Protección estructural ante incendios en túneles carreteros – Un diseño integral para la protección de activos

Felipe Herrera – Arup Fire España

Chris Gildersleeve – Arup Fire Australia

En los últimos años la seguridad ante incendios en túneles carreteros ha sido un importante tema de investigación debido a algunas catástrofes ocurridas en diferentes partes del mundo. La construcción tradicional en hormigón ha demostrado ser vulnerable a daños graves cuando se expone a un incendio de grandes dimensiones.

Este artículo analiza procesos integrados de diseño para la protección estructural ante incendios paratúneles carreteros, comenzando conuna introduccióna los escenarios de incendioy a la ingeniería de protección ante incendios entúneles.

El estado del arte sobre la protección estructural ante incendios en túneles comprende las disciplinas de ingeniería de incendios, análisis de riesgos y análisis estructural integradas para establecer objetivos de diseño y requisitos de funcionamiento capaces de ofrecer una solución integral para cada proyecto.

Aunque el diseño basado en prestaciones ha sido muy utilizado en el diseño de edificios, en el caso de la protección de las estructuras en túneles han prevalecido, hasta hace poco, los sencillos métodos prescriptivos. En la actualidad, investigaciones y la experiencia obtenida del estudio de los incendios en túneles permiten a los ingenieros de seguridad ante incendios utilizar una combinación de análisis de riesgos y metodologías de diseño basado en prestaciones, para proteger los túneles de una manera más efectiva, racional, segura y económica.

Este documento se centra en el diseño de túneles de carretera para satisfacer objetivos más allá de la seguridad de las personas, con el fin de garantizar la protección de la propiedad y la continuidad de las operaciones. Sin embargo, el enfoque analizado puede ser válido para otros tipos de túneles de transporte.

Introducción

Los métodos de diseño de la ingeniería estructural ante incendios tienen un enfoque holístico según el cual diferentes campos de la ingeniería en túneles se integran durante el proceso de diseño con el fin de optimizar las medidas de protección contra incendios. Los ingenieros estructurales, ingenieros de seguridad ante incendio y los ingenieros de riesgo son los principales actores.

Si bien este documento está dirigido principalmente a ingenieros estructuralistas, todos los ingenieros, diseñadores y actores involucrados en el diseño y construcción de túneles de carretera también pueden tener interés. La protección estructural en túneles es un amplio tema que necesita ser entendido por todas las partes interesadas a fin de maximizar los beneficios de un proyecto.

Implicaciones y relevancia

La ingeniería estructural integrada con una metodología de seguridad ante incendios puede resultar en soluciones prácticas y optimizadas de diseño estructural a altas temperaturas para los diferentes tipos de túneles de carretera. Además de los objetivos básicos de protección humana, los siguientes requisitos deben cumplirse a la hora de proteger ante un incendio a un túnel de carretera de hormigón:

Intervención de los bomberos – En caso de un incidente de fuego, los bomberos tienen un importante papel en la búsqueda, salvataje y la extinción del incendio, ya que de ellos depende el rendimiento de la estructura del túnel.
Integridad estructural – La integridad de la estructura de un túnel de hormigón es relevante ya que el daño estructural o colapso de una parte de la estructura podría causar daños significativos y requiere de un costoso trabajo de rectificación.
Continuidad operacional o de servicios – Para todas las partes interesadas, incluidos los usuarios y los propietarios de los túneles, las interrupciones del servicio se deben evitar después de un incidente de fuego. Los daños a la estructura del túnel podrían causar importantes pérdidas económicas y sociales.

Escenarios de incendio en túneles carreteros

A efectos de diseño y utilizando los principios de dinámica de incendios, se deben determinar una serie de escenarios de incendio realistas a fin de evaluar el desarrollo, la resistencia y el nivel de las altas temperaturas en diferentes secciones a lo largo de un túnel. Los efectos y la dinámica de incendios implica el modelado matemático del comportamiento del fuego con el fin de predecir la distribución de temperaturas y su comportamiento y variación con el tiempo.

El comportamientodel fuego en túneles carreteroses diferenteen comparación conla dinámica del fuego en recintos y edificios. Lastres diferenciasprincipales de la dinámica del fuego entre los edificios ytúneles, son: el tipo de combustible, las condiciones de ventilacióny las condicionesdel recinto. Los túneles de carretera pueden soportaruna gran variedad detráfico, desde vehículos pesadoscongrandes volúmenes decombustiblesa buques cisternaque contienen gases inflamables y líquidos.En general, los incendios en túneles están bien ventilados. Esto significaque la tasa decrecimiento del fuegopuede expandirse rápida y librementey potencialmentepropagarseentre los vehículos. Los incendios en túneles están confinadospor paredes cerca del origendel fuegoque producenun efecto de retroalimentaciónde calorque acelerael proceso de incendioy generatemperaturas más altasen comparación con el incendio en edificios.

