Simulación dinámica de incendios mediante FDS

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Simulación dinámica de incendios mediante "FDS"
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CYPE ha desarrollado el módulo Simulación dinámica de incendios (implementado en la solapa Incendio de su programa CYPECAD MEP) como fruto de un proyecto de investigación financiado por el Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI), y cofinanciado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).

Este módulo de CYPE realiza simulaciones dinámicas de la evolución de incendios en edificios mediante dos herramientas externas de libre uso (ya instaladas con el programa): el motor de cálculo FDS (Fire Dynamics Simulator) y el visualizador gráfico Smokeview (SMV), ambos desarrollados por el NIST (National Institute of Standards and Technology, USA). Dichas herramientas no disponen de una interfaz gráfica de introducción de datos ni de una expresión analítica de resultados útil y sencilla para el usuario, por lo que requieren de otras herramientas para su uso.

El módulo Simulación dinámica de incendios de CYPE utiliza la interfaz gráfica de su software CYPECAD MEP para proporcionar los datos correctos y necesarios al motor FDS y al visualizador Smokeview (sin que el usuario tenga que intervenir en esta comunicación) y ofrece un análisis de resultados altamente útil, fruto de una interpretación exhaustiva de los resultados que calcula el motor FDS, sin la necesidad de la intervención de un experto altamente especializado, tanto en el uso del motor FDS como en la materia de la evolución de incendios en los edificios.

Simulación dinámica de incendios mediante FDS Simulación dinámica de incendios mediante FDS. Visualizador Smokeview Simulación dinámica de incendios mediante FDS. Introducción de datos Simulación dinámica de incendios mediante FDS. Altura y temperatura de la capa de humos

Introducción

CYPE Ingenieros ha llevado a cabo un proyecto, financiado por el Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI), y cofinanciado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER), para implementar en su software CYPECAD MEP el módulo Simulación dinámica de incendios.

Simulación dinámica de incendios realiza simulaciones dinámicas de la evolución de incendios en edificios. Para ello, utiliza dos herramientas externas de libre uso (instaladas con el programa de CYPE):

  • Motor de cálculo
    Como motor de cálculo se utiliza el modelo computacional de dinámica de fluidos denominado FDS (Fire Dynamics Simulator) desarrollado por el NIST (National Institute of Standards and Technology, USA).
  • Visualizador 3D
    Como visualizador gráfico en 3D de la evolución del incendio se utiliza el programa Smokeview (SMV) desarrollado también por el NIST.

Ambas herramientas no disponen de una interfaz gráfica de introducción de datos, por lo que estos deben ser introducidos mediante ficheros de texto organizados de una forma específica. Por otro lado, el motor FDS genera en su proceso de cálculo una amplia información (en bruto) sobre la simulación del incendio realizada. El análisis de esta información es altamente complejo y laborioso, y requiere de una gran experiencia por parte del usuario para expresarla de modo útil.

El módulo de CYPE Simulación dinámica de incendios utiliza la interfaz gráfica de su software CYPECAD MEP para proporcionar al motor FDS los datos correctos y necesarios y al visualizador Smokeview los resultados necesarios para que obtenga una animación 3D de la simulación, y todo ello sin intervención del usuario. El módulo Simulación dinámica de incendios de CYPE también analiza e interpreta los resultados calculados por el motor FDS y genera puntos de control que aparecen en la vista en planta de la solapa Incendio de CYPECAD MEP donde el usuario puede obtener listados en los que se expresa mediante gráficas las evoluciones temporales en la simulación.

Simulación dinámica de incendios permite situar el foco del incendio en cualquier punto del edificio para validar el comportamiento del humo del incendio y comprobar la viabilidad de la evacuación. Es posible utilizarlo para inmuebles ya construidos, lo que posibilita verificar si el diseño del edificio se puede mejorar aunque cumpla con la normativa vigente.

