El diseño de rociadores contra incendios requiere experiencia y una planificación meticulosa
Los sistemas de rociadores contra incendios salvan vidas. Cuando se produce un incendio, los rociadores de aspersión estándar controlan el incendio enfriando y humedeciendo las superficies para privarlo de fuentes de combustible y evitar el flashover, el encendido repentino de todo en una habitación cuando alcanza la temperatura de autoignición. Algunos tipos de rociadores en sistemas específicos van más allá: están diseñados para extinguir completamente un incendio en entornos más desafiantes, como instalaciones de almacenamiento.
Pero, ¿cómo se diseñan los sistemas de rociadores contra incendios, desde los tipos de rociador hasta las tuberías y la presión? Es un proceso bastante complicado, por lo que obviamente no podemos explicarlo todo. Pero este artículo brinda una descripción general de los pasos básicos del diseño del sistema de rociadores contra incendios, que incluyen:
En cada paso, explicamos ampliamente lo que debe hacer un diseñador, incluidos los cálculos (financieros y técnicos) involucrados. Nos referiremos con frecuencia a NFPA 13: Norma para la Instalación de Sistemas de Rociadores (edición de 2019), el documento adoptado por las jurisdicciones que rigen el diseño de sistemas comerciales de rociadores contra incendios.
El diseño de rociadores contra incendios es un proceso detallado, y los diseñadores están profesionales altamente capacitados y calificados. Con frecuencia tienen una certificación de Ingeniero Profesional (PE) y cumplen con los estándares de licencias locales y estatales. Las jurisdicciones a menudo difieren las pruebas y la concesión de licencias para el diseño del sistema de rociadores al Instituto Nacional de Certificación en Tecnologías de Ingeniería (NICET). Por lo general, se requiere al menos una certificación de diseño de sistema a base de agua de nivel III de NICET para trabajar sin supervisión como diseñador de sistemas de rociadores.
Los sistemas de rociadores contra incendios son complicados, al igual que la protección contra incendios. Si tienes preguntas, nosotros tenemos respuestas. Nuestro Pregunte a un profesional de incendios El servicio le permite enviar consultas a los profesionales de protección contra incendios. En tres días hábiles o menos, responderán con una respuesta fácil de entender basada en la experiencia técnica y las leyes y códigos modelo y estándares pertinentes. ¡Envíe sus preguntas hoy!
Comience con lo básico: determinar el suministro de agua
El diseño del sistema de rociadores comienza con el agua; todo lo demás depende de tener suficiente agua lista para controlar un incendio. NFPA 13 requiere un automático suministro de agua para sistemas de rociadores (5.1.2), lo que significa que el agua fluirá a través de los rociadores sin intervención humana.
Se pueden usar muchas fuentes posibles, incluyendo agua de la ciudad, estanques, ríos, embalses, tanques de agua, tanques de presión y tanques de gravedad o torres de agua. Pero en la mayoría de los casos, una instalación de agua municipal es el suministro de referencia.
Cualquiera que sea la fuente, debe tener capacidad suficiente para el control de incendios (5.1.3). Los factores que determinan la capacidad incluyen tasa de flujo (en galones por minuto, GPM), presión (en libras por pulgada cuadrada, PSI), y duración (cuánto tiempo puede mantener la presión y el flujo requeridos). Para un suministro de agua municipal, la capacidad se determina con un prueba de flujo realizado en bocas de incendio cercanas.
