Desarrollo de un Proyecto de Transformación de una Escalera Interna Abierta en una Zona Vertical de Seguridad

Ahumada, Leonardo

Departamento Prevención de Incendios / Asociación Chilena de Seguridad/ Av. Vicuña Mackenna 152 - Providencia / Santiago / Chile+56 2 6852133 / lahumada@achs.cl

ABSTRACT

Este trabajo tiene como objetivo presentar el desarrollo de un proyecto para transformar una escalera interna abierta en una zona vertical de seguridad para un edificio, de antigua construcción, que presenta los riesgos propios de una edificación de altura para la seguridad de vida de sus ocupantes ante una emergencia de incendio.

Para ello, se describen los aspectos constructivos que debe cumplir este tipo de edificaciones de acuerdo a legislación chilena y, complementariamente, se establecen condiciones de diseño para una zona vertical de seguridad de acuerdo a normas internacionales reconocidas.

Finalmente, se entregan conclusiones y recomendaciones sobre los aspectos presentados en este estudio.

Palabras clave

Zona vertical de seguridad, resistencia al fuego, sistema de presurización, control de humo

GENERALIDADES

El edificio, para el que se desarrolló el proyecto, tiene nueve pisos, destinados principalmente a oficinas administrativas, y dos niveles subterráneos, en los que se ubican algunas oficinas, bodegas de archivos y recintos con instalaciones de servicio.

Este edificio presenta los riesgos propios de una edificación de altura para la seguridad de vida de sus ocupantes ante una emergencia de incendio, los que se asocian, básicamente, con dificultades para la evacuación, debido a que un eventual fuego tendería a generar corrientes convectivas que favorecerían su propagación y la de los humos y gases a los pisos superiores al nivel donde se origine la emergencia.

El riesgo anterior se ve agravado debido a que el edificio cuenta, como única vía de evacuación, con una escalera interior abierta que recorre todos sus pisos desde el segundo subterráneo hasta el noveno piso. Esta característica es común para gran parte del parque de edificios en altura, construidos con anterioridad al año 1980 en Chile, y constituye un serio riesgo para los ocupantes en caso de incendio.

Foto 1. Escalera abierta existente.

El primer piso del edificio cuenta con dos salidas al exterior, correspondiendo éstas a sus accesos principales. Una de estas salidas se ubica en el sector poniente del edificio (foto 3) y la otra en el sector oriente (foto 7). Se dispone, adicionalmente, de una escalera interna que, desde el primer subterráneo, permite alcanzar el exterior (foto 2).

Foto 2 y 3. Salidas al exterior por el primer subterráneo y por el primer piso poniente.

Además, el edificio cuenta con dos ascensores, de uso normal para los usuarios del edificio.

La Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones vigente en Chile [1] establece, desde al año 1981, que todo edificio de siete o más pisos de altura debe contar, al menos, con una escalera protegida, denominada zona vertical de seguridad, que posibilite su utilización para realizar una evacuación segura y expedita de sus ocupantes sin que se vean afectados por el fuego, humo y/o gases de combustión generados en un incendio. En el caso de escaleras interiores, como es el caso de la del edificio, éstas, básicamente, deben estar encerradas por una envolvente constructiva resistente al fuego y contar con un sistema de control de humo en base a presurización.

Con el fin de mejorar el nivel de seguridad de vida del edificio, se ha desarrollado un estudio para evaluar la factibilidad de transformar su actual escalera abierta en una zona vertical de seguridad, en base a criterios de diseño vigentes.

ASPECTOS CONSTRUCTIVOS

En este punto se entregan aspectos constructivos y requerimientos de resistencia al fuego que deberán cumplir los diversos elementos constructivos que formarán parte de la zona vertical de seguridad propuesta.

Condiciones básicas

La caja de escalera existente es del tipo abierta, contando con ventanales en su muro oriente, tal como puede apreciarse en las siguientes fotografías.

Fotos 4 y 5. Ventanales en el muro oriente.

La reglamentación chilena establece que no deben existir vanos en los muros de una zona vertical de seguridad que deterioren su resistencia al fuego, por lo que los ventanales de cada piso deberán ser retirados y sus vanos sellados utilizando una solución constructiva tal como albañilería cerámica construido con ladrillos u otro, que asegure una resistencia al fuego no inferior a 120 minutos, según ensayos efectuados bajo curva de incendio (ASTM E 119-80 o ISO 834-80).

