SIMULACIÓN DEL FUEGO, CASO TÚNELES

DAVID ANDRÉS RODRÍGUEZ LOZANO

UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA CAMPUS IBAGUÉ

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL IBAGUÉ

2020

SIMULACIÓN DEL FUEGO, CASO TÚNELES

DAVID ANDRÉS RODRÍGUEZ LOZANO

TRABAJO DE GRADO

JULIÁN ANDRÉS PULECIO DÍAZ INGENIERO CIVIL – MAGÍSTER EN CONSTRUCCIONES DE OBRAS VIALES

ÓSCAR CAMILO VALDERRAMA RIVEROS

INGENIERO ELECTRÓNICO – MAGÍSTER EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y DE COMPUTADORES

UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA CAMPUS IBAGUÉ

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL IBAGUÉ

2020

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Nota de aceptación: ____________________________ ____________________________ ____________________________ ____________________________ ____________________________ ____________________________ ____________________________ ____________________________ Firma del jurado 1 ____________________________ Firma del jurado 2 Ciudad y fecha (día, mes, año)

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DEDICATORIA

Primeramente, a Dios por otorgarme una familia maravillosa y a mis padres por haberme forjado como una persona íntegra y perseverante; todos mis logros se los debo a ellos, por sus consejos y herramientas brindadas para hacer esto posible. Esto es por ustedes.

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AGRADECIMIENTOS

Agradezco a todos mis hermanos por creer en mí y su apoyo incondicional, a mis directores de grado por brindarme la guía necesaria para la culminación de este proyecto, a mis compañeros por compartirme su apoyo y conocimientos y a todas las personas que influyeron en mí para llegar a lo que soy ahora. Gracias a todos.

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CONTENIDO

INTRODUCCIÓN 13

1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA. 14

2. JUSTIFICACIÓN. 15

3. OBJETIVOS. 16

3.1. Objetivo general 16

3.2. Objetivos específicos 16

4. MARCO TEÓRICO. 17

4.1. El fuego 17

4.2. Tetraedro del fuego 17

4.3. Dinámica del fuego en túneles 18

4.4. Causas 19

4.5. Efectos 19

4.6. Seguridad contra incendios 20

4.7. Modelado de simulación 21

4.8. Toxicidad en incendios 21

5. METODOLOGÍA. 22

5.1. Análisis de simuladores 23

5.2. Características del software de simulación de incendio Pyrosim 25

5.3. Verificación de la simulación 27

5.4. Datos de entrada y desarrollo de la simulación de verificación 29

5.5. Perfil transversal representativo de túnel vial colombiano 34

5.6. Desarrollo de la sección transversal circular del túnel vial 36

6. RESULTADOS. 43

7. CONCLUSIONES. 78

8. RECOMENDACIONES. 79

BIBLIOGRAFÍA. 80

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Datos de entrada en Pyrosim para incendio de túnel vial y la protección de los usuarios del túnel. ............................................................................................ 30 Tabla 2. Secciónb transversal de los túneles de carretera en Colombia ............... 34 Tabla 3. Categorías de lesiones en diferentes niveles de Fractional Effective Dose (FED). .................................................................................................................... 40 Tabla 4. Concentración de monóxido de carbono y correlación clínica. ................ 41 Tabla 5. Concentración del dióxido de carbono y sus efectos............................... 42 Tabla 6. Concentración del oxígeno y sus efectos. ............................................... 42 Tabla 7. Tabla comparativa entre los resultados de temperatura inicial y final respecto al modelo del artículo científico y las calculadas por el autor. ................ 45

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Tetraedro fundamental del fuego. .......................................................... 18 Figura 2. Ensayo de incendio en túnel con modelo Back-Layering. ...................... 19 Figura 3. Dimensionamiento general del túnel vehicular ....................................... 29 Figura 4. Dimensionamiento de los vehículos y distancia de separación entre ellos. .............................................................................................................................. 31 Figura 5. Dimensionamiento del humo que ocupa la mitad superior del túnel en un tiempo de 18 segundos. ........................................................................................ 32 Figura 6. Humo y agua visibles como partículas ................................................... 32 Figura 7. Gráfica del comportamiento de la temperatura alcanzada en los rociadores.............................................................................................................. 33 Figura 8. Sección transversal de servicio túneles carreteros en Colombia ........... 35 Figura 9. Corte transversal del túnel vial circular con rociadores automáticos. ..... 37 Figura 10. Corte ortogonal del dimensionamiento del túnel. ................................. 38 Figura 11. Sistemas intervenidos durante la simulación ....................................... 38 Figura 12. Corte transversal del túnel vial circular sin rociadores automáticos. .... 39 Figura 13. Gráfica de temperatura registrada por rociador – túnel rectangular. .... 44 Figura 14. Fórmula para el cálculo de la variación (%) ......................................... 45 Figura 15. Trayectoria del humo por el túnel con corte de perfil longitudinal, primer caso. ...................................................................................................................... 46 Figura 16. Trayectoria del humo por el túnel con corte de perfil longitudinal, segundo caso. ...................................................................................................................... 47 Figura 17. Comportamiento del fuego, partículas del agua y humo, primer caso. . 47 Figura 18. Comportamiento de la carga de fuego y partículas de humo, segundo caso. ...................................................................................................................... 48

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Figura 19. Visualización de la temperatura adiabática superficial lateral, primer caso. .............................................................................................................................. 49 Figura 20. Visualización de la temperatura adiabática superficial superior, primer caso. ...................................................................................................................... 49 Figura 21. Visualización de la temperatura adiabática superficial lateral, segundo caso. ...................................................................................................................... 50 Figura 22. Visualización de la temperatura adiabática superficial superior, segundo caso. ...................................................................................................................... 50 Figura 23. Gráfica de comportamiento del HRR, primer caso. .............................. 51 Figura 24. Gráfica de comportamiento del HRR, segundo caso. .......................... 52 Figura 25. Gráfica de comportamiento de la temperatura registrada por el rociador, primer caso. ........................................................................................................... 52 Figura 26. Comportamiento de la temperatura registrada por el sensor, segundo caso. ...................................................................................................................... 53 Figura 27. Concentración de CO2 sensor CO2_3, primer caso. ........................... 54 Figura 28. Concentración de CO2, primer caso. ................................................... 54 Figura 29. Comportamiento de la concentración promedio del CO2 dependiendo de la distancia entre la carga de fuego, primer caso. ................................................. 55 Figura 30. Concentración de CO2 sensor CO2_3, segundo caso. ........................ 55 Figura 31. Concentración de CO2, segundo caso. ................................................ 56 Figura 32. Comportamiento de la concentración promedio del CO2 dependiendo de la distancia entre la carga de fuego, segundo caso. ............................................. 56 Figura 33. Concentración de CO sensor CO_3, primer caso. ............................... 57 Figura 34. Concentración de CO, primer caso. ..................................................... 57 Figura 35. Comportamiento de la concentración promedio del CO dependiendo de la distancia entre la carga de fuego, primer caso. ................................................. 58 Figura 36. Concentración de CO sensor CO_3, segundo caso............................. 58

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Figura 37. Concentración de CO, segundo caso. .................................................. 59 Figura 38. Comportamiento de la concentración promedio del CO dependiendo de la distancia entre la carga de fuego, segundo caso. ............................................. 59 Figura 39. Concentración de oxígeno sensor O_3, primer caso. .......................... 60 Figura 40. Concentración de oxígeno, primer caso. .............................................. 61 Figura 41. Comportamiento de la concentración promedio del O2 dependiendo de la distancia entre la carga de fuego, primer caso. ................................................. 61 Figura 42. Concentración de oxígeno sensor O_3, segundo caso. ....................... 62 Figura 43. Concentración de oxígeno, segundo caso. .......................................... 62 Figura 44. Comportamiento de la concentración promedio del O2 dependiendo de la distancia entre la carga de fuego, segundo caso. ............................................. 63 Figura 45. Velocidad del humo, primer caso. ........................................................ 63 Figura 46. Velocidad promedio del humo respecto a la distancia de la carga de fuego, primer caso. ................................................................................................ 64 Figura 47. Velocidad del humo, segundo caso. ..................................................... 64 Figura 48. Velocidad promedio del humo respecto a la distancia de la carga de fuego, segundo caso. ............................................................................................ 65 Figura 49. Visibilidad respecto al incendio, primer caso. ....................................... 65 Figura 50. Visibilidad promedio respecto al incendio, primer caso. ....................... 66 Figura 51. Visibilidad respecto al incendio, segundo caso. ................................... 66 Figura 52. Visibilidad promedio respecto al incendio, segundo caso. ................... 67 Figura 53. Temperatura sensor T_3, primer caso. ................................................ 68 Figura 54. Sensores de temperatura, primer caso. ............................................... 68 Figura 55. Temperatura promedio respecto a la distancia de la carga de fuego, primer caso. ........................................................................................................... 69 Figura 56. Temperatura sensor T_3, segundo caso. ............................................. 69

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Figura 57. Sensores de temperatura, segundo caso. ............................................ 70 Figura 58. Temperatura promedio respecto a la distancia de la carga de fuego, segundo caso. ....................................................................................................... 70 Figura 59. FED sensor FED_3, primer caso.......................................................... 71 Figura 60. FED primer caso. ................................................................................. 71 Figura 61. FED promedio respecto a la distancia de la carga de fuego, primer caso. .............................................................................................................................. 72 Figura 62. FED sensor FED_3, segundo caso. ..................................................... 72 Figura 63. FED segundo caso. .............................................................................. 73 Figura 64. FED promedio respecto a la distancia de la carga de fuego, segundo caso. ...................................................................................................................... 73 Figura 65. Comparativa en la concentración promedio CO entre el primer y segundo caso. ...................................................................................................................... 74 Figura 66. Comparativa en la concentración promedio CO2 entre el primer y segundo caso. ....................................................................................................... 75 Figura 67. Comparativa en la concentración promedio O2 entre el primer y segundo caso. ...................................................................................................................... 75 Figura 68. Comparativa en la FED promedio entre el primer y segundo caso. ..... 76 Figura 69. Comparativa en la velocidad promedio entre el primer y segundo caso. .............................................................................................................................. 76 Figura 70. Comparativa en la visibilidad promedio entre el primer y segundo caso. .............................................................................................................................. 77 Figura 71. Comparativa en la temperatura promedio entre el primer y segundo caso. .............................................................................................................................. 77

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RESUMEN Desde que se emprendió la construcción de túneles viales en el país, estos han sido susceptibles a diversos escenarios de fuego, convirtiéndose en una amenaza latente para la vida de los usuarios, además de presentarse pocos estudios respecto al tema, por lo tanto, el objetivo de este proyecto fue el de estudiar el comportamiento del fuego dentro de un túnel vial de sección transversal circular de acuerdo con el cumplimiento del dimensionamiento mínimo fundamentado en la normatividad Colombiana, el cual, este estudio se realizó por medio de diversas simulaciones y haciendo uso del motor de cálculo Fire Dynamics Simulator. El proyecto posee un enfoque descriptivo donde se analizó y describió el comportamiento de las variables implicadas durante un incendio en un túnel vial, no obstante, metodológicamente, el proyecto presentó una parte teórica y experimental, la parte teórica comprendió el modelo de verificación elaborado de acuerdo con un artículo investigativo relacionado estrictamente al tema de estudio, mientras que en la parte experimental se estipuló el desarrollo del objetivo fundamental del proyecto por medio de las diferentes simulaciones prácticas para dos diferentes casos, así mismo, se concretó toda la estructura, dimensionamientos y los datos de entrada en el software con el fin de garantizar la objetividad de las simulaciones. La aplicabilidad del proyecto viene dada a la construcción y aportación en el estudio del comportamiento del fuego en túneles viales. En cuanto a los resultados se refiere, el comportamiento de las variables se describió con imágenes térmicas y gráficas para cada uno de los casos, además se realizó una comparativa entre estos, finalmente, las conclusiones del trabajo se encuentran acorde a lo que se quería lograr con el proyecto con base a sus resultados. Palabras clave: túnel, simulación, incendio, fuego, humo, dimensionamiento, seguridad, rociadores automáticos, temperatura, gases tóxicos.

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INTRODUCCIÓN Las obras de ingeniería civil son susceptibles al fuego, como es el caso de los túneles, el cual es un espacio confinado por lo que los incendios tienen una peligrosidad especial en estos casos y además la dificultad de evacuación de los humos y la alta disipación del calor generado, todo esto puede ocasionar resultados bastante perjudiciales como lo es el efecto cañón, efecto horno, entre otros. De acuerdo con todo lo anteriormente mencionado, podría presentar serias implicaciones en la vida de las personas, así como en la estabilidad estructural del túnel, por lo tanto, es importante conocer las variables y los posibles escenarios de fuego con el fin de mitigar eventuales casos. Un caso bastante conocido de incendio en túnel es el ocurrido en el túnel Mont Blanc que atraviesa los Alpes europeos uniendo Chamonix, Francia y Aosta Valley, Italia. El incendio fue generado por la colilla encendida que se introdujo dentro el filtro de aire de un camión, causando el incendio inmediato y arrasando con todo el combustible que encontraba en su paso ocasionando un total de 39 muertes, el cual la gran mayoría fue carbonizada dentro de sus automóviles y otras intentando de escapar a pie. Respecto a lo mencionado anteriormente, para mitigar tales efectos, así como para minimizar las pérdidas humanas, es vital la comprensión de la dinámica del fuego en diferentes escenarios como parte esencial del diseño de la estructura del túnel, el cual, conociendo todos estos factores se permite ejecutar soluciones preventivas para diversos escenarios de incendio ocurridos en el túnel. Consiguientemente, lo que se pretende con el proyecto es de brindar una noción acerca del comportamiento del fuego mediante los Computational Fluid Dynamics (CFD), además de la aplicación de soluciones activas en donde se mitiguen los efectos ocasionados por el incendio. Por otra parte, este proyecto posee un alcance de tipo descriptivo donde su razón principal es de simular el comportamiento del fuego en túneles, fundamentado en la descripción de la dinámica del fuego con base a diversas fuentes y recolección de datos que permitan un óptimo análisis de la información, con el fin de lograr una alta precisión en la pronosticación de la dinámica del fuego. Por lo tanto, para sustentar todo lo anteriormente mencionado, se realizarán simulaciones con el perfil transversal de túnel más representativo en el país, posteriormente, se efectuará la aplicación de dos casos, el primero con la implementación de los rociadores automáticos y el segundo sin estos. Respecto a los resultados obtenidos, se espera entender la dinámica del fuego y sus influencias de acuerdo con el perfil transversal del túnel representativo cumpliendo con el objetivo general de estudiar el comportamiento del fuego en túnel vial. La aplicabilidad del proyecto viene dada por la aportación en el estudio del fuego.