Una prueba de flujo requiere al menos dos hidrantes, A y B. Primero, se toma una lectura de presión estática en el hidrante A mientras ninguno de los hidrantes está fluyendo agua. Luego, el hidrante B se abre por completo y se toma otra lectura de presión en el hidrante A. Esta lectura de presión residual es la cantidad de presión que puede empujar el agua a través de los rociadores (menos algunas pérdidas). Se usa una herramienta Pitot para medir la presión del agua que fluye del hidrante B. En este video, el departamento de bomberos de Grapevine, TX, muestra cómo realizar una prueba de flujo:
Este valor se utiliza para calcular el flujo de la siguiente manera:
Q=29.83 X C X d2 X
Con:
q = caudal (GPM)
C = factor C, el coeficiente de rugosidad de la salida del hidrante
d = diámetro interior de la salida
PAG = presión observada en el hidrante B
La capacidad de suministro de agua es la base del diseño del sistema de rociadores. Muchos de los pasos que siguen a este tienen que ver con garantizar que las demandas hidráulicas no excedan esta capacidad. Los diseñadores eligen tuberías y rociadores para que los cálculos hidráulicos funcionen. Si no pueden hacerlo con el caudal y la presión disponibles, tienen que recurrir al uso de una bomba contra incendios (que puede costar decenas de miles de dólares) para impulsar el suministro de agua.
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Conozca el edificio: ¿qué tipo de sistema de rociadores necesita?
Si el primer paso del diseño del sistema de rociadores es conocer el suministro de agua, el segundo es comprender el edificio. Los diseñadores de sistemas de rociadores se sientan con los planos arquitectónicos y de ingeniería para decidir qué necesita el edificio de un sistema de rociadores. ¿Es una estructura residencial? ¿Industrial? ¿Qué importancia tiene la carga de combustible? Tendrá climatizador?
Preguntas como estas. determinar los requisitos que debe cumplir el sistema y qué tipo de sistema de rociadores es apropiado.
NFPA 13, NFPA 13R o NFPA 13D: ¿qué norma utilizar?
Como se mencionó, NFPA 13 es el estándar de referencia para el diseño de sistemas de rociadores comerciales. Los sistemas que cumplen con NFPA 13 son definido por cobertura completa de aspersores. El estándar se usa típicamente en instalaciones comerciales: oficinas, espacios comerciales, almacenes, edificios industriales, etc.
Existen dos alternativas a NFPA 13:
- NFPA 13R: Norma para la instalación de sistemas de rociadores en ocupaciones residenciales de baja altura
- NFPA 13D: Norma para la Instalación de Sistemas de Rociadores en Viviendas Unifamiliares y Bifamiliares y Casas Prefabricadas.
Tanto NFPA 13R como NFPA 13D se enfocan en una protección de seguridad de vida asequible y conveniente, por lo que no requieren rociadores en espacios desocupados como armarios y áticos. Pero en algunos entornos residenciales más grandes, todavía se usa un sistema NFPA 13 de cobertura total.
¿El edificio necesita un sistema húmedo, seco o de acción previa?
Además de determinar el estándar, los diseñadores también deben determinar si un edificio necesita un sistema de tubería húmeda, un sistema de tubería seca o un sistema de rociadores de preacción.
La mayoría de los edificios simplemente usan un sistema de rociadores húmedos en el que el agua llena las tuberías en todo momento. Tan pronto como un aspersor funciona, el agua fluye.
Estructuras como garajes de estacionamiento donde la congelación es una necesidad de preocupación sistemas de tubería seca, llamado así por la ausencia de agua en las tuberías. Una válvula seca, mantenida cerrada por un gas a presión, detiene el agua en una sección aislada de la tubería hasta que se necesita. Cuando se activa un rociador, el gas se despresuriza, la válvula seca se abre y el agua fluye.
Donde el costo de una descarga accidental sería severo (como en una galería de arte), un sistema de preacción puede ser usado. El agua es retenida por una válvula de acción previa, que también puede funcionar como una válvula seca. La activación también se basa en un disparador separado, como la entrada eléctrica de un detector de humo o calor, lo que proporciona otra capa de control sobre si el agua fluye desde los rociadores.
Conozca el edificio: ¿cuánta agua se necesita para el diseño de rociadores contra incendios, incluido el nivel de peligro?
¿Cuánta agua se necesita para controlar un incendio? Esto depende de muchos factores, incluido el tamaño del incendio y el tipo de combustible. Tres herramientas conceptuales ayudan a los diseñadores a planificar sistemas que puedan producir suficiente flujo de agua y presión: peligro de ocupación, área de diseñoy curvas densidad/área.
