Dinámica del Incendio en Edificios mediante Modelado y Simulación Computacional: CFAST, OZONE, FDS 1
DINAMICA DEL INCENDIO EN EDIFICIOS
MEDIANTE MODELADO Y SIMULACIÓN
COMPUTACIONAL: CFAST, OZONE, FDS
Prof. Dr. Jorge A. Capote Abreu; Ing. Ind. Daniel Alvear Portilla; Ing. Ind. Mariano Lázaro Urrutia, Ing. Ind. Pablo Espina Santos Grupo GIDAI. Departamento de Transportes y Tecnología de Proyectos y Procesos. UNIVERSIDAD DE CANTABRIA
RESUMEN
El Modelado y la Simulación de incendios han jugado un papel muy importante en la investigación de los aspectos científicos y tecnológicos de los incendios y ha permitido adentrarse en las leyes que le rigen. El desarrollo de los Modelos de Incendios ha permitido la aparición de nuevos métodos de diseño para los Sistemas de Protección contra Incendios de las edificaciones.
El atributo más importante de los Modelos de Simulación Computacional de Incendios debe ser su capacidad para predecir, de manera rigurosa y realista, el comportamiento del incendio dentro de unos límites preestablecidos, por lo que resulta necesario estudiar más profundamente la capacidad predictiva de los Modelos revisando los conocimientos científicos puestos en práctica [1,2].
En el presente artículo se presentará de forma resumida los dos principales tipos de Modelos de Simulación Computacional de Incendios: los modelos de zona y los modelos de campo (o modelos de dinámica de fluidos computacional), se realiza un análisis comparativo de los resultados de tres Modelos, CFAST, OZONE y FDS, en dos escenarios de incendio de características diferentes: un establecimiento industrial y un recinto de oficinas.
1- MODELOS DE ZONA
Los Modelos de Zona son modelos computacionales que dividen el dominio en varios volúmenes de control. El más común es el de dos zonas que representa el desarrollo del incendio diferenciando una capa fría inferior y otra caliente donde están los humos y gases de la combustión. Los dos modelos de zona objetos del presente Estudio, son el OZONE y el CFAST. En estos Modelos de Zona realizan importantes simplificaciones en las ecuaciones de gobierno de forma que se permiten considerables ahorros en el coste computacional de los cálculos.
Dinámica del Incendio en Edificios mediante Modelado y Simulación Computacional: CFAST, OZONE, FDS 2 OZONE [3] es un programa desarrollado por el “Department of Mechanical Material and Structure” de la Universidad de Liege. Incluye modelos de cálculo de una zona y de dos zonas con un criterio de transición. El usuario puede definir la curva de desarrollo del incendio, la composición de las paredes, la ventilación y además permite calcular el comportamiento de los elementos estructurales de acero por medio de fórmulas de los Eurocódigos.
CFAST [4] es un modelo de dos zonas que calcula la distribución de los humos, los gases del incendio y la temperatura en los compartimentos de un edificio durante un incendio. Se trata de un modelo multi-compartimento, en el que se pueden considerar más de 30 recintos. El usuario puede definir varios escenarios de incendios en diferentes compartimentos, incluyendo sistemas de Protección contra Incendios, tales como sistemas de rociadores automáticos y sistemas de detección, así como sistemas de ventilación. La geometría incluye relaciones variables de área/altura, ignición de múltiples objetos presentes en el recinto, tales como, elementos decorativos y de mobiliario. Se incluye en la información del modelo una extensa base de datos con propiedades termofísicas y de pirolisis de diferentes combustibles.
2- MODELOS DE CAMPO
Los Modelos de Campo son modelos de dinámica de fluidos computacional (Computacional Fluids Dynamics – CFD), por lo que dividen dominio computacional del recinto estudiado en un gran número de volúmenes elementales de control (desde cientos de miles a millones de volúmenes de control dependiendo de las capacidades informáticas disponibles). Estos modelos resuelven ecuaciones diferenciales de Navier-Stokes dependientes del tiempo para cada volumen de control, de forma que el análisis es mucho más detallado, complejo y con mayores costes de cómputo.
En este tipo de modelos las asunciones de los escenarios de incendio a considerar pueden ser son mucho menores, y además se pueden conseguir geometrías mucho más complejas.
