Calidad del aire interior en condiciones extremas: El humo en caso de incendio

Cuando se produce un incendio en un edificio, el humo se extiende con gran rapidez de unas zonas a otras. Es importante que los edificios dispongan de las medidas necesarias para evitar esta extensión, y que la calidad del aire interior sea aceptable incluso en tales condiciones extremas. Se conocen dos técnicas para conseguir este efecto: el control pasivo y el control activo del humo. En este artículo, que fue presentado en el Primer Congreso Internacional de Matemáticas en la Ingeniería y Arquitectura, se discuten estas dos técnicas.

Introducción

En modo normal de operación, un edificio debe mantener unas condiciones saludables del aire interior en cuanto a limpieza, temperatura, humedad y velocidad. En caso contrario, la calidad del ambiente interior puede tener efectos profundos en la salud de los ocupantes de los edificios. Se define como el “síndrome del edificio enfermo” al conjunto de enfermedades originadas o estimuladas por la contaminación del aire en espacios cerrados.

Cuando el edificio se encuentra en una situación extrema, como la que se origina cuando se desencadena un incendio, el mantener unas condiciones aceptables del medio ambiente interior pasa por evitar que se produzca la extensión del humo y otros productos de la combustión.

El no conseguir mantener un aire interior saludable puede provocar enfermedades en los ocupantes, pero en caso de incendio, puede provocar lesiones irreversibles e incluso la muerte.

El humo como elemento a evitar

Cuando se produce un incendio en un edificio se generan los llamados productos de la combustión. Además de los residuos sólidos que se producen durante este proceso, podemos clasificar los restantes productos en dos tipos; por un lado están los gases y humos y por otro el calor y las llamas.

Suele suponerse erróneamente que las quemaduras causadas por el calor y las llamas son la causa principal de las muertes y lesiones acaecidas en el incendio. Sin embargo, la experiencia ha demostrado que el peligro más grave y común para las personas involucradas en un incendio proviene del humo y gases de combustión. Casi las tres cuar tas par tes de las muertes derivadas del incendio de edificios guardan relación directa con estos productos de la combustión¹.

Esto es debido al peligro inherente a estos gases y la rapidez en su extensión ya que pueden alcanzar zonas muy alejadas del origen del incendio en un breve espacio de tiempo. Los gases más nocivos son el monóxido de carbono, el anhídrido carbónico, el sulfuro de hidrógeno y el cloruro de hidrógeno.

El monóxido de carbono es el más peligroso, no tanto por ser el más tóxico, sino por ser el más abundante en un incendio. Debe tenerse en cuenta que en una concentración superior al 1% en volumen, puede producir la muerte instantánea. El anhídrido carbónico se produce en grandes cantidades en un incendio, estimulando en exceso el ritmo de respiración, y en consecuencia el ritmo de absorción de otros gases tóxicos que pudieran estar presentes. En una concentración del 10% puede causar la muerte si se respira durante unos pocos minutos. Además, la presencia de gases provoca un riesgo diferente de su toxicidad: la insuficiencia de oxígeno. El aire normal contiene un 21% de oxígeno, cuando la concentración queda reducida a un 15% la capacidad humana de raciocinio y juicio se ve perturbada, y con un porcentaje de oxígeno inferior o igual al 10% una persona puede sufrir un colapso y morir.

Se han expuesto hasta este momento las graves consecuencias para la vida que tendría la puesta en contacto de las personas presentes en un edificio con los gases de combustión y humos. Para mantener la calidad del aire interior en estas condiciones extremas se debe disponer en el edificio de los medios adecuados. Las técnicas existentes en la actualidad para el control de la extensión del humo se denominan técnicas de control pasivo y activo del humo.

