La tesis de Ignacio Calderón, defendida en la Escuela de Ingeniería UC, analizó mediante modelos CFD cómo la presencia de superficies combustibles modifica la fluidodinámica, la estratificación térmica y el movimiento del fuego en incendios de compartimento.
Ignacio Alonso Calderón Espinoza defendió exitosamente su tesis doctoral “Evaluation of the Use of CFD Models for Timber Compartment Fires”, investigación que aporta nuevo conocimiento al estudio del comportamiento del fuego en construcciones de madera y a la comprensión de incendios en espacios cerrados con presencia de materiales combustibles.
La defensa se realizó el 20 de mayo, en el marco del Doctorado en Ciencias de la Ingeniería, mención Mecánica, de la Pontificia Universidad Católica de Chile. El trabajo fue desarrollado en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Metalúrgica de la UC, vinculado a CENAMAD, bajo la dirección del Prof. Wolfram Jahn, profesor asociado de la Escuela de Ingeniería UC e investigador principal del Centro.
El comportamiento del fuego en espacios cerrados es un aspecto clave para la seguridad de las edificaciones, especialmente frente al creciente uso de madera estructural en la arquitectura y construcción moderna. En este contexto, la tesis de Calderón abordó una brecha relevante: comprender cómo la incorporación de superficies combustibles, como paredes o techos de madera, modifica el desarrollo del incendio al interior de un compartimento.
“El objetivo de mi tesis busca entender cómo la adición de paredes o techos combustibles, por ejemplo de madera, afecta la fluidodinámica al interior de un incendio de compartimento completamente desarrollado. Esto se estudia a través de simulaciones computacionales complejas”, explica Calderón.
Modelar incendios más complejos
Los incendios en compartimentos de madera son procesos de alta complejidad física y química. A diferencia de los recintos no combustibles, estos escenarios pueden incluir fenómenos como pirólisis, combustión latente —también conocida como smouldering— e interacción entre fase sólida y fase gaseosa, entre otros procesos.
Modelar todos estos fenómenos de manera simultánea implica un alto costo computacional, lo que puede volver inviables ciertas simulaciones. Frente a ese desafío, la investigación se enfocó en comprender los cambios en la fluidodinámica provocados por superficies combustibles en combustión, con el objetivo de identificar zonas o variables críticas que puedan contribuir al diseño de estrategias de seguridad contra incendios.
Para ello, la tesis utilizó modelos CFD, sigla en inglés de Computational Fluid Dynamics o fluidodinámica computacional. Estas herramientas permiten analizar el movimiento de los fluidos mediante métodos numéricos y simulaciones computacionales.
En el caso de los incendios de compartimento, su uso resulta especialmente relevante debido a las condiciones extremas que se generan al interior de estos espacios, como capas de humo densas y tóxicas, además de temperaturas superiores a 800 °C.
“Los modelos CFD, en estos casos, permiten ‘ver’ al interior de incendios de compartimentos completamente desarrollados, sin poner en riesgo a investigadores, trabajadores u otras personas, y permiten cuantificar variables relevantes al interior del incendio”, señala.
Comprender flujos, temperaturas y movimiento
Uno de los aspectos relevantes del trabajo fue la validación de campos térmicos para inferir campos de flujo. En incendios completamente desarrollados, la instrumentación posible al interior del compartimento suele ser limitada, restringiéndose principalmente a termocuplas y sensores de flujos de calor. Por ello, históricamente las velocidades al interior del incendio se han inferido a partir de mediciones realizadas en la abertura del compartimento.
La investigación abordó esta dificultad mediante la validación del campo térmico, con el objetivo de inferir las velocidades de los fluidos. Calderón precisa que esta relación no es directa, pero sí existe una conexión estrecha entre velocidad y temperatura a partir de las ecuaciones que modelan este tipo de incendios.
Este punto es relevante porque toda simulación debe ser contrastada con experimentos para asegurar que la física representada sea correcta. De esta manera, el trabajo aporta a una mejor comprensión de los flujos internos en incendios de compartimento y de las variables que pueden incidir en su intensificación.
Diferencias entre compartimentos combustibles y no combustibles
La tesis también analizó diferencias entre incendios en compartimentos tradicionales no combustibles y aquellos que incorporan superficies combustibles. En los primeros, Calderón observó que el comportamiento del incendio se ve fuertemente afectado por la geometría del compartimento, incluyendo factores como su altura y profundidad. Esto permite identificar una relación entre el modo de ventilación y el modo de combustión, lo que da cuenta de una diversidad de regímenes de comportamiento del fuego.
En el caso de los compartimentos combustibles, la investigación identificó que la recirculación de flujos, la estratificación térmica, la capa de humo y la intensificación de las temperaturas dependen fuertemente de la configuración de paredes y techos en combustión.
“Esto es crítico, dado que provoca aumentos de velocidad en zonas puntuales, propiciando, por ejemplo, la carbonización de la madera, lo cual afecta la integridad estructural de los elementos expuestos”, explica.
De acuerdo con el resumen de la defensa, los resultados muestran que los incendios en compartimentos modernos no pueden analizarse únicamente con teorías tradicionales desarrolladas principalmente para recintos no combustibles. En esa línea, los hallazgos refuerzan la necesidad de avanzar en métodos de diseño basados en desempeño que incorporen explícitamente estos efectos.
Aporte a la seguridad contra incendios
Desde el punto de vista científico y técnico, Calderón destaca que la investigación aportó directamente con cuatro publicaciones científicas en revistas de alto impacto, tres de ellas como primer autor, además de dos artículos en conferencias internacionales.
Para el investigador, el principal aporte de su tesis al campo de la seguridad contra incendios —o Fire Safety Science— está relacionado con el entendimiento de la fluidodinámica al interior de incendios de compartimentos, tanto combustibles como no combustibles. Esto permite obtener información sobre variables que inciden en la intensificación o criticidad del incendio.
La investigación se vincula directamente con una línea estratégica de CENAMAD orientada a la mitigación del riesgo en construcciones en madera, que considera el desarrollo de estudios, evaluaciones analíticas y conocimiento técnico sobre el comportamiento al fuego de la madera y la propagación de incendios en edificios de este material.
El vínculo de Calderón con el Centro se dio a través de la Beca Doctorado Escuela de Graduados/CENAMAD, que financió su arancel y estipendio durante los últimos cuatro años. Además, este apoyo le permitió participar en congresos, realizar visitas académicas y publicar en revistas científicas de alto impacto.
“CENAMAD fue fundamental para el logro exitoso de este doctorado. Considero que la relación entre CENAMAD y el Fire Group UC ha sido muy exitosa”, concluye.
