UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
DIONARA PEXE PLENS
ANÁLISE DA UTILIZAÇÃO DE SPRINKLERS COMO SISTEMA DE
PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIO DE EDIFICAÇÕES RESIDENCIAIS
UNIFAMILIARES EMPREGANDO A FLUIDODINÂMICA
COMPUTACIONAL
Sinop-MT
2018/2
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
DIONARA PEXE PLENS
ANÁLISE DA UTILIZAÇÃO DE SPRINKLERS COMO SISTEMA DE
PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIO DE EDIFICAÇÕES RESIDENCIAIS
UNIFAMILIARES EMPREGANDO A FLUIDODINÂMICA
COMPUTACIONAL
Projeto de Pesquisa apresentado à Banca Examinadora do Curso de Engenharia Civil – UNEMAT, Campus Universitário de Sinop-MT, como pré-requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Prof. Orientador/Prof.ª Orientadora: Ma. Roberta Tabaczenski de Sá
Sinop-MT
2018/2
LISTA DE TABELAS
LISTA DE EQUAÇÕES
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Fábrica de roupas Triangle Shirtwaist Factory após o incêndio de 1911 ... 16
Figura 2: Incêndio no edifício Andraus ... 17
Figura 3: Salvamento na cobertura do edifício Andraus ... 17
Figura 4: Repercução do incêdio no edifício Andraus nos jornais da época ... 18
Figura 5: Incêndio no edifício Jolema ... 19
Figura 6: Com atitude de desespero pessoas se atiram do edificio Joelma ... 19
Figura 7: Incêndio na boate Kiss ... 20
Figura 8: Incêndio no edifício Wilton Paes de Almeida ... 21
Figura 9: Escombros do edifício Wilton Paes de Almenida ... 21
Figura 10: Incêndio no Museu Nacional do Rio de Janeiro ... 22
Figura 11: Incêdios registrados nos EUA entre 1977 a 2017 ... 23
Figura 12: Eficiência dos sprinklers em operação ... 23
Figura 13: Presença de sistemas de aspersores em edificações incendiadas de acordo com sua utilização ... 24
Figura 14: Resultados de Corrêa, et al. (2015): (a) incêndios em edificações na região metropolitana de Recife – 2013; (b) incêndios em edificações residenciais na região metropolitana de Recife – 2011. ... 25
Figura 15: Tetraédro do fogo ... 29
Figura 16: Processos de propagação do fogo: (a) propagação por condução; (b) propagação por convecção; (c) propagação por radiação térmica entre as edificações ... 31
Figura 17: Esquema de um sistema de chuveiros automáticos ... 33
Figura 18: Chuveiros automáticos, sendo (a) com ampola de vidor e (b) com fusivel ... 34
Figura 19: Área de atuação de um chuveiro automático ... Erro! Indicador não definido. Figura 20: Modelo de zonas. ... 36
Figura 21: Domínio computacional de um modelo CFD ... 37
Figura 22: Planta baixa do compartimento teste. ... 39
Figura 23: Comparação dos resultados obtidos por meios dos modelos de zona e o experimento: (a) comparação da altura da chama; (b) comparação da altura da camada intermediária; (c) comparação da temperatura da camada superior. ... 40
Figura 24: Comparação dos termopares da porta de entrada e do modelo experimental e do simulado... Erro! Indicador não definido. Figura 25: Estudo realizado por Weinschenk, Overholt e Madrzykowski (2014): (a) simulação computacional; (b) edificação real ... 42 Figura 26: Resultados da simulação de Weinschenk, Overholt e Madrzykowski (2014): (a) condições de pressão calculaddas no interior da edificação 1s antes da falha da porta; (b) vetores de velocidade do ar 15s após o colapso da porta; (c)
condições de temperatura estimada 1s antes da porta interna falhar; (d) condições de temperatura estimada 15s após a falha da porta ... 43 Figura 27: Objeto de estudo de Centeno et al. (2015) ... 44 Figura 28: Resultados obtidos por Centeno et al. (2015): (a) comparação dos
resultados do FDS com os resultados experimentais; (b) Malhas refinadas, médias e grosseiras. ... 45 Figura 29: Croqui esquemático da edificação onde aconteceu o experimento: (a) planta baixa da edificação; (b) corte horizontal da edificação. ... 46 Figura 30: Modelo desenvolvido no FDS ... 47 Figura 31: Propagação do fogo no compartimento, simulação realizada no FDS ... 48 Figura 32: Evolução das temperaturas dos gases registradas no plano de medição e vsualizada no SMV do FDS... 49
LISTA DE ABREVIATURAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ALCONPAT Associação Latino-americana de Patologias das Construções BFRL Building Fire Reseasch Laboratury
CBM Corpo de Bombeiros Militar
CREA-RS Conselho Regional de Engenharia e Agronomia do Estado do Rio Grande do Sul
CSTB Centre Scientifique et Technique du Bâtiment, na França EUA Estados Unidos da América
FDS Fire Dynamic Simulator
CFD Computacional Fluid Dynamic
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IBRACON Instituto Brasileiro do Concreto
IN Instrução Normativa IT Instrução Técnica
MT Mato Grosso, Unidade Federativa NBR Norma Brasileira
NFPA National Fire Protection Association
NIST National Institute of Standards and Technology NR Norma Regulamentadora
NT Normativa Técnica
NTCB Normativa Técnica do Corpo de Bombeiros PIB Produto Interno Bruto
RS Rio Grande do Sul, Unidade Federativa SC Santa Catarina, Unidade Federativa SCI Segurança Contra Incêndio
TRRF Tempo Requerido de Resistência ao Fogo USP Universidade de São Paulo
DADOS DE IDENTIFICAÇÃO
1. Título: Análise da eficiência da utilização de sprinklers como sistema de
proteção contra incêndio de edificações residenciais unifamiliares empregando a fluidodinâmica computacional.
2. Tema: Segurança contra incêndio (SCI)
3. Delimitação do Tema: Simulação computacional de incêndio 4. Proponente(s): Dionara Pexe Plens
5. Orientador(a): Roberta Tabaczenski de Sá
7. Estabelecimento de Ensino: Universidade do Estado de Mato Grosso –
UNEMAT.
8. Público Alvo: Estudantes, Pesquisadores e Profissionais da área de
Engenharia e Arquitetura.
9. Localização: UNEMAT, Avenida Francisco de Aquino Correa, S/n, Bairro
Aquarela das Artes.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 10 2 PROBLEMATIZAÇÃO ... 12 3 JUSTIFICATIVA ... 13 4 OBJETIVOS ... 14 4.1 OBJETIVO GERAL ... 14 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 14 5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 155.1 EVOLUÇÃO DAS NORMATIVAS DE SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIO E PÂNICO... 15
5.1.1 Eventos contribuintes a evolução da SCI no Brasil ... 16
5.2 DADOS ESTATÍSTICOS ... 22
5.3 LEGISLAÇÃO VIGENTE ... 25
5.4 CONCEITOS BÁSICOS SOBRE SCI ... 29
5.4.1 Teoria do fogo ... 29
5.4.2 Formas de propagação do fogo ... 30
5.4.3 Classes de incêndios ... 31
5.4.4 Carga de incêndio ... 32
5.5 SPRINKLERS ... 32
5.6 SOFTWARES DE SIMULAÇÃO DE INCÊNDIO EM EDIFICAÇÕES... 35
5.6.1 Modelos de zonas ... 35
5.6.2 Modelo de fluidodinâmica computacional (CFD) ... 37
5.6.3 Fire Dynamics Simulator (FDS) ... 38
5.7 ESTADO DA ARTE ... 38
6 METODOLOGIA ... 50
6.1 MATERIAIS ... 50
6.2 MÉTODOS ... 50
6.2.1 Primeira etapa: Revisão de bibliografia complementar ... 50
6.2.2 Segunda etapa: Definição do objeto de estudo... 50
6.2.3 Terceira etapa: Definição de carga de incêndio ... 51
6.2.4 Quarta etapa: Desenvolvimento de modelos computacionais e definição de output a serem analisados ... 51
6.2.5 Quinta etapa: Análise e discussão de resultados ... 53
7 CRONOGRAMA ... 54
1 INTRODUÇÃO
Os estudos relativos a Segurança Contra Incêndio (SCI), em todo o mundo, iniciaram após as tragédias advindas de incêndios. Manifestou-se, então a busca por meios de proteção, cujo objetivo é evitar e/ou amenizar as consequências causadas pelo evento, além de ofertar uma segura evacuação em caso de sua ocorrência.