Peligro de ocupación
NFPA 13 grupos (4.3) edificios o partes de edificios en riesgos de ocupación, ayudando a los diseñadores a estimar la carga de combustible y, por lo tanto, las demandas de agua. La asignación de un riesgo de ocupación depende de varios factores explicados en NFPA 13:
19.3.1.2.3 Las ocupaciones o porciones de ocupaciones deben clasificarse de acuerdo con la cantidad y la combustibilidad de los contenidos, las tasas esperadas de liberación de calor, el potencial total para la liberación de energía, las alturas de las pilas de almacenamiento y la presencia de líquidos inflamables y combustibles, usando las definiciones contenidas en 4.3.2 a 4.3.7.
Las clasificaciones de peligro de NFPA 13 son (19.3.1.2.4):
- Peligro ligero
- Riesgo Ordinario (Grupo 1)
- Riesgo Ordinario (Grupo 2)
- Riesgo adicional (Grupo 1)
- Peligro adicional (Grupo 2)
- Peligro de ocupación especial (incluido el almacenamiento)
Es importante tener en cuenta que las categorías de riesgo de ocupación de NFPA 13 se aplican solo al diseño de sistemas de rociadores y «no deben tener la intención de ser una clasificación general de riesgos de ocupación» (4.3.1.2). NFPA 101: Código de Seguridad Humana también agrupa los edificios en riesgos de ocupación, pero estas clasificaciones son diferentes; están relacionados con amenazas a la vida, no con la carga de combustible.
área de diseño
Él área de diseño concepto permite a los diseñadores seleccionar un peor de los casos parte de su edificio para basar todo el sistema. Al igual que con el nivel de peligro, el «peor de los casos» se refiere a la hidráulica. El área de diseño es una ubicación «hidráulicamente desafiante», generalmente debido a la gran elevación y/o su distancia desde el tubo ascendente del rociador contra incendios. Se utiliza el concepto de área de diseño porque no sería práctico suministrar agua a todos los rociadores contra incendios a la vez.
Identificar un área de diseño no siempre es sencillo, por lo que los profesionales del diseño a menudo realizan cálculos para varias áreas para encontrar la que tiene la mayor demanda. NFPA 13 tiene varias reglas para la selección del área de diseño.
Curvas de densidad/área
Los diseñadores usan el nivel de riesgo y el área de diseño para determinar cuánta agua necesitan con curvas de densidad/área. “Cuánta agua” significa densidad del agua— galones por minuto por pie cuadrado (GPM/ft2). Cuando los diseñadores conocen el nivel de riesgo de su edificio y el tamaño del área de diseño, pueden usar las curvas de densidad-área (19.3.3.1.1) proporcionado por NFPA 13 para determinar la densidad de agua requerida exacta.
Una vez que la densidad del área de diseño se determina a partir de la curva, calcular el flujo total requerido es simple. El flujo (GPM) es densidad por área.
Disposición de los componentes del sistema de rociadores: rociadores
El diseño del sistema de rociadores es un proceso iterativo. Los diseñadores tienen que planificar tentativamente una configuración y luego verificar las matemáticas para ver si los cálculos hidráulicos funcionan. Una parte de este proceso implica Disposición y dimensionamiento de los rociadores..
Disposición de rociadores y determinación de su área de cobertura en el diseño de rociadores contra incendios
Para saber cuánta densidad puede ofrecer un rociador, un diseñador primero debe determinar el área que cubre. Siguen las pautas de NFPA 13 para garantizar que los rociadores cubran una cantidad adecuada de espacio.
Cuadros 10.2.4.2.1(ad) indique qué tan separados, en el centro, pueden estar los rociadores verticales y colgantes de aspersión estándar. La distancia máxima es de 15 pies, pero se reduce en muchas situaciones. Cualquiera que sea la distancia permitida entre los rociadores, los rociadores no pueden tener más de la mitad de esa distancia (10.2.5.2.1) de las paredes. Entonces, la longitud máxima desde un rociador hasta una pared es de 7.5 pies.
