Manual de túneles de carretera
Manual de túneles de carretera
Proyectar un sistema de ventilación consiste básicamente en la elección del tipo de ventilación, el cálculo de la capacidad mínima adecuada del sistema en cuanto a caudales y empujes, el diseño de la red de ventilación y la selección del equipamiento de ventilación adecuado, que cumpla un conjunto determinado de especificaciones incluyendo resistencia al fuego y prestaciones acústicas.
La elección y diseño del sistema de ventilación depende de estos factores principales:
La página Fundamentos de ventilación aporta información general sobre los distintos tipos de sistema de ventilación que se suelen encontrar en los túneles de carretera.
La ventilación natural puede ser muy eficaz para la dilución de contaminantes (especialmente en túneles unidireccionales), pero no es posible emplearla, si se tienen en cuenta criterios de seguridad frente a incendios, para túneles con longitudes por encima de unos pocos centenares de metros. No obstante, debido a la gran cantidad de parámetros de diseño involucrados, no es posible fijar recomendaciones universales en cuanto a los límites de la ventilación natural.
En la mayoría de los países, la evaluación de la necesidad de un sistema de ventilación mecánica para la explotación normal del túnel tiene en cuenta su longitud así como el tipo de tráfico (bidireccional o unidireccional) y su estado (frecuencia de atascos). Estos mismos aspectos determinan los requisitos para la ventilación en caso de emergencia, principalmente de incendio. También debe tenerse en cuenta la presencia de otros equipamientos o elementos, como por ejemplo las salidas de emergencia.
En general, se pueden encontrar dos tipos de estrategias de ventilación:
Los argumentos para decidir, en cada caso concreto, entre ventilación longitudinal (VL) y transversal (VST/VT) son los siguientes:
Hoy en día, la elección entre distintas alternativas de sistemas de ventilación está principalmente marcada por las consideraciones de seguridad frente a incendio, aunque los aspectos medioambientales están cobrando especial relevancia durante el proceso de toma de decisiones. En las secciones V.7 “recomendaciones sobre la ventilación longitudinal” y V.8 “recomendaciones sobre la ventilación semitransversal y transversal” del informe AIPCR 1999 R05.05.B "Incendio y control de humo" (Inglés/Francés) se aportan aspectos de diseño relevantes y algunas descripciones de las principales limitaciones de cada uno.
En informe AIPCR 2007 05.16.B "Sistemas y equipamiento para el control de humos e incendio en túneles de carretera" (Inglés/Francés) analiza aspectos adicionales a este tipo de sistemas. Así, la sección 4.4 “ventilación longitudinal” incluye criterios e indicaciones para el proyecto y ensayo de este tipo de sistemas, incluyendo distintas consideraciones en relación con los niveles sonoros que no deben sobrepasarse en el interior del túnel (ver sección 4.4.2 Impacto acústico de los aceleradores en un túnel).
Además, el proyecto de sistemas de ventilación tiene que cubrir otros aspectos transversales que incluyen la disponibilidad, durabilidad, mantenibilidad o fiabilidad. Se pueden encontrar numerosas consideraciones y criterios sobre el ciclo de vida de los sistemas de ventilación en el informe AIPCR 2012R14ES "Consideraciones sobre el ciclo de vida de los equipamientos eléctricos de túneles de carretera".
La sección Ventilación durante explotación normal de la página Fundamentos de ventilación presenta información general de interés en cuanto a la explotación normal en túneles de carretera.
El Proyecto de un sistema de ventilación de túneles de Carretera debe considerar la demanda de aire fresco para mantener la calidad del aire en el interior del túnel durante las situaciones de explotación normal y de congestión de tráfico y el control de los humos y gases calientes en caso de incendio. La mayor parte de las veces, la necesidad de ventilación para gestionar un incidente de incendio establece la capacidad de la ventilación en túneles de autopista y túneles no urbanos. Sin embargo, los requisitos de aire fresco para la dilución durante explotación normal y en casos de congestión, o cuando existen condicionales especiales de tipo medioambiental, pueden ser dimensionantes en túneles con altos niveles de tráfico y situaciones frecuentes de congestión.