No Brasil não foi diferente, o estado de São Paulo foi o primeiro a desenvolver normativas que estabeleciam requisitos mínimos de segurança contra incêndio em edificações na década de 70, posterior a ocorrência das catástrofes nos edifícios Andraus em 1972, que culminou em 16 vítimas fatais e mais de 300 feridos, e Joelma em 1974, que fez 191 vítimas fatais e mais de 300 feridos, ambas na cidade de São Paulo. Entretanto, o interesse pelas pesquisas diminuiu à medida que passava a comoção nacional.
Então em 2013 o Brasil assistiu o incêndio na boate Kiss, na cidade de Santa Maria, no estado do Rio Grande do Sul. O sinistro resultou na morte de 242 jovens universitários e culminou em novos questionamentos sobre a eficiência das normativas e da fiscalização de SCI. Bentrano (2015) afirma que esse incêndio foi um marco para a evolução da SCI no país, pois até o desastre na Kiss as preocupações eram por questões circunstanciais, apenas para cumprir as exigências burocráticas. A exemplo disso, tem-se a Frente Parlamentar Mista de Segurança Contra Incêndio, lançada no Congresso Nacional em 14 de outubro de 2015, tendo como objetivo principal: ampliar o debate sobre SCI em todo o Brasil e elaborar políticas públicas que ampliem a prevenção e o combate a incêndio, reduzindo o número de vítimas, além de prevenir a ocorrência de novas tragédias e evitar perdas para o meio ambiente e para o patrimônio cultural e privado (BRASIL, 2015).
Apesar da SCI ter evoluído nos últimos anos em virtude dos acontecimentos citados, é evidenciado nas normas e legislações brasileira que as edificações residenciais unifamiliares, alvos do maior número de ocorrência de incêndios no país, segundo Correa et al. (2015), não possuem exigências de quaisquer tipos de proteção.
Mundialmente estudos voltados a SCI são recorrentes. Sabe-se que entender a dinâmica do incêndio é importante para a prevenção dos mesmos e proteção de vidas, contudo, ensaios laboratoriais reais são caros e conferem riscos a vida de seus pesquisadores. Desta forma, a utilização de softwares de simulação computacional
de incêndio se torna uma ferramenta eficaz para agregar conhecimento sobre o assunto, de acordo com Alves, Campos e Braga (2008).
Em concordância com Brentano (2016), os chuveiros automáticos, também chamados de sprinklers, são eficientes equipamentos de combate a incêndios, já que, são capazes de detectar o foco do incêndio, acionar alarmes e iniciar o combate de forma autônoma e localizada, são dispositivos com elementos termossensíveis, projetados para entrarem em funcionamento em faixas de temperatura pré-determinadas.
De acordo com o descrito, entendendo que a legislação brasileira dispensa a avaliação de edificações residenciais unifamiliares, classificadas como de baixo risco, isentas de qualquer medida de prevenção ou combate a incêndio, e, que a utilização de chuveiros automáticos nessas edificações é uma das maneiras eficazes de protege-las, esse trabalho visa o estudo, por meio de simulação computacional nos softwares OZone e Fire Dynamics Simulator (FDS), do comportamento de incêndios nesse tipo de edificação com e sem a utilização de sprinklers como sistema de proteção.
2 PROBLEMATIZAÇÃO
Os incêndios são frequentes em todo mundo, sejam eles em edificações, vegetação, veículos, entre outros. Tais acontecimentos podem trazer danos irreparáveis, tanto aos patrimônios, quanto a perdas de vida, de valor inestimável.
No Brasil as normas e legislações de segurança contra incêndio ditam quesitos básicos para proteções de edificações em geral, excluindo explicitamente edificações residenciais unifamiliares dessa proteção. Fato de grande preocupação, já que esse tipo de edificação são as mais sujeitas a ocorrência de incêndios no país.
Os sprinklers, muito utilizados em edificações residenciais unifamiliares nos Estados Unidos da América (EUA), são eficientes equipamentos de combate a incêndios, já que, são capazes de detectar o foco do incêndio, acionar alarmes e iniciar o combate de forma autônoma e localizada. Diante do exposto, pergunta-se: Quais os benefícios da utilização de sprinklers como sistema de proteção contra incêndio de edificações residenciais unifamiliares?
3 JUSTIFICATIVA
O alto êxodo rural originou uma desordenada criação dos centros urbanos, fato que fez com que as preocupações com SCI se tronassem menos importantes, comparada a necessidade de estruturas para abrigar as pessoas. Somado a isso, tem-se o uso de materiais leves e, muitas vezes, inflamáveis que aumentam o risco de propagação do incêndio em edificações residenciais unifamiliares.
A legislação referente a SCI no Brasil evolui a passos lentos, até o incêndio ocorrido na boate Kiss as preocupações eram por questões circunstanciais, apenas para cumprir as exigências burocráticas (BENTRANO, 2015).
Algumas iniciativas foram tomadas posterior ao desastre na Kiss, a exemplo disso, tem-se a criação da Frente Parlamentar Mista de Segurança Contra Incêndio no Congresso Nacional, em 2015, e a LEI Nº 13.425, de 30 de Março de 2017, que visa estabelecer medidas de prevenção e combate a incêndio, e, que determina também que cursos de engenharia e arquitetura devem conter em sua grade curricular conteúdos relativos a SCI.
Vale ressaltar que para as legislações brasileiras de segurança contra incêndio, as edificações residenciais unifamiliares estão dispensadas de avaliações, visto que, essas são classificadas como de baixo risco, as tornando isentas de qualquer medida de prevenção ou combate a incêndio. Porém Corrêa et al. (2015), verificaram com facilidade que as edificações onde mais tem ocorrência do sinistro são edificações residenciais, além disso, alegam que cerca de 75% das edificações residenciais incendiadas são edificações residenciais unifamiliares.
Uma pesquisa da National Fire Protection Association (NFPA), divulgada em julho de 2017 nos EUA, revelou que os chuveiros automáticos estavam presentes em cerca de 10% dos incêndios apontados em edificações entre os anos de 2010 a 2014. Desses, em 96% dos eventos, os sprinklers foram acionados, onde 88% das vezes o princípio de incêndio foi controlado ou extinto. Além de tudo, a pesquisa expôs que a taxa de morte caiu em 82% comparada as edificações residenciais sem sistemas de chuveiros automáticos, e os danos materiais as edificações residenciais caem 62% (AHRENS, 2017).
Desta maneira, entende-se que os sprinklers se tornam uma alternativa viável para o combate de incêndios em edificações residenciais unifamiliares, e, devem ser objeto de estudo de pesquisas voltadas a proteção deste tipo de edificação.
4 OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GERAL
Analisar a eficiência da utilização de sprinklers como sistema de proteção contra incêndio de edificações residenciais unifamiliares empregando a fluidodinâmica computacional.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Os objetivos específicos dessa pesquisa são:
Avaliar as normativas brasileiras de segurança contra incêndio no que diz respeito a utilização de sprinklers em edificações;
Comparar as agilidades do software FDS e do software OZone em simulação de incêndio em edificações residenciais unifamiliares;
Explorar o comportamento da propagação do fogo e da fumaça em uma edificação residencial unifamiliar por meio de simulações computacionais; Realizar simulações de incêndio em uma edificação residencial unifamiliar com
e sem a utilização de sprinklers como dispositivo de segurança contra incêndio; Analisar, por meio das simulações computacionais, o tempo de propagação do
incêndio com e sem a utilização de sprinklers;
Explorar a potencialidade do software FDS para simulação da inibição do incêndio por meio de sprinklers.
5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Com a finalidade de interpretar alguns pormenores relacionados a dinâmica do incêndio em edificações, tanto no tocante a propagação quanto as suas consequências, serão apresentados conceitos fundamentais para o desenvolvimento deste projeto. De mais a mais, serão apresentadas algumas normativas de SCI de cunho internacional e também nacional, com o intuito de referenciar o presente trabalho.