A. Características de los túneles y dinámica de incendios

Las condiciones descritas anteriormente crean incendios de rápido crecimiento y altas temperaturas que influyen directamente en el comportamiento de los materiales de construcción. Como el confinamiento y la ventilación en un túnel son importantes variables de afectación de un incendio existente, el crecimiento de un incendio en un túnel es rápido y relativamente continuo. Estas condiciones son ideales para un crecimiento rápido del fuego; en donde combustibles, plásticos y otros materiales de hidrocarburos están involucrados. Cuando un vehículo se está quemando con una tasa de liberación de calor intensa, puede generarse una propagación del fuego a los vehículos más próximos debido a una mayor radiación y calor por convección.

Los túneles al funcionar como un recinto confinado, pueden generar que un incendio forme una capa de humo caliente estratificado a lo largo del túnel con diferentes características según el tipo de ventilación del túnel. Si no existen condiciones de ventilación adecuadas, una capa de humo puede propagarse a ambos lados de la fuente causando una capa de humo superior. Si existe ventilación mecánica, el diseño del sistema de gestión de humo por lo general tendrá como objetivo proporcionar una ruta de salida segura para los ocupantes y el acceso a bomberos y equipos de rescate. Esto generalmente implica una ventilación longitudinal que tiende a aumentar significativamente la longitud de la llama en la dirección del flujo de aire. En tales condiciones, la propagación del fuego puede ocurrir cuando los vehículos situados ‘aguas abajo’ del vehículo incendiado se involucran en el incendio.

En comparación con los incendios en edificios, los incendios en túneles carreteros tienen el potencial de desarrollar temperaturas más altas, especialmente cerca de la ubicación del incendio debido a la presencia de hidrocarburos. Por ejemplo, si los vehículos pesados contienen plásticos o cisternas con combustible, las temperaturas pueden ser más altas y el fuego puede propagarse a otros vehículos causando un incendio aún más grande y de mayor duración.

Con el fin de definir escenarios de incendio realistas para un diseño estructural, es necesario evaluar el riesgo del escenario considerando las consecuencias del evento en base a las dinámicas del fuego y a la probabilidad del evento en función de los volúmenes de tráfico y las estadísticas de incendios. Para obtener más información sobre la dinámica del fuego en túneles, consultar [1].

Hormigón a altas temperaturas y protección

Los incendios en túneles pueden dañar significativamente los revestimientos de hormigón debido a que las altas temperaturas cambian las características mecánicas del hormigón. El principal daño que una estructura de hormigón de un túnel puede sufrir en las fases iniciales de un incendio se debe al proceso de deterioro conocido como spalling explosivo, que resulta ser un desprendimiento explosivo, en donde los fragmentos de la superficie se desprenden del cuerpo de hormigón principal cuando es expuesto a altas temperaturas altas y un rápido crecimiento. El spalling explosivo puede tener un significativo impacto en las propiedades de resistencia de un elemento estructural, principalmente porque las dimensiones de la sección y el recubrimiento de la armadura están reducidas. Esto a su vez conduce a la reducción de la resistencia del hormigón y del acero. Existen diferentes tipos de desprendimientos, siendo el spalling explosivo el más perjudicial. El spalling explosivo ocurre cuando la humedad ligada a un elemento de hormigón se vaporiza y hace que la superficie del hormigón se rompa. A pesar de una gran variedad de investigaciones existentes, la estimación del mecanismo preciso de spalling sigue siendo un tema de debate.

Según las características de los hormigones, las principales variables que pueden tener un efecto perjudicial de spalling son: hormigones con silíceos áridos, hormigón de alta resistencia y hormigones con alto contenido de humedad.

Algunos investigadores afirman que las altas tensiones producidas por elementos de carga externa, elementos pretensados y elementos con restricciones laterales tienden a sufrir más de spalling, aunque esto no es universalmente aceptado.

El spalling explosivo es más probable que ocurra con el rápido aumento de temperaturas asociado a la quema de hidrocarburos y plásticos. El spalling, por lo tanto, se convierte en un motivo de especial preocupación en las estructuras de túneles carreteros, ya que allí los incendios de crecimiento rápido son posibles y pueden conducir a spalling explosivo y la pérdida de resistencia y rigidez que en última instancia podría afectar la estabilidad estructural y estanqueidad del túnel.