Parte de los vanos de estos ventanales se aprovecharán para colocar las celosías de inyección de aleta fija del sistema de control de humo por presurización así como un templador gravitacional.

El encerramiento necesario de la caja de escalera requeriría eliminar uno de los accesos existentes en el sector oriente del edificio (ver foto 6), debiendo habilitarse el acceso secundario (ver foto 7).

Foto 6. Acceso oriente (izquierda) y acceso oriente (derecha).

Por otro lado, en el primer nivel subterráneo, la incorporación del muro propuesto para conformar la zona vertical de seguridad implicaría reubicar el acceso existente a una bodega del sector.

Foto 8. Puerta de acceso a bodega en primer nivel subterráneo.

El diseño, construcción y terminaciones de la zona vertical de seguridad y su continuidad hasta el egreso exterior, a nivel de la calle, deben garantizar una resistencia al fuego de 120 minutos. En los siguientes puntos se entregan las correspondientes especificaciones de los muros y puertas de la caja de escalera propuesta.

Muros

Los muros de la caja de escalera deben poseer, en toda su extensión, una resistencia al fuego de 120 minutos de acuerdo a lo establecido en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones chilena. Además del retiro y sellado de los ventanales del muro oriente indicado en "Condiciones básicas", deberá incorporarse un muro divisorio entre el hall de cada piso y la escalera, de modo de conformar una caja resistente al fuego. Este muro debe asegurar una resistencia al fuego mínima de 120 minutos y en él debe disponerse, en cada uno de los pisos, una puerta de al menos 30 minutos de resistencia al fuego, de tal modo de impedir la entrada de humos y gases en el interior de la caja de escalera, que podrían inhabilitar su uso. En las siguientes figuras se presentan esquemas con la condición existente y la propuesta para la futura caja de escalera protegida.

Figura 1. Esquema caja de escalera existente.

Figura 2. Esquema caja de escalera proyectada (Pisos 1 al 8). Debe señalarse que en el piso 1 la puerta abre desde la caja de escalera hacia afuera.

Figura 3. Esquema caja de escalera proyectada (Piso 9).

Figura 4. Esquema caja de escalera proyectada (Pisos -2 y -1).

Puertas

El ancho nominal de hoja de la puerta de acceso a una zona vertical de seguridad no debe ser inferior a 0,85 m y su alto no menor a 2,0 m. El ancho libre de salida, en ningún caso, podrá ser menor a 0,80 m y el espesor horizontal del umbral de la puerta o vano de escape no podrá ser mayor a 0,60 m, de acuerdo a lo señalado en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones.

Adicionalmente, las puertas de acceso a una escalera de evacuación no pueden obstruir, durante su apertura, mas de un tercio del ancho libre requerido para la escalera. Para nuestro caso, la escalera que se encontraría frente a la puerta tiene un ancho de 1,27 m por lo que el tercio de este ancho equivale a 0,43 m, por lo que el ancho libre del descanso entre el muro y la escalera no debe ser inferior a 1,69 m (ver figura 2).

Cuadro 1. Parámetros de diseño para ancho mínimo del descanso.

Las puertas de la escalera deben abrir en el sentido de la evacuación, es decir, hacia el interior de la caja de escalera, en todos los pisos, con excepción del primer piso, en el que debe abrir hacia afuera. Las puertas de acceso de cada piso (2 al 9 y 1 y 2 subterráneo) y la puerta de egreso del primer piso deberán ser de cierre automático, en base a cierra puerta hidráulico, y con resistencia al fuego, tanto la hoja como sus componentes, de 30 minutos. Todas deberán contar con barras de apertura anti-pánico por el lado que corresponda.

De acuerdo a la reglamentación vigente en Chile [1] [2], no debería existir continuidad a nivel de la salida principal entre las zonas verticales superior e inferior de la escalera. Dado que esta corresponde a la situación del recorrido de la escalera existente, recomendamos instalar señales de advertencias profusas que indiquen, claramente, el piso de salida y la dirección hacia el exterior.

