Simulações computacionais de incêndio e de evacuação

Primeiramente, é preciso explicar a importância de realização de simulações computacionais de incêndio e de evacuação na segurança contra incêndio.

Um dos pontos é na elaboração e revisão de normas.

As normas de segurança contra incêndio podem ser divididas em duas classes: normas prescritivas e normas baseadas em desempenho. As normas prescritivas adotam medidas de forma empírica, abalizadas em ocorrências passadas de sinistros, dizem como fazer para se chegar aos resultados pré-determinados. Por outro lado, as normas baseadas em desempenho estabelecem objetivos de segurança contra incêndio a serem atingidos e permitem que os projetistas e construtores adotem soluções próprias para alcançar os resultados requeridos. (BRAGA & CAMPOS, 2010 p. 2)

O avanço da ciência do fogo e da capacidade de processamento dos computadores propiciou a modernização das normas em direção à aplicação de parâmetros de desempenho. Países como Japão, Canadá, Inglaterra, Austrália, Nova Zelândia e outros adotam códigos de segurança contra incêndios baseados

em desempenho. O Brasil ainda adota normas prescritivas e está evoluindo em relação à implantação de normas baseadas no desempenho, o que ainda gerará muitas pesquisas e comparações entre elas observando a vantagem e a desvantagem de cada uma. (BRAGA & CAMPOS, 2010) (Quadro 10)

Quadro 10 – Vantagens e desvantagens das normas prescritivas e de desempenho, segundo

Tavares, Silva e Duarte (2002).

VANTAGENS DESVANTAGENS P RE S CRIT IV A S

Análise direta, isto é, interpretação direta com o estabelecimento nas normas e códigos.

Recomendações específicas sem que a intenção das mesmas seja declarada.

Não são necessários engenheiros com

uma qualificação mais específica. A estrutura dos códigos existentes é complexa.

Não é possível promover projetos mais seguros e a um custo menor.

Pouco flexíveis quanto à inovação.

É assumida uma única maneira de assegurar a segurança contra incêndios.

DE S E M P E NHO Estabelecimento de objetivos de

segurança claramente definidos, ficando a critério dos engenheiros a metodologia para atingi-los.

Dificuldade em definir critérios quantitativos, isto é, critérios de desempenho.

Flexibilidade para a introdução de soluções inovadoras, as quais venham a atender aos critérios de desempenho.

Necessidade de treinamento, especialmente

durante os primeiros estágios de

implementação. Harmonização com normas e códigos

internacionais. Dificuldade para análise e avaliação.

Possibilidade de projetos mais seguros e

com menor custo. Dificuldades na validação das metodologias usadas na quantificação.

Introdução de novas tecnologias no mercado.

Fonte: BRAGA e CAMPOS, 2010.

As simulações computacionais são ferramentas para o desenvolvimento e comprovações de normas baseadas no desempenho.

As simulações computacionais de incêndio e de evacuação serão utilizadas neste trabalho para a comprovação da hipótese que criando um ambiente seguro (compartimentação protegida) capaz de abrigar os ocupantes do edifício até saírem todos com segurança (aumentando o tempo de evacuação) poderia ser uma

solução para se manter a ventilação natural, especificada para o conforto humano, e que pode ajudar na propagação da fumaça, nos ambientes, sem prejudicar as características de um edifício verde.

4.2.1.1 Simulação computacional de incêndio

A simulação computacional de incêndio é uma importante ferramenta para conhecimento da dinâmica do fogo nas edificações, bem como dos efeitos da temperatura e da fumaça. Por meio dela, pode-se contribuir sobremaneira para a minimização dos efeitos danosos do incêndio antes mesmo que eles ocorram. A simulação permite compreender como os aspectos estruturais, ambientais e de materiais utilizados no processo construtivo influenciam no desenvolvimento do fogo, favorecendo a melhoria na elaboração das normas técnicas, na preservação do meio-ambiente e no maior controle dos materiais empregados na construção civil. Desse modo, os projetos tornam-se mais viáveis economicamente e adequados às peculiaridades de cada empreendimento, sem deixar de atender aos aspectos de segurança. (ALVES, BRAGA & CAMPOS, 2008)

O desenvolvimento do incêndio em edificações pode ser modelado por meio de softwares específicos, tais como: FDS, SMARTFIRE e CFAST. (BRAGA & CAMPOS, 2010)

Um dos programas mais utilizados devido à sua precisão é o Fire Dynamics

Simulator (FDS), desenvolvido pelo NIST (National Institute of Standards and

Technology). O FDS é um modelador de incêndio com base em dinâmica computacional de fluidos (Computational Fluid Dynamics - CFD). Ele resolve numericamente uma das equações de Navier-Stokes apropriada para baixa velocidade, com fluxo termicamente dirigido e com ênfase no transporte de calor e fumaça dos incêndios. O Smokeview é um programa de visualização que é usado para mostrar os resultados da simulação FDS.

