UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE CONSTRUÇÃO CIVIL
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
JONAS LAZZARETTI
DESENVOLVIMENTO DE FORMA DE DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DE SISTEMA HIDRÁULICO PREVENTIVO NO ESTADO DO PARANÁ
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
PATO BRANCO 2016
JONAS LAZZARETTI
DESENVOLVIMENTO DE FORMA DE DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DE SISTEMA HIDRÁULICO PREVENTIVO NO ESTADO DO PARANÁ
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campus Pato Branco.
Orientador: Prof. Gustavo Callegari Scipioni
PATO BRANCO 2016
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE CONTRUÇÃO CIVIL CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
DACOC / UTFPR-PB Via do Conhecimento, Km 1 CEP 85503-390 Pato Branco-PR
www.pb.utfpr.edu.br/ecv Fone +55 (46) 3220-2560
TERMO DE APROVAÇÃO
DESENVOLVIMENTO DE FORMA DE DIMENSIONAMENTO E
ANÁLISE DE SISTEMA HIDRÁULICO PREVENTIVO NO ESTADO
DO PARANÁ
JONAS LAZZARETTI
No dia 22 de junho de 2016, às 16h30min, na Sala de Treinamento da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, este trabalho de conclusão de curso foi julgado e, após argüição pelos membros da Comissão Examinadora abaixo identificados, foi aprovado como requisito parcial para a obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Civil da Universidade Tecnológica Federal do Paraná– UTFPR, conforme Ata de Defesa Pública nº09-TCC/2016.
Orientador: Prof. Msc. GUSTAVO SCIPIONI (DACOC/UTFPR-PB)
Membro 1 da Banca: Profª. Msc. ELOISE APARECIDA LANGARO (DACOC/UTFPR-PB)
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente à minha família, meus pais e irmãos, pelo apoio incondicional e pelo suporte sem os quais nada disso seria possível.
Sou grato aos professores de Engenharia Civil da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) – Campus Pato Branco e a todos os colegas pelo auxílio prestado e pelo repasse de conhecimentos.
Agradeço especialmente aos professores Elizangela Marcelo Siliprandi, Gustavo Callegari Scipioni, Ney Lyzandro Tabalipa e Eloise Aparecida Langaro pela orientação e contribuição para a realização deste trabalho.
RESUMO
LAZZARETTI, Jonas. Desenvolvimento De Forma De Dimensionamento E Análise De Sistema Hidráulico Preventivo No Estado Do Paraná. 2016. 83p. Trabalho de Conclusão do Curso de Graduação em Engenharia Civil – Departamento Acadêmico de Construção Civil, Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR. Pato Branco, 2016.
Nesta pesquisa, buscou-se formular um método de dimensionamento de sistema hidráulico preventivo coerente com as normas e exigências do Corpo de Bombeiros da Polícia Militar do Paraná. A partir deste, implementou-se uma planilha eletrônica através do software Excel, com o intuito de melhorar a aplicabilidade do método na solução de problemas de tal natureza. Para certificar a funcionalidade deste objeto, foram dimensionados dois sistemas com características distintas e foi utilizado o já consagrado software Epanet para simular os mesmos casos. Percebeu-se a coerência entre os dados gerados pela planilha implementada com os dados do método desenvolvido e os encontrados nas simulações. Ao final, fez-se uma breve análise destes resultados e considerações sobre os métodos de adução e suas aplicabilidades em sistemas hidráulicos preventivos no estado do Paraná.
Palavras Chave: Hidrantes. Dimensionamento de sistema de hidrantes e mangotinhos. Sistema hidráulico preventivo. SHP. Projeto preventivo.
ABSTRACT
LAZZARETTI, Jonas. Desenvolvimento De Forma De Dimensionamento E Análise De Sistema Hidráulico Preventivo No Estado Do Paraná. 2016. 83p. Trabalho de Conclusão do Curso de Graduação em Engenharia Civil – Departamento Acadêmico de Construção Civil, Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR. Pato Branco, 2016.
The purpose of this research is to formulate a way to design preventive hydraulic systems according to the rules of the Paraná’s Fire Department. From this, was implemented a spreadsheet through Excel software, in order to improve the applicability of the method to solve problems of this nature. To ensure the functionality of the method, was designed two systems with different characteristics and used the already established Epanet software to simulate the same cases. It has been perceived consistency between the data generated by the spreadsheet implemented through the method developed and the one’s found in the simulations. At the end, there was a brief analysis of these results and considerations on the methods of adduction
and their applicability in preventive hydraulic systems in Paraná.
