Prevención y Extracción de Humos en Edificios

Numerosos incendios en edificios han demostrado que el humo tóxico de alta temperatura generado en un incendio se propaga rápidamente a través de diversos canales, por lo que el humo en el interior de los edificios es una de las principales causas que obstaculizan la evacuación de las personas y las operaciones de extinción de incendios, además de provocar muertes. El diseño de prevención de humo de los edificios es muy importante para garantizar la seguridad de las personas en su interior y evitar la propagación del humo. La prevención y extracción de humo del edificio debe considerarse de forma prioritaria en el diseño de seguridad contra incendios de los departamentos quirúrgicos limpios de los hospitales.

(1) El principio básico del diseño de prevención y extracción de humo es evitar que el humo entre en las rutas de evacuación y garantizar la seguridad de la evacuación. Sin embargo, en edificios de gran altura, edificios sin ventanas y lugares similares como los departamentos quirúrgicos limpios de hospitales, donde la evacuación y la extinción de incendios son difíciles, es necesario realizar el diseño de prevención y extracción de humo en sus zonas importantes, adoptando instalaciones centradas principalmente en el control de humo.

El diseño de prevención y extracción de humo debe, de acuerdo con las características del humo y sus leyes de movimiento, estudiar en la distribución en planta la dirección del flujo de humo de las habitaciones que puedan incendiarse; mediante diferentes supuestos, encontrar el esquema de diseño de prevención de humo más económico y eficaz y las rutas para controlar el flujo de humo, seleccionar el equipo de prevención y extracción de humo adecuado, y disponer de forma razonable las zonas y posiciones de las entradas de aire, salidas de extracción y conductos.

(2) La prevención o extracción de humo de un edificio se puede lograr mediante la extracción natural de humo, el suministro mecánico de aire presurizado o la extracción mecánica de humo. El método a adoptar debe determinarse considerando de forma integral la distribución en planta del edificio, las condiciones de ventilación, la altura del espacio, la densidad de carga de incendio en el interior del edificio, así como su tipo, forma y distribución.

Para cumplir con los requisitos de cirugía y limpieza, un departamento quirúrgico limpio suele ser relativamente hermético, y las zonas limpias mantienen una presión de aire superior a la del entorno. Las zonas limpias generalmente no tienen ventanas o solo cuentan con ventanas fijas selladas. En el diseño de su sistema de prevención y extracción de humo, cuando se construye como un edificio independiente, debe tratarse como un edificio sin ventanas; cuando se construye conjuntamente con otros edificios, debe tratarse como una habitación sin ventanas dentro del edificio.

Figura 10.4　Diagrama esquemático de los detectores de alarma contra incendios y los dispositivos de control de alarma

Dado que el actual Código de Diseño de Protección contra Incendios en Edificios aún no contiene disposiciones para el diseño de sistemas de control y extracción de humo en edificios, el diseño correspondiente puede realizarse tomando como referencia las disposiciones pertinentes del Código de Diseño de Protección contra Incendios en Edificios Civiles de Gran Altura y del Código de Diseño de Protección contra Incendios en Obras de Defensa Aérea Civil. Sin embargo, el diseño de sistemas de control y extracción de humo para edificios ha sido durante mucho tiempo un foco de investigación sobre protección contra incendios y control de humo en edificios en el extranjero, y se han propuesto numerosas teorías; no obstante, en la actualidad no existe un método de diseño maduro que sea ampliamente aceptado. Se está intentando resolver este problema mediante métodos de diseño basados en el rendimiento, y ya se han desarrollado diversos modelos informáticos de predicción y cálculo del flujo de humo en edificios.

[Referencia]

① El humo es una mezcla de aire con sustancias gaseosas, líquidas y sólidas, que contiene una gran cantidad de calor, generadas por la descomposición térmica de una sustancia durante el proceso de reacción de combustión.