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1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA. Los incendios dentro de túneles a causa de fallos vehiculares o atentados terroristas influyen en este una serie de factores y consecuencias que los hacen especialmente peligrosos tanto desde el punto de vista estructural como de pérdida de vidas humanas: el efecto horno, la alta radiación, el efecto cañón, las vías de escape reducidas, la menor visibilidad, mayor concentración de tóxicos y el posible comportamiento erróneo del usuario. Por ello, el estudio de la respuesta frente al fuego de un túnel es un tema relevante que requiere atención. (Juan & otros, 2017). Como antecedentes respecto a la problemática de incendios en túneles, en el país de Singapur, dentro del túnel de KPE, un taxi de TransCab exploto a lo largo del túnel de la autopista Kallang-Paya Lebar (KPE) el día 29 de agosto del 2017 el cual provoco algunos daños en la iluminación, así como en zonas de la estructura superior e instalaciones del túnel, sin embargo, los ocupantes lograron salir ilesos. (Revista Asia One, 2017). Consiguientemente, se presentó otro caso en el Túnel que une Suiza e Italia bajo los Alpes siendo este uno de los más largos del mundo, con 17 kilómetros. 11 personas murieron en aquel incendio del 24 de octubre de 2001. Dos camiones impactaron en el interior de la galería. Uno de los tanques de combustible explotó y se inició fuerte incendio. En pocos minutos los dos vehículos fueron objetivo de las llamas, el fuego se prolongó por más de 20 horas. Las temperaturas superaron los mil grados en el interior del túnel. El conductor del camión que había chocado primero, contra una de las paredes del túnel había sido visto antes, sin control en la carretera según las autoridades suizas. El accidente de San Gotardo se produjo solo dos años y medio después de la tragedia en el túnel francés de Mont Blanc. Desde entonces las normas de circulación en los túneles han cambiado, para aumentar la seguridad en los túneles en materia contra incendios. (Revista RTVE, 2016). En definitiva, con base a estos antecedentes se logra demostrar la importancia de tener un estudio detallado y establecido del comportamiento del fuego, ya que en cuanto mayor sea la potencia de este, más destructivos serán los efectos del incendio, así mismo, estos se convierten más difíciles de controlar. El principal combustible de los incendios en los túneles son los propios vehículos que circulan por el mismo. No sólo por el propio combustible de los motores, sino también por elementos que están presentes como los aceites, grasas, ruedas, tapicerías, plásticos, etc. La formulación del problema está fundamentada de acuerdo con el objetivo de

investigación: insuficiente información disponible respecto al comportamiento de

incendios en túneles en Colombia.

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2. JUSTIFICACIÓN. Al producirse un incendio dentro del túnel, la vida humana corre mucho peligro así mismo como la estabilidad estructural de este, es por ello que se plantea desde un punto investigativo lograr una seguridad óptima a los usuarios que transiten a través del túnel y por ende, dar continuidad en la conexión entre poblaciones evitando una potencial perturbación en la estabilidad financiera como social (Hluchy, y otros, 2012). No obstante, un incendio puede ser devastador y repercutir con muchas pérdidas y riesgo para las personas, por estas causas, es menester estar prevenido para un actuar eficaz contra el fuego en túneles, coches o lugares donde pueda existir un riesgo de incendio, por ello es necesario contar con un equipo contra incendios, así como el respectivo conocimiento en el comportamiento del fuego. (Kumar, Log, & Kraaijeveld, 2019). Del mismo modo, los equipos contra incendios y el estudio del comportamiento de este, junto con las medidas oportunas para la prevención de incendios son esenciales, no únicamente para salvar vidas y bienes materiales, sino que también la mitigación de una posible expansión del fuego hacia áreas verdes y ecosistemas. Por lo tanto, como medida preventiva y de acción para aminorar la propagación del fuego, es pertinente poseer el equipo contra incendio adecuado para cada circunstancia, así como la implementación de detectores de humo y soluciones activas como lo son rociadores automáticos ubicados estratégicamente dentro del túnel. (Wang, Fleischmann & Spearpoint, 2016) El impacto positivo del proyecto se encuentra orientado principalmente en la construcción y aportación en el estudio del comportamiento del fuego en túneles viales en Colombia, no obstante, el país ha mostrado una gran preocupación por posibles incendios en túneles viales y por esta razón fundamenta el primer y único manual de diseño, construcción, operación y mantenimiento para túneles de carreteras en Colombia donde se estipulan algunas normatividades nacionales con base a la norma estadounidense National Fire Protection Association (NFPA), el cual, estas normas nacionales como internaciones, tienen el objetivo de mitigar y prevenir posibles escenarios de incendios en estructuras tipo túnel. Por otra parte, al no llegarse a implementar las respectivas normas de diseño para la protección de incendios, las consecuencias serían severas, ya que podría presentarse altas pérdidas de vidas humanas, así como un posible colapso de tramo del túnel ocasionando grandes costos para su rehabilitación.

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3. OBJETIVOS. 3.1. Objetivo general Estudiar el comportamiento del fuego en túnel vial. 3.2. Objetivos específicos

- Seleccionar un simulador de fuego acorde al estudio de túneles.

- Establecer la sección de túnel más representativa de acuerdo con el manual de diseño, construcción, operación y mantenimiento para túneles de carreteras en Colombia.

- Simular el escenario de fuego conforme a la sección transversal del túnel.

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4. MARCO TEÓRICO. 4.1. El fuego El fuego o combustión es una fulminante reacción química de oxidación de tipo exotérmico, propiamente alimentadas y con presencia de un elemento combustible en fase sólida, líquida o gaseosa. De acuerdo con las normatividades de la UNE, el fuego es una combustión caracterizada por una emisión de calor acompañada de humo, llamas o ambos. Según la RAE, el fuego es luz y calor producidos por la combustión. Del mismo modo, el fuego químicamente es un proceso de reacción química instantánea, potentemente exotérmica de oxidación y reducción, donde está presente un elemento combustible y otra comburente, el cual, esta se produce en un ambiente energéticamente favorables y en la que se emite calor, radiación luminosa, humo y gases de combustión. (Esparza, 2017) La velocidad de la reacción se puede clasificar en diversos casos. Si la reacción es lenta se estaría relacionando a la oxidación, en este caso no se presenta aumento de temperatura, no produce emisión de luz y poca radiación de calor que se disipa en el ambiente. Si reacción es normal se está hablando de la combustión, por lo que se producirá mediante la emisión de luz y calor, el cual podrá ser perceptible por los seres vivos y el frente de llama tendrá unos valores de ciertos centímetros por segundo. De la misma forma, si la reacción es rápida, se estaría produciendo deflagración, la combustión que se origina cuando la velocidad de propagación del frente de llama es más pequeña que la del sonido; por lo que su valor se encuentra en el orden de metros por segundo y sus ondas de presión son diez veces la presión inicial. Por otra parte, si la reacción es muy rápida entonces se está presentando una detonación, es la combustión que se genera cuando la velocidad de propagación del frente de llama es considerablemente mayor que la del sonido y se estaría alcanzando velocidades de kilómetros por segundo. Sus ondas de presión de hasta cien veces la presión inicial. (Esparza, 2017) 4.2. Tetraedro del fuego La dinámica del fuego viene dada conjuntamente a la mecánica de fluidos, la transferencia de calor y materia y la cinética química. Desde la época de Lavoisier se emplea un tetraedro para representar los componentes básico para el fuego como se muestra en la Figura 1, por lo tanto, el fuego no podría generarse sin estos tres componentes: (Esparza, 2017)

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Figura 1. Tetraedro fundamental del fuego.

Fuente: Esparza, 2017

4.3. Dinámica del fuego en túneles Muchos de los catastróficos eventos ocurridos en túneles, realmente ha causado enormes daños materiales y algunas veces este logra concurrir a trágicas pérdidas de vidas humanas. La preparación respecto a alternativas de rescate contra eventos extremos es un requisito indispensable para la pertinente mitigación o prevención de devastadoras consecuencias de tales eventos. Hay diferentes escenarios que tienen influencia a la ocurrencia del fuego, estos son el incremento de la cantidad de vehículos en el túnel y vehículos detenidos en la vía del túnel, de la misma forma, desafortunadamente de cierta manera se ha incrementado los incendios en esta estructura por provocación humana. Desde la última década, como se muestra en la Figura 2, la simulación del fuego de forma computacional y a escala se ha convertido en una herramienta altamente efectiva para la preparación del rescate en un ambiente dado de fuego y para la supresión del incendio. Las simulaciones permiten visualizar el comportamiento del humo y del fuego dentro del túnel y diversos parámetros básicos como lo es la temperatura, la velocidad del aire, rango de liberación de calor, transferencia de humo y en dados casos ayuda a preparar una óptima estrategia y soluciones para la supresión del fuego. (Weisenpacher, Halada & Glasa, 2011)

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Figura 2. Ensayo de incendio en túnel con modelo Back-Layering.

Fuente: Hauptbeiträge, 2011

4.4. Causas Los incendios dentro de un túnel comúnmente son ocasionados por vehículos, el cual esto sucede por diversas razones, en automóviles con frecuencia es debido a fallas eléctricas, en vehículos de cargamento pesado una de las causas principales es el sobrecalentamiento de los sistemas de frenado. El incendio también puede ser producido por el resultado de un accidente de tránsito. Por otra parte, no parece haber estadísticas de evidencias en que el fuego ocurra con mayor o menor frecuencia en túneles que al aire libre, sin embargo, cualquier incendio que se produzca dentro de un túnel tiende a tener mayores consecuencias. (Oswald, 2004)

4.5. Efectos

➢ Efecto horno: Refiere al aumento continuo de la temperatura, consiguientemente acumulando calor de forma progresiva, un caso conocido es el horno de una cocina.

➢ Efecto cañón: El efecto cañón se produce al presentarse una explosión

dentro del túnel, este efecto se comporta de tal manera que, por la geometría

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lineal del túnel, se liberaría hacia sus entradas, la sobrepresión generada por la explosión, como si fuese el cañón de una pistola.

➢ Desorientación: A causa de la acumulación de gases, las personas pierden

total visibilidad, desorientándose en el momento de la evacuación y de esta forma ocasionando nuevos accidentes. (Cáceres, 2008)

4.6. Seguridad contra incendios Las muertes por fuego y las pérdidas de los elementos estructurales podrían ser reducidas a rangos mínimos si todos los incendios fueran prevenidos o extinguido en su forma de llama, existen muchas formas de reducir la probabilidad de ocurrencia, sin embargo, es básicamente imposible prevenir la mayoría de los incendios. De acuerdo con la tipología o magnitud de la ocurrencia del fuego, se han implementado diversas estrategias para reducir su impacto, y algunas combinaciones de estas serán usados por los diseñadores de la estructura. La forma óptima en la tecnología para la seguridad contra incendios es la implementación de rociadores automáticos, ya que estos dispositivos han mostrado una gran probabilidad respecto al control en la extinción de cualquier incendio. (Buchanan & Abu, 2017) Por otra parte, es necesario el establecimiento de sensores y notificadores de incendios, rutas seguras de evacuación para las personas y bomberos, barreras para controlar la propagación del fuego y humo. Otro factor de vital importancia para incluir en el diseño de la estructura de túnel es la suficiente resistencia de la estructura para evitar un colapso prematuro cuando se encuentre expuesta al fuego, no obstante, la apropiada selección y diseño de los materiales a usar en la estructura son muy importantes, ya que en estos dependerá la resistencia a la propagación del fuego. De la misma manera, según la seguridad contra incendios tiene como objetivo principal de limitar a niveles aceptables la probabilidad de muerte, lesiones, perdida de la estructura parcial o completa y daños ambientales por un incendio no deseado. El balance entre asegurar la vida y la protección de la estructura varia dependientemente al país, así como el tipo de estructura y sus ocupantes. Los primeros códigos contra incendios surgieron debido a la cooperación de empresas interesadas en la protección de la estructura que, en asegurar la vida, todo esto a raíz del gran incendio de Londres en 1666. (Buchanan & Abu, 2017) Consiguientemente, el problema de la seguridad estructural contra incendios en la actualidad ha ganado una posición de predominancia dentro del diseño en la ingeniería, con la fundamentación de normatividades y estándares, reemplazando paulatinamente a las normas tradicionales basadas solo en prescripciones. Todo este es causado a que hoy en día, las estructuras siempre más grandes y complejas

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son diseñadas y construidas con el uso de materiales altamente sensibles al fuego. Al momento de modelar estructuras de gran complejidad, hay aspectos de vital importancia para tener en cuenta al momento de diseñar, especialmente el establecimiento de la estructura de acuerdo con lo definido anteriormente en el diseño. En el caso de los túneles, que poseen características específicas y especiales que deben de cumplir un alto rendimiento. El principal objetivo es el análisis y evaluación de simulaciones para determinar lo que realmente sucede con los elementos estructurales y todo el conjunto estructural y cuando el fuego está activado. (Gentili, Crosti, & Gkoumas, 2010) 4.7. Modelado de simulación

El modelado de simulación resuelve problemas del mundo real de manera segura y eficiente. Proporciona un método de análisis importante que se verifica, comunica y comprende fácilmente. En todas las industrias y disciplinas, el modelado de simulación proporciona soluciones valiosas al proporcionar información clara sobre sistemas complejos. La simulación permite experimentar con una representación digital válida de un sistema. A diferencia del modelado físico, como hacer una copia a escala de un edificio, el modelado de simulación está basado en computadora y utiliza algoritmos y ecuaciones. El software de simulación proporciona un entorno dinámico para el análisis de modelos de computadora mientras se ejecutan, incluida la posibilidad de verlos en 2D o 3D. Los usos de la simulación en los negocios son variados y a menudo se utilizan cuando realizar experimentos en un sistema real es imposible o poco práctico, a menudo debido al costo o al tiempo. (anylogic, 2019) 4.8. Toxicidad en incendios La toxicidad en el ambiente durante un incendio se mide como dosis efectiva fraccionada o FED por sus siglas en inglés, el cual, la dosis efectiva fraccionada (FED) es una medida de los contaminantes transportados por el aire absorbidos por un ocupante. Los peligros como el monóxido de carbono y el dióxido de carbono se acumulan durante el movimiento del ocupante a través de un edificio en llamas, dependiendo a la concentración de estos gases podría ocasionar graves daños sobre la vida humana. Así mismo, conocer las diversas dosis de gases tóxicos que causan efectos adversos en la salud humano dependientemente al tiempo de exposición y al nivel de dosis en el ambiente, es importante para evaluar la mejor forma de minimizar este impacto de toxicidad en un eventual incendio. (Thunderhead, 2020)