La capacidad de ventilación durante explotación normal viene definida por las necesidades de aire requerido para diluir las emisiones de los vehículos manteniendo los niveles de calidad del aire en el interior del túnel en valores admisibles.
La demanda de aire fresco (caudal de aire) se determina en función del incremento admisible de las concentraciones emitidas en el flujo de aire. El aire ya entra en el ambiente del túnel con una cierta concentración de contaminante y durante su circulación a lo largo del mismo va aumentando su concentración debido a las emisiones de los tubos de escape. El aire contaminado debe por tanto diluirse en el interior del túnel antes de que se alcancen los límites admisibles de contaminantes. Las concentraciones en el túnel son resultado del producto de las tasas de emisión por el inverso del caudal.
La cantidad de aire fresco necesario para una determinada situación de tráfico depende del número y tipo de vehículos en el túnel, la emisión media por coche y las concentraciones admisibles para esa situación concreta.
A lo largo de las últimas décadas, distintos informes de la AIPCR han tratado el tema del diseño y dimensionamiento de la ventilación del túnel durante la explotación normal. El informe AIPCR 1996 05.02.B “Túneles de carretera: emisiones, medio ambiente, ventilación” (Inglés/Francés) definía un método para el cálculo de las necesidades de aire fresco y aportaba las tasas de emisión para el proyecto de ventilación del túnel, y además incluía información general y específica que puede resultar útil a la hora de proyectar un sistema de ventilación longitudinal o semitransversal.
Sin embargo, la continuación renovación de la flota de vehículos, el endurecimiento continuo de las leyes de emisión y la incorporación de sistemas de propulsión alternativos (vehículos híbridos, coches eléctricos, etc.) hacen que los datos de emisiones para el proyecto deban mantenerse actualizados. Como resultado, en los años 2004, 2012 y por último en 2019 (ver informe AIPCR 2019R02 “Emisiones de vehículos y caudal de aire de ventilación”) (Inglés/Francés) se han publicado versiones actualizadas del informe de 1996, que aportan nuevos métodos para el cálculo de las necesidades de aire fresco y las tasas de emisión con un enfoque internacional.
La tasa de emisión es función de numeros factores incluyendo:
En el informe del año 2019 se incluye una descripción detallada del método de cálculo de las tasas de generación de emisiones (sección 5) y las últimas versiones de la base de datos. Por razones prácticas es posible descargar un fichero en formato de hoja de cálculo que contiene los datos de emisiones desde la biblioteca virtual de la AIPCR.
La sección Escenarios de incendio de la página Fundamentos de ventilación presenta información interesante relativa a los escenarios de emergencia en túneles de carretera.
La capacidad de ventilación necesaria en explotación normal puede no ser suficiente para cumplir los requisitos de control de humos. Además, el caudal necesario para conseguirlo depende del tamaño del incendio.
Con el objetivo de definir la capacidad de ventilación, el incendio de proyecto (definido como una tasa de liberación de calor, o HRR del inglés Heat Release Rate, en función del tiempo) aporta las características de incendio que se emplean para establecer el dimensionamiento del equipamiento en túneles y los escenarios a considerar cuando se desarrollan los Planes de actuación ante emergencia.
La elección de un incendio de proyecto depende del tipo de tráfico permitido en el túnel. Con posterioridad al valor pico del incendio de proyecto de 30 MW recomendado en el informe AIPCR 1999 05.05.B "Incendio y control de humo" (Inglés/Francés), el informe AIPCR 2007 05.16.B "Sistemas y equipamiento para el control del humo y el fuego" (Inglés/Francés) formuló los valores pico para las tasas de liberación de calor de distintos tipos de vehículos y discutió también las tasas de crecimiento de incendio y su relación con las salidas de emergencia.
Posteriormente, el informe AIPCR 2017R01ES "Características del incendio de Proyecto en túneles de carretera" aportó indicaciones para la elección del incendio de proyecto, desde el punto de vista de la seguridad frente a incendio. El informe aporta información sobre los ensayos e incidentes que han puesto de actualidad este tema y también resumen los criterios adoptados para el fuego de proyecto que se adoptan en muchos países.
