Manteniendo el "verde"

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Manteniendo el "verde"

Por Craig Hofmeister, PE, & Alex Kline

Un estudio de caso para proteger oficinas corporativas “verdes” con un diseño basado en el desempeño y modelos de incendio por computadora

Representación de las oficinas corporativas de Sara Lee
Ilustraciones: Thomas Phifer Partners Architects
Figure1
Gráfico 1 - Ver imágen ampliada
Figure 2
Gráfico 2 - Ver imágen ampliada

El desarrollo de un diseño de edificios y prácticas operacionales dentro de un entorno acogedor para las nuevas oficinas corporativas de Sara Lee Knee Prodcuts en Winston-Salem, Carolina del Norte, originó desafíos únicos con respecto a la seguridad humana y protección de incendios, especialmente cuando hubo que cumplir con los códigos de edificios tradicionales.


Por lo general el objetivo del concepto de un diseño de edificios “verde” es establecer métodos fijos para brindar luz natural, ventilación natural y vistas a paisajes, al mismo tiempo que se mantiene el clima interior controlado limitando así el uso de la instalación de los recursos no renovables. Sin embargo, este objetivo puede dificultar el desarrollo de esquemas pasivos y normalizados de protección contra incendios y el buen desempeño de los sistemas de protección contra incendios activos, tales como los rociadores, las alarmas contra incendios y los sistemas de control de humo.

A fin de resolver este inconveniente, el equipo de diseño utilizó metodologías basadas en el desempeño.

Construcción con resistencia a los incendios
La propuesta para el edificio de tres pisos de Sara Lee Knit Products consiste en una serie de conjuntos de oficinas de diseño abierto, conectadas por un largo corredor y atrios intermedios utilizados para funciones públicas limitadas, lugares de reunión y espacios de circulación. Cada conjunto de oficinas posee un abertura de piso central, que origina nueve atrios interconectados, cada uno de ellos separado por fachadas de vidrio sin resistencia a los incendios (ver Gráfico 1). Cada uno de los tres niveles abarcan aproximadamente 100.000 pies cuadrados (9.290 metros cuadrados).

El sitio en pendiente origina un acceso por niveles desde el costado del estacionamiento o público del edificio en el tercer nivel y desde el primer nivel en el costado del edificio con vista a la laguna. Ya que la nueva instalación se encuentra adyacente a un edificio de oficinas ya existente con un estilo tradicional, debe también existir una conexión funcional entre los dos edificios.

El tamaño de la nueva instalación y su apertura requieren de elementos estructurales con una resistencia al fuego de dos horas y un techo con una resistencia al fuego de una hora. Si bien mantener la resistencia requerida para la mayor parte de los sistemas de techo y estructurales internos no fue un inconveniente, el diseño propuesto incluyó pasillos desprotegidos de vidrio y acero expuesto alrededor de cada apertura de piso del conjunto de oficinas, puentes de vidrio y acero expuesto que atraviesan los niveles superiores de los atrios y claraboyas de vidrio y acero expuesto en el techo, con el fin de aumentar el traspaso de luz natural por el edificio.

Los pasillos de acero y vidrio alrededor de las aperturas de piso del conjunto de oficinas no son parte del marco estructural del edificio, pero son parte del sistema de piso para los niveles de los pisos superiores. Ya que los pasillos están ubicados en espacios abiertos, la resistencia a los incendios necesaria para evitar la propagación del fuego de piso en piso se vio minimizada. Ya que los pasillos actúan como parte de los caminos de salida requeridos, los mismos deben estar protegidos para poder ser utilizados en las primeras etapas de un incendio.

El escenario de incendio del diseño más demandante para proteger estos montajes de acero y vidrio suponía un fuego tan cercano a los mismos que la temperatura del acero podría elevarse a un punto en el que se originara su falla o el material vidriado podría fracturarse, causando la caída de vidrio a los espacios inferiores. A fin de evitar que esto ocurra, el esquema de protección incluye una combinación de los materiales vidriados específicos y protección con rociadores automáticos que suministran una capacidad estimada de resistencia a los incendios de una hora, brindándole a los ocupantes el tiempo necesario para abandonar la instalación de manera segura.

Si bien los puentes de acero y vidrio que atraviesan los niveles superiores de los atrios no son parte del sistema de salida, se recomendó el uso de un esquema de protección similar para limitar la posibilidad de caída de vidrios y suministrar un nivel mínimo de protección para los elementos superiores del edificio.

Las claraboyas desprotegidas de acero y vidrio no presentaron un problema para el cumplimiento del código, pero limitarían el movimiento de los bomberos por el techo. La solución fue designar un camino de servicio por la fachada pública de la instalación para asegurar el acceso a cada sección del techo. La incorporación de este camino implicó la modificación del paisaje perimetral, pero se mantuvo la separación de transición desde las zonas de estacionamiento público.

Sistemas de protección contra incendios
La segunda área a tratar fue la de los sistemas activos de protección contra incendios. De acuerdo con los códigos aplicables, la instalación estará protegida en toda su superficie por un sistema con rociadores automáticos, un sistema de alarma y detección de incendios y un sistema de manejo del humo.

