PARTICULARIDADES DEL ÁREA DE DISEÑO – SISTEMAS DE ROCIADORES

Para determinar la demanda de agua esperada (caudal y presión) de un sistema de rociadores automáticos se deben realizar cálculos hidráulicos; que además permiten ajustar los tamaños de tuberías, o el factor K de los rociadores, para proporcionar una densidad de descarga a nivel de piso o una presión o caudal mínimo prescrito por rociador. Cuando los cálculos se realizan mediante el método de Densidad/Área propuesto en la norma NFPA 13, “Standard for the Installation of Sprinkler Systems”, uno de los elementos clave a manejar es el Área de Diseño.

El Área de Diseño es la zona hidráulicamente más demandante del sistema de rociadores, donde se asume que se activará una cierta cantidad de rociadores al ocurrir un incendio. Eso de que todos los rociadores del sistema se activan al momento de un incendio es un mito, y sólo ocurre en las películas.

En la mayoría de los casos, los resultados de caudal y presión obtenidos mediante los cálculos hidráulicos es la demanda máxima esperable para el sistema, y son los valores utilizados para seleccionar la bomba contra incendio (si es el caso) y establecer el volumen de agua destinado como reserva contra incendios. Pero en algunas situaciones, los cálculos se realizan para validar o verificar que un sistema puede ser suministrado desde una red de agua existente, o para dilucidar entre distintos escenarios cuál es el más demandante.

En un artículo anterior se explicó en qué consiste el área de diseño para los sistemas diseñados mediante el método Densidad/Área, cuál es su forma y cómo se determina la cantidad de rociadores incluidos en ella. En este artículo se pretende clarificar algunos aspectos acerca del área de diseño que son importantes de considerar y tomar en cuenta durante la etapa de diseño de un sistema de rociadores.

El área de diseño corresponde al eje de las ordenadas (eje Y) de la gráfica donde se representan las “curvas” de Densidad/Área, incluida en la norma NFPA 13.

Curvas Densidad/Área (Figura 19.3.3.1.1 de NFPA 13-2019).

¿SIEMPRE HAY QUE TRABAJAR CON EL ÁREA DE DISEÑO MÍNIMA?

No necesariamente. Aunque es lo que generalmente hacemos los diseñadores. Muchas veces sin saber la razón. Probablemente porque fue lo que aprendimos en nuestros inicios, o simplemente porque “así es que se hace”. Pero veremos que no siempre se debe o se puede trabajar con el área de diseño mínima.

Bajo las provisiones de la norma NFPA 13, para ocupaciones que no sean Almacenamiento, el área de diseño mínima es 1.500 pie2 para ocupaciones de riesgos Ligero y Ordinario, y 2.500 pie2 para ocupaciones de riesgo Extra, tal como puede verse en la gráfica mostrada antes. Es aceptable seleccionar cualquier punto en la “curva” apropiada. La pendiente  permite utilizar una densidad descarga alta sobre un área pequeña o una densidad más baja sobre un área más grande.

Utilizar el área de diseño mínima generalmente dará como resultado tuberías ramales más grandes (por la densidad descarga alta), pero tuberías principales de menor diámetro y menores requerimientos de suministro de agua (porque el caudal total resulta menor). Es por esta razón por lo que casi siempre se selecciona el área de diseño mínima; para obtener diseños más económicos.

Pero se puede utilizar cualquier punto sobre la “curva”. Al desplazarnos hacia arriba aumenta el área de diseño y disminuye la densidad de descarga. Al contrario de lo explicado antes, al seleccionar un área de diseño más grande resultarán tuberías ramales pequeñas, pero tuberías principales de mayor diámetro.

Esto se puede ilustrar con un ejemplo. Supongamos una ocupación de riesgo Ordinario grupo 2 y calculemos para los extremos de la “curva”.