É importante salientar que ambos os programas são gratuitos e livres, permitindo sua adaptação à realidade brasileira, inserindo padrões de materiais para construção adequados ao local onde o edifício será implantado. Além disso, existem aplicações produzidas por terceiros para facilitar a entrada de dados no FDS e a importação de arquivos de CAD. Podemos destacar o PYROSIM, que fornece uma interface gráfica ao usuário para inserir a geometria do ambiente a ser simulado, permite a importação de projetos DXF do AutoCad e integra a execução do FDS e Smokeview.

Todos os parâmetros de entrada requeridos pelo FDS para descrever um cenário de incêndio em particular são transmitidos por meio de um arquivo de texto puro criado pelo usuário. Neste arquivo de entrada devem constar informações acerca do domínio físico e computacional, a geometria do ambiente e dos objetos, as propriedades físico-químicas dos materiais, bem como especificações sobre a reação de combustão e dados de saída a serem gravados. (BRAGA & CAMPOS, 2010, p.7)

O modelamento computacional de incêndio pode utilizar dois métodos: o método probabilístico e o método determinístico (Karlsson & Quintiere, 2000).

No método probabilístico não se faz uso direto dos princípios físicos e químicos envolvidos no fogo, mas sim, de predições estatísticas sobre a transição de um estágio para outro do crescimento do incêndio. Envolve a distribuição de probabilidades de determinados eventos ocorrerem a partir de um cenário especificado. As probabilidades de evolução do fogo de uma fase para outra são determinadas a partir do conhecimento de dados experimentais e de dados estatísticos de ocorrências reais. (ALVES, BRAGA & CAMPOS, 2008)

O método determinístico utiliza princípios físicos e químicos sobre a natureza do incêndio. Este método divide-se em diversas categorias, de acordo com o tipo de problema a ser investigado. Por exemplo, transporte de calor e de fumaça, ativação de sistemas automáticos de combate (sprinklers) e de detectores de incêndio, evacuação de pessoas e perfis de temperatura em elementos estruturais. Especificamente, quanto ao transporte de calor e de fumaça no incêndio, são usadas duas classes de modelamentos computacionais: modelos de camadas (ou duas zonas) e modelos de campos (ou CFD- computational fluid

Os métodos probabilísticos podem ser combinados com os métodos determinísticos para dar origem a métodos híbridos. Esse método é aplicado na avaliação de riscos e análise de incertezas nos métodos determinísticos. (op. cit.)

Os modelos computacionais determinísticos mais sofisticados são os modelos de campos (ou CFD). A técnica de modelamento via dinâmica de fluidos computacional (CFD) é adotada em diversas áreas da engenharia e é baseada na solução completa, tri-dimensional e dependente do tempo das equações fundamentais de conservação de massa, de energia e de momento. O uso de modelos CFD permite descrever incêndios em geometrias complexas e incorporar uma grande variedade de fenômenos físicos. (op. cit.)

No modelo de campos o ambiente incendiado é dividido em subvolumes (células). As equações de conservação são aplicadas a cada célula. No presente modelo a conservação de momento é explicitamente imposta. Assim, variáveis adicionais (as componentes da tensão viscosa devido ao escoamento do fluido) surgem no conjunto de equações. A substituição destas na equação de conservação de momento (segunda lei de Newton aplicada ao escoamento do fluido) resulta nas conhecidas equações de Navier-Stokes e a solução destas é central para qualquer algoritmo de CFD. (op. cit.)

Para a realização das simulações computacionais de incêndio será utilizado o FDS (Fire Dynamics Simulator), acima especificado.

4.2.1.2 Simulação computacional de evacuação em caso de incêndio

Os modelos computacionais de evacuação são ferramentas importantes para a avaliação dos projetos de arquitetura no que concerne à segurança das pessoas, pois permite calcular o tempo de fuga dos ocupantes de uma edificação. O tempo necessário para a evacuação deve ser menor do que o tempo disponível para a fuga. Para estimar o tempo de evacuação, o arquiteto possui uma quantidade enorme de modelos, desde resolução de equações simples, até mesmo modelos computacionais que simulam o comportamento humano em caso de fuga. (ALVES, BRAGA & CAMPOS, 2008)