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Ing. Néstor Adolfo BOTTA
RED
PROTEGER
MÓDULO II – 07: MOVIMIENTO Y CONTROL
DE HUMO
Edición Agosto 2008 Material no apto para la venta
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Módulo II – 07: Movimiento y Control de Humo Ing. Néstor Adolfo BOTTA
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INDICE
1) CLASIFICACIÓN DE LAS ZONAS DE HUMO
2) MOVIMIENTO DEL HUMO EN LA ZONA DE HUMO CALIENTE
2.1) Desarrollo del Incendio
2.2) Penachos
2.3) Fuegos al aire libre
2.4) Incendios en Lugares Cerrados
2.4.1) Incendios Limitados por un Techo
2.4.2) Fuegos Interiores y Combustión Súbita Generaliza
3) EFECTOS DEL HUMO
4) CONTROL DE HUMOS
4.1) Extracción
4.2) Dilución
4.3) Compartimentación o Confinamiento
4.4) Presurización
5) MOVIMIENTO DEL HUMO EN LOS EDIFICIOS ALTOS
5.1) El Efecto Chimenea
5.2) Influencia de los Forjados y Tabiques
5.3) Efecto del Viento
5.3.1) Edificios Bajos
5.3.2) Edificios Altos
5.4) Aberturas de Ventilación
6) CIRCULACIÓN DE HUMO POR LAS CONDUCCIONES DE AIRE ACONDICIONADO
6.1) Dampers Cortafuegos y Dampers para Control de Humos
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En un incendio se producen humos que son la causa principal de las pérdidas humanas
ocasionadas por dicho incendio, además, el humo que se mueve lo hace “caliente” y lleva
gases combustibles inquemados, además, de ascuas, el humo se transforma así en el
principal medio por el cual el incendio se mueve y se extiende al resto de la instalación.
Tanto el movimiento de humo como de los gases de combustión dependen de una serie de
condicionantes. Estos son, por una parte, los elementos constructivos y de
compartimentación y, por otra, los fenómenos propios del fuego tales como incrementos de
temperaturas y las diferencias de presiones.
Dentro de un edificio, el mayor peligro es la fácil propagación del humo por todo el espacio
no compartimentado adecuadamente y, por tanto, por aquellos medios o vías de escape
verticales de evacuación que deberían estar en condiciones de permitir la libre circulación de
los ocupantes de dicho edificio.
La producción de humo en un incendio varía en función de la cantidad y tipo de elementos
combustibles que existan en el interior del edificio afectado. Según sea el volumen de
humos, éstos podrán llegar a disminuir la visibilidad, lo que puede producir problemas
graves en cuanto a la evolución y extinción del incendio. El humo puede ser más o menos
denso, pero, en cualquier caso, contendrá partículas tóxicas que pueden perjudicar a las
personas.
El volumen de humo y gases de combustión producida por el incendio es aproximadamente
igual al volumen del aire arrastrado por el chorro ascendente de los productos de
combustión y éste, a su vez, es función de la dimensión del fuego, el calor desprendido y la
altura de la capa de aire limpio.
Tanto la dimensión del fuego, como la distancia entre el piso y la capa inferior de humo y
gases calientes, varían constantemente y, por consiguiente, es prácticamente imposible
determinar o predecir la producción de humo en un incendio. Por ello, es necesario estudiar
el movimiento del humo y de los gases de combustión, con el fin de poder controlarlo.
1) CLASIFICACIÓN DE LAS ZONAS DE HUMO
Al producirse un incendio, éste:
Genera calor.
Cambia la mayor parte de los materiales quemados (combustible), desde su
composición química original hasta uno o más componentes, por ejemplo, dióxido
de carbono, monóxido de carbono, agua y otros componentes.
A menudo (debido a que la combustión no llega al 100%, es decir, es incompleta)
transporta parte del combustible, o llamados inquemados, como hollín u otros
materiales.
La mayor parte de calor se genera cuando los productos de combustible quemados
permanecen en el conjunto de los productos que se liberan por el incendio. Esta masa
expandida, es más ligera que el aire del entorno, y sube como una llamarada. Esta
llamarada asciende en turbulencia y, debido a ello, proporciona grandes cantidades de aire
al entorno de los gases ascendentes. Este arrastre:
Incrementa la masa total y volumen de la llamarada.
Enfría la llamarada, mezclando el aire frío con los gases calientes ascendentes.
Normalmente, la llamarada ascendente está más caliente en su parte central y
más fría hacia los bordes que están en contacto con el aire frío.
Diluye la concentración de los productos del incendio producidos en la llamarada.
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El humo se define como un conjunto o masa visible de partículas sólidas y líquidas en
suspensión, y la mezcla de vapores y gases calientes que se produce durante el proceso de
combustión, y la cantidad de aire que se ve, de alguna manera, mezclado en esa masa.
Con el fin de describir el movimiento de humo en edificios, dicho tratamiento se divide en
dos zonas generales. Estas zonas son:
Zona de Humo Caliente: Este apartado recoge aquellas zonas del edificio en las
cuales la temperatura del humo es lo suficientemente alta para que el cuerpo del
humo tienda a elevarse hacia el techo, mientras que el aire limpio (o al menos, con
menos polución) descienda hacia las partes más bajas del espacio en cuestión.
