Por: Ing. Oscar Mauricio Barajas Pinzón / Ingeniero Mecánico de la Universidad Nacional de Colombia 1995 / Maestría en Ingeniería en Protección Contra Incendios de la Universidad de Maryland 2017 / Maestría en Automatización Industrial de la Universidad Nacional de Colombia 2001 / MBA (Maestría en Administración de Negocios) de la Universidad de Phoenix USA 2008 / Especialista en Respuesta en Emergencias de la Universidad de Texas A&M, USA 2009 / Especialista Certificado en Protección Contra Incendios CEPI de NFPA / Actualmente es Loss Prevention Engineer para la petrolera Saudi Aramco en Abqaiq, Arabia Saudita.
Introducción: Ingenieros en Protección Contra Incendios en la industria de Oil & Gas usualmente siguen los lineamientos de códigos tales como NFPA y API, para asegurar que se logre un determinado nivel de protección en las instalaciones. En las dos últimas décadas, se han realizado extensas investigaciones para introducir el concepto de Diseño Basado en Desempeño. Los códigos y regulaciones ofrecen soluciones para problemas convencionales si el nivel de incertidumbre es bajo. Siguiendo códigos establecidos por entidades normativas y reguladoras, transfiere parte del riesgo a las autoridades. En el sistema de diseño basado en desempeño, se generan soluciones costo-efectivas teniendo en cuenta escenarios, objetivos y resultados específicos, más que ajustarse a soluciones preestablecidas en los códigos [1] [7].
El SFPE “Engineering Guide to Performance Based Fire Protection” define diseño basado en desempeño como aquella práctica de ingeniería enfocada en definir el sistema de protección contra incendios que más se ajusta al nivel deseado de protección definido por el usuario, considerando los objetivos de seguridad contra incendios, el análisis probabilístico y determinístico de los escenarios de incendio y la evaluación cuantitativa de alternativas de diseño [2] [5].
Esta definición identifica tres atributos del diseño basado en desempeño. El primero es la determinación del nivel deseado de protección contra incendio. El segundo es la inclusión del diseño de la edificación. El tercer atributo es la consideración de análisis de ingeniería y el planteamiento de alternativas de diseño para cumplir las necesidades del usuario.
Referencias documentales y normativas:◥◥ SFPE “Engineering Guide to Performance Based Fire Protection”.
◥◥ NFPA 101A “Guide on Alternative approaches to Life Safety”.
◥◥ NFPA 555 “Guide on methods for Evaluating Potential for Room Flashover”.
Objetivos y proceso de diseño basado en desempeño:
Los tres objetivos principales en diseño basado en desempeño son [1]:
◥◥ Protección a los ocupantes: una estructura debe ser diseñada para proteger a los ocupantes que no se encuentran involucrados con el fuego, ofreciendo suficiente tiempo y espacio para evacuar de forma segura.
◥◥ Integridad estructural: la integridad estructural de la edificación debe mantenerse durante el tiempo necesario para permitir la evacuación o reubicación de los ocupantes en caso de incendio.
◥◥ Continuidad del negocio: la organización implementa diseños robustos que permiten la continuidad del negocio al minimizar potenciales pérdidas por incendios.
Generalmente, el diseño de un sistema de protección contra incendios usando criterios de desempeño, sigue los siguientes pasos:
1. Definición del alcance del proyecto.
2. Determinación de metas de seguridad.
3. Selección de los criterios de desempeño.
4. Determinación y desarrollo de creíbles escenarios de incendio. Análisis de ocupación.
5. Planteamiento de preguntas clave para tomar decisiones.
6. Planteamiento de diseños de prueba.
7. Evaluar los diseños de prueba con respecto a los escenarios de incendio y plantear modificaciones
hasta cumplir los criterios de desempeño.
8. Selección del diseño final.
Figura 1. Secuencia de pasos durante procesos de diseño basado en desempeño.