Keywords: Hydrant. Design of preventive hydraulic systems. Preventive hydraulic systems. PHS. Preventive project.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Laje com estrutura metálica ... 16
Figura 2 - Triângulo do fogo ... 17
Figura 3 - Resfriamento do fogo ... 19
Figura 4 - Abafamento do fogo ... 19
Figura 5 - Hidrante de parede e abrigo de mangueiras ... 23
Figura 6 - Modelo de hidrante de recalque ... 24
Figura 7 - Caminhamento real ... 25
Figura 8 - Corte esquemático de válvula de retenção ... 26
Figura 9 - Vista em corte de registro de gaveta com bolsa ... 26
Figura 10 - Reservatório composto por RTI e volume de consumo ... 32
Figura 11 - Bomba centrífuga com motor elétrico ... 33
Figura 12 - Esquema de uma estação elevatória típica ... 36
Figura 13 - Altura de sucção e altura de recalque ... 37
Figura 14 - Representação de um gráfico de pré-seleção de bombas ... 41
Figura 15 - Curvas características de bombas centrífugas ... 42
Figura 16 - Diagrama de trabalho ... 44
Figura 17 - Estrutura do método de dimensionamento ... 45
Figura 18 - Referência dos trechos ... 46
Figura 19 - Planilha Eletrônica: Entrada de Dados ... 53
Figura 20 - Tabela de comprimentos equivalentes ... 54
Figura 21 - Entrada de dados referentes ao sistema moto-bomba ... 55
Figura 22 - Modelagem do primeiro caso por gravidade ... 58
Figura 23 - Simulação do primeiro caso por gravidade ... 59
Figura 24 - Modelagem do primeiro caso com bomba ... 60
Figura 25 - Simulação do primeiro caso com bomba ... 61
Figura 26 - Modelagem do segundo caso por gravidade ... 62
Figura 27 - Simulação do segundo caso por gravidade ... 63
Figura 28 - Modelagem do segundo caso com bomba ... 64
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Classificação da edificação ... 21
Tabela 2 – Aplicabilidade dos tipos de sistemas ... 22
Tabela 3 - Características dos tipos de sistemas ... 22
Tabela 4 - Fator "C" de Hazen-Williams ... 28
Tabela 5 - Comprimento equivalente para tubo rugoso de aço galvanizado ... 29
Tabela 6 - Volume mínimo da RTI ... 33
Tabela 7 - Acréscimos de potência recomendados aos motores elétricos ... 37
Tabela 8 - Pressão atmosférica em função da altitude ... 39
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 11 1.1 OBJETIVO ... 12 1.1.1 Objetivos Gerais ... 12 1.1.2 Objetivos Específicos ... 12 1.2 JUSTIFICATIVA ... 13
2. PREVENÇÃO CONTRA INCÊNDIO ... 15
2.1 VARIÁVEIS ENVOLVIDAS NA PREVENÇÃO DE INCÊNDIO ... 15
2.2 IMPORTÂNCIA DA PREVENÇÃO DE INCÊNDIO ... 16
2.3 COMBATE AO INCÊNDIO ... 16
2.3.1 Classificação Dos Incêndios ... 18
2.3.2 Uso Da Água No Combate Ao Incêndio ... 18
2.4 SISTEMA HIDRÁULICO PREVENTIVO (SHP) ... 20
2.4.1 Hidrantes ... 20
2.4.2 Tubulações ... 24
2.4.2.1 Caminhamento ... 24
2.4.2.2 Características Da Tubulação ... 25
2.4.2.3 Dimensionamento Da Tubulação ... 27
2.4.2.3.1 Perda De Carga Contínua ... 28
2.4.2.3.2 Perda De Carga Localizada ... 29
2.4.2.3.3 Perda De Carga Localizada No Esguicho ... 30
2.4.3 Reservatórios ... 31
2.4.3.1 Dimensionamento Dos Reservatórios ... 32
2.4.4 Bombas ... 33
2.4.4.1 Bombas Centrífugas ... 33
2.4.4.2 Formas De Instalação Das Bombas ... 34
2.4.4.3 Acessórios Para Instalações De Recalque ... 34
2.4.4.4 Dimensionamento Das Bombas ... 36
2.4.4.5 Cavitação ... 38
2.4.4.6 Escolha Do Conjunto Moto-Bomba ... 40
3. MÉTODO ... 43 4. MÉTODO DE DIMENSIONAMENTO ... 45 4.1 ROTEIRO DE CÁLCULO ... 46 4.2 PLANILHA ELETRÔNICA ... 52 5. RESULTADOS OBTIDOS ... 56 5.1 APLICAÇÃO DO MÉTODO ... 56 5.1.1 Primeiro Caso ... 56 5.1.2 Segundo Caso ... 57