Normalmente, esto ocurre en la habitación donde tiene origen el incendio. De la
misma manera, dependiendo del nivel de la energía producida por el incendio y del
tamaño de las aberturas que lo conectan, por ejemplo puertas abiertas, etc., las
zonas de humo caliente surgen en las habitaciones adyacentes o pasillos. La
ventilación de humo en los patios y el movimiento del humo en los pasillos abiertos
hacia espacios donde se puede producir la combustión súbita generalizada, están en
el entorno de la zona de humo caliente donde éste es elevado y conducido por las
fuerzas producidas directamente por el incendio.
Zona de Humo Frío: Este apartado incluye aquellas zonas del edificio donde se ha
reducido la fuerza de las corrientes conductoras del incendio, debido a que el humo
se ha combinado, o se ha transferido de alguna manera, con otros elementos. En
estas zonas, el movimiento del humo se controla en primera lugar debido a otras
fuerza, tales como el viento, los efectos de la calefacción mecánica, ventilación, aire
acondicionado u otros sistemas que influyen en el movimiento del aire. En estas
zonas el movimiento de humo es, esencialmente, el mismo que el movimiento de
cualquier otro elemento de polución.
2) MOVIMIENTO DEL HUMO EN LA ZONA DE HUMO CALIENTE
2.1) Desarrollo del Incendio
Los incendios progresan exponencialmente una vez que ha transcurrido un tiempo de
incubación y aparecen las llamas por primera vez, llamamos a este evento ignición. A partir
de ese momento entra en la fase de crecimiento caracterizado por un aumento continuo de
la tasa de generación de calor hasta llegar a una tasa máxima. En algunos casos pudiera
ocurrir una combustión súbita generalizada (Flashover) dentro del recinto de origen del
fuego. Luego durante un cierto tiempo (el cual depende de la cantidad de combustible
disponible) se estará generando calor a una tasa aproximadamente constante para luego
empezar a decaer cuando el combustible se agota.
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2.2) Penachos
El calor de un fuego al aire libre se eleva en forma de columna de gases calientes,
denominada penacho. La corriente de aire resultante absorbe aire frío en la base del fuego,
en todas direcciones. Ese aire frío es también absorbido por el penacho, por encima del
suelo, debido a la masa de aire caliente que se eleva. Ese movimiento de aire frío hacia el
penacho se llama arrastre y enfría la temperatura del penacho, a medida que aumenta su
altura.
La propagación del fuego se produce principalmente por la ignición por radiación de los
combustibles de los alrededores. La velocidad de propagación del fuego a los sólidos será
generalmente baja, a no ser que esté fomentada por el movimiento del aire (viento) o por
superficies inclinadas.
2.3) Fuegos al aire libre
Si no existe un techo sobre un fuego y éste está lejos de las paredes, los gases y el humo
calientes del penacho se elevan verticalmente. Esta situación se produce en los incendios al
aire libre. Las mismas condiciones se pueden dar en un edificio, en las primeras fases
cuando el penacho es pequeño o si el fuego se produce en un espacio amplio con techo alto,
como un hall de entrada. La propagación del fuego a partir de un penacho al aire libre será
fundamentalmente mediante la combustión por radiación de los combustibles que haya
cerca. La velocidad de propagación en materiales sólidos será por lo general lento si no se
ve asistida por el movimiento del aire (el viento en el caso de los fuegos al aire libre) o las
superficies inclinadas que permiten el precalentamiento del combustible.
2.4) Incendios en Lugares Cerrados
Cuando los penachos chocan con los techos o las paredes de una habitación, el hecho afecta
a la circulación de humo y gases calientes y a la propagación del incendio. Los incendios con
poca producción de calor y alejados de las paredes u otras superficies que los limiten, como
el respaldo de un sofá, se comportarán como si estuvieran al aire libre.
2.4.1) Incendios Limitados por un Techo
Cuando se produce un incendio lejos de las paredes y existe sobre él un techo, los gases y
el humo caliente del penacho chocan con la superficie del techo y se propagan en todas las
direcciones, hasta que son interrumpidos por las paredes. A medida que los gases calientes
se van propagando lejos del centro del penacho, bajo el techo se forma una capa fina. El
calor es conducido desde esa capa hasta la parte superior del techo y el fenómeno arrastra
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aire frío de abajo arriba. Esta capa es más gruesa y caliente cerca del centro del penacho y
se va haciendo más fina y fría a medida que aumenta su distancia (r) a ese centro.
Como en el caso de un fuego al aire libre, la temperatura del penacho disminuirá a medida
que aumenta su altura sobre el fuego. Además, debido a su enfriamiento por el arrastre de
aire y a la pérdida de calor en el techo, la temperatura de la capa del techo disminuye a
medida que aumenta su distancia (r) al centro del penacho.