Los diseñadores marcan la ubicación de los rociadores y las tuberías en los planos según estas reglas y luego determinan cuánto espacio protege cada rociador de acuerdo con las reglas de NFPA 13. Existe un límite en la cantidad de espacio en el piso que un rociador puede cubrir razonablemente. Estas áreas de máxima protección para los rociadores de aspersión estándar también se establecen en Cuadros 10.2.4.2.1(ad); el mayor valor posible es 225 pies.2, pero esto solo es aplicable en espacios no combustibles sin obstrucciones. (Y tenga en cuenta que los diferentes tipos de rociadores, como los de cobertura extendida, tienen diferentes reglas y valores).
Área de protección, As se calcula con la formula As=S x L (9.5.2.1). A lo largo del ramal, S es el mayor de:
- La distancia al aspersor más cercano
- El doble de la distancia a la obstrucción o pared más cercana.
El valor de L se determina de la misma manera pero perpendicular al ramal (por ejemplo, en la dirección del siguiente ramal).
El factor K del rociador determina el caudal que puede producir un rociador
Los diseñadores de sistemas de rociadores tienen muchos rociadores para elegir cuando diseñan un sistema. Hay una increíble variedad de clasificaciones de temperatura, acabados y características de rendimiento disponibles. Pero cuando se trata de la hidráulica del diseño del sistema de rociadores, quizás la especificación de rociadores más crítica es factor Kque es esencialmente el tamaño de su orificio.
Cada rociador tiene un factor K definido, que describe cuánto flujo (GPM) puede producir a una presión dada (psi). Los valores comunes del factor K incluyen 2,8, 5,6 y 8,0. La relación entre el factor K, el flujo (q) y la presión (p) es:
K=q/√p
Los diseñadores a menudo seleccionan un factor K común y verifican si pueden lograr el flujo requerido con la presión disponible. Si no pueden, pueden elegir otro factor K. O bien, pueden cambiar algo en las tuberías para aumentar la presión disponible.
Disposición de los componentes del sistema: tuberías, accesorios y cálculos hidráulicos en el diseño de rociadores contra incendios
Cuando los diseñadores diseñan un sistema de rociadores en papel (o digitalmente, hoy en día), marcan dónde irán las tuberías y deciden su tamaño y material. La selección de tuberías afecta los cálculos hidráulicos, el costo, la resistencia a la corrosión y más.
La prueba de flujo solo les dice a los diseñadores cuánta presión hay disponible de la fuente y en la base del elevador del sistema. Tienen menos con qué trabajar en los rociadores debido a pérdida de cabeza. La pérdida de carga es la pérdida de presión debido a la resistencia a medida que el fluido fluye en las tuberías desde su origen hasta su destino.
Tres tipos de resistencia crean pérdida de carga:gravedad, friccióny turbulencia. Los diseñadores no pueden combatir los efectos de la gravedad a menos que usen bombas; no importa el diámetro de las tuberías, se pierden 0,433 psi por cada pie vertical. Pero pueden seleccionar y seleccionan tuberías, accesorios y dispositivos para reducir la pérdida de carga por fricción y turbulencia.
Selección de tubería y pérdida por fricción
La fricción del agua contra las paredes de la tubería lucha contra la presión del suministro de agua. El tamaño de la fuerza de fricción depende de tres factores:
- Él tasa de flujo (q)
- La rugosidad empírica de las tuberías. (C; C pequeña significa tubería rugosa)
- Él diámetro de las tuberías (d)
Los diseñadores utilizan la fórmula de Hazen-Williams (27.2.2.1.1) para calcular la pérdida de presión por pie de tubería (p):
pag = (4.52q1.85) ÷ (C1.85d4.87)
Seleccionar los materiales y tamaños de tubería apropiados ayuda a minimizar las pérdidas por fricción. Si los cálculos hidráulicos revelan queun rociador en el área de diseño no obtendrá suficiente presión para producir la densidad de diseño, se puede aumentar el tamaño de las tuberías para reducir la pérdida de presión.