5.1 EVOLUÇÃO DAS NORMATIVAS DE SEGURANÇA CONTRA
INCÊNDIO E PÂNICO
A ocorrência de incêndios é comum em todo o mundo, tais sinistros acarretam tanto perdas de vidas, de valor inestimado, quanto perda em patrimônios, os EUA tiveram 0,813% de seu Produto Interno Bruto (PIB) representados por incêndios, para a Dinamarca 0,864% do PIB equivale a perdas relativas ao fogo, já para o Reino Unido esse valor fica em torno de 0,729% (RAMACHANDRAN, 1998 APUD DEL CARLO et al., 2008).
Por conta destas perdas, a SCI tem recebido investimentos há tempos no cenário mundial, a exemplo disso, estão alguns centros de pesquisa e associações como o Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB), na França, o National Institute of Standards and Technology (NIST), nos EUA, Building Fire Reseasch Laboratury (BFRL), a National Fire Protection Association (NFPA), também nos EUA e, também, de referências internacionais, os quais, em conformidade com Del Carlo et al. (2008), atuam trazendo eficácia aos sistemas de segurança contra incêndio desde o início do século XX.
Até 1914 a NFPA já havia publicado quatro edições do “Manual de Proteção Contra Incêndios” (em inglês, Handbook Fire Protection), entretanto, voltados prioritariamente para a proteção do patrimônio. Apenas sua quinta edição trouxe preocupações com a vida dos usuários das edificações após o incêndio da fábrica de roupas Triangle Shirtwaist Factory (
Figura 1) em 25 de março de 1911, na cidade de Nova York nos EUA, que causou a morte de 146 pessoas, sendo, majoritariamente, mulheres com menos de 18 anos (GILL et al., 2008).
Figura 1: Fábrica de roupas Triangle Shirtwaist Factory após o incêndio de 1911 Fonte: Gill et al. (2008)
No panorama nacional, o Brasil passou de um país rural para uma sociedade urbana, industrial e de serviços em um curto espaço de tempo. Além disso, de acordo com dados do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE, 2018), a população urbana passou de 18.782.891 para 160.925.792 de habitantes entre os anos de 1950 a 2010. Desta forma, o rápido crescimento urbano aliado ao salto populacional, proporcionou, a sociedade, uma ocupação desordenada, onde não houve espaço para preocupações com planejamento urbano, infraestrutura, segurança e, consequentemente, déficit nos estudos sobre SCI (DEL CARLO et al., 2008).
Além disso, as preocupações com SCI no Brasil só tiveram início após grandes catástrofes com inúmeras perdas de vidas. Gill et al. (2008) afirmam que na década de 1970 as problemáticas de incêndios só diziam respeito aos bombeiros e a corporação possuía alguns regulamentos para a prevenção de sinistros, como a obrigatoriedade de hidrantes e extintores, além da sinalização desses equipamentos. Posterior as tragédias de 1970, as quais serão abordadas sequencialmente, as políticas públicas nacionais de SCI começaram a ser desenvolvidas.
5.1.1 Eventos contribuintes a evolução da SCI no Brasil
5.1.1.1 Edifício Andraus
No dia 24 de fevereiro de 1972 aconteceu a primeira grande catástrofe em edifícios de múltiplos pavimentos no Brasil (Figura 2). A edificação, com 31 andares, localizado na Avenida São João esquina com Rua Pedro Américo, na cidade de São Paulo/SP, foi construída em concreto armado, com fachadas revestidas com pele de
vidro. O incidente vitimou 352 pessoas, sendo 16 mortos e 336 feridos (GILL et al., 2008).
Os estudiosos acreditam que o foco do incêndio foi cartazes de publicidade colocados sobre marquises do prédio. De mais a mais, a edificação não possuía escadas de segurança e a pele de vidro nas fachadas sem compartimentação vertical facilitou a propagação do incêndio entre os pavimentos. Apesar de não terem sido tomadas medidas de segurança adequadas o número de vítimas fatais não foi tão expressivo quando comparadas as proporções do incêndio, pois o edifício continha um heliporto, observado na Figura 3, fazendo com que “A salvação viesse dos céus” como apareceu em muitas manchetes da época, visto na Figura 4.
Figura 2: Incêndio no edifício Andraus Fonte: SÃO PAULO ANTIGA (2008)
Figura 3: Salvamento na cobertura do edifício Andraus Fonte: PILOTO POLICIAL (2011)
Figura 4: Repercução do incêdio no edifício Andraus nos jornais da época Fonte: JORNAL FOLHA DE SÃO PAULO (1972)
De acordo com Gill et al. (2008), o incêndio gerou grupos de trabalhos, principalmente na cidade de São Paulo, onde se estudou a reformulação do código de obras, além disso, discutiu-se a reestruturação do corpo de bombeiros, criando comandos internos às políticas públicas, visto que, com exceção dos pertencentes ao estado do Rio de Janeiro e a cidade de Brasília, eram vinculados a polícia militar. Contudo tais avanços foram esquecidos à medida que a comoção pública passava. 5.1.1.2 Edifício Joelma
A década de 1970 foi marcada por mais um incêndio de grandes proporções, ocorrido no dia 1 de fevereiro de 1974, o incêndio no edifício Joelma (Figura 5) que gerou 179 mortos e 320 feridos.
Situado na Avenida Nove de Julho, Praça das Bandeiras, a edificação possuía 23 pavimentos, ocupados por estacionamento e escritórios, construído em concreto armado, com fachadas normais (sem pele de vidro), porém, também não continha compartimentação vertical (GILL et al., 2008).
O Edifício Joelma, diferente do Andraus, não contava com um heliporto em seus anexos, as vítimas se recordaram do incêndio registrado dois anos atrás e se deslocaram ao telhado da edificação, a ausência do heliporto acarretou desespero, fazendo com que muitas pessoas se projetassem do edifício (Figura 6), assim como
ocorreu no incêndio da fábrica de roupas Triangle Shirtwait Factory na cidade Nova York, nos EUA (GILL et al., 2008).
Após esse incêndio houve maior movimentação quanto aos avanços das medidas de segurança contra incêndio. Leis, normativas e decretos municipais foram inseridas a legislação, outrossim, inúmeros simpósios aconteceram nos anos posteriores, entretanto os estudos arrefeceram com o tempo (GILL et al., 2008).
Figura 5: Incêndio no edifício Jolema Fonte: ACERVO ESTADÃO (2018)
Figura 6: Com atitude de desespero pessoas se atiram do edificio Joelma
Fonte: O GLOBO (2015) 5.1.1.3 Boate Kiss
Outro incêndio de grande relevância aos estudos de SCI no Brasil foi o ocorrido em 27 de janeiro de 2013, na Boate Kiss (
Figura 7), localizada na cidade de Santa Maria no estado do Rio Grande do Sul. A tragédia vitimou 878 pessoas, sendo 242 mortos e 636 feridos, principalmente jovens universitários, de acordo com Bentrano (2015).
Em conformidade com a comissão especial do Conselho Regional de Engenharia e Agronomia do Estado do Rio Grande do Sul (CREA-RS, 2013), no qual, emitiu um relatório técnico de análise do incêndio na Boate Kiss, as causas fundamentais do incidente foram o uso de material de revestimento acústico inflamável, exposto na zona do palco, associada à realização de shows com componentes pirotécnicos.
O número tão expressivo de mortes está relacionado a falha no funcionamento de extintores de incêndio, a grande emissão de fumaça tóxica, somados a
superlotação da edificação e a ineficiência das saídas de emergência, as quais, em alguns casos estiveram obstruídas, de acordo com a comissão especial do CREA-RS.
Figura 7: Incêndio na boate Kiss Fonte: EXTRA (2013)
Bentrano (2015) afirma que esse incêndio foi um marco para a evolução da SCI no país, pois até o desastre na Kiss as preocupações eram por questões circunstanciais, apenas para cumprir as exigências burocráticas.
Posteriormente, em 14 de outubro de 2015, foi lançada no Congresso Nacional, a Frente Parlamentar Mista de Segurança Contra Incêndio, tendo como objetivo principal: ampliar o debate sobre SCI em todo o Brasil e elaborar políticas públicas que ampliem a prevenção e o combate a incêndio, reduzindo o número de vítimas, além de prevenir a ocorrência de novas tragédias e evitar perdas para o meio ambiente e para o patrimônio cultural e privado (BRASIL, 2015).