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5. METODOLOGÍA. La metodología del proyecto investigativo se realizará con un enfoque descriptivo, por su método cualitativo en la investigación descriptiva, el objetivo es describir el comportamiento o estado de un número de variables, el cual, por medio del análisis de datos fundamentados en documentos técnicos, se describirá los sucesos que se estudian pertinentes al comportamiento del fuego en el túnel, así como su solución activa, se establece un perfil transversal representativo de túnel, consiguientemente con diferentes análisis de literatura se realiza la respectiva simulación mediante el Computational Fluid Dynamics (CFD) para el perfil transversal representativo de túnel, respecto a los análisis de los escenarios simulados, se toman conclusiones obedeciendo con los objetivos del proyecto. FASE 1: se buscarán diversos simuladores de fuego, los cuales se estudiarán para identificar las características y herramientas ideales, logrando así la realización de los casos de estudio de forma óptima. FASE 2: a continuación, se estudiará de manera detallada el CFD elegido, logrando ver las características y herramientas de este, en donde se encontrarán las características menester para la realización óptima de las simulaciones. Se buscará analizar y estudiar las herramientas del CFD elegido para llevar a cabo el desarrollo de la simulación. FASE 3: se realizará la verificación del software elegido mediante un artículo de carácter científico, donde se presente el desarrollo y el análisis de la simulación a una estructura tipo túnel vial y de esta forma validar el aprendizaje obtenido por parte del software. FASE 4: posteriormente, se desarrollará y simulará la carga de fuego en un perfil transversal rectangular, tomando como referencia el artículo científico publicado en la plataforma académica Research Gate, en el año 2015, por sus autores Silviu Codescu, Daniela Popescu y Valeriu Panaitescu. El artículo “COMPUTATIONAL SIMULATION OF ROAD TUNNEL FIRE PROTECTION, BY USING SPRINLKERS”. FASE 5: de acuerdo con el manual colombiano para el diseño de túneles, se elegirá el perfil transversal de túnel más representativo y usual para su respectivo estudio de incendio. FASE 6: desarrollo del caso de estudio en el perfil de túnel más representativo, donde se evaluarán los diferentes escenarios de incendio de manera práctica, que cumplan con el objetivo de hacer el análisis específico y detallado de la influencia de la carga de fuego mediante dos simulaciones, el primer modo con rociadores automáticos y el segundo sin ellos.

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FASE 7: consecutivamente, se analizará los datos y gráficas de la carga de fuego obtenidas por el simulador CFD de acuerdo con el perfil transversal representativo de túnel del caso de estudio, por lo tanto, se tomará en cuenta la ubicación de los sensores en puntos estratégicos del túnel, para así determinar las clases de incidencias que puedan existir en la estructura y en las personas durante un evento de incendio. FASE 9: en adición, se discutirán los resultados obtenidos en el simulador haciendo una comparación exhaustiva, entre los escenarios de cargas de fuego propuestos para los dos casos de estudio, logrando evaluar y predecir el comportamiento de fuego y el humo en diversos puntos de la estructura del túnel. FASE 10: finalmente, se realizará las pertinentes conclusiones de los datos que fueron estudiados y evaluados de acuerdo con las simulaciones realizadas del comportamiento de fuego y del humo en los casos presentados anteriormente mencionados. 5.1. Análisis de simuladores Simulación dinámica de incendios CYPE

CYPE ha desarrollado el módulo Simulación dinámica de incendios como fruto de un proyecto de investigación financiado por el Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI), y cofinanciado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).

Este módulo de CYPE realiza simulaciones dinámicas de la evolución de incendios en edificios mediante dos herramientas externas de libre uso: el motor de cálculo FDS (Fire Dynamics Simulator) y el visualizador gráfico Smokeview (SMV), ambos desarrollados por el NIST (National Institute of Standards and Technology, USA). Dichas herramientas no disponen de una interfaz gráfica de introducción de datos ni de una expresión analítica de resultados útil y sencilla para el usuario, por lo que requieren de otras herramientas para su uso.

El módulo Simulación dinámica de incendios de CYPE utiliza la interfaz gráfica de su software CYPECAD MEP para proporcionar los datos correctos y necesarios al motor FDS y al visualizador Smokeview ofrece un análisis de resultados altamente útil, fruto de una interpretación exhaustiva de los resultados que calcula el motor FDS, sin la necesidad de la intervención de un experto altamente especializado, tanto en el uso del motor FDS como en la materia de la evolución de incendios en los edificios.

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Fire Dynamics Simulator (FDS) Por el National Institute of Standars and Technology (NIST)

Fire Dynamics Simulator (FDS) es un modelo de dinámica de fluidos computacional (CFD) de flujo de fluidos impulsado por incendios. El software resuelve numéricamente una forma de las ecuaciones NIST de Navier-Stokes apropiadas para el flujo impulsado térmicamente a baja velocidad, con énfasis en el transporte de humo y calor de los incendios. Smokeview (SMV) es un programa de visualización que se utiliza para mostrar la salida de simulaciones FDS y CFAST.

Flow-3D Nacido de la investigación pionera de CFD realizada en el Laboratorio Nacional de

Los Alamos, FLOW-3D está diseñado específicamente para proporcionar

soluciones para algunos de los problemas de CFD más difíciles del mundo:

escenarios transitorios con física compleja y superficies libres. Se ha estructurado

para sobresalir en este análisis central y desarrollando docenas de modelos físicos

de soporte que le permiten expandir el conjunto de ecuaciones que se están

resolviendo para incluir fluidos complejos, múltiples especies dispersas o continuas,

múltiples fases, reacciones químicas, transferencia de calor, objetos en movimiento,

electromecánica y medios granulares. La amplitud de la física incluida en el software

ha llevado a su uso en un número igualmente grande de áreas de aplicación, desde

aeroespacial, fabricación aditiva y fundición de metales, hasta la seguridad del

reactor y la ingeniería de recursos hídricos.

Pyrosim PyroSim es una interfaz gráfica de usuario para Fire Dynamics Simulator (FDS). Se utiliza para crear simulaciones de incendios que predicen con precisión el movimiento del humo, la temperatura y las concentraciones de toxinas durante un incendio, el cual ha sido usado para la modelación de diversos escenarios de diseños contra incendio para entender de forma óptima y clara el comportamiento del fuego, humo y tóxicos que son potencialmente perjudiciales para la vida de las personas y en algunos casos, fatal para la integridad de las estructuras. No obstante, con el adecuado y exhausto análisis a cada software anteriormente mencionados, se tuvieron en cuenta diferentes variables fundamentales que convierte el desarrollo del proyecto a una forma pragmática y manejable para realizarse. La rapidez para efectuarse el modelo, el nivel de precisión más adecuado a la realidad, con características modificables y tiempo del cálculo de la simulación,

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estas singularidades fueren menester en el momento de la elección del software de modelación a usar. El software de simulación de fuego CYPE, en una versátil herramienta para la elaboración de sofisticados modelos enfocados en edificaciones, el cual, este ya posee configuraciones predeterminadas para facilitar el uso del software con base a la normatividad europea, este posee una gran rapidez para realizar el modelo con un alto nivel de precisión así como bajo tiempo de simulación, sin embargo, esta herramienta presenta un mayor enfoque a las estructuras verticales, el cual no es materia de acuerdo al objetivo fundamental del proyecto. El simulador de fuego Fire Dynamics Simulator (FDS), es el software más fundamental para el desarrollo de cualquier modelo de incendio, este simulador en su estado puro hace uso de líneas de códigos basados en el lenguaje de programación FORTRAN, todos los software orientados en esta temática, usan como su motor de cálculo el FDS desarrollado por el NIST, sin embargo, por su naturaleza de programación, lo más óptimo es hacer uso de estos programas que tienen la implementación del diseño asistido por computadora. FLOW-3D es un software de simulación de computación dinámica de fluidos, el cual, esta herramienta puede realizar simulaciones de complejas estructuras de todo tipo pertinentes a fluidos, sin embargo, el software está mayormente orientado al cálculo de comportamiento de fluidos de naturaleza líquida, por lo tanto, no posee la optimización necesaria para el correcto desarrollo del objetivo fundamental. Por otra parte, el software de simulación de incendio Pyrosim, posee las cualidades menester para un exitoso análisis del comportamiento de incendios en cualquier tipo de estructuras, el diseño asistido por computadora es muy completo así como la versatilidad y exactitud del cálculo de su malla por elementos finitos es de gran complejidad, ya que este tiene en cuenta todo factor influyente en el escenario de cualquier incendio y todo estas variables son totalmente modificables para las necesidades impuestas para el proyecto de modo que se cumpla con la totalidad del objetivo fundamental. Por lo tanto, todo el proyecto se ejecutará y calculará mediante este software de simulación.

5.2. Características del software de simulación de incendio Pyrosim Pyrosim importa archivos IFC, DXF, DWG, FBX, STL y FDS. Los archivos IFC son comúnmente compatibles con los paquetes de software BIM, mientras que los archivos FBX admiten una mayor información de apariencia y textura. Importar cualquiera de estos archivos reducirá en gran medida la cantidad de tiempo dedicado a recrear la geometría arquitectónica. Alternativamente, se puede importar un dibujo en formato GIF, JPG o PNG y luego se puede usar como fondo para ayudarlo a dibujar rápidamente el modelo directamente sobre la imagen con herramientas similares de CAD en 3D.

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En Pyrosim se puede editar todos los objetos del modelo de tal forma que permite ver y modificar interactivamente las propiedades asociadas con todos los objetos en un modelo. Esta retroalimentación visual acelera la creación del modelo y reduce el error. Pyrosim permite analizar resultados visuales por medio de diferentes herramientas como ver humo, temperaturas, velocidades, toxicidad y otras salidas del análisis FDS. Se puede crear videos en tiempo real grabando mientras el software ajusta la cámara y la visualización de datos, así como un recorrido visual preparado a través del modelo. Tiene implementado cambiar fácilmente entre Smokeview proporcionado por NIST o usar el visor de resultados con una interfaz similar a Pyrosim, que también se pueden integrar los resultados de movimiento de ocupantes con Pathfinder. El software permite la administración de múltiples mallas, el cual, Pyrosim incluye herramientas para ayudar a crear y validar múltiples mallas. Las mallas múltiples permiten: utilizar el procesamiento paralelo para acelerar la solución, ajustar mallas a la geometría para reducir el número de celdas y el tiempo de solución, y cambiar la resolución de diferentes mallas para enfocar las regiones de interés. Posee un procesamiento paralelo integrado, Pyrosim incluye soporte para lanzar una simulación paralela usando MPI. Para una sola máquina con múltiples núcleos o CPU, el procesamiento en paralelo es una herramienta integrada y todos los detalles se administran por el usuario. No obstante, es necesario definir múltiples mallas y luego seleccionar Ejecutar paralelo FDS en el menú de solución. Pyrosim también se puede actualizar para ejecutar una simulación FDS en un clúster de red de varias computadoras. Antes de iniciar una simulación de clúster desde Pyrosim, el instalador de nodos se instala en cada computadora que participará. La simulación podrá ejecutar la simulación en cualquier cantidad de computadoras. En relación con los registros de temperatura, Pyrosim para efectos prácticos, posee solamente mediciones en grados Celsius, por lo tanto, los resultados de los sensores en gráficas, así como en los registros térmicos, se dan en términos de grados Celsius, así mismo, para la concentración de sustancias, el software toma como medida mol/mol que posteriormente es traducida a parte por millón (ppm). Sistema HVAC, una nueva característica importante en FDS 6 es la integración de los sistemas HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado) en la simulación de CFD. El sistema HVAC puede transportar contaminantes y calor a través del edificio. Los sistemas de climatización se definen mediante conductos, nodos, ventiladores, intercambiadores de calor (bobinas de aire) y amortiguadores. Todo se puede editar y visualizar en Pyrosim.

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El sistema HVAC puede modelar el flujo independientemente de cualquier análisis de incendio. También pueden servir como parte del sistema de protección contra incendios de un edificio cuando se usan para extraer humo o mantener la presurización del hueco de la escalera. Propiedades de biblioteca, Pyrosim proporciona bibliotecas de propiedades que se pueden personalizar e importar a cualquier modelo. Esto acelera la creación del modelo y reduce el error. Las bibliotecas pueden incluir reacciones, detectores de calor, materiales, partículas, superficies y otros parámetros del modelo. Herramientas de dibujado, Pyrosim proporciona un conjunto completo de herramientas de dibujo que permiten crear rápidamente el modelo. Las herramientas incluyen soporte para todos los objetos FDS, funciones de copiar y pegar, y adjuntar texturas a las superficies. 5.3. Verificación de la simulación De acuerdo con la simulación de validación, para su elección se tuvieron en cuenta diversos factores pertinentes al estudio necesario con lo planteado en los objetivos fundamentales del proyecto, por lo tanto, con una exhaustiva búsqueda de documentos investigativos respecto al estudio del comportamiento de incendios en túneles, se encontró un documento óptimo que cumpliese con lo fundamentado en el proyecto, es decir, el proyecto de simulación de validación debe efectuar el análisis del incendio dentro de un túnel, el cual, su comportamiento será evidenciado por medio de gráficas descritas por sensores de temperatura, así como también diversas gráficas respecto a las variables que son estudiantes por el cálculo del simulador.

