Conceptos de los sistemas de control de humo.

La última década ha sido testigo de cambios drásticos en diseño y evaluación de sistemas de control de humo. 

Ciertos códigos de construcción como el  el  International Building Code® (IBC), contenían solo requisitos y lineamientos muy básicos y genéricos en sus recomendaciones para el diseño de sistemas de control de humo y sistemas de escape de gran volumen de humo.

Para ambos tipos de sistemas, tanto los de control de humo por zonas, requeridos generalmente en los edificios de gran altura y los sistemas de escape de gran volumen implementados para espacios de tipo atrio, generalmente requerían la provisión de seis cambios de aire por hora desde la zona de origen del incendio, (sistema mecánico).

Este requerimiento de 6 cambios de aire no estaba basado en la dinámica del fuego ni tampoco en el desempeño del mismo para manejar el volumen de humo, por eso la efectividad en este tipo de enfoque variaba ampliamente según la geometría del espacio que se estaba protegiendo en cada instalación, pudiendo no brindar un nivel mínimo adecuado para la protección de las personas.

Durante muchos años, teniendo en cuenta solo este requisito de 6 cambios de aire, fue que los ingenieros de termo/mecánica en muy pocas ocasiones buscaron soporte o revisión de los proyectos, aprovechando la experiencia de los ingenieros de protección contra incendios para la revisión de los  diseño de sistemas de control de humo, debido a la simpleza de los requisitos solicitados por los códigos inicialmente, y esto se ha transformado en muchas ciudades en una práctica habitual transmitida de boca en boca, sin generar ningún tipo de repregunta en la implementación de estos sistemas.

A mediados de los años 90 comenzaron a difundirse algunos documentos que incluían recomendaciones de buenas prácticas y de diseño, que aumentaron enormemente el enfoque técnico aplicados a los sistemas de control de humo. Se introdujeron cálculos para revisar las diferencias de presión necesarias para contener el humo en los sistemas por zonas y para estimar la cantidad de humo producida por incendios en grandes espacios.

En los últimos años, NFPA 92, Estándar para sistemas de control de humo ha evolucionado a partir de dos estándares que consideran el diseño de manejo del humo en grandes espacios voluminosos del diseño de presurización de escaleras, control de humo por zonas y elevadores, vestíbulos y áreas de refugio de humo.

En 2011, NFPA 92A, Estándar para sistemas de control de humo que utilizan barreras y diferencias de presión se unió  con la NFPA 92B, Estándar para sistemas de gestión de humo en centros comerciales, atrios y grandes espacios de sistemas de control de humo en centros comerciales, atrios y áreas grandes, conformando así la edición actual de NFPA 92.

Actualmente, NFPA 92 contempla los tipos de sistemas de control de humo en dos categorías principales:

– Contención de humo 

– Manejo del humo. 

Un sistema de contención de humo es aquel que utiliza diferenciales de presión a través de una barrera utilizando medios mecánicos. Un sistema de gestión de humo es aquel que utiliza sistemas naturales o mecánicos para mantener un entorno sostenible para espacios de gran volumen o reduce el movimiento de humo entre la zona de origen y cualquier espacio que tenga comunicación directa con esa zona.

Esta consideración tiene varios enfoques de diseño para cada tipo de sistema. En la categoría de contención de humo, los tipos de sistemas pueden incluir: 

–  Presurización de escaleras

–  Presurización de ascensores 

–  Presurización por zonas

–  Presurización de vestíbulo 

–  Presurización del área de refugio. 

Algunos ejemplos de sistemas de gestión de humo son el empleo de un atrio para concentrar el humo, la ventilación natural y el flujo de aire opuesto.

Usando códigos NFPA

Para proyectos que utilizan NFPA 101, Código de seguridad humana o NFPA 5000, Código de seguridad y construcción de edificios, existe una correlación más directa entre el código y el uso de NFPA 92. NFPA 5000 requiere sistemas de control de humo para edificios subterráneos, lugares de reunión y atrios protegidos contra humo y recintos a prueba de humo para rascacielos. Los requisitos de NFPA 101 son similares, pero diferentes en el sentido de que no se requieren recintos a prueba de humo para la mayoría de los edificios y no se requiere un sistema de control de humo para los edificios subterráneos, sino solo ventilación de humo.

Una diferencia significativa entre las necesidades de control de humo para espacios de atrio en los códigos NFPA e IBC es que, con los códigos NFPA, se requiere realizar un análisis para demostrar que el humo se puede mantener de forma sostenible en los atrios. No hay ninguna excepción para los atrios con solo dos niveles como en el IBC. Esto podría implicar un impacto significativo en los costos de los proyectos que deben cumplir con los códigos de la NFPA (por ejemplo, instalaciones de atención médica).