5.2 MODELAGEM DOS CASOS NO SOFTWARE EPANET ... 57
5.2.1 Primeiro Caso ... 58
5.2.2 Segundo Caso ... 61
5.3 COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS ... 65
5.4 ANÁLISE E DISCUÇÃO SOBRE OS MÉTODOS DE ADUÇÃO ... 66
6. CONCLUSÃO ... 67
7. RELAÇÃO DO REFERENCIAL ... 69
APÊNDICE A – PRIMEIRO CASO: PLANTAS BAIXAS. ... 72
APÊNDICE B – PRIMEIRO CASO: MEMÓRIA DE CÁLCULO 1 ... 73
APÊNDICE D – PRIMEIRO CASO: ESQUEMA VERTICAL. ... 77
APÊNDICE E – SEGUNDO CASO: PLANTAS BAIXAS ... 78
APÊNDICE F – SEGUNDO CASO: MEMÓRIA DE CÁLCULO 1 ... 79
APÊNDICE G – SEGUNDO CASO: MEMÓRIA DE CÁLCULO 2 ... 81
1. INTRODUÇÃO
Para formular o projeto de prevenção contra incêndio de uma edificação, deve-se atentar para as várias formas de combate indicadas. Em alguns casos, o corpo de bombeiros do estado do Paraná requer a instalação de um sistema hidráulico preventivo (SHP), que pode ser dimensionado de várias maneiras diferentes, adequando-se à demanda do local. Na pesquisa que segue, dar-se-á enfoque ao SHP composto por reserva técnica de incêndio (RTI), uso opcional de conjunto moto-bomba, sistema de hidrantes instalados no interior do edifício e hidrante de recalque.
Ao idealizar um SHP, alguns detalhes devem ser observados, como a disponibilidade de pressão nos esguichos, o tempo de funcionamento do sistema alimentado pela RTI, a disposição dos hidrantes no ambiente, dentre outros fatores. Toda edificação é classificada, de acordo com dados colhidos Código de Segurança Contra Incêndio e Pânico (CSCIP). Dependendo do uso a que o edifício se destina, seu risco é determinado para que se obtenha os dados primários como vazão no esguicho e outras disposições. Um estudo detalhado é necessário para montar o sistema, já que todas as peças utilizadas, bem como as distâncias apresentadas em projeto, são cruciais para determinação das perdas de carga, que são os fatores mais importantes na análise de pressões.
Nos estudos decorrentes deste trabalho, será analisado o caso de um edifício comercial e residencial, onde a elevação da caixa d’água em relação ao nível dos hidrantes é grande, e o caso de uma escola, onde os hidrantes ficam todos no mesmo nível, e muitas vezes, opta-se pela construção de castelos de água para elevar a cota do reservatório.
O método de cálculo é desenvolvido com base nas normas vigentes que regem as instalações hidráulicas preventivas no estado do Paraná. Seguindo a bibliografia de base, é desenvolvido o cálculo que possibilita determinar o volume de reservatório e a altura necessária, ou as especificações do conjunto moto-bomba a ser utilizado. A implementação de planilhas em Excel, possibilita a aplicação dos modelos de cálculo aos estudos de caso apresentados e utilizando o software Epanet, gera-se um modelo dessas instalações tornando possível uma análise mais detalhada do processo. Pode-se desta forma estabelecer um comparativo entre o método dePode-senvolvido e o software em questão, obtendo assim subsídios para uma análise mais embasada.
Optar pela utilização de conjunto moto-bomba é uma questão importante, pois dependendo do caso a ser analisado, a demanda por pressão pode resultar em alturas muito elevadas, inviabilizando a instalação do sistema. Porém, há casos em que o nível do barrilete de caixa d’água gera uma pressão estática suficientemente elevada para suplantar as perdas de carga no decorrer da tubulação. Assim sendo, o presente trabalho se propõem a analisar a melhor solução de SHP para cada caso apresentado e disponibilizar um método de dimensionamento coerente com as normas que regem tal exercício.
