MÉTODOS DE DISEÑO – SISTEMAS DE ROCIADORES

En el Capítulo 11, la norma NFPA 13-2016, “Standard for the Installation of Sprinkler Systems”, establece los enfoques de diseño (design approaches) para los sistemas de rociadores, e indica que una edificación o parte de la misma puede ser protegida en concordancia con cualquier enfoque de diseño, a la discreción del diseñador (11.1.1). Como sabemos, el objetivo principal del diseño es determinar la demanda máxima esperable del sistema de rociadores (caudal y presión). En ese sentido, la NFPA 13-2016 establece que los requerimientos de la demanda de agua para un sistema de rociadores debe ser determinada de acuerdo a:

 

  1. Enfoque de control de incendios por riesgo de ocupación y enfoques de diseño especial del Capítulo 11.
  2. Enfoques de diseño de almacenaje del Capítulo 12 al Capítulo 20.
  3. Enfoques para ocupaciones especiales del Capítulo 22.

 

También se señala que el suministro mínimo de agua debe estar disponible por lo menos durante el tiempo especificado en los Capítulos 11 (Tablas 11.2.2.1 y 11.2.3.1.2) y 12 (Tabla 12.8.6).

En este artículo trataremos los métodos de diseño contemplados en el Capítulo 11.

Según NFPA 13, los requerimientos de la demanda de agua se pueden determinar ya sea por el método de catálogo de tuberías (pipe schedule), de acuerdo con la Sección 11.2.2, o por los métodos de cálculo hidráulico, de acuerdo con la Sección 11.2.3. Es de resaltar que los aspectos y métodos de diseño de la Sección 11.2 son aplicables sólo para los rociadores standard (tipo spray).

MÉTODO CATÁLOGO DE TUBERÍAS (PIPE SCHEDULE)

El método pipe schedule es la manera más antigua para determinar los tamaños de tubería de los sistemas de rociadores.

En noviembre de 1891, la “Associated Factory Mutual Insurance Company” (actualmente FM Global) emitió la primera guía de instalación de sistema de rociadores automáticos, titulada “Location and Spacing for Automatic Sprinklers”. El diseño de los sistemas de rociadores se basó en un catálogo (schedule) de tuberías, donde el tamaño de una tubería dada dependía de la cantidad de rociadores ubicados “aguas abajo”. Al prescribir un número máximo de rociadores por cada tamaño de tubería, se controlan las pérdidas de presión que ocurren cuando el agua fluye, debido a la fricción.

En 1896, NFPA publicó el primer estándar de rociadores contra incendios. En el mismo se prescribió el catálogo (schedule) de instalación de tuberías, que identificaba la cantidad máxima de rociadores que podía alimentar una tubería de tamaño determinado. El primer pipe schedule fue el sistema 1-2-4, en el cual, una tubería de ؾ” podía alimentar un rociador, una tubería de Ø1” podía alimentar 2 rociadores y una tubería de Ø1¼” podía alimentar 4 rociadores.

En 1905, NFPA revisó el método pipe schedule, el cual pasó a llamarse sistema 1-2-3. Comenzando con la tubería de Ø1¼”, se redujo la cantidad máxima de rociadores permitidos por tamaños de tuberías. En general, este cambio de schedule mejoró el rendimiento hidráulico del sistema de rociadores.

Otra revisión importante del método pipe schedule ocurrió en 1940 cuando el estándar de rociadores creó una diferenciación en el riesgo de ocupación. Se establecieron 3 clasificaciones de riesgo de ocupación, cada una con su propio pipe schedule: riesgo Ligero, riesgo Ordinario y riesgo Extra. La norma introdujo un cambio importante en el diseño del sistema de rociadores y reconoció que algunas ocupaciones requieren un sistema de rociadores más robusto, mientras que en las ocupaciones de menor riesgo se pueden controlar los incendios con menor descarga de rociadores.

La norma de 1940 eliminó el uso de tubos de ؾ” y creó el sistema pipe schedule 2-3-5 para riesgo Ordinario. Se requirió que los dos últimos tubos en una línea de rociadores debían ser de al menos Ø1”.

En 1953, se estableció un nuevo pipe schedule. No hubo cambios en el correspondiente a riesgo Extra, pero para riesgo Ordinario se introdujo el tubo de Ø8” y se permitió hasta 400 rociadores en un solo montante. Antes los montantes y tuberías de Ø6” eran los más grandes, y los sistemas tenían 275 rociadores o menos. El mayor cambio fue en el pipe schedule para riesgo Ligero. Se mejoraron las características hidráulicas al disminuir la cantidad de rociadores en tuberías de Ø2½” y limitar la cantidad de rociadores en tuberías de Ø3” y Ø3½”, que en el schedule de 1940 era ilimitada.