Resistencia al fuego de ductos

Los ductos (o conductos) de distribución de aire de los equipos de presurización de las escaleras deberán contar con una resistencia al fuego de 60 minutos en toda su extensión.

CONDICIONES DE DISEÑO PARA ZONA VERTICAL DE SEGURIDAD

Una caja de escalera interior, para verificar las condiciones establecidas para una zona vertical de seguridad, requiere contar con un sistema de control de humo en base a presurización, cuyo funcionamiento oponga resistencia al ingreso a su interior de aire con humo y gases de la combustión generados en un incendio, de modo que los ocupantes de la edificación, al ser tempranamente alertados de la emergencia, puedan desplazarse a través de ella y evacuar el edificio sin verse afectados por éstos.

Debido a la carencia de normas y reglamentos nacionales que proporcionen antecedentes técnicos para el diseño de sistemas de presurización en zonas verticales de seguridad, hemos adoptado como documentos base normas y códigos extranjeros internacionalmente reconocidos [3] [4].

Control de humo

En este punto se entregan las características y consideraciones de diseño de los diversos componentes que conforman el sistema de presurización.

Sistema de presurización

El sistema de presurización debe estar conformado por un ventilador centrífugo provisto de motor eléctrico, que debe estar conectado a un grupo electrógeno de partida automática, con el objeto de asegurar su funcionamiento aún cuando se interrumpa el suministro externo de energía eléctrica.

Figura 5. Ducto de distribución de aire.

Se ha considerado instalar el ventilador en la azotea del noveno piso desde donde se abastecerá de aire proveniente directamente del exterior. El ventilador debedescargar a un ducto de distribución, provisto de celosías de inyección de aleta fija, dispuestas en éste y descargando hacia la escalera, piso por medio entre el segundo subterráneo y el séptimo piso. En este caso se ha propuesto evaluar la instalación de un ducto de distribución exterior, adosado al muro oriente del edificio, que permitirá inyectar aire a la caja de escalera. Las celosías de inyección propuestas se ubicarían ocupando parte de los vanos de los ventanales retirados y se unirían al ducto a través de uniones que se muestran en la figura 5. Se debe, además, contar con un templador gravitacional que debe estar ubicado en el noveno piso, destinado a regular la sobrepresión del interior de la caja de escalera con respecto al exterior, de modo de no aumentar más allá de lo permitido la fuerza requerida para abrir las puertas. En las figuras 2, 3 y 5 se muestran esquemas para la escalera propuesta.

El ventilador del sistema de presurización debe estar comandado a través de un panel central de alarmas que lo pondrá en funcionamiento al recibir la señal de activación previamente verificada, proveniente de un pulsador o detector. Adicionalmente, deben existir controles manuales redundantes para el funcionamiento del ventilador, los que deben ubicarse en el mismo recinto donde se encuentre el panel central de alarmas. En este recinto debe encontrarse permanentemente personal de seguridad capacitado para ser responsable del panel y de las señales generadas.

Velocidades de control y sobrepresión mínima

Las condiciones de diseño para el sistema de presurización deben considerar un cierto número de puertas de acceso abiertas en forma simultánea (al menos tres puertas), manteniéndose una velocidad mínima de 1 m/s en los frentes de salida, valor que constituye una respuesta confiable, de acuerdo a recomendaciones contenidas en “Smoke Movement & Control in High-Rise Buildings” de la NFPA [3], para evitar que las fuerzas convectivas generadas en un piso por un fuego aún en desarrollo impulsen humo hacia el interior de la caja de escalera.

Por otro lado, de acuerdo a la norma NFPA 101 [4], en edificios que no cuentan con rociadores automáticos, como es el caso, en el interior de la caja de escalera con todas las puertas cerradas debe existir una sobrepresión mínima de 2,6 mm de columna de agua (25 Pa). Adicionalmente se limita a 14 kgf (30 lbf o 133 N) la fuerza horizontal máxima que debe ejercerse para abrir totalmente una puerta.

