MODELO DE SIMULACIÓN POR COMPUTADORA

Presentación del tema: "MODELO DE SIMULACIÓN POR COMPUTADORA"— Transcripción de la presentación:

1 MODELO DE SIMULACIÓN POR COMPUTADORA
INCENDIO - RESCATE ESCUELA DE OPERACIONES CONTRA INCENDIOS Y RESCATE BUENOS AIRES - ARGENTINA MODELO DE SIMULACIÓN POR COMPUTADORA ASPECTOS TEÓRICOS Y PRÁCTICOS EN TÁCTICAS DE COMBATE DE INCENDIOS ANTE SITUACIONES POTENCIALES DE BACKDRAFT Desarrollado por el Dpto. de Ingeniería de la Universidad de LUND y el Dpto de Bomberos de HELSINGBORG, SUECIA Presentado por :GERARDO FABIAN CRESPO

2 ASPECTOS TEORICOS Y PRACTICOS EN TACTICAS
DE COMBATE DE INCENDIOS ANTE SITUACIONES POTENCIALES DE BACKDRAFT Por: DANIEL GOJKOVIC de la sección de Ingeniería de Proteccion de Incendios de la Universidad de Lund, SUECIA. LASSE BENGTSSON del Departamento de Bomberos de Helsingborg, SUECIA. SUMÁRIO Este trabajo se basa en un esfuerzo por integrar los calculos teoricos del CFD (Computational Fluid Dynamics, Dinamica Computarizada de los Fluidos) con las tacticas de lucha contra incendios utilizadas en Suecia en incendios estructurales con un fuego confinado. Se observa que el CFD tiene un gran potencial para ser aplicado a las tacticas de combates de incendio y entenderlas mejor. Si durante el tramite de un fuego en un incendio estructural comienza la etapa de falta de oxigeno durante un lapso de tiempo importante los productos de la pirolisis excesivos de esta etapa de quemar sin llama aumentan dentro del compartimento. Si de pronto por alguna razón tenemos una irrupción de aire fresco dependiendo de los parametros respecto de porcentajes de explosividad dentro de la gama de inflamabilidad y la temperatura dentro del rango del punto de ignicion de estos productos de combustión, tendremos un Backdraft o explosion de humo. El codigo de CFD utilizado para las simulaciones se denomino SOFIE (Simulation Of Fire In Enclosures, Simulacion de Incendios o Fuegos Confinados). SOFIE se encarga de la programacion del premezclado de distintos procentajes de gases de combustion con aire fresco, brindando situaciones potenciales de Backdraft. En consecuencia se ha creado un apartamento ficticio para trabajar aplicando cuatro tacticas diferentes; el apartamento consiste en tres cuartos y tiene una puerta con una ventana que se comunican al exterior. Las tacticas aplicadas y estudiadas son: Aplicacion de tecnicas indirectas de ingreso a un compartimento. La ventilacion natural del departamento. Aplicacion de tecnicas de VPP (ventilacion por presion positiva) Utilizacion de una nueva herramienta o piton de accion cortante.

3 Las tacticas se evaluan contra una guia de referencia y las conclusiones nos llevan a que tactica aplicar ante la posible ocurrencia de un backdraft. El resumen y la suma de opciones depende de una serie de factores tales como, si hay personas dentro del edificio o no, los riesgos a enfrentar y recursos disponibles de equipamento y personal. OBJETIVOS DE FONDO Como se menciona el proposito de esta experimentación es trabajar mediante la aplicacion e integración de los calculos teoricos CFD con los procedimientos y planes de acción que normalmente utilizan los Departamentos de Bomberos en la escena de un incendio estructural para entender como operar en una situacion de potencial Backdraft de la mejor manera. Esto en base al conocimiento de las señales de advertencia, identificandolas antes que el evento ocurra con resultados exitosos en tales situaciones. Un escenario ficticio consiste en un departamento domestico creado para aplicar las distintas tacticas, las mismas son discutidas utilizando los parametros del CFD para predecir el potencial de un Backdraft. Como se menciona anteriormente las tacticas constan del uso de VPP ventilacion por presion positiva; de una nueva herramienta o extintor cortante, es un modelo especial de “piton” que sirve para penetrar una abertura y matener el flujo de agua para tareas de extincion, sin la necesidad de abrir esa puerta o ventana. La ventilación por medio de una abertura por donde ingresan los bomberos de manera confiable dentro del compartimiento aplicando técnicas de enfriamiento a la masa de gases supercalentados. Luego de las experimentaciones se procede a la discusion de las ventajas y desventajas de cada tactica, tambien se tienen en cuenta los procesos subyacentes de posibles Flashover´s. La produccion de Backdraft en incendios estructurales se puede decir que no es muy comun que ocurra, caso contrario, cuando estos fenomenos ocurren las consecuencias son desvastadoras, son situaciones subitas por lo que es de gran importancia que los bomberos conozcan estos fenomenos fisico-quimicos. EL MODELO CON CFD CFD es un modelo computacional sobre la dinamica de los fluidos que se integro a un programa denominado SOFIE, sobre simulacion de incendios confinados; SOFIE

