Diseño prestacional en seguridad contra incendios: incertidumbres

La Guía de la SFPE para el diseño prestacional en protección de incendios¹⁴ define el diseño prestacional como una aproximación de ingeniería para el diseño de las medidas de PCI basada en (1) metas y objetivos de diseño acordados, (2) análisis probabilístico y/o determinístico de los escenarios de incendio, y (3) evaluación cuantitativa de las alternativas de diseño frente a las metas y objetivos de seguridad contra incendios, utilizando herramientas, metodologías, y criterios de eficacia aceptados.

El uso del diseño prestacional (PBD) para establecer las medidas adecuadas de PCI y evaluar el riesgo de incendio en un entorno determinado es una práctica cada día más frecuente en los países del mundo desarrollado, donde la ingeniería de protección de incendios es además una profesión universitaria aprendida y regulada.

Diferencias con los códigos prescriptivos
Al contrario de lo que ocurre con el diseño prescriptivo (cumplimiento de los requisitos del código o reglamento), el diseño prestacional permite al ingeniero de PCI desarrollar diferentes estrategias de seguridad contra incendios que satisfagan los requisitos de seguridad, y al mismo tiempo tener en cuenta las necesidades funcionales o estructurales del edificio o industria.

Por otro lado, el diseño prestacional permite prever cómo se comportará el edificio o industria ante los diferentes escenarios de incendio, lo que no ocurre cuando se utiliza el diseño prescriptivo, en que solo sabemos que “cumple el código”.

Sin embargo, el uso del diseño prestacional y sus herramientas, precisa de varios condicionamientos críticos para garantizar la fiabilidad de los resultados.

• La intervención en el proceso de ingenieros de PCI con los necesarios conocimientos y experiencia (mucho más exigentes que los requeridos para el diseño prescriptivo).
• Cumplimiento puntual de todos y cada uno de los requisitos de las Guías de Diseño aceptadas.
• Revisión de los diseños en un proceso de revisión por pares (“Peer Review”).
• La existencia de códigos que contemplen el diseño prestacional con indicación de metas, objetivos y criterios de eficacia.

A este respecto, la SFPE ha publicado varios documentos relacionados con las condiciones de idoneidad que deberían cumplir los profesionales de la ingeniería de seguridad contra incendios, para desarrollar una buena práctica,: “Recommended Minimum Technical Core Competencies for the Practice of Fire Protection Engineering¹”, “SFPE ECCG: White Paper for Professional Recognition for Fire Safety Engineering²”, “SFPE Canons of Ethics³”, Guidelines for Peer Review in the Fire Protection Design Process (2020)¹⁵

Dentro de las herramientas utilizadas en la evaluación de los diseños se encuentran los modelos matemáticos de fuego, que permiten obtener predicciones de los efluentes del fuego en los diferentes escenarios de incendio, y los modelos de movimiento de personas que facilitan estimaciones cuantitativas de los tiempos requeridos para el desplazamiento de los ocupantes a un lugar seguro. El grado de complejidad de estos modelos puede variar, desde simples fórmulas matemáticas hasta los más sofisticados modelos computacionales. Los modelos de fuego son también usados para los análisis forenses en la investigación de incendios. [4,5]

Un determinado modelo puede resultar adecuado para una determinada aplicación e inadecuado para otra. La SFPE tiene publicada una guía al respecto: Guidelines for Substantiating a Fire Model for a Given Application⁶.

Cuando se utilizan los modelos pueden producirse diferencias entre las predicciones facilitadas por los mismos y la realidad de lo que finalmente ocurra en los incendios o en los procesos de evacuación analizados. Estas potenciales diferencias se engloban en un concepto que se denomina incertidumbre, y que el ingeniero de PCI, usuario del modelo, debe conocer, cuantificar y tener en cuenta a la hora de establecer la fiabilidad y la precisión de los cálculos.

Para evaluar la magnitud global de la incertidumbre se deben tener en cuenta, al menos, tres conceptos de análisis:

1. La verificación del modelo.
2. La validación del modelo. 
3. Los errores procedentes del usuario.

La verificación del modelo consiste en la justificación de que el modelo computacional representa al modelo conceptual que ha servido de base para su desarrollo, en cuanto a los códigos de escritura del modelo y dentro de unos límites especificados de precisión. Este factor, normalmente, queda garantizado por la solvencia de la entidad autora del modelo.

