modelizar los fenómenos más importantes que tienen lugar en caso de incendio en un atrio, tales como la combustión, la turbulencia o la radiación. Además, se han incluidos detalles de las condiciones de contorno empleadas, así como de los esquemas de discretización y mallados utilizados. Por último, las ecuaciones resueltas por cada código numérico han sido incluidas en los apéndices B y C, y los estudios de sensibilidad de malla de las simulaciones realizadas en los apéndices D y E. En el Capítulo 4, se han presentado y discutido los resultados más importantes del presente trabajo. Tres grandes bloques han sido diferenciados. En primer lugar, se ha realizado una verificación de los tests, la cual consta de comparaciones de resultados experimentales, tales como la tasa de liberación de calor, la altura y frecuencia de llama o la temperatura de los humos del penacho, con otros resultados experimentales y correlaciones de la bibliografía técnica. Estas comparaciones han sido focalizadas, principalmente, sobre el proceso de combustión, y son necesarias para asegurar la validez de los experimentos y fiabilidad de las medidas. En segundo lugar, se han realizado diversas comparaciones numéricas con algunos de los experimentos realizados. Inicialmente, se ha estudiado el estado estacionario de un incendio dentro de la instalación utilizada en los ensayos. Para ello, se han realizado simulaciones estacionarias de algunos de los tests presentados en el Capítulo 2 mediante el código numérico comercial basado en volúmenes finitos Fluent. Posteriormente, se han realizado las simulaciones de los mismos experimentos con el código específico de simulación del flujo-inducido por un incendio y basado en diferencias finitas Fire Dynamics Simulator (FDS), y se han comparado los resultados con las medidas experimentales así como con las predicciones de Fluent. Además, se ha comparado la eficiencia computacional de cada uno de los códigos a fin de estudiar la mayor o menor idoneidad de los mismos para abordar el problema en estudio. Finalmente, se ha realizado el estudio numérico del periodo transitorio de algunos de los incendios que se han ensayado experimentalmente mediante el código FDS. En tercer y último lugar, se han esgrimido algunas consideraciones a cerca de las simulaciones numéricas. Adicionalmente, las medidas experimentales más significativas de los experimentos incluidos en el Capítulo 4, así como otros no incluidos, han sido presentadas en formato de tablas en el apéndice F. Por último, en el apéndice G se han incluido comparaciones numérico-experimentales, con FDS, de los tests adicionales del apéndice F. Por último, en el Capítulo 5, se han expuesto los principales aportes y conclusiones del presente trabajo. Experimentalmente, el aporte más significativo de la tesis es la generación de una base de datos experimentales a escala real de incendios en atrios. Un total de 19 experimentos han sido realizados en el atrio del Centro Tecnológico del Metal de Murcia, de 20 m3 aproximadamente. Los incendios han sido generados quemando heptano líquido en bandejas circulares situadas en el centro de la nave. Las potencias de estos tests están comprendidas entre los 1.4 MW y los 7.2 MW, las condiciones de ventilación ensayadas han sido de ventilación natural, mixta y forzada, y las áreas de entrada de aire por las rejillas de ventilación, ubicadas en la parte baja de la nave, han sido variadas tanto en su distribución como en el porcentaje de apertura. Todo ello convierte al conjunto de datos generado en una pieza importante y de gran valor que puede servir tanto como contribución al aumento del conocimiento a cerca del tipo de incendios estudiados, como de base de datos para la validación, desarrollo y mejora de códigos numéricos. Además, se ha realizado un breve estudio cualitativo de la influencia de la tasa de extracción de humos en la formación y descenso de la capa de humos, incluido en el apéndice H. Como consecuencia de la realización de los ensayos experimentales se ha adquirido una gran experiencia en la realización de este tipo de experimentos. Numéricamente, como se ha comentado anteriormente, se han utilizado dos códigos diferentes. El