Hay muchos factores que influyen en la seguridad de los edificios en caso de incendio. Entre ellos destaca la concentración y temperatura del humo, ya que unos niveles elevados pueden impedir la evacuación correcta y poner en riesgo la integridad de los ocupantes, o incluso favorecer el colapso estructural del edificio. La amplitud de los pasillos, la calidad de los materiales o la instalación de protección contra incendios son algunos de los parámetros que tiene en cuenta este software que está enlazado a todos los módulos de CYPECAD MEP desarrollados por CYPE. Este hecho permite al proyectista comprobar y visualizar su diseño junto con la normativa exigida por el Código Técnico de la Edificación.

En la actualidad, no hay ninguna tecnología similar, por lo que el módulo Simulación dinámica de incendios puede ser de gran utilidad tanto para los Cuerpos de Bomberos como para los técnicos responsables del diseño de los sistemas de extinción y de los sistemas de control de temperatura y evacuación de humos (SCTEH).

En los siguientes apartados dispone de una información más detallada sobre la introducción de datos realizada por el módulo Simulación dinámica de incendios y sobre los resultados que ofrece.

Funcionamiento del módulo Simulación dinámica de incendios

Activación del cálculo y datos necesarios para la simulación dinámica

El cálculo de la simulación se realiza en la solapa Incendio de CYPECAD MEP. En el menú FDS de dicha solapa se ubican todas las opciones para definir la simulación (salvo la opción Cargas de fuego que se encentra en el menú Instalación de la misma solapa). La práctica habitual consiste en definir estas opciones antes de iniciar el cálculo. No obstante, es posible iniciar la simulación en cualquier momento mediante la opción Calcular la simulación de incendio del menú FDS (aunque no se haya definido ningún otro parámetro) y el programa avisará de la falta de los datos necesarios: definición de hipótesis de incendio, selección de recintos del edificio a incluir en la simulación, definición de cargas de fuego y selección del elemento iniciador del incendio.

Además, para calcular la simulación dinámica del edificio es necesaria la introducción de los elementos constructivos del edificio, la definición de los recintos del mismo y, de ser necesaria, la introducción de elementos de la instalación de protección contra incendios como rociadores automáticos o detectores de humo o temperatura, que se procesan como tales en el modelo FDS. Si se definen también las vías de evacuación, el programa monitorizará la evolución de los humos a lo largo de los recorridos de evacuación, lo que proporciona una valiosa información sobre la evolución de la temperatura y los humos en los lugares atravesados por estos recorridos. En el apartado Introducción de datos de la página dedicada al programa Seguridad en caso de incendio DB SI dispone de más información sobre la definición de estos elementos.

Introducción de datos específicos para la simulación dinámica

Introducción de cargas de fuego

Simulación dinámica de incendios mediante FDS. Cargas de fuego

Para definir correctamente el escenario de la simulación, se hace necesaria la introducción en el modelo de los elementos combustibles que ocupan o amueblan los recintos donde se desarrolle o pueda extenderse el incendio, ya que supondrán las cargas de fuego principales que alimenten y determinen la evolución del incendio.

Por ello, el programa CYPECAD MEP incluye una herramienta de introducción de sólidos combustibles (menú Instalación > Cargas de fuego de la solapa Incendio), asociada a una biblioteca de materiales combustibles habituales, adecuadamente caracterizados con los datos necesarios para su definición en el modelo FDS, como entalpías de combustión y vaporización, reacciones de pirólisis, tasas de liberación de calor o de pérdida másica, y un largo etcétera.

Los elementos constructivos que forman el modelo geométrico del edificio se caracterizan automáticamente en la construcción del modelo FDS, logrando una introducción sencilla, fácil e intuitiva de los elementos combustibles y no combustibles en la simulación.

Definición de hipótesis de incendio

Simulación dinámica de incendios mediante FDS. Selección de hipótesis

Para crear los modelos de incendio que el motor FDS calculará, se presenta una herramienta para gestionar distintas hipótesis de incendio en el edificio, de forma que, en un único archivo para todo el edificio, se pueden manejar distintos escenarios de incendio y sus correspondientes resultados en la simulación dinámica. De esta manera se simplifica en gran medida la introducción de datos y se hace más ágil tanto la elaboración de nuevas hipótesis de incendio como el análisis de resultados de cada una de ellas, permitiendo al usuario comparar y analizar distintos escenarios de incendio en el edificio, para obtener una mejor comprensión de las bondades o los errores de su diseño, permitiéndole así alcanzar la configuración óptima de los sistemas de control de temperatura y evacuación de humos.