No obstante, se encontró un proyecto investigativo sobre el comportamiento de incendios en túneles, el cual cumple con los estándares anteriormente planteados, el artículo publicado en la plataforma académica Research Gate, en el año 2015, por los autores Silviu Codescu, Daniela Popescu y Valeriu Panaitescu. El artículo “COMPUTATIONAL SIMULATION OF ROAD TUNNEL FIRE PROTECTION, BY USING SPRINLKERS”, muestra como propósito principal la protección de túneles ante eventuales incendios mediante el uso de rociadores como protección activa, el cual, esto se implementa en un túnel de sección transversal rectangular. El modelo simulado fue tomado de un túnel real en Rumania, que presenta este tipo de diseño en específico, así como las respectivas soluciones activas, en este caso, los rociadores automáticos, sus resultados son evidenciados en la gráfica temperatura versus tiempo que registrara el sensor de activación de los rociadores automáticos.

Consiguientemente, los túneles viales son esenciales para el desarrollo de la infraestructura de un país, por lo tanto, la seguridad en protección de incendios en túneles, así como la óptima protección de sus usuarios, deben ser temas de vital

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importancia para la ejecución de un proyecto tipo túnel. Anteriormente, se muestran las causas del por qué es necesario el uso de rociadores automáticos en túneles como principal medida de extinción del fuego brindando seguridad en las vías de evacuación del túnel.

En la literatura, así como en escenarios reales, se han presentado diversas situaciones donde se usan los rociadores con agua o agua nebulizada para proteger espacios reducidos similares a túneles viales, subterráneos o para zonas confinadas, no obstante, los rociadores automáticos son dispositivos de protección activa contra incendios que tiene la función de descargar un determinado caudal de agua con el fin de extinguir el fuego. Las instalaciones eléctricas de los túneles que son usadas para la alimentación eléctrica de los sistemas auxiliares, pueden presentar un alto riesgo durante la activación de los rociadores automáticos, sin embargo, las regulaciones nacionales, promulgan que en cualquier situación de emergencia, la electricidad debe ser desconectada automáticamente y además el sistema auxiliar deberá poseer protección contra la infiltración del agua, por lo tanto, la activación de los rociadores automáticos no deberá de presentar ningún peligro respecto a la conductividad eléctrica.

Durante la presencia de una carga de fuego, la principal consideración es respecto a una evacuación segura de las personas que transitan en el túnel, por lo que el uso de rociadores en la zona de la carga de fuego es menester para garantizar una efectiva evacuación de las personas mitigando a grandes medidas los efectos nocivos y mortales sobre estas. Los autores del artículo investigativo usan simulaciones del fuego como una herramienta efectiva para el estudio de la efectividad de la protección activa, en este caso, los rociadores automáticos, es decir, mediante la simulación virtual del escenario de fuego, se estudia el comportamiento del incendio, así como la temperatura de este dentro del túnel vial, y de esta forma garantizar una mejor respuesta para las vías de evacuación.

De acuerdo a los aspectos anteriormente mencionados, el artículo científico de validación tiene como objetivo de analizar algunas de las condiciones, circunstancias y medidas activas que pueden aplicarse debido a un incendio producido dentro del túnel vial, utilizando el software Pyrosim con su motor de cálculo basado en la plataforma Fire Dynamics Simulator (FDS), se simula un evento de incendio real y se estima la probabilidad de evolución mediante condiciones predeterminadas, haciendo el uso de la protección adecuada.

El simulador de fuego a utilizar con el motor de cálculo Fire Dynamics Simulator (FDS), desarrollado por The National Institute of Standards and Technology (NIST), será la plataforma óptima para el análisis de la tasa de liberación del fuego por unidad de área, la temperatura, concentración de gases, así como el comportamiento en general de incendios y gases.

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5.4. Datos de entrada y desarrollo de la simulación de verificación El modelo fue tomado de un túnel real en Rumania, sin embargo, debido a escalas de tiempo simulado a causa del potencial computacional que se posee, se realizaron algunos cambios que influyen directamente sobre el tiempo de cálculo. El cálculo de la simulación fue realizado en una computadora Asus, el cual cuenta con 8.00 GB de memoria RAM, procesador Intel Core i5-6200U de 2.40 GHz y un sistema operativo Windows 10 x64 bits.

No obstante, el modelo simulado es un túnel tipo vial con un perfil transversal rectangular, con sección de 9 m en el ancho, 6 m a lo largo y una longitud de 50 m como se muestra en la Figura 3. El túnel presenta 8 vehículos en su interior donde el quinto vehículo tendrá la carga de fuego que será motivo de estudio.

Figura 3. Dimensionamiento general del túnel vehicular

Fuente: Autor

Con base al artículo “COMPUTATIONAL SIMULATION OF ROAD TUNNEL FIRE

PROTECTION, BY USING SPRINLKERS” se tomaron los datos y variables para

configurar el modelo en el motor de cálculo FDS, no obstante, sus datos de entrada

son determinados de acuerdo con los resultados pertinentes al artículo de validación

como se muestra en la Tabla 1.

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Tabla 1. Datos de entrada en Pyrosim para incendio de túnel vial y la protección de los usuarios del túnel.

CATEGORÍA PARÁMETROS VALORES

Dominio Computacional

Volumen de la simulación

Túnel de carretera, diseñado en el software, tomando datos geométricos de un túnel de carretera real aleatorio

Dimensiones del túnel vehicular

50 m x 9 m x 6 m (en orden en los ejes 0x, 0y y 0z)

Datos Numéricos

Celdas por malla, división

múltiple

Primera división: 58 x 34 x 23 Segunda división: 75 x 68 x 46 Tercera división: 62 x 34 x 23

Dimensión de una celda

Primera división: 0,3233 x 0,2647 x 0,2609 Segunda división: 0,1500 x 0,1324 x 0,1304 Tercera división: 0,3226 x 0,2647 x 0,2609

Número total de celdas

328.440

Condiciones de borde para el volumen de la

simulación

El límite del dominio se consideró cerrado, a excepción del límite máximo x0y, que se consideró abierto. Toda la estructura del túnel vial es considerada de hormigón

Otros Datos

Carga de fuego

Importado de la biblioteca FDS, HRR (tasa de liberación de calor) de 800 kW/m2, fuente de fuego de forma cuadrada, dimensiones 0,9 m x 0,8 m

Valores ambientales

20°C, humedad relativa 40%, presión atmosférica 101.325 Pa, nivel del suelo a 1.500 metros sobre el nivel del mar

Tiempo simulado

200 segundos

Rociadores Flujo 0,00001667 m3/s, factor k = 1 diámetro medio de gota 300 μm

Ventilador - generador de corriente de

viento

Existente en ambos extremos del túnel con dimensión de 9 m x 6 m

Fuente: Codescu y otros, 2015. Editado por el autor, 2020.

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Para el escenario de fuego, el incendio inicia en un vehículo detenido dentro del túnel, ubicado en la mitad de la longitud del túnel (a 25 metros de cada entrada), no obstante, este es causado por una falla eléctrica en el motor. El vehículo mide aproximadamente 4 m de largo, 1,5 m de alto y 1,5 m de ancho, su principal material es el acero y sus propiedades fisicoquímica son predefinidos por los valores del software. Hay 8 vehículos similares en el túnel, con 1,5 m de distancia entre ellos como se evidencia en la Figura 4.

Figura 4. Dimensionamiento de los vehículos y distancia de separación entre ellos.

Fuente: Autor

La carga de fuego utilizada en la simulación tiene una tasa de liberación de calor de 800 kW/m2, con una superficie plana de 0,72 m2. La cantidad de humo generado es calculado automáticamente por el software y también se tiene la posibilidad de ver la disipación del humo a lo largo de la mitad superior del túnel de la carretera, como se muestra en Figura 5. La disipación de humo que se muestra en la Figura 5 revela que el humo se propagó a más de 10 m a cada lado del vehículo en llamas, bajando a una altura aproximada de 2,2 m, convirtiéndose potencialmente peligroso para los usuarios del túnel, todo esto sucede después de los 18 segundos del inicio de simulación.

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Figura 5. Dimensionamiento del humo que ocupa la mitad superior del túnel en un

tiempo de 18 segundos.

Fuente: Autor Según los datos de simulación, los campos de temperatura desarrollan el gradiente en vertical hasta 95 °C a una altura de aproximadamente 4,5 m. así como en el techo del túnel, más alto que 5,5 m, la temperatura alcanza 83 °C, por un aproximadamente 0,30 m de longitud, alrededor del núcleo del fuego.

Figura 6. Humo y agua visibles como partículas

Fuente: Codescu y otros, 2015

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Según la Figura 6, los rociadores se colocan en el techo del túnel, en el eje de la 0X. El diámetro del área de dispersión de las gotas de agua es 4,5 m alrededor de la zona de combustión. Según esto, los rociadores comienzan a funcionar después de 5 segundos, cuando se alcanza la temperatura de disparo de 65 °C. Posteriormente, a los 45 segundos de simulación, el humo llena casi por completo la mitad superior del túnel del camino, por otra parte, el incendio completa su extinción al llegar a un aproximado de 20°C que es la temperatura ambiente preestablecida. Como se puede ver en la Figura 6, las gotas de agua generadas por la red de rociadores disipan con éxito el humo a su alrededor, por lo tanto, se logra mantener una mejor visibilidad, así como la disminución de potenciales muertes a causa de este, no obstante, los rociadores no solo aumentan el coeficiente de extinción del incendio, sino que también aumenta el nivel de O2 y brinda una temperatura más baja alrededor de la carga de fuego.

Figura 7. Gráfica del comportamiento de la temperatura alcanzada en los

rociadores.

Fuente: Codescu y otros, 2015

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Como se puede observar en la Figura 7, la temperatura más alta alcanzada alrededor de la red de rociadores está en los primeros 10 segundos de simulación, aproximadamente 83 °C, esto disminuyendo a casi 65 °C durante la acción del fuego y posteriormente reduciéndose a casi 20°C al final de la simulación. Los rociadores utilizados en la simulación de incendios se colocan como se ve en la Figura 6, con el objetivo de producir una cortina de agua para la protección. El telón de agua está destinado a proteger a las personas durante las rutas de evacuaciones del calor y el humo. Por otra parte, el objetivo principal del artículo científico no es el de estudiar la cantidad exacta de diferentes valores para la simulación, ya que este se fundamenta en entender el comportamiento del incendio dentro de un túnel vehicular. (Codescu et al, 2015) 5.5. Perfil transversal representativo de túnel vial colombiano Para el desarrollo del perfil transversal representativo de túnel vial, se toma como referencia el manual colombiano para el diseño, construcción, operación y mantenimiento de túneles de carretera, elaborado por el Instituto Nacional de Vías (INVIAS) en su primera edición del 2015, no obstante, este indica el dimensionamiento recomendado para el diseño del perfil transversal del túnel como se muestra en la Tabla 2 y Figura 8. El dimensionamiento del túnel es óptimo y aceptado si sus valores son mayores o iguales a los recomendados por el manual colombiano para el diseño de túneles. Tabla 2. Sección transversal de los túneles de carretera en Colombia

Longitud del túnel

[m]

CARRIL [m] [C]

BERMA [m]

[Bancho]

ANDEN [m] [A]

GALIBO [m] [G]

ANCHO TOTAL [m] [Atot]=2(C+Bancho)

> 3000 3,65 0,4 1,0 5 8,1

1000-3000 3,65 0,4 1,0 5 8,1

500-1000 3,65 0,3 0,9 5 7,9

300-500 3,65 0,3 0,9 5 7,9

< 300 3,65 0,3 0,9 5 7,9

Fuente: Manual para el diseño, construcción, operación y mantenimiento de túneles de carretera, 2015.

Como se muestra en la Figura 8, en la sección transversal del túnel se proporciona el dimensionamiento recomendado, sin embargo, la geometría de la sección transversal no está determinada a estos sino que a diversos factores de tránsito, geológicos y de sección longitudinal, por lo tanto el diseño geométrico del corte transversal del túnel es de tipo circular, ya que este presenta mayor factibilidad para la geología colombiana así como para su construcción y operación del túnel, es

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decir, debido a la eficacia de este diseño, la mayor parte de los túneles construidos en Colombia son de geometría tipo circular. De acuerdo con lo mencionado anteriormente, la sección transversal representativa de túnel a estudiar será de tipo circular, teniendo en consideración que el dimensionamiento transversal del túnel, se encuentre entre los valores recomendados por el manual colombiano para el diseño de túneles (Tabla 2).

Figura 8. Sección transversal de servicio túneles carreteros en Colombia

Fuente: Manual para el diseño, construcción, operación y mantenimiento de túneles

de carretera, 2015.

Por otra parte, en la Figura 8, se muestran las variables fundamentales de

dimensionamiento que debe de poseer el diseño de toda la sección transversal de

los túneles carreteros colombianos, así mismo, se establece la nomenclatura

respectiva que componen al túnel, donde:

A: anden

Bancho: berma

C: carril

G: galibo

Atot: ancho total

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5.6. Desarrollo de la sección transversal circular del túnel vial En los túneles viales existe la posibilidad de producirse diversos escenarios de

incendio por lo que su eventual estudio es de vital importancia para actuar de una

forma óptima y rápida, con esto se logra reducir a niveles mínimos la probabilidad

de casos fatales entre los usurarios así como la estabilidad estructural del túnel, no

obstante, los estudios y análisis mediante la simulación, ayuda a entender el

comportamiento de diversas variables pertinentes al estudio de incendios. Los

túneles de sección transversal circular, son casos especiales a estudiar, ya que su

frecuencia en la infraestructura colombiana es de alta consideración, así mismo,

respecto al diseño de un túnel circular, se debe de fundamentar todas las medidas

de mitigación frente a un escenario de fuego.

De acuerdo con el manual colombiano para el diseño, construcción, operación y

mantenimiento de túneles de carretera, el dimensionamiento de la sección

transversal debe de obedecer los valores mínimos como se estipula en la Tabla 2,

sin embargo, debido a que el objetivo de la simulación es entender el

comportamiento del fuego en escenarios específicos, así como mantener un bajo

número de variables con el fin de conservar una mayor exactitud, comparabilidad y

verificabilidad entre los modelos simulados.

Por otra parte, para la respectiva comparación y verificación entre los modelos

simulados, se conservan los mismos datos de entrada del modelo de verificación

planteados en la sección 5.4. Sin embargo, la sección transversal del túnel varia en

este caso, ya que el estudio y análisís, se realiza sobre el túnel vial con mayor

representación en las carreteras colombianas como se planteó en la sección 5.5.

