El marco reglamentario para la concepción de instalaciones de PCI en el territorio nacional está establecido según los distintos tipos de edificios y su uso. En el caso de las edificaciones de uso no industrial (6)el documento base que regula la PCI en España es el RD314/2006, de 17 de marzo, por el que se aprueba el Código Técnico de la Edificación, concretamente el Documento Básico de Seguridad en Caso de Incendio (CTE DB:SI). Para establecimientos industriales, la evaluación del riesgo de incendio viene regulada por el RD2267/2004, de 3 de diciembre, por el que se aprueba el Reglamento de Seguridad CI en los Establecimientos Industriales (RSCIEI) (7). Considerando estos marcos reglamentarios bajo un enfoque prescriptivo o prestacional se conciben las instalaciones de PCI a partir de la determinación de riesgo con las metodologías que se incorporan en el ámbito de los diferentes Documentos Base anteriores. De forma complementaria bien sobre proyectos en la fase de diseño o en instalaciones en explotación, pueden ser usados para evaluar el riesgo de incendio otros enfoques no vinculantes, que permiten la aplicación y utilización de métodos de reconocido prestigio como son MESERI (8), Gretener (9) (10), Gustav-Purt (10) (11), ERIC (9) (12) o FRAME (13).

Todos estos métodos son escalares, es decir, dan como resultado el valor del riesgo cuantitativo o cualitativo (aceptable/no-aceptable). Y algunos proponen las medidas de protección necesarias asociadas al nivel de riesgo identificado. Se expone a continuación sintéticamente la forma en que partiendo de una evaluación escalar del riesgo de incendio, se estable en el marco normativo las exigencias de medidas PCI.

Los Modelos de Simulación Computacional de Incendios consisten en la implementación del modelo matemático de un incendio simulado en una computadora digital mediante el modelo computacional correspondiente, su ejecución reiterada y el análisis de los resultados de las mismas (15). Son métodos vectoriales basados en paquetes software de dinámica de fluidos computacional, bajo el modelo matemático de elementos finitos para resolver problemas de fluidos. Proporcionan información más completa que los métodos escalares; entre otras ventajas frente a los métodos de cálculo analíticos, cabe destacar que tienen en cuenta el incendio como fenómeno causal (consideran momento y lugar específico de surgimiento, condiciones concretas de ocupación humana, características y cuantía de medios y materiales, condiciones atmosféricas y ambientales, disposición real de medios y fuerzas de detección, extinción, etc.), estudian el conjunto de fenómenos físicos (transporte de energía térmica, mecánica de fluidos, procesos químicos de combustión) así como las características de la instalación (geometrías complejas o tener en cuenta la interacción entre las diferentes instalaciones de PCI), ofreciendo algunos de ellos la posibilidad de incluir el carácter aleatorio del evento (16).

Los modelos de incendio se pueden clasificar en dos grandes grupos: en recintos cerrados y de propósito específico.

Los MSCI en recintos cerrados son los que simulan la evolución del incendio completo. Estos se pueden dividir a su vez en estocásticos (consideran los factores aleatorios) y determinísticos (que no los consideran). Los métodos estocásticos contemplan el incendio como fenómeno aleatorio, pero por sus altos requerimientos computacionales no tienen todavía gran difusión y no están muy desarrollados; por ello no son considerados en este trabajo, aunque su evolución en el futuro es necesaria debido al carácter aleatorio de los incendios. Los determinísticos (17) se fundamentan en la descripción de los fenómenos intrínsecos del incendio mediante ecuaciones y sistemas de ecuaciones algebraicas, diferenciales, diferenciales en derivadas parciales e integro-diferenciales y ofrecen resultados deterministas de las variables principales que caracterizan el incendio (densidad, temperatura, entalpía, presión, concentración de especies, velocidad del fluido de gases, etc.).

Los MSCI de propósito específico simulan el comportamiento de un elemento concreto, como detectores de humo, sistemas de ventilación o modelos de evacuación.