Técnicas de control pasivo del humo

Las técnicas de control pasivo del humo se basan en el concepto de compartimentación de larga permanencia, mediante la utilización de medios constructivos adecuados que dividan el edificio en diferentes sectores denominados sectores de incendio. La compartimentación debe ser completa en todo el recinto, de tal forma que si existen canalizaciones que puedan comunicar éste con otro espacio también deben aislarse adecuadamente. Se debe prestar especial atención al sistema de aire acondicionado y ventilación existente en el edificio, ya que consta de diversos conductos que atraviesan la construcción y que pueden constituir caminos de extensión para el humo. Las técnicas de control pasivo del humo exigen que en situaciones de incendio, los ventiladores de los sistemas de aire acondicionado se paren, y las compuertas de humo y fuego en el sistema de conductos se cierren. Con ello se pretende evitar el paso de humo a través de unas zonas a otras.

La compartimentación minimiza el riesgo de pérdidas humanas y materiales, ya que limita el tamaño del incendio, reduce la cantidad de humo producido y facilita la extinción.

Es fundamental que la barrera obtenga un mantenimiento adecuado, que las puertas presentes en ella dispongan de sistemas de cierres automáticos para evitar que queden abiertas y que todas las canalizaciones que las atraviesen sean resistentes al fuego o dispongan de compuer tas cor tafuego. Si se cumplen estas condiciones se puede conseguir una barrera eficaz frente a las llamas.

Sin embargo, aunque se cumplan las estipulaciones anteriores, es frecuente que la barrera presente pequeños orificios o discontinuidades que, si bien no resultarían un gran inconveniente para la contención de las llamas, sí lo serían para el humo y gases que se desplazan con mayor rapidez y facilidad. Pensemos que es muy complicado hacer que un recinto sea totalmente estanco a un gas.

Las barreras resistentes al fuego son testadas en laboratorio, bajo condiciones artificiales que a menudo no coinciden con las condiciones reales que se producirían en un incendio. Los test ofrecidos se basan principalmente en un control del comportamiento de la barrera frente al fuego, sin lograr resultados precisos sobre el comportamiento del humo bajo condiciones de presión.

Por todo ello, es muy difícil que con estas técnicas se alcance el éxito completo. Cuando se requiera un control efectivo del humo y, sobre todo, en edificios en los que se tenga previsto mantener a los ocupantes en el interior o en los que la evacuación se prevea lenta, es necesario complementar las técnicas de control pasivo con otras que ayuden a controlar el movimiento del humo de manera efectiva. De esta forma aparecieron las técnicas de control activo del humo.

Técnicas de control activo del humo

Las técnicas de control activo del humo utilizan las barreras constructivas propias de los sistemas de control pasivo en unión con mecanismos de eliminación del humo o de control de su movimiento. A continuación se analizan las principales técnicas existentes en la actualidad:

A. Ventilación

Como primera forma de controlar el humo de forma activa se encuentra la eliminación de éste mediante la ventilación propiamente dicha. Consiste en la eliminación del humo, los gases y el calor de las distintas zonas del edificio. La eliminación del humo mediante la ventilación puede ser realizada por tiro natural o tiro mecánico.

La técnica del tiro natural consiste en proporcionar entradas naturales para el suministro de aire y salidas para la evacuación de humo, comunicadas con el exterior directamente o a través de conductos. Como salidas de humo se podrán instalar aberturas en fachada, salidas en cubiertas o bocas unidas o no a tubos. Como entradas de aire se contabilizarán aber turas en fachada, puertas de locales abier tas al exterior o a locales en sobrepresión, escaleras no compartimentadas o al aire libre, o bocas unidas o no a tubos.

La técnica del tiro mecánico consiste en la extracción mecánica de humo y en el suministro de aire por vía natural o mecánica; además, se podrá realizar sobrepresión de los espacios que hay que mantener libres de humo. La extracción se realizará por bocas conectadas a un extractor mecánico mediante un conducto. Las entradas de aire pueden ser naturales, siendo en este caso las mismas descritas que en el apartado de tiro natural, o mecánicas, consistiendo entonces en una serie de bocas conectadas a un ventilador de impulsión de aire mediante conductos. La velocidad de impulsión del aire debe ser menor que 5 m/s. El caudal de aire que llega a las bocas de entrada mecánica será del orden de 0,6 veces el caudal de extracción.

B. Presurización

El uso de diferencias de presión de aire a través de las barreras para controlar el movimiento del humo es calificado como presurización.

