Fig. 1. Imagen de un incendio itinerante y de la distribución de las temperaturas del gas en el campo cercano ("near field") y en el campo lejano ("far field").
Incendios de diseño para cálculo de estructuras: incendios itinerantes frente a incendios de diseño tradicionales
Por Egle Rackauskaite & Guillermo Rein
Las herramientas de diseño de ingeniería de incendios para estructuras, disponibles en las normas actuales (por ejemplo, incendios normalizados y paramétricos), se basan en ensayos de incendios a escalas reducidas (<100 m2) y asumen condiciones de incendio uniformes en todo el compartimento. Es decir, suponen la involucración de todo el compartimento en el incendio y distribuciones de temperatura homogéneas. Aunque esta suposición puede ser adecuada para recintos pequeños, en grandes compartimentos abiertos los incendios tienden a propagarse a lo largo del compartimento quemando combustibles en un área limitada en cada momento [1,2]. Estos incendios se denominan incendios itinerantes (“travelling fires”). Entre los sucesos accidentales, en los que se pudieron observar el que los incendios se desplazaban, se encuentran los de las Torres 1, 2 y 7 del World Trade Centre (2001) y el incendio de la Torre Windsor en Madrid (2005). Esta clase de incendios no se han tenido en cuenta en las normas actuales.
Para tener en cuenta los incendios itinerantes, el Dr. Guillermo Rein dirigió en la Universidad de Edimburgo, entre 2007 y 2011, al equipo de investigación que desarrolló el nuevo concepto de diseño de la Metodología de Incendios Itinerantes (TFM -“Travelling Fires Methodology”) [1,2]. La versión más reciente de la TFM, desarrollada ahora en el Imperial College de Londres, se denomina Metodología de Incendios Móviles Mejorada (iTFM -“Improved Travelling Fires Methodology”) [3]. En esta última versión, la TFM se ha mejorado para tener en cuenta una dinámica de incendios más realista y una gama de tamaños de incendios dentro de los límites de los datos experimentales y de incendios accidentales disponibles.
La TFM considera que los incendios de diseño se componen de dos regiones en movimiento: el “campo cercano” (llamas) y el “campo lejano” (humo) (Ver Fig. 1). El campo cercano representa las llamas que inciden directamente en el techo y asume las temperaturas máximas de las llamas. El modelo de campo lejano representa las temperaturas del humo, que disminuyen con la distancia al fuego debido a la mezcla con el aire. Cualquier elemento estructural experimentará temperaturas de campo lejano más frías que corresponden a un precalentamiento y/o enfriamiento durante una duración mucho más larga que el corto campo cercano más caliente.
En estudios recientes sobre la respuesta térmica se ha comprobado que los elementos estructurales pueden alcanzar temperaturas más altas (hasta 200°C en el caso de las barras de acero) cuando se someten a incendios itinerantes en comparación con los incendios uniformes. Esto pone en cuestión la suposición inherente sobre los fuegos de diseño tradicionales, de que los fuegos uniformes representan el “peor escenario” (“worst case escenario”) posible. En la Fig. 2 se muestra una distribución típica de la temperatura a lo largo de la trayectoria del fuego con el tiempo en vigas de acero. El tamaño de los incendios itinerantes, entre el 10 y el 25 % de la superficie del suelo, suele dar lugar a los picos de temperatura más elevados, que tienden a producirse hacia el final de la trayectoria recorrida por el fuego.
