Control de humo en medios de egreso

Los sistemas de control de humo, en específico los sistemas de presurización de escaleras, son sistemas de protección contra incendios que proveen una capa de seguridad adicional en las edificaciones. El especialista a cargo de su diseño debe conocer las principales guías que rigen su instalación

Por Michael Alcázar Fallas

Dada la tendencia de las principales ciudades en Latinoamérica por buscar soluciones a la errónea planeación urbana y al impacto que el crecimiento horizontal desmedido ha generado, se volvió común recorrer la calles y ver hacia arriba lo que se ha convertido cada día en la opción más típica de vivienda o centro de trabajo para quien quiere vivir o trabajar en la ciudad: la construcción vertical.

Estas edificaciones, según su uso, se convierten en sistemas de alta complejidad, en donde interactúa gran cantidad de subsistemas de distintas disciplinas dentro de la ingeniería. Una de esas disciplinas que solemos ver, pero que esperamos nunca tener que usar, son los sistemas de protección contra incendios, los cuales, a razón de diferentes eventos fatales que han sucedido (y siguen sucediendo) alrededor del mundo, se han venido implementado de a poco en nuestra región.

Edificios High-Rise y sistemas de control de humo en salidas verticales

Los sistemas de protección contra incendio tienen una relación directa con el objetivo de mantener una edificación segura; sin embargo, el requerimiento de diseñar e instalar estos sistemas viene normalmente prescrito en reglamentos o códigos nacionales de construcción, que hacen mandatoria su inclusión en una edificación nueva o remodelada.

Conocido lo anterior, podemos hacer cuenta de que, si el país no posee un código de construcción enriquecido con requerimientos estrictos en materia de seguridad humana y protección contra incendios, como suele ser en varios países latinoamericanos, cualquier sistema de esta naturaleza se torna opcional, llevando a que por limitaciones de presupuesto sean excluidos de los proyectos.

En el caso específico de México, no hay un código nacional o estatal que indique que una edificación de gran altura deba proveerse con cerramientos a prueba de humo en las escaleras –que se consideren salidas de emergencia–, lo que lleva a ver edificaciones de uso residencial de 30 metros de altura con medios de egreso vertical sin ninguna protección.

Esta idea de discriminar los sistemas de seguridad en los medios de egreso es algo que de a poco se ha ido modificando, especialmente por la fuerza de inversionistas extranjeros que exigen cumplir en sus desarrollos una serie de requerimientos mínimos de protección contra incendios, utilizando en su mayoría como referencia códigos y estándares de la National Fire Protection Association (NFPA), debido a la influencia de Estados Unidos sobre la región.

Entre la gran cantidad de c.digos y estándares que la NFPA ofrece se encuentra uno de los más conocidos y utilizados: NFPA 101: Código de Seguridad Humana. Este código incluye una serie de requerimientos prescritos que abarcan el uso de materiales, la instalación de sistemas, disposición de medios de egreso, clasificación de los riesgos y que, además, dirigen su implementación hacia el diseño de un edificio seguro para los usuarios.

En el contexto de edificios de gran altura, la NFPA 101 (Ed. 2024) indica la siguiente definición:

» 3.3.37.7 Edificio de gran altura (High-Rise Building). Edificio en donde el piso de una planta ocupable se encuentra a más de 75 pies (23 m) por encima del nivel más bajo de acceso de los vehículos del cuerpo de bomberos.

Es importante tener en cuenta la altura del edificio, ya que .sta pondr. sobre la mesa el requerimiento de una escalera compartimentada con resistencias al humo. Este requerimiento se extrae espec.ficamente del Cap.tulo 11 Estructuras especiales y edificios de gran altura de la NFPA 101:

» 11.8.2.3. Todos los cerramientos de salida verticales nuevos que sirven a la parte de gran altura del edificio deben ser cerramientos a prueba de humo de acuerdo con 7.2.3.

Conociendo esto, y siguiendo la referencia del apartado 7.2.3 Cerramientos a prueba de humo, se nos despliegan tres opciones para cumplir con el objetivo de desempeño (limitar el movimiento de los productos de combustión producidos por el fuego):

• Ventilación natural
• Ventilación mecánica incorporando un vestíbulo
• Presurización del cerramiento de la escalera

Cada una de las opciones anteriores se asocia a un conjunto de requerimientos específicos, los cuales detalla la NFPA 101 en Capítulo 7 Medios de egreso.

Dado que uno de los métodos más utilizados en la industria de protección contra incendios (al menos en Latinoamérica) es la presurización de cerramientos de escaleras, vamos a enfocarnos en esta aplicación.

