José L. Torero

1. 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.

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

3. 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

4. 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 $

5. 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

6. 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.

7. 4 km 7.64 km 1,554 m 1,381 m 1,274 m Frontera 7% 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)

8. 0.8 m 7 m 0.8 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:

9. Tunel Pais Longitud (m) En Servicio Trafico Promedio 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 Otros Túneles Comparables • Actualmente el Túnel mas largo se encuentra entre Aurdal-Laerdal (Noruega) – 24,500 m

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

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

12. ~1400-1600oC T ~1600-1800oC t El Incendio • Intercambio de calor casi adiabático • Temperaturas muy elevadas • Lleva al encendido del asfalto • Genera encendido a largas distancias

13. 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

14. 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

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

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

17. 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)

18. 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

19. 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

20. 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

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

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

23. 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

24. 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

25. 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

26. Smoke Backlayering Thermal Backlayering Contraflujo Ventilation flow Fire object

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

28. 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)

29. 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

30. 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

31. 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

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

33. Detailed CFD model 1500 1000 Temperature (°C) Simple analytical model 500 0 200 400 600 800 1000 Distance from fire (m) Herramientas de Diseño Diferencias entre ambos modelos son de 20-50°C

34. 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

35. 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”

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

37. Resistencia al Fuego

38. 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

39. 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