Fig. 2. Evolución de la temperatura en el tiempo dentro de una viga de acero que recorre la trayectoria del fuego para diferentes incendios de diseño
En cuanto a la respuesta estructural, los resultados del extenso análisis de estructuras de acero de varias plantas en 2D [4] indican que es probable que los incendios itinerantes desencadenen mecanismos estructurales que podrían haber pasado desapercibidos al suponer un incendio uniforme. En este estudio se han considerado 80 escenarios de incendio variando la exposición al fuego y la localización del mismo. Las diferentes exposiciones al fuego incluyeron incendios itinerantes, fuegos paramétricos del Eurocódigo, el fuego estándar ISO-834, y una curva de temperatura constante del compartimento. Se encontró que los escenarios de incendios uniformes dan lugar a mayores fuerzas axiales de compresión en las vigas en comparación con los incendios itinerantes. Sin embargo, los resultados de los incendios itinerantes muestran un desarrollo cíclico irregular de las tensiones, que no se observa en los incendios uniformes. Los momentos de flexión máximos de las vigas resultaron ser similares tanto para los incendios itinerantes como para los uniformes.
Otro criterio de eficacia estructural importante y ampliamente aplicado es la deflexión de los miembros. Los resultados de este estudio mostraron que el ritmo y la magnitud de las mayores deflexiones de las vigas en la mitad del vano dependen principalmente de la duración del incendio y no del tipo de fuego (es decir, fuego TFM o uniforme) para la estructura de acero. Los incendios cortos y calientes dan lugar a un desarrollo más rápido de las deformaciones, mientras que los incendios largos y fríos dan lugar a deformaciones máximas mayores. Por otra parte, los lugares donde se producen estas deflexiones máximas y los patrones de deflexión son diferentes para los escenarios de fuego TFM y uniforme. (Ver figura 3).
Fig. 3. Forma de la deflexión de la estructura de acero sometida a un incendio itinerante del 25% (arriba) y a un incendio del Eurocódigo (CE) a la larga duración (abajo) en la plata 7 en diferentes momentos de exposición al fuego. El factor de escala de desplazamiento es 5.
Los resultados globales indican que, dependiendo de la métrica estructural examinada, tanto los incendios itinerantes como los uniformes pueden dar lugar al escenario más severo. Por lo tanto, para garantizar un diseño seguro de la resistencia al fuego del edificio, es necesario tener en cuenta una serie de incendios diferentes que incluyan tanto los incendios itinerantes como los uniformes. Un incendio es un proceso altamente estocástico por naturaleza, y estos resultados indican que no existe un único “peor escenario de incendio” (“worst case fire scenario”) para el que una estructura pueda ser diseñada y considerada segura. El enfoque de Arup [5] también señala las limitaciones de utilizar únicamente incendios uniformes para el diseño. El uso de fuegos itinerantes además de fuegos uniformes en el diseño de un edificio en el enfoque probabilístico permite una mejor comprensión del rendimiento global del edificio sujeto a una serie de condiciones.
La TFM ofrece un cambio de paradigma en la ingeniería estructural contra incendios de los edificios modernos y cambia la forma de diseñar los edificios modernos para la seguridad contra incendios. El concepto ya ha sido aplicado por Arup, BuroHappold, AECOM y Trenton Fire en docenas de edificios emblemáticos del Reino Unido.
Referencias
1] J. Stern-Gottfried, G. Rein, Travelling fires for structural design–Part I: Literature review, Fire Saf. J. 54 (2012) 74–85. doi:10.1016/j.firesaf.2012.06.003.
[2] J. Stern-Gottfried, G. Rein, Travelling fires for structural design-Part II: Design methodology, Fire Saf. J. 54 (2012) 96–112. doi:10.1016/j.firesaf.2012.06.011.
[3] E. Rackauskaite, C. Hamel, A. Law, G. Rein, Improved Formulation of Travelling Fires and Application to Concrete and Steel Structures, Structures. 3 (2015) 250–260 doi:10.1016/j.istruc.2015.06.001.
[4] E. Rackauskaite, P. Kotsovinos, A. Jeffers, G. Rein, Structural response of a generic steel frame exposed to travelling fires, in: Proc. 9th Int. Conf. Struct. Fire, Princeton,
USA, 2016.
[5] A. Law, J. Stern-Gottfried, N. Butterworth, A Risk Based Framework for Time Equivalence and Fire Resistance, Fire Technol. (2014). doi:10.1007/s10694-014-0410-9.