En 1991, NFPA 13 puso severas restricciones al método pipe schedule. Lo prohibió para todos los sistemas nuevos que protegieran riesgos Extra. Para ocupaciones de riesgo Ligero y Ordinario se limitó el tamaño de la edificación a proteger, y se aumentó el requerimiento de suministro de agua si la edificación es más grande.

Actualmente, NFPA 13-2016 permite el método de diseño pipe schedule para las siguientes situaciones:

  1. Adiciones o modificaciones a sistemas pipe schedule existentes (incluyendo ocupaciones de riesgo Extra).
  2. Sistemas nuevos en edificaciones de 465 m2 (5.000 pie2) o menos.
  3. Sistemas nuevos en edificaciones de más de 465 m2 (5.000 pie2) donde los flujos requeridos en la Tabla 11.2.2.1 están disponibles a una presión residual mínima de 50 psi (3,4 bar) en el rociador más elevado.

 

Para determinar los requerimientos de suministro de agua mediante el método pipe schedule, NFPA 13-2016 proporciona la Tabla 11.2.2.1, que se muestra a continuación:

Respecto a esta Tabla:

  1. La presión residual mínima requerida según la ocupación es en el rociador más elevado del sistema.
  2. El valor menor de caudal aceptable en la base del montante aplica cuando el edificio es de construcción no combustible, o las áreas potenciales de incendio están limitadas por el tamaño del edificio o la compartimentación, de modo que las áreas abiertas no exceden 280 m2 (3.000 pies2) para riesgo Ligero o 370 m2 (4.000 pies2) para riesgo Ordinario. El caudal incluye la concesión para conexiones de manguera (ver artículo en este enlace).
  3. El menor valor de duración del suministro de agua se permite cuando se provee un servicio de alarma de flujo de agua a una estación central o remota.

 

La presión total necesaria en la base del montante del sistema diseñado mediante el método de pipe schedule se obtiene sumando a la presión residual mínima requerida en el rociador más elevado las pérdidas por elevación (0,433 psi/pie).

Como se ha dicho, mediante el método de pipe schedule las tuberías del sistema se dimensionan en base a la cantidad de rociadores localizados “aguas abajo” en el tubo considerado. En la Sección 23.7 de NFPA 13-2016 se presentan las tablas a utilizar en el diseño de los sistemas mediante este método; las mismas se muestran a continuación:

Siguiendo las tablas, un tubo de acero de Ø1” puede alimentar máximo 2 rociadores; un tubo de Ø1¼” puede alimentar máximo 3 rociadores; un tubo de Ø1½” puede alimentar máximo 5 rociadores; y así sucesivamente. Para el riesgo Ligero, la cantidad de rociadores para tuberías de Ø4” está limitada por el área máxima a proteger por un sistema de rociadores, establecido en la Sección 8.2 de NFPA 13-2016, es decir, 4.830 m2 (52.000 pie2); lo mismo aplica para riesgo Ordinario pero para tuberías de Ø8”.

MÉTODOS DE CÁLCULOS HIDRÁULICOS

El método de diseño pipe schedule ofreció un medio simple para determinar el tamaño adecuado de un sistema de rociadores. Sin embargo, no tenía en cuenta el suministro de agua disponible para el sistema de rociadores automáticos, ni permitió flexibilidad cuando aumentó el riesgo de ocupación. Aun con estos inconvenientes, los sistemas de rociadores anteriores a la década de 1950 hicieron un buen trabajo para mantener los incendios bajo control.

A comienzos de la década de 1950, los cambios en las prácticas industriales demostraron las limitaciones del método pipe schedule. En ese momento concurrió (1) un mayor uso de estructuras de acero en las construcciones, (2) la invención del montacargas elevador y (3) un incremento en el uso de materiales plásticos.

El uso de acero permitió construir edificios más altos. Dado que los incendios industriales pueden alcanzar temperaturas elevadas, a las cuales el acero se debilita, se crea una condición en la que la estructura de un edificio podría colapsar, incluso cuando se proporciona protección con rociadores al nivel del techo.

La invención del montacargas elevador permitió aumentar la altura de almacenamiento, que antes de la década de 1950 era solo de 2,0 a 2,4 m (6 a 8 pies). Adicionalmente, la mayoría de los productos en las áreas de almacenamiento hasta ese momento consistían en combustibles ordinarios. La introducción de materiales plásticos aumentó el riesgo de incendio ya que el calor de la combustión de éstos es de dos a tres veces mayor.