El diseño de este sistema debe considerar la existencia de egresos del aire de presurización hacia el interior de cada uno de los pisos o niveles, con salida al exterior, asegurándose así su flujo permanente a través de las puertas abiertas de la caja de escalera, generando y manteniendo el valor mínimo de velocidad exigido. Puede, para este propósito, considerarse también el apoyo adicional de sistemas forzados independientes de extracción de aire del edificio, siempre y cuando éstos posean disponibilidad de energía de respaldo (grupo electrógeno) y que el trayecto de sus ductos asegure que el humo y gases extraídos no serán inyectados en otras dependencias del edificio, pudiendo disponerse de dumper motorizados para obturar algunas de sus derivaciones, los que deben también ser activados por el panel central de alarmas.

En este caso, para la evacuación del aire proveniente desde la caja de escalera, se plantea como complemento de este proyecto la materialización, en cada hall de piso con excepción del primero, de vías comunicadas con el exterior. Una solución normalmente utilizada para este propósito corresponde a la existencia de vanos con celosías ubicados en la parte alta de los muros de los fosos de ascensores por los cuales el aire ingresaría, ascendiendo hasta salir por aberturas que deben existir, en la parte mas alta de estos fosos y que descargan al exterior. La superficie efectiva abierta total de estos vanos debe ser equivalente al área de la puerta de la caja de escalera del piso. Esta área necesaria de traspaso de aire con el exterior puede reducirse en función de la existencia de aberturas o vías abiertas, como los espacios entre el foso de ascensores y sus puertas.

Sólo al disponer en los pisos, de un medio de salida al exterior del caudal de aire proveniente del sistema de presurización, a través de sus puertas, se podrá lograr la generación y permanencia de la velocidad de control en los frentes de salida.

El templador gravitacional debe contar con los elementos que permitan regular su funcionamiento y asegurar que al estar todas las puertas de la caja de escalera cerradas, presente una abertura máxima y que al abrirse una o varias puertas tome la posición de cierre regulada que corresponde, junto con obtener la velocidad necesaria en las puertas. Esta condición de regulación permite no deteriorar la velocidad de control en los frentes de salida de las puertas abiertas, debiendo asegurar que, no se exceda la presión interna en sus límites, ni se genere la necesidad de aplicar fuerzas excesivas para abrir las puertas de la caja de escalera.

Caudal del ventilador

El caudal de aire del ventilador con que debe contar el sistema de presurización, debe verificar la velocidad de control señalada para la condición de tres puertas abiertas en la caja de escalera. Este caudal mínimo puede estimarse preliminarmente en base a la siguiente expresión:

Qventilador = Vaire × Nºpuertas × Apuerta × Pi

Por lo anterior y de acuerdo a las condiciones de diseño de puertas, se estima que el caudal debiera ser:

Qventilador = 1 [m / s] ×3.600 [s / hr] × 3 [puertas] ×1,7 [m2 ] × 1,05

Aproximando a un valor entero, se tiene finalmente:

Predimensionamiento del ventilador de presurización

Para realizar una estimación preliminar de las características del ventilador requerido para el sistema de presurización de la zona vertical de seguridad, hemos considerado que este equipo se ubicaría en la azotea sobre el noveno piso y que desde ese sector el aire succionado a través del ducto con sombrerete protector, lo inyecta para ser distribuido y descargado en los pisos por un ducto metálico, que hemos considerado, para efectos de esta estimación, de sección rectangular variable, del cual se derivarían las cinco celosías de inyección propuestas en los pisos segundo subterráneo, primero, tercero, quinto y séptimo piso.

Así, considerando la configuración señalada, es posible estimar preliminarmente la resistencia total que debe vencer el ventilador, asumiendo que se complementará con un sistema destinado a evacuar el aire de presurización que sale por las puertas hacia el exterior del edificio, el cual no presentará una resistencia adicional que pueda alterar significativamente el equilibrio de funcionamiento del sistema de presurización.

Piso 9

Piso 8

Piso 7

Piso 6

Piso 5

4m

celosfa  E

celosfa D

T

66cm

.!.

T69cm

.!.

I //////////

2,Sm

1

6m

6m

139cm

lllcm

1

Aire exterior1

///////////////

Figura 6. Corte vista lateral y vista frontal.

Figura 7. Cálculos de flujo aerodinámico.

