Ejemplo de Aplicación: Túneles e Instalaciones Subterráneas José L. Torero BRE Centre for Fire Safety Engineering School of Engineering and Electronics The University of Edinburgh Edinburgh, EH9 3JL U.K.

Donde se dan? Transportes Minería Instalaciones de cables eléctricos Fajas Transportadoras etc., etc., etc.

Incendios en Túneles de Transporte Incendios en Túneles ocurren con cierta regularidad Great Belt Tunnel (Dinamarca, 1994) Channel Tunnel (Reino Unido-Francia, 1996) Mont Blanc (Italia-Francia, 1999) Tauern (Austria, 1999) Kaprun (Austria, 2000) Gotthard (Italia-Suiza, 2001) Tienden a Generar Grandes Perdidas

Mont Blanc (1999) 24 de Marzo, 1999 38 victimas 27 dentro de sus automóviles 11 fuera de sus vehículos (2 en zonas de protección) 1 Bombero (Jefe de Comando Tostello) 900 m de destrucción del túnel Perdidas en los cientos de millones $

Desarrollo del Incendio 8:00 - 9:00 am – 131 vehículos entran al túnel (89 son camiones) 9:00 – 10:00 am – 163 vehículos entran al túnel (85 son camiones) 10:46 am camión con harina y margarina entra l tunel 10:52 Detectores fotoeléctricos de humo indican 30% de absorción de la luz (condición de alarma) 10:53 el camión se detiene cuando el conductor ve el humo - ~6 km de la entrada Detectores de temperatura indicaban aumentos al pasar el camión, detectores de humo menos sensibles 10:55 alarma de incendio – se interrumpe el acceso al túnel 10:57 llamados desde zonas de seguridad, alarme de uso de un extintor

Desarrollo del Incendio 11:10 am – Primer camión de bomberos desde Chamonix (boqueado a 2700 m del camión de origen) 11:36 am – Segundo camión de bomberos desde Chamonix (bloqueado a 4800 m del camión de origen) En las 50 horas siguiente 33 camiones de bomberos Franceses y 26 Italianos intentan extinguir el incendio sin mayor éxito. El incendio es finalmente extinguido el 26 de Marzo.

Características del Túnel (I) 7% 1,274 m 4 km 1,381 m 1,554 m 7.64 km Frontera Diseño se inicia en 1953 Completada la construcción en 1965 11,600 m de largo (7,640 m en Francia – 3,960 m en Italia) Operado por ATMB (Autoroute et Tunnel du Mont Blanc) y la SITMB (Société Italienne du Tunnel du Mont Blanc) Conecta Chamonix (1274 m) con Val d’Aoste (1381 m)

Características del Túnel (I) Puestos de seguridad cada 100 m (extintores, alarmas) “Garajes” cada 300 m (zonas con ampliación, alarma y teléfono) La mitad de los garajes tienen zonas presurizadas con aire fresco y cerradas por puertas de 2 horas Los garajes están numerados del 1-36 desde Francia Dimensiones: 7 m 0.8 m

Otros Túneles Comparables   Tunel Pais Longitud (m) En Servicio Trafico Promedio Saint-Gothard Suiza 16 918 1980 21 000 1998 Arlberg Austria 13 972 1978 5 200 1992 Fréjus Francia/ Italia 12 901 3 600 1997 Mont Blanc 11 600 1965 5 300 Plabutsch 9 755 1987 12 900 Gleinalm 8 320 7 800 Actualmente el Túnel mas largo se encuentra entre Aurdal-Laerdal (Noruega) – 24,500 m

Geometría del Túnel afecta El Efecto del Túnel Geometría del Túnel afecta Incendio Manejo del Humo Materiales de Construcción Evacuación Efectividad de los Bomberos

El Incendio ~700-800oC ~200-300oC McCaffrey t T

El Incendio Intercambio de calor casi adiabático ~1600-1800oC ~1400-1600oC Intercambio de calor casi adiabático Temperaturas muy elevadas Lleva al encendido del asfalto Genera encendido a largas distancias t T

Manejo de Humo La geometría del túnel va a afectar la estructura de las llamas La geometría del túnel va a afectar la propagación del humo Geometría e incendio están relacionados de una manera compleja

Manejo de Humo La geometría del túnel va a afectar la estructura de las llamas La geometría del túnel va a afectar la propagación del humo Geometría e incendio están relacionados de una manera compleja

Geometría de la Llama Las llamas se deforman con la ventilación Ciertos niveles de ventilación alargan las llamas de una manera importante

Geometría de la Llama Re=UD/n Xf*=xf/LP

Otros Efectos La pendiente afecta la propagación y el transporte de humo Puede generar un aumento drástico en la velocidad de propagación Este efecto se le llama “efecto trinchera” King’s Cross Station, Londres (1987)

