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EXPLOSIONES BLEVE
EXPLOSIONES BLEVEAnlisis de intensidad y consecuencias
por sobrepresin
Felipe Muoz Jorge Mario GmezHeidy Fajardo Iovanna Santana Gladys Puerto
Faride Solano Camilo Rosas Andrs Garca
GOBIERNO, SEGURIDAD Y CONVIVENCIA - Fondo de Prevencin y Atencin de Emergencias - FOPAE
Primera edicin: enero de 2011
Felipe Muoz, Jorge Mario Gmez
Fondo de Prevencin y Atencin de Emergencias (fopae) Diagonal 47 nm. 77B-09Telfono: 429 74 14Bogot, D. C., Colombia
Universidad de los Andes, Facultad de Ingeniera, Departamento de Ingeniera Qumica
Ediciones UniandesCarrera 1 nm. 19-27, edificio AU 6, piso 2Bogot, D. C., ColombiaTelfonos: 339 49 49 / 339 49 99, ext. [email protected]://libreria.uniandes.edu.co/
ISBN: 978-958-695-523-2
Colaboradores: Heidy Fajardo, Iovanna Santana, Camilo Rosas y Andrs GarcaRevisin tcnica: Gladys Puerto y Faride SolanoCorreccin de estilo: Alejandra MuozDiseo grfico editorial y armada electrnica: Proceditor Impresin: Subdireccin Imprenta Distrital - D.D.D.I.Bogot, D. C., Colombia
Impreso en Colombia - Printed in Colombia
Todos los derechos reservados. Esta publicacin no puede ser reproducida ni en su todo ni en sus partes, ni registrada en o transmitida por un sistema de recuperacin de informacin, en ninguna forma ni por ningn medio sea mecnico, fotoqumico, electrnico, magntico, electro-ptico, por fotocopia o cualquier otro, sin el permiso previo por escrito de la editorial.
Muoz Giraldo, FelipeExplosiones Bleve: anlisis de intensidad y consecuencias por sobrepresin / Felipe Muoz, Jorge Mario
Gmez; Fondo de Prevencin y Atencin de Emergencias (fopae). -- Bogot: Universidad de los Andes, Facultad de Ingeniera, Departamento de Qumica, Ediciones Uniandes, 2010.76 p., 16,8 x 23,8 cm
ISBN : 978-958-695-523-2
1. Explosiones 2. Explosiones -- Modelos matemticos 3. Recipientes a presin 4. Seguridad industrial I. Gmez Ramrez, Jorge Mario II. Bogot (Colombia). Alcalda Mayor. Fondo de Prevencin y Atencin de Emer-gencias III. Universidad de los Andes (Colombia). Facultad de Ingeniera. Departamento de Qumica IV. Tt.
CDD. 541.361 SBUA
Contenido
Presentacin 9Introduccin 11Objetivo 12
1.0. Marco jurdico: contexto internacional, nacional y distrital 13
2.0. Accidente industrial mayor: retorno de experiencias-explosiones Bleve 17
3.0. Anlisis de riesgos: fundamentos 253.1. Actividades industriales de alto riesgo 25
3.2. Definiciones bsicas para el anlisis de riesgos 25
4.0. Anlisis de riesgos: reporte 294.1. Estudio tcnico 29
4.1.1. Las reas de influencia de riesgo industrial 29
4.1.2. La cartografa de las consideraciones del medio 29
4.1.3. Superposicin de la cartografa de las consideraciones del medio por
cada rea de influencia de riesgo industrial 30
5.0. Anlisis de riesgos: rea de influencia de riesgo industrial por ondas de sobrepresin 315.1. Modelos para clculo de efectos por sobrepresin e impulso 33
5.1.1. Mtodo tnt 335.1.2. Modelos desarrollados para tanques esfricos, presurizados y de masa
despreciable: mtodo bsico de Baker (Baker 1) 34
5.1.3. Modelos desarrollados para tanques cilndricos o esfricos,
presurizados y de masa despreciable 36
5.1.3.1. Extensiones del mtodo de Baker (Baker 2) 36
5.1.3.2. Mtodo de Baker para fluidos no ideales (Baker 3) 38
5.2. Seleccin del modelo apropiado 40
5.2.1. Modelo de tnt 40
5.2.2. Mtodo bsico de Baker (Baker 1) 40
5.2.3. Extensiones del mtodo de Baker (Baker 2) 41
5.2.4. Mtodo de Baker para fluidos no ideales (Baker 3) 42
5.3. Conclusin 42
6.0. Anlisis de riesgos: rea de influencia de riesgo industrial por proyectiles 436.1. Clculo de la velocidad inicial de los fragmentos 43
6.2. Clculo de la distancia alcanzada por los fragmentos 44
7.0. Anlisis de consecuencias 477.1. Aproximacin emprica 47
7.2. Aproximacin probabilstica 49
7.2.1. Vivienda 49
7.2.2. Instalaciones industriales 50
7.2.3. Rompimiento de vidrios 51
7.2.4. Daos a personas 51
7.2.4.1. Dao pulmonar 51
7.2.4.2. Dao en el sistema auditivo 54
7.2.4.3. Impacto 55
7.3. Criterios de dao adoptados por la dpae 557.3.1. Criterios para la evaluacin de daos en infraestructura 56
7.3.2. Criterio para la evaluacin de efectos en humanos 57
Documentacin til 59Principales textos legislativos 59
Vnculos en Internet 60
Cartografa de Bogot 61
Glosario 63
Nomenclatura 65
Anexos 67Anexo 1 Diagrama de modelos para determinar la sobrepresin y el impulso
de la onda explosiva 67
Anexo 2 Impulso escalado I contra distancia escalada R 68
Anexo 3 Curva de sobrepresin escalada contra la distancia escalada para una
explosin Bleve cuando la distancia escalada es mayor o igual a 2 69
Anexo 4 Diagrama de mtodos para determinar velocidad inicial y distancia
de los fragmentos 70
Anexo 5 Funciones Probit 71
Bibliografa 73
9Presentacin
La Alcalda Mayor de Bogot, a travs del Fondo de Prevencin y Atencin de Emergencias (fopae), pone a dispo-sicin de la comunidad y de las entidades del Sistema Distri-tal de Prevencin y Atencin de Emergencias (sdpae) esta publicacin obtenida en desarrollo del convenio suscrito con la Universidad de los Andes, con la cual se busca orientar a los responsables de la prevencin de accidentes industria-les mayores en la cuantificacin de los posibles daos que se puedan derivar de la ocurrencia de un evento de sobre-presin o incendio en un establecimiento o industria, resal-tando las principales variables que se deben considerar en sus anlisis, metodologas avaladas nacional e internacional-mente y criterios de anlisis de consecuencias.
La ocurrencia de desastres como Minamata, Bophal, Seveso, Sellafield, Isla de Tres Millas, Love Canal, Exxon Valdez, entre otros, ha generado gran inquietud entre los estudiosos del riesgo tecnolgico y se han desarrollado metodologas que permiten acercamientos a la identificacin de medidas preventivas, de mitigacin, de atencin y de recuperacin rela-cionadas con este tipo de eventos. El potencial de accidentes industriales mayores se ha incrementado de forma significa-tiva con el aumento de la produccin, almacenamiento y utili-zacin de sustancias peligrosas, y ha puesto de manifiesto la necesidad de contar con un enfoque sistemtico y claramente definido para el control de tales sustancias.
Esta publicacin ha sido desarrollada pensando en apor-tar elementos que, adems de permitir el aumento del cono-cimiento de los actores pblicos y privados, motive en los potenciales generadores de riesgos, la necesidad de imple-mentar las medidas de prevencin y mitigacin necesarias para evitar la ocurrencia de un accidente industrial mayor y, por tanto, prevenir sus consecuencias sobre la poblacin, el ambiente, la infraestructura, la continuidad del negocio
10
y el desarrollo de la ciudad. El documento incluye un marco de referencia para la estimacin de intensidades por sobrepresin como producto de explosiones de lquidos en ebullicin y vapores en expansin (Bleve) y una seleccin de mtodos para la estimacin de sus consecuencias.
Frente al riesgo tecnolgico todos somos responsa-bles de evitar o reducir las prdidas humanas y mate-riales que se puedan producir como consecuencia de un desastre. Esta publicacin es un instrumento que esperamos ayude a mejorar el conocimiento sobre las amenazas tecnolgicas y las consecuencias que podra generar un incidente de este tipo, de manera que se pueda contar con herramientas que permitan avanzar hacia una gestin ms integral del riesgo.
