Eines de simulació d’incendis per a la investigació de sinistres.

EFECTIS ens parla de la investigació de sinistres mitjançant les eines de simulació d’incendis.

L’incendi del sistema de façana de la Torre Grenfell

Al juny de 2017, un foc originat a la cuina d’un dels apartaments de la torre Grenfell de Londres es va convertir en una de les pitjors tragèdies provocades per un incendi en les últimes dècades, amb 71 víctimes mortals [1]. Entre altres causes, la gravetat del sinistre es va deure a la ràpida propagació vertical de l’incendi a la façana est i, en una fase posterior, a la propagació horitzontal en sentit horari i antihorari al voltant de la torre. Un altre factor clau va ser la propagació de l’incendi des de la façana a l’interior dels apartaments a través de les finestres. Els incendis de façanes en edificis amb sistemes constructius que inclouen alumini, revestiments composite i aïllaments com el de la torre Grenfell, han estat objecte d’atenció en els últims temps [2] [3] [4].

Per investigar el que ha passat en l’incendi de la façana de la torre, Efectis ha realitzat la reconstrucció del sinistre utilitzant un mètode de simulació per etapes, basat en resultats experimentals [5]. Aquests sistemes de façana estan constituïts per diferents components acoblats. La interacció entre els materials, així com les condicions de muntatge i fixació, els comporten gran complexitat. L’ús d’eines de simulació basades en dades experimentals és essencial per predir el comportament d’aquests sistemes complexos i per identificar el paper de cadascun dels seus components en el comportament del conjunt en cas d’incendi.

La primera etapa de l’estudi va consistir en la reconstrucció de l’incendi a partir de l’anàlisi de les dades disponibles de la investigació oficial [6] [7]. Com a resultat es va obtenir un model 3D que recull les observacions reportades de l’incendi i que va permetre determinar les velocitats de propagació de les flames, la durada d’aquestes flames i la localització de l’incendi cronològicament.

En una segona etapa es va avaluar la propagació de l’incendi a la façana mitjançant el model de camp FDS (Fire Dynamics Simulator de NIST) al qual s’integrà un model de piròlisi. El model es va definir a través d’un estudi experimental-computacional a diferents escales. En el model es van utilitzar propietats físiques dels materials obtingudes de literatura científica i d’assajos a petita escala (per exemple, de con calorimètric). Aquest primer model es va validar amb els resultats d’assajos a mitja escala (d’acord amb la ISO 13.785-1 [5]) de nou combinacions de sistemes de façana ventilada d’alumini amb composite i tres aïllaments diferents. D’aquesta manera, es va poder confirmar la capacitat del model de càlcul per replicar els diferents fenòmens ocorreguts davant de diferents combinacions de revestiments i aïllaments. Els resultats de les simulacions es van comparar amb els obtinguts en els assajos (heat release rate, gasos, temperatures, radiació, carbonització, etc.) [8].

Un cop validat el model a mitja escala, per poder transferir-lo a grans dimensions es van comparar els seus resultats amb els d’assaigs de foc de façana a gran escala (segons el BS 8414-1) [9]. En aquesta etapa es va investigar la influència de determinats paràmetres de simulació, com la mida del mallat i el model de piròlisi dels materials. Aquesta anàlisi va ajudar a entendre la relació entre el desenvolupament de l’incendi i el tipus de façana, així com les interaccions entre els diferents materials que la componen.

Després d’haver analitzat la façana i validat el model d’incendi de la mateixa, la següent etapa va consistir a realitzar simulacions de l’incendi a l’escala de l’apartament origen del sinistre i, posteriorment, a l’escala de la torre. Els resultats d’aquests càlculs es van comparar i validar amb el model 3D d’observació de l’incendi real [10][11][12]..

Amb el model validat a l’escala de la torre es van analitzar les interaccions entre el revestiment i l’aïllament, així com el comportament de la càmera d’aire. Mitjançant eines de càlcul adaptades es van analitzar igualment punts singulars, com el muntatge i fixació dels perfils, els panells de farciment dels buits de les finestres o el comportament termo-mecànic dels marcs de les finestres. Per exemple, la influència de la posició de les finestres en el moment del sinistre (oberta o tancada) es va analitzar amb el programa d’elements finits Ansys. Amb això es va poder observar la importància del material de poliamida emprat per al trencament de pont tèrmic de les finestres [13].

En una etapa final, el model es va utilitzar per avaluar l’efecte que tindrien en el desenvolupament de l’incendi diferents variacions sobre el sistema de façana:

  • què passaria si la façana ventilada tingués un material compòsit de revestiment amb combustibilitat limitada A2 en comptes de l’existent a la torre (de polietilè)?
  • i si s’hagués substituït l’aïllament de PIR per un incombustible A1 de llana de roca?
  • quin hagués estat el resultat si les finestres haguessin estat EI 30?, …

El model validat pot emprar-se per respondre a aquest tipus de preguntes, que ajudaran a millorar el futur disseny dels sistemes de façanes ventilades i per investigar la interacció entre el foc de la façana i la propagació a l’interior de la resta dels apartaments de la torre.