Predimensionamiento: Caracterización y trazado de los ductos

En la figura 6 se muestra el trazado de los ductos y se señala, en relación con los cálculos de flujo aerodinámico realizados (ver figura 7) según manual "Industrial Ventilation" [6], sus dimensiones y extensión. El ducto principal de inyección, que recorre desde el ventilador hasta el segundo subterráneo, es rectangular y de dimensiones variables y el aire se moviliza en todos ellos a una velocidad de2.000 pie/min (10 m/s), siendo así como la inyección de los 12.000 pie3/min(20.385 m3/h) necesarios se van descargando en los cincos pisos señalados, esto es2.400 pie3/min (4.077 m3/h) en cada uno de ellos, obteniéndose circulación de aire fresco y renovación a través de toda la caja escalera. El ducto principal de succión estáconstituido por un ducto circular de 66 cm de diámetro cuya instalación y elementos semuestran en la figura 6; a este ducto en el punto de entrada del aire se le ha instalado un sombrerete con el objeto de protegerlo contra la entrada de agua de lluvia; su ubicación es mas bien retirada de los costados del edificio, tratando de evitar la posibilidad de ingreso del humo y de otras descargas.

Predimensionamiento: Caracterización y trazado de las descargas del ducto principal de Inyección en los pisos

En los pisos señalados, el ducto principal cuenta con una pieza de conexión entre él, que se encuentra en el exterior, y el interior del piso respectivo, atravesando la pared; esta pieza es de forma cónica y su frente de conexión al ducto principal es de las mismas dimensiones en todos ellos, no siendo lo mismo para su frente de conexión con el piso, que termina en una celosía constituida por una placa con ranuras dispuestas sobre ella, cuyo número es distinto en cada piso, entregando un área libre efectiva que permite obtener a través de ellas velocidades de descarga diferentes que permiten, a la vez, obtener el equilibrio aerodinámico entre el flujo del ducto principal y el necesario en el piso y con ello la descarga de los 2.400 pie3/min especificados para cada piso; por lo tanto, las dimensiones de cada celosía de inyección y el número de ranuras de iguales dimensiones individuales son distintas; a modo de ejemplo se presenta en la siguiente figura, detalles de la celosía A.

Figura 8. Detalle de la celosía A.

A continuación se entrega un cuadro con un resumen de información para cada celosía.

Cuadro 2. Resumen de información para cada celosía

La pieza cónica se conecta en un ángulo de 90º con el ducto principal y lo hace en forma que técnicamente se conoce como "mitre" y el aire ingresa a él a la velocidad del ducto principal, expandiéndose luego del cambio de dirección y asignándosele una pérdida de 1 PD (presión dinámica) por este concepto. La otra pérdida en esta pieza lo aporta la celosía que en relación con su velocidad de descarga señalada en el cuadro anterior, aporta una pérdida de carga, que como se puede apreciar es distinta en cada celosía, permitiendo, además, equilibrar la pérdida de carga del ducto principal con la de la pieza de conexión y obtener la descarga de aire deseada en el piso respectivo.

Predimensionamiento: Pérdida de carga total del sistema. Presiones

La pérdida de carga se ha calculado sobre la base de diseño de un sistema que funciona por equilibrio de presiones en todo su trazado, lo cual se logra en la práctica con un buen fabricante, un buen montaje y un mantenimiento.

La pérdida de carga calculada para todo el sistema propuesto y de acuerdo al trazado que se muestra en la figura 6 es de:

PT = 50,35 mm.c.a

Considerando un 10% adicional como margen de seguridad y agregándole la presión de trabajo que se deberá obtener con el templador gravitacional en el interior de la caja de escalera se tiene que la presión total es de:

PTV = PT+ 0,1 × PT +Psistema

PTV = 50,35 + 0,1 × 50,35 +2,60

PTV = 57,99 mm.c.a

De acuerdo a la figura 7, la presión dinámica a la salida del ventilador (PDsalida) fue de 0,249 pulg.c.a. (6,32 mm.c.a) (véase tramo 7-9). Por lo anterior, la presión estática para el ventilador requerido se estima, finalmente, en:

PEV = PTV

- PDsalida

PEV = 57,99 - 6,32

PEV = 51,67 mm.c.a

Nota: Las características del ventilador, sistema de ductos, piezas de conexión, celosías de inyección y templador gravitacional deberán ser verificadas en detalle una vez se desarrolle el proyecto correspondiente, incorporando detalles constructivos en sus secciones y trazado real.