primero de ellos ha sido el código Fluent, uno de los códigos numéricos más popularmente utilizados para el estudio de problemas fluidos ya que, por una parte, presenta un gran número de sub-modelos que permiten abarcar un gran abanico de fenómenos y, por otra, el estar basado en volúmenes finitos lo convierte en una herramienta muy potente capaz de simular geometrías muy complejas. Sin embargo, el hecho de ser un modelo tan generalista hace que sea complicado sintonizar los sub-modelos utilizados en las simulaciones aquí presentadas. También, ha resultado ser un código computacionalmente costoso para este tipo de simulaciones comparado con el segundo código utilizado (FDS). Respecto a las comparaciones de las simulaciones del estado estacionario de los tests con las medidas experimentales, Fluent ha mostrado un buen grado de acuerdo en las partes altas del campo lejos de la llama (h > 10 m), con diferencias inferiores al 25 %. En las partes más bajas del campo lejos de la llama, el acuerdo no es tan bueno, con diferencias comprendidas entre el 15 % y el 50 %. En cuanto a la zona central cercana a la llama, Fluent sobre-predice las temperaturas inducidas en el penacho de humos. Estas diferencias disminuyen con la altura, siendo inferiores al 20 %, para la potencia menor simulada, e inferiores al 35 %, para la siguiente potencia simulada, por encima de h = 13 m. En la zona de las rejillas, Fluent no predice prácticamente ningún aumento de la temperatura, aunque los valores de velocidad del aire por las mismas son del orden de los registrados experimentalmente. Finalmente, se ha desarrollado una metodología de simulación de este tipo de problemas con este código numérico que podrá ser de utilidad para otros investigadores y diseñadores. El segundo código numérico ensayado ha sido el FDS, tanto para la simulación del estado estacionario como del transitorio de un incendio en la nave empleada en esta tesis. Este código, al igual que Fluent, ha mostrado predecir bien las temperaturas del estado estacionario de un incendio en las partes altas de la instalación, mientras que presenta mayores discrepancias en las partes más bajas de la zona alejada y cercana al foco térmico. De la comparación realizada con Fluent, FDS ha mostrado ser mucho más eficiente computacionalmente. Además, FDS trabaja siempre en estado transitorio y permite simular, en tiempos computacionales razonables, la evolución temporal de los incendios. Por esta razón, FDS ha sido utilizado para la simulación del periodo transitorio de los tests realizados. Para ello, se han simulado los experimentos presentados, abarcándose todas las potencias ensayadas. Los resultados de las simulaciones más representativas han sido incluidos en esta tesis. En general, FDS predice correctamente la evolución de las temperaturas en las partes más elevadas de la nave, sobre todo en la zona de los extractores. El acuerdo es igualmente bueno a las alturas de h = 15 m y h = 10 m en las zonas cercanas a las paredes, con diferencias inferiores al 10 % en general. En las partes inferiores de la nave las diferencias son mayores. En la zona central de la nave (zona del penacho), FDS sobre-predice normalmente las temperaturas, aunque las diferencias disminuyen con la altura, siendo inferiores al 20 % por encima de h = 9 m y con la potencia del incendio. A h = 5 m cerca de las paredes, FDS no predice con precisión las temperaturas, sub-prediciendo o sobre-prediciendo las mismas en función de si la capa de humos alcanza con dificultad o facilidad esta altura, respectivamente. Adicionalmente, el descenso de la capa de humos ha sido calculado y comparado con las predicciones del código, obteniéndose un buen grado de acuerdo. En resumen, ambos códigos numéricos han demostrado predecir razonablemente bien los campos fluidos y térmicos inducidos por un incendio para el caso en estudio. Los modelos de campo permiten predecir las evoluciones de las temperaturas, el movimiento del humo por el recinto e identificar las zonas más sensibles e importantes a tener en cuenta. Con esta técnica, se podrán realizar diseños óptimos de seguridad contra incendios así como de rutas y protocolos de evacuación seguros.