Uso de herramientas de modelado para la simulación computacional.

Parte 1 : Modelos de simulación computacional de incendios.

Fire/Safety Report se reunió con Federico Latosinski para mantener una interesante charla acerca de los beneficios de los modelos de simulación computacional en  seguridad contra incendios y seguridad humana: ámbito de aplicación, el rol de conocimientos previos del profesional que lo aplica y opciones disponibles en función de los objetivos y metas que se definen.

El modelado es una herramienta que se utiliza en diversas disciplinas debido a sus ventajas. Sin embargo, en el área de protección contra incendios es utilizada para realizar análisis de seguridad humana, comportamiento del fuego o eficacia de los sistemas de control. Se busca determinar entre otros, el comportamiento de un escenario de incendio y/o el desempeño de los sistemas de control; dependiendo de los objetivos y metas que se establezcan previamente. Estas herramientas se utilizan para implementar análisis de investigación científica, ingeniería y también investigación forense. Podemos modelar sistemas de rociadores, sistemas de detección de incendios, sistemas de control de humos o sistemas de extinción basados en polvos, simular cómo se desarrolla un incendio en un volumen de control determinado con los diferentes elementos que conforman ese espacio físico.

Modelo de simulación computacional del ensayo de Dalmarnock, realizado en Glasgow en 2006.

“Podemos modelar un incendio, ver cómo crece, se propaga e interactúa con los componentes estructurales de una edificación”.

Un modelo computacional es tomar una porción de la realidad y reducirla para poder evaluar cómo se comportan cada una de las partes que la componen.
Hoy, incluso, podemos modelar espacios como montañas, praderas, valles y ver qué ocurre con un incendio del tipo forestal. Podemos utilizarla en centros o terminales de transporte de todo tipo: aéreos, marítimos, terrestres, ferroviarios, en hospitales, centros educativos, edificios administrativos.

Podemos modelar hasta un autobús o un avión y verificar qué es lo que pasa dentro mientras se desarrolla un incendio. No hay limitaciones con respecto a los lugares donde podemos aplicar hoy los modelos de simulación computacional aplicada a incendios. 

Análisis del impacto del viento en la propagación de incendios en tanques de almacenamiento de petróleo.

Es muy importante que el profesional a cargo tenga conocimientos no solamente de la herramienta que va a utilizar para modelar, ya que cada modelo de simulación tiene sus limitaciones, también debe conocer el fenómeno que va a modelar y contar con formación en disciplinas como la dinámica de incendios y el comportamiento humano. Estos aspectos son fundamentales para modelar de manera adecuada un fenómeno, bien sea desde el punto de vista de un incendio o de una evacuación.
Todo modelo de simulación que se construye tiene un objetivo, no es viable ni aconsejable construir un modelo de simulación de incendios sin determinar de manera previa sus metas y objetivos, los cuales están íntimamente relacionados con su razón de ser, por ejemplo seguridad humana, resistencia estructural o control de incendios entre muchos otros.

La sociedad de Ingenieros de Protección contra Incendios SFPE, ha publicado la guía Diseño de seguridad contra incendios basado en el rendimiento (Performance-Based Fire Safety Design), donde se lista una serie de pasos ha implementar al seguir este tipo de análisis.

Utilizando el software FDS se determina el tiempo disponible para la evacuación segura, ASET, utilizando la visibilidad como parámetro de sostenibilidad ambiental.

Sobre aplicaciones y software disponible, CFAST.

El modelo de zona que se utiliza actualmente tiene aproximadamente 30 años de vigencia., nos referimos a CFAST, (Fire Growth and Smoke Transport Modeling), desarrollado por el NIST (National Institute of Standards and Technology) de los Estados Unidos, que es una licencia abierta, por lo cual podemos ingresar al sitio web del NIST y descargarla gratuitamente. 

Modelos de zonas y de campo. Lo que hace este modelo computacional es dividir el volumen de un recinto, como por ejemplo una habitación, en dos zonas. Una zona de gases calientes, que es la parte superior de la habitación, y una de gases fríos que corresponde con la inferior. Dentro de cada una de estas zonas se pueden determinar diversos parámetros. Vamos a obtener una temperatura promedio para la zona de gases calientes y otra para la de gases fríos. 
Podemos determinar tiempos de activación de rociadores automáticos, de detectores de humos o temperatura. Con esta herramienta podemos tener resultados de manera rápida debido a que los tiempos de cómputos son solamente de segundos y velozmente obtenemos resultados para poder trabajar con ellos.

Visualización en Smoke View de los resultados del modelo de zona CFAST

Por otro lado, de manera más compleja desde el punto de vista del análisis, tenemos los modelos de campo que dividen el volumen total en pequeños volúmenes de control. Dentro de cada uno de estos volúmenes de control se resuelven parámetros como la transferencia de energía y la transferencia de masa; pudiendo determinar así una serie de características del modelo que estamos construyendo, cómo por ejemplo, tiempo de activación de rociadores, tiempo de activación de detectores de humos, de calor y concentraciones de especies tales como oxígeno, monóxido, etc.

