josé l. torero ejemplo de aplicación: túneles e instalaciones subterráneas bre centre for fire...
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José L. ToreroJosé L. Torero
Ejemplo de Aplicación: Ejemplo de Aplicación: Túneles e Instalaciones Túneles e Instalaciones
SubterráneasSubterráneas
BRE Centre for Fire Safety Engineering
The University of EdinburghEdinburgh, EH9 3JLU.K.
School of Engineering and Electronics
Donde se dan?
Transportes Minería Instalaciones de cables eléctricos Fajas Transportadoras etc., etc., etc.
Incendios en Túneles de Transporte
Incendios en Túneles ocurren con cierta regularidad
Great Belt Tunnel (Dinamarca, 1994) Channel Tunnel (Reino Unido-Francia, 1996) Mont Blanc (Italia-Francia, 1999) Tauern (Austria, 1999) Kaprun (Austria, 2000) Gotthard (Italia-Suiza, 2001)
Tienden a Generar Grandes Perdidas
Mont Blanc (1999)
24 de Marzo, 1999 38 victimas
27 dentro de sus automóviles 11 fuera de sus vehículos (2 en zonas de protección)
1 Bombero (Jefe de Comando Tostello) 900 m de destrucción del túnel Perdidas en los cientos de millones $
Desarrollo del Incendio
8:00 - 9:00 am – 131 vehículos entran al túnel (89 son camiones)
9:00 – 10:00 am – 163 vehículos entran al túnel (85 son camiones)
10:46 am camión con harina y margarina entra l tunel 10:52 Detectores fotoeléctricos de humo indican 30% de
absorción de la luz (condición de alarma) 10:53 el camión se detiene cuando el conductor ve el humo - ~6
km de la entrada Detectores de temperatura indicaban aumentos al pasar el
camión, detectores de humo menos sensibles 10:55 alarma de incendio – se interrumpe el acceso al túnel 10:57 llamados desde zonas de seguridad, alarme de uso de un
extintor
Desarrollo del Incendio
11:10 am – Primer camión de bomberos desde Chamonix (boqueado a 2700 m del camión de origen)
11:36 am – Segundo camión de bomberos desde Chamonix (bloqueado a 4800 m del camión de origen)
En las 50 horas siguiente 33 camiones de bomberos Franceses y 26 Italianos intentan extinguir el incendio sin mayor éxito.
El incendio es finalmente extinguido el 26 de Marzo.
Características del Túnel (I)
Diseño se inicia en 1953 Completada la construcción en 1965 11,600 m de largo (7,640 m en Francia – 3,960 m en
Italia) Operado por ATMB (Autoroute et Tunnel du Mont
Blanc) y la SITMB (Société Italienne du Tunnel du Mont Blanc)
Conecta Chamonix (1274 m) con Val d’Aoste (1381 m)
7%
1,274 m
4 km
1,381 m1,554 m
7.64 km
Frontera
Características del Túnel (I) Puestos de seguridad cada 100 m (extintores, alarmas) “Garajes” cada 300 m (zonas con ampliación, alarma y
teléfono) La mitad de los garajes tienen zonas presurizadas con aire fresco y
cerradas por puertas de 2 horas Los garajes están numerados del 1-36 desde Francia
Dimensiones:
7 m0.8 m 0.8 m
Otros Túneles Comparables
Actualmente el Túnel mas largo se encuentra entre Aurdal-Laerdal (Noruega) – 24,500 m
Tunel Pais Longitud(m)
EnServicio
TraficoPromedi
o
En
Saint-Gothard
Suiza 16 918 1980 21 000 1998
Arlberg Austria 13 972 1978 5 200 1992
Fréjus Francia/Italia
12 901 1980 3 600 1997
Mont Blanc Francia/Italia
11 600 1965 5 300 1997
Plabutsch Austria 9 755 1987 12 900 1992
Gleinalm Austria 8 320 1978 7 800 1992
El Efecto del Túnel
Geometría del Túnel afecta Incendio Manejo del Humo Materiales de Construcción Evacuación Efectividad de los Bomberos
El Incendio
~700-800oC
~200-300oC
McCaffrey
