Tesis:
Aplicación de métodos probabilistas para la optimización de sistemas de ventilación en túneles de carretera
- Autor: FERNÁNDEZ MARTIN, Sonia
- Título: Aplicación de métodos probabilistas para la optimización de sistemas de ventilación en túneles de carretera
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: INGENIERIA MECANICA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/73561/
- Director/a 1º: REY LLORENTE, Ignacio del
- Director/a 2º: FRAILE DE LERMA, Alberto
- Resumen: En túneles de carretera la seguridad es un objetivo fundamental, no porque en los túneles se produzcan más accidentes que en carretera a cielo abierto, sino por la repercusión que estos tienen por sus consecuencias humanas, sociales y económicas debido al lugar en que se producen, las dificultades de rescate o evacuación, el dramatismo provocado por el confinamiento o el trastorno que para el sistema de transportes puede suponer el cierre temporal de un tramo viario en ocasiones con alternativas difíciles o inexistentes.
Dentro de los incidentes que pueden ocurrir en un túnel, y dejando a un lado aquellos derivados del transporte de mercancías peligrosas, el incendio es uno de los que implican mayor gravedad.
Uno de los factores que influyen en la seguridad de los túneles, es el desarrollo e implantación de sistemas de seguridad, dentro de los cuales la ventilación juega un papel fundamental.
El objetivo del sistema de ventilación de un túnel de carretera es proporcionar niveles de seguridad tanto en situaciones de servicio como de accidente con fuego. En situación de servicio el sistema tiene que garantizar que la atmósfera del túnel sea cómoda (temperatura de confort) y segura para los usuarios, asegurando la dilución de los contaminantes de los vehículos por debajo de límites admisibles, así como manteniendo una capacidad de reacción del sistema en caso de una demanda rápida de caudal. Por otro lado, en caso de accidente con fuego los objetivos son controlar la capa de humo, evitar la extensión del incidente a zonas no implicadas y apoyar en tareas de rescate.
A la hora de abordar los estudios de seguridad frente a incendio, desde hace algunas décadas, es habitual la utilización de metodologías basadas en análisis de riesgo, la cual conlleva incorporar una componente probabilista para la caracterización de los niveles de riesgo y la evaluación de los niveles de riesgo asociados al túnel frente a niveles admisibles.
Sin embargo, tradicionalmente el dimensionamiento de los sistemas de ventilación de túneles se aborda con un enfoque exclusivamente determinista. El valor de las variables de dimensionamiento se define en base a normativas, recomendaciones y a la experiencia del diseñador y el resultado del dimensionamiento se proporciona como un resultado único (en términos de empuje de los ventiladores de chorro y/o capacidad de extracción/impulsión a instalar). Este resultado de dimensionamiento cubre un número limitado de escenarios e ignora la caracterización aleatoria de las magnitudes que intervienen en el nivel de seguridad de la solución obtenida.
Esta tesis propone el uso de un enfoque probabilístico para el análisis y dimensionamiento de los sistemas de ventilación de túneles. El enfoque utiliza un modelo 1D en régimen estacionario basado en cálculos de pérdida de presión y respaldado por un método de simulación de Monte Carlo (MCS) en el que las variables críticas de diseño se caracterizan mediante distribuciones de probabilidad y en el que resultado del análisis se da como una función de probabilidad de fallo asociada a la capacidad de ventilación del sistema.
La ventaja de utilizar este enfoque es poder obtener un dimensionamiento más optimizado que con el enfoque determinista tradicional, al incorporar el conocimiento de las propiedades estadísticas de las variables. El resultado de los cálculos tiene una distribución de probabilidad que proporciona información sobre la probabilidad de ocurrencia de un fallo completo del sistema, permitiendo adaptar el dimensionamiento en torno a los niveles de seguridad requeridos y entender la incertidumbre y la sensibilidad de los resultados para optimizar la solución, siguiendo un enfoque similar al utilizado en teoría de estructuras.