4 Se desarrolla bajo el paraguas de un consorcio de laboratorios de investigacion de incendios Europeos como, El Centro de Investigacion de Finlandia, el Instituto de Investigacion y Comprobacion nacional Sueco, la Estacion de Investigacion de Fuego de la Universidad de Lund, Suecia; el Laboratorio de Seguridad del Fuego y su oficina de diseño del desarrollo donde comenzo el proyecto en la Universidad de Cranfield. El desarrollo de SOFIE tiene tres objetivos principales: 1- para desarrollar un modelo codificado especificamente para la predicción de fuegos en edificios y la dinamica de los fluidos. 2- para desarrollar rasgos especificos de estos fuegos que son de facil accesibilidad y predeterminar aquellos fuegos complejos por ejemplo su crecimiento, extension, emisiones toxicas, dispersion y la interaccion de la niebla de agua con el fuego. 3- para poner a disposicion de la comunidad cientifica para la seguridad contra incendios un modelo de campo robusto que se utilize para la valoracion de la seguridad contra incendios en comparacion con otros codigos. No es posible modelar un escenario optimo para la producción de un Backdraft ya que no se cuenta con un sub-modelo apropiado que haya investigado la premezcla de gases de combustion que se queman antes de la explosion. Sin embargo es de suma importancia en una situación de backdraft tanto el premezclado de gases de combustion y su quema como la incorporacion de aire fresco como la corriente de gravedad que permite al aire fresco ingresar al cuarto lleno de gases supercalentados generados por el fuego, el flujo ingresa a nivel del piso, los gases supercalentados combustibles se encuentran en los estratos superiores de la habitacion, dentro de la interface de los limites de inflamabilidad entre el aire fresco y el calor si estuvieran dentro de los parametros de ignicion una muy subita reacción ocurríria. El calor originado por este proceso de combustion originaria un aumento de la presion dentro del compartimento, mientras estaria expeliendo los gases de combustion fuera del recinto, una vez fuera del compartimento no sufririan la falta de oxigeno con lo cual daria lugar a una subita explosion. Los calculos estimados de tiempo de las distintas explosiones se cuentan entre los 0.1 y 1.0 segundos, estos calculos cuentan con un valor del error de

5 LOS ESCENARIOS -General.
Cuando los bomberos llegan a un siniestro que por sus caracteristicas los puede involucrar en una potencial situacion de Backdraft, pueden aplicarse distintas tacticas, dependiendo de diferentes factores tales como, hay personas dentro del edificio?, que recursos se tienen a disposicion, donde se aloja el fuego, en que fase se encuentra el fuego, que nivel de conocimiento e informacion puede brindar el/los testigo/s. En estas experimentaciones como se explica anteriormente se utilizaron cuatro tacticas diferentes. El escenario basico consiste en un apartamento de tres cuartos de 4m x 4m x 2,8m de altura, los cuartos son comunicados por puertas que miden 0.80 x 2.0m uno de los cuartos el nº 3 tiene una ventana al exterior. Habitacion 2 Habitacion 1 Habitacion 3 Fig.1 Fig.1 geometria del escenario basico. Los calculos del CFD ha desarrollado los hechos por medio de controles de volumenes de gases, todas las paredes son el modelo adiabatico; como se menciona anteriormente no se conto con un modelo determinado de combustion debido a la falta de sub-modelos que manejen el premezclado de gases de combustión. En consecuencia el modelo que se adopto de incendio se baso en una situación donde el fuego ha estado quemando durante un largo lapso de tiempo, los gases supercalientes se concentraron uniformemente en los tres cuartos.