Además, el informe presenta los distintos enfoques que se aplican en la mayoría de países a la hora de seleccionar el incendio de proyecto.
El diseño prescriptivo implica la aplicación del incendio de proyecto dado por una normativa o un estándar, el cual puede depender del tipo y densidad de tráfico, ubicación y longitud del túnel y el proyectista o autoridad escogería el valor apropiado para cada caso. La sección 2.1 "Resumen de las prácticas adoptadas en diversos países" del informe AlPCR 2017R01 "Características del Incendio de proyecto en túneles de carretera" resume las hipótesis habituales empleadas en distintos países respecto del incendio de proyecto.
En un enfoque basado en prestaciones se establecerá el nivel de riesgo considerado aceptable mediante un análisis especifico del proyecto. El punto de partida pueden ser los valores prescriptivos adoptados, pero modificados según las medidas de mitigación y los niveles de riesgo aceptables.
Entre estos dos enfoques, existen opciones intermedias que permiten cierto grado de enfoque prestacional sobre las bases de tipo prescriptivo.
La influencia de los sistemas fijos de extinción en la definición y elección de un incendio de diseño se discute en el informe AIPCR 2016R03ES "Sistemas fijos de extinción de incendios en túneles de carretera: Sistemas actuales y recomendaciones".
Como conclusión, no es posible especificar un incendio de proyecto universal y concreto; de hecho, hacerlo sería incongruente con la variabilidad inherente y la distinta probabilidad de ocurrencia de tamaños de incendio en los túneles. Sin embargo, una vez queda definido en cada caso concreto, se puede establecer la capacidad del sistema de ventilación en caso de incendio, con criterios diferentes en función del tipo de sistema de ventilación.
Ventilación longitudinal
El sistema de ventilación longitudinal induce un flujo longitudinal a lo largo del eje del túnel, lo que proporciona un sistema de gestión del humo eficiente siempre que éste ocupe un sólo lado del incendio, es decir, permitiendo que el tráfico situando aguas abajo abandone el túnel. El humo se expulsa hacia el lado libre de vehículos, de forma que la evacuación se pueda completar por el lado situado aguas arriba del foco.
Esto se puede conseguir cuando la ventilación longitudinal genera una velocidad del aire, al menos, igual a la velocidad crítica. Una velocidad insuficiente conlleva la propagación del humo aguas arriba del foco (i.e. back-layering).
Ventilación transversal
Los avances más recientes en los sistemas de extracción de tipo semitransversal buscan limitar la propagación de los humos a ambos lados del incendio. Esto permite la evacuación desde el incendio a ambos lados. Este método es esencial para la evacuación en caso de incendio en un túnel con tráfico bidireccional o con congestión. De forma ideal, el sistema de extracción debería conseguir que el aire fluya, en la zona destinada al tráfico, desde ambos lados hacia el foco, como se muestra en la figura. Esto confina el humo en una zona e incrementa la eficiencia de la extracción.
Algunos sistemas emplean exutorios controlados remotamente que permiten la extracción puntual del humo cerca del foco. Los costes de construcción para sistemas de extracción son más altos que para sistemas longitudinales y, en tanto que el tamaño del conducto de extracción requerido se incrementa con la tasa de producción de calor del incendio, un incendio de proyecto mayor tiene fuerte impacto en los costes de inversión asociados.
Se puede encontrar información adicional en el incendio de diseño de un sistema de gestión del humo en el capítulo 3 del informe AIPCR 2017R01ES "Características de Incendio de Proyecto en túneles de Carretera".
Una vez se ha escogido el tipo de sistema de ventilación y se ha definido la capacidad de ventilación (en términos del caudal requerido), el dimensionamiento de la ventilación debe permitir la definición del equipamiento necesario para suministrar la capacidad de ventilación requerida tanto en explotación normal como en caso de incendio.