La configuración única de los elementos del edificio originó varios inconvenientes en cuanto a la posible instalación y diseño práctico. Por ejemplo, la gran cantidad de ventilaciones naturales y vidriadas exigió la revisión de la ubicación del detector de humo y de los rociadores con una consideración específica sobre posibles obstrucciones y temperaturas ambientales. La fachada del edificio y los grandes toldos superiores replegables también obstruyeron los sistemas de protección contra incendios y fue necesario instalar una cantidad doble de detectores de humo y rociadores en muchas ubicaciones. El montaje propuesto de cielorraso/piso de concreto colado, ondulado diseñado para suministrar una refrigeración y calefacción radiante en combinación con ventilaciones naturales, originó la revisión de temperaturas localizadas para asegurar que los sistemas con rociadores y de alarma contra incendios funcionen adecuadamente.

Análisis de los sistemas de manejo de humo
El inconveniente de diseño más importante fue el del sistema de manejo de humo, requerido por el código de edificios local para cada conjunto de oficinas y atrios. Al comienzo del proceso de diseño se pudo notar que el análisis de la ecuación algebraica tradicional que utilizan los códigos aplicables para determinar la tasa de escape de humo podría no ser la apropiada para las configuraciones largas y angostas de los conjuntos de oficinas y de los atrios interconectados. La configuración de la instalación y los movimientos de aire normales asociados con los sistemas HVAC requirieron de un análisis basado en el desempeño más detallado.

Ya que las estimaciones anteriores del código de edificios para determinar las tasas de escape no consideraron la geometría específica del edificio, no brindaron demasiadas pautas con respecto a la ubicación de las ventilaciones de escape y de aire de reposición. Las estimaciones simplemente determinan un índice de flujo volumétrico apropiado para el sistema de control de humo basado en la producción de humo de un incendio severo de llamas continuas. Los requisitos ya establecidos no especifican los casos en los que se debería duplicar la cantidad de ventilaciones de escape de humo tomando como base el tamaño o la longitud del atrio. Las pautas empíricas sugirieron que las ventilaciones de escape deberían duplicarse cuando el humo debe viajar más de 150 a 200 pies (45 a 61 metros) para alcanzar una ventilación, por lo que era evidente que la configuración única de esta instalación y las ubicaciones de las ventilaciones de escape y de aire de reposición podrían tener un impacto significativo sobre el movimiento del humo.

La implementación de un diseño basado en el desempeño permitió el uso de parámetros específicos, tales como la geometría del edificio, cargas de incendios potenciales, la interacción del rociador con el fuego y las ubicaciones para eliminar el humo e introducir el aire de reposición que llevó al desarrollo de un modelo de incendios que podría haberse utilizado para examinar un escenario de incendio real y desarrollar tasas de escape apropiadas para los sistemas de control de humo. Como lo establece la Sección 3-1.1.3.2 de la norma NFPA 92B, Sistema de manejo de humo en centros comerciales, atrios y grandes áreas, el uso de pequeñas celdas y modelos de campo le permite al usuario modelo “examinar la situación en mayor detalle y explicar el impacto de las formas irregulares y movimiento de aire poco usuales que no pueden ser tratados ya sea por los modelos de zonas ni por las ecuaciones algebraicas.

Este enfoque basado en el desempeño también permitió la determinación de ubicaciones de ventilaciones de escape y de aire de reposición específicas a fin de asegurar que el humo será eliminado eficazmente de todos los espacios abiertos a los atrios.

El modelo de incendio por computadora para este proyecto de diseño fue creado utilizando la Versión 3 del Simulador de Dinámica de Incendios (FDS, Fire Dynamics Simulator) desarrollado por el Instituto Nacional de Normas y Tecnología. El FDS es un modelo de dinámica de fluidos por computadora que se aplica específicamente a los flujos de fluidos con impulso térmico asociados con el desarrollo del fuego y el movimiento del humo. Imita la geometría específica de la construcción tridimensionalmente para que la propagación del humo por el edificio pueda ser rastreada y cuantificada.

El enfoque para el análisis fue utilizar el modelo de incendios para examinar los efectos de un incendio en cada atrio y desarrollar un esquema de manejo del humo. Se crearon diferentes modelos de incendio para un conjunto de oficinas y atrio representativos con el menor volumen para establecer criterios de diseño que pudieran ser aplicados en todos los conjuntos de oficinas y atrios.

A fin de mantener el diseño “verde” de la instalación, el equipo de diseño quiso utilizar un sistema de control de humo basado en principios de ventilación natural. Por ello, el modelo inicial utilizó ventilaciones de techo mecánicas de gran tamaño y aperturas de aire de reposición pasivas para eliminar el humo desde los atrios (ver Gráfico 2). Después de algunos simulacros, sin embargo, quedó en claro que un esquema de ventilación puramente natural no eliminaría la suficiente cantidad de humo de esta instalación, incluso con amplias ventilaciones de techo. Como resultado, se revisó el enfoque del diseño a fin de emplear un escape de humo mecánico, con el suministro de aire de reposición a través de medios tanto mecánicos como pasivos. Después de resolver este tema, se desarrolló un modelo de incendio más refinado que incluyó un escape mecánico.