Un modelo de zona divide cada compartimento en zonas de propiedades uniformes: la superior corresponde a la capa de humos que contiene los gases producidos por la combustión, la inferior a la entrada de oxígeno que alimenta la combustión donde generalmente se encuentra el origen del incendio y una tercera zona correspondiente al penacho del incendio, donde se producen las reacciones de inflamación de gases, humos y llamas (18).

Estos modelos predicen cómo cambia el estado de las capas de gas superior e inferior con el tiempo mediante la resolución de las ecuaciones de conservación de la masa y la energía con las condiciones de contorno apropiadas. Existen cuatro propiedades básicas necesarias para su desarrollo (presión-masa-volumen-temperatura) y las mismas se relacionan para cada zona a través de las cuatro ecuaciones de conservación [5] [6] [7] [8] aplicables previo conocimiento de las expresiones [1], [2], [3] y [4] siguientes (15):

Volumen del recinto:

Los modelos de campo dividen el escenario en un gran número de pequeños volúmenes y se evalúan las ecuaciones de conservación en cada uno de ellos. Como resultado se obtienen los valores de todas las variables características del sistema (presión, velocidad, temperatura…) en cada punto de la malla de cálculo. Por lo tanto, la solución generada por el modelo de campo (Figura 1) consigue una mayor precisión que la del modelo de zona, aunque requieren un mayor tiempo de cómputo (18). Estos modelos se basan en paquetes de dinámica de fluidos computacional, CFD (Computational Fluids Dynamics) empleando el método de elementos finitos para resolver problemas de fluidos.

La ventaja del CFD es que implica la resolución de las ecuaciones fundamentales de la dinámica de fluidos y junto con la química de la llama y los modelos de radiación, puede dar una descripción adecuada de una variedad de fenómenos del incendio; por ejemplo, el movimiento de humo en espacios grandes, la propagación de la llama, la estructura de las llamas y el desarrollo del incendio en un compartimento. Sin embargo, las turbulencias no puede ser modeladas utilizando la presente potencia de cálculo y tienen que llevarse a cabo algunas aproximaciones, ya sea de las ecuaciones promediadas de Reynolds (Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS) o Large Eddy Simulation (LES) (23).

Aunque los modelos de campo suministran soluciones muy detalladas, requieren también información de entrada más detallada y altos recursos computacionales para modelar el incendio. Son apropiados para geometrías más complejas donde dos zonas no describen con exactitud el fenómeno del incendio (15). El número de modelos de campo ha crecido debido al desarrollo de la tecnología, destacando FDS (24) (25) (26), SOFIE (27) y JASMINE (28).

A continuación se describe de forma sintética el modelo fds, uno de los más empleados a nivel internacional en el ámbito del MSCI (será el utilizado en el caso de estudio).

Con el interés y las posibilidades que ofrecen los modelos de simulación computacional y con el propósito de ampliar y facilitar el diseño de la instalación CI, en los últimos años se han desarrollado un conjunto de modelos de propósito específico con el objetivo de la evaluación de elementos que componen la instalación; los mismos abarcan una gama cada vez más creciente de aplicación: modelos de resistencia de estructuras, de análisis del funcionamiento y diseño de sistemas de detectores de humo, térmicos y rociadores, de control de humos y sistemas de ventilación, de evacuación, combinados o adaptados a un contexto (como por ejemplo, incendios forestales).

En concreto en los últimos años se ha incrementado el interés en los de evacuación como herramienta de análisis en la evaluación de los niveles de seguridad para la vida en las edificaciones. Pretenden simular el proceso de egreso de seres humanos durante un incendio (u otro fenómeno de similares características de peligro). Su principal objetivo es obtener el tiempo de evacuación, estimado a través una serie de expresiones que relacionan los datos adquiridos en ensayos, pruebas y observaciones con una aproximación hidráulica del flujo humano (15).

Además, con la especificación de los modelos, se empiezan a simular algunos comportamientos humanos como el movimiento óptimo de los ocupantes, impaciencia, familiaridad con el recinto, muy útiles en el diseño de la construcción, instalación y gestión de simulacros según tipos de contexto. Existen multitud de ejemplos como pueden ser STEPS (31), SIMULEX (32), EVACNET4 (33), FDS+EVAC (34), entre otros; algunos resultados se pueden observar en la Figura 1.