Outrossim, em 30 de março de 2017, foi criada a LEI Nº 13.425, que estabelece em diretrizes gerais, que os cursos de Engenharia e Arquiteturas das instituições públicas ou privadas devem ter em suas grades curriculares conteúdos relativos a prevenção e ao combate de incêndio e desastres (BRASIL, 2017).
5.1.1.4 Edifício Wilton Paes de Almeida
O episódio se repete no dia 1 de maio de 2018 com o edifício Wilton Paes de Almeida, visto na Figura 8, localizado na Rua Antônio Godoy esquina com Avenida Rio Branco no centro de São Paulo/SP era composto por 24 pavimentos, construído em concreto armado. Este resistiu por aproximadamente uma hora e meia de incêndio até que chegou ao colapso (Figura 9).
A edificação pertencia a união, foi sede da Policia Federal e estava cedida à prefeitura de São Paulo. A mesma era alvo de ocupações desde os anos 2000 e na ocasião estava ocupado por em torno de 150 famílias de desabrigado (FOLHA DE SÃO PAULO, 2018).
Em conformidade com o professor da Universidade de São Paulo (USP), diretor-técnico do Instituto Brasileiro do Concreto (IBRACON) e membro da Associação Latino-americana de Patologias das Construções (ALCONPAT), Paulo Helene, o desabamento da edificação está atrelado a dois motivos, a falta de manutenção e o fato de o fosso do elevador ter servido de chaminé para a propagação do incêndio (CIMENTO ITAMBÉ, 2018).
Figura 8: Incêndio no edifício Wilton Paes de Almeida
Fonte: NOTISERRA (2018)
Figura 9: Escombros do edifício Wilton Paes de Almenida
Fonte: FOLHA DE SÃO PAULO (2018)
5.1.1.5 Museus Nacional do Rio de Janeiro
Recentemente o acervo histórico nacional também foi vítima dos incêndios, na noite de domingo, dia 2 de setembro de 2018, o Museu Nacional do Rio de Janeiro, situado na Quinta da Boa Vista na cidade do Rio de Janeiro/RJ, ardeu em chamas (
Figura 10). Sendo o mais importante museu do Brasil, continha um acervo de, aproximadamente, 20 milhões de itens, como fósseis, múmias, peças indígenas e livros raros. Não houve vítimas, a direção da instituição ainda não mensurou o dano total do acervo (G1, 2018).
De acordo com o jornal a G1 (2018) o museu era administrado pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). Na edificação, além de apresentar sinais de má conservação, estava em situação irregular perante o corpo de bombeiros.
Ainda segundo o jornal, grande parte da estrutura do edifício era constituída por madeira e em seu interior havia muito material combustível, o que facilitou a
propagação das chamas. A Polícia Federal ainda investiga as reais causas do incêndio.
Figura 10: Incêndio no Museu Nacional do Rio de Janeiro Fonte: R7 NOTICIAS (2018)
Diante dos acontecimentos se almeja que os estudos em SCI no Brasil sejam continuados e intensificados. Os incêndios supracitados revelam que a problemática de SCI é real e de grande poder destrutivo, trazem perdas de vidas, inapreciáveis, e de patrimônio.
5.2 DADOS ESTATÍSTICOS
As estatísticas relacionadas a incêndios são muito utilizadas em países da América do Norte e Europa, já que essas consolidam as pesquisas e auxiliam o entendimento dos eventos. A exemplo disso será apresentado alguns dados de incêndios nos EUA disponibilizados pela NFPA.
De acordo com Evarts (2018) no ano de 2017 foram registrados nos departamentos do corpo de bombeiros dos EUA 1.319.500 de ocorrências incêndios em todo o território. Como apresentado na Figura 11 o número de incêndios sofreu expressiva queda desde 1977, contudo algumas oscilações são verificadas. Nota-se que desde 2009 os incêndios lavrados em edificações variaram entre 475.500 e 501.500.
Figura 11: Incêdios registrados nos EUA entre 1977 a 2017 Fonte: Adaptado de EVARTS (2018)
A NFPA divulgou em julho de 2017 uma pesquisa intitulada U.S. Experience with Sprinklers (Experiências dos EUA com chuveiros automáticos) nela foram computadas as edificações incendiadas com e sem os sistemas de sprinklers.
De acordo com Ahrens (2017), os aspersores estavam presentes em cerca de 10% dos incêndios apontados em edificações entre os anos de 2010-2014. Desses em 96% dos eventos os sprinklers foram acionados, onde 88% das vezes o princípio de
incêndio foi controlado ou extinto, observado na Figura 12.
Figura 12: Eficiência dos sprinklers em operação Fonte: Adaptado de AHRENS (2017)
Ahrens (2017) afirma que, dos incêndios computados com chuveiros automáticos, apenas 8% ocorreram em edificações residenciais, percebido na
Figura 13. Os dados que também chamam atenção nessa pesquisa é que a taxa de morte cai em 82% comparada as edificações residenciais sem sistemas de aspersores, além disso, os danos materiais as edificações residenciais caem 62%.
Figura 13: Presença de sistemas de aspersores em edificações incendiadas de acordo com sua utilização
Fonte: Adaptado de AHRENS (2017)
No Brasil pesquisas estatísticas relacionadas a incêndios são escassas, afirma Corrêa et al. (2015). Além disso no país não há um sistema de coleta nacional de dados e consequentemente é encontrado falhas quanto a consolidação dos mesmos (CORRÊA et al., 2018).
Apesar de esparsos os dados estatísticos existem, a exemplo disso Corrêa et al. (2015), realizaram um levantamento estatístico dos incêndios ocorridos em edificações na região metropolitana de Recife no estado de Pernambuco entre os anos de 2011 a 2013. Conforme os autores, foram computados aproximadamente 15 mil incêndios no período, estando distribuídos em edificações, meios de transporte, vegetação e outros (Figura 14a). Durante o triênio foram somados 4.903 incidentes em edificações (comerciais, de prestação de serviço, industriais ou residenciais), sendo 1.545 no ano de 2011, 1.606 no ano de 2012 e 1.752 no ano de 2013.
(a) (b)
Figura 14: Resultados de Corrêa, et al. (2015): (a) incêndios em edificações na região metropolitana de Recife – 2013; (b) incêndios em edificações residenciais na região metropolitana de Recife – 2011.
Fonte: Adaptado de Corrêa, et al. (2015).
Corrêa et al. (2015), verificaram com facilidade que as edificações onde mais tem ocorrência do sinistro são edificações residenciais, como é visto na Figura 14a, além disso, alegam que cerca de 75% das edificações residenciais incendiadas são edificações residenciais unifamiliares (Figura 14b), fato que contrapõem as normativas de segurança vigentes no país e enquadra esse tipo de imóvel como de baixo risco.
Desta maneira, os estudiosos, concluíram, primeiramente, que análises estatísticas em uma cidade podem indicar a dinâmica do sinistro, promovendo políticas públicas mais adequadas, a posteriori puderam observar que diferente do senso comum, que define casas como menos propícias a pegarem fogo, as edificações destinadas a moradia de uma única família abarrotam a estatística. Ademais, Corrêa et al. (2018), alegam que ao ampliar as proporções estatísticas encontradas na cidade de Recife para o restante do país seriam contabilizadas 974 mortos em incêndios em edificações em um único ano, tornando-se um desastre disseminado em todo território nacional.
5.3 LEGISLAÇÃO VIGENTE
As leis e normativas estabelecem, de maneira geral, os requisitos mínimos necessários para conferir segurança aos usuários das edificações. Neste trabalho será apresentado alguns itens de referência internacionais e nacionais relacionados a SCI, em especial as que se referem a utilização de sprinklers como sistema de proteção.
Vale ressaltar que para a legislação brasileira de segurança contra incêndio edificações residenciais unifamiliares estão dispensadas de avaliações, visto que, essas são classificadas como de baixo risco, as tornando isentas de qualquer medida de prevenção ou combate a incêndio.
Tabela 1: Legislações e normativas
Número Nome Objetivo
NP EN 1991-1-2, 2010
Eurocódigo 1 – Ações em estruturas
Parte 1-2: Ações gerais Ações em estruturas
expostas ao fogo
Limitar os riscos para as pessoas e para a sociedade, para os bens vizinhos ou diretamente expostos e para o ambiente caso ocorra
um incêndio.