Se fundamentaron dos casos diferentes para su respectiva simulación donde su

única varianza será la presencia de los rociadores automáticos, en adición, a los

dos casos se agregaron cinco sensores diferentes cada 10 metros de longitud como

se muestra en la Figura 9 y a 1,75 metros de altura que es la altura promedio de

una persona, no obstante, estos sensores registran datos pertinentes al incendio

como lo es el CO, CO2, O2, velocidad, visibilidad, temperatura y la dosis efectiva

fraccionada FED por sus siglas en inglés.

El primer caso de simulación a estudiar, es aquel que cuenta con el sistema de

rociadores automáticos como medida de protección activa, por lo tanto se analiza el

comportamiento del incendio ocasionado por una falla eléctrica en un automóvil

como se especifica en la sección 5.4. El comportamiento del incendio será estudiado

mediante los datos y gráficos obtenido del simulador FDS, posteriormente, se

evidencia la simulación del segundo caso donde su única variación es que no se

implementó el uso de rociadores automáticos.

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Consiguientemente, se muestra la simulación del primer caso en donde se ocuparan

dos rociadores de las mismas características mencionadas en la sección 5.4. Tabla

1, los dimensionamientos del túnel que se muestra en la Figura 10 cumple con lo

mínimamente exigido por la Tabla 1, sin embargo, la geometría transversal del túnel

será de tipo circular como se indicó anteriormente en la sección 5.5.

Figura 9. Corte transversal del túnel vial circular con rociadores automáticos.

Fuente: Autor

Por otra parte, como se muestra en la Figura 10, el dimensionamiento del túnel

corresponde a los valores planteados en la sección 5.4, Tabla 1, además de acuerdo

con el dimensionamiento mínimo fundamentado por el manual colombiano para el

diseño, construcción, operación y mantenimiento de túneles de carretera son

óptimos, ya que estas dimensiones son mayores a las mínimas, por lo tanto, se

presenta una mayor seguridad para los usuarios y la estructura del túnel. Durante

un escenario de incendio en el túnel, entre mayor sea las dimensiones de la

estructura, mejor será la reacción para contrarrestar a este, debido a que existirá

mayor área transversal para que se produzca una ventilación natural además de

permitir un espacio más amplio para asegurar las vías de evacuación, es pertinente

tener en consideración los aspectos anteriormente mencionados durante el diseño.

Sensor

Rociador

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Figura 10. Corte ortogonal del dimensionamiento del túnel.

Fuente: Autor

Respecto a la carga de fuego, como se describe en la sección 5.4, se encuentra en

la mitad del túnel vial, el cual posee un área de 0,72 m2 sobre la parte superior

delantera de un vehículo como se muestra en la Figura 11, las especificaciones del

fuego, rociadores y vehículos se encuentran en la sección 5.4 Tabla 1.

Figura 11. Sistemas intervenidos durante la simulación

Fuente: Autor

Rociador

Sensor

Carga de fuego

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Consecuentemente, con el fin de demostrar la efectividad del sistema de rociadores,

se realiza la respectiva simulación del caso 2 donde se conserva todas las variables

y características de las anteriores simulaciones con excepción a la implementación

de los rociadores automáticos, como se muestra en la Figura 12, los rociadores

automáticos del caso 1, fueron reemplazados por sensores de temperatura o

Thermocouple.

Figura 12. Corte transversal del túnel vial circular sin rociadores automáticos.

Fuente: Autor

Así mismo, los Thermocouple fueron ubicados en el sitio exacto reemplazando a los

rociadores automáticos, como se dijo anteriormente, las dimensiones y variables de

la simulación fueron conservadas, por lo tanto, con la ubicación de los sensores se

continúa conservando la equis distancia entre ellos, así como su altura de 1,75

metros de la placa inferior del túnel, con todo este control de variables se espera

que los resultados posean la más mínima varianza entre posibles fluctuaciones a

causa de factores como los cambios de dimensionamientos, configuración en la

carga de fuego y aspectos ambientales.

Por lo tanto, durante el transcurso de las simulaciones para los dos casos, se

analizan y estudian las variables que se encuentran relacionadas directamente con

el desarrollo del incendio, como también las potenciales incidencias sobre la salud

humana por parte de los gases tóxicos generados durante el incendio.

Sensor

Thermocouple

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Por otra parte, para la medición de la toxicidad dentro del túnel durante el incendio,

se agregaron una red de sensores con el fin de registrar la dosis de Fractional

Effective Dose (FED) recibida por una persona, el cual, para su respectiva

representación los sensores se ubicaron a 1,75 metros de la placa inferior del túnel

y con una distancia de 10 metros entre ellos, no obstante, con los valores obtenidos

de FED es posible entender el comportamiento de esta dosis tóxica así como otros

gases de alta toxicidad como lo es el CO, CO2 y posibles complicaciones en el ser

humano por la baja concentración de oxígeno. En la Tabla 3 se muestran los rangos

de FED y sus respectivas lesiones potenciales.

Tabla 3. Categorías de lesiones en diferentes niveles de Fractional Effective Dose (FED).

Rango FED Categoría de Lesión

0 ≤ FED < 0,3 Despreciable

0,3 ≤ FED < 0,7 Lesión leve

0,7 ≤ FED < 1 Lesión grave

1 ≤ FED Fatalidad

Fuente: Camille Azzi et al, 2011

Los datos planteados en la Tabla 3 son de gran importancia para describir la

toxicidad dentro del túnel durante el incendio y tomar conclusiones de acuerdo con

los valores FED registrados por los sensores, no obstante, la dosis FED puede

volverse aún más letal si el tiempo de exposición es mayor. Según los rangos y

categorías, entre más se acerque la dosis a 1, su letalidad aumentará

considerablemente.

En cuanto a la acumulación del monóxido de carbono dentro del túnel vial, es

menester tener un óptimo conocimiento respecto al comportamiento de este, ya que

el CO es uno de los gases más tóxicos y peligrosos para la vida humana debido a

que es inodoro, insípido e incoloro, además de ser percibido solo cuando hay

presencia de altos niveles de concentración. El CO es producido por la combustión

incompleta de algún material que contenga carbono.

Consiguientemente, de acuerdo con los registros obtenidos de la concentración del

CO dentro del túnel durante el incendio, se utiliza la Tabla 4 para tomar las

respectivas conclusiones, el cual, como se evidencia en esta tabla, a medida en que

aumenta la concentración de CO en el ambiente, así mismo se incrementa la

carboxihemoglobina en la sangre provocando serias afectaciones en la salud

humana, dependiendo del nivel de monóxido de carbono en el ambiente, no

obstante, la concentración de monóxido de carbono puede darse en término de

parte por millón (ppm) o porcentaje en sus pertinentes equivalencias.

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Tabla 4. Concentración de monóxido de carbono y correlación clínica.

Concentración de monóxido de carbono

Síntomas

Menos de 35 ppm (cigarrillo)

Ninguno o cefalea suave.

0,005% (50 ppm) Cefalea leve, disnea de grandes esfuerzos, vasodilatación cutánea.

0,01% (100 ppm) Cefalea pulsátil, disnea de moderados esfuerzos.

0,02% (200 ppm) Cefalea severa, irritabilidad, fatiga, visión borrosa.

0,03-0,05 % (300-500 ppm) Cefalea, taquicardia, náuseas, confusión, letargia, colapso, respiración de Cheyne-Stokes.

0,08-0,12 % (800-1200 ppm)

Coma, convulsiones, falla respiratoria y cardíaca.

0,19% (1900 ppm) Muerte.

Fuente: Gutiérrez, 2019 De igual modo, el dióxido de carbono es un gas perjudicial para la salud humana y este podría causar daños irreversibles en el cuerpo humano, por lo que el estudio del comportamiento del CO2 dentro del túnel es sustancial para la mitigación efectiva y oportuna de un eventual incendio, por lo tanto, se implementó el uso de sensores a 1,75 metros de altura y con una separación de 10 metros entre sí. El cual, como se muestra en la Tabla 5, la concentración del CO2 en el aire presenta un nivel natural de 300 ppm, sin embargo, a causa de un incendio esta concentración podría aumentar hasta niveles críticos de 100.000 ppm de volumen de CO2, a estos niveles la muerte o daños permanentes son inminentes.

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Tabla 5. Concentración del dióxido de carbono y sus efectos.

Concentración de dióxido de carbono (CO2)

Efectos

0,03% (300 ppm) Concentración normal en el aire.

0,3-0,5 % (3.000-5.000 ppm)

Las concentraciones bajas provocan un aumento de frecuencia respiratoria y cefalea.

0,5% (5.000 ppm) La ventilación pulmonar aumenta en un 5% PEL.

1,0% (10.000 ppm)

Aparecen los primeros síntomas, como sensación de calor y humedad, falta de atención a los detalles, fatiga, ansiedad, falta de energía y debilidad en las rodillas.

2,0% (20.000 ppm) La ventilación pulmonar aumenta en un 50%, cefalea tras varias horas de exposición.

5-10 % (50.000-100.000 ppm)

Jadeo y fatiga extrema al punto de quedar exhausto solo por respirar y cefalea aguda. La exposición prolongada a los 50.000 ppm puede provocar problemas de salud irreversibles.

Fuente: Ing. Clavijo, 2015 Con lo que el oxígeno se refiere, la baja concentración de este es mortal para el ser humano, ya que este gas es vital para la vida, por esta razón, entender el comportamiento del O2 en el túnel, significaría salvar muchas personas y garantizar de que la concentración de oxígeno no disminuya a niveles letales. El nivel natural de oxígeno es del 210.000 ppm mientras que el 60.000 ppm es mortal para los usuarios. Tabla 6. Concentración del oxígeno y sus efectos.

Fuente: González, 1998

Concentración O2 Efectos

21% (210.000 ppm) Concentración normal de oxígeno en el aire.

20,5% (205.000 ppm) Concentración mínima para entrar sin equipos con suministro de aire.

18% (180.000 ppm)

Se considera atmósfera deficiente en oxígeno según la normativa norteamericana ANSI Z117.1 - 1997. Problemas de coordinación muscular y aceleración del ritmo respiratorio.

17% (170.000 ppm) Riesgo de pérdida de conocimiento sin signo precursor.

12-16 % (120.000-160.000 ppm)

Vértigo, cefalea, disneas e incluso alto riesgo de inconsciencia.

6-10 % (60.000-100.000 ppm)

Náuseas, pérdida de conciencia seguida de muerte en 360-480 segundos.

43

6. RESULTADOS. Respecto al modelo de verificación, los autores utilizaron la simulación de fuego para llegar a conclusiones a cerca de la efectividad de las redes de rociadores de agua contra incendios en la protección de las personas. El tiempo del incendio es de aproximadamente 45 segundos antes de ser totalmente extinguido por los rociadores. Los datos obtenidos permiten verificar temperaturas en el túnel estudiado, con el objetivo de evitar peligros potenciales pertinentes a la protección de la vida humana en la construcción de túneles viales. Además, como se evidenció anteriormente, el humo presenta una rápida expansión, por lo tanto, este puede afectar a las personas antes de que consigan ser evacuadas completamente de la estructura del túnel vial. No obstante, en el área principal de la carga de fuego, se configuraron dos rociadores con una distancia de separación moderadamente reducida, y a partir de estos, se evidenció que las partículas de agua liberadas por la red de rociadores automáticos, ocasionan un incremento significativo en la visibilidad reduciendo los posibles efectos nocivos en las personas y a su vez, promoviendo el aumento de los niveles de oxígeno y una gran disminución en la temperatura alcanzada dentro de la estructura del túnel vial, del mismo modo, las partículas de agua cumplen con su función principal de extinguir con éxito el incendio en el vehículo. De acuerdo con todo lo anteriormente mencionado, se logra demostrar que, en un posible escenario de incendio a escala real, con el uso de una red de rociadores automáticos más robusta posicionada dentro del perfil longitudinal del túnel vial, con su función de extinción del incendio y el salvamento de la vida humana, al mantener temperaturas cercanas al ambiente, así como el aumento de la visibilidad, su uso podría resultar más pragmático que no usar redes de rociadores en la estructura, ya que sin estos, un evento de incendio podría resultar catastrófico para la vida humana, la integridad de la estructura y el medio ambiente. Por otra parte, de acuerdo con los parámetros que se muestran en la Figura 4, se realizó la simulación de validación respectiva en donde se introdujeron las variables predefinidas dentro el software FDS, el cual, con el objetivo de que los resultados obtenidos por el motor de cálculo sean convergentes en relación con la gráfica de la Figura 7, se configuró el dimensionamiento y la sección transversal acorde al modelo especificado en el artículo científico de validación, posteriormente se procedió a ejecutar el software de cálculo, obteniendo al final de la simulación, una gráfica detallada con el comportamiento de la temperatura que fue registrada por los sensores incorporados en los rociadores automáticos, los datos de esta gráfica fueron tomados durante el transcurso del tiempo simulado, por lo tanto, en la Figura 9 se demuestran estos datos obtenidos por el autor.

44

Figura 13. Gráfica de temperatura registrada por rociador – túnel rectangular.

Fuente: Autor Como se observa en la Figura 13, los datos del tiempo y de temperatura, son bastante convergentes respecto a la gráfica de la Figura 8, es decir, la temperatura se mantiene estable en los primeros 5 segundos, posteriormente se alcanza la temperatura máxima registrada de 83 °C, a partir de este punto, se evidencia una gran variación de temperatura debido a las fluctuaciones de la llama, estas fluctuaciones se mantienen constante con una notable tendencia a la baja causada por la acción de los rociadores automáticos que se encuentran en funcionamiento. De la misma forma, pasados los 50 segundos de simulación, se produce una total extinción del fuego llegando a la temperatura ambiente de 20°C, ocasionado por la efectividad de los rociadores automáticos, no obstante, en la Figura 13 se puede concluir que se necesitan 50 segundos para que se produzca una total extensión del incendio, además se demuestra meticulosamente la importancia de implementar redes de rociadores en las estructuras de túneles viales, ya que haciendo uso de estos sistemas, podría significar una mayor seguridad a los usuarios así como la optimización de las vías de evacuación ante un potencial incendio.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 50 100 150 200 250

Tem

per

atu

ra [

°C]

Tiempo [S]

45

Tabla 7. Tabla comparativa entre los resultados de temperatura inicial y final respecto al modelo del artículo científico y las calculadas por el autor.

