Simulaciones de incendio con el modelo de campo FDS

Aunque existen varias aplicaciones informáticas que abordan este asunto con modelos de campo, uno de los más utilizados es el FDS (Fire Dynamics Simulator) desarrollado por el NIST (National Institute of Standards and Technology, EE.UU.) que es de acceso gratuito. Para facilitar la entrada y salida de datos desde un entorno gráfico existe una aplicación de pago llamada Pyrosim que utiliza FDS como el motor de cálculo.

Introducción de datos

• Representación geométrica: El primer paso consiste en introducir la geometría en 3D del edificio o sector bajo análisis, ya que establece el contorno con sus aberturas y distribución de elementos interiores en el que se simulará el incendio y se estudiará el desarrollo en el tiempo. Pyrosim facilita la importación de archivos en CAD. A los elementos físicos se les puede asignar materiales que determinarán su comportamiento térmico, los cuales se definen como superficies con sus correspondientes espesores y que no tienen por qué coincidir con el grueso representado físicamente del elemento.
• Cargas de fuego: es necesario introducir en el modelo los elementos combustibles existentes en los recintos donde se desarrolle o pueda extenderse el incendio. Estos supondrán las cargas de fuego principales que alimenten y determinen su evolución. El programa suele disponer de una biblioteca de los materiales más habituales con sus principales características relativas a su comportamiento frente al fuego: entalpías de combustión y vaporización, reacciones de pirólisis, tasas de liberación de calor o de pérdida másica, productos resultantes de la combustión, y un largo etcétera.
• Hipótesis del escenario: el inicio y desarrollo de un incendio depende de la confluencia de una serie de circunstancias que pueden variar para un mismo escenario. Hay unas condiciones iniciales como la temperatura ambiente interior y exterior, el viento, etc. Luego están condiciones que pueden variar en el tiempo: recintos a incluir en el proceso de simulación, selección de elementos iniciadores del incendio, estado de apertura de huecos entre recintos o al exterior, iniciación del funcionamiento de sistemas de ventilación y de extinción, descarga del agente extintor (agua o gas) …
• Curva del incendio: definir la potencia que tendrá el incendio en el tiempo es el elemento fundamental de la simulación, pues termina siendo el «motor» que genera la llama y las elevadas temperaturas y velocidades de los gases, de modo que subestimar esta potencia conlleva a resultados inferiores a los posibles en un escenario real. La curva se puede definir como una superficie de «quemador» que tendrá los parámetros de potencia en el tiempo que le prefijemos, o puede dejarse que el programa vaya calculando la propagación a nuevos materiales a medida que en una celda donde se encuentren se alcance la temperatura de ignición. Asimismo, se puede definir una extinción del fuego, sea por temperatura o por un coeficiente de extinción experimental.

• Mallado de las celdas: la discretización en el espacio afecta la precisión de los resultados, pues a menor tamaño de celda mayor exactitud. Como contrapartida, esto Incide directamente en el tiempo necesario para calcular la simulación y en la memoria necesaria para llevarla a cabo. Valores de 15, 20 o 25 cm de tamaño de celda se consideran suficientemente precisos para analizar el comportamiento del humo del incendio en grandes volúmenes. En fases iniciales del estudio se pueden utilizar valores mayores para reducir el tiempo de la simulación.
• Duración de la simulación: determina el tiempo real de la evolución del incendio a calcular y que comienza con la ignición de las cargas de fuego dispuestas como elementos iniciadores del mismo. El motor de cálculo FDS analiza tanto el comportamiento del humo como del fuego del incendio, permitiendo obtener datos para el estudio de la de evacuación de los ocupantes del edificio, o las temperaturas que puedan afectar elementos estructurales.

¿Qué datos se obtienen tras el proceso de simulación?

Una vez que el motor de cálculo FDS finaliza el proceso de simulación, el programa proporciona una serie de parámetros en hojas de datos (.csv) que pueden visualizarse gráficamente en forma de curvas en el tiempo. Entre los distintos datos que se pueden obtener se encuentran:

• Activación de detectores de humo o calor.
• Activación de rociadores.
• Temperaturas en la capa de humos.
• Altura libre de humos.
• Temperatura en rociadores o detectores de calor.
• Grado de oscurecimiento de los humos en detectores de humo.
• Flujos a través de aberturas.
• Temperaturas en las superficies y el interior de elementos estructurales en el tiempo.

También es posible visualizar de manera gráfica el entorno en 3D (mediante el programa Smokeview del NIST o el visualizador de Pyrosim) representando el humo y las llamas generados, la evolución de propiedades como temperaturas, velocidades, oscurecimiento de los humos (o alternativamente la visibilidad), concentración de productos tóxicos de la combustión en planos horizontales o verticales o en coloreado en 3D. Estos gráficos permiten al proyectista analizar el comportamiento del edificio, sus sistemas de evacuación de humo y control de temperatura, el desarrollo de una posible evacuación o intervención de bomberos.

En las siguientes imágenes se puede ver un recinto ferial de 17 m de altura y 23.000 m² con rociadores y sistema de evacuación de humos por ventilación mecánica, en el que se observan las condiciones en el tiempo para un fuego alto de 25 MW según la UNE 23585 que termina activando 33 rociadores.