Les principals conclusions d’aquest treball han permès mostrar:

  • La probabilitat de transmissió a la façana d’un incendi localitzat d’apartament, començant en una cuina de la quarta planta, era molt elevada tenint en compte el sistema constructiu emprat.
  •  La ràpida propagació de l’incendi ha estat deguda sobretot al comportament al foc del composite ACM-PE. Els estudis realitzats sobre el canvi d’aïllament han mostrat molt poques diferències entre el sistema de façana de la torre (ACM-PE + PIR) i un sistema de façana utilitzant llana mineral i el mateix parament. En canvi, la utilització d’un parament ACM-A2 faria impossible la propagació, ja sigui l’aïllament de PIR o de llana mineral. Igualment, les barreres presents a la cavitat han jugat un paper d’alentiment de la propagació mentre el parament exterior estava encara present.
  • El punt feble que va permetre l’entrada del foc als apartaments és la resistència al foc de les finestres. Això mostra fins a quin punt interactuen en aquest tipus de sinistres el conjunt dels productes de construcció i dels sistemes constructius utilitzats en un edifici.

Efectis està desenvolupant investigacions complementàries sobre l’estudi de la sensibilitat del model de l’incendi i sobre les interaccions façana-apartament en els fums. Aquestes investigacions poden respondre a diverses qüestions, principalment a la naturalesa i l’origen dels fums sobre els replans i escales de la torre.

  1. Collection: Grenfell Tower. UK Department for Communities and Local Government, https://www.gov.uk/government/collections/grenfell-tower
  2. Valiulis. Building Exterior Wall Assembly Flammability: Have we forgotten the past 40 Years? In Fire Engineering Magazine, November 2015.
  3. White, M. Delichatsios. Fire Hazards of Exterior Wall Assemblies Containing Combustible Components. FPRF final report, project FE2568, Quincy, MA, USA, 2004
  4. White, M. Delichatsios, M. Ahrens, A. Kimball. Fire hazard of exterior wall assemblies containing combustible components. Proceedings of 1st International Seminar for Fire Safety of Facades., Paris, pp. 77-88, 2013
  5. Guillaume, T. Fateh, R. Schillinger, R. Chiva, S. Ukleja. Study of fire behaviour of façade mock-ups equipped with aluminium composite material-based claddings, using intermediate-scale test method. Fire and Materials, 2018;1-17. https://doi.org/10.1002/fam.2635
  6. Bisby. Grenfell Tower Inquiry report. Phase 1: Expert report. 2nd April 2018. https://www.grenfelltowerinquiry.org.uk/evidence/professor-luke-bisbys-expert-report
  7. Lane. Grenfell Tower – Fire safety investigation. 12th April 2018. https://www.grenfelltowerinquiry.org.uk/evidence/dr-barbara-lanes-expert-report
  8. Dréan V., Girardin B., Guillaume E., Fateh T. (2019) Numerical Simulation of the Fire Behaviour of Façade Equipped with Aluminium Composite Material-Based Claddings – Model validation at intermediate-Scale, Fire and Materials. 2019; 1–18. DOI: 10.1002/fam.2745
  9. Dréan V., Girardin B., Guillaume E., Fateh T. (2019) Numerical Simulation of the Fire Behaviour of Façade Equipped with Aluminium Composite Material-Based Claddings – Model validation at Large Scale, Fire and Materials. 2019; 1–18. DOI: 10.1002/fam.2759
  10. Guillaume E., Dréan V., Girardin B., Benameur F., Fateh T. (2019) Reconstruction of Grenfell tower fire – Part 1: lessons from observations and determination of work hypotheses, DOI: 10.1002/fam.2766
  11. Guillaume E., Dréan V., Girardin B., Koohkan M., Fateh T. (2019). Reconstruction of Grenfell tower fire – Part 2: A Numerical Investigation of the Fire Propagation and Behaviour from the Initial Apartment to the Grenfell Tower Façade. DOI: 10.1002/fam.2765
  12. Guillaume E., Dréan V., Girardin B., Benameur F., Koohkan M., Fateh T. (2019). Reconstruction of Grenfell tower fire – Part 3: Numerical Simulation of the Grenfell Tower Disaster: Contribution to the understanding of the fire propagation and behaviour during the vertical fire spread. DOI: 10.1002/fam.2763
  13. Koohkan M., Dréan V., Guillaume E., Girardin B., Fateh T., Duponchel X. (2020) Reconstruction of Grenfell tower fire – Thermomechanical analysis of window failure during the Grenfell Tower disaster, Fire Technology, https://doi.org/10.1007/s10694-020-00980-4