Es importante dejar en claro, con los apartados anteriores, que el código no demanda explícitamente el uso de un sistema de presurización de escaleras, como algunos profesionales hacen ver de manera incorrecta. Lo que el código solicita únicamente es un cerramiento a prueba de humo, por lo que queda en el profesional definir el mejor método para lograr ese objetivo de desempeño.

Normativa asociada

Se mencionó en párrafos anteriores la NFPA 101: Código de Seguridad Humana, que nos brinda definiciones específicas y establece requerimientos mandatorios relacionados con los medios de egreso seguro; sin embargo, al momento de diseñar un sistema de control de humo y, en específico, una presurización de escaleras, no nos especifica qué debemos considerar, más allá del criterio de desempeño.

Para enfocarnos propiamente en el sistemas de control de humo, la NFPA 101 nos envía a consultar otro estándar de diseño, NFPA 92: Estándar para los Sistemas de Control de Humo.

El uso del estándar NFPA 92 constituye la principal herramienta para diseñar, instalar y probar sistemas de control de humo de una manera adecuada, cubriendo la implementación de diferentes dispositivos, la integración con otros sistemas electromecánicos en el edificio y considerando las distintas características arquitectónicas, sin dejar de lado los efectos ambientales que puedan afectar el desempeño del sistema (temperatura y viento).

Seguir este estándar nos hará caer en cuenta que los sistemas de control de humo en su mayoría son sistemas diseñados basados en el desempeño, lo que significa que se debe considerar el objetivo de protección contra incendios; es decir, distintas alternativas de diseño y utilizar herramientas de ingeniería adecuadas.

Otro estándar que suele utilizarse en Latinoamérica es la norma española UNE EN 12101-6 (Sistemas para el control de humo y de calor. Parte 6: Especificaciones para los sistemas de diferencial de presión. Equipos).

Su uso prácticamente se da por la facilidad del idioma español (ya que la NFPA 92 sólo se encuentra disponible en inglés) y además por la influencia que representan algunos fabricantes europeos de equipos para presurización. Este estándar, a diferencia de la NFPA 92, dicta requerimientos específicos, según una clasificación definida con base en la ocupación del edificio.

Al momento de considerar el uso de un estándar u otro principalmente debe regir lo que dicte el código local o la guía de diseño específica del cliente, en caso de existir uno; de otra manera, lo recomendable es utilizar el estándar con el que el profesional en protección contra incendios se encuentre m.s familiarizado.

Lo que se debe evitar es combinar la aplicación de diferentes familias de estándares, sin antes comprender las diferencias que existen entre ellas. Algunos abordajes incorrectos de UNE EN 12101-6 que he llegado a ver radican en que el dise.ador no clasifica bien, dado que no tiene familiaridad con las definiciones que da el estándar, teniendo como resultado diseños sobredimensionados y, por lo tanto, sobrecostos.

La norma española UNE EN 12101-6, a diferencia de la NFPA 92, dicta requerimientos específicos, según una clasificación definida con base en la ocupación del edificio

Otro punto importante por definir con el cliente y la autoridad con jurisprudencia es el nivel de seguridad aceptable que se espera conseguir. La flexibilidad de utilizar distintos estándares puede poner eso en duda. Un ejemplo es Costa Rica, donde utilizar códigos y estándares NFPA es mandatorio por ley, lo que no impide realizar diseños con UNE EN 12101-6, siempre y cuando el profesional encargado del diseño logre comprobar que el nivel de seguridad no se ve disminuido.

Diseño de presurización de cerramientos de escaleras

La presurización de cerramientos de escaleras es un método utilizado para limitar la entrada de humo al medio de egreso seguro. Este sistema consiste en un ventilador que toma aire del exterior y lo inyecta hacia dentro de la escalera, generando una barrera entre el interior y el exterior, limitando que el humo ingrese a la escalera a trav.s de los distintos puntos de fuga que puedan existir en su envolvente.

La confiabilidad de este sistema radica en su simplicidad. La ubicación estratégica del ventilador para evitar que este tome aire exterior contaminado de humo o de otras salidas del edificio (por ejemplo, gases de combustión de un grupo electrógeno) es clave al momento de definir la estrategia de control de humo, así como integrar otros dispositivos, como compuertas corta humo y detectores de humo en el suministro del aire exterior.

Lo que se debe evitar cuando se tiene un diseño de protección contra incendio en medios de egreso es combinar la aplicación de diferentes familias de estándares, sin antes comprender las diferencias que existen entre ellos

Lo descrito anteriormente nos llevará a proveer un sistema que sea más seguro en operación y que evite generar un peligro adicional a los ocupantes al momento de una evacuación por un evento de incendio.