Los resultados obtenidos con este enfoque de dimensionamiento permiten:
• Identificar la probabilidad de fallo que se obtendría con el dimensionamiento determinista tradicional para así poder obtener una solución, “tan segura” como la basada en el enfoque determinista.
• Dimensionar la capacidad del sistema de ventilación de manera que cumpla con unos requisitos predeterminados, en términos de probabilidad de fallo y niveles de seguridad, en base a un nivel de riesgo equivalente aplicable para diferentes túneles (como se hace en otros campos, como en ingeniería estructural). Esto es de gran ayuda no solo para los diseñadores, sino también para la administración ya que permite la homogeneidad en el dimensionamiento de los sistemas en todo el país, al tener niveles de seguridad estandarizados.
Aunque el análisis realizado en esta tesis se centra en el escenario de incendio en túneles de carretera con ventilación longitudinal, un enfoque similar se puede aplicar para otros túneles (ferrocarril y metro), sistemas de ventilación (semi transversal o trasversal) y para el caso de dimensionamiento en servicio.
ABSTRACT
In road tunnels, safety is a fundamental objective, not because more accidents occur in tunnels than on open roads, but because of the repercussions that these accidents have to their human, social and economic consequences due to the place where they occur, the difficulties for rescue or evacuation and the drama caused by the confinement or the disruption that the temporary closure of a section of road may entail for the transport system sometimes with difficult or non-existent alternatives.
Among the incidents that can occur in a tunnel and leaving aside those derived from the transport of dangerous goods, fire is the most serious.
One of the factors that influence tunnel safety is the development and implementation of safety systems, within which ventilation plays a fundamental role.
The objective of the ventilation system of a road tunnel is to provide levels of safety both during normal operation and in case of a fire incident. During normal operation the system has to guarantee a comfortable (comfort temperature) and safe atmosphere for the users (ensuring the dilution of pollutants from vehicles below admissible limits and maintaining the system’s reaction capacity in the event of a rapid flow demand). On the other hand, in the event of a fire incident the objectives are to control the layer of smoke, prevent the spread of the incident to areas not involved and support rescue operations.
Traditionally, the sizing of a tunnel ventilation systems is approached with a deterministic approach. The value of the sizing variables is defined based on standards, recommendations and the designer's experience and the sizing result is provided as a single outcome (in terms of jet fans thrust and/or extraction/impulsion capacity to install). This sizing result covers a limited number of scenarios.
This thesis proposes the use of a probabilistic approach for the analysis and sizing of tunnel ventilation systems. The approach uses a 1D steady-state model based on pressure loss calculations and supported by a Monte Carlo simulation (MCS) method in which critical design variables are characterized by probability distributions and in which the result is given as a function of a failure probability associated with the ventilation capacity of the system.
The advantage of using this approach, which incorporates the knowledge of the statistical properties of the variables, is to be able to obtain a more optimized sizing result than with the traditional deterministic approach. The result of the calculations has a probability distribution that provides information on the probability of occurrence of a complete failure of the system, allowing to adapt the sizing (ventilation capacity) around the required safety levels and to understand the uncertainty and sensitivity of the results to optimize the solution. This approach is similar to the one used in other engineering fields, such as structural engineering.
The results obtained with this sizing approach allow:
• To identify the probability of failure that would be obtained with the traditional deterministic approach in order to obtain a solution "as safe" as the one based on the deterministic approach.
• To size the capacity of the ventilation system in such a way that it meets predetermined requirements, in terms of probability of failure and safety levels, based on an equivalent risk level applicable for different tunnels (as is done in other fields, such as in structural engineering). This is of great help not only for the designers, but also for the administration since having standardized security levels allows homogeneity in the sizing of the ventilation system throughout a country.
Although the analysis carried out in this thesis focuses on the fire scenario in road tunnels with a longitudinal ventilation system, a similar approach can be applied to other tunnels (railway and metro), ventilation systems (semi-transverse or transverse) and in the case of sizing during normal operation.