NFPA 13
Norma padrão para a instalação de sistemas de
sprinklers. (Standard for
the Installation of Sprinkler Systems)
Fornecer um grau de proteção razoável para a vida e a propriedade contra incêndios. Mediante a padronização dos requisitos de projeto, instalação e
testes para sistemas de sprinklers, incluindo serviços de bombeiros, com base em dados de simulações e testes reais.
NBR 14432 (ABNT, 2001) Exigências de resistência ao fogo de elementos construtivos de edificações – procedimento
Estabelece condições a serem atendidas pelos elementos
estruturais e de
compartimentação que integram os edifícios para que seja evitado
o colapso estrutural em situação de incêndio.
NBR 10897 (ABNT, 2014)
Sistemas de proteção contra incêndio por chuveiros automáticos –
requisitos.
Ela tem por objetivo estabelecer os requisitos necessários para
projetar e instalar os sistemas chuveiros automáticos, incorporando todos os materiais e
acessórios envolvidos nas instalações prediais.
Lei n°10.402 (MT, 2016).
Lei de segurança contra incêndio e pânico de mato
grosso
preservar a vida dos ocupantes das edificações, reduzir as chances de propagação de incêndio, minimizando os danos
ambientais e ao patrimônio, proporcionar meios de controle e
extinção do incêndio e estabelecer condições de acesso
as operações do corpo de bombeiros. NTCB 01 (CBMMT, 2017) Procedimentos administrativos Estabelecer os procedimentos administrativos e critérios para apresentação de Processo de Segurança Contra Incêndio e Pânico e Vistorias Técnicas das edificações, instalações e locais de risco, atendendo ao previsto na Lei estadual nº 10.402/2016, de 25/05/2016. NTCB 07 (CBMMT, 2009) Carga de incêndio Estabelecer valores característicos de carga de
incêndio nas edificações.
Fonte: Elaborada pelo autor
A Priore, tem-se a NBR 14432 (ABNT, 2001) é sucinta, voltada para definições de termos referentes a SCI, símbolos e letras. Entretanto em seus anexos A, B, C e D são determinados os parâmetros a serem seguidos para garantir a segurança dos usuários.
O Anexo A se refere ao Tempo Requerido de Resistência ao Fogo (TRRF), ou seja, o tempo mínimo de resistência ao fogo de um elemento construtivo. Para tal, determina-se a classificação das edificações quanto ao seu uso, encontrado no anexo B, por meios de tabelas, sabendo que “estão isentas dos requisitos de resistência ao fogo estabelecidos nesta Norma as edificações: cuja área total seja menor ou igual a 750 m²” (ABNT NBR 14432, 2001).
O anexo C diz respeito as cargas de incêndio encontradas nas edificações, apresenta tanto valores tabelados, quanto a maneira analítica de encontrar a carga de incêndio especifica da edificação.
Em seu anexo D traz condições construtivas quanto a SCI para edificações em aço.
Sequencialmente, vê-se a NBR 10897 (ABNT, 2014), essa teve como base a norma Norte Americana NFPA 13.
Para projetar chuveiros automáticos em uma edificação se deve identificar corretamente sua ocupação para que, assim, possa definir o grau de risco, o tipo de sistema a ser utilizado, a área de cobertura, o espaçamento máximo entre os sprinklers, entre outras coisas. As classes de riscos de ocupação das edificações são: risco leve; risco ordinário; risco extraordinário; risco especial, NBR 10897 (ABNT, 2014).
Brentano (2016) afirma que a essa classificação não tem parâmetros numéricos limitadores, deixando a tomada de decisão a critério do projetista, entretanto disponibiliza uma lista das ocupações, caso a edificação analisada não se enquadrar ela deve ser classificada por condições simulares.
As NBRs são usadas como referência em todo o território nacional, entretanto, cada unidade federativa tem autonomia para criar suas próprias normativas técnicas, instruções normativas, instruções técnicas entre outras, a exemplo disso estão: Normativa Técnica do Corpo de Bombeiros 07 - NTCB 07 (CBMMT, 2009), Instrução Normativa 003 - IN 003 (CBMSC, 2014) e a Instrução Técnica 14 - IT 14 (CBMSP, 2018), embasadas na NBR 14432 (ABNT, 2001), as quais dizem respeito aos cálculos de carga de incêndio e áreas de risco das edificações de acordo com seu tipo de ocupação.
No estado do Mato Grosso está em vigência a Lei n°10.402, de 25 de maio de 2016, que determina em quais edificações devem ser aplicadas as medidas de segurança contra incêndio e pânico ou a necessidade de recorrer ao processo simplificado, a depender do tamanho da edificação. A exemplo das legislações nacionais esta lei não contempla edificações residenciais unifamiliares, em seu capítulo 3, artigo primeiro diz:
“§ 1º Estão excluídas das exigências desta Lei apenas: I - residências exclusivamente unifamiliares;
II - residências exclusivamente unifamiliares localizadas no pavimento superior de ocupação mista, com até dois pavimentos e que possuam acessos independentes.” (MT, 2016).
De mais a mais, traz em sua estrutura as medidas de fiscalização e penalização quanto seu descumprimento ou de seus complementos, as 44 Normas Técnicas do Corpo de Bombeiros Militar (NTCB).
As NTCBs estabelecem os requisitos a serem tomados para garantir a segurança contra incêndio nas edificações por meio de tabelas e classificações, visto que os critérios são estabelecidos de acordo com a utilização, grau de risco e especificidades construtivas.
5.4 CONCEITOS BÁSICOS SOBRE SCI
5.4.1 Teoria do fogo
Dominar o fogo foi um grande avanço para a humanidade, por meio dele se conseguiu melhores condições de sobrevivência, visto que, agora podia utiliza-lo para aquecimento, cozimento, iluminação, geração de energia, dentre tantas outras coisas, entretanto, Corrêa et al. (2016) enfatiza que a perda do controle das chamas, propagando-se de forma rápida e violenta fez surgir o fenômeno dos incêndios.
De acordo com Brentano (2016) o fogo é uma reação química exotérmica que se respalda na associação de material combustível, sólido ou liquido, material comburente, oxigênio, ativados por uma fonte de calor, dando início a uma reação química, intitulada combustão, com a produção de chama, fumaça e mais calor. Para que transcorra a propagação ou a continuidade do fogo parte do calor gerado deve manter a combustão de novas moléculas, gerando radicais livres com capacidade de transferir energia para afetar outras moléculas, essa reação em cadeia pode ser vista no tetraedro do fogo exemplificado na Figura 15.
Figura 15: Tetraédro do fogo Fonte: Adaptado de Bentrano (2016)
Ainda segundo Brentano (2016) os combustíveis sólidos e líquidos liberam vapores combustíveis, quando submetidos a altas temperaturas, que se misturam ao
oxigênio do ar, gerando uma mistura inflamável. Ou seja, a combustão sempre se dá na fase gasosa.
5.4.2 Formas de propagação do fogo
O comportamento do fogo é complexo e sua propagação inesperada. Em conformidade com a Instrução Técnica 02 (IT 02), do corpo de bombeiros de São Paulo (CBMSP), o calor e os incêndios se propagam por três formas fundamentais: por condução, por convecção ou por radiação. Geralmente a propagação ocorre de forma concomitante, entretanto em alguns instantes pode predominar uma das formas.
Segundo Brentano (2016): Na condução o fogo pode se propagar por contato direto das labaredas que passam pelas aberturas encontradas nas estruturas de vedação existentes nos ambientes, sendo eles no mesmo pavimento ou não, ou por intermédio de um meio físico; A convecção utiliza com meio propagador os fluidos gasosos liberados durante a combustão. O mecanismo de convecção dos gases faz com que as chamas se propagem rapidamente; Já a radiação se dá por meio de ondas de calor ou raios, ou seja, os corpos aquecidos irradiam calor em todas as direções, esquentando outros materiais até que entrarem em combustão.
Os processos supracitados estão representados na Figura 16 a, b e c, respectivamente.