Los sistemas de presurización de escaleras pueden considerarse como los más simples dentro del abanico de aplicaciones de control de humo; no obstante, esto no los define como sistemas triviales de diseñar, sabiendo principalmente que la complejidad del edificio definirá a su vez la complejidad de la estrategia de control de humo.

Tomando como referencia estándares NFPA, el diseño de un sistema de presurización de escaleras abarca diferentes estándares, comenzado por NFPA 101, que nos indica el criterio de desempeño; luego, NFPA 92, con requerimientos específicos a cumplir, el cual a su vez hace referencia a otros estándares para diseño e instalación (NFPA 70: Código Eléctrico Nacional; NFPA 72: Código Nacional de Alarmas de Incendios y Señalización; NFPA 90A: Norma para la Instalación de Sistemas de Aire Acondicionado y Ventilación).

Sobre el cálculo de estos sistemas, lo principal es dimensionar el ventilador que suministrará el aire para la presurización, que se alcanza a través de la cuantificación de fugas (a través de paredes, puertas, ventanas y demás aperturas) y al mismo tiempo alcanzar una presión mínima entre la barrera de humo.

Estos datos de presión mínima son indicados en NFPA 101 y se expanden en NFPA 92. Sobre la presión máxima, NFPA 101 indica:

_{» 7.2.3.9.1 […] La diferencia de presión a través de las aberturas de las puertas no debe exceder aquella que permita que la hoja de la puerta comience a abrirse mediante una fuerza de 30 lbf. (133 N), de acuerdo con 7.2.1.4.5.}

En el siguiente cuadro se muestran las presiones m.nimas por alcanzar, haciendo diferencia entre edificios con rociadores y sin rociadores.

La diferencia de presiones por tipo de edificio se da fundamentalmente porque el movimiento del humo se ve alterado por el efecto enfriador que genera el agua, haciendo que el humo pierda flotabilidad y con esto la posibilidad de expandirse rápidamente en un recinto cerrado.

Para dimensionar los ventiladores de presurización, hay dos formas principales:

• Con métodos algebraicos
• Con modelado multizona

La selección del método de cálculo se basa principalmente en la complejidad del edificio y la experiencia del diseñador. Para edificios sencillos, donde la distribución del edificio piso a piso se mantiene con pocos cambios (por ejemplo, uso residencial), un análisis mediante métodos algebraicos puede ser suficiente, siempre que el impacto del viento no sea considerable.

Un edificio complejo, en cambio, puede ser uno donde la distribución piso a piso contiene grandes cambios (por ejemplo, edificio de uso mixto). Para este caso, lo recomendable es utilizar un modelado multizona, como el software CONTAM desarrollado por NIST.

Este último método también es recomendable para edificios muy altos, donde pueda existir la posibilidad de que el ducto de escaleras deba separase en varios segmentos para proveer una presurización adecuada.

En la Figura 1 se ejemplifica un modelado multizona utilizando CONTAM. Acá se diferencian los ductos de escalera en rojo, los elevadores en naranja y las demás zonas abiertas en diferentes colores. La presión positiva la muestran las líneas en rosa oscuro, mientras que el flujo por inyección o a través de fugas lo muestran las verdes. El modelado multizona ofrece varias ventajas, como incluir el impacto del viento, impacto de la altura (efecto chimenea), pueden compararse varios escenarios según temperaturas y se puede analizar la variación de desempeño del sistema en caso de que el diseñador considere puertas abiertas. Algunas de estas consideraciones son variables que el método algebraico deja fuera, por lo que es importante que el diseñador conozca las limitaciones.

Ya que un mismo edificio puede contar con diferentes sistemas de control de humo, una aplicación muy típica del modelado multizona es conocer interacción que pueden tener estos sistemas entre sí, siendo esto un requisito indicado en NFPA 92.

Para mayor comprensión y apoyo en cálculos es aconsejable complementar los requerimientos de NFPA 101 y NFPA 92 con el Handbook of Smoke Control Engineering, desarrollado por la American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) en conjunto con la Society of Fire Protection Engineers (SFPE) y el International Code Council (ICC).

Conclusión

Los sistemas de control de humo,en específico los sistemas de presurización de escaleras, son sistemas de protección contra incendios que proveen una capa de seguridad adicional en las edificaciones.

En Latinoamérica, donde el campo de la protección contra incendios tiene un desarrollo relativamente nuevo, es fundamental la capacitación continua en estos sistemas, los cuales no son tan típicos como los rociadores automáticos y las alarmas contra incendios, que han tenido un desarrollo más amplio. Por lo tanto, cuando estos deban ser diseñados, lo primordial es que sea por profesionales en ingeniería con experiencia en protección contra incendios, que tengan conocimiento de los estándares aplicables y que sepan utilizar las herramientas adecuadas para su cálculo.