Otro factor crucial en el desarrollo de un modelo de incendio fue la determinación de un incendio de diseño apropiado, estableciendo criterios de falla relacionados con la validez y determinando las tasas de escape y las ubicaciones de la ventilación. Se estableció un incendio severo con la incorporación de tasas de crecimiento del incendio para los materiales que podrían verse afectados durante un incendio en la instalación y se consideró la interacción del rociador para limitar el crecimiento del fuego y la propagación de las llamas hacia depósitos de combustible adyacentes. Para cuantificar un nivel inaceptable de exposición al humo, se desarrollaron criterios específicos de falla de validez para el modelo, que fueron luego utilizados para determinar si una tasa de escape de humo determinada evitaría que una capa de humo peligrosa descienda hacia un nivel donde los ocupantes podrían estar expuestos. Las propiedades posiblemente peligrosas del humo consideradas en el desarrollo de los criterios de falla fueron la temperatura, la concentración de monóxido de carbono y la visibilidad.

Los arquitectos y la autoridad competente revisaron y aprobaron los datos de entrada modelos y los criterios de validez al comienzo del proyecto, originando criterios simples de aprobación/fracaso para los simulacros del modelo.

Cuando el modelo predijo los resultados que indicaron que los ocupantes podrían estar expuestos a un nivel inaceptado de humo, la ejecución del modelo fue considerada un fracaso. Los parámetros de entrada del modelo (a saber, las tasas de escape y las ubicaciones de las ventilaciones) fueron modificadas para tratar la exposición inaceptada. Esta metodología incluyó varias repeticiones del modelo para determinar los parámetros apropiados para el sistema de manejo de humo a fin de limitar la exposición de los ocupantes a condiciones peligrosas relacionadas con el incendio en cada atrio, como también la interacción de todos los espacios.

El resultado de esta parte del análisis fue un modelo de incendio por computadora que simula incendios severos reales en la instalación, con la interacción de un sistema de control de humo diseñado para mitigar el peligro relacionado con el incendio para los ocupantes. El uso de un modelo por computadora suministró criterios de diseño más detallados para el sistema de control de humo de los que habrían sido suministrados por las estimaciones ya establecidas en el código de edificios.

Una ventaja adicional del uso del modelo de incendio por computadora fue que las tasas de escape establecidas por el modelo fueron significativamente inferiores a las anteriormente estimadas. Las estimaciones anteriores habían brindado una tasa de escape total de aproximadamente 2 millones de pies cúbicos por minuto (944 metros cúbicos por minuto) para la instalación completa. El suministro de aire de reposición para el sistema de escape de humo a una velocidad máxima de 200 pies por minuto (1 metro por segundo) como lo establece el código de edificios habría requerido de de superficies de ventilación de aire de reposición de aproximadamente 7.500 pies cuadrados (697 metros cuadrados) y probablemente no habría sido posible suministrar una superficie de tamaño semejante para el aire de reposición sin cambios significativos en el diseño.

La tasa de escape total para la instalación determinada utilizando un modelo de incendio por computadora fue de aproximadamente 840.000 pies cúbicos por minuto (396 metros cúbicos por segundo), más del 50 por ciento menos que la tasa de las estimaciones ya establecidas. Dicha reducción, que originó ahorros significativos en los costos para el proyecto, se debió a la introducción de varios parámetros que no habían sido incluídos en las estimaciones ya establecidas tales como el crecimiento del incendio, la interacción de los rociadores y la geometría específica de la instalación.

Los beneficios de utilizar un modelo de incendio por computadora para esta aplicación también pudieron notarse cuando se revisaron los resultados y se identificaron problemas específicos, tales como zonas en las que se acumuló el humo debido a una falta de flujo de aire adecuada. Estos problemas no habrían sido nunca identificados si se hubiesen utilizado únicamente las estimaciones ya establecidas en el análisis.

Si bien no se llevó a cabo una revisión formal del diseño basado en el desempeño para la instalación completa, la geometría y los elementos de diseño únicos asociados con el diseño dentro de un entorno acogedor de las oficinas corporativas de Sara Lee Knit Products hicieron que este proyecto fuera un candidato primordial por utilizar de manera selectiva conceptos de diseño basado en el desempeño y técnicas de modelos de incendio por computadora. El resultado general del proyecto fue una recopilación de recomendaciones para sistemas apropiados de seguridad humana y de protección contra incendios y de características diseñadas específicamente para esta instalación y su uso esperado.

La incorporación de métodos alternativos y de técnicas de diseño basadas en el desempeño permitieron que el proyecto mantenga la intención del diseño intacta al mismo tiempo que se preservó el nivel de protección requerido por los códigos aplicables.

Craig Hofmeister, ingeniero profesional, y Alex Kline son asesores en ingeniería de protección contra incendios en Raleigh, Carolina del Norte, oficina de Rolf Jensen & Associates.

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