6 Se ha aumentado la temperatura inicial a 600ºC con una concentracion inicial de gases del 0.3%, las intenciones de seleccionar estos valores radica en representar un cuarto donde los combustibles estuvieron quemando durante un largo tiempo, principalmente producto del mobiliario, con las aberturas cerradas, falta de oxigeno, intenso calor que produce realimentacion de calor a otros combustibles contribuyendo a la pirolisis, los cuartos estan bien cerrados y aislados del exterior para concentrar y mantener las altas temperaturas. Despues de un espacio de tiempo la concentracion de gases de combustion aumenta a un 30% en el apartamento. En los subcapitulos siguientes se describen las razones de la seleccion de estos seis escenarios, en los cuales se aplican las tecnicas utilizadas por los servicios de bomberos de Suecia en incendios con fuegos confinados. El ultimo escenario nº6 involucra el uso de un piton especial denominado “The Cutting Extinguisher” el “Extinguidor Cortante” este material es sumamente nuevo y hay muy pocos Servicios de Bomberos en Suecia que cuentan con el. ESCENARIO 1 - Referencias Este escenario sirve de referencia para comparar los otros cinco escenarios; este describe la escena cuando los Bomberos llegan a un incendio con fuego confinado donde el siniestro ya lleva quemando un largo periodo de tiempo. El departamento es bastante hermetico, esta con las puertas y ventana cerradas, en este escenario los Bomberos abren la puerta delantera para dar salida a los gases calientes de combustion, ellos se ubican en las posiciones bajas y a un lado de la puerta; debido a la flotacion de los gases supercalientes se genera una corriente de gravedad de aire fresco entrando al departamento. El ingreso de esta corriente de aire fresco por el nivel bajo permite una visualizacion buena pero solo en dos planos posibles que es atraves de la linea central de las puertas (Fig.2) en este escenario ficticio los limites de inflamabilidad llegaron entre el 05% y el 15% estos valores son utilizados tambien en los restantes seis escenarios. Los calculos del CFD solo se comparan con estas experimentaciones en las Fig.3 y Fig.4 se observan distintas regiones inflamables con diferencias a medida que pasa el tiempo.

7 Fig.2 dos planos de visualizacion del interior del departamento
Plano de visualiizacion 1 Puerta del frente Plano de visualizacion2 Puertas interiores Fig.2 dos planos de visualizacion del interior del departamento Zona de inflamabilidad Porcentajes de concentracion de gases inflamables Fig.3 la zonas inflamables a los 10 segundos de la simulacion

8 Fig.4 la zonas inflamables a los 40 segundos de la simulacion
Zona de inflamabilidad Porcentajes de concentracion de gases inflamables Fig.4 la zonas inflamables a los 40 segundos de la simulacion ESCENARIO 2 - Ataque ofensivo por la puerta del frente por un equipo de bomberos con equipos de proteccion respiratoria (EPR´s) En este escenario el Servicio de Bomberos llega y en su reconocimiento un testigo le comunica que hay personas en el interior; el tiempo en estos casos es un factor critico, se podria decir que no hay tiempo de evaluar todas las posibles medidas, hay que actuar. El Superior a cargo decide enviar por la puerta del frente a un equipo de dos bomberos con equipos de proteccion respiratoria, escogiendo esta estrategia los bomberos se exponen a un riesgo muy alto; en estos casos aplicando las tecnicas adecuadas los bomberos aplicaran lluvia de agua en las partes altas de los cuartos donde se alojan los gases supercalentados intentando refrescar esta accion se debe hacer antes e inmediatamente de abierta la puerta, esta es una practica muy comun en los Servicios de bomberos ya que es una forma de inhibir y evitar la reignicion de los gases. La tactica es abrir la puerta aplicar chorros discontinuos a pulsaciones cortas de agua en lluvia y cerrar la puerta esto se repite hasta considerar el ambiente seguro.

9 Fig.5 la zonas inflamables a los 10 segundos de la simulacion
En los modelos previstos en el CFD este escenario es muy similar al escenario nº1 con la unica diferencia que se han colocado dos “obstaculos” en la puerta del frente representando a los bomberos. Se registro muy poca diferencia entre los resultados de los escenarios 1 y 2, una de las conclusiones a las que se llego es que la corriente de gravedad aparenta viajar un poco mas lentamente en el escenario 2, esto es a consecuencia de los obstaculos (que representarian a los bomberos) que se encuentran en la entrada, este fenomeno se puede comparar con las figuras 3 y 5 mostrando la visual luego de 10 segundos de simulacion. Zona de inflamabilidad Obstaculos representando a los bomberos Porcentajes de concentracion de gases inflamables Fig.5 la zonas inflamables a los 10 segundos de la simulacion De esta simulacion se aprendio que se requiere muy poca cantidad de tiempo (10 segundos) para formar una gran zona de gases supercalentados dentro de los limites de inflamabilidad generando condiciones muy riesgosas debido al ingreso de la corriente de gravedad de aire fresco esta se desarrollo a una velocidad de 1 a 2 metros/segundo; en consecuencia se debe aplicar el ataque con lluvia desde el exterior y asegurar la zona interior del compartimiento ya que el ingreso con la linea de manguera por mas que se intente cerrar la puerta, dejaria una abertura que posibilitaria una condicion de riesgo.