Determinación de metas: Las metas son los resultados finales deseados cuando la edificación se encuentra afectada por un creíble escenario de incendio o emergencia [4]. Generalmente estas metas se expresan en términos de impacto sobre las personas, la propiedad, la interrupción del negocio o el impacto al medio ambiente. Ejemplos de metas en los que la metodología de diseño basado en desempeño se aplica, son los siguientes:
1. Minimizar el número de personas afectadas por el fuego y evitar fatalidades.
2. Minimizar los potenciales daños a la edificación, su contenido y sus atributos arquitectónicos e históricos.
3. Minimizar interrupciones al negocio como consecuencia de la materialización de escenarios de incendio y emergencias.
4. Limitar el impacto ambiental.
En las instalaciones y facilidades de la industria de hidrocarburos, los objetivos a considerarse durante el proceso de diseño basado en desempeño pueden ser los siguientes [6]:
1. Garantizar la evacuación de trabajadores y visitantes.
2. Prevenir o limitar la liberación de hidrocarburos.
3. Confinar o redireccionar derrames de hidrocarburos.
4. Minimizar la probabilidad de presencia de fuentes de ignición dentro de las facilidades.
5. Garantizar el accionamiento de los sistemas de parada de emergencia ESD y despresurización de sistemas.
6. Confinar la emergencia a los límites de planta.
Selección de criterios de desempeño: Los criterios de desempeño son un conjunto de valores umbrales que deben considerarse durante el proceso de diseño basado en desempeño. Por ejemplo, los criterios de desempeño para la supervivencia y evacuación segura de los ocupantes de una edificación, medidos a la altura de 1.5 metros sobre el nivel del suelo podrían ser los siguientes:
1. La temperatura no debe exceder 65°C.
2. La concentración instantánea de monóxido de carbono no debe exceder 10.000 ppm.
3. La concentración acumulada de monóxido de carbono no debe exceder 25% de concentración de monóxido de carbono en hemoglobina.
4. La concentración de oxígeno debe mantenerse en un 14% o más.
Los criterios de desempeño para evitar la generación de flashover (o fenómeno de súbita combustión generalizada) en un recinto cerrado pueden ser los siguientes:
1. La temperatura de gases y vapores del incendio en la parte superior del recinto no debe exceder los 600°C.
2. El flujo de calor radiado en el suelo del recinto no debe exceder 20kW/m2.
◥◥ Localización del incendio.
◥◥ Tipo de incendio.
◥◥ Potenciales peligros y riesgos.
◥◥ Sistemas a ser impactados por el fuego.
◥◥ Capacidad de respuesta de los ocupantes.
◥◥ Árbol de eventos.
◥◥ Estimar la probabilidad de ocurrencia de eventos.
◥◥ Estimar las potenciales consecuencias de los eventos.
◥◥ Evaluar el riesgo.
◥◥ Selección final y documentación.
Análisis de ocupación de las edificaciones:
◥◥ Número de ocupantes y densidad de ocupación.
◥◥ Nivel de familiaridad de los ocupantes con la edificación.
◥◥ Distribución de los ocupantes y actividades que se realizan.
◥◥ Capacidad cognitiva y de desplazamiento de los ocupantes: es muy diferente la capacidad de evacuación en guarderías, teatros, hospitales o edificios de oficinas.
◥◥ Roles y responsabilidades de los ocupantes, especialmente en actividades asociadas con manejo de emergencias. Grado de compromiso de los ocupantes con los programas de manejo de emergencias.
Planteamiento de alternativas de diseño y su evaluación con respecto a escenarios de incendio: El primer paso para iniciar un proceso de diseño basado en desempeño es la cuantificación de las características de la edificación a proteger. Dicha evaluación debe considerar los siguientes aspectos:
◥◥ Características arquitectónicas tales como geometría, recubrimiento interior, aberturas, presencia de compartimientos internos.
◥◥ Componentes estructurales de la edificación, incluyendo sus capacidades resistivas al fuego.
◥◥ Carga de fuego.
◥◥ Medios de egreso.
◥◥ Sistemas de protección contra incendios presentes en la edificación.