Cuando una sustancia sufre descomposición térmica y combustión, desprende calor, luz y humo. La composición y cantidad del humo dependen de la composición química del material combustible y de condiciones de combustión como la temperatura y el suministro de oxígeno durante la misma. Los materiales de construcción combustibles, materiales de decoración, muebles combustibles y otros artículos combustibles almacenados en edificios ordinarios son principalmente compuestos orgánicos formados por elementos como carbono, hidrógeno, oxígeno, azufre, fósforo y nitrógeno. En condiciones de combustión completa, los productos de combustión de una sustancia son principalmente dióxido de carbono, monóxido de carbono, vapor de agua, dióxido de azufre y nitrógeno; véase el Cuadro 10.7. En condiciones de combustión incompleta, además de los productos de combustión anteriores, también se generan compuestos orgánicos como alcoholes, cetonas, éteres y aldehídos. Cuando sustancias con un alto contenido de carbono se queman en condiciones de falta de oxígeno, se produce una gran cantidad de partículas de carbono. El daño del humo al cuerpo humano consiste principalmente en la asfixia causada por los gases tóxicos producidos por la combustión, la irritación de los órganos humanos y el efecto de la alta temperatura; véase el Cuadro 10.8.

Cuadro 10.7　Gases tóxicos producidos durante la combustión de algunos combustibles

Cuadro 10.8　Daño al cuerpo humano causado por los productos de descomposición térmica de combustibles comunes

(i) Efecto asfixiante. La concentración de monóxido de carbono producida en una habitación incendiada varía significativamente según la naturaleza, cantidad y disposición de apilamiento de los combustibles y las condiciones de abertura de la habitación. Depende principalmente de la relación entre las velocidades de la reacción de descomposición térmica y la reacción de oxidación de los combustibles. Cuando la temperatura interior sigue aumentando, la descomposición térmica de los combustibles se acelera y se produce más carbono libre; un suministro insuficiente de oxígeno hará que la concentración de monóxido de carbono aumente. La concentración de monóxido de carbono en la habitación incendiada generalmente puede alcanzar el 4%～5%, y como máximo aproximadamente el 10%. La concentración segura de monóxido de carbono para una exposición humana de 1 h es del 0,04%～0,05%; para la evacuación del personal, esta concentración no debe superar el 0,2%.

Cuando un incendio arde con fuerza en el interior de un edificio, la concentración de dióxido de carbono puede alcanzar el 15%～23%. Generalmente, la exposición a una concentración de dióxido de carbono de aproximadamente el 10% provoca mareos; en casos graves, pueden aparecer coma, dificultad respiratoria e incluso parada respiratoria y pérdida de conciencia. La exposición a una concentración de dióxido de carbono de aproximadamente el 20% provoca la parálisis del sistema nervioso central humano, conduciendo a la muerte.

Durante un incendio, la combustión consume una gran cantidad de oxígeno y la concentración de oxígeno en el aire desciende significativamente, llegando a ser tan baja como del 3%～4% cuando el incendio arde con fuerza. Generalmente, cuando la concentración de oxígeno en el aire desciende por debajo del 11%, una persona pierde la capacidad de razonar, sufre convulsiones y se le pone la cara azulada. Cuando la concentración de oxígeno es inferior al 6%, una persona muere tras una exposición corta.

(ii) Efecto irritante. Entre los productos de descomposición térmica de los combustibles durante un incendio, existen algunos gases, como el cloruro de hidrógeno, el amoníaco, el fluoruro de hidrógeno, el dióxido de azufre, el fosgeno y el dióxido de nitrógeno, que tienen un fuerte efecto irritante en el cuerpo humano.

(iii) Efecto de la alta temperatura. Cuando se produce un incendio en un edificio y la temperatura alcanza el punto de ignición súbita, la temperatura interior puede superar los 500 ℃ e incluso alcanzar hasta los 800 ℃. La alta temperatura no solo aumenta la frecuencia cardíaca y provoca sudoración profusa, con aparición rápida de fatiga y deshidratación, sino que también puede quemar a las personas, causando lesiones o la muerte. Además, el humo de alta temperatura es también una de las principales causas de la rápida propagación y expansión del incendio y del aumento de las pérdidas por incendio. El humo también reduce el campo visual de las personas, genera sensación de terror y afecta a la evacuación y a las operaciones de extinción de incendios.

