Aplicación de métodos probabilistas para la optimización de sistemas de ventilación en túneles de carretera

• Autores: Sonia Fernández Martín
• Directores de la Tesis: Ignacio Del Rey Llorente (dir. tes.), Alberto Fraile (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2023
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Enrique Alarcón Álvarez (presid.), Francisco Javier Cara Cañas (secret.), Gabriele Vigne (voc.), Juan José Benito Muñoz (voc.), Pablo Ayala Santamaría (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica por la Universidad Politécnica de Madrid
• Calificación: Sobresaliente
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de la construcción
      • Construcción de carreteras
      • Túneles
    • Tecnología e ingeniería mecánicas
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• 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.