Caso 1:
Área de diseño (Ad) = 1.500 pie2
Densidad de descarga (Dd) = 0,2 gpm/pie2
Caudal total = Dd x Ad = 0,2 x 1.500 = 300 gpm
Asumiendo un área de cobertura por rociador de 130 pie2, el caudal en el rociador más remoto será de 26 gpm. Con un factor K = 5,6 la presión en dicho rociador será de 21,5 psi.

Caso 2:
Área de diseño (Ad) = 4.000 pie2
Densidad de descarga (Dd) = 0,15 gpm/pie2
Caudal total = Dd x Ad = 0,15 x 4.000 = 600 gpm
Para un área de cobertura por rociador de 130 pie2, el caudal en el rociador más remoto será de 19,5 gpm. Con un factor K = 5,6 la presión en dicho rociador será de 12,1 psi.

Puede verse que en el caso 1 el caudal total es 50% menos que para el caso 2, lo que implica una bomba más pequeña y una reserva de agua menor. Por esa misma razón, se infiere que en el caso 1 se requeriría tuberías de un diámetro menor que en el caso 2, excepto para los ramales, ya que el caudal (26 gpm) y la presión (21,5 psi) del último rociador puede conllevar a que se aumente su diámetro para disminuir las pérdidas por fricción.

Lo anterior demuestra que un sistema diseñado seleccionando un área de diseño pequeña resulta más económico. Pero, nótese que la presión del último rociador en el caso 2 es aproximadamente 43% menor que para el caso 1, lo que indicaría que el requerimiento final de presión en dicho caso será menor que para el caso 1. Entonces, este hecho puede ser útil y aprovechable si se tiene una situación donde se dispone de una presión baja en la red de agua y el diseño del sistema debe adaptarse necesariamente a esa presión. Si al diseñar con un área de diseño pequeña se obtiene un requerimiento de presión que no puede satisfacer la red de agua, se tiene la opción de diseñar con un área de diseño mayor y verificar si el sistema sería viable.

Lo que implicaría, teóricamente, trabajar con un área de diseño grande es que el incendio activaría más rociadores y tardaría más tiempo en ser controlado por el sistema. En el ejemplo anterior, para el caso 1 se abrirían 12 rociadores, mientras que para el caso 2 se abrirían 31 (en este enlace puede verse cómo se calcula la cantidad de rociadores dentro del área de diseño).

¿CUÁNDO NO SE PUEDE TRABAJAR CON EL ÁREA DE DISEÑO MÍNIMA?

Una circunstancia puede ser cuando se diseñan sistemas tipo diluvio; otra puede ser cuando se utilizan rociadores de cobertura extendida (insto al lector a escribir en “comentarios” si conoce de alguna otra situación).

Para los sistemas tipo diluvio el área de diseño debe ser la misma del ambiente protegido y, por supuesto, debe incluir todos los rociadores, dado que todos son abiertos. Por lo tanto, si la superficie de dicho ambiente es mayor al área mínima de diseño debe trabajarse con ese valor y utilizarse la densidad de descarga correspondiente, según las curvas densidad/área. Hay que acotar que estos sistemas son utilizados principalmente para proteger espacios que representan un riesgo alto, probablemente ocupaciones de riesgo Extra 1 o Extra 2, por lo que para trabajar necesariamente con un área mayor a la mínima el espacio debería tener más de 2.500 pie2.

Los rociadores de cobertura extendida pueden cubrir un área de hasta 400 pie2. El listín de estos rociadores proporciona cuál es su área de cobertura y su criterio de descarga (gpm @ psi). Si el área cubierta por 5 rociadores es mayor al área de diseño mínima se debe trabajar con esa área para realizar los cálculos. Por ejemplo, supongamos que se distribuyen rociadores en una ocupación de riesgo Ordinario, con un área de cobertura de 18’x18’ = 324 pie2 (30 m2) al multiplicar por 5, da 1.620 pie2, lo que es mayor al área de diseño mínima (1.500 pie2).

¿CUÁNDO ES POSIBLE TRABAJAR CON UN ÁREA DE DISEÑO MENOR A LA MÍNIMA?

