Herramientas de simulación del incendio para la investigación de siniestros

En junio de 2017, un fuego originado en la cocina de uno de los apartamentos de la torre Grenfell de Londres se convirtió en una de las peores tragedias provocadas por un incendio en las últimas décadas, con 71 víctimas mortales ^[1]. Entre otras causas, la gravedad del siniestro se debió a la rápida propagación vertical del incendio en la fachada este y, en una fase posterior, a la propagación horizontal en sentido horario y anti-horario alrededor de la torre. Otro factor clave fue la propagación del incendio desde la fachada al interior de los apartamentos a través de las ventanas. Los incendios de fachadas en edificios con sistemas constructivos que incluyen aluminio, revestimientos composite y aislamientos como el de la torre Grenfell, han sido objeto de atención en los últimos tiempos ^[2][3][4].

Para investigar lo ocurrido en el incendio de la fachada de la torre, Efectis ha realizado la reconstrucción del siniestro usando un método de simulación por etapas, basado en resultados experimentales ^[5]. Estos sistemas de fachada están constituidos por diferentes componentes ensamblados. La interacción entre los materiales, así como las condiciones de montaje y fijación, les comportan gran complejidad. El uso de herramientas de simulación basadas en datos experimentales es esencial para predecir el comportamiento de estos sistemas complejos y para identificar el rol de cada uno de sus componentes en el comportamiento del conjunto en caso de incendio.

La primera etapa del estudio consistió en la reconstrucción del incendio a partir del análisis de los datos disponibles de la investigación oficial ^[6][7]. Como resultado se obtuvo un modelo 3D que recoge las observaciones reportadas del incendio y que permitió determinar las velocidades de propagación de las llamas, la duración de dichas llamas y la localización del incendio cronológicamente.

En una segunda etapa se evaluó la propagación del incendio en la fachada mediante el modelo de campo FDS (Fire Dynamics Simulator del NIST) al que se integró un modelo de pirólisis. El modelo se definió a través de un estudio experimental-computacional a diferentes escalas. En el modelo se utilizaron propiedades físicas de los materiales obtenidas de literatura científica y de ensayos a pequeña escala (por ejemplo, de cono calorimétrico). Este primer modelo se validó con los resultados de ensayos a media escala (de acuerdo a la ISO 13785-1) de nueve combinaciones de sistemas de fachada ventilada de aluminio con composite y tres aislamientos diferentes. De este modo, se pudo refrendar la capacidad del modelo de cálculo para replicar los diferentes fenómenos ocurridos ante distintas combinaciones de revestimientos y aislamientos. Los resultados de las simulaciones se compararon con los obtenidos en los ensayos (heat release rate, gases, temperaturas, radiación, carbonización, etc.) ^[8].

Tras haber analizado la fachada y validado el modelo de incendio de la misma, la siguiente etapa consistió en realizar simulaciones del incendio a la escala del apartamento origen del siniestro y, posteriormente, a la escala de la torre. Los resultados de estos cálculos se compararon y validaron con el modelo 3D de observación del incendio real ^[10][11][12].

Con el modelo validado a la escala de la torre se analizaron las interacciones entre el revestimiento y el aislamiento, así como el comportamiento de la cámara de aire. Mediante herramientas de cálculo adaptadas se analizaron igualmente puntos singulares, como el montaje y fijación de los perfiles, los paneles de relleno de los huecos de las ventanas o el comportamiento termo-mecánico de los marcos de las ventanas. Por ejemplo, la influencia de la posición de las ventanas en el momento del siniestro (abierta o cerrada) se analizó con el programa de elementos finitos Ansys. Con ello se pudo observar la importancia del material de poliamida empleado para la rotura de puente térmico de las ventanas ^[13].

En una etapa final, el modelo se utilizó para evaluar el efecto que tendrían en el desarrollo del incendio diferentes variaciones sobre el sistema de fachada:

¿Qué pasaría si la fachada ventilada tuviese un material composite de revestimiento con combustibilidad limitada A2 en vez del existente en la torre (de polietileno)?

¿Y si se hubiese sustituido el aislamiento de PIR por uno incombustible A1 de lana de roca?

¿Cuál hubiese sido el resultado si las ventanas hubiesen sido EI 30?

El modelo validado puede emplearse para responder a este tipo de preguntas, que ayudarán a mejorar el futuro diseño de los sistemas de fachadas ventiladas y para investigar la interacción entre el fuego de la fachada y la propagación al interior del resto de los apartamentos de la torre.