La propagación del fuego a través de una pluma limitada por el techo, se produce por la
ignición de los materiales combustibles del techo o las paredes, de los combustibles que hay
alrededor, como el contenido de la habitación o almacén o por una combinación de ambos
mecanismos. Los gases de la capa superior (humo) pueden transmitir calor a los materiales
de esa capa, por convección y radiación. La transmisión de calor por debajo de la capa de
humo es principalmente por radiación. El fuego se propaga más rápidamente cuando el
penacho está limitado por el techo que cuando no lo está.
2.4.2) Fuegos Interiores y Combustión Súbita Generaliza
El calor de un fuego en una habitación está limitado por las paredes y por el techo. La
proximidad de las paredes produce un desarrollo más rápido de la capa de gases caliente en
el techo así como la creación de una capa mucho más gruesa.
La figura representa una habitación con una puerta. En la habitación hay dos elementos
combustibles: uno es el que ha ardido en primer lugar y el otro es el “secundario” o que
arde en segundo lugar.
Inicialmente, la capa del techo es fina y se produce una situación como si no hubiera
paredes. Sin embargo, a medida que los gases alcanzan las paredes y no se pueden
propagar horizontalmente, la parte inferior de la capa va descendiendo y va alcanzando un
grosor uniforme. Los detectores de humo de la habitación origen del fuego responderán
generalmente antes en esta fase del desarrollo del fuego.
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Cuando el nivel de humo llega a la parte superior de la puerta, empieza a salir de la
habitación. Si la cantidad de humo producido no supera la que sale, la capa del techo no
seguirá bajando.
Si el fuego aumenta de tamaño, la parte inferior de la capa del techo irá descendiendo, la
temperatura de los gases y humos calientes irá aumentando y el calor radiante de la capa
empezará a calentar el combustible secundario que no había ardido. En la salida se crea un
esquema de corriente perfectamente definido, con los productos calientes de la combustión
saliendo por arriba y el aire frío, o mejor dicho más frío que el que sale, entrando en la
habitación por debajo de la capa del techo.
Al principio de esta fase de la combustión existe aire suficiente para quemar todos los
materiales que pirolizan. Esto se denomina combustión dependiente del combustible. A
medida que avanza la combustión, el aire disponible seguirá siendo suficiente y el fuego
puede continuar propagándose con oxígeno suficiente. Normalmente esto sucedería en una
habitación con una puerta o ventana grande en comparación con la superficie combustible
que arde. En tales casos, los gases acumulados en la parte superior de la habitación,
mientras están calientes tienen oxígeno suficiente y cantidades de combustible sin quemar
relativamente pequeñas.
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Si la cantidad de aire existente en la habitación, más la que pueda entrar a través del
sistema de ventilación y aire acondicionado o de las aperturas, no es suficiente para quemar
todos los combustibles pirolizados por el fuego, éste cambiará de depender del combustible
a depender de la ventilación. En esta situación, la capa del techo contiene productos de la
combustión sin quemar, es decir los llamados inquemados como los vapores de
hidrocarburos, monóxido de carbono y hollín. En general, en la capa del techo no habrá
oxígeno suficiente para que ardan estos materiales. En ambos casos, los gases pueden estar
a una temperatura superior a la necesaria para pirolizar los materiales combustibles de los
acabados que están en contacto con la capa caliente.
A medida que el fuego sigue creciendo, la temperatura de los gases de la capa del techo se
aproxima a los 480°C, aumentando la intensidad de la radiación hacia los materiales
combustibles de la habitación. La temperatura superficial de estos combustibles aumenta y
se producen gases de pirólisis que se calientan hasta su temperatura de ignición. Cuando la
temperatura de la capa superior se acerca a unos 590°C, los gases de la pirólisis de los
materiales combustibles se queman a lo largo de la parte inferior de la capa del techo. Este
es el fenómeno conocido como “flashover” o combustión súbita generalizada.
El término “llamas de techo” se utiliza a menudo para describir un estado en el que las
llamas se propagan sólo a través o a lo largo de la capa del techo, sin afectar a la superficie
de los combustibles secundarios. Las llamas de techo suelen preceder a la combustión
súbita generalizada, pero eso no quiere decir que siempre que haya llamas en el techo se
produzca dicha combustión.
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La combustión súbita generalizada representa el paso de un estado en el que el fuego está
dominado por la combustión del primer elemento que ha ardido (y los objetos que haya
alrededor sometidos a ignición directa), a otro en el que arden todos los elementos de la
habitación.
La combustión súbita generalizada es un elemento desencadenante, no un acontecimiento
final. Después de la combustión súbita generalizada se pasa a lo que se llama implicación de
toda la habitación.
Cuando se ha llegado al estado de combustión súbita generalizada, en la mayoría de los
casos se pasa a la fase de implicación de toda la habitación, a no ser que se haya agotado
el combustible, el oxígeno o que se haya extinguido el fuego. En la fase de implicación de
toda la habitación, la capa caliente puede llegar al nivel del suelo, pero tanto en los ensayos
como en los fuegos reales se ha visto que la capa caliente no siempre llega a ese nivel.
