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)
4 km
7.64 km
1,554 m
1,381 m
1,274 m
7%
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:
0.8 m
7m
0.8 m
Otros Túneles Comparables
Tunel
Pais
Longitud
(m)
En
Servicio
Trafico
Promedio
En
SaintGothard
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
 Actualmente el Túnel mas largo se encuentra
entre Aurdal-Laerdal (Noruega) – 24,500 m
El Efecto del Túnel
 Geometría del Túnel afecta





Incendio
Manejo del Humo
Materiales de Construcción
Evacuación
Efectividad de los Bomberos
El Incendio
~200-300oC
McCaffrey
T
~700-800oC
t
El Incendio
~1400-1600oC
~1600-1800oC
T
t
 Intercambio de
calor casi
adiabático
 Temperaturas
muy elevadas
 Lleva al
encendido del
asfalto
 Genera encendido
a largas
distancias
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
0 .7
(a)
T (K )
0 .6
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
z (m )
0 .5
0 .4
0 .3
0 .2
0 .1
0
0
0 .5
1
1 .5
x (m )
0 .7
(b )
0 .6
z (m )
0 .5
0 .4
0 .3
0 .2
0 .1
0
 La geometría del túnel
va a afectar la
estructura de las
llamas
 La geometría del túnel
va a afectar la
propagación del humo
0
0 .5
1
x (m )
1 .5
 Geometría e incendio
están relacionados de una
manera compleja
Geometría de la Llama
0 .4
(a)
y (m )
0 .3
Wf
0 .2
0 .1
0
0
0 .5
1
x (m )
1 .5
0 .4
(b )
0 .1 1
y (m )
0 .3
0 .0 7
z (m )
0 .0 9
Wf
0 .2
0 .1
0
0 .0 5
0
0 .5
x (m )
1
1 .5
0
0 .2 5
0 .0 3
0 .5
0 .4
0 .7 5
1 .2 5
1 .5
0
0 .1
0 .2
y
0 .3
(m )
(c)
0 .4
0 .3
y (m )
x (m )
1
Wf
0 .2
0 .1
0
0
0 .5
x (m )
1
 Las llamas se deforman con la ventilación
 Ciertos niveles de ventilación alargan las
llamas de una manera importante
1 .5
Geometría de la Llama
2
V f= 2 m m /s, X B = 0 .2 5 m
3
4
1 .5
5
Xf
*
V f= 2 m m /s, X B = 0 .5 0 m
3
1
4
5
V f= 2 m m /s, X B = 0 .7 5 m
0 .5
3
4
5
0
0
100
200
300
3
R e ( x 10 )
400
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
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
0 .7
(a)
T (K )
0 .6
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
z (m )
0 .5
0 .4
0 .3
0 .2
0 .1
0
0
0 .5
1
1 .5
x (m )
0 .7
(b )
 Velocidad mínima
bajo la cual el
humo puede fluir
en el sentido
contrario
0 .6
 Depende de la
energía liberada
por el incendio
z (m )
0 .5
0 .4
0 .3
0 .2
0 .1
0
0
0 .5
1
x (m )
1 .5
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
Temperature (°C)
1500
Diferencias entre ambos
modelos son de 20-50°C
1000
Simple analytical model
500
0
200
400
600
Distance from fire (m)
800
1000
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
T
r
s
s
s
s
 Materiales
tienen que
tener en
cuenta este
problema
 Mont Blanc:
reparaciones
se han hecho
con
“shotcreting”
Resistencia al Fuego
T im e to failu re (m in u tes)
120
90
60
A n aly tical
30
T ran sien t
0
0
10
20
D istan ce fro m fire (m )
30
40
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
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Ejemplo de aplicación: túneles e instalaciones subterráneas