② Patrones de movimiento del humo en el interior de un edificio. El humo de alta temperatura producido por un incendio tiene una densidad menor que el aire frío; impulsado por la flotabilidad asciende y, cuando se encuentra con el forjado del suelo o el techo, cambia de dirección, formando una difusión horizontal del humo. Si la temperatura del humo no desciende en este momento, el humo de alta temperatura y el aire circundante formarán un flujo laminar claramente separado. Sin embargo, en la realidad, a medida que el humo fluye y se difunde, por un lado se mezcla constantemente con aire frío y, por otro lado, se enfría y es obstaculizado por componentes del edificio como forjados y techos, por lo que su temperatura desciende gradualmente; cuando el humo que fluye y se difunde horizontalmente se encuentra con objetos circundantes, se enfría aún más y fluye hacia abajo. De esta forma, el humo que se enfría gradualmente y el aire enfriado fluyen hacia la zona de incendio, formando una convección natural en la habitación, lo que hace que el incendio arda cada vez con más fuerza.

La velocidad de flujo y difusión del humo está relacionada con la temperatura del humo y la dirección del flujo. La velocidad de flujo de difusión horizontal del humo es relativamente baja: generalmente de 0,1～0,3 m/s en la fase inicial del incendio y de 0,5～0,8 m/s en la fase intermedia. La velocidad de flujo de difusión vertical del humo es relativamente alta, normalmente de 1～5 m/s. En las escaleras o pozos de tuberías, la fuerza de tiro generada por el efecto chimenea puede elevar la velocidad del flujo de humo hasta los 6～8 m/s.

③ Flujo de humo en la habitación incendiada. A medida que el humo asciende en la habitación incendiada, se propaga horizontalmente en todas las direcciones tras alcanzar el techo, y es obstaculizado y enfriado por la envolvente del edificio circundante, tendiendo a fluir hacia abajo por las paredes. El humo se genera continuamente y la capa de humo superior se espesa gradualmente; cuando desciende por debajo de los huecos de puertas y ventanas, se difunde al exterior y al pasillo a través de los huecos abiertos de puertas y ventanas. Si las puertas y ventanas están cerradas, la capa de humo seguirá espesándose; cuando la temperatura interior asciende a un nivel determinado (generalmente 200～300 ℃), el cristal de las puertas y ventanas se rompe y el humo se difunde al exterior y al pasillo a través de las rendijas de las puertas y ventanas.

Cuando el humo se expulsa por una ventana vertical, el aire que se desplaza cerca puede reponerse desde ambos lados de la ventana, y su trayectoria se curva hacia arriba, por lo que el peligro de que el incendio se propague hacia arriba a través de la ventana no es elevado; cuando el humo se expulsa por una ventana horizontal, el aire desplazado cerca no puede reponerse a tiempo desde ambos lados de la ventana, lo que hace que la llama se adhiera a la superficie de la pared y se extienda una distancia relativamente larga; esta situación supone una gran amenaza para la planta superior.

Cuando la puerta de la habitación está cerrada, no existen otros huecos que conecten con el pasillo y las ventanas de la pared exterior están abiertas: cuando hay viento en el exterior y la ventana está en el lado de barlovento, el plano neutro asciende; cuando la ventana está en el lado de sotavento, el plano neutro desciende.

Cuando la puerta de la habitación se abre hacia el pasillo, el flujo de humo se vuelve más complejo; estará relacionado con factores como el efecto chimenea del edificio, el método de control y extracción de humo, la velocidad del viento exterior y la temperatura del incendio.

④ Flujo de humo en el pasillo. El humo que fluye desde la habitación hacia el pasillo al principio se desplaza pegado a la cara inferior del techo; debido al enfriamiento y a la mezcla con aire, la capa de humo se espesa gradualmente. El humo cerca del techo y las superficies de las paredes se enfría fácilmente y fluye primero hacia abajo por las superficies de las paredes; a medida que la ruta de recorrido se alarga y la mezcla con el aire circundante se intensifica, la temperatura del humo desciende gradualmente y pierde flotabilidad, dejando finalmente un espacio circular en el centro del pasillo.