A. Métodos de protección

Históricamente los métodos de protección ante incendios para las estructuras de túneles carreteros han sido prescriptivos, es decir, que contienen los requisitos mínimos que se deben cumplir. Estas normas aplican un enfoque determinista de manera tal que si el diseño cumple con el nivel estándar de seguridad, se considera aceptable; de lo contrario el diseño se considera inaceptable.

La ventaja de este enfoque prescriptivo es su simplicidad y la certeza de proporcionar un nivel mínimo de resistencia al fuego estructural y compartimentación contra incendios. Por otro lado, normas o estándares prescriptivos pueden no ser aplicables a situaciones inusuales y pueden no tener en cuenta la interacción con geometrías poco usuales de algunos túneles las condiciones específicas del suelo y de sus cargas, los diferentes materiales estructurales y los sistemas de extinción y de ventilación.

Actualmente las directrices de la Asociación Internacional de Túneles (ITA) [2] y las guías PIARC de 2007 [3] recomiendan el uso de un enfoque determinista para la protección estructural de incendios, por ejemplo, haciendo uso de curvas tiempo-temperatura prescriptivas para representar los posibles escenarios de fuego. Las curvas de fuego prescriptivo recomendadas por PIARC-ITA se muestran en la figura 1.

Figura 1: Curvas tiempo-temperatura prescriptivas tradicionales para representar escenarios de incendio

Las guías PIARC de 2007 [3] recomiendan que un criterio básico que debe cumplir cualquier estructura de túneles es que debe evitarse el colapso progresivo, es decir, que el fracaso local o el colapso de cualquier elemento no debería conducir a un aumento de la carga en otras partes de la estructura que puedan causar un fallo desproporcionado a lo largo del túnel. Las directrices de PIARC 2007 para la resistencia al fuego se muestran en la Figura 1. Éstas hacen una distinción según el tipo de tráfico (es decir, una potencial carga de incendio) y las consecuencias de un fallo estructural por fuego, de tal manera que cuando las consecuencias del colapso sean inaceptables, se requiera una protección contra un fuego muy intenso, por ejemplo, para túneles bajo edificios y carreteras principales, bajo el agua, o en un terreno inestable.

Las recomendaciones de PIARC 2007 también reconocen que para túneles construidos en terreno estable y para estructuras de corte y cubierta, la seguridad no es un criterio relevante. En cambio, el nivel de protección contra incendios debe ser determinado teniendo en cuenta la importancia de los activos o su influencia en la red de carreteras y de una curva modificada tiempo-temperatura para hidrocarburos durante dos horas. Esta curva de fuego (mostrada en rojo en la Figura 1) es recomendada solo cuando se necesita una protección sólida. Por el contrario, una curva de protección contra incendios estándar de dos horas (mostrado en negro en la Figura 1) es considerada aceptable en la mayoría de los casos; o bien ninguna protección en absoluto, si se considera demasiado cara comparado con el coste e inconvenientes de las reparaciones después de un incendio.

Las curvas de tiempo-temperatura han sido tradicionalmente utilizadas para definir escenarios de incendio para el diseño estructural ante incendios. Estas curvas pueden ser útiles en algunos casos de diseño; sin embargo, el enfoque tradicional de adoptar 4 horas de protección contra incendios ISO en estructuras de túneles carreteros no es consistente con los datos de incendio reales – como, por ejemplo, los resultados de los ensayos en Runehamar – porque esta curva de fuego no representa la subida de temperatura rápida que puede causar spalling explosivo de las estructuras de hormigón. Por lo tanto, el diseño de secciones de hormigón no proporciona la profundidad adecuada para el desprendimiento y la consecuente pérdida de fuerza sección especialmente donde los refuerzos/tendones se ven afectados. El uso de curvas de incendios de hidrocarburos tales como HC_inc o RWS que ayudan a superar este problema, pero luego conducen a diseños que tienen soluciones potencialmente no rentables que implican grandes secciones o capas gruesas de aislamiento.

Los siguientes son tres tipos principales de medidas de protección utilizados en el diseño estructural contra incendios en túneles. Comparativamente las tres poseen aspectos positivos y negativos.

Barrera de protección térmica – El uso de sistemas tipo barrera térmica se ha utilizado comúnmente para aislar los elementos estructurales del túnel para satisfacer alguna de las curvas de fuego prescriptivas descritas anteriormente. Los sistemas más habituales son: proyecciones de vermiculita/cemento pulverizadas y placas de fibrosilicato. La intención es limitar la transferencia térmica a la estructura de hormigón para reducir el spalling y para reducir la pérdida de resistencia debido a la degradación de las propiedades de los materiales y a la evolución del estrés térmico.