NFPA 13 permite reducir el área de diseño en algunas situaciones, bonificando algunas características del sistema y/o de la ocupación. Por ejemplo, para ocupaciones de riesgos Ligero u Ordinario, se puede reducir el área de diseño entre un 25 y 40% si se utilizan rociadores de respuesta rápida (incluidos los de cobertura extendida), el sistema es de tubería mojada y la altura del techo es menor o igual a 6,1 metros; debiendo mantenerse para el cálculo la densidad de descarga correspondiente al área de diseño inicial.

Si se utilizan rociadores con índice de temperatura alta en ocupaciones de riesgo Extra, el área de diseño se puede reducir en un 25%, pero no menos de 2.000 pie2, manteniendo la densidad de descarga correspondiente al área de diseño inicial. También está permitido, en ocupaciones de riesgo Extra, reducir en un 25% el área de diseño (sin bajar de 2.000 pie2) si se utilizan rociadores con factor K = 11,2 o mayor.

¿CUÁNDO SE DEBE INCREMENTAR EL ÁREA DE DISEÑO?

Hay algunas condiciones donde NFPA 13 requiere incrementar el área de diseño. Por ejemplo, cuando se diseña un sistema de tubería seca o un sistema de pre-acción de entrelazado doble, y cuando la inclinación del techo es mayor al 16,6%. En estos casos se debe aumentar el área de diseño en un 30%, manteniendo la densidad de descarga correspondiente al área de diseño inicial.

¿QUÉ SUCEDE SI EL ÁREA PROTEGIDA ES MENOR QUE EL ÁREA DE DISEÑO MÍNIMA?

Si el cálculo se está realizando para un espacio cuya superficie es menor al área de diseño mínima, de acuerdo al riesgo de ocupación, se debe utilizar la densidad de descarga correspondiente al área de diseño mínima y realizar el cálculo incluyendo todos los rociadores en el ambiente protegido. Esto es típico cuando se diseña mediante el método del cuarto.

¿SE PUEDEN REALIZAR MÚLTIPLES AJUSTES EL ÁREA DE DISEÑO?

Sí; por supuesto. Y el ajuste es combinado, basado en el área de diseño inicialmente seleccionada. Veamos 2 ejemplos:

1) Un sistema de tubería seca en una edificación con techo inclinado más de 16,6%; ocupación de riesgo Ordinario 1. Supongamos que se selecciona el área de diseño mínima, es decir, 1.500 pie2. Se debe incrementar un 30% por la clase de sistema y otro 30% por la inclinación del techo. Es decir, 1.500×1,3×1,3 = 2.535 pie2 sería el área de diseño resultante, y se deben calcular todos los rociadores incluidos en ella. Se mantiene la densidad de descarga correspondiente al área de diseño inicial, es decir 0,15 gpm/pie2.

2) Un sistema de tubería mojada, utilizando rociadores de respuesta rápida, en una edificación con techo inclinado más de 16,6% y una altura de 5 metros; ocupación de riesgo Ligero. Supongamos que se selecciona el área de diseño mínima, es decir, 1.500 pie2. Se debe incrementar un 30% por la inclinación del techo y reducir un 30% por el tipo de rociadores. Es decir, 1.500×1,3×0,7 = 1.365 pie2 sería el área de diseño resultante, y se deben calcular todos los rociadores incluidos en ella. Se mantiene la densidad de descarga correspondiente al área de diseño inicial, es decir 0,10 gpm/pie2.

¿QUÉ SUCEDE CON LAS OCUPACIONES DE ALMACENAMIENTO?

Eso será tratado en un futuro artículo.

 

Ing. Luis Ybirma
Caracas – Venezuela

 

Fuentes:
– NFPA Automatic Sprinkler System Handbook; fourteenth edition, 2019
– NFPA Fire Protection Handbook; Twentieth Edition

 

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 e informativos.

 

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