Estas hipótesis de incendio se crean mediante la opción Hipótesis de incendio del menú FDS. El programa permite crear, copiar o editar los distintos escenarios de incendio del edificio, y seleccionar cualquiera de ellos para  trabajar sobre sus datos asociados, que incluyen:

Simulación dinámica de incendios mediante FDS. Selección de elementos iniciadores Simulación dinámica de incendios mediante FDS. Apertura de los huecos
  • Selección de los recintos del edificio
    Esta selección se realiza mediante la opción Selección de recintos a incluir en la simulación del menú FDS. La inclusión de más o menos recintos en la simulación determinará el tamaño del modelo lanzado a cálculo y, por tanto, su tiempo de cálculo.

  • Selección de elementos iniciadores de incendio
    La selección de la carga o cargas de fuego que comienza a arder al inicio de la simulación se realiza mediante la opción Selección de elementos iniciadores de incendio del menú FDS.

  • Estado de apertura de los huecos
    El estado de apertura de los huecos presentes en el edificio, como puertas o ventanas, determinará los flujos de aire del incendio y, por tanto, su evolución. La apertura o cierre de estos huecos se lleva a cabo mediante la opción Comportamiento de los huecos en la simulación del menú FDS.

Además de esta información, el modelo FDS que se genera para cada hipótesis incluye lógicas de control que permiten ciertos cambios en el modelo a lo largo de la simulación. Así pues, las ventanas o lucernarios que comienzan la simulación en un estado cerrado, pueden romperse en un momento dado de la simulación si se dan las condiciones de presión y temperatura necesarias, cambiando así las condiciones de ventilación a lo largo de la simulación. Además, si existen rociadores o detectores de humo o calor, se enlazan con una lógica que simula la señal de alarma de incendio del edificio, con cierto retardo, que sirve para actuar sobre otros elementos del edificio, como el cierre de puertas cortafuego de retención magnética o la apertura de exutorios para la salida de humos en cubiertas. En el video que se muestra a modo de ejemplo sobre una simulación realizada por el programa se puede observar que en un momento determinado del incendio reproducido se abren los exutorios de la cubierta (con la consiguiente reducción de la capa de humo acumulada en el interior de la nave) y se ponen en funcionamiento los rociadores de la instalación contra incendios.

Cálculo realizado

Construcción del modelo para FDS

Simulación dinámica de incendios mediante FDS. Datos generales y selección de hipótesis

Con todos los datos necesarios correctamente introducidos y mediante la opción Calcular la simulación de incendio del menú FDS, ya se puede calcular cualquiera de las hipótesis de incendio definidas. Al ejecutar dicha opción se presenta al usuario la ventana de configuración de Datos generales, junto con la lista de hipótesis de incendio definidas en el edificio.

En esa ventana, únicamente resta elegir la hipótesis a simular y definir dos parámetros esenciales para el cálculo de la simulación dinámica: el tamaño de la celda para el mallado del modelo FDS y el tiempo de simulación.

Simulación dinámica de incendios mediante FDS. Tamaño de celda y duración de la simulación

El tamaño de la celda para la discretización define la precisión del mallado del modelo FDS del edificio y determina el número de celdas que el cálculo debe manejar, incidiendo directamente en el tiempo necesario para calcular la simulación y en la memoria necesaria para llevarla a cabo.

Valores de 15, 20 o 25 cm de tamaño de celda se consideran suficientemente precisos para analizar el comportamiento del humo del incendio en grandes volúmenes. No obstante, en las fases tempranas del estudio del comportamiento del edificio en caso de incendio se pueden realizar simulaciones más rápidas introduciendo valores mayores de malla. Los valores de tamaño inferiores a 15 cm suponen un cálculo mucho más pesado y sólo se precisan para estudios de análisis del fuego y del humo en volúmenes reducidos.