Detección de humo en ducto de descarga

El ducto de descarga del ventilador del sistema de presurización debe contar con un detector de humo específico en su interior de manera que, en caso de ingresar humo al sistema, éste pueda inducir su detención a través de un panel central de alarmas, con que debiera contar el edificio. Este dispositivo permitirá cortar el suministro de aire hacia la zona vertical de seguridad, impidiendo que ésta quede inhabilitada e inundada de humo y gases tóxicos provenientes del exterior.

Iluminación de emergencia

La zona vertical de seguridad deberá contar con un sistema de iluminación de emergencia [1] [2] en base a lámparas a batería o conectadas al grupo electrógeno que alimente el motor del ventilador del sistema de presurización, independiente de la red eléctrica pública.

De acuerdo con los criterios de NFPA 101 "Life Safety Code", se recomienda, además, que la intensidad de la iluminación de emergencia sea superior a 10 lux.

Señalización de las salidas

De acuerdo con lo estipulado en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones, todas las puertas de acceso a la caja de escalera deben estar señalizadas con el distintivo "SALIDA DE EMERGENCIA" por la cara que corresponda. Se recomienda que esta señalización corresponda a lo estipulado en la norma chilena NCh 2111 [5].

Señalización 1. Salida de emergencia.

Además, en el interior de la caja de escalera, en cada piso, deberá existir una cartel que indique el número del piso o nivel. En cada caso deben contemplarse las señales necesarias para facilitar la evacuación de los ocupantes hasta el exterior, minimizando cualquier posibilidad de confusión durante el recorrido de escape en situaciones de emergencia.

RECOMENDACIONES ADICIONALES

Capacitación del personal

El personal y usuarios del edificio deberán estar capacitados sobre el uso y destino de la escalera, modificada a zona vertical de seguridad, que debiera ser utilizada solo para casos de emergencia, dejando los ascensores como medio de acceso a los niveles inferiores o superiores del edificio; éstos, ante una emergencia, debieran descender y quedar detenidos en el primer piso.

Mantención del sistema

Deberán mantenerse procedimientos de inspección, pruebas y mantención del sistema de presurización, los que deben incluir, como elemento crítico, la verificación del correcto funcionamiento del templador gravitacional considerado.

CONCLUSIONES

En este trabajo se han entregado antecedentes de diseño que sirvan de base para el desarrollo de un proyecto de transformación de una escalera interna abierta de un edificio existente en una zona vertical de seguridad para un edificio en altura.

Para ello y para mejorar el nivel de seguridad del edificio, se describieron los aspectos constructivos que deben cumplir este tipo de edificaciones de acuerdo a la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones vigente en Chile y posteriormente se establecieron condiciones de diseño para una zona vertical de seguridad de acuerdo a normas internacionales a falta de normativa nacional.

En Chile, una gran cantidad de edificios antiguos presentan características constructivas similares, es decir, con escaleras internas abiertas que no presentan niveles de seguridad aceptables frente a una emergencia de incendios. Este trabajo demuestra que es factible en muchos casos mejorar los niveles de seguridad de vida de los ocupantes de este tipo de edificios, transformando su escalera interna abierta en otra que presente las características descritas en este informe para una zona vertical de seguridad.

REFERENCIAS

• 1. Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones del Ministerio de Vivienda y Urbanismo, edición 1996, actualizada a marzo 2005.
• 2. NCh 2114 “Prevención de incendio en edificios Condiciones básicas y clasificación de las vías de evacuación según la carga de ocupantes”, edición 1990.
• 3. George T. Tamura, "Smoke Movement & Control In Highrise Building", edición 1994 publicado por la NFPA.
• 4. NFPA 101 "Safety to Life from Fire in Building and Structures", edición 2000.
• 5. NCh 2111 "Prevención de Incendio en edificios Señalización", edición 1991.
• 6. American Conference of Governmental Industrial Hygienists, "Industrial Ventilation", 20th Edition, 1988.