Hormigón resistente al fuego – para resistir al fuego, el hormigón requiere la adición de fibras de polipropileno a la mezcla de hormigón para mitigar el spalling. Las fibras de monofilamento se han convertido en el tipo predominante y están diseñadas para derretirse durante el calentamiento, permitiendo que las presiones de poros capilares causados por la humedad se liberen antes de superar la resistencia a la tracción del hormigón.

Protección activa contra incendios– Los sistemas de extinción de incendios fijos, como los rociadores de agua, son un requisito normal en algunos países y en determinados túneles. Estos sistemas están diseñados para ser activados de forma automática o manualmente por un operador una vez que se detecta una alarma fiable. Estos sistemas pueden ser muy prácticos para potenciales incendios pequeños, para reducir los riesgos de propagación del incendio y para evitar daños estructurales.

Diseño estructural ante incendio integrado basado en prestaciones

El diseño estructural de ingeniería de incendios en túneles reúne los conceptos descritos anteriormente.

Si bien los enfoques de ingeniería ante incendios para las estructuras de túneles pueden variar en la metodología, éstos suelen implicar un proceso iterativo que consiste en la evaluación de una prueba de diseño, o un grupo de pruebas de diseño, junto con una serie de hipótesis que se prueban a través de un proceso de análisis. Si el análisis revela que los criterios aceptados no cumplen con lo estipulado por las partes interesadas, entonces el diseño de prueba se modifica hasta obtener el resultado acordado.

A. Objetivos de diseño y requisitos de rendimiento

Para diseños exitosos, los objetivos, requisitos y criterios de desempeño deben ser discutidos entre las partes interesadas: ingenieros de fuego, ingenieros estructurales, contratistas, operadores, bomberos y el cliente final. Por ejemplo: ¿Es posible el colapso progresivo?; ¿Qué secciones del túnel soportan infraestructura crítica?; ¿Un fallo estructural puede conducir a inundaciones del túnel?; ¿Los ocupantes cuentan con salidas a la superficie protegida?; ¿El colapso del túnel puede afectar a la ruta de salida?; ¿Cuanta duración del fuego es aceptable hasta el colapso del revestimiento del túnel?; ¿Durante cuánto tiempo de la duración del fuego necesita un elemento secundario para no colapsar? ¿El colapso se produciría de manera predecible y dúctil?

Las directrices de la Ingeniería de Fuego Internacional (IFEG 2005) [4] aunque, inicialmente fueron desarrolladas para el diseño de edificios, proporcionan un marco útil para el diseño de seguridad contra incendios en túneles. IFEG 2005 exige que los objetivos de seguridad se definan en una etapa temprana. Basados en IFEG 2005, un listado básico de requisitos de seguridad (FEB) sería preparado normalmente e incluiría todos los criterios de desempeño relevantes, incluyendo aquellos basados en la legislación reguladora, los requisitos contractuales y otros objetivos de seguridad requeridos por el cliente.

La Norma Australiana de seguridad ante incendios en túneles AS4825 [5] publicada en 2011 tiene por objeto aplicar el uso de soluciones de seguridad para túneles basadas en el diseño en base a prestaciones; presenta, por ejemplo, los siguientes requisitos de desempeño de resistencia al fuego estructural:

“… las estructuras deben ser resistentes al fuego, en el grado necesario, para mantener la estabilidad estructural en caso de un incidente de fuego dentro del túnel teniendo en cuenta:

a) El tempo requerido para la evacuación y la intervención de los servicios de emergencia
b) Las características de los incendios para los que se espera estabilidad
c) Las previsiones de tráfico, tales como la naturaleza de los vehículos
d) Otros sistemas de seguridad contra incendios, tales como extinción de incendios; y
e) Objetivos de seguridad contra incendios, particularmente la protección de activos y la interrupción de servicios.”

B. Desarrollo de escenarios

La selección de escenarios de incendio de diseño apropiados es un aspecto crucial del diseño de la seguridad ante incendios, ya que influye directa o indirectamente en los resultados de diseño. La posibilidad de que mercancías peligrosas como líquidos y gases inflamables entren en el túnel será una consideración importante a la hora de determinar los escenarios hipotéticos de incendio.