La duración de la simulación determina el tiempo real de la evolución del incendio a calcular y comienza con la ignición de las cargas de fuego dispuestas como elementos iniciadores del mismo. El motor de cálculo FDS es válido para el análisis del comportamiento del humo y el fuego del incendio, por lo que es útil para estudiar las fases tempranas del mismo, incluyendo la de evacuación de los ocupantes del edificio. Sin embargo, no es válido para simular un posible colapso estructural del edificio, por lo que tiempos de simulación superiores a 30 minutos no suelen ser recomendables ni necesarios.

Simulación dinámica de incendios mediante FDS. Visor del modelo

Un hecho destacable del programa, por diferenciador respecto a otras herramientas de modelado para FDS, es la independencia total del modelo del edificio respecto del tamaño de celda y el mallado del modelo FDS. Es decir, el modelo 3D del edificio que se maneja y edita en el programa (compartido con el resto de módulos de cálculo de CYPECAD MEP) corresponde al modelo con las dimensiones reales de cada elemento presente en el mismo; y el modelo que se exporta al motor FDS (que se construye automáticamente cuando se inicia la simulación dinámica del incendio) es específico para la hipótesis seleccionada por el usuario (con el subconjunto de recintos que contenga y el discretizado elegido), y está optimizado para el número de procesadores que se utilicen en el cálculo y para la disposición de elementos constructivos y elementos combustibles presentes en la simulación.

Esta forma de trabajo permite olvidarse de muchas de las limitaciones del modelado FDS, como la alineación de los mallados o la definición de obstáculos (entidades OBST del modelo), pues el programa construye el modelo adecuándose a cada tamaño de celda elegido, modificando propiedades térmicas de materiales u objetos, de forma que el modelo resultante sea perfectamente calculable sin problemas por el motor FDS, en un tiempo mínimo, y respetando el comportamiento térmico del modelo real. Este hecho presenta una ventaja obvia para el estudio del comportamiento dinámico del incendio en el edificio: permite lanzar a simulación distintas versiones del modelo, más o menos detalladas (es decir, más o menos complejas de calcular) variando tan sólo el tamaño de celda.

Gestión del cálculo FDS

Simulación dinámica de incendios mediante FDS. Progreso del cálculo de la simulación

Una vez construido el modelo para FDS, se abre automáticamente una ventana que gestiona el cálculo dinámico. El programa utiliza el motor FDS óptimo en la máquina donde se ejecuta (de 32 o 64 bits y con proceso en una o varias CPU). La última versión del programa Simulación dinámica de incendios siempre incluye la última versión validada del FDS publicada por el NIST.

Esta ventana de gestión del cálculo FDS se abre como un proceso independiente, lo que permite al usuario seguir trabajando en el modelo, en la definición de otras hipótesis de incendio, o incluso en otro edificio, mientras se lleva a cabo el cálculo de la simulación.

Simulación dinámica de incendios mediante FDS. Visualizador Smokeview

Desde esta ventana se presenta el tiempo de cálculo de simulación, junto al tiempo restante estimado; el tiempo real de simulación alcanzado; y botones para visualizar el archivo *.fds generado y lanzado a simulación, el archivo de salida *.out que genera el motor FDS, y el botón para activar el visor SmokeView con los datos de la simulación en curso.

Mediante este visualizador, desarrollado por el NIST y compañero del motor de cálculo FDS, es posible acceder a los resultados de la simulación hasta el tiempo calculado mientras ésta se lleva a cabo. Esto permite explorar la evolución temporal del humo y la temperatura del incendio de forma totalmente visual en 3D, así como estudiar la respuesta de los sistemas de detección y alarma de incendio del edificio o, incluso, la activación y funcionamiento de los rociadores automáticos.

Desde la ventana de gestión del cálculo de la simulación dinámica también es posible detener el cálculo en curso, en cuyo caso se pueden obtener resultados desde el primer instante de simulación hasta el tiempo alcanzado en el cálculo. También es posible reanudar el cálculo a partir del momento de su detención, lo que permite abordarlo en distintas etapas.

