José L. ToreroJosé L. Torero

Ejemplo de Aplicación: Ejemplo de Aplicación: Túneles e Instalaciones Túneles e Instalaciones

SubterráneasSubterráneas

BRE Centre for Fire Safety Engineering

The University of EdinburghEdinburgh, EH9 3JLU.K.

School of Engineering and Electronics

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)

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)

7%

1,274 m

4 km

1,381 m1,554 m

7.64 km

Frontera

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 m0.8 m 0.8 m

Otros Túneles Comparables

Actualmente el Túnel mas largo se encuentra entre Aurdal-Laerdal (Noruega) – 24,500 m

  Tunel Pais Longitud(m)

EnServicio

TraficoPromedi

o

En

  Saint-Gothard

Suiza 16 918 1980 21 000 1998

  Arlberg Austria 13 972 1978 5 200 1992

  Fréjus Francia/Italia

12 901 1980 3 600 1997

  Mont Blanc Francia/Italia

11 600 1965 5 300 1997

  Plabutsch Austria 9 755 1987 12 900 1992

  Gleinalm Austria 8 320 1978 7 800 1992

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

Temperaturas muy elevadas

Lleva al encendido del asfalto

Genera encendido a largas distancias

~1600-1800oC

~1400-1600oC

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

x (m)

z(m

)

0 0.5 1 1.50

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

120011001000900800700600500400300

T (K)(a)

x (m)

z(m

)

0 0.5 1 1.50

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

(b)

Geometría de la Llama

Las llamas se deforman con la ventilación Ciertos niveles de ventilación alargan las

llamas de una manera importante

x (m)

y(m

)

0 0.5 1 1.50

0.1

0.2

0.3

0.4

Wf

(a)

x (m)

y(m

)

0 0.5 1 1.50

0.1

0.2

0.3

0.4

Wf

(b)

x (m)y

(m)

0 0.5 1 1.50

0.1

0.2

0.3

0.4

Wf

(c)

0.03

0.05

0.07

0.09

0.11

z(m

)

00.25

0.50.75

11.25

1.5x (m)

00.1

0.20.3

0.4

y (m)

Geometría de la Llama

Re ( x 103 )

Xf*

0 100 200 300 4000

0.5

1

1.5

2

Vf=2 mm/s, XB=0.25 m

3

4

5

Vf=2 mm/s, XB=0.50 m

3

4

5

Vf=2 mm/s, XB=0.75 m

3

4

5

Re=UD/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 Aumento de temperatura

Fallas estructurales Daños al equipamiento del túnel y vehículos

Tráfico

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

Fire object

Ventilation flow

Smoke BacklayeringThermal Backlayering

Velocidad Crítica

Velocidad mínima bajo la cual el humo puede fluir en el sentido contrario Depende de la

energía liberada por el incendio

x (m)

z(m

)

0 0.5 1 1.50

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

120011001000900800700600500400300

T (K)(a)

x (m)

z(m

)

0 0.5 1 1.50

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

(b)

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!

0

500

1000

Tem

per

atu

re (

°C)

1500

200 400 600 800 1000Distance from fire (m)

Detailed CFD model

Simple analytical model

Diferencias entre ambos modelos son de 20-50°C

Herramientas de Diseño

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 Favorecen el “Spalling”

Curvatura aumenta la carga localmente Favorecen el “Spalling”

Curvatura

Materiales tienen que tener en cuenta este problema

Mont Blanc: reparaciones se han hecho con “shotcreting”

T

r

Resistencia al Fuego

0

30

60

90

120

0 10 20 30 40

Distance from fire (m)

Tim

e to

failur

e (m

inut

es)

AnalyticalTransient

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