La presurización tiene por resultado flujos de aire que traspasan los pequeños orificios y aber turas que existen en las barreras, por ello, previene el regreso del humo a través de esos orificios.

Al emplear la técnica de presurización, es apropiado considerar la diferencia de presión máxima y mínima admisible a través de la barrera estudiada. Los valores discutidos en esta sección se basan en las recomendaciones² de la NFPA-92 A. La diferencia de presión máxima admisible debería ser un valor que no tenga como resultado unas fuerzas de apertura de puertas excesivas. El Life Safety Code³ (NFPA 101) expresa que la fuerza requerida para abrir una puerta en un medio de salida no debe exceder de 133 N. La norma europea EN 12101-6 (norma referenciada por el Código Técnico de la Edificación para diseñar los sistemas de control de humo en edificios de ciertos usos)⁴ estipula que no debe superar los 100 N. A modo de ejemplo, se listan en la tabla 1 las diferencias de presión máximas permitidas, para el límite de 133 N, calculadas en el Manual de Control de Humo ASHRAE⁵.

Además debe existir un valor de diferencia de presión mínimo que el sistema de control de humo debería mantener para asegurar el confinamiento del humo bajo cualquier condición. En la tabla 2 se ofrecen algunas sugerencias sobre diferencias de presión de diseño mínimas.

C. Presurización de cajas de escalera

Las cajas de escalera son el principal medio de escape de un edificio y, por tanto, se deben proteger de forma efectiva para permitir una evacuación segura durante un incendio. El método utilizado para la protección de las cajas de escalera es el de presurización, el cual consiste en incrementar la presión dentro de la caja con respecto a los espacios circundantes por medio de la inyección de aire exterior con uno o varios ventiladores de suministro.

La diferencia de presión mínima que debe mantenerse en la caja de escalera según la parte cuarta6 del código BS 5588 es de 50 Pa; de acuerdo con la quinta parte⁷ de BS 5588, debe encontrarse en el rango de 30 a 50 Pa; conforme a la primera parte⁸ del código AS 1668 debe ser de 50 Pa; mientras que la NFPA 92 A recomienda⁹ que sea superior a 45 Pa; la norma europea EN 12101- 6 (Código Técnico de la Edificación) estipula¹⁰ que sea de 50 Pa.

Una vez conocido el gradiente de presión necesario en la caja de escalera, se necesita mantener esta sobrepresión prácticamente constante durante todo el tiempo que dure el incendio. Diseñar tal sistema sería sencillo si todas las puer tas de la escalera permanecieran cerradas. Por supuesto, durante la evacuación, las puertas de la escalera se abren dando lugar a unas pérdidas intermitentes de la presurización efectiva, permitiendo al humo introducirse en la caja de escalera. Por otra parte, el suministro de aire en cantidades suficientes para hacer frente a la caída de presión por la apertura de puertas puede dar lugar a una sobrepresurización de la caja de escalera cuando todas las puertas estén cerradas, lo que haría difícil la aper tura de éstas. Para prevenir la sobrepresión o la caída de presión por debajo de valores admisibles, los sistemas de presurización de escaleras se diseñan con aber turas adicionales o con elementos que permitan un suministro de aire variable.

Los sistemas de flujo de aire variable utilizan una tecnología capaz de hacer variar el caudal de aire suministrado por los ventiladores. Los ventiladores de flujo variable son controlados por sensores de presión estáticos que detectan la diferencia de presión entre la caja de escalera y las zonas anexas del edificio. Así, el flujo de aire se incrementa cuando alguna puer ta se abre, y disminuye cuando las puertas están cerradas.

D. Control del humo basado en la zonificación del edificio

El control de humo basado en la zonificación consiste en la división del edificio en una serie de zonas, conocidas como zonas de humo. Cada una de ellas constituirá un compartimento formado por elementos constructivos cuya resistencia al fuego permita aislar en la zona, el fuego y humo provocados por el incendio hasta que éste pueda ser controlado. Cada zona de humo puede componerse de una o varias plantas, del mismo modo que una planta puede contener varias zonas de humo. La elección del número y disposición de las zonas de humo depende del tipo de edificio y del uso al que va a ser sometido; en cada caso se deberá elegir la opción más adecuada. Algunas disposiciones típicas de las zonas de humo se ilustran en la (Figura 1).