La validación del modelo puede consistir en la comparación de los resultados de ensayos reales de un incendio con las predicciones del modelo. La SFPE Engineering Guide to Substantiating a Fire Model for a Given Application⁶ señala que no existe una única definición, ampliamente aceptada, para el concepto de «validación de un modelo». La Guía ASTM E-1355, Standard Guide for Evaluating the Predictive Capability of Deterministic Fire Models⁷ identifica tres métodos para realizar la validación de un modelo de fuego: validaciones ciegas, especificadas y abiertas.

Los errores procedentes del usuario, asumiendo de partida que el mismo cuenta con la adecuada preparación y experiencia, pueden provenir de una diversidad de fuentes, entre las que cabría resaltar la exactitud con que se represente el espacio analizado en el modelo, (p.ej. el tamaño de las celdas en un modelo CFD) o los errores cometidos en la selección de los datos de entrada.

Para obtener una estimación final de la magnitud de la incertidumbre involucrada en el uso de un modelo, se debe contar siempre con un estudio de sensibilidad. En este tipo de estudio, básicamente, se mide en qué grado varían los datos de salida en función de la variación de los datos de entrada. Si una pequeña variación en un dato o en un determinado grupo de datos de entrada, produce grandes variaciones en los datos de salida, los resultados de la evaluación podrían resultar inaceptables.

Un artículo de referencia, sobre incertidumbres en el uso de modelos, que ilustra los puntos expuestos anteriormente es: “Round-robin Study of A Priori Modelling Predictions of the Dalmarnock Fire Test One⁸”.

Un experimento de contraste
En 2006, se encontraba programada la demolición de un edificio de apartamentos de 23 plantas, situado en el barrio de Dalmarnock de la ciudad escocesa de Glasgow. Esta circunstancia fue aprovechada por un grupo de investigadores del BRE Centre for Fire Safety Engineering de la Universidad de Edimburgo para llevar a cabo un estudio experimental sobre un incendio a “escala real” con el contenido típico real de un apartamento, mobiliario y otros combustibles, textiles, papeles, ordenadores, etc. Los detalles de la preparación de la prueba se pueden obtener en “Characterisation of Dalmarnock Fire Test One” ⁹

Los investigadores se fijaron dos objetivos para las pruebas. El primero fue evaluar el estado del arte sobre la modelización de fuego. El segundo fue realizar una segunda validación “a posteriori”, teniendo en cuenta las mediciones obtenidas durante las diversas pruebas realizadas. (“A posteriori modelling of the growth phase of Dalmarnock Fire Test One”¹⁰).

Para evaluar el estado del arte de la modelización de incendio, se hizo una invitación global a los usuarios de modelos de fuego que pudieran tener interés en participar en el estudio. Finalmente se realizó un estudio “round-robin” con la participación de 10 equipos de modelizadores, procedentes de diversos países en todo el mundo. Ocho de ellos utilizaron el modelo CFD (FDSv4)¹¹ y dos utilizaron el modelo de zona (CFASTv6)¹².

A todos los equipos se les solicitó que predijeran, tan aproximadamente como pudiesen, los diversos parámetros, sin utilizar factores de seguridad típicos para el diseño. A cada equipo de modelización se le facilitó toda la información detallada sobre las dimensiones, situación y características de los diversos combustibles (mobiliario) existentes en cada cuarto, ubicación y características de las fuentes de ignición, condiciones de ventilación, etc.

El objetivo de la prueba no era realizar un análisis del riesgo de incendio, sino comparar las predicciones de los modelos con los resultados reales medidos por los sensores. La predicción fue realizada “a ciegas”, es decir “a priori” de la realización de las pruebas reales. La mayoría de los equipos decidieron utilizar el modelo Fire Dynamics Simulator (FDSv4)¹¹.

La comparación de los resultados de las diversas modelizaciones mostró grandes diferencias entre ellas, y entre ellas y las mediciones reales. La comparación con las mediciones experimentales mostró una gran dispersión y una considerable disparidad (mucho mayor que el error y variabilidad asociados a los experimentos). En general, el estudio puso en evidencia que la precisión de la predicción del crecimiento del fuego fue escasa.