FDS [5] es un modelo computacional de dinámica de fluidos (CFD) concebido de manera específica para reproducir el fenómeno del incendio en recintos cerrados. FDS resuelve numéricamente un tipo de ecuaciones de Navier-Stokes apropiadas para baja velocidad y flujo considerado desde un punto de vista térmico con énfasis en el transporte de humo y calor derivados de incendios. Este modelo requiere que se divida el edificio ó elemento de estudio en pequeños volúmenes de control rectangulares ó celdas computacionales.
Dinámica del Incendio en Edificios mediante Modelado y Simulación Computacional: CFAST, OZONE, FDS 3 FDS calcula la densidad, velocidad, temperatura, presión y concentración de especies en cada celda mediante las ecuaciones de conservación de la masa, del momento y de la energía. Además utiliza las propiedades de los materiales de los muebles, paredes, suelo, techo, etc. para simular el desarrollo del incendio.
3- ESCENARIOS DE INCENDIO ANALIZADOS
A fin de poder desarrollar un estudio comparativo en recintos con diferentes condiciones y geometrías se definieron dos escenarios de incendio. El primero de ellos se trata de un establecimiento industrial constituido por un edificio independiente diáfano con una cubierta a dos aguas (ver Figura 1). Las dimensiones del establecimiento son una planta de de 18x50 m. y una altura en el punto más alto de 10 m. Dispone dos entradas, una por la parte delantera y otra en la parte trasera. A efectos del Estudio se consideró que el establecimiento está dedicado a la fabricación y almacenamiento de pintura.
Las características de la curva de desarrollo del incendio considerada en el establecimiento están relacionadas con un posible incendio de un bidón de pintura almacenado. A efectos de definir el desarrollo del incendio, se ha considerado una curva de velocidad de cesión de calor (heat release rate –HRR) que se inicia con un ascenso rápido de forma cuadrática hasta 10 MW para posteriormente descender de forma lineal en un tiempo total de 1000 s. [6,7].
Dinámica del Incendio en Edificios mediante Modelado y Simulación Computacional: CFAST, OZONE, FDS 4 El segundo escenario de incendio estudiado es un recinto de un edificio destinado a oficinas. En este caso, el volumen y la altura del recinto estudiado es mucho menor que en el escenario anterior. La oficina que se va a estudiar, y que se puede ver representada en la Figura 2, tiene una superficie de 84 m2 y una altura de 2.5 m.
En el recinto de oficinas hay varios muebles entre los que se pueden encontrar armarios, mesas, sillas y un sofá para las visitas. Se puede observar que existe una puerta de salida y dos ventanas que se encuentran abiertas en el momento del inicio del incendio. La curva de velocidad de cesión de calor que se va a tener en cuenta en este caso es la que surge del incendio del sofá, esto es un crecimiento cuadrático hasta 3 MW en 100 s. seguido de un mantenimiento durante 300 s. para posteriormente iniciar un descenso lineal con un tiempo total de 1800 s. [6,8,9].
Fig. 2. Velocidad de cesión de calor para el caso de incendio en el recinto de Oficinas.
A fin de poder implantarse en los modelos, los dos escenarios deben adaptarse a las peculiaridades de los datos de entrada correspondientes. Así, por ejemplo, OZONE sólo permite un compartimento cuadrado con lo que habrá que adaptar la oficina a esta exigencia, las condiciones de volúmenes de control rectangulares no permite en CFAST que la cubierta se defina con una inclinación a dos aguas, etc. [10,11].
4- ANÁLISIS DE RESULTADOS
A continuación precederemos a analizar de forma detallada los resultados obtenidos en los diferentes modelos para los escenarios de incendio seleccionados.
Dinámica del Incendio en Edificios mediante Modelado y Simulación Computacional: CFAST, OZONE, FDS 5 4.1 Escenario 1: Incendio en Establecimiento Industrial
En las Figuras 3 y 4 se puede observar unos gráficos comparativos de las temperaturas de la capa caliente en este escenario para los diferentes modelos seleccionados. Por las peculiaridades en la entrada y recepción de datos en cada modelo, se procedió a analizar la temperatura de la capa caliente en dos zonas del establecimiento, uno localizado cerca de la fuente de ignición, y otro en la zona opuesta a la fuente de ignición. En el modelo OZONE la temperatura de la capa caliente es igual para todo el compartimento por lo que la gráfica de este modelo en las dos figuras va a ser la misma. En el análisis con CFAST se dividió el establecimiento industrial en diez compartimentos para no superar el volumen máximo de 1000 m3 permitido por este modelo para cada compartimento, estudiando los compartimentos opuestos. En FDS se realizaron medidas puntuales con lo que se seleccionan los valores de un punto cercano y de otro lejano a la fuente de ignición.