10 ESCENARIO 3 - Ataque defensivo con ventilacion natural
En este escenario no se conto con personas dentro del departamento, el tiempo no es critico como en el escenario 2, las condiciones del incendio dentro del departamento permiten abrir una abertura, por ejemplo una ventana por la parte trasera, el superior a cargo cuenta con la suficiente cantidad de personal para estos trabajos; la abertura de la parte delantera se debe proteger con niebla de agua a los efectos de prevenir un Flashover o un Backdraft y el fuego se propague por la fachada del departamento. Esta tecnica es defensiva, los bomberos no necesitan tomar riesgos innecesarios, este modelo difiere del escenario 1 debido a la apertura en el cuarto nº3. Los resultados de este modelo en el CFD muestra en el escenario una zona de gases inflamables que se forma en el cuarto nº3 a solo segundos de la simulacion esto es debido a las aperturas de la ventana y la puerta trasera, esta ventilacion permite subsecuentemente ingresar aire fresco rapidamente, pero tambien son expelidos los gases supercalentados de la combustion, esta region inflamable se obtiene a los 10 segundos de simulacion. La conclusion importante de este modelo es que ante estas situaciones las aperturas multiples con ventilacion natural minimizan la posibilidad de fenomenos, evacuan rapidamente los gases de combustion, a esta maniobra se la debe apoyar con lineas de manguera y chorros de niebla al realizar la apertura y luego lluvia. Ventilacion por la ventana Zona de inflamabilidad Bomberos aplicando niebla de agua Porcentajes de concentracion de gases inflamables Fig.6 la zonas inflamables a los 10 segundos de la simulacion

11 ESCENARIO 4 - Ataque ofensivo con utilizacion de VPP (ventilacion por presion positiva)
La aplicacion de VPP es de uso muy comun por los servicios de bomberos en Suecia, se aplica en las primeras maniobras de combate y es optima para tareas de rescate en caso de encontrarse con victimas en el interior. Lo que es importante que se requiere de un cierto numero de bomberos para realizar estas maniobras, existen varias formas y tecnicas dependiendo del inmueble, los cuartos o compartimentos, las aberturas, el desarrollo del incendio. Es recomendable tener ciertos cuidados con la aplicacion de la VPP en fuegos confinados. En este escenario el modelo seleccionado en el CFD parte de la colocacion de un ventilador forzando frente a la puerta, no obstante la simulacion no puede simular exactamente la accion del ventilador, el dinamismo del aire forzado como se podria observar en la realidad, seria el remolino no creado por el modelo; no obstante el objetivo principal de enviar una gran cantidad de aire dentro del departamento si se cumple. Por otro lado la ventana en el 3º cuarto se abre y funciona como alivio o descarga de los gases de combustion que son barridos por el ventilador, los resultados obtenidos en esta simulacion dan cuenta que la masa de gases inflamables se observa repartida entre el cuarto nº1 y el nº2 pero por muy poco tiempo menos de los 10 segundos de simulacion, en muchos casos se cree que forzar aire fresco por VPP en un incendio confinado pueden dar las condiciones de produccion de un backdraft, pero por el contrario el uso adecuado de la tecnica de un barrido continuo lo demuestra como se podra observar en los graficos de las Fig. 7 y 8 que es mas que eficiente. Al inicio de la maniobra de VPP se debe de seguir un procedimiento que en este caso el superior a cargo de la maniobra enviaria personal para abrir la ventana en esta etapa debe existir coordinacion entre ambos equipos para no forzar aire antes de tiempo o en su defecto no abrir la ventana antes de tiempo, se debe hechar andar el ventilador y en el momento que se abra la puerta tambien abrir la ventana para que se produzca la descarga e ingrese el aire fresco forzado. En las figuras se observa que antes de los 10 segundos de simulacion y al ingresar el aire forzado observamos la formacion en los planos superiores de zonas de inflamabilidad pero a los 40 segundos estas zonas quedan minimizadas, el plano de las capas de gases del incendio sube y la mayor parte es desplazado fuera del departamento; en consecuencia si la VPP se utiliza correctamente las probabilidades de un backdraft son inexistentes.