En el momento de la combustión súbita generalizada, la puerta de la habitación es un
obstáculo a la cantidad de aire para la combustión que hay dentro de la habitación y la
mayoría de los productos de la pirólisis arden fuera de la misma. Antes de la combustión
súbita generalizada se produce la fase de llamas en el techo, que como hemos dicho no
siempre da lugar a la combustión generalizada, sobre todo si es una habitación grande, de
techo alto o si la cantidad de combustible presente es limitada.
La investigación con ensayos de fuegos en edificios residenciales con mobiliario moderno,
ha demostrado que desde que empieza a arder el combustible hasta la combustión súbita
generalizada pueden transcurrir sólo 1,5 minutos, y otras veces ni siquiera se produce. La
liberación de calor en el caso de una habitación en la que se ha producido la combustión
súbita generalizada, puede ser del orden de los 10.000 kW (10 Megawatios) o más.
3) EFECTOS DEL HUMO
¿Porque extraer el humo producido durante un incendio del interior de un edificio? Los
objetivos aunque obvios son los siguientes:
Protección de personas. La causa principal del número de pérdidas humanas no
es sólo la invasión del humo en la zona afectada por el incendio, sino el que
pueda afectar a los medios y vías de evacuación que necesitaran estar en
condiciones de permitir la circulación de los ocupantes hasta un lugar
suficientemente seguro.
Facilitar la evacuación segura de los ocupantes del edificio.
Evitar la propagación del incendio.
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Disminuir los efectos de las altas temperaturas sobre la integridad estructural de
los edificios sometidos a los efectos del incendio y con ellos también aumentar la
posibilidad de evacuación de los ocupantes.
El gráfico siguiente nos muestra como es el aumento de la temperatura en un incendio
típico sin evacuación de humos y con evacuación de humos.
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Para darnos una idea de los volúmenes de humos producidos en un incendio, podemos
observar el siguiente gráfico, el mismo nos muestra la cantidad de humo en m3/h por cada
10 kg de material incendiado, para distintos combustibles.
4) CONTROL DE HUMOS
El término “control de humos”, se refiere a los métodos que se pueden utilizar, solos o
combinados, para modificar el movimiento del humo en beneficio de los ocupantes, de los
bomberos y para evitar mayores daños materiales.
Para controlar el humo de un fuego se emplean los siguientes métodos:
- Extracción.
- Dilución.
- Compartimentación o Confinamiento.
- Presurización.
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4.1) Extracción
La extracción del aire se consigue creando un gradiente de presión negativo en sentido
ascendente a lo largo de un conducto vertical de salida, mediante ciclones o ventiladores
cuyo arranque puede ser automático combinado con la detección o alarma de incendio o
manual.
Los conductos para la eliminación del humo pueden ser específicos para este fin,
denominados pozos o torres de humo, aunque en ocasiones puedan utilizarse canalizaciones
de aire ya instaladas en el edificio. Este último procedimiento no es recomendable a no ser
que se utilice como complemento de otras instalaciones.
Las torres o pozos de humo son conductos especialmente diseñados para la eliminación del
humo y gases de combustión producidos por un incendio. Dichos conductos verticales
recorren el edificio y a nivel de cada planta se dispone de trampillas que permiten la
circulación de los humos y gases para su extracción. Las trampillas serán de apertura
automática y se conectarán simultáneamente con el arranque de los medios mecánicos de
extracción de la torre de humo.
Esta forma de extracción del humo mediante extracción es la más recomendada para el
caso de edificios subterráneos y con escasa ventilación. Para los edificios altos se
recomienda el método de extracción combinado con otros, como el de presurización.
4.1.1) Extracción para Estacionamiento Subterráneo de Autos
La figura siguiente muestra una instalación de un sistema de extracción para un
aparcamiento de autos subterráneos.
Las tres figuras siguientes muestran otro sistema de extracción para aparcamientos de
vehículos, pero en este caso no existe conducción por medio de tuberías, sino una
“seguidilla” de equipos de movimiento de aire que lo conducen entre todos al exterior.
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4.2) Dilución
La dilución se utiliza para mantener una concentración aceptable del humo en un lugar
sometido a infiltraciones desde otro adyacente. Este procedimiento puede ser eficaz si la
cantidad de humo que entra es pequeña comparada o bien con el volumen total del espacio
a proteger o con el aire que entra para purgar y eliminar el humo de ese espacio. La
dilución también puede ser beneficiosa para los bomberos, cuando tratan de eliminar el
humo después de un incendio.
La dilución del aire contaminado, con aire limpio no es un método para producir un
movimiento forzado del aire, sino una manipulación del mismo.
Este método permitirá reducir la concentración de humos y gases, de modo que se alcance
una dilución tal que sea tolerado para las personas y no se pierda la visibilidad.
En general, el humo producido en un incendio, denso y sin diluir, puede alcanzar una
densidad óptica por metro de valor 10, y en ocasiones, mayor. Esto implica que la
visibilidad es casi nula (10 cm aproximadamente).
Para un medio de evacuación la densidad aceptable es de 5 metros, como mínimo, lo que
representa una densidad óptica por metro, máxima, de 0,2. Para alcanzar este nivel será
preciso diluir el humo 50 veces.