El modelo propuesto es la integración entre las variables de solución del dominio escalar (métodos convencionales) con las variables de solución del dominio vectorial (MSCI) a través de un dominio de relación. El dominio escalar consiste en la aplicación de los métodos convencionales de evaluación del riesgo de incendio establecida en los reglamentos CTE-DB:SI y RSCIEI, dando como resultado el nivel de riesgo y las medidas de protección necesarias. El dominio vectorial está formado por el conjunto de información obtenida sobre el incendio a partir de la simulación por la aplicación de una técnica MSCI. El dominio de relación contiene los procedimientos que permitirán la integración de los resultados obtenidos en los dominios escalar y vectorial, el cual además aporta las acciones específicas; para este dominio se ha definido una base de datos de integración que contiene la relación entre los otros dos dominios.

El conjunto de información de entrada al dominio de relación se divide en dos grandes grupos: información del dominio escalar que contiene las medidas de protección teóricamente necesarias, que se encuentran en estado de no validación (y por lo tanto el desconocimiento de su idoneidad real, al no poder comprobar su validez sobre la instalación en funcionamiento ante un riesgo real); por ejemplo, inexistencia de evaluación ante los materiales utilizados, óptima ubicación de las salidas, extintores, rociadores, quedando la verificación de esta información sobre las soluciones teóricas, abierta a la experiencia del ingeniero de proyectos o técnico de prevención. El dominio vectorial aporta el conjunto de información relativa a la simulación de la dinámica de un incendio, el comportamiento del establecimiento (maqueta digital de la construcción), los materiales, las medidas de ventilación, protección, evacuación, extinción… En el dominio de relación, una vez que estos dos paquetes de información quedan vinculados, puede llevarse a cabo el diseño, selección y optimización de soluciones completas para la construcción (apoyándose en la base de datos aportada por el modelo y de la cual se presenta una síntesis en la Tabla 1). En los siguientes apartados se establecen las fases de aplicación.

Para llegar a relacionar ambos dominios, se deberá seguir un proceso, denominado evaluación conjunta cuyas fases están reflejadas en la Figura 2.

El interés de la evaluación de riesgo de incendio de una instalación puede devenir en la fase de proyecto, para evaluar y validar las soluciones de diseño de la instalaciones de PCI prevista en los distintos reglamentos (CTE DB:SI, RSCIEI). Además, un interés complementario surge de la perspectiva prevencionista derivada del A20 de la Ley 31/1995 de Prevención de Riesgos Laborales en el cual se establece que el empresario deberá analizar las posibles situaciones de emergencia y adoptar las medidas necesarias en materia de primeros auxilios, lucha CI y evacuación de los trabajadores. En este caso la actividad en relación con el sistema de prevención CI se circunscribe a la fase de explotación del edificio o construcción de carácter industrial u otro sector. Es evidente la importancia de ampliar la evaluación al ciclo de vida completo de la instalación CI.

El ciclo de vida de una construcción se refiere a las fases por las que pasa desde su concepción hasta su desmantelamiento y que preceptivamente están sujetas a exigencias reglamentarias, entre las que se encuentran las derivadas de riesgos de incendio (35). El modelo propuesto integra los resultados de la simulación y evaluación conjunta del riesgo de incendio para cada una de estas fases, (Figura 2).

En la fase de diseño, la simulación de los sistemas de PCI puede referirse al proyecto de la edificación y su instalación (simulación de la actividad de uso prevista) o al proyecto de seguridad y salud del proceso de ejecución. En el primer caso se pueden llevar a cabo simulaciones de la actividad de uso prevista, consistente en realizar una evaluación conjunta del escenario de la fase de explotación que se está diseñando para establecer y proyectar las medidas de protección y la instalación CI antes de la fase de construcción. Para el Estudio de Seguridad y Salud se podrían realizar simulaciones de los peores escenarios de riesgo de incendio previstos durante la construcción.

Durante la fase de construcción, si se producen modificaciones en el Plan de Seguridad y Salud según la metodología de construcción establecida, se deberá realizar una nueva evaluación y simulación para comprobar que las nuevas condiciones de ejecución establecidas por los contratistas no generan nuevos riesgos de incendio.