12 Fig.7 la zonas inflamables a los 10 segundos de la simulacion
Zona de inflamabilidad Ventana abierta para la descarga de gases de combustion ventilador Fig.7 la zonas inflamables a los 10 segundos de la simulacion Zona de inflamabilidad ventilador Fig.8 la zonas inflamables a los 40 segundos de la simulacion

13 ESCENARIO 5 - Uso incorrecto de la VPP.
En todo incendio confinado la probabilidad de falta de oxigeno, altas temperaturas y gases de combustion siempre estaran presentes, por tal sentido es tan importante realizar entrenamientos en el uso de la VPP y coordinar los movimientos de las maniobras. Como se menciona anteriormente debe existir una muy buena simultaneidad entre los bomberos que abren la abertura de descarga como aquellos que trabajen con el ventilador forzando aire fresco al interior del departamento. En toda maniobra de VPP siempre debe existir una abertura de entrada y una de descarga, en este escenario se simula la falta de abertura de descarga donde se observan las condiciones para que se produzca un backdraft. En consecuencia la situacion de este escenario nº5 es igual a la del escenario nº 4 con la diferencia que la ventana esta cerrada, esto significa que la descarga de gases de combustion esta bloqueada, por tal motivo la corriente de gravedad forzada producida por el ventilador no puede alcanzar el cuarto nº3. De acuerdo a lo que muestran las figuras, la nº 8 del escenario 4 luego de 40 segundos de simulacion muestra las habitaciones practicamente libres de zonas inflamables se logro un buen barrido; en cambio en la Fig. Nº 9 de este escenario se observa una importante concentracion de zonas de inflamabilidad en condiciones de riesgo optimas para producir un backdraft. Zonas con potencial para un backdraft Fig.9 las zonas inflamables a los 40 segundos de la simulacion

14 Fig.10 piton especial “el extinguidor cortante”
ESCENARIO 6 - Inertizacion de la mezcla de gases de combustion/aire mediante el uso de equipo especial (“piton cortante”). Fig.10 piton especial “el extinguidor cortante” Una de las conclusiones afirmativas en incendios de fuegos confinados es el ingreso de aire fresco que pueden provocar en su entrada los servicios de Bomberos y en consecuencia provocar las condiciones necesarias para desatar un evento ya sea Flashover o Backdraft (mas peligroso) y sus riesgos asociados como el Rollover. Lo deseable es desarrollar una tecnica que permita realizar la inertizacion de los gases supercalentados de combustion sin necesidad de que los bomberos deban realizar una apertura, durante estos ultimos tiempos se estuvo desarrollando en Suecia un equipo de alta presion llamado “Cutting Extinguisher” o Extinguidor Cortante, este equipo trabajo a una presion de 300 bars/minuto. Su nombre se debe a que en el momento del uso para lograr el corte, al flujo del agua se le coloca un abrasivo que hace posible el corte y atravesar la mayoria de los materiales. Se usa para realizar el corte a la puerta de un departamento y evitar abrirla, luego del corte por ese orificio se realiza la aplicacion de los chorros discontinuos de agua pulverizada a 300 bars con gotas de 0.1 mm; de esta manera el agua es repartida uniformemente por el cuarto refrescando los gases supercalentados de la combustion en las zonas altas. Este equipo se utiliza en una primera etapa hasta asegurar el ambiente dentro del cuarto una vez lograda satisfactoriamente esta etapa los equipos de bomberos ingresan con las lineas regulares de pequeño diametro para continuar con el resto de la maniobra.

15 El extinguidor cortante cuenta en estos momentos con una sola boquilla de aplicacion, se esta trabajando en el desarrollo de distintas boquillas alternativas para ajustar los chorros en alcance y pulverizado. La capacidad refrescante del equipo es de 10 m3/segundo al punto del flashover en un cuarto de 10 a 40 m2; existen recomendaciones de seguridad para el uso de esta herramienta, por ejemplo en el caso de realizar un ataque con personas en el interior se debe tener sumo cuidado en aplicar los chorros de agua pulverizada a muy alta presion en la parte alta de la habitacion y no en el piso donde se pueden encontrar las victimas. No todos los servicios de bomberos en Suecia cuentan con esta herramienta y esta presentando un muy importante potencial de seguridad y de ser un valioso equipo. Trabajo traducido y compilado por Gerardo Fabian Crespo.