t
T
El Incendio
Intercambio de calor casi adiabático
Temperaturas muy elevadas
Lleva al encendido del asfalto
Genera encendido a largas distancias
~1600-1800oC
~1400-1600oC
t
T
Manejo de Humo
La geometría del túnel va a afectar la estructura de las llamas
La geometría del túnel va a afectar la propagación del humo Geometría e incendio están relacionados de una
manera compleja
Manejo de Humo
La geometría del túnel va a afectar la estructura de las llamas
La geometría del túnel va a afectar la propagación del humo Geometría e incendio
están relacionados de una manera compleja
x (m)
z(m
)
0 0.5 1 1.50
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
120011001000900800700600500400300
T (K)(a)
x (m)
z(m
)
0 0.5 1 1.50
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
(b)
Geometría de la Llama
Las llamas se deforman con la ventilación Ciertos niveles de ventilación alargan las
llamas de una manera importante
x (m)
y(m
)
0 0.5 1 1.50
0.1
0.2
0.3
0.4
Wf
(a)
x (m)
y(m
)
0 0.5 1 1.50
0.1
0.2
0.3
0.4
Wf
(b)
x (m)y
(m)
0 0.5 1 1.50
0.1
0.2
0.3
0.4
Wf
(c)
0.03
0.05
0.07
0.09
0.11
z(m
)
00.25
0.50.75
11.25
1.5x (m)
00.1
0.20.3
0.4
y (m)
Geometría de la Llama
Re ( x 103 )
Xf*
0 100 200 300 4000
0.5
1
1.5
2
Vf=2 mm/s, XB=0.25 m
3
4
5
Vf=2 mm/s, XB=0.50 m
3
4
5
Vf=2 mm/s, XB=0.75 m
3
4
5
Re=UD/Xf
*=xf/LP
Otros Efectos
La pendiente afecta la propagación y el transporte de humo
Puede generar un aumento drástico en la velocidad de propagación
Este efecto se le llama “efecto trinchera” King’s Cross Station, Londres (1987)
El Mont Blanc
Pendiente, tamaño del incendio, etc. favorecieron la propagación muy rápida
Las decisiones relacionadas al control de ventilación fueron inadecuadas
El humo fue enviado en la dirección de los bomberos
Las llamas se extendieron aumentando la velocidad de propagación
No había manera de saber! Lo mismo sucedió en el Channel Tunnel
El Manejo de Humos
Es un proceso extremadamente complicado La producción de humo, la dirección el la cual
se propaga y la cantidad dependen de la relación entre el incendio y la geometría del túnel
No existe ningún ejemplo donde se haya logrado un éxito claro
Ejemplos de las complicaciones posibles: Channel Tunnel Kaprun
El Manejo de Humos
A pesar de lo complicado, sigue siendo un elemento critico de la estrategia de protección
Se usan métodos aproximados Siempre como parte de una estrategia
global
Ejemplo de Estrategia
Vehículos aguas arriba del incendio Aumento de temperatura
Fallas estructurales Daños al equipamiento del túnel y vehículos
Tráfico
Humo
Fuente de calor Fuente de elementos tóxicos Disminuye la visibilidad
Entorpece la evacuación
Dificulta las labores de extinción
Objetivos del Sistema de Control de Humo
Evacuar el calor y los elementos tóxicos generados Aumenta la durabilidad del túnel (estructura y
equipos) Aumenta la seguridad de las personas al
interior
Mejorar la visibilidad Reducir el contraflujo (backlayering)
Velocidad crítica
Evacuación e Intervención
El Calor y el Humo se acumulan Distancias son muy extensas Acceso y escape es muy difícil Tiempos de intervención y evacuación
son muy cortos Temperaturas y concentración de humo
aumentan rápidamente La capa de humo desciende rápidamente
Contraflujo (backlayering)
Flujo de humo en sentido contrario a la velocidad del aire Efectos de flotación (buoyancy)
Aumenta el flujo de calor hacia la zona no afectada por el incendio (aguas arriba)