AS4825 exige que los riesgos de incendio se identifiquen y desarrollen en escenarios de incendio creíbles junto a las partes interesadas pertinentes. Todos los escenarios de incendio creíbles deben ser entonces examinados y agrupados en uno de tres grupos:

a) Diseño de escenarios de incendio – eventos generales de incendio para los que se espera que todos los sistemas de protección contra incendios en el túnel operen para alcanzar un resultado aceptable para las partes interesadas

b) Diseño de escenarios de incendio de alto calibre – eventos de fuego con características inusuales, tales como muy altas tasas de crecimiento de fuego o fallas en los sistemas

c) Eventos extremos – eventos de fuego más allá de lo creíble que no son tenidos en cuenta para el diseño o el análisis, pero que deben ser reconocidos/identificados.

Luego los escenarios de diseño final pueden ser representados con curvas de tiempo-temperatura realistas interpoladas en base a criterios de ingeniería obtenidos de ensayos de fuego similares a los escenarios de incendio elegidos u otros modelos de fuego, por ejemplo, modelos de Dinámica de Fluidos Computacional. Las curvas tiempo-temperatura pueden, entonces, utilizarse para análisis térmicos y estructurales a temperaturas elevadas.

C. El análisis térmico y estructural

La respuesta térmica de cualquier elemento estructural sometido a una curva tiempo-temperatura se puede calcular sobre la base de los principios de transferencia de calor utilizando técnicas de modelización de elementos finitos. El análisis térmico y estructural de las estructuras de túnel puede ser considerado como un proceso de cuatro pasos, según se describe en la Figura 2.

Figura 2: Proceso de análisis térmico y estructural

Una asignación apropiada en el modelo de análisis térmico debe hacerse para la perdida de sección debido al spalling explosivo en las etapas iniciales del desarrollo del incendio.

La historia tiempo-temperatura es resultado del análisis térmico y se aplica al modelo estructural para cada opción de prueba de diseño como el «caso de carga adicional» para determinar momentos, cortantes y fuerzas axiales. Los modelos estructurales son a menudo complejos e incluyen, comportamientos no lineales, fisuración del hormigón, y la rigidez del suelo, así como las propiedades del hormigón y materiales de acero que varían con la temperatura, tales como resistencia a la compresión, resistencia a la tracción y la deformación a rotura.

El Eurocódigo 2 – Diseño de Estructuras de Hormigón [6] es un documento de vanguardia en cuanto a diseño estructural contra incendios. Proporciona dos métodos de cálculo adecuado para túneles: el método avanzado y el método de isotermas simplificado; siendo el método avanzado el más detallado y menos conservador. La Figura 3 a continuación muestra un diagrama de gradientes térmicos que enseña en color naranja una sección de elemento estructural reducida. La sección reducida permanece por debajo de una temperatura de 500ºC que, según el método simplificado de isotermas mantiene sus propiedades mecánicas y resistencia intactas.

Los métodos de evaluación de riesgos pueden ser muy útiles a la hora de elegir escenarios de diseño que conducen a soluciones prácticas y económicas. Estos métodos de evaluación de riesgo pueden ser adecuados donde se tienen en cuenta variables como la baja frecuencia de los eventos, la fiabilidad de los sistemas de túneles, la fiabilidad de los operadores y los niveles aceptables de desempeño.

Conclusión

La protección de las estructuras de túneles ha sido tradicionalmente vista como prescriptiva; sin embargo, los recientes avances en la metodología de diseño han demostrado que otros enfoques más racionales que utilizan principios de ingeniería de fuego son capaces de tener en cuenta los riesgos de daño estructural para los usuarios del túnel, bomberos, estructuras de superficie, inundaciones y la pérdida de la red de tráfico, lo que afecta a la comunidad en su conjunto.

Este artículo presenta un enfoque de diseño integrado que utiliza la ingeniería de seguridad contra incendios, la ingeniería estructural y el análisis de riesgos para la protección contra el incendio de los túneles de carretera. La ingeniería estructural contra incendios en túneles es un campo en desarrollo que puede producir soluciones de diseño holístico que son racionales, rentables y capaces de cumplir con todos los requisitos de las partes interesadas para la protección operacional y de activos.

Los ingenieros de seguridad contra incendio, los ingenieros estructurales e ingenieros de riesgo cuentan con muchas herramientas y conocimientos disponibles para integrar los diseños de manera racional y eficiente. También es importante entender que algunos análisis pueden ser muy complejos; todas las partes involucradas deben comprender las limitaciones debido a muchas variables que se conjugan al mismo tiempo a la hora de estimar los diseños de seguridad contra incendio y las respuestas del comportamiento de las estructuras de hormigón debido a las limitaciones del suelo y las altas temperaturas.