1.1 OBJETIVO
1.1.1 Objetivos Gerais
Este projeto de pesquisa tem por objetivo propor um método de dimensionamento de sistema hidráulico preventivo, condizente com as instruções normativas vigentes no estado do Paraná.
1.1.2 Objetivos Específicos
Desenvolver um método de dimensionamento da instalação, com base nas normas e bibliografias supracitadas, apresentando os conceitos e formas de desenvolvimento no decorrer da pesquisa.
Apresentar os casos em que, com a ajuda de planilhas eletrônicas, será aplicado o método desenvolvido, demonstrando suas peculiaridades e explicitando suas relevâncias para a análise do dimensionamento.
Aplicar o software Epanet nos mesmos casos e realizar a análise comparativa entre os resultados.
Comparar os métodos de adução por gravidade e por bombas, analisando qualitativa e quantitativamente, os resultados obtidos para as situações propostas.
1.2 JUSTIFICATIVA
A preocupação com a segurança e com o bem-estar em ambientes de uso coletivo está em um crescente sem precedentes na história do país. O cenário recente tem alertado para o despreparo das edificações quanto a segurança de seus usuários. Muitos centros recreativos, escolas, prédios, comércios e etc, têm buscado se adaptar às normas vigentes, as quais vem evoluindo ano após ano, mudando a cena, no que diz respeito à segurança de edificações.
Segundo Eco (1983) um trabalho científico deve ser útil aos demais, acrescentando ao conhecimento prévio ou analisando o tema por outro viés. A prevenção contra incêndio se tornou crucial para aprovação de projetos, e a procura por profissionais capacitados para realizar este trabalho tem aumentado significativamente. Porém, até alguns anos atrás, este problema não era corriqueiro na vida profissional do engenheiro civil, tornando assim, a adaptação, um pouco complicada. O desenvolvimento de um método de dimensionamento que venha a simplificar este processo deve ser, por tanto, de grande importância, contribuindo para formação de conhecimento em nosso meio.
O subsídio de normas técnicas, bibliografias e trabalhos científicos, bem como o auxílio de ferramentas computacionais tornam viável a realização deste estudo, uma vez que uma planilha eletrônica e um software de análise podem realizar diversos tipos de hipóteses, e estas, por sua vez, passando pelas mãos do pesquisador, convertem-se em dados que são explicitados e transformados em conhecimento.
Dentre alguns critérios de cientificidade que devem ser apresentados, a originalidade do trabalho, como cita Valentim (2005), é imprescindível. O olhar comparativo entre os métodos de adução, assim como a análise de resultados obtidos através de software e do método de dimensionamento desenvolvido pelo próprio projeto, são algumas das especificidades deste, que procura apresentar resultados não disponíveis até então.
É na fase de projeto de uma edificação que se deve cada vez mais pensar na segurança e proteção da vida humana. Negligenciar esse aspecto no planejamento é inaceitável, já que o incêndio deve ser apagado no projeto, é o que diz Neto (1995). Essa afirmativa supre toda a justificativa que o tema demanda quanto a sua relevância. Neto (1995) ainda diz que não é o número de incêndios extintos que mede a
importância do planejamento nesta área, mas sim, a quantidade de sinistros evitados. Evitar danos sociais e materiais é imprescindível quando se fala de projeto, e o dimensionamento adequado do sistema preventivo pode evitar muitos danos incalculáveis.
A constante modernização dos sistemas de projeto torna imperativo que o profissional se atualize com as tendências do mercado. O engenheiro civil deve solucionar problemas, e dimensionar o sistema de prevenção se tornou tarefa fundamental. Porém é uma tarefa que exige trabalho árduo, já que o dimensionamento leva em consideração um número elevado de variáveis, desde econômicas, até técnicas e sociais. Isso requer uma análise qualitativa e quantitativa das opções disponíveis, buscando um resultado preciso e adequado a cada caso.
Chegar a um resultado satisfatório, provindo de um dimensionamento de SHP, demanda muito esforço e muito trabalho, e os subsídios, embora abundantes, não usam uma abordagem prática e direta. Uma planilha de dimensionamento, como a que será construída, pode economizar dias de trabalho. Os exemplos a serem apresentados abrangem situações diversas, que podem se tornar base para solução de problemas análogos que possam surgir na vida de qualquer profissional. Servir de suporte para outros trabalhos qualifica uma produção científica (ECO, 1983), e justifica sua existência como geradora de conhecimento.