Podemos analizar la interacción de los sistemas de control ambientales, como un sistema de aire acondicionado interactúa con el incendio y cómo va a transportar el humo y gases a diferentes áreas de una edificación. Asimismo, determinar también la visibilidad: cuántos metros se ven a diferentes alturas y además, la temperatura en distintos puntos de ese recinto.
La temperatura va a ir variando, no vamos a tener temperaturas promedios, sino que vamos a tener temperatura punto a punto dentro de cada uno de estos volúmenes de control. Estos modelos de campo están desarrollados hoy por dos grandes emprendedores en seguridad contra incendios: FM Global y el NIST de los Estados Unidos. Estos dos solvers (“resolvedores” de ecuaciones) también son de licencia abierta, gratuitos y están disponibles para descarga pública.

Estudio de desempeño del sistema de rociadores automáticos en una bodega.

Estos “solvers” tienen además lo que se denomina un lenguaje de código dentro de la programación y para trabajar con ellos, tenemos que conocer cuál es el lenguaje de programación para poder escribir estas líneas de códigos.
Estos programas, resuelven las ecuaciones que rigen para analizar la transferencia de energía y de masa, en resumen el solver resuelve las ecuaciones de Navier Stokes (Comportamiento de fluídos) adaptadas para poder resolver estos casos. Algunas de las presunciones que se toman para poder solucionar esto, es que la velocidad con la cual se desarrolla el fenómeno es de, como máximo, el 30% de la velocidad del sonido. Con este tipo de limitaciones aún es posible encontrar resultados. Por ejemplo, si se quisiera modelar con exactitud una explosión donde la velocidad con la que se propaga esa reacción es sónica, tenemos ahí una limitación, no puedo modelarlo aplicando estas herramientas de simulación.

“Los modelos de simulación permiten diseñar un sistema como si fuera un traje a medida, por lo cual los costos del proyecto disminuyen significativamente.

Podemos realizar ciertos análisis para determinar ciertas características del modelo real que queremos estudiar. Existen modelos de pirólisis, de combustión, de radiación, de turbulencia, de hollín. Cada uno de estos sub/ modelos está dando una posibilidad de resolver un problema distinto. Por eso es tan importante conocer las características de cada uno de estos programas antes de modelar.
Tenemos que saber cuál es nuestro problema y elegir la herramienta adecuada para el mismo.

Visualización de planos de concentración de CO en diversas ubicaciones.

SmokeView

SmokeView es un software desarrollado por el NIST, también de licencia abierta, es un procesador visual que permite observar con interfaz gráfica, qué es lo que ocurre en el modelo que nosotros hemos construido. Porque si sólo trabajamos con los solvers, (con FireFOAM y FDS), veremos una pantalla negra que va corriendo líneas de código y nada más que eso. Para tener registros de los resultados analizados, estos programas entregan ficheros en formato Excel con datos fundamentales de lo que hemos modelado.

De manera complementaria, la herramienta SmokeView permite visualizar en una interfaz dinámica los resultados y de una forma práctica cómo se desarrolla, como crece ese incendio, como se va propagando, ver las llamas, ver las gotas de agua que caen, entre otras características.
Generalmente la visualización de los resultados mediante SmokeView resulta muy atractivo para la mayoría de las personas al momento de  interpretar las simulaciones, por ejemplo quienes contratan el trabajo de simulación les gusta ver cómo hemos construido su edificación y ver esa construcción reflejada en un programa, con cierto nivel de detalles.

Licencias comerciales

Existen licencias comerciales las cuales permiten trabajar con un software que opera como un preprocesador, ejemplos tales como Pyrosim o CypeFire FDS. Estos dos programas utilizan FDS para resolver la simulación, pero la construcción del modelo, la hacemos a través de ventanas gráficas, las cuales de manera amigable permiten construir una geometría, darles ciertos atributos o propiedades y estar visualizando en tiempo real lo que se está construyendo. Es como usar un Autocad que permite ir distinguiendo lo que se construye.
Son licencias comerciales, tienen un costo, aunque después de todo resuelven la simulación utilizando el programa FDS.
Poseen además interfaces de visualización pero también es posible observar los resultados utilizando SmokeView.

Próxima entrega:
Modelos de simulación computacional para evacuación.

Federico Latosinski es Licenciado en Higiene y Seguridad en el Trabajo por la Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco, posee una maestría en Ingeniería de Seguridad Contra Incendios por la Universidad Alcalá de Henares y es Experto Universitario en Modelado y Simulación Computacional de Seguridad Contra Incendios por la Universidad de Cantabria, ambas universidades de España. Además de desarrollarse en consultoría de seguridad contra incendios, es docente en la Facultad de Ingeniería de la UNPSJB e instructor en el Instituto Latinoamericano de Fromación en Incendios y Seguridad, ILFIS.
Es director de la firma Ingeniería Segura SRL y lidera al grupo de investigación GISCI (Grupo de investigación de seguridad contra incendios), es miembro de la Society of Fire Protection Engineers y de la National Fire Protection Association, ambas asociaciones de USA, también es miembro de la International Association for Fire Safety Science. Actualmente se encuentra trabajando en su Doctorado (PhD) apuntado al comportamiento humano en incendios y simulación de evacuación.

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