(c)
Figura 16: Processos de propagação do fogo: (a) propagação por condução; (b) propagação por convecção; (c) propagação por radiação térmica entre as edificações
Fonte: Adaptado de BENTRANO (2016)
5.4.3 Classes de incêndios
Para uma eficiente atuação de combate aos incêndios é necessário que se conheça o material que está em combustão, visto que, a utilização de um método equivocado para a contenção das chamas pode acarretar em explosões, colocando em risco a vida do operador. Assim, os incêndios são classificados em cinco: A, B, C, D, e K, as quais serão descritas de acordo com Brentano (2016).
Incêndios classe A são aqueles que acontecem em materiais comuns como madeiras, papéis, plásticos, entre outros materiais, esses queimam em superfície e profundidade, sua extinção, principal, se dá por resfriamento, por isso é ideal que se utiliza água.
Os incêndios de classe B ocorrem em líquidos inflamáveis como óleos, gasolina, álcool, entre outros, eles queimam apenas em superfície, sua combustão tem como principal característica não deixar resíduos. A extinção se dá por abafamento, pela quebra da reação química ou pela retirada do combustível, dessa forma os agentes extintores podem ser produtos químico secos, líquidos vaporizantes, gases, água nebulizada e espuma mecânica.
Incêndios de classe C sucedem em equipamentos eletrônicos energizados. Sua extinção deve ser feita por produtos que não conduzem eletricidade, ou seja, pós químicos, líquidos vaporizastes e gases.
Os incêndios de classe D acontecem em metais combustíveis, por exemplo, magnésio, titânio e lítio. Esses metais queimam rapidamente, atingindo temperaturas
mais altas que outros materiais combustíveis. Para esses o combate exige equipamentos, técnicas e agentes extintores especiais para cada tipo de metal.
Incêndios de classe K se verificam em óleos comestíveis de fritura, usados em cozinha comerciais ou industriais, o combate necessita de agentes extintores com boa cobertura em forma de lençol de abafamento, sendo pós químicos ou líquidos que produzam a saponificação.
5.4.4 Carga de incêndio
A IN 003 (CBMSC, 2014) define carga de incêndio como a soma das energias caloríficas liberadas pela combustão completa dos materiais combustíveis, em um compartimento, incluindo revestimentos das paredes, divisórias, pisos e tetos.
Para a mesma normativa técnica carga de incêndio especifica é o valor da carga de incêndio divido pela área. A seguir será apresentado o método analítico de cálculo.
𝑞𝑓𝑖 =∑ 𝑀𝑖𝐻𝑖 𝐴𝑓 Onde:
𝑞𝑓𝑖 é o valor da carga de incêndio específica, em Megajoules por metro quadrado de área de piso;
𝑀𝑖 é a massa total de cada componente i do material combustível, em quilogramas. Este valor não pode ser excedido durante a vida útil da edificação, exceto quando houver alteração de ocupação, ocasião em que Mi deve ser reavaliado;
𝐻𝑖 é o potencial calorífico específico de cada componente i do material combustível, em megajoules por quilograma;
𝐴𝑓 é a área do piso do compartimento, em metros quadrados.
5.5 SPRINKLERS
O Sistema de chuveiros automáticos é um sistema hidráulico de combate ao incêndio, fixado a estrutura da edificação, composto por chuveiros automáticos (sprinklers) distribuídos uniformemente por redes de canalização, sendo uma ou mais, de acordo com a área da edificação. O sistema é acionado por válvulas automáticas de controle exclusivas, que ativam um alarme simultaneamente. Os chuveiros são conectados as canalizações que formam as redes hidráulicas, acionados pelo calor do fogo individualmente, que descarregam água no compartimento incendiado (Figura
17). As vazões, pressões e áreas de coberturas são determinadas por normas segundo o grau de risco da edificação, afirma Brentano (2016).
Figura 17: Esquema de um sistema de chuveiros automáticos Fonte: Adapda de TÉCNICAS DE BOMBEIRO CIVIL (2015)
Em concordância com Brentano (2016), sprinklers são dispositivos com elementos termossensíveis, projetados para entrarem em funcionamento em faixas de temperatura pré-determinadas. São compostos, essencialmente, por:
Corpo: serve como suporte para os demais componentes, contém a rosca para a fixação na canalização de água, braços e orifícios de descarga, representado na Figura 18;
Obstrutor: um pequeno disco metálico que impede a passagem de água em condições normais de temperatura e pressão, sustentado pelo elemento termossensível;
Elemento termossensível: é o elemento responsável por liberar o obstrutor quando o local de instalação alcançar a faixa de temperatura de seu funcionamento. Pode ser um fusível de liga metálica especial ou uma ampola de vidro com liquido altamente expansível, mostrado na Figura 18;
(a) (b)
Figura 18: Chuveiros automáticos, sendo (a) com ampola de vidor e (b) com fusivel Fonte: Adaptado de Brentano (2016)
Defletor: é um disco, com ranhuras e vários formatos, fixo ao corpo do sprinkler, no qual incide um jato de água com alta pressão, formando um cone de aspersão sobre a área de atuação de determinado chuveiro, como na Figura 19.
Figura 19: Área de atuação de um chuveiro automático Fonte: Adaptado de Brentano (2016)
5.5.1.1 Chuveiros automáticos de resposta rápida
Segundo Brentano (2016), os chuveiros automáticos de resposta rápida foram criados ao final da década de 1980 nos EUA, com o intuito de detectar e combater o incêndio em sua fase inicial, além disso, manter a segurança mínima para a vida dos ocupantes, voltados principalmente para edificações residenciais.
São caracterizados por possuírem elementos termossensíveis de menor inércia térmica, conferindo um tempo de resposta de até seis vezes mais rápida que um sprinkler de resposta normal ou padrão. Para tal, contém ampolas de vidros com
menor diâmetro, espessura mais fina e liquido mais sensível ao calor, ainda segundo o autor.
Em conformidade com Brentano (2016), a velocidade ou o tempo de resposta e um chuveiro automático é a medida da sensibilidade do seu dispositivo de acionamento em relação ao calor do fogo, chamada de Índice de Tempo de Resposta (ITR), cuja unidade de medida é (m.s)1/2. Por meio do ITR é possível classificar os sprinklers como chuveiros automáticos de resposta rápida, onde o elemento termossensível tem ITR entre 28 e 50 (m.s)1/2 e sua ampola varia entre 2,5 e 3 mm de diâmetro. Para os chuveiros automáticos de resposta especial o elemento termossensível tem ITR entre 50 e 80 (m.s)1/2. Já para os chuveiros automáticos de resposta padrão ou normal o elemento termossensível tem ITR maior que 80 (m.s)1/2.
5.6 SOFTWARES DE SIMULAÇÃO DE INCÊNDIO EM EDIFICAÇÕES
Entender a dinâmica do incêndio é de suma importância para a prevenção de sinistros e proteção da vida. Contudo ensaios laboratoriais reais, além de, demasiadamente caros conferem riscos a vida dos estudiosos, desta forma a utilização de softwares de simulação computacional de incêndio se torna uma ferramenta eficaz para o conhecimento da dinâmica do incêndio nas edificações, igualmente os efeitos da temperatura e da fumaça, de acordo com Alves, Campos e Braga (2008).
Vários modelos computacionais de simulação de incêndios são utilizados mundialmente, entretanto os mais conhecidos são os baseados nos modelos de zonas ou no modelo de fluido dinâmica computacional (em inglês Computational Fluid Dynamics, CFD), afirma Sá (2018).
5.6.1 Modelos de zonas
Para NP EN 1991-1-2, 2010 o modelo de incêndio de zonas tem um compartimento dividido em duas camadas, inferior e superior, pressupõe-se que as características dos gases (temperatura, massa, energia interna e a pressão) ali presente são homogêneas a qualquer momento na camada quente. Pode ser dividido em dois observado na Figura 20.
Figura 20: Modelo de zonas. Fonte: Adaptado de Sá (2018)
Primeiramente em uma zona, ocorrem quando os incêndios estão plenamente desenvolvidos, as características dos gases são homogenias, de mais a mais, presume-se que o compartimento é preenchido unicamente pela camada quente (SÁ 2018).
Em duas zonas se desenvolvem em incêndios localizados, nesse caso ambiente é divido em dois volumes, um superior e outro inferior intitulados “camada quente” ou “camada de fumaça” e “camada fria”, respectivamente. Os gases tidos com características uniformes se encontram na camada superior (SÁ 2018).