0 20 40 60 80 100 120 140 0 200 400 600 800 1000 Tiempo (sg) Tem p e ratur a (º C ) CFAST FDS OZONE
Fig. 3. Temperatura capa caliente en la zona opuesta a la fuente de ignición.
0 50 100 150 200 0 200 400 600 800 1000 Tiempo (sg) T e m p er atur a (º C ) CFAST FDS OZONE
Dinámica del Incendio en Edificios mediante Modelado y Simulación Computacional: CFAST, OZONE, FDS 6 Las diferencias que se pueden encontrar en las figuras 3 y 4 consideramos que fueron debidas a varios motivos, en primer lugar tenemos, como se ha comentado anteriormente, que cada uno de los modelos calculan la capa caliente en función de unos volúmenes distintos. OZONE calculó la temperatura para todo el compartimento obteniendo una media que se observa excesivamente alta en la zona opuesta a la localización de la fuente de ignición. CFAST, fruto de la división del establecimiento, calculó valores de la capa caliente realizando una media para cada compartimento (1/10 del volumen total). FDS estudió los parámetros de interés en un punto en concreto a partir de un análisis de volúmenes finitos, por lo que en este último modelo los cálculos resultan más afinados.
La definición de la geometría del establecimiento industrial resulta otro elemento clave para explicar la diferencia de resultados entre los modelos. En el caso de FDS y OZONE se puede introducir el establecimiento con el tejado a dos aguas, lo que no es posible para CFAST. En este último se introdujo el tejado de forma que se respetaran los volúmenes, pero el área generado por la capa caliente de los humos que van ascendiendo en el penacho, va a ser diferente en este caso lo que va a proporcionar una mayor temperatura en la capa caliente de la zona próxima a la fuente de ignición y menor en la región opuesta.
4.2 Escenario 2: Incendio en recinto de Oficinas
En el caso de la oficina nos encontramos con un espacio mucho más pequeño y de una menor altura que la industria, por lo que con los resultados obtenidos se podrá tener otro punto de vista del comportamiento de estos modelos. En las figuras 5 y 6 se puede observar la temperatura de la capa caliente en distintas posiciones. Para introducir la oficina en OZONE se realizó una simplificación considerando todo el volumen de la oficina como si fuera un cubo. Con CFAST se pueden realizar análisis más detallados, por lo que se dividió el escenario a estudiar en cuatro compartimentos (dos para la oficina y dos para el pasillo exterior).
0 200 400 600 800 1000 0 500 1000 1500 Tiempo (sg) T e m p er a tur a (º C ) CFAST FDS OZONE
Dinámica del Incendio en Edificios mediante Modelado y Simulación Computacional: CFAST, OZONE, FDS 7 0 100 200 300 400 500 0 500 1000 1500 Tiempo (sg) Tem p e ratur a (º C ) CFAST FDS OZONE
Fig. 6: Temperatura capa caliente lejos de fuente de ignición.
Las diferencias en las temperaturas de la capa caliente pueden ser achacadas a varios factores. El más importante de estos factores es el modo de representación de la oficina en cada uno de los modelos. En OZONE se ha simplificado toda la oficina a un único compartimento, no teniéndose en cuenta ni los pasillos exteriores ni los muebles que se encuentran en su interior, obteniendo de nuevo un valor medio que cuenta con limitaciones en los resultados en función de la localización que estemos estudiando. En CFAST no se han considerado elementos de mobiliario muebles, que si se han incluido en FDS, representando más fielmente el escenario objeto de estudio, de tal forma que la ignición y posterior combustión de los mismos produce que se alcancen temperaturas más elevadas en este último.
5- CONCLUSIONES
Los modelos de incendio y de movimiento de humos resultan de gran utilidad para el Diseño de los Sistemas de Seguridad contra Incendios de edificaciones complejas. Dentro de estos modelos los de zona tienen una menor precisión que los de campo pero su rapidez de procesado y sus buenos resultados pueden hacerlos útiles como una primera aproximación al análisis.