◥◥ Sistemas de ventilación y aire acondicionado.
◥◥ Capacidad de respuesta ante incendios y emergencias por parte de los ocupantes de la edificación.
◥◥ Aspectos ambientales tales como temperatura externa e interna, velocidad del viento, estaciones.
Ejemplo en centro de control de motores: Este es un ejemplo para ilustrar la selección de criterios de diseño para evaluar la necesidad de instalar un sistema de protección contra incendio basado en agente limpio en un centro de control de motores.
Figura 2. Centro de control de motores.
Estas son las preguntas que el diseñador basado en desempeño debe plantearse para definir la necesidad de instalar un sistema de agente limpio en el área:
1. ¿El lugar a proteger no es vital para la continuidad del negocio?
2. ¿El cableado cumple requisitos de IEEE979 y NFPA 70?
3. ¿Se dispone de un sistema de detección y alarma de acuerdo con los lineamientos de NFPA 72?
4. ¿Hay distanciamiento de seguridad entre cubículos de acuerdo con NFPA 70E?
5. ¿El techo, entretecho y piso falso se han construido utilizando materiales ignífugos?
6. ¿El área se encuentra protegida con extintores de CO2?
7. ¿El recinto tiene salida de emergencia con puertas que abren hacia afuera con chapas antipánico?
8. ¿Existe una Brigada de control de incendios en la facilidad, confiable en la respuesta y entrenada?
Si la respuesta es sí a todas estas preguntas, no es necesario implementar sistemas de protección contra incendios a base de agentes limpios.
Figura 3. Sistema de protección a base de Agente Limpio en Centro de Control de Motores.
Este es solo un ejemplo, estos criterios de diseño pueden variar de organización en organización:
Figura 4. Esquema de decisión para instalar sistemas de agente limpio en cuartos de control de motores.
Ejemplo en bodega de materiales ubicada en sótano de clínica: Otro ejemplo que sirve para ilustrar la filosofía de Diseño Basado en desempeño es la evaluación de la necesidad de instalar rociadores automáticos en una bodega de materiales ubicada en un sótano.
Figura 5. Bodega de Materiales.
Las preguntas que el diseñador basado en desempeño debería plantearse son las siguientes:
1. ¿El almacenamiento de líquidos inflamables y combustibles es limitado y las cantidades son inferiores a la máxima cantidad permisible establecida en NFPA 30?
2. ¿Existe segregación de materiales?
3. ¿Se dispone de un sistema de detección y alarma de acuerdo con los lineamientos de NFPA 72?
4. ¿El techo, entretecho y piso falso se han construido utilizando materiales ignífugos?
5. ¿El área se encuentra protegida con extintores listados siguiendo los requerimientos de NFPA 10?
6. ¿El recinto tiene salida de emergencia con puertas que abren hacia afuera con chapas antipánico?
7. ¿Existe un sistema de iluminación de emergencia?
8. ¿Existe una Brigada de control de incendios en la facilidad, confiable en la respuesta y entrenada?
Para este caso en particular, si la respuesta es sí a todas estas preguntas, no es necesario implementar sistemas de protección contra incendios a base de rociadores automáticos. Sin embargo, los sistemas disponibles tales como alarmas, extintores, iluminación de emergencia, salidas de emergencia deben estar en buenas condiciones de funcionamiento y mantenimiento. La brigada de emergencia debe estar entrenada, actualizada y disponible al llamado.
Es importante aclarar que estos son solo ejemplos. Los objetivos de desempeño y los criterios para tomar la decisión pueden variar de organización en organización. Esto depende de su nivel de riesgo aceptado, análisis de riesgos, su programa específico de continuidad de negocio y requerimientos legales en el país o región en donde se encuentra la instalación.
Conclusiones:
◥◥ En la industria de hidrocarburos la combinación de códigos prescriptivos y criterios de diseño basado en desempeño que consideren la detallada evaluación de escenarios y análisis de consecuencias provee un claro entendimiento de los riesgos creíbles y los ingredientes necesarios para generar soluciones costo-efectivas en ingeniería en protección contra incendios.