Temperatura [°C] (Artículo)

Temperatura [°C] (Autor)

Temperatura Inicial 84 83

Temperatura Final 22 20

Variación -0,74 -0,76

Diferencia de Variación 0,02

Fuente: Autor

En la Tabla 2, se realiza una comparativa entre la variación de temperaturas iniciales

y finales de acuerdo con los resultados obtenidos en el artículo científico y las

calculadas por el autor, por lo tanto, se toma la temperatura inicial y final de cada

gráfica mostrada en la Figura 7 y Figura 13, posteriormente, se efectúan los cálculo

respectivos entre la variación y la diferencia de esta variación en términos de

porcentajes, el cual para el cálculo de la variación se usó la siguiente formula de la

Figura 14.

Figura 14. Fórmula para el cálculo de la variación (%)

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙− 1

Fuente: Saber programas, 2019

No obstante, se reemplazaron las variables de la anterior formula por los valores

que se muestran en la Tabla 2, consiguientemente, sus resultados se convirtieron a

términos de porcentajes y con esto fue posible demostrar el comportamiento de la

temperatura, no obstante, el porcentaje de variación para las dos gráficas son

negativos, ya que las temperaturas mantienen una tendencia a la baja y por lo tanto

su valor final es mucho menor a comparación con su valor inicial. La diferencia entre

el porcentaje de variación tomado de la gráfica del artículo y la calculada por el

autor, es bastante pequeña de tan solo un 2%, es así como las dos gráficas

muestran un alto grado de convergencia y obteniendo un éxito respecto a la

simulación de verificación.

Consiguientemente, respecto a la simulación del túnel con perfil transversal circular,

se evaluaron diversas variables que fueron calculadas por el motor FDS, el cual,

estos datos como resultados fueron de gran importancia para el estudio del

comportamiento de incendios en túneles, mediante esta información, es posible

46

evaluar la efectividad de las soluciones activas, así como la posibilidad de

supervivencia de los usuarios dentro del túnel, por lo tanto, se logra observar los

resultados obtenidos dependientemente a las variables de estudio durante el

incendio.

Por otro lado, respecto a la simulación del túnel de perfil transversal circular, se

evidenciaron diversos resultados menester para entender el comportamiento del

humo, el cual, este ocupo la parte superior longitudinal del túnel en su totalidad a

los 39,7 segundos de simulaciones como se demuestra en la Figura 15 para el

primer caso, posteriormente para el segundo caso de simulación como se muestra

en la Figura 16, el humo requiere 38,3 segundo para llenar la parte superior del

túnel, valores que se muestran muy cercanos en su comparativa de casos. El humo

toma una dirección hacia la ventilación fundamental del túnel que es su entra y

salida de este.

Figura 15. Trayectoria del humo por el túnel con corte de perfil longitudinal, primer

caso.

Fuente: Autor

Como se evidencia en la Figura 15, la concentración del humo en la parte superior

del túnel presenta menos densidad en comparación a la Figura 16 que corresponde

al segundo caso, sin embargo, debido a sus mismas características ambientales, el

humo muestra el mismo comportamiento de trayectoria.

47

Figura 16. Trayectoria del humo por el túnel con corte de perfil longitudinal, segundo

caso.

Fuente: Autor

No obstante, en este primer caso, la simulación de estudio es el túnel de perfil

transversal circular con la implementación de los rociadores automáticos como

sistema activo de protección contra incendios, donde las características de la carga

de fuego y la red de rociadores fueron especificadas en la sección 5.4 Tabla 1, el

cual el objetivo de los rociadores automáticos es la extinción del fuego en su

totalidad como se muestra en la Figura 17. El uso de los rociadores automáticos

aporta con la disipación paulatina del humo dependientemente a la dirección y

velocidad del viento. De acuerdo con los materiales implicados en el incendio, la

concentración del humo puede variar, así como su toxicidad.

Figura 17. Comportamiento del fuego, partículas del agua y humo, primer caso.

Fuente: Autor

48

Del mismo modo, para el segundo caso de estudio, se muestra el comportamiento

del incendio sin la implementación de los rociadores automáticos demostrando una

trayectoria y ejecución autónoma por parte del incendio como se evidencia en la

Figura 18, sin embargo, los sensores cumplen con su función de registrar todas las

variables designadas para su medición.

Figura 18. Comportamiento de la carga de fuego y partículas de humo, segundo

caso.

Fuente: Autor

El incendio producido por un vehículo dentro de un túnel vial no solo pone en riesgo

la vida de las personas, sino que también tiene una implicación hacia la posible

estabilidad del túnel, dependiendo directamente a la magnitud del incendio, la

estructura puede presentarse menos o más afectada por el fuego, es decir, en este

caso de simulación, se toma en consideración la temperatura adiabática superficial

del túnel como se evidencia en las Figuras 19 y 20.

La temperatura adiabática superficial es relacionada con la radiación calórica

liberada por el incendio, esta radiación puede ser disipada a través de la estructura

del túnel, por lo que la implementación de los rociadores automáticos mitiga esta

radiación calórica, así como la aceleración de su disipación, por lo tanto, se realiza

una comparativa entre las temperaturas adiabáticas superficiales para el primer y

segundo caso respectivamente.

49

Figura 19. Visualización de la temperatura adiabática superficial lateral, primer caso.

Fuente: Autor

Figura 20. Visualización de la temperatura adiabática superficial superior, primer

caso.

Fuente: Autor

50

Consiguientemente, respecto a la temperatura adiabática superficial del segundo

caso, se muestra grandes variaciones en la temperatura superficial como se

evidencia en las Figuras 21 y 22, donde las zonas rojas equivalen a temperaturas

altas y las azules a temperaturas cercanas a la de ambiente, los valores de

temperatura se muestran en la barra de colores.

Figura 21. Visualización de la temperatura adiabática superficial lateral, segundo

caso.

Fuente: Autor

Figura 22. Visualización de la temperatura adiabática superficial superior, segundo

caso.

Fuente: Autor

51

Por otra parte, las gráficas de comportamiento calculadas por el motor FDS junto

con las imágenes de radiación térmica anteriormente mostradas, son menester para

el estudio y análisis de los dos casos simulados, por lo tanto, se realizaron diversas

gráficas dependientemente a las variables a estudiar para cada caso de simulación,

es decir, las gráficas describen el comportamiento de variables como la tasa de

liberación de calor, temperaturas, CO2, CO, oxigeno, visibilidad y la dosis efectiva

fraccionada FED por siglas en inglés, el cual, los sensores implementados en los

modelos registraron estos valores para su respectivo análisis como se desarrollara

posteriormente.

Para el primer caso el HRR o tasa de liberación de calor, aumenta constantemente

hasta llegar al pico de los 305 °C en un tiempo cercano de los 6,8 segundos de

haberse iniciado el incendio, para posteriormente ir disminuyendo hasta alcanzar a

una liberación de fuego nula a los 34 segundos aproximadamente como se muestra

en la Figura 23.

Figura 23. Gráfica de comportamiento del HRR, primer caso.

Fuente: Autor

De acuerdo con el comportamiento del HRR para el segundo caso, la gráfica cambia

a gran medida a causa de la ausencia de los rociadores automáticos, por lo tanto,

se muestra bastantes fluctuaciones en el HRR del fuego como se evidencia en la

Figura 24, sin embargo, generalmente el HRR es moderadamente mayor a

comparación con el comportamiento de la Figura 23.

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0

HR

R [

KW

]

Tiempo [s]

52

Figura 24. Gráfica de comportamiento del HRR, segundo caso.

Fuente: Autor

Del mismo modo, los sensores de los rociadores automáticos para el primer caso

registraron temperaturas en el cual se evidencia la temperatura alcanzada en la

placa superior del túnel, no obstante, el comportamiento de la gráfica (Figura 25) es

proporcional al mostrado en la Figura 23.

Figura 25. Gráfica de comportamiento de la temperatura registrada por el rociador,

primer caso.

Fuente: Autor

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00

HR

R [

KW

]

Tiempo [s]

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00

Tem

per

atu

ra[°

C]

Tiempo [s]

53

Como se observa en la Figura 25, luego de la activación de los rociadores la

temperatura no superó los 86 °C aproximadamente, la fluctuación de la temperatura

del fuego mantiene su tendencia a la baja para quedar totalmente extinta a los 43

segundos de haber iniciado el incendio.

Posteriormente, de acuerdo con el segundo caso, en la Figura 26 se evidencia el

comportamiento de la temperatura en la placa superior del túnel registrado por el

sensor implementado en reemplazo al rociador automático, el cual, la fluctuación de

la temperatura se mantiene constante entre los rangos de temperatura de 52 °C y

173 °C durante todo el transcurso de la simulación.

Figura 26. Comportamiento de la temperatura registrada por el sensor, segundo

caso.

Fuente: Autor

En relación con las mediciones registradas por los sensores respecto a la

concentración de los gases dentro del túnel, se realizaron diversas gráficas con los

valores calculados por el motor FDS, el cual estos datos son de gran importancia

para entender el comportamiento del humo provocado por el incendio, así como su

posible letalidad para los usuarios, posteriormente, se evidencia el comportamiento

de variables prescindibles como el CO2, CO, oxigeno, velocidad, visibilidad,

temperatura y dosis efectiva fraccionada (FED). Estos sensores están ubicados a la

altura media de una persona para su mejor estudio y análisis.

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

180,00

200,00

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00

Tem

per

atu

ra [

°C]

Tiempo [s]

54

Dicho lo anterior, para el primer caso las concentraciones de CO2 se tomará como

parte por millón (ppm), donde estas concentraciones demuestran un claro

comportamiento de acuerdo con la ubicación de la carga de fuego, el cual, el sensor

CO2_3 que se encuentra más cercano a la carga de fuego, muestra un incremento

considerable de CO2 como se observa en la Figura 27. Por otra parte, como se

evidencia en la Figura 28, los sensores más cercanos a la carga de fuego (CO2_2

y CO2_4) son los que desarrollan variaciones a comparación con los sensores

ubicados en los extremos del túnel (CO2_1 y CO2_5).

Figura 27. Concentración de CO2 sensor CO2_3, primer caso.

Fuente: Autor

Figura 28. Concentración de CO2, primer caso.

Fuente: Autor

0,000

1000,000

2000,000

3000,000

4000,000

5000,000

6000,000

7000,000

8000,000

9000,000

10000,000

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0

Co

nce

ntr

ació

n[P

PM

]

Tiempo [s]

CO2_3

386,850

386,900

386,950

387,000

387,050

387,100

387,150

387,200

0 , 0 5 0 , 0 1 0 0 , 0 1 5 0 , 0 2 0 0 , 0 2 5 0 , 0

Co

nce

ntr

ació

n [

PP

M]

Tiempo [s]

CO2_1 CO2_2 CO2_4 CO2_5

55

Consiguientemente, mediante la gráfica realizada con los respectivos datos de los

resultados, se evidencia el cambio de concentración del CO2 de acuerdo con la

distancia entre la carga de fuego, el cual, el incendio se estará desarrollando en la

mitad del túnel vial, con este comportamiento se logra entender el movimiento del

CO2 de una forma más clara y simplificada como se muestra en la Figura 29.

Figura 29. Comportamiento de la concentración promedio del CO2 dependiendo de

la distancia entre la carga de fuego, primer caso.

Fuente: Autor

Por otra parte, de acuerdo el segundo caso, la concentración de CO2 se muestra

considerablemente más alta y con mayor cantidad de variaciones como se evidencia

en las Figuras 30 y 31.

Figura 30. Concentración de CO2 sensor CO2_3, segundo caso.

Fuente: Autor

386,903 386,905

640,009

386,907 386,903

0,000

100,000

200,000

300,000

400,000

500,000

600,000

700,000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Co

nce

ntr

ació

n[P

PM

]

Distancia [m]

0,00

5000,00

10000,00

15000,00

20000,00

25000,00

30000,00

35000,00

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00

Co

nce

ntr

ació

n [

PP

M]

Tiempo [s]

CO2_3

56

Figura 31. Concentración de CO2, segundo caso.

Fuente: Autor

No obstante, como se observa en la Figura 30, la concentración más alta se produjo

a los 25 segundo de 30.000 ppm, mientras que para Figura 31 con los sensores con

más distancia a la carga de fuego, la concentración aumento a los 168 segundo de

haber iniciado el incendio de 390 ppm. En la Figura 32, se observa las

concentraciones promedio, dependiendo de la distancia entre la carga de fuego.

Figura 32. Comportamiento de la concentración promedio del CO2 dependiendo de

la distancia entre la carga de fuego, segundo caso.

Fuente: Autor

386,50

387,00

387,50

388,00

388,50

389,00

389,50

390,00

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00

Co

nce

ntr

ació

n[P

PM

]

Tiempo [s]

CO2_1 CO2_2 CO2_4 CO2_5

387,27 387,09

2859,60

387,04 387,06

0,00

500,00

1000,00

1500,00

2000,00

2500,00

3000,00

3500,00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Co

nce

ntr

ació

n[P

PM

]

Distancia [m]

57

Por otro lado, para el registro en la concentración del CO, se tiene como unidad la

parte por millón (ppm), el cual sus gráficas presentan comportamientos similares a

las de CO2, pero con concentraciones mucho menores como se muestran en las

Figuras 33 y 34 para el primer caso.

Figura 33. Concentración de CO sensor CO_3, primer caso.

Fuente: Autor

Figura 34. Concentración de CO, primer caso.

Fuente: Autor

-50

50

150

250

350

450

550

650

750

850

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0

Co

nce

ntr

ació

n[P

PM

]

Tiempo [s]

CO_3

-0,002

0,003

0,008

0,013

0,018

0,023

0,028

0,033

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0

Co

nce

ntr

ació

n[P

PM

]

Tiempo [s]

CO_1 CO_2 CO_4 CO_5

58

Como se observa en la Figura 33, la concentración del CO en el sensor CO_3 para

el primer caso, llego a un valor máximo de 790 ppm en 21 segundos después de

iniciar el incendio, sin embargo, en la Figura 34 se muestran valores

considerablemente menores donde su concentración máxima es de 0,028 ppm.

Posteriormente, se realiza la gráfica de concentración promedio dependientemente

a la distancia entre la carga de fuego para una visualización más practica de la

concentración del CO para el primer caso, como se evidencia en la Figura 35.