11
Introduccin
El documento Anlisis de riesgos y consecuencias: efectos por sobrepre-sin como producto de explosiones Bleve es una herramienta de consulta y orientacin, conceptual y metodolgica, para facilitar los procesos de modelaje y simulacin de efectos por sobrepresin en actividades industriales de alto riesgo. Est concebida con el propsito de brindar al industrial los aspectos pertinentes para la evaluacin de escenarios de explosin de lquido en ebullicin y vapor en expansin (Bleve).
ste constituye un instrumento de consulta que orienta tcnica-mente, mediante modelos internacionalmente reconocidos, los proce-sos de modelaje y simulacin que deben realizar los industriales y propietarios de establecimientos que localizan sus actividades en el distrito capital y su rea de influencia.
Las explosiones tipo Bleve generalmente constituyen un accidente industrial mayor. Con el nimo de facilitar a los usuarios el correcto uso de este documento, es importante mencionar que la Organizacin Internacional del Trabajo (oit) define este tipo de accidentes como un acontecimiento repentino,1 en el curso de una actividad dentro de una instalacin expuesta a riesgos de accidentes mayores, en el que estn implicadas una o varias sustancias peligrosas y que exponga a los traba-jadores, a la poblacin o al medio ambiente a un peligro grave, inme-diato o diferido.
De la misma manera, para el caso particular de este documento, se entiende como una explosin tipo Bleve,2 la que ocurre cuando un tanque, que contiene gas licuado almacenado a una temperatura por encima de su punto de ebullicin normal, falla catastrficamente.
En el marco de la Gestin Integral del Riesgo, resulta vital que los anli-sis estn soportados por procesos de modelaje y simulaciones, los cuales permitan estimar la intensidad de los efectos y as, estimar los daos a personas, ambiente e infraestructura (fig. 1).
1 Como una emisin, un incendio o una explosin de gran magnitud.
2 Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion.
12
Figura 1. Herramientas y tcnicas para el anlisis sistemtico de riesgo dentro de los procesos de Gestin Integral
De este modo, los aspectos contemplados en este documento orien-tan a los responsables de la prevencin de accidentes industriales mayo-res en la cuantificacin de los posibles daos que puedan derivarse de la ocurrencia de eventos que involucren la generacin de efectos por sobrepresin en un establecimiento o industria, resaltando las principa-les variables que se deben considerar en sus anlisis, una seleccin de mtodos y los criterios de anlisis de consecuencias definidos por la dpae. Con estos insumos se brinda una base armonizada de anlisis, modelaje y simulacin para la presentacin de documentos que pueden llegar a ser requeridos por las entidades de inspeccin, vigilancia y control del distrito capital.
Objetivo
Presentar a industriales, gremios y entidades distritales, una herra-mienta metodolgica para el modelado y simulacin de efectos por sobrepresin, en escenarios de explosin de lquidos en ebullicin y vapores en expansin (Bleve), con el fin de facilitar a los responsables de actividades industriales de alto riesgo, insumos para la toma de deci-siones en su proceso de Gestin Integral del Riesgo y a las entidades distritales mejores elementos para realizar sus funciones de inspeccin, vigilancia y control.
13
1.0.
Marco jurdico: contexto internacional, nacional y distrital
La Organizacin Internacional del Trabajo (oit) en su 80a Reunin de la Conferencia General de la Organizacin Internacional del Trabajo en Ginebra el 22 de junio de 1993 trat los temas relacionados con los accidentes industriales mayores, es as como se adopt el Convenio 174 sobre la prevencin de accidentes industriales mayores (el cual entr en vigor en 1997) y se emiti la Recomendacin 181 sobre la prevencin de accidentes industriales mayores.
Colombia como miembro de la oit y firmante del Convenio sobre la Prevencin de Accidentes Industriales Mayores (C174) y sus Recomenda-ciones (R181), viene desarrollando instrumentos normativos y generando acciones mediante sus autoridades designadas como competentes. Es as como se emite en el mbito nacional la Ley 320 de 1996 por medio de la cual se acogen, entre otros el Convenio 174 sobre la prevencin de acci-dentes industriales mayores y la Recomendacin 181 sobre la preven-cin de accidentes industriales mayores. Adicionalmente el Decreto 2053 de 1999 promulga el Convenio 174 sobre la prevencin de acci-dentes industriales mayores.
Por otro lado, el marco jurdico para los anlisis de riesgo que deben realizar las industrias se encuentra en el Decreto 919 de 1989 Por el cual se reglamenta el Sistema Nacional para la Prevencin y Atencin de Desastres de Colombia, el cual establece en el artculo 8o Anlisis de vulnerabilidad:
Para los efectos del Sistema Integrado de Informacin, todas las entidades pblicas o privadas encargadas de la prestacin de servicios pblicos, que ejecuten obras civiles de gran magnitud o que desarro-llen actividades industriales o de cualquier naturaleza que sean peli-grosas o de alto riesgo, as como las que especficamente determine la Oficina Nacional para la Atencin de Desastres, debern realizar anlisis de vulnerabilidad, que contemplen y determinen la probabilidad de la presentacin de desastres en sus reas de jurisdiccin o de influencia, o que puedan ocurrir con ocasin o a causa de sus actividades, y las capa-cidades y disponibilidades en todos los rdenes para atenderlos.
14
Y en el artculo 9o Medidas de proteccin: Todas las entidades a que se refiere el artculo precedente, debern tomar las medidas de protec-cin aplicables como resultado del anlisis de vulnerabilidad. La Oficina Nacional para la Atencin de Desastres fijar los plazos y las condiciones mnimas de proteccin.
En el mbito distrital es el Acuerdo 11 de 1987 del Concejo de Bogot el que crea el Fondo para la Prevencin y Atencin de Emergencias en el Distrito Especial de Bogot. Posteriormente en el Decreto 723 de 19991 por el cual se organiza el Sistema Distrital para la Prevencin y Atencin de Emergencias de Santa Fe de Bogot, D. C., y se dictan otras disposi-ciones, seala la necesidad de
[] armonizar lo establecido en el decreto-ley 919 de 1989 con lo establecido en el Acuerdo 11 de 1987, emanado del Concejo de Bogot y el decreto 652 de 1990 que crean el Fondo y la Oficina Coordinadora para la Prevencin y Atencin de Emergencias, hoy Direccin de Preven-cin y Atencin de Emergencias de la Secretara de Gobierno, y le esta-blecen sus funciones, y dems normas que los modifican y adicionan.
El Decreto 332 de 2004, por medio del cual se organiza el Rgimen y el Sistema para la Prevencin y Atencin de Emergencias en Bogot Distrito capital y se dictan otras disposiciones, establece que la coor-dinacin tcnica y operativa del Sistema Distrital para la Prevencin y Atencin de Emergencias estar a cargo de la Direccin de Prevencin y Atencin de Emergencias (dpae), asimismo, en el Artculo 15 Anlisis de riesgos y de medidas de prevencin y mitigacin, se establece que: En desarrollo de lo dispuesto en los Artculos 8 y 9 del Decreto 919 de 1989, las entidades o personas pblicas o privadas cuyas actividades puedan dar lugar a riesgos pblicos deben hacer anlisis de riesgos, de planes de contingencia y de medidas de prevencin y mitigacin....
Por su parte, el Decreto 423 de 2006 adopt el Plan Distrital para la Prevencin y Atencin de Emergencias para Bogot D. C. (pdpae), por una vigencia de diez aos, estableciendo las polticas, objetivos generales, reas o sectores estratgicos y programas que orientan las acciones de las entidades pblicas y de los particulares en la gestin del riesgo pblico en el Distrito capital. Adicionalmente, durante el ao 2007, se desarrollaron de manera interinstitucional las agendas de trabajo del pdpae en sus escenarios sectoriales y territoriales, en las cuales se iden-tificaron los proyectos, componentes, actividades y responsables, y que
1 Derogado por el Artculo 45 del Decreto Distrital 332 de 2004.
15
fueron adoptadas a travs de la Resolucin 138 de 2007 de la Direccin de Prevencin y Atencin de Emergencias para la debida implementa-cin del Plan.
Finalmente, el Acuerdo 341 de 2008 del Concejo de Bogot, en el artculo 4 establece que todos los patrones con carcter de empresa y domicilio en la ciudad de Bogot, deben informar a la dpae sobre la implementacin de sus planes de emergencia, a travs del formulario electrnico que para este fin elabore esta entidad.
17
2.0.
Accidente industrial mayor: retorno de experiencias-explosiones Bleve
Con el objetivo de estar cerca de los recursos necesarios para sus actividades, histricamente, las industrias se han instalado cerca de las zonas urbanas. Al mismo tiempo, la fuerza laboral tiende a establecerse en ncleos cercanos a zonas de actividades industriales. Durante el siglo xx el tejido urbano se ha ido sumando a la mayora de polgonos indus-triales, generando tensiones entre las actividades enmarcadas en el territorio y el uso del suelo.