Simulación dinámica de incendios mediante FDS. Mostrar los resultados de la simulación Simulación dinámica de incendios mediante FDS. Columna de medición de la capa de humos

Resultados obtenidos

Resultados en el programa de CYPE

El motor FDS genera tras su proceso de cálculo una amplia información (en bruto) sobre la simulación del incendio realizada. El análisis de esta información es altamente complejo y laborioso, y requiere de una gran experiencia por parte del usuario para expresarla de modo útil. El módulo Simulación dinámica de incendios dispone de una herramienta que permite post-procesar y generar los resultados de la simulación realizada por el motor FDS para analizarla dentro del programa de CYPE.

Esta herramienta puede activarse mediante la opción Mostrar resultados de la simulación del menú FDS. Tras su activación (en obras con hipótesis de incendio totalmente calculadas o pausadas en un tiempo determinado), aparecen puntos de control en la vista en planta del edificio. Dependiendo del punto de control donde el usuario posicione el cursor, aparece en pantalla la siguiente información:

  • Activación de detectores de humo o calor

  • Activación de rociadores

  • A lo largo de los recorridos de evacuación se muestra:

    • Los momentos de superación de temperaturas peligrosas en la capa de humos
    • La disminución de la altura libre de humos por debajo de los 2 m

Simulación dinámica de incendios mediante FDS. Altura y temperatura de la capa de humos Simulación dinámica de incendios mediante FDS. Temperatura en rociador automático

Pulsando con el botón izquierdo del ratón sobre cualquiera de estos puntos de control, se generan listados donde se expresan mediante graficas las evoluciones temporales en la simulación de:

  • La temperatura en rociadores o detectores de calor
  • El grado de oscurecimiento en detectores de humo
  • Las temperaturas de la capa fría y la capa de humos, y la altura libre de humos (parámetros necesarios en el diseño de SCTEH según UNE‑23585:2004) a lo largo de los recorridos de evacuación dispuestos en el edificio.

Resultados en Smokeview

Simulación dinámica de incendios mediante FDS. Visualizador Smokeview

Además de los puntos y columnas de control que se generan en el modelo FDS y que se post-procesan para obtener gráficas de resultados en el programa, al generar el modelo FDS se añaden ciertos planos de control para su inspección en el visor de resultados Smokeview.

En cada planta del edificio analizado en la simulación, se añaden planos de distribución de temperaturas, planos de control de la velocidad del aire y planos de grado de visibilidad en metros. De esta forma, en el visor Smokeview puede representarse, además del humo y el fuego generados, la evolución de estas magnitudes en planos horizontales por cada planta. Así, con esta herramienta permite al usuario juzgar rápidamente las bondades del comportamiento del edificio o sus sistemas de evacuación de humo y control de temperatura.

Hardware y software recomendados

La complejidad que supone una simulación dinámica de incendios en un edificio y los múltiples factores que intervienen requieren unas exigencias de hardware y software de la máquina donde se va a calcular esta simulación mayores que las que harían falta para trabajar de modo normal con otros programas. Especialmente hacemos hincapié en la posibilidad de utilizar procesadores de varios núcleos y en el sistema operativo de la máquina donde se calcula la simulación.

Multiprocesadores

El programa Simulación dinámica de incendios puede funcionar junto con otro módulo de CYPE, Cálculo en paralelo hasta ocho procesadores. De este modo, se aprovecha la capacidad de división del trabajo de cálculo de la simulación en distintos mallados del modelo FDS para su proceso en paralelo y la de las CPU modernas de varios núcleos, y se reduce el elevado tiempo de cálculo en las simulaciones dinámicas de incendio. Para abordar simulaciones complejas es imprescindible incluir en la licencia de uso de los programas de CYPE el módulo Cálculo en paralelo hasta ocho procesadores.