Figura 35. Comportamiento de la concentración promedio del CO dependiendo de

la distancia entre la carga de fuego, primer caso.

Fuente: Autor

De acuerdo con el segundo caso, las gráficas de la concentración del CO se

evidencian considerablemente mayores como se muestra en las Figuras 36 y 37.

Figura 36. Concentración de CO sensor CO_3, segundo caso.

Fuente: Autor

1,12E-08 1,88E-04

24,807

3,67E-04 1,39E-12

-5,00E+00

0,00E+00

5,00E+00

1,00E+01

1,50E+01

2,00E+01

2,50E+01

3,00E+01

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Co

nce

ntr

ació

n[P

PM

]

Distancia [m]

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00

Co

nce

ntr

ació

n[P

PM

]

Tiempo [s]

CO_3

59

Figura 37. Concentración de CO, segundo caso.

Fuente: Autor

Como se muestra en la Figura 36, para el sensor CO_3 que es el más cercano a la

carga de fuego, presenta una concentración máxima de 2900 ppm a los 25

segundos de iniciar el incendio. No obstante, para los sensores aledaños a la carga

de fuego se mostró una concentración máxima de 0,26 ppm a los 167 segundos.

Figura 38. Comportamiento de la concentración promedio del CO dependiendo de

la distancia entre la carga de fuego, segundo caso.

Fuente: Autor

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00

Co

nce

ntr

ació

n[P

PM

]

Tiempo [s]

CO_1 CO_2 CO_4 CO_5

0,04 0,02

242,07

0,01 0,02

-50,00

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Co

nce

ntr

ació

n [

PP

M]

Distancia [m]

60

Respecto a la Figura 38, se observa el promedio de la concentración de CO respecto a la distancia entre la carga de fuego, el cual, se evidencia de forma óptima el aumento considerablemente alto para el sensor más cercano a la carga de fuego ubicada en el centro del túnel, donde la concentración promedio en la mitad del túnel alcanzo las 242,07 ppm. Por otro lado, la concentración de oxígeno es de vital importancia para garantizar la vida de los usuarios, por lo tanto, se realizaron las respectivas gráficas de comportamiento en el que se observara la comparabilidad entre el primer y segundo caso para la concentración de oxígeno como se analiza a continuación.

Figura 39. Concentración de oxígeno sensor O_3, primer caso.

Fuente: Autor

Como se muestra en la Figura 39 para el primer caso, la concentración de oxígeno

por defecto es de 207.822 ppm y este nivel puede bajar considerablemente

dependientemente si esta concentración de oxígeno es desplazada por gases

tóxicos como lo son el CO y CO2, por lo tanto, conocer el comportamiento de los

niveles de oxígeno dentro del túnel en un eventual incendio es de gran importancia

para evitar pérdidas humanas.

No obstante, en la Figura 39 para el primer caso se observa que, a los 2,0 segundos

de transcurrir el incendio la concentración de oxígeno comienza a descender hasta

llegar a un nivel de 195.120 ppm a los 21 segundos, posteriormente, la

concentración de oxígeno llega a estabilizarse a los 30 segundos de haber iniciado

el incendio.

194000,00

196000,00

198000,00

200000,00

202000,00

204000,00

206000,00

208000,00

210000,00

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0

Co

nce

ntr

ació

n[P

PM

]

Tiempo [s]

O_3

61

En cuanto a los niveles de oxígeno en otras zonas del túnel, donde se registra un

cambio en la concentración de oxígeno por parte de los sensores más cercanos a

la carga de fuego (O_2 y O_4) para el primer caso, sin embargo, su disminución no

es considerable a comparación con el sensor O_3 que es el que está más cerca al

incendio como se muestra en la Figura 40.

Figura 40. Concentración de oxígeno, primer caso.

Fuente: Autor Del mismo modo, se realizó la ponderación entre las concentraciones de oxígeno en proporción a la distancia entre la carga de fuego como se muestra en la Figura 41, el cual, su gráfica es significativa para analizar de una forma pragmática el comportamiento del nivel de oxígeno por la sección longitudinal del túnel vial.

Figura 41. Comportamiento de la concentración promedio del O2 dependiendo de

la distancia entre la carga de fuego, primer caso.

Fuente: Autor

207815,00207816,00207817,00207818,00207819,00207820,00207821,00207822,00207823,00207824,00

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0

Co

nce

ntr

ació

n[P

PM

]

Tiempo [s]

O_1 O_2 O_4 O_5

207822,85 207822,78

207308,71

207822,76 207822,85

207200,00

207300,00

207400,00

207500,00

207600,00

207700,00

207800,00

207900,00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Co

nce

ntr

ació

n[P

PM

]

Distancia [m]

62

Como se observa en la Figura 41, la concentración de oxígeno va descendiendo a la medida en que el sensor se acerca a la carga de fuego, es decir, en la mitad del túnel donde está ubicada la carga de fuego, los niveles de oxígeno llegan a su punto más bajo de 207.308 ppm ponderadamente. Por otra parte, respecto al segundo caso, como se muestra en la Figura 42, la concentración de oxígeno presenta una alta cantidad de variaciones además de alcanzar un nivel mínimo de 166.073 ppm a los 25 segundos de haberse iniciado el incendio.

Figura 42. Concentración de oxígeno sensor O_3, segundo caso.

Fuente: Autor Para los sensores aledaños a la carga de fuego para el segundo caso, se presentan bastantes variaciones, sin embargo, estos cambios son pequeños a comparación a la Figura 42 como se muestra en la Figura 43.

Figura 43. Concentración de oxígeno, segundo caso.

Fuente: Autor

160000,00

170000,00

180000,00

190000,00

200000,00

210000,00

220000,00

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00

Co

nce

ntr

ació

n[P

PM

]

Tiempo [s]

O_3

207818,50

207819,00

207819,50

207820,00

207820,50

207821,00

207821,50

207822,00

207822,50

207823,00

207823,50

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00

Co

nce

ntr

ació

n[P

PM

]

Tiempo [s]

O_1 O_2 O_4 O_5

63

Consiguientemente, se elaboró la respectiva gráfica con las concentraciones de oxígeno promedio dependientemente a la distancia entre la carga de fuego como se muestra en la Figura 44 para el segundo caso, el cual, por medio de estos valores, se logra entender con mayor claridad el comportamiento de los niveles de oxígeno a través del túnel durante el incendio, donde su nivel más bajo se presentó a los 26 segundos de 204.345 ppm ponderadamente.

Figura 44. Comportamiento de la concentración promedio del O2 dependiendo de

la distancia entre la carga de fuego, segundo caso.

Fuente: Autor Por otra parte, conocer y estudiar la velocidad del humo durante el incendio es importante para tomar como base la velocidad media al correr una persona para escapar del túnel vial, posteriormente, como se observa en las Figuras 45 y 46, se evidencia este comportamiento.

Figura 45. Velocidad del humo, primer caso.

Fuente: Autor

207822,34 207822,59

204345,14

207822,65 207822,63

204000,00

204500,00

205000,00

205500,00

206000,00

206500,00

207000,00

207500,00

208000,00

208500,00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Co

nce

ntr

ció

n [

PP

M]

Distancia [m]

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0

Vel

oci

dad

[m

/s]

Tiempo [s]

V_1 V_2 V_3 V_4 V_5

64

Como se observa en la Figura 45 para el primer caso, la velocidad del humo sobre la carga del fuego logra alcanzar una velocidad máxima de 1,0 m/s a los 24,6 segundos de haberse iniciado el incendio, respecto a la velocidad del humo en los sensores aledaños a la carga de fuego, son considerablemente bajas. Así mismo, se elaboró la respectiva gráfica donde se pondera las velocidades del humo durante la simulación respecto a la distancia entre la carga de fuego como se muestra en la Figura 46.

Figura 46. Velocidad promedio del humo respecto a la distancia de la carga de

fuego, primer caso.

Fuente: Autor En cuanto a la velocidad del humo para el segundo caso, se presenta una gran variación y diferencia respecto al primer caso como se evidencia en la Figura 47.

Figura 47. Velocidad del humo, segundo caso.

Fuente: Autor

0,030,05

0,36

0,040,02

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Vel

oci

dad

[m

/s]

Distancia [m]

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00

Vel

oci

dad

[m

/s]

Tiempo [s]

V_1 V_2 V_3 V_4 V_5

65

Según la Figura 47 para el segundo caso, se alcanzó una velocidad máxima del humo de 1,35 m/s a los 143 segundos de haberse iniciado el incendio, sin embargo, respecto a los sensores aledaños a la carga de fuego, las velocidades llegaron hasta los 0,30 m/s. Se hizo la ponderación de los resultados de las velocidades respecto a la distancia entre la carga de fuego como se observa en la Figura 48.

Figura 48. Velocidad promedio del humo respecto a la distancia de la carga de

fuego, segundo caso.

Fuente: Autor Por otro lado, la visibilidad en las vías de evacuación debe ser considerada, ya que sin una óptima visibilidad es muy probable que ocurra un accidente y que este provoque pérdidas de vidas humanas, por lo cual, se evidencia el comportamiento de la distancia de visibilidad como se muestra en la Figura 49 para el primer caso.

Figura 49. Visibilidad respecto al incendio, primer caso.

Fuente: Autor

0,150,13

0,47

0,17 0,18

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Vel

oci

dad

[m

/s]

Distancia [m]

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0

Vis

ibili

dad

[m

]

Tiempo [s]

SV_1 SV_2 SV_3 SV_4 SV_5

66

De acuerdo con la Figura 49 para el primer caso, la única afectación en la visibilidad que se observa es para el sensor SV_3 que es el más cercano al incendio, el cual, se tiene como valor predeterminado de 30 metros de visibilidad, donde cerca del incendio se alcanzó hasta tan solo 1,0 metro de visibilidad a los 2,2 segundos, sin embargo, para los sensores aledaños, no se evidenció alteraciones de visibilidad. Así mismo, se realizó la respectiva gráfica del comportamiento de la visibilidad ponderada respecto a la distancia entre la carga de fuego como se muestra en la Figura 50 para el primer caso.

Figura 50. Visibilidad promedio respecto al incendio, primer caso.

Fuente: Autor No obstante, para el segundo caso, la visibilidad a nivel general disminuye a gran medida y presenta altas variaciones como se muestra en la Figura 51.

Figura 51. Visibilidad respecto al incendio, segundo caso.

Fuente: Autor

30,00 30,00

26,47

30,00 30,00

26,00

26,50

27,00

27,50

28,00

28,50

29,00

29,50

30,00

30,50

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Vis

ibili

dad

[m

]

Distancia [m]

-5,00

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00

Vis

ibili

dad

[m

]

Tiempo [s]

SV_1 SV_2 SV_3 SV_4 SV_5

67

Como se observa en la Figura 51, la visibilidad cerca al incendio disminuye considerablemente alcanzando una visibilidad de tan solo 0,23 metros a los 25 segundos de haberse producido el incendio, sin embargo, los sensores aledaños a la carga de fuego no registran alteraciones en la visibilidad. Así mismo, se realizó la respectiva gráfica del comportamiento de la visibilidad ponderada respecto a la distancia entre la carga de fuego como se muestra en la Figura 52 para el segundo caso.

Figura 52. Visibilidad promedio respecto al incendio, segundo caso.

Fuente: Autor Respecto a la Figura 52 del segundo caso, la visibilidad de los sensores aledaños no registró cambios en la visibilidad, no obstante, en el sensor más cercano al incendio se obtuvo una importante disminución en la visibilidad a la mitad del túnel vial. No obstante, las gráficas que describen la temperatura al nivel promedio de una persona es menester para conocer hasta qué punto es seguro evacuar el túnel como se muestra en las Figuras 53 y 54 para el primer caso. Dependiendo de la temperatura y el tiempo que toma para alcanzar altos rangos de esta, aumenta las probabilidades de que los usuarios presenten quemadura de primer hasta de tercer grado o incluso la muerte, por lo que conocer el comportamiento de la temperatura en un escenario específico de incendio significaría mejorar el nivel de respuesta ante un potencial caso de incendio dentro de un túnel de tipo vial. La mitigación temprana del incendio provocaría un rápido descenso en la temperatura ocasionada por el fuego, y así de esta forma, los usuarios lograrían evacuar del túnel totalmente ilesos.

30,00 30,00

2,66

30,00 30,00

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Vis

ibili

dad

[m

]

Distancia [m]

68

Figura 53. Temperatura sensor T_3, primer caso.

Fuente: Autor En cuanto a la Figura 53, el sensor más cercano al incendio (T_3), logra alcanzar una temperatura máxima de 108 °C a los 24,8 segundos de haberse iniciado el incendio, posteriormente, la temperatura llega a la de ambiente después de los 33 segundos.

Figura 54. Sensores de temperatura, primer caso.

Fuente: Autor

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0

Tem

per

atu

ra [

°C]

Tiempo [s]

T_3

20,00

20,00

20,01

20,01

20,02

20,02

20,03

20,03

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0

Tem

per

atu

ra [

°C]

Tiempo [s]

T_1 T_2 T_4 T_5

69

Según la Figura 54 del primer caso, los sensores aledaños a la carga de fuego no registran cambios considerables en la temperatura para diferentes puntos del túnel vial. Así mismo, se realizó la respectiva gráfica del comportamiento de la temperatura ponderada respecto a la distancia entre la carga de fuego como se muestra en la Figura 55 para el primer caso.

Figura 55. Temperatura promedio respecto a la distancia de la carga de fuego,

primer caso.

Fuente: Autor Acorde con la Figura 55 para el primer caso, la temperatura solamente se ve considerablemente afectada en la mitad del túnel en donde se encuentra el desarrollo del incendio. Consiguientemente, para el segundo caso, como se evidencia en la Figura 56, el sensor T_3 fue aquel que mayores variaciones y niveles de temperatura registro.

Figura 56. Temperatura sensor T_3, segundo caso.

Fuente: Autor

20,01 20,02

23,30

20,02 20,00

19,00

19,50

20,00

20,50

21,00

21,50

22,00

22,50

23,00

23,50

24,00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Tem

per

atu

ra [

°C]

Distancia [m]

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

400,00

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00

Tem

per

atu

ra [

°C]

Tiempo [s]

T_3

70

En la Figura 56 para el segundo caso, la temperatura alcanzada por el sensor T_3 fue considerablemente alta con un máximo de 371 °C a los 25 segundo de haberse iniciado en el incendio, no obstante, para los sensores aledaños a la carga de fuego, las temperaturas se mantuvieron cercanas a las del ambiente como se muestra en la Figura 57.