Hoy en da la proximidad de la industria y la poblacin incrementa la posibilidad de un accidente industrial con consecuencias catastrfi-cas. El retorno de experiencias internacional nos alerta sobre este tipo de eventos con casos como el de Feysin (Francia, 1966), Flixborough (Reino Unido, 1974), Seveso (Italia, 1976), Bhopal (India, 1984), Ents-chede (Holanda, 2000), Toulouse (Francia, 2001), entre otros; lo que ha motivado a diferentes autoridades nacionales a llevar a cabo una toma de conciencia colectiva sobre el desafo que plantea la interaccin de la gestin de riesgos industriales y el desarrollo sostenible de territorios.
El anlisis histrico de accidentes es una de las tcnicas empleadas para identificar los riesgos de una instalacin. Se basa en el estudio de accidentes ocurridos en el pasado, en instalaciones similares a las de estudio o en actividades que manejen el mismo producto.
El anlisis detallado de la experiencia histrica acumulada en las operaciones de proceso, almacenamiento y transporte, permite extraer conclusiones para el desarrollo de una poltica adecuada de seguridad para ser utilizadas en la formulacin de los escenarios accidentales. Asimismo, permite comprender su mecanismo de ocurrencia, as como la intensidad de sus efectos.
El retorno de experiencias internacional pone en evidencia un gran nmero de explosiones tipo Bleve (tabla 2.1).
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23
Si bien son eventos que registran una baja probabilidad de ocurren-cia, su rea de influencia de riesgo industrial es muy significativa y pueden llegar a ocasionar simultneamente efectos por radiacin, sobrepresin y txicos.
El primer registro de este tipo de eventos es de 1926, cuando en una instalacin francesa se registr un sobrellenado en un contenedor de cloro. Si bien sus mecanismos y consecuencias son conocidos desde principios del siglo pasado, se han venido registrando un nmero consi-derable de accidentes en las ltimas dcadas. Cerca de un 20% de los casos reportados han tenido lugar en el perodo 1997-2004, lo que pone en evidencia que el reconocimiento del evento no implica automtica-mente su prevencin.
A diferencia de otros tipos de explosiones este mecanismo se presenta con una sustancia que se encuentra presurizada y a una temperatura por encima de su punto de ebullicin a condiciones atmosfricas, sin impor-tar si la sustancia es inflamable o no. Es precisamente la heterogeneidad en la naturaleza de las sustancias la que permite que este tipo de even-tos se puedan presentar con materiales como glp,1 propano, butano, cloro, amoniaco, propileno, xido de etileno, dixido de carbono, gaso-lina, oxgeno, fosgeno, hidrgeno, nitrgeno, butadieno, entre otros.
El balance en prdidas humanas no resulta alentador. Si bien se han venido tomando acciones encaminadas a mejorar las prcticas de inge-niera, la inmersin de sistemas susceptibles de sufrir este tipo eventos en contextos vulnerables ha acarreado impactos significativos. Es as como se han registrado ms de dos mil vctimas mortales y quince mil heridos, lo que seala a las explosiones tipo Bleve como uno de los esce-narios prioritarios que hay que analizar desde una perspectiva de riesgo pblico. Es importante mencionar que este tipo de eventos no se limita a instalaciones fijas y cerca de un 30% se da en operaciones de transporte.
En el caso del distrito capital se estima que existe un subregistro de eventos que no permite contar con un retorno de experiencias apropiado. Esta debilidad del sistema ocasiona, entre otros, la invisibilidad del meca-nismo de peligro y los efectos involucrados. Identificada esta necesidad la dpae se propuso realizar la construccin de la lnea base Riesgo Tecno-lgico en el distrito capital, la cual se mantiene actualizada mediante la generacin mensual de reportes a partir del mes de noviembre de 2008.
1 43% de los casos registrados.
24
Como resultado de este trabajo ha quedado en evidencia que los inciden-tes y accidentes que involucran glp o propano, representan aproximada-mente el 30% de los eventos ocurridos en el perodo 2001-2008 (fig. 2.1).
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30
207
111
298
114
Figura 2.1. Nmero de eventos por ao en el distrito capital. dpae-gestin sectorial/industria2
2 Gestin sectorial - Industria dpae. Lnea base de informacin en el tema de riesgo tecnolgico en el distrito capital, 2008.
25
3.0.
Anlisis de riesgos: fundamentos
Los anlisis detallados de riesgos deben ser realizados para aque-llos escenarios definidos como crticos. Esto hace necesario deter-minar con claridad los establecimientos propensos a sufrir este tipo de eventos, con miras a fortalecer los sistemas de gestin integral del riesgo, mediante la generacin un marco metodolgico nico de anli-sis y reporte.
3.1. Actividades industriales de alto riesgo
Se definirn como actividades industriales de alto riesgo (aiar) a aquellas relacionadas con la fabricacin, empleo o almacenamiento de sustancias peligrosas en cantidad importante tales como: qumica bsica, agroqumicos, farmacuticos, polmeros, pinturas y pegantes, combustibles, solventes y similares, entre otras.
Este tipo de actividades pueden asociarse con algunas divisiones de la Clasificacin Industrial Internacional Uniforme (ciiu) Rev. 3, sin embargo, debe tenerse en cuenta que esta clasificacin no permite determinar con exactitud los establecimientos especficos con escenarios probables de accidente industrial mayor; no obstante, permite identificar sectores prioritarios y dimensionar los retos institucionales (tabla 3.1).
3.2. Definiciones bsicas para el anlisis de riesgos
Se entender como un anlisis de riesgo industrial mayor nicamente la evaluacin y anlisis ingenieril,1 por la implantacin de una instala-cin o actividad que hace uso de sustancias o procesos peligrosos que sean susceptibles de generar eventos peligrosos dentro de un territorio que enmarque intereses poblacionales, ambientales o materiales.
1 stos no contemplan, por ejemplo, los efectos antropolgicos o socioeconmicos.
26
La evaluacin y calificacin de estos aspectos tcnicos estarn defi-nidos por:
La probabilidad de ocurrencia de eventos peligrosos (frecuencia). La intensidad del fenmeno peligroso. La vulnerabilidad del medio.
Un fenmeno peligroso est constituido por la liberacin de ener-ga(p. ej. trmica, ondas de sobrepresin) o sustancias (p. ej. gas txico), que puedan ocasionar daos a un entorno vulnerable (p. ej. personas, infraestructura sensible).2
A cada evento peligroso se le puede asociar una probabilidad (frecuencia), una dinmica de ocurrencia (lenta o rpida) y uno o varios efectos caracterizados por su nivel de intensidad. Una vez sea identifi-cado un escenario, o escenarios probables de riesgo industrial mayor, es responsabilidad del industrial realizar todo anlisis detallado que
2 Se entender por infraestructura sensible toda aquella instalacin que represente inters pblico (p. ej. espacios con gran afluencia de pblico, redes o instalaciones de servicios urbanos, instalaciones de seguridad nacional, zonas de inters ambiental).
Tabla 3.1. Divisiones del ciiu rev. 3 asociadas a aiar
Divisin DescripcinNmero de
registros ccb (2005)
14 Explotacin de minerales no metlicos No registros
15 Elaboracin de productos alimenticios y de bebidas 7546
16 Fabricacin de productos de tabaco 2
17 Fabricacin de productos textiles 2397
18 Fabricacin de prendas de vestir, preparado y teido de pieles 8723
20Transformacin de la madera y fabricacin de productos de madera y corcho, excepto muebles; fabricacin de artculos de cestera y espartera
2044
21 Fabricacin de papel, cartn y productos de papel y cartn 218
23Coquizacin, fabricacin de productos de la refinacin de petrleo y combustible nuclear
103
24 Fabricacin de sustancias y productos qumicos 2314
25 Fabricacin de productos de caucho y plstico 1822
34 Fabricacin de vehculos automotores, remolques y semirremolques 162
60 Transporte por va terrestre, transporte por tuberas No registro
Nota: Base de datos dpae-memo 1550-089
27
permita evaluar sus consecuencias; es decir, se hace necesario el mode-laje y simulacin de este tipo de eventos aun cuando la probabilidad de ocurrencia sea muy baja, considerando la materializacin del suceso.
La materializacin de un evento como estos acarrear efectos no deseados tales como:
Efectos trmicos: son el producto de una combustin lenta o rpida de una sustancia inflamable o combustible. Este tipo de efecto causa quemaduras a las personas expuestas o destruccin de bienes de inters: patrimoniales o ambientales.
Efectos por sobrepresin: son el resultado de un gradiente de presin provocado por una explosin. Este tipo de energa puede ser producto de un explosivo, una reaccin qumica, una combustin violenta o la descompresin violenta de un gas o vapor comprimido.
Efectos txicos son el resultado de una nube o derrame causados por una fugao la liberacin de una sustancia txica. stos no se encuen-tran nicamente asociados a una sustancia clasificada como peligrosa, sino que pueden ser el producto de eventos tales como incendios o reacciones qumicas.