Sistemas operativos de 64 bits

En máquinas con sistema operativo de 64 bits, tanto el motor de cálculo FDS como el visor de resultados Smokeview funcionan en procesos de 64 bits, de manera que es posible realizar simulaciones complejas con un elevado número de celdas que se generan, bien por el tamaño de la zona del edificio a simular, bien por la reducción del tamaño de la celda unitaria. Gracias a esto se eliminan las restricciones de memoria RAM impuestas a los procesos de 32 bits (de 2 GB por proceso).

En máquinas de 32 bits, donde los modelos de simulación superiores a los 2 millones de celdas dan problemas de memoria, el programa avisa de este hecho al generar el modelo, lo que permite al usuario corregir el tamaño de la zona a simular, o bien elevar el tamaño de la celda unitaria, con el fin de generar un mallado con un número menor de celdas.

En todo caso, para abordar simulaciones complejas, por tamaño o nivel de detalle, o bien con sistemas de extinción automática que entren en juego en la simulación (extinción del incendio mediante rociadores automáticos), se recomienda siempre la utilización de sistemas de 64 bits, a ser posible asociados a CPU multinúcleo y cantidades de memoria RAM superiores a los 4 GB.

Permisos necesarios en la licencia de usuario

Para realizar el cálculo de la simulación dinámica de un incendio en un edificio, sólo es necesario que la licencia de usuario de los programas de CYPE incluya el módulo Simulación dinámica de incendios. Incluso con este sólo módulo es posible disponer los rociadores de la instalación contra incendios que exista en el edificio, para que se tenga en cuenta su efecto en la simulación (no diseñará la instalación contra incendios a no ser que la licencia de uso incluya también el módulo Contra incendios (BIES y rociadores), pero tendrá en cuenta los rociadores introducidos por el usuario).

Aunque no es necesario, tal y como se ha comentado en el apartado Multiprocesadores es altamente recomendable que la licencia de usuario disponga también del módulo Cálculo en paralelo hasta ocho procesadores, sobre todo para poder abordar simulaciones complejas.

 

Versiones y módulos de CYPECAD MEP

CYPECAD MEP se compone de varios módulos que permiten unificar en un solo programa las instalaciones de un edificio. Los módulos componentes son:

Todos los módulos de CYPECAD MEP se pueden adquirir por separado, conjuntamente o combinados de diversas maneras. (Puede consultar con los departamentos Comercial, Posventa o Soporte Técnico por la combinación de módulos que mejor responda a sus necesidades).

Algunos módulos de CYPECAD MEP disponen de versión limitada (LT). Las versiones limitadas tienen las mismas herramientas y el mismo funcionamiento que la versión completa, pero condicionan el número máximo de plantas o superficie ocupada por la instalación.

Limitaciones de las versiones LT de los módulos Fontanería (DB HS 4), Gas, Contra incendios (BIEs y rociadores), Saneamiento, Telecomunicaciones y Electricidad:

  • Puede calcular hasta 5 plantas y 4 grupos.
  • El área de la zona que contenga la instalación en planta no puede superar 600 m2 por grupo de plantas.

Limitaciones de las versiones LT de los módulos Cálculo de Cargas Térmicas de Calefacción (Invierno) y Cálculo de Cargas Térmicas de Verano (y las instalaciones que necesitan del cálculo de cargas para su dimensionamiento):

  • Puede calcular hasta 2 plantas.
  • La superficie de recintos definidos no puede superar 300 m2 por planta.

Existe una versión limitada de CYPECAD MEP de libre copia y distribución. Se trata de CYPECAD MEP Versión estudiantes. Dispone de las mismas herramientas que la versión completa (incluyendo todos sus módulos), pero con una serie de limitaciones relacionadas con la superficie ocupada por la instalación y con la distribución de plantas del edificio donde se encuentra.

  • Limitación de superficie:
    El rectángulo envolvente de la proyección en un plano horizontal de la instalación (incluido cualquier elemento que la componga) no puede superar 70 m2.
  • Limitaciones de plantas:
    El edificio donde se encuentra la instalación puede tener como máximo un sótano, dos plantas sobre rasante y cubierta.

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