En vista de estas innovaciones, FM Global llevó a cabo una investigación en la década de 1950 que dio lugar a dos cambios importantes en la protección contra incendios. El primero fue la introducción del rociador pulverizador (spray), modificando el deflector para descargar casi toda el agua hacia el suelo en forma parabólica (los rociadores anteriores descargaban más o menos 50% del agua hacia el techo). El segundo cambio importante fue la introducción del concepto de diseño de densidad/área. Este concepto identificó una tasa específica de flujo por rociador para todos los rociadores que operan dentro de un área indicada. A diferencia del método pipe schedule, el concepto de densidad/área requiere que se evalúe el suministro de agua para verificar que pueda proporcionar el flujo y la presión necesarios.

En la década de 1970 y anteriores, los cálculos hidráulicos se realizaban “a mano”, a menos que se contara con a una costosa computadora con software de análisis hidráulico instalado. Debido a esto, se construyeron principalmente sistemas tipo «árbol”. Ocasionalmente, se podría diseñar un sistema con un alimentador en lazo y ejecutar un cálculo de Hardy-Cross, pero este proceso requería mucho tiempo sin una computadora. En la década de 1980, con el advenimiento de la computadora personal y programas de cálculo se tuvo la capacidad para realizar análisis hidráulicos de los sistemas de rociadores, y se volvieron más frecuentes los sistemas tipo «parrilla» o «malla”.

Según NFPA 13-2016, los cálculos hidráulicos para determinar la demanda de agua del sistema de rociadores deben ser realizados mediante uno de los siguientes criterios, a discreción del diseñador:

  1. De acuerdo con el método densidad/área de 11.2.3.2.
  2. De acuerdo con el método cuarto de diseño de 11.2.3.3.
  3. Áreas de diseño especial de acuerdo con 11.2.3.4.

 

En los tres casos se utilizan las Curvas Densidad/Área, las cuales se muestran a continuación:

Figura 11.2.3.1.1 de NFPA 13

Como puede observarse, en esta figura se representa la densidad de descarga desde los rociadores, expresada en gpm/pie2 (lpm/m2), versus el área de operación de los rociadores, expresada en pie2 (m2), lo que se conoce como “Área de Diseño”. Las líneas representan gráficamente múltiples puntos de diseño para cada clase de riesgo de ocupación; a cada punto corresponde un área donde se presume que operarán los rociadores y que descargarán un determinado volumen de agua.

(En este enlace puede ver un artículo relacionado con las curvas Densidad/Área)

De la gráfica Densidad/Área se destaca que un aspecto muy importante en el proceso de diseño de los sistemas de rociadores es determinar de la manera más precisa posible el riesgo de ocupación (Ligero, Ordinario grupos 1 y 2, y Extra grupos 1 y 2), en vista de que si esto no se realiza adecuadamente tal vez el sistema no pueda controlar el incendio, dado que la densidad de descarga podría ser menor que la requerida.

(En este enlace  puede ver un artículo relacionado con la clasificación de riesgo de ocupación)

Método Densidad/Área

Una vez determinado el riesgo de ocupación y propuesta la disposición de los rociadores y las tuberías de acuerdo con los requisitos de la norma, el diseñador del sistema puede seleccionar un Área de Diseño en el eje vertical de la gráfica. Para riesgo Ligero se puede seleccionar cualquier valor entre 1.500 pie2 (139 m2) y 3.000 pie2 (279 m2); para riesgo Ordinario se puede seleccionar entre 1.500 pie2 (139 m2) y 4.000 pie2 (372 m2) y para riesgo Extra se puede seleccionar entre 2.500 pie2 (232 m2) y 5.000 pie2 (465 m2).

Después de seleccionar el Área de Diseño, lo siguiente es proyectar sobre la línea del riesgo de ocupación apropiada y luego proyectar hacia el eje horizontal para obtener la densidad de descarga requerida; cualquier punto a la derecha también es aceptable.

Puede notarse en la gráfica que a áreas más pequeñas corresponden densidades más altas y viceversa. Las densidades más altas generalmente darán como resultado tuberías ramales de mayor diámetro, pero tuberías principales de menor diámetro y menor requerimiento de suministro de agua. Aunque una mayor densidad también requiere una mayor presión, generalmente se considera superior en términos de control del fuego y se espera que lo confine a un área más pequeña, reduciendo la cantidad total de rociadores en operación. Al seleccionar un área de diseño pequeña también resulta, generalmente, un sistema más económico.

El área de diseño es independiente del tamaño de la edificación. La característica básica es que debe ser la zona “hidráulicamente más demandante” del sistema.