El rea de influencia de riesgo industrial (rea de afectacin por la ocurrencia del evento) deber ser determinada por el dueo de la acti-vidad y sta contemplar la ocurrencia de fenmenos peligrosos y sus efectos con intensidades fsicas definidas (rea de afectacin por la ocurrencia del evento).
La estimacin del rea de influencia del riesgo industrial por cada una de las actividades industriales, comprende la evaluacin de los niveles de intensidad y sus dinmicas (modelaje y simulacin del evento). Estos anlisis deben realizarse por cada uno de los eventos peligrosos identi-ficados y catalogados como aquellos que pueden llegar a trascender las fronteras fsicas de la actividad o instalaciones. En esta etapa de anlisis, no se tomarn en cuenta consideraciones del medio tales como: pobla-cin, zonas de inters ambiental o infraestructura sensible, ni las vulne-rabilidades asociadas a stas.
La vulnerabilidad del medio permite completar la nocin de riesgo industrial mayor: el medio estar definido por la poblacin, bienes, acti-
28
vidades, elementos del patrimonio cultural o ambiental, amenazados por el rea de influencia de riesgo industrial. La vulnerabilidad estar defi-nida por la sensibilidad de cada uno de los elementos del medio, para los cuales debe definirse la extensin susceptible de dao, o afectacin, como producto del fenmeno peligroso (anlisis de consecuencias).
29
4.0.Anlisis de riesgos: reporte
La elaboracin y presentacin de anlisis de riesgos as como los planes de emergencia y contingencia, deben seguir una secuencia clara, sistemtica y estructurada, lo que permitir a los diferentes actores invo-lucrados tener una base comn de anlisis.
4.1. Estudio tcnico
El estudio tcnico debe incorporar:
1. Las reas de influencia de riesgo industrial.2. La cartografa de las consideraciones del medio (p. ej. poblacin,
elementos de patrimonio ambiental o cultural, e infraestructura sensible).
3. Superposicin de la cartografa de las consideraciones del medio, por cada rea de influencia de riesgo industrial.
Estos estudios constituyen el documento tcnico de anlisis, entre los diferentes actores involucrados para los procesos de concertacin, comunicacin y planificacin.
4.1.1. Las reas de influencia de riesgo industrial
Los estudios de las reas de influencia de riesgo industrial deben ser realizados por todas las entidades o personas pblicas y privadas cuyas actividades puedan dar lugar a riesgos pblicos. En el distrito capital se establece que los efectos bsicos por analizar son txicos, trmicos y de sobrepresin; no obstante, las entidades distritales podrn solicitar ampliaciones y aclaraciones que consideren pertinentes.
Es responsabilidad del dueo de la actividad determinar la escala de trabajo que permita generar los mejores elementos de anlisis.
4.1.2. La cartografa de las consideraciones del medio
Las consideraciones del medio permitirn identificar los elementos del territorio que se tendrn en cuenta. Para el distrito capital se deben
30
considerar: poblacin, zonas de inters ambiental o cultural, infraestruc-tura sensible, construcciones, ocupacin del territorio, uso de suelo e infraestructura pblica del territorio.
La cartografa consideraciones del medio estar constituida por una representacin espacial de los diferentes elementos, para ello siempre se debe hacer uso de las capas de informacin generadas por las entida-des oficiales, con el fin de unificar la base de anlisis.
La autoridad podr incluir elementos adicionales a los citados si los considera de inters dentro del marco lgico de riesgo pblico.
4.1.3. Superposicin de la cartografa de las consideraciones del medio por cada rea de influencia de riesgo industrial
A partir de los anlisis y cartografas de las reas de influencia de riesgo industrial y la identificacin de los elementos del territorio consi-derables, se generarn mapas de afectacin mediante la superposicin de la informacin contemplada en los puntos 4.1.1 y 4.1.2. Estas repre-sentaciones permiten visualizar las reas de afectacin del medio por cada uno de los efectos estudiados (fig. 4.1).
Figura 4.1. Ejemplo de una cartografa de exposicin por efecto de sobrepresin sobre infraestruc-tura de servicios
Las entidades distritales podrn solicitar ampliaciones y aclaraciones que consideren pertinentes.
31
5.0.
Anlisis de riesgos: rea de influencia de riesgo industrial por ondas de sobrepresin
Cuando un analista se enfrenta a un proceso de modelaje y simulacin de una explosin tipo Bleve debe contar con la siguiente informacin:
Presin atmosfrica Volumen del tanque Presin a la que opera la vlvula de seguridad Presin de operacin del tanque Forma del tanque Sustancia almacenada que genera el evento Porcentaje de llenado del tanque Masa del tanque Temperatura ambiente
Existen diferentes aproximaciones para el modelado y la simulacin de un Bleve. stas incluyen la modelacin de una explosin de un lquido supercaliente, la formacin de nube, y la explosin del contenedor.
Uno de los modelos ms utilizados es el de lmite de supercalor propuesto por Reid, el cual explica el comportamiento del lquido en una explosin de este tipo [7]. Este modelo supone que si un lquido tiene un grado suficiente de supercalor y si la presin es disminuida de manera repentina, se dar la formacin de burbujas microscpicas de vapor. El grado de supercalor que se requiere para generar este efecto est deter-minado por la temperatura de nucleacin homognea o temperatura lmite de supercalor.
Existen numerosas correlaciones para calcular la temperatura del lmite de supercalor. En 1974, con la ayuda de la ecuacin de Van der Waals, se propuso:
T Tc Ksl 84 = [ ]0 , (1)
32
Donde Tc (K) es la temperatura crtica (K) y Tsl (K) es la temperatura del lmite de supercalor.
Mientras que en 1976, Reid, utilizando la ecuacin de estado de Redlich-Kwong, defini:
T Tc Ksl = [ ]0 895, (2)Reid tambin verific que para un nmero amplio de sustancias de
uso industrial, el coeficiente en la ecuacin 2 est en el rango entre 0,89 y 0,90. Profundiz, adems, en el estudio de la temperatura lmite de supercalor del propano. El valor establecido en la mayora de los casos fue 53 C, y para los valores de las ecuaciones 1 y 2 fueron de 38 y 58 C respectivamente. Es por esto que cuando se requiere predecirla se reco-mienda recurrir a la ecuacin 2.
Si el grado de supercalor no es suficiente para generar una explo-sin Bleve, la energa liberada corresponder nicamente a la energa de presin en el espacio de vapor, la cual tiene un orden de magnitud mucho menor.
Modelos para la formacin de nube de vapor, como consecuencia de la despresurizacin, han sido propuestos por Hardee y Lee en 1975, en 1977 por Maurer, y en 1980 por Biesbrecht, y han sido comparados por A. F. Roberts en 1982.
El primero de ellos se basa en la conservacin del momento, creado por la liberacin del lquido en funcin de las condiciones iniciales. El segundo modelo se basa en la difusin turbulenta y las condiciones iniciales no aparecen de manera explcita. Los modelos arrojan predic-ciones semejantes para liberaciones del orden de 100 kg de combustible y han sido comprobados experimentalmente a ese nivel, pero divergen para liberaciones mayores. Roberts basa su tratamiento en el modelo de Hardee y Lee.
En cuanto a la explosin del contenedor, la mayora de los modelos se centran en estimar la sobrepresin asociada con la expansin del vapor. En 1975 Baker propuso un mtodo para estimar la sobrepresin de una explosin tipo Bleve al aire libre, con tanque esfrico de masa despreciable que contiene gases ideales. Posteriores mejoras al modelo permitieron incorporar situaciones con fluidos no ideales, energa trans-ferida a los fragmentos, masa del contenedor no despreciable, explosio-nes al nivel del suelo y otras geometras del contenedor.
33
5.1. Modelos para clculo de efectos por sobrepresin e impulso [8] Entre los mtodos ms utilizados para el clculo de efectos por sobre-
presin e impulso se encuentran:
Mtodo tnt. Modelos desarrollados para tanques esfricos, presurizados y de
masa despreciable: mtodo bsico de Baker (Baker 1). Modelos desarrollados para tanques cilndricos o esfricos, presu-
rizados y de masa despreciable. Extensiones del mtodo de Baker (Baker 2). Mtodo de Baker para fluidos no ideales (Baker 3).
El mtodo de tnt es simple y arroja una comparacin directa entre una masa explosiva, generalmente una nube de vapor no confinada, y su equivalente en peso de explosivo. ste es probablemente el mtodo ms popular por su facilidad de aplicacin, sin embargo, resulta impre-ciso en su prediccin.
Por otro lado, el modelo bsico de Baker se formula para el caso en que la explosin tiene lugar al aire libre en tanques esfricos de masa despreciable y llenos de gas. El tanque se fractura en varios fragmentos, cuya masa se desprecia, al igual que la energa requerida para romper el recipiente. Esta situacin implica que la onda de sobrepresin resulta esfrica, y toda la energa almacenada para el gas est disponible para la onda (anexo 1). Este constituye la base para las propuestas por correc-cin de forma (Baker 2) y gases no ideales (Baker 3).