En general, el dimensionamiento de la ventilación longitudinal consiste en el cálculo del empuje requerido de los aceleradores o de las toberas Saccardo, mientras que en la ventilación transversal el tamaño de los conductos de extracción y/o impulsión y deben estimarse los caudales, presiones y potencia eléctrica de los ventiladores axiales o centrífugos asociados.
En la página Sistema de ventilación del túnel incluida en la sección general Equipamiento y sistemas se aporta información más detallada sobre las características del equipamiento de ventilación.
A continuación, se da información general y específica que puede resultar útil a la hora de dimensionar un sistema de ventilación de tipo longitudinal o semi-transversal.
Ventilación longitudinal
La resistencia del flujo se puede vencer con la ayuda de un chorro situado en la columna de aire al convertir el momento del chorro en presión estática. Los chorros de aire se pueden ubicar en la entrada del túnel (Saccardo), inyectando el aire exterior en el interior del túnel o con aceleradores a lo largo del mismo, cada uno de los cuales acelera parte del flujo del aire.
Las fórmulas básicas para dimensionar sistemas de aceleradores (empuje y número de equipos) empleados en ventilación longitudinal para explotación normal se recogen en la sección IV.2 "Ventilación longitudinal" del informe AIPCR 1996 05.02.B "Túneles de Carretera: emisiones, medio ambiente, ventilación" (Inglés/Francés). Éstas consideran distintos factores tales como el efecto pistón de los vehículos, contrapresión meteorológica, la resistencia de las paredes, etc. También contempla la influencia del incendio en el sistema de aceleradores, los efectos meteorológicos en las bocas del túnel (principalmente el viento), la ubicación óptima de los equipos, su rendimiento y los niveles sonoros creados por los aceleradores.
El informe AIPCR 2007 05.16.B "Sistemas y equipamiento para el control de los humos y el fuego" (Inglés/Francés) incluyó consideraciones adicionales para evaluar la influencia del incendio en un sistema de aceleradores, aportando recomendaciones adicionales para su distribución a lo largo del túnel. Resulta especialmente interesante para el dimensionamiento de los sistemas de ventilación longitudinal el ejemplo de cálculo de la sección 12.3.3. “Procedimiento de cálculo de aceleradores”, que aporta información detallada sobre el procedimiento para dimensionar estos sistemas.
Ventilación transversal
Para dimensionar un Sistema de ventilación transversal en caso de incendio, se deben considerar dos aspectos:
Las fórmulas básicas para la estimación de la presión total a lo largo del conducto y las estaciones de ventilación durante explotación normal se encuentran en la sección IV.3 "Ventilación semitransversal" del informe AIPCR 1996 05.02.B "Túneles de carretera: emisiones, medio ambiente, ventilación" (Inglés/Francés).
El informe AIPCR 1999 05.05.B "Incendio y control de humo" (Inglés/Francés), propone, en una tabla (ver tabla 2.4.3), las relaciones principales entre las tasas de producción de calor y los caudales de humo. Además, en la sección V.8 Recomendaciones sobre la ventilación transversal y semitransversal, se aportan criterios para el dimensionamiento de sistemas de ventilación de este tipo, incluyendo la capacidad de extracción, las diferencias entre sistemas de extracción distribuidos o concentrados y la influencia del aire fresco de inyección en el comportamiento de los humos.
El informe AIPCR 2007 05.16.B "Sistemas y equipamiento para el control de los humos y el fuego" (Inglés/Francés) incluyó consideraciones para la elección del equipamiento de ventilación (ver sección 12.4 Exutorios).
Comparándolos con los túneles convencionales, tanto para los urbanos como para las redes complejas subterráneas deben establecerse criterios de diseño específicos que pueden tener un impacto significativo en su proyecto.
El diseño de éstos, depende fuertemente, entre otros, de los siguientes factores:
Se puede encontrar más información sobre este aspecto en el capítulo 6 del informe 2016R19ES “Túneles de carretera: Redes complejas subterráneas de carretera” y en el informe 2008R15 "Túneles urbanos de carretera – recomendaciones a los gestores y agentes de explotación para el diseño, gestión, explotación y mantenimiento" (Inglés/Francés).
Imprimir