Las pruebas de incendio han demostrado que, durante la fase de combustión vigorosa de un incendio, el humo que sale de una habitación se desplaza por el techo del pasillo en estado laminar, y el espesor de la capa de humo se mantiene invariable en una distancia de 20～30 m. Sin embargo, durante el flujo, si la capa de humo es obstaculizada por vigas y otros salientes, o perturbada por la entrada de aire exterior o por corrientes de aire de los sistemas de ventilación y aire acondicionado, su distancia de flujo laminar se acortará y pasará a un estado turbulento.

⑤ Flujo de humo a través de pozos verticales como escaleras, pozos de ascensores y pozos de tuberías. Cuando la temperatura del aire interior es superior a la temperatura exterior, la corriente de aire, tras entrar por los huecos de las paredes exteriores de las plantas situadas por debajo del plano neutro de presión del edificio, asciende a través de pozos verticales como escaleras, pozos de ascensores y pozos de tuberías, entra en las habitaciones por los huecos de los pozos situados por encima del plano neutro de presión del edificio y después sale por los huecos de las paredes exteriores de cada planta. Generalmente, la distribución de presión en el interior de un edificio sigue la siguiente relación: cuando, en la parte inferior del edificio, la presión del aire exterior ＞ la presión de cada planta ＞ la presión en el interior de los pozos, el aire exterior entra en el edificio; cuando, en la parte superior del edificio, la presión en el interior de los pozos ＞ la presión de cada planta ＞ la presión exterior del edificio, el aire interior sale del edificio. Además, debido a las diferencias de presión entre los forjados de plantas sucesivas, el aire fluye desde la planta inferior hacia la planta superior; en estas condiciones, una vez que se produce un incendio en una planta inferior, el humo fluye hacia arriba, y la planta superior es incluso más peligrosa que la planta inmediatamente superior a la planta incendiada.

Cuando la temperatura del aire interior es superior a la temperatura exterior, se genera flotabilidad debido a la diferencia de peso específico entre el aire interior y exterior. La presión en la parte superior del edificio es mayor que la presión exterior, mientras que la presión en la parte inferior es menor que la presión exterior. Cuando existen huecos en las paredes exteriores, el aire interior sale por los huecos de la parte superior del edificio y el aire exterior entra por los huecos de la parte inferior. Este fenómeno es el efecto chimenea del edificio. En condiciones normales, este fenómeno desempeña un papel importante en el movimiento del aire en el interior de los edificios. Durante un incendio, la gran cantidad de calor liberada por la combustión hace que la temperatura interior ascienda rápidamente, el efecto chimenea del edificio se acentúa y el incendio se propaga con mayor rapidez.

⑥ En general, el diseño de control y extracción de humo incluye uno o varios de los siguientes métodos de diseño: el método de presurización; el método de extracción; el método de flujo de aire.

(i) Método de presurización. El método de presurización es el método de control de humo más común; el ejemplo más conocido es la presurización de la escalera en relación con las habitaciones y el vestíbulo cortahumo. Este método tiene como objetivo crear una diferencia de presión entre los dos lados de una barrera de humo; en la mayoría de los casos, se crea una diferencia de presión de 25 Pa entre los dos lados del deflector de humo. Habitualmente, el sistema de control y extracción de humo crea una diferencia de presión de 25 Pa entre la zona de incendio y la zona adyacente, o entre el vestíbulo cortahumo y la escalera. Por ejemplo, en un edificio de oficinas de gran altura típico, se extrae aire del pasillo de la zona de incendio para crear una presión negativa de 25 Pa, mientras que las habitaciones y el vestíbulo cortahumo se mantienen a presión positiva, y la escalera se mantiene a presión positiva.

En la práctica ingenieril, el método de presurización requiere calcular las áreas de fuga de las paredes, techos, suelos y puertas de cada planta. Por ejemplo, en una escalera, la zona de extracción de humo suele crear una presión negativa de 25 Pa en relación con la zona de humo adyacente o la escalera. Primero deben calcularse las áreas de las paredes, el techo y el suelo de la escalera; al multiplicarlas por un coeficiente de fuga de aire se obtiene el área de fuga de la envolvente del edificio, y al sumar el área de fuga de las puertas de la escalera se obtiene el área de fuga total de la escalera. Utilizando el área de fuga total y la diferencia de presión requerida de 25 Pa, se puede calcular el volumen de aire de suministro y, por tanto, determinar la tasa de presurización.