4.3) Compartimentación o Confinamiento
Este método para forzar el movimiento del humo consiste en confinarlo dentro de recintos o
zonas donde su presencia no sea perjudicial y después moverlos al exterior. Por ello, la
mejor situación y a la que deberá tenderse, es la de retener el humo generado por el
incendio en el recinto donde éste ha tenido lugar.
Para conseguir que el humo y los gases de combustión queden en la zona afectada se
emplean los siguientes elementos:
- Barreras físicas o de humo: elemento constructivo vertical u horizontal,
especialmente diseñado para controlar el movimiento del humo.
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- Exutorio: claraboya situada en cubiertas o techos cuya apertura o cierre permite
el control del humo producido por un incendio. Puede tener accionamiento
manual y automático.
- Presurización: método de control del humo mediante diferencias de presión,
especialmente aquél que genera una mayor presión en el interior de los edificios.
Las barreras físicas son obstáculos materiales al paso del humo que hacen que se concentre
o circule el humo según los pasos o secciones destinadas a ello. Las barreras no constituyen
por sí mismas un método de control de humo, pero, junto con el método de extracción,
consiguen una gran eficacia.
Este sistema exige un adecuado diseño de barreras físicas y de compartimentación de los
sectores de incendio. Se consigue gran mejora del método de control de humo si, además,
se combina con un sistema de extracción natural o forzada, según el caso.
Aunque el diseño de un sistema concreto de control de humos representa una situación
única para cada edificio, debe destacarse, de forma particular, la protección de escaleras y
aquellos huecos verticales que pueden producir una propagación de los humos debido al
efecto chimenea.
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4.3.1) Cortinas Anti Humo
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4.4) Presurización
La presurización produce corrientes de aire a gran velocidad en los pequeños espacios que
quedan alrededor de las puertas cerradas y en las grietas de las paredes, evitando así que
penetre el humo en ellos. Los sistemas de presurización más utilizados son los de cajas de
escaleras, en ascensores es menos corriente utilizar esta técnica.
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Muchas cajas de escaleras presurizadas están proyectadas y construidas con el fin de
lograr, en el caso de que se declare un incendio en el edificio, un entorno aceptable para
que los ocupantes puedan escapar. Es evidente que una caja de escalera puede conseguir
este objetivo aunque penetre en ella cierta cantidad de humo.
Cuando se abre una puerta en una escalera presurizada, la diferencia de presión entre esa
puerta y las demás que permanecen cerradas puede ser muy grande. Las dos soluciones
que se han encontrado a este problema son los sistemas de reducción de presión y los de
realimentación. Un sistema de reducción que ha merecido gran atención por su sencillez y
economía es el “sistema canadiense”. Sus características esenciales son que el aire entra a
través de uno o más ventiladores, a caudales relativamente constantes, y que cuando se
activa el sistema se abre automáticamente la puerta que comunica la escalera con el
exterior, en el piso bajo. De este modo se elimina la fuente de las principales fluctuaciones
de presión, que es la apertura y cierre de la puerta que comunica con el exterior.
También hay que procurar que las entradas de aire exterior estén situadas en el lugar más
eficaz posible respecto al punto donde la escalera se comunica con el piso bajo. Si se coloca
una entrada de aire cerca de esta puerta, es posible que la mayor parte del aire que entra
salga directamente al exterior cuando se abre la puerta, reduciendo así la presión en la
escalera. La opción es que, con situar las entradas de aire sólo un piso por encima de la
puerta exterior, se elimina esta posibilidad.
A finales de los años 60 (siglo XX) apareció el concepto de “sandwich de presión”, que
consistía en vaciar el piso donde se producía el fuego y presurizar los de alrededor para
limitar el movimiento de humo. Este concepto ha evolucionado hoy hacia el de los sistemas
de control de humo por zonas, según el cual, un edificio se puede dividir en “zonas de
humo” separadas entre sí por suelos y paredes. Una “zona de humo” puede ser un piso o
más de un piso. En el caso de que se declare un incendio, la diferencia de presión y la
corriente de aire producidas por unos ventiladores mecánicos se pueden emplear para evitar
que se propague el humo desde la zona donde se ha declarado el incendio a las zonas
adyacentes. La concentración de humo en esta zona puede hacer que sea imposible
permanecer en ella. En consecuencia, en un edificio, los ocupantes deben evacuar cuando
antes la zona en la que se ha producido el fuego.
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5) MOVIMIENTO DEL HUMO EN LOS EDIFICIOS ALTOS
El movimiento de humo en edificios de gran altura puede revertir formas completamente
distintas a las del humo en edificios bajos. En éstos, son las características del propio
incendio, tales como el calor, los movimientos de convección y las presiones del incendio,
los principales factores que influyen en el movimiento del humo. Los métodos de extracción
y ventilación del humo son consecuencia de ello. En los edificios altos, en cambio, estos
factores están muy modificados por el efecto de chimenea, que es el movimiento vertical
natural del aire a través del edificio causado por las diferencias de temperatura y de
densidad entre el aire interior y el exterior. Este efecto de chimenea puede convertirse en
un factor importante en el movimiento del humo y en las características del proyecto del
edificio.