En definitiva, el resultado de las evaluaciones “a priori”, realizadas los diez grupos de trabajo, expertos en modelización, mostró un pobre resultado. De las diez simulaciones, una produjo buenos resultados; cuatro facilitaron aceptables resultados en alguna forma, y cinco aportaron resultados muy pobres. Ninguna de las predicciones facilitó, con una precisión aceptable, el tiempo preciso para alcanzar el flashover.

El modelo FDS del NIST es una herramienta en continuo desarrollo. Después de la versión FDSv4, utilizada en las diversas simulaciones de este estudio, han visto la luz las versiones 5 y 6, FDSv5 y FDSv6. Podría ocurrir que algunas de las conclusiones que se alcanzan en este artículo no fuesen directamente trasladables a las versiones posteriores mencionadas del modelo FDS.

Establecidas estas precisiones sobre las cautelas y limitaciones a tener en cuenta en el uso de los diversos modelos en la evaluación de los diseños PBD en seguridad contra incendios, o en investigaciones forenses de incendios, no por ello se debería ser reticente ante los beneficios y ventajas que proporciona el diseño prestacional realizado con las debidas garantías en el análisis introspectivo y predictivo de los diferentes escenarios de incendio, en comparación con las limitaciones que impone la aplicación exclusiva de los requisitos prescriptivos.

Conclusiones
El diseño prestacional en PCI se ha venido utilizando con dos fines diferentes: para la justificación de la “cláusula de seguridad equivalente” contenida en los códigos, y en un sentido más amplio para conseguir el cumplimiento de metas, objetivos y criterios de eficacia, que deben quedar establecidos en los códigos que aceptan el diseño prestacional.

En nuestro país, los dos códigos más importantes sobre PCI, el CTE y el RSCIEI aceptan el uso del diseño prestacional, aunque no tienen una estructura similar a la de otros códigos internacionales conocidos que contemplan el diseño prestacional.

Como conclusiones de todo lo anteriormente expuesto, se podría establecer que:

• Solamente los profesionales de la ingeniería de seguridad contra incendios con la formación adecuada y la necesaria experiencia deberían poder participar en los diseños PBD de seguridad contra incendios.
• El uso e interpretación de los resultados de los modelos matemáticos disponibles de comportamiento del fuego y de movimiento de personas en ingeniería de protección contra incendios, debe limitarse asimismo a los profesionales con los conocimientos y experiencia necesarios y los resultados ser revisados en el proceso de Peer Review.
• La SFPE promueve la formación universitaria de los profesionales de ingeniería de protección contra incendios, y en los Estados Unidos, la obtención de la licencia para el ejercicio de Professional Engineer PE a través del NCESS.
• Los diseños prestacionales deberían ser sometidos siempre a un proceso de revisión por pares, de acuerdo lo establecido en la guía de SFPE Guidelines for Peer Review in the Fire Protection Design Process (2020)¹³

REFERENCIAS

1. Recommended Minimum Technical Core Competencies for the Practice of Fire Protection Engineering, SFPE 2018.
2. SFPE ECCG: White Paper for Professional Recognition for Fire Safety Engineering, SFPE European Chapters Coordinating Group (ECCG) Mayo 2014
3. SFPE Canons of Ethics, SFPE www.sfpe.org
4. K. McGrattan, C. Bouldin, and G. Forney. Computer Simulation of the Fires in the World Trade Center Towers (Draft). Technical report, NIST, 2005.
5. W. Grosshandler, N. Bryner, and D. Madrzykowski. Report of the Technical Investigation of The Station Nightclub Fire. Technical report, NIST, 2005.
6. Guidelines for Substantiating a Fire Model for a Given Application, SFPE Guides 2011.
7. ASTM E-1355 Standard Guide for Evaluating the Predictive Capability of Deterministic Fire Models.
8. Rein, Torero, Jahn, et al. Round-robin study of a priori modelling predictions of the Dalmarnock Fire Test One
9. C Abecassis-Empis et al, Characterisation of Dalmarnock Fire Test One
10. Jahn, Rein, Torero, A posteriori modelling of the growth phase of Dalmarnock Fire Test One
11. FDS, Fire Dynamics Simulator, NIST, https://pages.nist.gov/fds-smv/
12. CFAST, Consolidated Fire and Smoke Transport, NIST, https://pages.nist.gov/cfast/
13. Guidelines for Peer Review in the Fire Protection Design Process (2020) – SFPE
14. SFPE Engineering Guide for Performance Based Fire Protection (2007)

Author: Redaccion_OPRA