2. PREVENÇÃO CONTRA INCÊNDIO
O conceito de prevenção e cuidados contra sinistros ligados ao incêndio não recebe toda a atenção que deveria no Brasil, a falta de equipes de brigadistas em empresas e condomínios, como aponta D’Ávila (1992), é ponto chave desse descaso. Segundo o autor, os usuários da edificação deveriam estar atentos a apenas dois procedimentos de segurança: não entrar em pânico e aguardar instrução dos brigadistas. Estes por sua vez deveriam ter conhecimentos sobre extintores, procedimentos de evacuação, controle de pânico e afins, que são elementos fundamentais em uma situação de sinistro.
2.1 VARIÁVEIS ENVOLVIDAS NA PREVENÇÃO DE INCÊNDIO
Coelho e Nobre (2009) indicam que as diversas alterações e inovações nas instalações prediais geram novos riscos de incêndio, e por consequência, reduzem a segurança dos usuários e vulnerabilizam os bens materiais dispostos no local. Por tanto, qualquer propagação violenta de fogo, que gera danos materiais ou perdas de vidas humanas é considerada como incêndio, e este pode se tornar uma catástrofe de proporções gigantescas caso não seja controlado. Acúmulos de materiais combustíveis, falta de manutenção dos agentes combatentes, instalações elétricas sobrecarregadas e mudanças nas práticas diárias da edificação, são fatores que tornam difícil manter um controle sobre o risco de sinistro, porém é imprescindível, segundo os autores, que este conhecimento esteja disponível ao gerenciar as atividades no local do ponto de vista da segurança, devendo por tanto, conhecer a magnitude, a probabilidade de ocorrência e os métodos de combate de tais problemas. Segundo Neto (1995) a arquitetura das edificações é, ainda hoje, criada sem levar em conta os conhecimentos relacionados a este tema, bem como os projetos de instalações e de estrutura. Porém, o projetista responsável pelo desenho da obra deve estar atento desde o início a estes problemas.
2.2 IMPORTÂNCIA DA PREVENÇÃO DE INCÊNDIO
Embora não seja levada tão a sério, a prevenção contra incêndio é fundamental, pois quando da ocorrência destes sinistros, vários danos são gerados na edificação. Sejam eles estruturais, estéticos ou até mesmo de instalação, são avarias severas e que não devem ser negligenciadas pelos responsáveis do projeto. Silva (2013) ressalta que, no século XIX, quando os edifícios de vários pavimentos começaram a ser construídos em estrutura metálica, o concreto era utilizado apenas como revestimento para o aço, sem função estrutural, onde em lajes, junto com blocos cerâmicos, era utilizado para proteger a estrutura contra o fogo, como mostra a Figura 1.
Figura 1 - Laje com estrutura metálica Fonte: SILVA (2012).
Quando o concreto começou a ser utilizado como material resistente a tensões juntamente com o aço, estudiosos da área afirmavam que a resistência do concreto era pouco afetada pelas altas temperaturas. Hoje, sabe-se que a resistência mecânica, tanto do concreto como de madeira, aço e outros materiais, é severamente afetada em situações de incêndio. Isso faz com que seja ainda mais importante o cuidado com estas situações.
2.3 COMBATE AO INCÊNDIO
Para combater o fogo, é necessário conhece-lo. Existem fatores fundamentais para existência do fogo, sem os quais não é possível haver combustão, para tanto são necessários 3 ingredientes, que juntos formam o chamado triângulo do fogo, são eles: combustível (material que entra em combustão, fornecendo energia para o sistema), comburente (gás reagente da combustão: oxigênio) e calor (CAMILLO JR, 2010), apresentados na Figura 2.
Figura 2 - Triângulo do fogo Fonte: VIANNA (2012).
Para extinguir o fogo, deve-se por tanto, retirar um dos componentes deste triângulo. Assim, pode-se realizar a extinção de três maneiras: removendo o combustível, reduzindo o calor, ou abafando o oxigênio. Vianna (2012) propõem que para remoção do combustível não é necessário nada mais do que força física, remover os materiais que estão sendo queimados pode extinguir o fogo, quando este não tiver mais combustível para queimar. Na remoção do comburente, em pequenos incêndios, é possível utilizar um material que abafe o fogo, como cobertores, panos, tampas e etc.. Porém, quando as proporções do incêndio são maiores é necessário uso de extintores, como o pó químico ou PQS, extintor a base de espuma, ou de água na forma de neblina, reduzindo assim, a concentração de oxigênio nas imediações do fogo. Já para o método mais utilizado, que é a remoção do calor, utiliza-se extintores de espuma, CO2, ou a
base de água, que agem fazendo trocas de calor com o sistema, reduzindo assim a temperatura e fazendo com que não haja calor suficiente para continuar a reação.