Durante la fase de explotación se puede comprobar el estado de las instalaciones CI con un checklist (evaluación escalar de la actividad de uso) y si es necesario, realizar una nueva evaluación conjunta (escalar y vectorial), sobre el modelo digital de la construcción actualizado con las modificaciones que hayan podido llevarse a cabo, para establecer las medidas de protección oportunas y su validación. Si se produce un incendio, la metodología propuesta es de interés para la investigación ex post-facto del mismo (conocer las causas) y de forma alternativa puede ser empleada para establecer si durante las reformas o modificación de la construcción en explotación han emergido nuevos riesgo de incendio, así como la evaluación y validación de las medidas de protección adoptadas.

En la fase de desmantelamiento se producen otras actividades diferentes para las que estaba destinado el establecimiento o construcción, que provocan nuevos riesgos, por lo que el modelo se aplicaría a la evaluación de la actividad de desmantelamiento partiendo del modelo digital de la construcción actualizado con las posibles reformas que pudieran haberse llevado a cabo en la fase de explotación. A partir de dicho modelo digital del proyecto de demolición en el correspondiente estudio de seguridad, se realiza para los posibles escenarios más desfavorables de riesgo de incendio, una evaluación y una simulación que permite establecer y validar las medidas de protección CI de la fase.

El establecimiento elegido es una Planta Industrial de transformación de madera (carpintería) situada en una nave industrial de 600 m² (30 × 20 m). Cuenta con una solera de hormigón armado, paredes de hormigón prefabricado y cubierta a dos aguas de placas de acero galvanizado tipo sándwich. La fachada principal tiene una puerta doble para el acceso personal y la trasera una puerta corredera para la introducción de mercancía. Se divide en tres zonas: (a) de producción (carpintería) de 300 m² (15 × 20 m), (b) de almacenamiento de 225 m² y 6 m de altura máxima y (c) de oficinas situada en la entreplanta con un área de 148 m² (8 × 18,5 m) (Figura 3).

El primer paso es realizar una evaluación del riesgo de incendio con alguno de los métodos convencionales. Tratándose de un establecimiento industrial, se utiliza el Reglamento de Seguridad CI en los Establecimientos Industriales (RSCIEI) (7). Obtenemos nivel de riesgo ALTO factor 7. El RSCIEI establece que las medidas para la evacuación en este caso de edificio tipo C y con nivel de riesgo alto, son: incorporación de dos salidas con recorridos de evacuación que no excedan los 25 m, puertas y pasos con una anchura mínima de 80 cm, escaleras con una anchura mínima de 1 m, señalización (escaleras, salidas, pulsadores manuales de alarma), BIEs, extintores y alumbrado de emergencia. A partir de estas exigencias del RSCIEI sobre el modelo digital de la planta industrial, incluido el proceso y resto de dependencias se establecen las instalaciones y medidas de PCI.

El segundo paso es aplicar las técnicas de MSCI sobre el modelo digital de la planta industrial, incluido el modelo del proceso y del resto de dependencias, las instalaciones y medidas de PCI obtenidas y realizando la simulaciones.

La Figura 3 muestra imágenes de la simulación obtenida. El objetivo es obtener el tiempo disponible para la evacuación (ASET) y el tiempo requerido (RSET) y compararlos.

Si solo es tenida en cuenta la evaluación con métodos escalares, en el diseño solo estarían disponibles las medidas de protección mínimas teóricamente necesarias para una evacuación segura, sin verificar la distribución óptima o si resultan insuficientes. Al realizar la evaluación y estudiar el dominio de relación, se comprueba esta suficiencia, ya que el ASET > RSET. Además es definido cuál es el factor que más influye en la evacuación, en el caso de estudio relativo a la altura de la capa de humos, pudiendo tomar medidas para mejorar y optimizar las medidas de protección y así aumentar la seguridad (por ejemplo, y para este caso de estudio, cabría la posibilidad de optimizar la seguridad aumentando el ASET con la instalación de un sistema de ventilación forzada que extraiga parte de esos humos).