◥◥ El diseño basado en desempeño es una práctica de ingeniería que permite definir el sistema de protección en contra incendios que más se ajusta a los criterios de protección definidos por el usuario sin necesidad de implementar sistemas de protección contra incendios que pueden estar sobre diseñados o sobredimensionados con respecto al riesgo a proteger, si se siguen tradicionales códigos prescriptivos.
◥◥ Los objetivos de desempeño y los criterios para tomar la decisión pueden variar de organización en organización. Esto depende de su nivel de riesgo aceptado, análisis de riesgos, su programa específico de continuidad de negocio y requerimientos legales en el país o región en donde se encuentra la instalación.
◥◥ La implementación de diseño basado en desempeño está en función de la disciplina de los ocupantes para hacer buen uso de la edificación, por ejemplo, evitando introducir adicionales cargas de fuego, manteniendo los sistemas de protección contra incendio en buenas condiciones, manteniendo las vías de evacuación libres de obstáculos y bien señalizadas.
◥◥ Para minimizar los niveles de subjetividad y potenciales inconsistencias que ha afectado los beneficios del uso de diseño basado en desempeño en ingeniería en protección contra incendios, las decisiones pueden optimizarse mediante el uso de modelos y software de simulación. Recientemente, el desarrollo de guías de diseño basado en desempeño ha permitido crear los cimientos para demostrar equivalencias con códigos prescriptivos tales como NFPA 30 y NFPA 101 [3].
◥◥ En algunos países, existe la visión de que es preferible demorar la implementación de la filosofía de diseño basado en desempeño hasta que se desarrollen metodologías validados y por tal motivo su aplicación no es común. Incluso métodos menos confiables (heurísticos) continúan aplicándose e implementándose porque crean más sensación de seguridad en los usuarios y diseñadores. Algunos países han desarrollado buenos esquemas de diseño basado en desempeño tales como Australia y Nueva Zelanda [3].
Referencias
[1] PUCHOVSKY Milosh T, HURLEY Morgan J. Performance Base Codes and Standards for Fire Safety. Fire Protection Handbook. Section 3, Chapter 10. National Fire Protection Association. 20th Edition.
[2] MOWRER W Frederick, ROSENBAUM Eric R. Overview of Performance-Based fire protection design. Fire Protection Handbook. Section 3, Chapter 11. National Fire Protection Association. 20th Edition.
[3] BECK, Vaughan. Performance Based Fire Engineering Design and its application. Centre of Environmental Safety and Risk Engineering. Victoria University of Technology 2019.
[4] BAKER, Gres. FRANK, Kevin and others. The next generation of performance based fire safety engineering. New Zealand 2019.
[5] HURLEY, Morgan J & ROSENBAUM Eric R. Performance Based Fire Safety Design. CRC Press. 2015.
[6] WANG, Yong. BURGESS, Ian. GILLIE, Martin. Performance-based fire engineering of structures. CRC Press. 2012.
[7] NOUR, Moataz. Fire Safety Design Systems between Performance-Based vs Prescriptive Design – Tools and Challenges. Texas A&M University. 2018.
[8] MARTINEZ Anthony. Credible scenarios: the key to good emergency response plans. Safety in Focus. Saudi Aramco. Saudi Arabia. September 2016.
[9] ROZAKIS, Laurie. Writing Great Research Papers. Schaum’s Quick Guide. Second Edition. Mc Graw Hill. 2017.
[10] WALLACE, William, JANKOVICZ, Davi and O´Farrel Patrick. Introduction to Business Research. Edinburgh Business School. Heriot-Watt University. 2017.
[11] IEEE, Publishing Services Department, «Preparation of Papers in a two-column format for IEEE photooff set publications», Instructivo para autores del IEEE. New York. 1983.
[12] IEEE, Publishing Services Department, «Information for authors», Instructivo para autores del IEEE. New York. 1983.