Los factores predominantes que causan el movimiento del humo en los edificios altos son:
- La expansión de los gases debida a la temperatura.
- El efecto de chimenea.
- La influencia de la fuerza del viento externo.
- El movimiento de aire forzado en el interior del edificio.
5.1) El Efecto Chimenea
El efecto chimenea es responsable de la mayor parte de los movimientos naturales del aire
en el interior de los edificios normales. Durante un incendio este efecto es, a menudo,
responsable de la amplia distribución de humo y gases tóxicos en edificios de gran altura.
Los informes de incendios confirman que el humo puede circular por los huecos de escaleras
y de ascensores en volúmenes importantes, aunque las puertas de accesos a estos lugares
estén cerradas.
El efecto chimenea produce una fuerte y característica corriente ascendente desde la planta
baja a la última de los edificios altos. Su magnitud está en función de la altura del edificio,
de la estanqueidad frente al aire de los cerramientos exteriores, de las filtraciones entre los
pisos del edificio y de las diferencias de temperatura entre el interior y el exterior.
Las altas temperaturas producidas en un incendio originan la expansión de los gases,
llegando a ocupar tres veces el volumen inicial y obligando a que el humo salga de recinto.
A medida que la temperatura se incrementa, los gases producidos irán ocupando un mayor
volumen, efectuándose la propagación de éstos a otras zonas vecinas, donde los gases
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calientes se enfriarán contrayéndose a su volumen original. Sin embargo, aunque los gases
desplazados acaban por enfriarse a la temperatura ambiente, el efecto de la expansión,
mientras duran las condiciones de incendio, se traduce en un aumento del volumen de
humo desplazado.
Para ilustrar el principio del efecto de chimenea, consideremos una caja que tenga una sola
abertura cerca de su parte inferior y otra cerca de su parte superior, tal como se ve en la
figura inferior (A).
La corriente natural teórica entre las dos aberturas se origina por la diferencia de peso entre
la columna de aire (presión) en el interior de la caja y otra columna de aire (presión) de
iguales dimensiones, en el exterior.
El movimiento vertical del aire en el interior de un edificio se origina por esta corriente
natural o efecto chimenea, como se denomina generalmente. La magnitud del efecto
depende de la diferencia entre las temperaturas interior y exterior y de la distancia vertical
entre las aberturas. Si las temperaturas interior y exterior son iguales, no se produce
movimiento natural de aire. Si T0 ≤ Ti, el aire se mueve en forma ascendente, actuando
como boca de entrada la abertura inferior y como boca de salida la abertura superior. El
efecto chimenea invertido se produce cuando T0 ≥ Ti. En estas condiciones, la abertura
superior es la boca de entrada y la inferior, la boca de salida.
La parte (B) de la figura ilustra las presiones a que dan lugar estos movimientos. Si en esta
figura se supone que T0 ≤ Ti, la presión exterior será mayor que la interior en el nivel de la
abertura interior. Esta es una presión positiva que impulsa al aire hacia el interior del
edificio en dicho punto. La presión exterior al nivel de la abertura superior es menor que la
presión interior, lo que crea una presión negativa en ese punto que obliga a salir al aire
hacia el exterior. Se supone que la distribución de presiones entre estos dos puntos es
lineal.
En el caso de existir una abertura en la pared exterior en una región de presión positiva, el
aire entraría en el edificio. Una abertura de una región de presión negativa habría que el
aire se escapara del edificio. El plano de presión neutra indica la situación en la que las
presiones internas y externas son iguales. Si hubiera una abertura en este nivel, el aire ni
entraría ni saldría.
A1
A2
H
h2
h1
Dt
+
_
Plano de Presión Neutra
(A) (B)
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La posición del plano de presión neutra en un edificio sin ningún tipo de barrera horizontales
y con dos aberturas, una interior (con una superficie A1 y a una distancia h1 al plano de
presión neutra) y otro superior (A2, h2), se puede determinar a partir de la siguiente
ecuación:
iTA
TA
h
h21
022
2
1
6.2) Influencia de los Forjados y Tabiques
La corriente teórica descripta anteriormente se ve modificada en los edificios reales por la
presencia de forjados y tabiques, barreras que impiden el libre movimiento del aire, aunque
puede producirse una circulación importante a través de las aberturas existentes en ellas.
El Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá hizo unos estudios sobre la
aeroestanqueidad de los elementos de construcción en cuatro edificios que abarcaban desde
9 a 44 pisos. Los datos se dan en la tabla siguiente:
Elemento de Construcción Estanqueidad en la
pared
Relación de las
áreas (A/AW)
Paredes exteriores del edificios (incluye
grietas de construcción, grietas alrededor
de ventanas y puertas).