Puede ser definido en términos de Concentraciones de humo Temperatura
Contraflujo
Fire object
Ventilation flow
Smoke BacklayeringThermal Backlayering
Velocidad Crítica
Velocidad mínima bajo la cual el humo puede fluir en el sentido contrario Depende de la
energía liberada por el incendio
x (m)
z(m
)
0 0.5 1 1.50
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
120011001000900800700600500400300
T (K)(a)
x (m)
z(m
)
0 0.5 1 1.50
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
(b)
Estrategia
Mantener la habitabilidad en el túnel Evacuar el calor y los elementos tóxicos
generados Mejorar la visibilidad Reducir el contraflujo (backlayering)
Permitir el correcto funcionamiento de sistemas de supresión Rociadores (convencionales o neblina)
Estrategias de Ventilación
Se refieren a la velocidad del aire en el túnel A cuales ventiladores en particular van a ser
puestos en funcionamiento Sentido del flujo Vías de extracción del humo
Diseño del Sistema de Ventilación
Se enmarca dentro del diseño de la respuesta a un incendio de todo el túnel Resistencia estructural Evacuación
Criterio de diseño: Sistema debe ser capaz de cumplir con todos
los objetivos del control de humo
Herramientas de Diseño
Para diseñar la ventilación es necesario modelar el incendio Temperaturas Concentraciones de especies (humo) Campos de flujo
Distintos grados de complejidad CFD Modelos de zonas Modelos analíticos
Herramientas de Diseño
Dependiendo del problema, el uso de CFD o modelos más simples se justifica
¡No siempre mayor complejidad es mejor!
0
500
1000
Tem
per
atu
re (
°C)
1500
200 400 600 800 1000Distance from fire (m)
Detailed CFD model
Simple analytical model
Diferencias entre ambos modelos son de 20-50°C
Herramientas de Diseño
Herramientas de Diseño El uso de códigos CFD requiere de un
alto grado de conocimiento del problema Dinámica de incendios Dinámica de fluidos Combustión Condiciones de borde Modelos “sub-grid”
Su uso no se justifica cuando: Sus resultados se acoplan con otros modelos más
simples El usuario no es experimentado
Materiales de Construcción
Temperaturas mas altas afectan a los materiales de una manera mas severa Favorecen el “Spalling”
Gradientes de temperatura al interior del hormigón son mayores dados los flujos de calor mas elevados Favorecen el “Spalling”
Curvatura aumenta la carga localmente Favorecen el “Spalling”
Curvatura
Materiales tienen que tener en cuenta este problema
Mont Blanc: reparaciones se han hecho con “shotcreting”
T
r
Resistencia al Fuego
0
30
60
90
120
0 10 20 30 40
Distance from fire (m)
Tim
e to
failur
e (m
inut
es)
AnalyticalTransient
Construcción Moderna
Vías de evacuación paralelas conectadas por puertas contra fuego
Presurización de vías de evacuación Vías de evacuación sirven para dar acceso a
los bomberos Mont Blanc solo tenia refugios
Para un incendio de 50 horas son inútiles En la reconstrucción se han excavado trincheras para la
evacuación y acceso de bomberos
Conclusiones
La construcción, mantenimiento y manejo (en caso de emergencia) de túneles ha mejorado enormemente en los últimos 20 años Mejoras en los materiales Mejoras en las vías de evacuación Mejoras en las herramientas disponibles a bomberos
Manejo del incendio y del humo queda inconcluso
Pruebas a gran escala combinadas con modelos detallados son la norma El Ejemplo Noruego