Las principales conclusiones de este trabajo han permitido mostrar:

• La probabilidad de transmisión a la fachada de un incendio localizado de apartamento, comenzando en una cocina de la cuarta planta, era muy elevada teniendo en cuenta el sistema constructivo utilizado.
• La rápida propagación del incendio ha sido debida sobre todo al comportamiento al fuego del composite ACM-PE. Los estudios realizados sobre el cambio de aislamiento han mostrado muy pocas diferencias entre el sistema de fachada de la torre (ACM-PE + PIR) y un sistema de fachada utilizando lana mineral y el mismo paramento. En cambio, la utilización de un paramento ACM-A2 haría imposible la propagación, ya sea el aislamiento de PIR o de lana mineral. Igualmente, las barreras presentes en la cavidad han jugado un rol de ralentización de la propagación mientras el paramento exterior estaba aun presente.
• El punto débil que permitió la entrada del fuego a los apartamentos es la resistencia al fuego de las ventanas. Esto muestra hasta que punto interactúan en este tipo de siniestros el conjunto de los productos de construcción y los sistemas constructivos utilizados en un edificio.

Efectis está desarrollando investigaciones complementarias sobre el estudio de la sensibilidad del modelo del incendio y sobre las interacciones fachada-apartamento en los humos. Estas investigaciones podrán responder a diversas cuestiones, principalmente a la naturaleza y el origen de los humos sobre los rellanos y escaleras de la torre.

^[1] Collection: Grenfell Tower. UK Department for Communities and Local Government, https://www.gov.uk/government/collections/grenfell-tower

^[2] J. Valiulis. Building Exterior Wall Assembly Flammability: Have we forgotten the past 40 Years? In Fire Engineering Magazine, November 2015.

^[3] N. White, M. Delichatsios. Fire Hazards of Exterior Wall Assemblies Containing Combustible Components. FPRF final report, project FE2568, Quincy, MA, USA, 2004

^[4] N. White, M. Delichatsios, M. Ahrens, A. Kimball. Fire hazard of exterior wall assemblies containing combustible components. Proceedings of 1st International Seminar for Fire Safety of Facades., Paris, pp. 77-88, 2013

^[5] E. Guillaume, T. Fateh, R. Schillinger, R. Chiva, S. Ukleja. Study of fire behaviour of façade mock-ups equipped with aluminium composite material-based claddings, using intermediate-scale test method. Fire and Materials, 2018;1-17. https://doi.org/10.1002/fam.2635

^[6] L. Bisby. Grenfell Tower Inquiry report. Phase 1: Expert report. 2nd April 2018. https://www.grenfelltowerinquiry.org.uk/evidence/professor-luke-bisbys-expert-report

^[7] B. Lane. Grenfell Tower – Fire safety investigation. 12th April 2018. https://www.grenfelltowerinquiry.org.uk/evidence/dr-barbara-lanes-expert-report

^[8] Dréan V., Girardin B., Guillaume E., Fateh T. (2019) Numerical Simulation of the Fire Behaviour of Façade Equipped with Aluminium Composite Material-Based Claddings – Model validation at intermediate-Scale, Fire and Materials. 2019; 1–18. DOI: 10.1002/fam.2745

^[9] Dréan V., Girardin B., Guillaume E., Fateh T. (2019) Numerical Simulation of the Fire Behaviour of Façade Equipped with Aluminium Composite Material-Based Claddings – Model validation at Large Scale, Fire and Materials. 2019; 1–18. DOI: 10.1002/fam.2759

^[10] Guillaume E., Dréan V., Girardin B., Benameur F., Fateh T. (2019) Reconstruction of Grenfell tower fire - Part 1: lessons from observations and determination of work hypotheses, DOI: 10.1002/fam.2766

^[11] Guillaume E., Dréan V., Girardin B., Koohkan M., Fateh T. (2019). Reconstruction of Grenfell tower fire - Part 2: A Numerical Investigation of the Fire Propagation and Behaviour from the Initial Apartment to the Grenfell Tower Façade. DOI: 10.1002/fam.2765

^[12] Guillaume E., Dréan V., Girardin B., Benameur F., Koohkan M., Fateh T. (2019). Reconstruction of Grenfell tower fire - Part 3: Numerical Simulation of the Grenfell Tower Disaster: Contribution to the understanding of the fire propagation and behaviour during the vertical fire spread. DOI: 10.1002/fam.2763

^[13] Koohkan M., Dréan V., Guillaume E., Girardin B., Fateh T., Duponchel X. (2020) Reconstruction of Grenfell tower fire - Thermomechanical analysis of window failure during the Grenfell Tower disaster, Fire Technology, https://doi.org/10.1007/s10694-020-00980-4