En la Tabla 1 podemos encontrar un resumen de los resultados obtenidos para los modelos estudiados en cada uno de los escenarios. Se puede comprobar como el flashover (parámetro que no mide OZONE), no aparece en el caso del establecimiento industrial, ya que las temperaturas máximas (de la capa caliente) que se alcanzan no llegan a los 180ºC. Para el caso de la oficina, tenemos que con CFAST se alcanza el flashover a los 314.6 s. mientras que con FDS aparece antes, a los 275 s. La causa de que aparezca antes en FDS que en CFAST es que en este primer modelo hemos introducido todos los muebles en la habitación, mientras que en CFAST no se han considerado, con lo que estos van a entrar en ignición acelerando la aparición del flashover. La temperatura máxima de la capa caliente en este caso va a ser mayor cuanto más pequeño sea el volumen que considera el modelo al calcular esta capa.
Dinámica del Incendio en Edificios mediante Modelado y Simulación Computacional: CFAST, OZONE, FDS 8
FDS CFAST OZONE
INDUSTRIA OFICINA INDUSTRIA OFICINA INDUSTRIA OFICINA
Tiempo de Flashover [s] no 275 s. no 314.6 s. ND ND Temperatura máxima capa caliente [ºC] 176 817 165 625 127 468
Tabla 1: Comparativa de los tres modelos
Podemos concluir que para una mayor precisión en los resultados habrá que acudir a los modelos de campo (FDS) que, aunque exigen un mayor tiempo de cómputo, dan unos resultados mucho más acordes a los datos requeridos para realizar un diseño de los Sistemas de Seguridad contra Incendios de edificaciones ya que estudian unos volúmenes de control mucho más pequeños que en el caso de los modelos de zona.
REFERENCIAS
[1] Capote, J.A., Alvear, D., Herrera, G., Abad, M., Gutiérrez, A.I. Limitaciones de los Modelos de Simulación Computacional en la Protección contra Incendios en la Edificación. Cuadernos de Seguridad nº175. 2004.
[2] Capote, J.A., Alvear, D., Herrera, G. Informe Resumen de la Investigación 5, Simulación Computacional de los Ensayos de Comportamiento al Fuego de los Materiales empleados en los Vehículos Ferroviarios. Servicio de Publicaciones de la Universidad de Cantabria, y Ministerio de Fomento 2004.
[3] Cadorin, J.F. Compartment Fire Models for Structural Engineering. Universite De Liege, Tesis doctoral. 2003.
[4] Peacock, R.D., Jones, W.W., Reneke, P.A., Forney, G.P. CFAST – Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport (Version 6). Technical Reference Guide. National Institute of Standard and Technology NIST. 2004.
[5] McGrattan, K. Fire Dynamics Simulator (Version 4). Technical Reference Guide. National Institute of Standard and Technology NIST. 2005.
[6] Babrauskas, V. Ignition Handbook. Fire Science Publishers, SFPE. 2003
[7] Bénichou, N.; Hadjisophocleous, G.V.; Torvi, D.A.; Volhoffer, S.R.; Reid, I. Hazard analysis of a multi-occupancy building using FIERAsystem. National Research Council Canada NRC-CNRC. 2002.
[8] NIST Standard Reference Database Number 75, January 1999
[9] Bounagui, A.; Bénichou, N.; Kashef, A. Heat Release Methods. National Research Council Canada NRC-CNRC. 2005.
[10] Peacock, R.D., Jones, W.W., Reneke, P.A., Forney, G.P. CFAST – Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport (Version 6). User’s Guide. National Institute of Standard and Technology NIST. 2005.
Dinámica del Incendio en Edificios mediante Modelado y Simulación Computacional: CFAST, OZONE, FDS 9 [11] McGrattan, K., Forney, G .Fire Dynamics Simulator (Version 4). User’s Guide. National Institute of Standard and Technology NIST. 2004.
Autores:
D. Jorge A. Capote Abreu, Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos - Prof. Titular y Director del Grupo GIDAI, Departamento de Transportes y T.P.P., Universidad de Cantabria.
D. Daniel Alvear Portilla, Ingeniero Industrial - Coordinador de la Línea de Investigación del Grupo GIDAI, Doctorando del Departamento de Transportes y T.P.P., Universidad de Cantabria.
D. Mariano Lázaro Urrutia, Ingeniero Industrial - Doctorando del Departamento de Transportes y T.P.P., Universidad de Cantabria.
D. Pablo Espina Santos, Ingeniero Industrial - Doctorando del Departamento de Transportes y T.P.P., Universidad de Cantabria.
GIDAI- Grupo de Investigación y Desarrollo
Seguridad contra Incendios – Investigación y Tecnología.
Dpto. de Transportes y Tecnología de Proyectos y Procesos UNIVERSIDAD DE CANTABRIA Santander, Agosto 2005