(En este enlace puede ver un artículo relacionado con el Área de Diseño)

Dentro del área de diseño se incluye una cantidad de rociadores. Teóricamente, cada rociador cubre una cierta “área de protección”, que es el área de piso sobre la cual se asume que el rociador descargará, para propósitos del cálculo. El flujo requerido desde un rociador es determinado por esa área “cubierta” multiplicada por la densidad de descarga.

(En este enlace puede ver un artículo relacionado con el Área de Cobertura de Rociadores)

En resumen, el proceso de cálculo hidráulico mediante el método Densidad/Área comienza seleccionando un área de diseño, que junto con la clasificación de riesgo nos da una densidad de descarga que debe ser garantizada por el suministro de agua en todos los rociadores incluidos en el área de diseño.

(En este enlace puede ver un artículo relacionado con Cálculo Hidráulico de Rociadores)

Método Cuarto de Diseño

La asunción del método de cuarto de diseño es que la cantidad de rociadores que se abrirán en un incendio estará limitada a la cantidad de rociadores en el cuarto considerado. Este método aplica a cuartos de ocupaciones de riesgo Ligero, Ordinario y Extra. Cuando se opta por este enfoque, el diseñador debe usar el cuarto que es el más demandante hidráulicamente en términos de suministro de agua y presión.

Para que el fuego se contenga en el cuarto, las paredes perimetrales deben proveer una calificación de resistencia al fuego igual a los requerimientos de duración de suministro de agua de la Tabla 11.1.3.1.2 de NFPA 13 para el riesgo aplicable.

Las aberturas del cuarto deben protegerse como sigue:

  1. Riesgo Ligero: con puertas auto-cerrantes; no necesitan ser calificadas. Si las aberturas no están protegidas, los cálculos deben incluir además de los rociadores en el cuarto, dos rociadores en cada espacio comunicado, a menos que el espacio tenga un solo rociador. La selección del cuarto y los rociadores en el espacio comunicado a ser calculados debe ser el que produzca la demanda mayor.
  2. Riesgo Ordinario y Extra: Las aberturas deben protegerse con puertas auto-cerrantes con resistencia al fuego apropiada para el recinto.

 

Donde el área en consideración es un corredor o pasillo protegido por una fila de rociadores, con aberturas protegidas, debe calcularse un máximo de cinco rociadores o, cuando se instalan rociadores de cobertura extendida, todos los rociadores contenidos dentro de 23 metros (75 pies) del corredor. Si el riesgo es Ligero, las aberturas pueden ser no protegidas.

Si existe un corredor, el diseñador tiene que calcular la habitación más grande, así como los cinco rociadores en el corredor para determinar cuál de las dos áreas requiere un mayor suministro de agua.

La densidad de descarga a seleccionar debe ser aquella de la figura 11.2.3.1.1 de NFPA 13 que corresponde a la clase de riesgo y el tamaño del cuarto. Si el cuarto es más pequeño que las áreas especificadas en la figura 11.2.3.1.1, se selecciona el área menor permitida según el riesgo.

Por lo general, solo tiene sentido utilizar el método de cuarto de diseño en situaciones en las que el edificio está muy compartimentado y la cantidad de rociadores en el cuarto más exigente es menor a los que se calcularían mediante el método Densidad/Área.

Áreas de Diseño Especial

Donde un área es protegida por una sola línea de rociadores, el área de diseño debe incluir todos los rociadores hasta un máximo de siete. Este método aplica a todas las clases de riesgo y  a espacio tales como un corredor interior o una plataforma de carga exterior.

 

Ing. Luis Ybirma
Caracas – Venezuela

 

Fuentes:   NFPA Automatic Sprinkler System Handbook, Thirteenth Edition
Sprinkler Hydraulics and What It’s All About, 2nd edition; Harold S. Wass; SFPE; 2000
Fire Protection Engineering Magazine, 2nd Quarter 2012; Issue Nro. 24
WALTER S. BEATTIE: “Evolution of the Fire Sprinkler”. Fire line Magazine; 2011
SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, Third Edition; Section 4, Chapter 3: Automatic Sprinkler System Calculations.

 

Notas:
1. El contenido de este artículo no es una Interpretación Formal de NFPA. Lo aquí expresado es la interpretación personal del autor y no necesariamente representa la posición oficial de las normas NFPA y sus Comités Técnicos. Por otra parte, el lector es libre de estar de acuerdo o no con lo aquí expresado.
2. Todas las imágenes y marcas comerciales que se publican en este Blog son marcas registradas por sus propietarios, y se utilizan sólo con fines didácticos.

 

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