El material de la tubería también afecta las pérdidas de presión. El valor C describe la rugosidad de la tubería, y la tubería hecha de cobre (C=150) o CPVC (C=150), por ejemplo, es más suave que una hecha de hierro fundido sin revestimiento (C=100).
Con el tamaño y el material de la tubería, existen otras consideraciones además de los cálculos hidráulicos. Los costos iniciales y a largo plazo también son cosas importantes en las que pensar. La tubería más grande cuesta más y la tubería de cobre cuesta más que los termoplásticos, por ejemplo. Las tuberías no metálicas como el CPVC también tienen preocupaciones únicas con respecto a la exposición y el derretimiento y solo se pueden usar en entornos específicos.
Equilibrar el costo y la función es una parte importante del trabajo de un diseñador de sistemas de rociadores contra incendios.
Dispositivos y accesorios y pérdida por turbulencia
La turbulencia también crea pérdida de presión. Los dispositivos (como válvulas) y los accesorios (como codos y tees) crean turbulencias que, a su vez, disminuyen la cantidad de presión disponible aguas abajo. La turbulencia ocurre cuando el agua es forzada a cambiar de dirección o pasar a través de pequeños orificios.
Las matemáticas detrás de la pérdida por turbulencia son complicadas, pero NFPA 13 permite a los diseñadores estimar la pérdida de carga de los dispositivos y accesorios en términos de pies equivalentes de tubería (27.2.3.1.1). Las tablas de NFPA 13 o los datos del fabricante indican qué longitud de tubería creará la misma pérdida de carga que produce un dispositivo o accesorio en particular.
Hay dispositivos que consumen presión que no pueden quedar fuera de la ecuación. Por ejemplo, preventores de reflujo se requieren con frecuencia para prevenir la contaminación de los suministros de agua municipales. Si el suministro de la ciudad pierde presión por cualquier motivo, el agua estancada en un sistema de rociadores contra incendios podría retroceder y contaminar el agua potable. Los dispositivos de prevención de reflujo tienden a generar grandes pérdidas de carga, pero esto es inevitable donde se requieren.
El diseño del sistema de rociadores contra incendios requiere un profesional
El diseño de sistemas de rociadores contra incendios involucra muchos elementos. Los diseñadores verifican el suministro de agua, identifican las necesidades del edificio, diseñan tuberías y rociadores y realizan cálculos hidráulicos. Es un proceso complicado y apenas hemos arañado la superficie en este artículo.
Los sistemas de rociadores definitivamente salvan vidas y propiedades, pero solo funcionan según lo previsto cuando están bien diseñados y cumplen con el código. Confíe siempre en un profesional con licencia para diseñar un sistema de rociadores contra incendios. Y tenga en cuenta que diferentes estados y municipios pueden tener requisitos adicionales a los especificados en NFPA 13.
Una credencial ampliamente aceptada es la certificación NICET Nivel III en Diseño de Sistemas Base Agua, que califica a un diseñador para trabajar sin supervisión. Si está interesado en convertirse en diseñador de sistemas de rociadores, un excelente lugar para comenzar es la capacitación en el trabajo en una empresa de diseño, montaje de tuberías o instalación de rociadores, junto con un título de ingeniería y una certificación eventual.
Debido a las complejidades de estos sistemas, así como a los códigos y normas que los rigen, la protección contra incendios a menudo requiere el asesoramiento de expertos.
Si tiene problemas técnicos difíciles con un sistema de rociadores, configuración de detección y alarma u otro sistema de protección contra incendios, debe consultar a un Fire Pro. Este servicio 🥇IO Technology S.A.C le permite enviar preguntas a expertos que responderán con una investigado, procesabley comprensible responder en tres días hábiles o menos.