(ii) Método de extracción. El objetivo del método de extracción es mantener un entorno habitable en el espacio, conservando la altura mínima de la capa de humo por encima de la altura límite de tolerancia requerida para la evacuación segura de los ocupantes —generalmente 2,1 m sobre el nivel del suelo, o, según la recomendación japonesa, $H_s \geqslant 1{,}6+0{,}1H_f$ (donde $H_f$ es la altura libre de la habitación)—. El método de extracción se aplica ampliamente en atrios y sistemas de grandes centros comerciales. Existen varios modelos de cálculo para el método de extracción, que no se describirán detalladamente aquí.

(iii) Método de flujo de aire. El principio del método de flujo de aire es evitar que el humo se desplace a través de los huecos entre las zonas de control de humo mediante el suministro de una cantidad suficiente de aire. Los factores que afectan al cálculo del método de flujo de aire incluyen la altura del hueco, la temperatura del humo, la temperatura del aire circundante y la velocidad del flujo de aire. Un aspecto a tener en cuenta al aplicar el método de flujo de aire es que la velocidad del flujo de aire no debe superar 1 m/s. Si el flujo de aire requerido supera este límite, debe realizarse una evaluación técnica de su eficacia para determinar si debe adoptarse este método.

⑦ Las salidas de extracción de humo en las zonas limpias deben contar con medidas para evitar el reflujo. Las salidas de extracción de humo deben ser salidas de extracción de humo de tipo placa. ⑧ Las válvulas de extracción de humo en la zona limpia deben instalarse de forma empotrada (a ras de superficie), y la superficie de las válvulas de extracción de humo debe ser fácil de limpiar y desinfectar.

【Referencia】 Válvula cortafuegos de extracción de humo. La válvula cortafuegos de extracción de humo se instala en la red de conductos del sistema de extracción de humo y permanece abierta en condiciones normales; durante un incendio, se cierra automáticamente cuando la temperatura del gas en el conducto alcanza los 280 ℃. Es una válvula que, durante un período determinado, cumple con los requisitos de estabilidad frente al fuego e integridad frente al fuego y sirve para bloquear el humo y detener el fuego. Su composición y forma son similares a las de una válvula cortafuegos. Generalmente se instala en los conductos de aire del sistema de extracción de humo y está normalmente cerrada, con funciones manuales y automáticas. Cuando se produce un incendio, el detector de incendios envía una señal de alarma contra incendios y el controlador activa el electroimán de la válvula, haciendo que esta se abra rápidamente, o la válvula se puede abrir manualmente para la extracción de humo. Cuando la temperatura alcanza los 280 ℃, la válvula se cierra automáticamente y se restablece manualmente. La válvula puede interconectarse con otros equipos y puede emitir una señal eléctrica tras su activación.

Tras producirse un incendio en una habitación, se abren las salidas de extracción de humo de la habitación, se pone en marcha al mismo tiempo el ventilador de extracción de humo para extraer el humo y los ocupantes se evacuan. Cuando la temperatura del humo en el conducto de extracción alcanza o supera los 280 ℃, el humo ya transporta fuego, pero en circunstancias normales los ocupantes de la habitación ya han finalizado la evacuación. Si no se detiene la extracción de humo en este punto, existe el peligro de que el fuego y el humo se propaguen a otras zonas y puedan causar nuevos riesgos. Por tanto, es muy importante instalar en los conductos de extracción de humo válvulas cortafuegos de extracción que puedan cerrarse automáticamente cuando la temperatura del humo supere los 280 ℃.

La instalación de las válvulas cortafuegos de extracción de humo debe cumplir con las siguientes disposiciones:

① Se debe instalar una válvula cortafuegos de extracción de humo en los conductos ramales de extracción de humo del sistema de extracción de humo. ② Se debe instalar una válvula cortafuegos de extracción de humo en el punto donde el conducto de extracción de humo entra en la sala del ventilador de extracción, y debe estar interconectada con el ventilador de extracción de humo. ③ Se debe instalar una válvula cortafuegos de extracción de humo en los conductos de extracción de humo que deban atravesar muros cortafuegos, y debe estar interconectada con el ventilador de extracción de humo.