Estanca 0,70 x 10-4
Término medio 0,21 x 10-3
Floja 0,42 x 10-3
Muy floja 0,13 x 10-2
Paredes de huecos de escalera (incluye
grietas de construcción, pero no las
grietas alrededor de ventanas o puertas)
Estanca 0,14 x 10-4
Término medio 0,11 x 10-3
Floja 0,35 x 10-3
Paredes de huecos de ascensor (incluye
grietas de construcción, pero no las
grietas alrededor de las puertas)
Estanca 0,18 x 10-3
Término medio 0,84 x 10-3
Floja 0,18 x 10-2
Suelos (incluye grietas de construcción y
grietas alrededor de las hendiduras) Término medio
A/AF
0,52 x 10-4
Nota: A = área de filtración. AW = área de pared. AF = área de suelo.
Estas áreas de filtración de aire son suficientes para permitir un movimiento de aire
importante a través de un edificio. La mayor parte del aire fluye hacia los huecos verticales,
tales como los de escaleras y ascensores. Parte del aire fluirá verticalmente de piso a piso a
través de las pequeñas aberturas de los forjados. Este movimiento de piso a piso está
siempre ocasionado por una diferencia de presión entre pisos contiguos.
La parte (A) de la figura siguiente ilustra las características de la diferencia de presión de un
edificio en el cual la acción del efecto de chimenea causa movimiento de aire. Las
inclinaciones de las líneas de presión representan diferencias entre dos regiones a la misma
altura. El flujo de aire de una región a otra será siempre en la dirección de la región cuya
curva de presión se incline más hacia la izquierda. Esto queda ilustrado por las direcciones
de corriente de aire representadas por las flechas en la parte (B) de la figura.
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5.3) Efecto del Viento
Las condiciones ambientales de aire y temperatura también influirán sobre el movimiento de
humo dentro de un edificio, ya que aquéllas afectan al movimiento natural del aire en el
mismo.
La acción del viento es otro factor importante que influye sobre el comportamiento del
movimiento del humo. También en este aspecto los edificios altos y bajos se comportan de
una forma diferente.
Plano de presión neutra
Diferencia
de presión
entre el
piso y el
hueco
Diferencia
(A) (B)
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5.3.1) Edificios Bajos
La figura muestra la distribución de presión del aire en los cuatro costados y la cubierta de
un edificio bajo. La vista de planta de las presiones indica que la pared opuesta al viento
está sometida a una presión hacia dentro, mientras que la cara contraria y las dos laterales
experimentan una presión ascendente, cuya magnitud máxima se da en su borde expuesto
al viento.
Estas presiones las causa el movimiento de una masa de aire que circula alrededor y por
encima de la estructura. En un edificio bajo y ancho, el volumen del aire que se mueve por
encima de la cubierta es mayor y, proporcionalmente, el movimiento por los costados,
menor. En cambio, un edificio alto y estrecho origina un mayor volumen de aire a lo largo
de la línea de menor resistencia, es decir, alrededor del edificio, y un menor movimiento por
la parte superior. La velocidad de estos movimientos determina la intensidad y dirección de
las presiones ejercidas sobre el edificio.
Planta
Viento
Alzado
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5.3.2) Edificios Altos
Al incidir un viento de cierta importancia sobre la fachada de un edificio alto, el plano de
presión neutra se verá influenciado y modificado. La acción del viento originará un efecto
aspirante en el hueco vertical debido a la presión negativa en la cubierta. El plano de
presión neutra estará situado más cerca de dicha cubierta en la zona más afectada por el
viento y, por el contrario, más alejada de la cara opuesta. De esta forma, se puede observar
cómo las presiones positivas del viento elevan el plano de presión neutra, mientras que las
negativas lo hacen descender.
5.4) Aberturas de Ventilación
Las aberturas de ventilación influirán notablemente en la situación del plano de presión
neutra. Cuando existe un hueco vertical en su parte superior, el plano de presión neutra
estará más cerca de la parte del edificio. Al desplazarse el plano de presión neutra hacia
arriba, existirá un mayor número de pisos que estarán en sobrepresión con respecto al
hueco de ventilación. De esta forma, aumentará el número de entradas al hueco y
disminuirán las aberturas que actúan como salidas.
Viento
Plano de Presión Neutra
Efectos del viento sobre la situación del plano de presión neutra
Plano de Presión Neutra
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Por el contrario, si se ventilara la parte inferior del hueco vertical, el plano de presión neutra
descenderá, con lo que todo el edificio quedaría prácticamente invadido por el humo, ya que
en este caso habría más plantas en depresión con respecto al hueco.
Si en el edificio existiera una torre de humos que ventilara la zona afectada por el incendio,
se conseguiría que todos los pisos estuvieran en sobrepresión con respecto al conducto de
humos. De esta forma, la zona del incendio quedaría en depresión respecto al resto del
edificio, evitando así la circulación del humo y de los gases por dicho edificio, excepto por
los conductos que han sido diseñados para tal fin.
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6) CIRCULACIÓN DE HUMO POR LAS CONDUCCIONES DE AIRE ACONDICIONADO
Debido a la posibilidad de circulación de humo a través de los conductos del aire
acondicionado, se debe cortar el servicio de aire acondicionado en caso de incendio.
Con el sistema de inyección de aire detenido, las montantes de conductos verticales
también actúan como vanos de posible circulación de humo a los pisos superiores. Esta
particularidad también hace que se deban colocar “dampers” (regulador de tiro) para
reducir este riesgo hasta valores aceptables.