El texto publicado en 1992 por ASHRAE “Design of Smoke Management Systems” del Dr. John Klote y el Dr. Jim Milke, entre otros autores, brinda mucho mayor información,  incluso avanzo más allá que las guías de diseño de NFPA en el desarrollo de la temática para el control del humo de los ascensores, la sostenibilidad de los ambientes con humo (temperatura, toxicidad, visibilidad) y el uso de modelos matemático/informáticos para la evaluación de los sistemas de control de humo.

De mediados a finales de la década de 1990 se produjo un aumento en el uso de modelos informáticos para diseñar sistemas de control de humo.  El modelo de flujo de aire del edificio CONTAM8 se utilizó ampliamente para calcular los sistemas de control de humo por presurización, ya que se reconoció que los sistemas complejos que incorporan múltiples elementos, como los sistemas de presurización de escaleras y la presurización de pasillos y nivel de pisos de planta, también se vieron afectados por los efectos del viento, el efecto chimenea o la estratificación que impactan en edificios altos.

El desarrollo del Fire Dynamics Simulator (FDS), un software de modelo de dinámica de fluidos, nos brindó una poderosa herramienta para soporte y su uso en el diseño de sistemas de control de humo. Con el reconocimiento de estos sistemas en la revisión de 2005 de NFPA 92B de los sistemas de control de humo diseñados para mantener niveles mínimos de sostenibilidad de humo, en lugar de considerar una altura de capa de humo prescripta, el uso de FDS para analizar estos tipos de sistemas se volvió no solo una recomendación, sino en muchos casos necesario para poder evaluar con precisión y confiabilidad estos sistemas.

El empleo de los software FDS como herramienta de diseño es cada vez más difundido, además de contar con mejoras en la interfaz de modelado que facilitan el su empleo.

simulatorhttps://www.nist.gov/programs-projects/smoke-stack-simulator

Tipos de modelado de humo

El modelado a escala es una forma no muy utilizada en el ámbito comercial. La premisa es crear un modelo de escala del espacio y se simula un incendio. La geometría, la temperatura, la velocidad, la velocidad de liberación de calor, etc. Se demuestran utilizando expresiones escaladas para determinar cuáles deben tener los valores reales en la instalación.

El modelado de zonas es un enfoque simplista para el modelado de humo. La premisa es, que en una situación de incendio, hay dos zonas: una zona alta, que se considera totalmente humo, y una zona baja considerada libre de humo. La tasa de escape requerida se puede determinar algebraicamente, pero también se puede hacer utilizando ecuaciones diferenciales.

El análisis CFD (Dinámica de Fluidos Computacional) se ha convertido en el estándar de la industria para el modelado de humos, y el simulador de dinámica de incendios producido por el NIST (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, EE.UU) es el programa estándar para CFD. El concepto detrás de CFD es que el modelo se divide en celdas y cada celda tiene un conjunto de propiedades. Las células interactúan con las células adyacentes. A través de estas relaciones, el flujo y los efectos de un incendio se pueden modelar en todo el espacio. 

Es responsabilidad de los ingenieros de protección contra incendios comprender y tomar las decisiones para las limitaciones del modelo, y tener en cuenta el impacto que tienen las distintas opciones de diseño. Para esto se considera el tipo de fuego, las propiedades del combustible, el volumen de humo esperado, los parámetros de visibilidad y los límites críticos de capacidad de conservación entre otras variables determinantes.

Al diseñar sistemas que contemplan la posibilidad que los ocupantes sean expuestos en algún momento al humo, será muy importante que se incorpore un factor de seguridad o grandes precauciones, sin tomar riesgos en el diseño, para asegurar la protección adecuada a los ocupantes del edificio. 

La NFPA requiere que los diseñadores preparen un informe de diseño detallado y preparen un manual de operaciones y mantenimiento. Se requiere que el informe de diseño detallado incluya el propósito del sistema, los objetivos del diseño, los supuestos y otros factores diversos que tienen un impacto en el diseño del sistema.

Cambios futuros de NFPA 92

En este momento se vislumbran cambios significativos en las propuestas para la próxima edición. Podríamos mencionar que un factor importante a considerarse seria la inclusión de ciertos requisitos de sostenibilidad para los sistemas. 

Generalmente la tarea de definir los requisitos mínimos de sustentabilidad del sistema ante diferentes situaciones críticas depende del ingeniero responsable en el diseño.

La inclusión de este tipo de información en las próximas ediciones, seguramente tendrá un impacto positivo para eliminar zonas grises y ayudar en los proyectos con una manera más objetiva en el diseño y sustento de los sistemas a medida que las construcciones de edificios avanza presentando cada día mayores desafíos.

José María Placeres, MIRCOM Regional Sales Manager
jmplaceres@mircomgroup.com

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