5.1.1. Mtodo tnt
ste fue un mtodo propuesto, hacia los aos cincuenta, para deter-minar la sobrepresin o impulso en funcin de la distancia. Se conoce como el mtodo de equivalencia tnt.1 Realiza la equivalencia energ-tica entre una sustancia y un explosivo de referencia. Supone que una mezcla explosiva del compuesto se comporta como la del explosivo.
Clculo equivalente tnt [9]:
1. Determinar la cantidad total de material inflamable m (kg) de la explosin. ste puede hacerse mediante la cantidad total liberada o con un modelo de dispersin.[10]
1 Material altamente explosivo. Abreviacin de trinitrotolueno. Pgina 54 [18]
34
2. Estimar la eficiencia de la explosin n (adimensional). Este par-metro es emprico y es utilizado para ajustar la estimacin de la masa equivalente de tnt, debido a factores como: mezcla incom-pleta del material combustible con el aire, conversin incompleta de la energa trmica en energa mecnica, entre otros. Para las nubes reportadas por Brasie y Simpson, 1968; Gugan, 1979; Lees, 1986; Lenoir y Dav, 1992; Lees, 1996; el valor se encuentra entre el 1 y 10%. Otros autores han reportado un 5, 10, y 15% para nubles inflamables de propano, acetileno y dietilter.
3. Calcular la masa w (kg) equivalente de tnt mediante la ecuacin:
w nmEc Et kg = ( ) [ ] (3) Donde n (adimensional) es la eficiencia de la explosin, m (kg) la
cantidad total de material inflamable o combustible, Ec (J/kg) es el calor de combustin del gas inflamable, Et (J/kg) es la energa de la explosin de tnt. Un valor tpico para la energa de la explosin es de 1100 cal/gr (4600 kJ/kg).
4. Calcular la funcin escalada (adimensional ) Z mediante la ecua-cin:
Z r w 1 3= [ ]/ (4) Donde r (m) es la distancia del punto al centro de la explosin.5. Obtener la sobrepresin escalada ps (Pa) y el impulso escalado is
(Pa.s) del anexo 3. 5.1.2. Modelos desarrollados para tanques esfricos, presurizados y de
masa despreciable: mtodo bsico de Baker (Baker 1) [7]
El mtodo bsico de Baker aplica para situaciones donde el gas es ideal, la explosin es al aire libre, el contenedor tiene forma esfrica y tanto la masa del contenedor como la energa transferida a los fragmen-tos es despreciable. El mtodo calcula la sobrepresin y el impulso expe-rimentados a una distancia dada del centro del tanque esfrico.
Antes de comenzar es necesario llevar a cabo la recoleccin de los parmetros (informacin general del sistema), tales como:
Presin ambiente (p0, Pa), coeficiente de dilatacin adiabtica (1= Cp/Cv, adimensional), la presin interna del tanque (p, Pa), presin
35
en el momento de la falla, que depende de la causa de falla (tabla 5.1). El volumen de llenado de gas en el tanque (V, m3) y la distancia del centro del tanque al punto r en metros, donde se desea hacer el anlisis.
Tabla 5.1. Presin en el momento de la falla debida a diferentes causas [11]
Causa de falla Presin en el momento de la falla
Aumento de presin debido al mal funcio-namiento o mal diseo de la vlvula de seguridad
Mxima presin permitida multiplicado por un f.s. (f.s. = 4 si el material del tanque es acero)
Exposicin al fuego1,21 veces el valor en el que funciona la vlvula de seguridad
Corrosin o impacto Presin de operacin
Nota: F.s.: factor de seguridad.
Una vez realizada la recoleccin de parmetros se propone el siguiente algoritmo para determinar la sobrepresin y el impulso:
1. Calcular la energa del gas comprimido por medio de la siguiente ecuacin (ecuacin de Brode):
E
p p VBR =
( )
0
1
21* *
[J] (5)
2. Calcular la distancia escalada (adimensional) R definida por la ecuacin:
R r
pEBR
=
[ ]*
01 3
(6)
Si R es mayor o igual a 2, se efectan los pasos 3, 4, 5 y 10, de lo contrario se sigue al paso 6.
3. Obtener la sobrepresin pico escalada Ps (adimensional) del anexo 1, y el impulso escalado I (adimensional) del anexo 2.
4. Calcular la sobrepresin pico ps, (Pa) y el impulso is (Pa.s) por medio de las siguientes ecuaciones:
p p pS = +P [Pa]s * 0 0 (7)
36
iI p E
aSBR
=
* *02 3 1 3
[Pa s] (8)
Donde a es la velocidad del sonido en el gas (m/s).
5. Clculo del radio efectivo r (m) del hemisferio equivalente formado por el volumen inicial del gas, mediante la frmula
rV
**
=
32
1 3
[m] (9)
6. Clculo de la correspondiente distancia escalada R como en el paso 3, utilizando r en lugar de r.
7. Obtener la sobrepresin pico escalada Ps del anexo 3, y el impulso escalado I del anexo 2.
8. Calcular la sobrepresin pico ps, y el impulso is mediante las ecua-ciones dadas en el paso 5.
9. Comparar que el valor obtenido de pS sea menor al de p0. Si este es mayor, tomar p0 como el pico de presin en esa distancia r. El impulso experimentado a distancia r ser is.
5.1.3. Modelos desarrollados para tanques cilndricos o esfricos, presurizados y de masa despreciable
5.1.3.1. Extensiones del mtodo de Baker (Baker 2) [7] Esta extensin es una ligera modificacin del mtodo bsico, que
incluye factores de correccin del impulso y de la sobrepresin segn la distancia escalada. El mtodo aplica tanto para contenedores esfricos como cilndricos. Se considera la masa del contenedor despreciable y fluidos ideales.
Algoritmo de clculo:
1. Recoleccin de los parmetros (informacin general del sistema): Presin ambiente (p0, Pa), coeficiente de dilatacin adiabtica (1 = Cp/Cv, adimensional), la presin interna del tanque (p, Pa), el volumen de llenado de gas en el tanque (V, m3), y la distancia del centro del tanque al punto r en metros.
37
2. Calcular la energa del gas comprimido por medio de la siguiente ecuacin (ecuacin de Brode):
E
p p VBR =
( )
21
0
1
**
[J]
(5)
3. Calcular la distancia escalada R (adimensional) definida por la ecuacin:
R rpEBR
=
*
01 3
[-]
(6)
4. Obtener la sobrepresin pico escalada Ps del anexo 3, y el impulso escalado I del anexo 2. Los valores obtenidos deben corregirse de acuerdo con la tabla 5.2:
Tabla 5.2. Correccin para obtener valores de sobrepresin
Tanques cilndricos Tanques esfricos
RMultiplicar por
RMultiplicar por
PS I PS I
< 0,3 4 2< 1 2 1,6
0,3, 1,6 1,6 1,1
> 1,6, 3,5 1,6 1> 1 1,1 1
> 3,5 1,4 1
5. Calcular la sobrepresin pico ps, y el impulso is por medio de las siguientes ecuaciones:
p p p PaS = +P [ ]s * 0 0 (7)
i
I p Ea
Pa sSBR
=
* *02 3 1 3
[ ]
(8)
6. Verificar que el valor obtenido de pS sea menor al de p0. Si ste es mayor, tomar p0 como el pico de presin en esa distancia r.
38
5.1.3.2. Mtodo de Baker para fluidos no ideales (Baker 3)
Para el caso de fluidos no ideales, Baker propone una modificacin a su extensin. sta implica un cambio en el inicio del algoritmo y retoma el procedimiento en el paso 4.
1. Determinar la energa interna del estado inicial de la sustancia. Es decir, la energa interna del lquido saturado (U1f ) y del vapor satu-rado en el estado inicial (U1g ) mediante las siguientes ecuaciones:
U H PVf f f1 1= [J/kg] (9)
U H PVg g g1 1= [J/kg] (10)
La energa interna en el estado de expansin para el lquido (U2f ) y el vapor (U2g ) se calcula utilizando las siguientes ecuaciones:
U X H X H X P V X P Vf f f f g f f f g2 0 01 1= ( ) + ( ) [J/kg] (11) U X H X H X P V X P Vg g f g g g f g g2 0 01 1= ( ) + ( ) [J/kg] (12)
Donde H es la entalpa especfica, P1 es la presin en el momento de la falla, P0 es la presin ambiente, V es el volumen especfico de la sustancia y X la tasa vapor expresada por la siguiente ecuacin:
X
S SS Sff f
g f
=
[-]
(13)
X
S SS Sgg f
g f
=
[-]
(14)
Esta ecuacin es vlida nicamente cuando se cumplen las siguien-tes condiciones:
0 1
S SS S
f f
g f
[-]
(15)
0 1
S SS Sg f
g f
[-]
(16)
39
En estas ecuaciones los subndices indican: f lquido saturado a presin ambiente; g el vapor saturado a presin ambiente; 1 el estado inicial, 2 el estado en expansin y S es la entropa especfica (J/kg . K).