En el caso en que se produjera un incendio en el edificio, los detectores implantados a tal fin enviarían la señal de alarma al panel central de control, indicando la zona en la que se localiza el conato de incendio. Este sector se señalaría como la zona de humo. A partir de aquí se utilizará un sistema activo para el control del humo que genere una presurización positiva en todas las áreas salvo en la señalada como zona de humo, o al menos en las áreas adyacentes a ésta, para evitar la extensión del humo desde el sector en el que se ha iniciado el incendio al resto del edificio, complementando de esta forma la función compar timentadora de los elementos constructivos.

La concentración de gases, humo y calor en la zona de humo origina que el ambiente, y por lo tanto, la presencia en ella, sea insostenible. Debido a ello, esa región del edificio se deberá evacuar tan pronto como sea posible después de la detección del incendio.

E. Sistemas activos de aire acondicionado

Todos los sistemas de control activo del humo implican un movimiento de aire por el edificio mediante técnicas de impulsión o extracción. Por otro lado, se conoce que el sistema de aire acondicionado y ventilación existente en un edificio igualmente produce un movimiento de aire con impulsión y extracción de éste.

Debido a las afirmaciones anteriores, es lógico pensar que podría aprovecharse el sistema de conductos y la maquinaria existente en la instalación de aire acondicionado y ventilación para realizar dos funciones: el acondicionamiento y ventilación de los recintos en situación normal y el control del humo en caso de incendio.

Los sistemas de presurización de cajas de escalera y ascensores son generalmente sistemas de función exclusiva pero los sistemas por zonificación pueden integrarse en el sistema de aire acondicionado y ventilación. De esta forma se evita la doble disposición de conductos y maquinaria.

Los sistemas de aire acondicionado y ventilación en los que se integran funciones de control del humo se denominan sistemas activos de aire acondicionado.

Conclusiones

La utilización combinada de técnicas activas y pasivas de control del humo constituye un avance en la seguridad de los ocupantes de un edificio en caso de producirse un incendio. Esta mejora en la seguridad implica evitar la extensión del humo producido en un incendio, es decir, se mantienen unas condiciones adecuadas del aire interior.

Mantener la calidad del aire interior cuando las condiciones del edificio son extremas, puede evitar problemas de salud irreversibles en los ocupantes, e incluso la muerte.

(1) Manual de protección contra incendios, National Fire Protection Asociation, Mapfre. Madrid, 1993.
(2) NFPA 92 A: Recommended Practice for Smoke-Control Systems. Estados Unidos, 1993.
(3) NFPA 101: Life Safety Code, National Fire Protection Association. Estados Unidos, 2000.
(4) EN 1210-6: Sistemas para control de humos y calor, parte 6, Sistemas de presión diferencial, 2005.
(5) American Society of Heating, Refligerating and Air Conditioning Engineers: Smoke Control Technology, ASHRAE Transactions, pp 1209-1258. Estados Unidos, 1988.
(6) British Standard, BS 5588: Fire precautions in the Design, Construction and Use of Buildings, parte 4: Code of Practice for Smoke Control Using Pressure Differentials. Reino Unido, 1998.
(7) British Standard, BS 5588: Fire Precautions in the Design, Construction and use of Buildings, parte 5: Code of Practice for Firefighting Stairs and Lifts. Reino Unido, 1995.
(8) Australian Standard, AS 1668:The Use of Mechanical Ventilation and Air Conditioning in Buildings, Parte 1. Australia, 1998.
(9) NFPA 92 A: Recommended Practice for Smoke-Control Systems. Estados Unidos, 1993.
(10) EN 12101-6: Sistemas para control de humos y calor, parte 6: Sistemas de presión diferencial, 2005.

Por: Sagrario Lantarón
Doctora en Ingeniería Industrial por la Universidad Politécnica de Madrid (2002). Actualmente es profesora del Departamento de Matemáticas e Informática aplicadas a la Ingeniería Civil de la E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad Politécnica de Madrid

Fuente: Anales de mecánica y electricidad

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