O software Ozone, utiliza o modelo de zonas para as simulações de incêndio, foi escolhido para ser utilizado neste trabalho por conter uma interface gráfica intuitiva e de fácil utilização.
5.6.2 OZone
O software de simulação de incêndio OZone foi desenvolvido pela University of Liège. As simulações são realizadas em um compartimento do cada vez, além disso apenas seu interior é analisado, fato que o torna mais simples que o software FDS (SÁ 2018).
O usuário deve inserir no software as definições do compartimento em análise para que os cálculos das temperaturas dos gases sejam executados, além disso também pode definir outros parâmetros como temperatura e pressão ambiente.
Os resultados obtidos em uma simulação de incêndio no OZone, são ao longo do tempo de taxa de pirólise do material combustível, taxa de liberação de calor, temperaturas dos gases na zona quente, temperaturas dos gases na zona fria, altura
da camada livre de fumaça área do incêndio, pressão dos gases e massa de oxigênio (SÁ 2018).
A autora afirma que uma das maiores vantagens da utilização do software é que as simulações requerem apenas alguns segundos para seu processamento.
5.6.3 Modelo de fluidodinâmica computacional (CFD)
Os modelos de fluido dinâmica computacional analisam as diferenças de temperaturas, o fluxo dos gases e fenômenos atrelados por meio da divisão de um
domínio computacional em várias células (
Figura 21). “Capaz de resolver numericamente as equações diferenciais de derivadas parciais fornecendo, em todos os pontos do compartimento, as variáveis termodinâmicas e aerodinâmicas. ” (NP EN 1991-1-2, 2010).
Figura 21: Domínio computacional de um modelo CFD Fonte: Adaptado de Sá (2018)
Dentre os softwares mais utilizados para simular incêndios se destaca o Fire Dynamics Simulator (FDS), devido a sua precisão, desenvolvido pelo NIST (National Institute of Standards and Technology) (ALVES, CAMPOS E BRAGA, 2008). Com auxílio do programa é possível extrair a temperatura dos gases e objetos sólidos, determina-se também a concentração de gases e altura da camada livre de fumaça, de mais a mais, obtém-se a representação gráfica do comportamento da propagação do fogo e movimentação da fumaça em todos os pontos do ambiente simulado (SÁ, 2018)
5.6.4 Fire Dynamics Simulator (FDS)
O FDS será a ferramenta computacional utilizada nesse trabalho. Segundo McGRATTAN et al., (2017) ele resolve numericamente as equações de Navier-Stokes, apropriadas para fluidos de baixa velocidade com movimentação térmica, voltados, principalmente, para o transporte de fumaça e a diferença de temperatura provocado pelos incêndios.
A versão mais atual do programa é a 6.6.0, disponibilizada para os sistemas operacionais Windows, Linux e Mac OS X. Há o Smokeview (SMV) atrelado ao seu pacote de instalação permite visualizar animações da propagação do fogo e fumaça, concentrações e movimento dos gases em toda a estrutura submetida à simulação, ambos disponibilizados gratuitamente no site do desenvolvedor.
Devido ao software não dispor de interface gráfica, os dados de entrada são inseridos pelo usuário através de linhas de comando em um único arquivo de entrada, através de um editor de texto que deve conter todas as informações do modelo, tais como: título da simulação, dimensões do domínio computacional, divisões da malha, tempo de simulação, condições iniciais do ambiente, propriedades dos materiais combustíveis e incombustíveis, condições de combustão, outputs desejados, dentre outros. O programa entende como comando os caracteres escritos entre os símbolos “&” e “/”, cujos dados necessários para a análise são especificados no arquivo de entrada usando uma lista de comandos com formatos pré-definidos em sua programação (namelist) (TABACZENSKI et al., 2017).
As potencialidades deste software são evidenciadas a seguir com a exposição de algumas pesquisas que o utilizam como ferramenta de estudo.
5.7 ESTADO DA ARTE
Mundialmente, estudos voltados a SCI utilizando ferramentas computacionais são recorrentes. A exemplo disso se tem o trabalho de Sperpoint e MCGranttan (1999) que discutem as condições internas de um compartimento experimental comparando com três métodos, sendo cálculos manuais, três modelos de zonas e um modelo de fluido dinâmica computacional.
O experimento foi realizado em uma sala de estar representada em planta na Figura 22. A sala tinha dimensões nominais de 5,2 m por 4,6 m por 2,4 m de altura, com uma única porta aberta de 0,9 m de largura por 2,0 m de altura. As paredes e forros do teto eram compostos por uma única camada de gesso acartonado de 12,5 mm de espessura pintada com uma demão de primer de látex e duas demãos de tinta
látex interior. O piso coberto no quarto foi carpete em laje de concreto (SPERPOINT E MCGRANTTAN, 1999)
Figura 22: Planta baixa do compartimento teste. Fonte: Adaptado de Sperpoint e MCGranttan (1999)
O incêndio foi iniciado ao cair uma lâmpada incandescente em um travesseiro localizado em cima do sofá cama, o fogo pareceu ficar restrito ao travesseiro durante aproximadamente cinco minutos e meio, então se alastrou e após nove minutos e meio do início ocorreu o flashover. Três linhas de output foram posicionadas no compartimento com o objetivo de identificar as variações de temperaturas, a taxa de liberação de calor e a altura da fumaça.
Em conformidade com os autores com os cálculos manuais se estima a temperatura média dentro de um recinto, bem como nas sub-camadas do incêndio. Entretanto, requerem conhecimento ou estimativa da localização do fogo e do calor histórico da taxa de liberação.
Os modelos de zona analisados foram nos softwares Fire Simulator, Flexible Architecture Simplified Technology (FAST) e FIRST. Os resultados obtidos para os três modelos foram similares, o flashover para todos ocorreu em um tempo menor que o previsto pelas observações, 570 s, e os indicados pelos termopares, 566 s. Para o Fire Simulator o flashover ocorreu aos 530 s de simulação, para o FAST aos 546 s, já para o FIRST aconteceu aos 520 s.
Em geral as alturas das chamas calculadas pelos modelos excedem as alturas observadas, visto na Figura 23a. Os modelos subestimam a altura da cama intermediária. A estimativa dessa camada é sujeita a interpretação e, portanto, os três modelos fizeram uma estimativa razoável da altura da camada média (Figura 23b). A Figura 23c mostra a comparação entre a temperatura da camada superior medida e
os resultados dos três modelos. As temperaturas para o experimento mostram seu rápido aumento em um tempo do que os modelos preveem. Esse resultado é consistente quando comparado ao tempo de flashover discutida acima. Todos os três modelos parecem fazer uma tentativa razoável de prever a temperatura da camada superior.
(a) (b)
(c)
Figura 23: Comparação dos resultados obtidos por meios dos modelos de zona e o experimento: (a) comparação da altura da chama; (b) comparação da altura da camada intermediária; (c) comparação
da temperatura da camada superior.
Fonte: Adaptado de Sperpoint e MCGranttan (1999)
Para Sperpoint e MCGranttan (1999) diferente dos modelos já citados o CFD necessita de informações mais detalhadas sobre cada item do mobiliário como as dimensões físicas, a condutividade térmica, a taxa de liberação de calor, entre outros. Devido a riqueza de detalhes apresentadas pelo modelo CFD os cálculos levaram cerca de 8 horas para serem executados.
Para demonstrar a complexidade do problema, um modelo em desenvolvimento no NIST chamado Industrial Fire Simulator (IFS) foi usado para modelar o cenário de flashover do compartimento descrito anteriormente. A análise da movimentação dos gases foi realizada utilizando a técnica de simulação de grandes redemoinhos (em inglês lager eddy simulation – LES). Para o IFS o flashover
ocorre 130 s depois que as almofadas de policarbonato acendem, evidenciado pelo forte aumento na temperatura dos termopares mais próximos do piso (Figura 24). Isto é devido à ignição do tapete por radiação térmica.