Figura 57. Sensores de temperatura, segundo caso.

Fuente: Autor Respecto a la Figura 57 para el segundo caso, el sensor T_2 fue aquel que mayor temperatura registro de 20,30 °C a los 193 segundo, el cual, no se demuestra ningún cambio de temperatura considerable. Así mismo, se realizó la respectiva gráfica del comportamiento de la temperatura ponderada respecto a la distancia entre la carga de fuego como se muestra en la Figura 58 para el segundo caso.

Figura 58. Temperatura promedio respecto a la distancia de la carga de fuego,

segundo caso.

Fuente: Autor

19,95

20,00

20,05

20,10

20,15

20,20

20,25

20,30

20,35

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00

Tem

per

atu

ra[°

C]

Tiempo [s]

T_1 T_2 T_4 T_5

20,06 20,17

63,70

20,16 20,04

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Tem

per

atu

ra [

°C]

Distancia [m]

71

Por otra parte, la acumulación de gases tóxicos durante el desarrollo del incendio podría provocar una gran cantidad de muertes, por esta razón, el estudio del comportamiento de la toxicidad es de gran importancia, de acuerdo con las gráficas de comportamiento, se analiza el FED de toxicidad en la zona mediante la medición de la dosis efectiva fraccionada FED por sus siglas en inglés, esta dosis se encuentra como medida adimensional respecto al tiempo como se evidencia en las Figuras 59 y 60.

Figura 59. FED sensor FED_3, primer caso.

Fuente: Autor

Figura 60. FED primer caso.

Fuente: Autor

-5,0E-04

0,0E+00

5,0E-04

1,0E-03

1,5E-03

2,0E-03

2,5E-03

3,0E-03

3,5E-03

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0

FED

Tiempo [s]

-5,0E-09

0,0E+00

5,0E-09

1,0E-08

1,5E-08

2,0E-08

2,5E-08

3,0E-08

3,5E-08

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0

FED

Tiempo [s]

FED_1 FED_2 FED_4 FED_5

72

En relación con la Figura 59 para el primer caso, la concentración del FED alcanza un nivel máximo de 0,0031 a los 60 segundos de haberse iniciado el incendio y el cual, manteniendo esa concentración hasta finalizar la simulación, no obstante, para los sensores aledaños no se registraron FED significativos como se evidencia en la Figura 60. Así mismo, se realizó la respectiva gráfica del comportamiento de FED ponderada respecto a la distancia entre la carga de fuego como se muestra en la Figura 61 para el primer caso.

Figura 61. FED promedio respecto a la distancia de la carga de fuego, primer caso.

Fuente: Autor En cuanto al segundo caso, el FED presenta un crecimiento lineal, así como también, un considerable aumento de los niveles de toxicidad como se evidencia en la Figura 62 respecto al sensor FED_3, segundo caso.

Figura 62. FED sensor FED_3, segundo caso.

Fuente: Autor

3,24E-14 1,05E-09

2,81E-03

1,26E-09 2,59E-18

-5,00E-04

0,00E+00

5,00E-04

1,00E-03

1,50E-03

2,00E-03

2,50E-03

3,00E-03

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

FED

Distancia [m]

-5,00E-03

0,00E+00

5,00E-03

1,00E-02

1,50E-02

2,00E-02

2,50E-02

3,00E-02

3,50E-02

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00

FED

Tiempo [s]

73

Como se muestra en la Figura 62 para el segundo caso, el FED de acuerdo con el sensor FED_3 que es el más cercano al incendio, presenta un alto nivel de toxicidad alcanzando un FED máximo de 0,032 a los 200 segundos de haberse iniciado el incendio, consiguientemente, los sensores aledaños presentan niveles moderados de toxicidad como se describe en la Figura 63.

Figura 63. FED segundo caso.

Fuente: Autor Acorde con la Figura 63 para el segundo caso, la concentración de FED en los sensores aledaños es relativamente menor respecto al sensor FED_3, el cual, la mayor dosis es registrada por el sensor FED_1 con un nivel máximo de 3,20E-06 a los 200 segundos de la simulación. Así mismo, se realizó la respectiva gráfica del comportamiento del FED ponderada respecto a la distancia entre la carga de fuego como se muestra en la Figura 64 para el segundo caso.

Figura 64. FED promedio respecto a la distancia de la carga de fuego, segundo

caso.

Fuente: Autor

-5,00E-07

0,00E+00

5,00E-07

1,00E-06

1,50E-06

2,00E-06

2,50E-06

3,00E-06

3,50E-06

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00

FED

Tiempo [s]

FED_1 FED_2 FED_4 FED_5

4,9E-07 2,0E-07

1,4E-02

2,1E-07 1,8E-07

-2,0E-03

0,0E+00

2,0E-03

4,0E-03

6,0E-03

8,0E-03

1,0E-02

1,2E-02

1,4E-02

1,6E-02

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

FED

Distancia [m]

74

Respecto a la Figura 64 del segundo caso, se evidencia un claro aumento en el FED promedio para el sensor FED_3 logrando una dosis ponderada de 0,014 en la mitad del túnel vial, no obstante, los sensores aledaños presentan una dosis despreciable de toxicidad en la escala FED. Por otra parte, con el propósito de realizar una óptima comparativa entre los resultados del comportamiento en el incendio como se muestra en las anteriores gráficas, se realiza la comparación pertinente de acuerdo con la concentración promedio del monóxido de carbono y respecto a la distancia entre la carga de fuego. De esta forma se logra demostrar la eficacia en la implementación de las redes de rociadores automáticos en un túnel vial, por lo tanto, como se evidencia en la Figura 65, en la gráfica comparativa de CO para los dos casos, muestra una clara diferencia entre el comportamiento del CO en el sensor CO_3 para el primer y segundo caso, el cual, en el segundo caso, el CO alcanza una concentración de 242,06 ppm mientras que para el primer caso logra un nivel de tan solo 24,8 ppm respectivamente. Las concentraciones en los sensores aledaños son despreciables.

Figura 65. Comparativa en la concentración promedio CO entre el primer y segundo

caso.

Fuente: Autor De acuerdo con la gráfica comparativa en la concentración del CO2 para el primer y segundo caso como se muestra en la Figura 66, el cual, la concentración promedio registrada por el sensor CO2_3 para el primer caso alcanza un máximo de 640 ppm mientras que para el segundo caso esta concentración aumenta hasta llegar a los 2859,60 ppm.

1,11975E-08 0,000188401

24,80680843

0,000367346 1,38948E-120,035774879 0,01819132

242,067599

0,013742294 0,01529899

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Co

nce

nct

raci

ón

[PP

M]

Distancia [m]

Primer Caso Segundo Caso

75

Figura 66. Comparativa en la concentración promedio CO2 entre el primer y

segundo caso.

Fuente: Autor

En cuanto a los niveles de oxígeno presente durante el incendio para los dos casos como se muestra en la Figura 67, se presenta una considerable disminución de este para el segundo caso alcanzando un nivel mínimo de 204.345,14 ppm, para el primer caso el sensor O_3 registro una disminución logrando los 207.308,71 ppm.

Figura 67. Comparativa en la concentración promedio O2 entre el primer y

segundo caso.

Fuente: Autor

386,90337 386,9051737

640,0085584

386,9069733 386,90337387,2688114 387,0891958

2859,597745

387,0437485 387,0596509

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Co

nce

ntr

ació

n[P

PM

]

Distancia [m]

Primer Caso Segundo Caso

207822,85 207822,7827

207308,711

207822,7647 207822,85207822,3392 207822,5904

204345,1409

207822,6544 207822,6324

204000

204500

205000

205500

206000

206500

207000

207500

208000

208500

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Co

nce

ntr

ació

n[P

PM

]

Distancia [m]

Primer Caso Segundo Caso

76

Así mismo, para la medición de los niveles de toxicidad en dosis de FED (Fractional Effective Dose) durante el transcurso del incendio para los dos casos, se graficó la FED promedio de acuerdo con la distancia del incendio con cada sensor, el cual, como se muestra en la Figura 68, el FED máximo se presentó en el segundo caso alcanzando un FED de 0,014, mientras que el nivel de FED máximo para el primer caso fue de 0,0028 respectivamente.

Figura 68. Comparativa en la FED promedio entre el primer y segundo caso.

Fuente: Autor Consiguientemente, el registro de la velocidad por sensor V_3 para el primer y segundo caso como se evidencia en la Figura 69, se demuestra que para el primer caso la velocidad fue de 0,36 m/s y para el segundo caso la velocidad del humo alcanzo los 0,47 m/s.

Figura 69. Comparativa en la velocidad promedio entre el primer y segundo caso.

Fuente: Autor

3,2436E-14 1,05089E-09

0,002811885

1,25868E-09 2,58728E-184,86389E-07 1,96946E-07

0,014264204

2,10386E-07 1,75961E-07

-0,002

0

0,002

0,004

0,006

0,008

0,01

0,012

0,014

0,016

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

FED

Distancia [m]

Primer Caso Segundo Caso

0,0274571460,0521652

0,356809942

0,040611189 0,024096341

0,1498781440,129710878

0,472644559

0,168603544 0,17695275

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Vel

oci

dad

[m

/s]

Distancia [m]

Primer Caso Segundo Caso

77

En relación con la visibilidad que se presenta en el túnel, alterada a causa del humo producido por el incendio, se demuestra una clara diferencia entre el primer y segundo caso respecto a la distancia visual permisible como se muestra en la Figura 70, el cual, para el primer de caso presenta una visibilidad accesible de 26,47 metros mientras que, para el segundo caso, la visibilidad alcanza un mínimo de 2,66 metros.

Figura 70. Comparativa en la visibilidad promedio entre el primer y segundo caso.

Fuente: Autor La temperatura registrada por el sensor T_3 para el primer y segundo caso, demuestra un gran contraste entre la temperatura promedio donde estas se diferencia en 40,4 °C aproximadamente como se evidencia en la Figura 71.

Figura 71. Comparativa en la temperatura promedio entre el primer y segundo caso.

Fuente: Autor

30 30

26,47481733

30 3030 30

2,65799642

30 30

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Vis

ibili

dad

[m

]

Distancia [m]

Primer Caso Segundo Caso

20,01092013 20,0172060123,29964994

20,0178425 20,0038774620,06280797 20,16951715

63,70092943

20,16462788 20,03615126

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Tem

per

atu

ra[°

C]

Distancia [m]

Primer Caso Segundo Caso

78

7. CONCLUSIONES. La selección del simulador de fuego para el respectivo estudio fue totalmente óptima, ya que el motor de cálculo Fire Dynamics Simulator (FDS) es una herramienta altamente versátil y especializada para el estudio dinámico de incendios en estructuras tipo túnel, por lo tanto, como se evidenció en los resultados de las simulaciones, el simulador cumplió con las exigencias que se fundamentaron con el fin de entender el comportamiento de un eventual incendio en un túnel vial. El motor FDS es ampliamente recomendado para la realización de cualquier proyecto donde intervengan posibles escenarios de incendios y se requiera un buen nivel de precisión. No obstante, respecto al establecimiento de la sección de túnel vial más representativo de acuerdo con el manual de diseño, construcción, operación y mantenimiento para túneles de carreteras en Colombia, se demostró que el dimensionamiento planteado por el manual colombiano es bastante eficiente, ya que facilita el movimiento del humo haciéndolo menos invasivo manteniéndose a alturas superiores a las de un humano promedio, así mismo, el perfil transversal de tipo circular para el túnel vial, se encuentra presente en la mayoría de obras subterráneas del país por lo que su elección fue la más adecuada para el estudio pertinente, cumpliendo con el fin de ampliar los conocimientos sobre este, en materia de seguridad contra incendios. Finalmente, las simulaciones realizadas para el primer y segundo caso, demuestran una gran diferencia y eficacia en el uso de las redes de rociadores automáticos como solución activa en la mitigación de un eventual incendio, así mismo, como se planteó en los resultados del proyecto, la implementación de los rociadores automáticos reducen a gran medida la temperatura en el ambiente así como en la estructura, también se disminuye la acumulación de gases tóxicos que pueden llegar a ser letales para el ser humano, es decir, las partículas de agua reducen considerablemente la concentración de los componentes tóxicos presentes en el humo y por ende, aumentando el volumen de oxígeno, además, este sistema garantiza la transitabilidad en las vías de evacuación del túnel. Por otra parte, los efectos adversos sobre la salud humana se presentan a mayor escala en la zona más cercana al incendio, en otras palabras, los usuarios más afectados son aquellos que se encuentran dentro del vehículo que presenta el incendio, mientras que la otra parte de personas, muestran efectos bajos o despreciables, finalmente, el estudio del comportamiento de las variables anteriormente mencionadas, se puede utilizar para complementar un diseño eficaz para la seguridad contra incendios en estructuras tipo túnel vial.

79

8. RECOMENDACIONES. Se sugiere que, al realizar una simulación de incendio con algún software especializado, se indague a profundidad sobre todas las características específicas que utiliza el software para aumentar considerablemente el nivel de precisión y exactitud del modelo, así mismo, la lectura del respectivo manual del software es de gran importancia para evitar posibles errores al momento de especificar los datos de entrada al simulador para el diseño de la carga de fuego. Por otra parte, se recomienda que, al momento de realizar el dimensionamiento del dominio o malla de cálculo, se efectúe de tal forma que el simulador logre realizar los cálculos necesarios y además que este no tome demasiado tiempo de simulación, el cual, todo esto depende en gran medida de las dimensiones implementadas para las celdas en malla, por lo tanto, se debe de mantener un equilibrio óptimo entre precisión del cálculo y tiempo de simulación. Finalmente, se propone que el modelo en lo permitido debe de construirse con elementos cuadrados o rectangulares de tal forma que en los resultados las imágenes térmicas no se vean alterados o de cierta manera amorfa, no obstante, los elementos que compone al modelo deben de ubicarse lo más cercano posible al punto de origen en el plano de coordenadas cartesianas con el fin de asegurar una mayor funcionalidad de las imágenes térmicas y de sensores.

80

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