2. Determinar el trabajo especfico para cada estado lquido y vapor saturado (eEX ):
e U U J kgEXf f f= 1 2 [ ] (17)
e U U J kgEXg g g= 1 2 [ ] (18)
3. Calcular la energa de expansin para los estados lquido y vapor (EEX):
E e mEX f EXf f= 2* * [J] (19)
E e mEX g EXg g= 2* * [J]
(20)
Donde mf y mg son las masas de lquido y de vapor liberados respec-
tivamente. Las masas liberadas por la fuga se calculan mediante las siguientes ecuaciones:
m
llenado VV
kgff p
= [ ]% *( )1
(21)
m
llenado VV
kggg p
=
[ ]( % )*( )
1
1 (22)
Donde V es el volumen del tanque en m3.
4. Calcular un factor adimensional definido como R de la siguiente manera:
R r
pEEX
=
[ ]*
01 3
(23)
Donde r es la distancia objetiva en metros [m] y EEX es la suma de las energas de expansin del lquido y del vapor:
E E E JEX EX f EX g= + [ ] (24)
40
Una vez realizado el punto anterior se procede a retomar el proce-dimiento planteado en 5.1.3.1 desde el punto 4 (extensiones del mtodo de Baker [7]).
5.2. Seleccin del modelo apropiado
De la correcta seleccin de un modelo dependern los resultados obtenidos en la simulacin. Durante la seleccin es necesario tener en cuenta las ventajas y desventajas de cada modelo, dependiendo de la facilidad para modelar el evento y los requerimientos de la autoridad.
5.2.1. Modelo de tnt
Ventajas
Clculos simples y fcilmente comunicables (nocin de magnitud a equivalentes tnt).
Desventajas
Para el tipo de explosiones Bleve esta comparacin no es til, debido a que las explosiones de tnt no son procesos isentrpicos2 donde la energa es disipada por medio de las ondas, a medida que se alejan de la fuente.
Los gradientes de densidad, presin y velocidad del aire que rodean el epicentro en una explosin tipo Bleve son diferentes a los generados por explosiones debidas a tnt.
5.2.2. Mtodo bsico de Baker (Baker 1)
Para el caso de tanques esfricos se compara el mtodo de Baker con otros estudios realizados para explosiones tipo Bleve en tanques con forma esfrica y se determina que ste presenta simplificaciones que pueden desencadenar el sobredimensionamiento o subdimensionamiento del evento (tabla 5.3).
2 Proceso isentrpico: proceso durante el cual la entropa es constante.
41
Tabla 5.3. Modelos de tanques esfricos
Ao Autor Mtodo Ventajas Desventajas
1955 Brode [12]Analiz esferas calientes y fras a presiones de 1210 y 2000 bar.
Describi la formacin de las ondas.
Son nicamente aplicados a tanques de masa despreciable, presurizados y esfricos.
1975 Baker [13]Diferencias finitas de viscosidades artificiales.
Obtuvo parmetros de explosiones de tanques de almacenamiento esfrico.
1976 Adamczyk [14]Diferencias finitas de viscosidades artificiales.
Mostr que los explosivos de alto poder estn atados a rangos de altas presiones y temperaturas. Incorpor las prdidas de energa del proceso irreversible.
1979Guirao y Bach [15]
Diferencias finitas para calcular los gradientes en la densidad del gas, presin y velocidad del aire que rodea el epicentro de la explosin.
Encontraron que entre el 27 y el 37% de la energa de combustin era transformada en trabajo. Su investigacin es comparada con la de Baker.
5.2.3. Extensiones del mtodo de Baker (Baker 2)
Para el caso de tanques cilndricos se compara el mtodo de Baker con otros estudios realizados para explosiones tipo Bleve en tanques con forma cilndrica (tabla 5.4). La extensin del mtodo de Baker, conocido como Baker 2, presenta ventajas al tener en cuenta el nmero de fragmentos generados por la explosin y la forma del tanque (esfrico o cilndrico).
Tabla 5.4. Modelos de tanque cilndricos
Ao Autor Mtodo Ventajas Desventajas
1978 Baker [16] Analiza el caso en el que el tanque se rompe en dos partes iguales.
Tiene en cuenta el nmero de fragmentos generados por una explosin tipo Bleve.
En una explosin con tanques cilndri-cos se obtienen ms de dos fragmentos del tanque. Analiz seis casos.
Chushkin y Shurshalov [17]
Analizan la expansin que sufre una nube de gas a una tasa de volumen de combustin constante de una mezcla de metano-aire.
Encuentran que la onda se aproxima a una forma esf-rica cuando la explosin es ms fuerte.
La tasa de volumen de combustin constante.
1984 Raju y Strehlow [18]
Desarrollaron el mismo mtodo propuesto por Chushkin y Shurshalov.
Comienzan a tomar en cuenta los tanques que presentan forma cilndrica.
La tasa de volumen de combustin constante.
42
5.2.4. Mtodo de Baker para fluidos no ideales (Baker 3)
Comprende el trabajo especfico y los cambios de entropa para las sustancias utilizadas, considerando que son fluidos no ideales, con el objeto de modelar el evento en condiciones ms ajustadas a la realidad.
5.3. Conclusin
Para el modelaje de efectos por sobrepresin se sugiere utilizar bien sea la extensin del modelo de Baker (Baker 2) o el mtodo de Baker para fluidos no ideales (Baker 3). En el caso de que el analista considere utilizar un mtodo distinto a los aqu expuestos, debe justificar ante la autoridad competente las razones y fundamentos tcnicos de su eleccin.
43
6.0.
Anlisis de riesgos: rea de influencia de riesgo industrial por proyectiles
Para el modelaje de proyectiles se debe determinar la velocidad inicial de los fragmentos y su distancia alcanzada. Si bien no existe un consenso internacinal para el modelaje y simulacin de proyectiles como producto de explosiones tipo Bleve, se considera pertinente estimar su distancia de proyeccin y rea de influencia. Este tipo de estimacio-nes cuando son superpuestas a las consideraciones del medio pueden brindar informacin importante para la evaluacin del efecto domin y afectaciones sobre bienes de inters pblico.
6.1. Clculo de la velocidad inicial de los fragmentos1
Para calcular la velocidad inicial de los fragmentos es necesario cono-cer el valor de la energa cintica
E
p p VJK =
( )
[ ]1 01*
(25)
Se debe determinar el valor de la presin p1 (Pa) en el momento de la falla, valor de difcil estimacin. Por esta razn se puede hacer una aproximacin de dicha variable siempre y cuando se conozca el motivo por el cual fall el tanque.
Una vez obtenido el valor de la energa cintica, se procede al clculo de la velocidad inicial, por medio de la siguiente ecuacin:
vEM
msi
K=
212*
(26)
1 Anexo 4.
44
Donde M es la masa del fragmento. A continuacin se muestran los pasos para el clculo de la velocidad inicial de los fragmentos a partir de relaciones empricas (anexo 4):
Moore plantea una ecuacin emprica para la obtencin de la velo-cidad inicial de los fragmentos en la que diferencia la forma del tanque (cilndrica o esfrica) [23].
vE GM
msi
=
1 092
12
.*
(27)
Donde G (adimensional) es el factor que vara, dependiendo de la forma del recipiente. Si el tanque es cilndrico:
G
C M=
+ ( ) [ ]1
1 2*
(28)
Si el recipiente presenta forma esfrica:
G
C M=
+ ( ) [ ]1
1 3 5* * (29)
Donde C es la masa total del gas (kg), E es la energa (J) y M es la masa del fragmento del tanque (kg).
6.2. Clculo de la distancia alcanzada por los fragmentos [8]
Una vez calculada la velocidad inicial es importante determinar la distancia recorrida por los proyectiles. Este trayecto se ve afectado por la fuerza de gravedad y condiciones aerodinmicas. Los efectos de estas fuerzas dependen de la forma que tengan los fragmentos y de la direc-cin del movimiento de los proyectiles con respecto al viento.
Al no tomar en cuenta las condiciones aerodinmicas del sistema se descartan las fuerzas de friccin y empuje que pueden afectar al sistema, en este caso, los fragmentos (anexo 4).
Para determinar la distancia alcanzada por el proyectil se debe reali-zar un anlisis bidimensional, en el que se incluyan la altura alcanzada y la distancia del recorrido horizontal que va a realizar el fragmento. La altura se obtiene por medio de la siguiente ecuacin:
45
H
vg
mi i= [ ]2 2
2* sin*
(30)
La distancia recorrida horizontalmente est dada por la siguiente ecuacin:
Rv
gmi i= [ ]
2 2 2* sin
(31)
Donde i es el ngulo de expulsin del fragmento y g es la constante de la gravedad (9,80665 m/s2).