Figura 24: Comparação dos termopares da porta de entrada e do modelo experimental e do simulado
Fonte: Adaptado de Sperpoint e MCGranttan (1999)
Os autores puderam concluir que os cálculos manuais e modelos de zona são capazes de prever razoavelmente as condições dentro de uma sala de escala residencial, onde o desenvolvimento de um incêndio já é conhecido e a geometria do espaço é relativamente simples. Os cálculos manuais e os três modelos de zona mostram tendências semelhantes nas suas previsões e parecem corresponder consistentemente aos dados experimentais. Portanto, um banco de dados abrangente de curvas de liberação de calor para uma variedade de itens comuns é necessário para que dados apropriados possam ser selecionados e métodos para integrar várias curvas de liberação de calor de itens separados também podem ser necessários. Em contraste com os modelos de zona, a simulação LES3D tenta modelar o desenvolvimento de fogo em um nível mais fundamental, considerando as propriedades termo-físicas dos materiais, em vez de simplesmente descrever um histórico de taxa de liberação de calor. No entanto, o tempo requerido para obtenção dos resultados limitam sua utilização.
Também pode ser citado como exemplo o trabalho de Weinschenk, Overholt e Madrzykowski (2014), cujo objetivo foi recriar o incêndio ocorrido em uma edificação
unifamiliar na cidade de Chicago, Illinois, EUA, onde aconteceu a morte de um capitão do departamento do corpo de bombeiros.
Segundo os autores, as informações inseridas no programa, como compartimento e horário inicial do foco de fogo, mobília, condições de ventilação danos causados e horário de controle do incêndio, foram baseadas no relatório fornecido pelo batalhão do corpo de bombeiros. A investigação se baseou na conjuntura da edificação antes e depois da falha da uma porta de metal com portal de madeira. Na Figura 25 está o modelo computacional e a edificação incendiada, respectivamente:
(a) (b)
Figura 25: Estudo realizado por Weinschenk, Overholt e Madrzykowski (2014): (a) simulação computacional; (b) edificação real
Fonte: Adaptado de Weinschenk, Overholt e Madrzykowski (2014)
O material combustível da edificação simulada foi madeira, com uma carga de incêndio de 16.400 KJ/Kg com base nos dados fornecidos pelo manual da Society of Fire Protection Engineers (SFPE), representada no FDS pela fórmula química: CH1,7O0,74N0,002, foi também considerado as características constitutivas do gesso, visto que, esse estava incorporado a parede.
Weinschenk, Overholt e Madrzykowski (2014), afirmaram, também, que para calcular as proporções totais do fogo e a área de queima apropriada (área de madeira exposta ao fogo) foi necessário analisar os danos do pós-incidente. Onde aproximadamente 50% da área remanescente e 90% do teto foram considerados como combustível.
Para certificar de que os fluidos iriam se movimentar corretamente dentro e fora da estrutura o domínio computacional foi ampliado para além das paredes. A malha
determinada foi de 10x10x10 cm, para que as aberturas de ventilação e vedação de parede pudessem se encaixar sem problemas.
Por meio do estudo, foi possível averiguar a taxa de liberação de calor, a pressão e as temperaturas atingidas dentro da edificação. Notou-se que o fluxo de ar, as pressões e a taxa de liberação entrariam em sua fase de arrefecimento, caso não houvesse ocorrido a falha da porta, e o fogo se extinguiria. Entretanto, ao verificar o colapso, foi possível aferir o aumento na taxa de liberação de calor e consequente mudanças de pressão e maior fluxo de ar nos compartimentos adjuntos como mostra a Figura 26.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 26: Resultados da simulação de Weinschenk, Overholt e Madrzykowski (2014): (a) condições de pressão calculaddas no interior da edificação 1s antes da falha da porta; (b) vetores de velocidade
do ar 15s após o colapso da porta; (c) condições de temperatura estimada 1s antes da porta interna falhar; (d) condições de temperatura estimada 15s após a falha da porta
Fonte: Adaptado de Weinschenk, Overholt e Madrzykowski (2014)
Desta maneira, Weinschenk, Overholt e Madrzykowski (2014), concluíram por intermédio das análises computacionais e dados coletados que enquanto a porta esteve integra uma neblina de fumaça se encontrava na casa. Contudo, depois que a porta interna falhou, os gases de combustão a alta temperatura encheram os compartimentos adjacentes, fluindo na direção de baixa pressão. Isso resultou em uma rápida mudança nas condições dentro do caminho do fluxo.
Mediante a esse e outros estudos relacionados, fica claro aos autores, que os incêndios com vias de fluxo em rápido desenvolvimento ou mudanças apresentam riscos significativos ao serviço de bombeiros. Com grande probabilidade o óbito do
comandante do corpo de bombeiros sucedeu em virtude das rápidas mudanças internas da edificação, acarretando na falta de tempo suficiente para que ele se retirasse com segurança do interior da mesma.
No Brasil, apesar de menos assíduos, estudos como análises computacionais têm sido desenvolvidos nos últimos anos.
A título de exemplo se tem o estudo realizado por Centeno et al. (2015), os quais desenvolveram um modelo de incêndio confinado em um ambiente residencial fundamentado em uma análise experimental real encontrada na literatura, cujo principal objetivo foi demostrar a confiabilidade dos resultados obtidos por meio do FDS.
A simulação elaborada teve como base o trabalho de Brohez et al. (2004 apud CENTENO et al., 2015) que compreendeu em um experimento efetuado em um ambiente habitacional de 80 m² com ventilação forçada e uma poça de incêndio, onde o combustível é piridina (calor de combustão de 334,6 × 105 J/kg) (CENTENO et al., 2015). O modelo está representado na Figura 27.
Figura 27: Objeto de estudo de Centeno et al. (2015)
Fonte: Adaptado de Brohe et al. (2004 apud CENTENO et al., 2015)
A piridina foi colocada em uma panela com 0,564m de diâmetro, no centro do piso do compartimento, propiciando uma energia de 150 KW. A ventilação forçada foi estabelecida por pela abertura de 0,20m, de entrada, a 0,40m de altura do piso e
retirada por uma abertura com dimensões de 0,50x0,50m, localizada na parede oposta, a 3m do piso, estabelecendo uma vazão de 280 m³/h. As medições foram realizadas com três tipos de sensores: pirômetro de sucção, termopar com junção de 0,25 mm de diâmetro, e termopar com junção de 1,0 mm de diâmetro (CENTENO et al., 2015).
Quanto a simulação computacional, Centeno et al. (2015) afirmam que “por se tratar de uma análise de dinâmica de fluidos computacional, é sempre importante a verificação da discretização geométrica do domínio físico em relação à quantidade de volumes de controle que este está sendo dividido”. Desta forma foram desenvolvidos três modelos com as seguintes malhas: malha refinada (com 1.230.000 volumes de 4 cm de aresta), malha média (com 627.200 volumes de 5 cm de aresta), e malha grosseira (com 78.400 volumes de 10 cm de aresta). Os resultados obtidos nas simulações são mostrados na Figura 28.
(a) (b)
Figura 28: Resultados obtidos por Centeno et al. (2015): (a) comparação dos resultados do FDS com os resultados experimentais; (b) Malhas refinadas, médias e grosseiras.
Fonte: Adaptado de Centeno et al. (2015)
De acordo com Centeno et al. (2015) os dados experimentais foram utilizados para a validação dos resultados do FDS, desta forma, possibilitou-se verificar a concordância da variação do perfil de temperatura ao longo do tempo, quando comparados com resultados numéricos. Outrossim, os autores notaram uma flutuação nos resultados encontradas em ambas as situações, demonstrando a confiabilidade nos resultados obtidos mediante o FDS ao prever este tipo de fenômeno.
Sá (2018) utilizou o estudo experimental de Corrêa et al. (2017), no qual, reproduziu o incêndio em um compartimento de edificações residencial comumente incendiadas na cidade de Recife (Figura 29).
(a)
(b)
Figura 29: Croqui esquemático da edificação onde aconteceu o experimento: (a) planta baixa da edificação; (b) corte horizontal da edificação.
Fonte: Sá (2018)
Para efetuar a simulação computacional considerou os 18 minutos iniciais do experimento, pois durante esse período a porta de acesso ao dormitório permaneceu fechada, além disso os parâmetros de entrada do software foram determinados de acordo com a cronologia do evento.
Com o intuito de avaliar o fluxo de fumaça na edificação por intermédio de aberturas para o exterior foi determinado um domínio computacional extrapolando em alguns metros o perímetro do edifício (Figura 30), além disso a malha determinada foi de 0,10 m, totalizando 300.000 elementos (SÁ, 2018).