En caso de edificios muy altos (más de 16 pisos), es recomendable facilitar la expulsión del
humo producto de un incendio antes de que este ascienda a los pisos superiores. Así pues y
tomando el ejemplo de un edificio de 16 pisos, puede definirse un equipo en el piso 8° y
aspirar por el retorno el humo generado por un incendio entre la PB y el 7° piso; de igual
forma un equipo situado en el piso 16° aspirará la generación de humo que se produzca
entre el 8° piso y el 16° piso; expulsando al exterior esta mezcla de humo y aire a través de
conducto y reja de expulsión. Otra posibilidad en caso de no contar con extracción mecánica
es contar con dampers de expulsión en el tope de las montantes.
6.1) Dampers Cortafuegos y Dampers para Control de Humos
La designación de damper cortafuego se aplica a aquellos elementos destinados a impedir la
migración de fuego de un ambiente a otro. Sin embargo, la particularidad entre estos
ambientes radica en que entre ellos debe existir una división de riesgo concebida para
soportar 1½ o 3 horas de fuego manteniendo su condición estructural con una razonable
integridad, así pues concebida ya para la protección de vidas humanas como para la
separación y protección de locales que garanticen la continuidad de las operaciones.
Según las normas DIN, estos equipos deben tener las siguientes características:
- Deben resistir fuego (R-120 – UNE 23-802-79).
- Ser estancos al humo (DIN 4102).
- Impedir que se transmita la temperatura del lado donde hay fuego hacia el otro
lado.
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Según las normas NFPA y UL/FM, estos equipos deben resistir solamente el fuego y ser
estancos al humo, por consiguiente las anteriores son más robustas en su construcción.
Cuando se trata de controlar el humo como hemos visto al principio del desarrollo del tema,
se está frente a la situación de evitar que el humo frío con una temperatura por debajo de
80°C en el inicio del incendio, se propague a otros ambientes con riesgo de alcanzar los
vanos verticales libres.
Puesto que con baja temperatura el fusible sensible al calor no actúa, un dispositivo
eléctrico (o electroneumático) actuará el “damper”, de forma que sin tensión cambia de
posición. Esta modalidad solo puede ser lograda mediante la participación del detector de
humo como dispositivo iniciador.
Veamos la figura siguiente que sin la instalación de un damper cortafuego, este se propaga
a otros locales a través del conducto de retorno; pero mediante la instalación de este
dispositivo y el aviso de alarma del detector de humo, tan pronto este produce la activación
del esquema operativo de emergencia, el humo podrá ser expulsado al exterior.
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Vemos en la figura siguiente como se puede evitar en un sistema de persianas
economizadoras mediante la instalación de un damper para control de humos que este se
introduzca por el by-pass y a través de este nuevamente en la alimentación.
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Además, puede mantenerse el aire acondicionado operativo en otras zonas no afectadas por
un incendio (si por razones de proceso lo requiriese) mientras se expulsa al exterior el
humo generado en una de las zonas a causa de un incendio en desarrollo.
BIBLIOGRAFÍA
- Manual de Protección Contra Incendios (NFPA), cuarta edición en castellano 1993,
editoral MAFRE.
- NFPA 921/1995 – Guía para las investigaciones sobre incendios y explosiones.
Editorial NFPA – MAFRE
- NFPA 921/2001 - Guide for Fire and Explosion Investigations.
- NFPA 90A/1999 - Standard for the Installation of Air-Conditioning and Ventilating
Systems.
- NFPA 91/1999 - Standard for Exhaust Systems for Air Conveying of Vapors, Gases,
Mists, and Noncombustible Particulate Solids.
- NFPA 92A/2000 – Recommended Practice for Smoke-Control Systems.
- NFPA 92B/2000 - Guide for Smoke Management Systems in Malls, Atria, and Large
Areas.
- NFPA 204/1998 - Guide for Smoke and Heat Venting.
- The UniVent System
Smoke Control Services Ltd
www.smokecontrol.co.uk
- Smoke Control’s Pressurisation System - airPower - in control
Smoke Control Services Ltd
www.smokecontrol.co.uk
- RWA today
Smoke and Heat Ventilation Systems
www.RWA-heute.de
- La Modelización de los Efectos del Fuego.
Autor: Guillermo Lozano
Revista Técnica de la Asociación de Profesionales de Ingeniería de Protección Contra
Incendios - Diciembre 2005 - ICI - Nº 3.
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- Control y Evacuación de Humos - Serie THT/IMP
Web Site: http://sodeca.fhurtado.com
- Control y Evacuación de Humos
http://construnario.com/notiweb/tematicos_resultado.asp?id=155&informe=2
- Complementación del Sistema de Aire Acondicionado de Edificios Aplicado al Control de
Humos a Causa de Incendios
Autor: Ing. Norberto A. Becerra ([email protected])
Revista Argentina del Frío - Edición Diciembre 2001
- Web Site: www.roda.de
- Cortinas Antihumo Supercoil
www.stoebich.de