El caso anterior est dado bajo condiciones ideales debido a que sobrestima la velocidad y el rango de los proyectiles. Para el caso en el que se consideran las fuerzas aerodinmicas existen dos situaciones: 1) resistencia del aire proporcional a la velocidad, y, 2) resistencia del aire proporcional al cuadrado de la velocidad. El caso 2 puede consultarse en la pgina 216 del captulo 17 de la referencia citada.[19]
Resistencia del aire proporcional a la velocidad: para un proyectil sujeto a una resistencia del aire k proporcional a la velocidad las ecua-ciones de movimiento son:
Trayectoria horizontal x [m], trayectoria vertical y [m]
x
v ek
mi ikt
=
( ) [ ]* cos * 1
(32)
y
g k v sen ek
gk
t mi ikt
=
+ ( ) [ ]
( )* **
1
(33)
47
7.0.
Anlisis de consecuencias [19]
Para realizar el anlisis de consecuencias es necesario que el analista tenga presente las siguientes recomendaciones con el objetivo de determinar el dao en las estructuras y personas como producto de una explosin tipo Bleve, mediante la aproximacin emprica y la probabils-tica.
7.1. Aproximacin emprica
Los datos empricos por efectos de sobrepresin proveen el dao general producido por la onda de presin. Una de estas propuestas rela-ciona cuatro niveles de destruccin con la presin experimentada por la infraestructura, presin que depender de la distancia entre sta y el epicentro de la explosin (tabla 7.1).
Tabla 7.1. Niveles de daos en edificaciones propuesto por Stephens [19]
Zona Nivel psig KPa
A Destruccin total > 12 > 83
B Dao mayor > 5 > 35
C Dao moderado > 2,5 > 17
D Dao menor > 0,5 > 3,5
El nivel A, destruccin total de edificios, puede ser entendido como un nivel de dao donde la infraestructura no puede ser restaurada. En el nivel B, dao mayor, un nmero de elementos estructurales han fallado y la estructura ha sido parcialmente colapsada; los muros que no han colapsado estn seriamente afectados. En el caso del nivel C, dao moderado, la construccin puede ser habitable, pero el nivel de confia-bilidad es bajo debido a que se evidencian fisuras de gran tamao en los muros. En el caso del nivel D, dao menor, ste es considerado cuando las ventanas y puertas se ven afectadas y se observa la aparicin de leves fisuras; de igual forma, la cubierta se vera parcialmente comprometida.
48
Del mismo modo, se han establecido para diferentes niveles de dao umbrales tpicos de presin, los cuales permiten tipificar las consecuen-cias de la onda de presin con un mayor nivel de detalle. La siguiente clasificacin relaciona el dao con la sobrepresin que se podra presen-tar en casas construidas en ladrillo (manomtricas):[19]
70 kPa: ms del 75% de los muros externos colapsan. 35 kPa: en elementos estructurales el dao no es reparable; 50 al
75% de los muros exteriores son daados. 7-15 kPa: no habitables a menos que se realicen reparaciones sufi-
cientes. Existen daos parciales en la cubierta, el 25% de los muros fallan, dao a los marcos de las ventanas y puertas.
3 kPa: es habitable despus de realizar reparaciones menores, dao estructural menor.
1-1.5 kPa: daos en cielorraso, pisos, formacin menor de fisuras y ms del 1% en daos a los paneles de vidrio.
En la tabla 7.2 se proponen valores umbrales por tipologa de cons-truccin, que incluyen: industria, comercio, servicios pblicos, trans-porte y paisajismo.
Tabla 7.2. Daos a estructuras [19]
Intervalo de presin (kpa) Tipo de dao sugerido por Glasstone
> 70Destruccin total de edificios. Maquinaria pesada movida y daada seriamente.
70 - 60 Destruccin total de tren cargado.
60 - 50Paneles no reforzados de ladrillo (25-35 cm de ancho) fallan por flexin o esfuerzos.
50 Los carros cisterna cargados son volteados.
50 - 35 Cercano a destruccin total de construccin habitacional.
35Daos leves en prensas hidrulicas y postes de madera encajados a presin.
35 - 30 Ruptura del revestimiento ligero industrial.
30 - 20 Ruptura de tanques de almacenamiento. Edificios demolidos.
20Las mquinas pesadas en edificios industriales sufren poco dao. Cons-trucciones de acero se tuercen, se daan los soportes de acero.
20 - 15Rompimiento de concreto no reforzado. Lmite ms bajo de dao estruc-tural serio. Destruccin del 50% en construcciones de ladrillos.
15 Colapso parcial de paredes y techos de construcciones habitacionales.
(Contina)
49
15 - 10 Deformacin de soportes de acero en edificios.
15 - 7Corrugacin y fatiga de paneles de acero y aluminio. Se presenta falla en los paneles de madera.
8 Demolicin parcial de construcciones habitacionales (inhabitables).
7 - 3,5 Ruptura de ventanera grande y pequea. Dao en marquetera.
Intervalo de presin (kpa) Tipo de dao sugerido por Glasstone
3,5 - 3 Daos estructurales menores.
3 - 2Distancia segura. 10% ventanas rotas. Probabilidad del 0,95 de no tener daos serios alejado de este valor.
2 - 1 Umbral para el rompimiento de vidrio.
1 - 0,7 Falla de ventanas bajo esfuerzos.
0,7 - 0,3 Falla de vidrio por estallido snico.
0,3 - 0,2 Rompimiento de vidrios grandes bajo esfuerzos.
0,2 - 0,15 Sonido molesto.
7.2. Aproximacin probabilstica [19]
La aproximacin probabilstica se basa en la cuantificacin de la probabilidad de la vulnerabilidad de personas e instalaciones ante los efectos de la sobrepresin. Las funciones Probit constituyen un criterio diferente al de la aproximacin emprica. Consiste en asociar una proba-bilidad de ocurrencia de un dao con determinadas unidades Probit, es decir, stas relacionan un valor Pr con una probabilidad de efecto.
7.2.1. Vivienda
Niveles de dao:
Nivel 1: dao menor. Rompimiento de ventanas, desplazamiento de puertas y dao en cielorraso.
Nivel 2: dao estructural mayor. Grietas en muros y elementos estructurales y colapso de algunos de los muros.
Nivel 3: colapso. El dao generalizado de la estructura.
Simultneamente, las funciones Probit diferencian el dao en estruc-turas teniendo en cuenta: efectos en infraestructuras hasta de cuatro pisos y efectos en pisos quinto o superiores.
50
Para evaluar los valores Probit hasta el cuarto piso se propone: Dao menor:
P Vr = [ ]5 0 26, * ln - (34)
V p is s=
+
[ ]
4600 1103,9 5,0
- (35)
Dao estructural mayor:
V
ps=
+
[ ]
175008,4
s
9,3290
i-
(36)
Colapso:
P p ir s s=
+
[ ]
400007,4 11,3
460- (37)
Donde ps e is son los valores de sobrepresin e impulso, calculados por las ecuaciones (7) y (8) respectivamente.
Para estimar el valor Probit en pisos superiores al cuarto, las funcio-nes por dao menor y dao estructural mayor corresponden a las ecua-ciones 35 y 36. Para calcular la probabilidad de que la estructura colapse se define la siguiente ecuacin:
P Vr = [ ]5 2 14, * ln - (38)
V
i=
+
[ ]
1,25P
2,51 93
,
(39)
Donde P e i son la sobrepresin e impulso escalados, determinados por los anexos 3 y 2, respectivamente.
7.2.2. Instalaciones industriales
Para los edificios industriales los cuales no se encuentran especial-mente diseados para soportar las consecuencias de una explosin, se pueden mantener las ecuaciones y funciones Probit previamente descritas.
51
7.2.3. Rompimiento de vidrios
En esta seccin las funciones Probit determinan la probabilidad de rupturas de ventanas para edificios construidos antes de 1975 y despus de 1975:
Edificios construidos antes de 1975:
P pr s= + [ ]11 97 2 12, , * ln (40)Edificios construidos despus de 1975:
P pr s= + [ ]16 58 2 53, , * ln (41)Donde ps es el valor de sobrepresin calculado por la ecuacin (7). 7.2.4. Daos a personas
En el anlisis de consecuencias existen tres resultados por analizar: probabilidad de dao pulmonar, probabilidad de dao en odo, proba-bilidad de sufrir un impacto.
7.2.4.1. Dao pulmonar
Cuando surge una diferencia de presin entre el exterior y el interior de los pulmones, y la presin externa es significativamente mayor que la presin interna, se tiene como consecuencia un dao pulmonar.
La probabilidad de ocurrencia de dao pulmonar se presenta de acuerdo con la posicin en la que se encuentre el individuo al momento de ocurrir la explosin. Se han definido tres posiciones de referencia:
1. La onda de presin sobrepasa a la persona sin la presencia de obstculo que refleje la onda. En este caso, el eje longitudinal del cuerpo se encuentra en la direccin de la onda de presin.