El Mont Blanc Pendiente, tamaño del incendio, etc. favorecieron la propagación muy rápida Las decisiones relacionadas al control de ventilación fueron inadecuadas El humo fue enviado en la dirección de los bomberos Las llamas se extendieron aumentando la velocidad de propagación No había manera de saber! Lo mismo sucedió en el Channel Tunnel

El Manejo de Humos Es un proceso extremadamente complicado La producción de humo, la dirección el la cual se propaga y la cantidad dependen de la relación entre el incendio y la geometría del túnel No existe ningún ejemplo donde se haya logrado un éxito claro Ejemplos de las complicaciones posibles: Channel Tunnel Kaprun

El Manejo de Humos A pesar de lo complicado, sigue siendo un elemento critico de la estrategia de protección Se usan métodos aproximados Siempre como parte de una estrategia global

Ejemplo de Estrategia Vehículos aguas arriba del incendio Tráfico Vehículos aguas arriba del incendio Aumento de temperatura Fallas estructurales Daños al equipamiento del túnel y vehículos

Humo Fuente de calor Fuente de elementos tóxicos Disminuye la visibilidad  Entorpece la evacuación  Dificulta las labores de extinción

Objetivos del Sistema de Control de Humo Evacuar el calor y los elementos tóxicos generados Aumenta la durabilidad del túnel (estructura y equipos) Aumenta la seguridad de las personas al interior Mejorar la visibilidad Reducir el contraflujo (backlayering) Velocidad crítica

Evacuación e Intervención El Calor y el Humo se acumulan Distancias son muy extensas Acceso y escape es muy difícil Tiempos de intervención y evacuación son muy cortos Temperaturas y concentración de humo aumentan rápidamente La capa de humo desciende rápidamente

Contraflujo (backlayering) Flujo de humo en sentido contrario a la velocidad del aire Efectos de flotación (buoyancy) Aumenta el flujo de calor hacia la zona no afectada por el incendio (aguas arriba) Puede ser definido en términos de Concentraciones de humo Temperatura

Contraflujo Thermal Backlayering Smoke Backlayering Ventilation flow Fire object

Velocidad Crítica Velocidad mínima bajo la cual el humo puede fluir en el sentido contrario Depende de la energía liberada por el incendio

Estrategia Mantener la habitabilidad en el túnel Evacuar el calor y los elementos tóxicos generados Mejorar la visibilidad Reducir el contraflujo (backlayering) Permitir el correcto funcionamiento de sistemas de supresión Rociadores (convencionales o neblina)

Estrategias de Ventilación Se refieren a la velocidad del aire en el túnel A cuales ventiladores en particular van a ser puestos en funcionamiento Sentido del flujo Vías de extracción del humo

Diseño del Sistema de Ventilación Se enmarca dentro del diseño de la respuesta a un incendio de todo el túnel Resistencia estructural Evacuación Criterio de diseño: Sistema debe ser capaz de cumplir con todos los objetivos del control de humo

Herramientas de Diseño Para diseñar la ventilación es necesario modelar el incendio Temperaturas Concentraciones de especies (humo) Campos de flujo Distintos grados de complejidad CFD Modelos de zonas Modelos analíticos

Herramientas de Diseño Dependiendo del problema, el uso de CFD o modelos más simples se justifica  ¡No siempre mayor complejidad es mejor!

Herramientas de Diseño Detailed CFD model 500 1000 Temperature (°C) 1500 200 400 600 800 Distance from fire (m) Simple analytical model Diferencias entre ambos modelos son de 20-50°C

Herramientas de Diseño El uso de códigos CFD requiere de un alto grado de conocimiento del problema Dinámica de incendios Dinámica de fluidos Combustión Condiciones de borde Modelos “sub-grid” Su uso no se justifica cuando: Sus resultados se acoplan con otros modelos más simples El usuario no es experimentado

Materiales de Construcción Temperaturas mas altas afectan a los materiales de una manera mas severa Favorecen el “Spalling” Gradientes de temperatura al interior del hormigón son mayores dados los flujos de calor mas elevados Curvatura aumenta la carga localmente

s Curvatura Materiales tienen que tener en cuenta este problema Mont Blanc: reparaciones se han hecho con “shotcreting”

Resistencia al Fuego

Construcción Moderna Vías de evacuación paralelas conectadas por puertas contra fuego Presurización de vías de evacuación Vías de evacuación sirven para dar acceso a los bomberos Mont Blanc solo tenia refugios Para un incendio de 50 horas son inútiles En la reconstrucción se han excavado trincheras para la evacuación y acceso de bomberos

Conclusiones La construcción, mantenimiento y manejo (en caso de emergencia) de túneles ha mejorado enormemente en los últimos 20 años Mejoras en los materiales Mejoras en las vías de evacuación Mejoras en las herramientas disponibles a bomberos Manejo del incendio y del humo queda inconcluso Pruebas a gran escala combinadas con modelos detallados son la norma El Ejemplo Noruego