Figura 7.1. Posicin 1 de referencia [19]
52
La sobrepresin pico en la persona es igual a la sobrepresin pico de la onda de presin.
P p Pas= [ ] (42)2. La onda de presin sobrepasa a la persona sin la presencia de
obstculo, pero en este caso, el eje longitudinal del cuerpo es perpendicular a la direccin de la onda de presin.
Figura 7.2. Posicin 2 de referencia [19]
Como resultado de este flujo una fuerza mayor es ejercida en la persona, la cual es llamada presin dinmica o presin de empuje Q. El total de la sobrepresin en este caso es:
P p Q Pas= + [ ] (43) La presin dinmica Q puede ser determinada por la siguiente
frmula:
Q
pp
Pass
=
+[ ]5
2 14 10
2
5
** *
(44)
Donde Q y ps son expresados en pascales.
3. La persona se encuentra en una posicin arbitraria (posicin 1 o 2), pero la onda de presin es reflejada por la presencia de una super-ficie que acta como obstculo (fig. 7.3).
53
Figura 7.3. Posicin 3 de referencia [19]
La presin reflejada PREF ahora prevalece en el rea en frente de la superficie:
P p PaREF= [ ] (45)Esta presin reflejada puede ser determinada con:
P
p pp
PaREFs s
s
=
+
+[ ]8 14 10
7 10
2 5
5
* * **
(46)
Donde PREF y ps son expresados en pascales. Una vez obtenido el valor de la presin que se ejerce a la persona,
se procede a calcular la sobrepresin y el impulso escalados:
PPp
= [ ]0
(47)
El impulso escalado:
i
ip mo
=
= [ ]1 2 1 3/ /* (48)
En las cuales po es la presin atmosfrica, P es la presin ejercida en el cuerpo, m es la masa del cuerpo e i es el impulso de la onda de presin. Los siguientes son los valores de masa recomendados:
Bebs: 5 kg Nios pequeos: 25 kg
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Mujeres adultas: 55 kg Hombre adultos: 75 kg 4. Con la ayuda de la funcin Probit (Pr ) se determina la probabilidad
de sobrevivir utilizando el anexo 5. Esta probabilidad de sobrevivir es igual a 100 menos la probabilidad de muerte.
La funcin Probit del dao en pulmones es igual a:
P Sr = [ ]5 0 5 74, , * ln (49) Donde,
S
P i= + [ ]4 2 1 3, ,
(50)
El mtodo para determinar el dao pulmonar debido a una repen-tina sobrepresin puede ser resumido de la siguiente manera:
1. Determinar la presin ejercida sobre la persona dependiendo de la posicin en la que se encuentre.
2. Reemplazar esta presin en la ecuacin (47) para determinar la sobrepresin escalada ejercida en la persona.
3. Calcular el impulso de la onda de presin en el punto donde se encuentre la persona y hallar el impulso escalado mediante la ecuacin (48).
4. Calcular mediante las ecuaciones (49) y (50) el valor Probit Pr del dao pulmonar y hallar la probabilidad empleando la tabla 11 del anexo 5.
7.2.4.2. Dao en el sistema auditivo
El odo es un rgano sensible que reacciona a pequeas variaciones en la presin. Es capaz de registrar seales con frecuencias del orden de 10 kHz, las cuales presentan un tiempo de duracin de 0,1 ms.
Debido a su sensibilidad es importante determinar la probabilidad de ruptura del tmpano:
P pr S= + [ ]12 6 1 524, , * ln (51)Al igual que en el caso del dao pulmonar se utiliza el anexo 5 para
obtener el valor Probit Pr y determinar la probabilidad de sufrir ruptura del tmpano.
55
7.2.4.3. Impacto
Las partculas de aire detrs de la onda de presin tienen una velo-cidad especfica en la misma direccin que la explosin. Como conse-cuencia de esto, una persona puede ser desplazada por encima de una distancia en particular.
Durante este desplazamiento se pueden sufrir heridas. Existe la posi-bilidad de que durante el desplazamiento se presente la colisin con un objeto rgido. La consecuencia depender de la velocidad del impacto, la dureza, la forma del objeto y la parte de la persona involucrada.
La funcin Probit para la determinacin de la probabilidad de sobre-vivir despus de un impacto en la cabeza es de:
P Sr = [ ]5 0 8 49, , * ln (52)
Donde,
S
P P is s s= + [ ]2 43 10 4 10
3 8, * **
(53)
La funcin Probit para la determinacin de la probabilidad de sobre-vivir despus de un impacto en todo el cuerpo es de:
P Sr = [ ]5 0 2 44, , * ln (54)Donde,
S
P P is s s= + [ ]7 38 10 1 3 10
3 9, * , **
(55)
Las funciones Probit, (52) y (54) son aplicables para sobrepresin (Ps) que se encuentre por debajo de 0,4 0,5 *106 pascales.
7.3. Criterios de dao adoptados por la dpae
Para la realizacin de los anlisis de consecuencias la dpae sugiere emplear los criterios para la evaluacin de dao en infraestructuras y efectos en humanos.
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7.3.1. Criterios para la evaluacin de daos en infraestructura
La dpae recomienda la evaluacin de cuatro zonas de destruccin y dos lmites (tabla 7.3). Los permetros aqu expuestos deben ser presen-tados mediante el uso de cartografas de las consideraciones del medio por cada rea de influencia de riesgo industrial (4.1.3).
Tabla 7.3. Tabla de criterios de dao en estructuras propuesta por la dpae
Zona Nivel kPa Tipo de dao
ADestruccin total > 83
Destruccin total de edificios, maquinaria pesada movida y daada seriamente.
B Dao mayor > 35
Destruccin total de tren cargado.
Paneles no reforzados de ladrillo (25-35 cm de ancho) fallan por flexin o esfuerzos.
Los carros cisterna cargados son volteados.
Cercano a destruccin total de construcciones habitacionales.
Daos leves en prensas hidrulicas y postes de madera encajados a presin.
Zona Nivel kPa Tipo de dao
CDao moderado
> 17
Ruptura de tanques de almacenamiento.
Edificios demolidos.
Las mquinas pesadas en edificios industriales sufren poco dao.
Construcciones de acero se tuercen, se daan los soportes de hacer.
D Dao menor > 3,5
Rompimiento de concreto no reforzado.
Lmite ms bajo de dao estructural serio.
Destruccin del 50% en construcciones habitacionales.
Colapso parcial de paredes y techos de construcciones habitacionales.
Deformacin de soportes de acero en edificios.
Corrugacin y fatiga de paneles de acero y aluminio.
Se presenta falla en los paneles de madera.
Demolicin parcial de construcciones habitacionales (inhabitables).
Ruptura de ventanera grande y pequea. Dao en marquetera.
Lmite 1 Distancia segura
2
Distancia segura. 10% ventanas rotas.
Probabilidad de 0,95 de no tener daos serios alejados de este valor.
Lmite 2 Sonido molesto
0,15 Sonido molesto.
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7.3.2. Criterio para la evaluacin de efectos en humanos
La dpae recomienda la evaluacin de efectos en humanos mediante los criterios expuestos en la tabla 7.4. Los criterios aqu expuestos deben ser presentados mediante el uso de cartografas de las consideraciones del medio por cada rea de influencia de riesgo industrial (4.1.3).
Tabla 7.4. Efectos causados por la sobrepresin en humanos
Sobrepresin (kPa) Tipo de efecto sobre los humanos
34.475 - 103.425 No pasa nada grave debido a la sobrepresin
103.425 - 137.900 Umbral ruptura de tmpano
206.850 - 241.325 50% mayores de veinte aos ruptura tmpano
55.160 - 103.425 Umbral dao en pulmones
137.900 - 206.850 Dao severo en los pulmones
206.850 - 344.750 Umbral letalidad
344.750 - 517.125 50% de letalidad
Sobrepresin (kPa) Tipo de efecto sobre los humanos
> 517.525 100% de letalidad
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Documentacin til
Principales textos legislativos
Acuerdos
Norma Funciones
Acuerdo 11/87Por el cual se crea el Fondo de Prevencin y Atencin de Emergencias (fopae) en el distrito especial de Bogot y se dictan otras disposiciones.
Decretos
Decreto 005/08Por el cual se adopta el lema institucional de la Alcalda Mayor de Bogot, D. C., para el perodo 2008-2011.
Decreto 633/07Por el cual se dictan disposiciones en materia de prevencin de riesgos en los lugares donde se presenten aglomeraciones de pblico y se deroga el decreto 43 de 2006 el cual regulaba antes la materia.
Decreto 423/06Por el cual se adopta el Plan Distrital para la Prevencin y Atencin de Emergencias para Bogot D. C.
Decreto 193/06Por el cual se com