Godoy (2005) indica que o método de extinção mais difundido é o por extintores de incêndio. Porém estes só são recomendados para incêndios com até 1 m³ de volume. Sendo assim, quando das situações de maiores proporções, fica sendo necessário o uso de um método mais eficiente. Camillo Jr (2010) sugere como outra forma para controle e até uma possível extinção do fogo, o uso de sistema de hidrantes. Estes usam a água como agente extintor, atuando no triangulo do fogo, basicamente através do resfriamento.
2.3.1 Classificação Dos Incêndios
Vianna (2012) divide os tipos de incêndio quanto ao combustível, em 4 classes, sendo elas: classe “A”, classe “B”, classe “C” e classe “D”.
Os Incêndios classe “A” são aqueles em combustíveis sólidos comuns, como madeira, papel, tecidos e etc. O método de combate mais recomendado a esta classe de incêndio é o resfriamento.
Os incêndios que fazem parte da classe “B” são aqueles que se dão em combustíveis líquidos ou gasosos, tais como tintas, gasolina, óleos, querosene, materiais pulverulentos e etc. Devem ser combatidos através do princípio do abafamento.
A classe “C”, é composta por incêndios em materiais elétricos, dentre os quais estão as instalações, motores elétricos e etc. Devem ser combatidos por agentes extintores não condutores de eletricidade.
Menos comuns, são os sinistros classificados na classe “D”, sendo eles incêndios ocorridos em metais pirofóricos, ou seja, metais que entram em combustão quando em contato com a água, ou mesmo, com a umidade do ar, como por exemplo, magnésio, titânio e lítio. Para combater este tipo de incêndio, são necessários agentes baseados em compostos químicos, que isolam o ar atmosférico do foco de combustão.
2.3.2 Uso Da Água No Combate Ao Incêndio
A água é o meio mais utilizado para combater incêndios (GODOY, 2005). Ao deparar-se com fogo fora de controle, a primeira coisa que se pensa é em encontrar uma fonte de água para controlá-lo, antes que este se espalhe e gere um problema maior. Porém, até mesmo a água tem suas restrições quanto ao uso como agente extintor. Camilo JR (2010) salienta que, ao utilizar um sistema de combate ao incêndio a base de água, deve-se sempre atentar para o perigo que oferecem as instalações elétricas. Antes de utilizar sistemas assim, deve-se garantir que a chave de distribuição de energia esteja desligada. Não se deve utilizar água para combater incêndios em combustíveis como óleos, gasolina e afins, pois como são componentes menos densos que a água, estes combustíveis permanecem na superfície, e a adição de água pode
causar transbordamento dos líquidos, facilitando assim, a propagação das chamas. É o que afirma Figueiredo (1998), que diz que a alta tensão superficial da água também é um limitador para sua utilização para fins de combate a incêndio, pois dificulta a molhabilidade das superfícies sob ação do fogo, e também torna mais difícil que a mesma penetre nos materiais incendiados. Outro ponto levantado pela autora, diz respeito a baixa viscosidade da água, que faz com que esta escoe muito rápido, diminuindo seu efeito em superfícies verticais.
Quanto às vantagens do uso da água para os determinados fins, a principal, como aponta Figueiredo (1998), é a grande capacidade de retirar calor da reação, pois possui um calor de vaporização elevado (40,66 kJ.mol-1), retirando muita energia do sistema para entrar em ebulição, atuando como resfriador para desestruturar o triângulo do fogo, como ilustra a Figura 3 a seguir.
Figura 3 - Resfriamento do fogo Fonte: CAMILLO JR. (2010).
Quando se torna vapor, a água assume um estado de neblina, que atuando nas imediações, reduz a concentração de comburente disponível para a reação. Por tanto, apesar de atuar principalmente como agente resfriador, o vapor da água abafa o fogo, removendo oxigênio. A água existente na composição das espumas dos extintores, através da sua vaporização, potencializa o efeito abafador dos extintores que utilizam este método. A Figura 4, a seguir, ilustra o abafamento da reação, e a extinção do fogo por falta de comburente.
Figura 4 - Abafamento do fogo Fonte: CAMILLO JR. (2010).
Godoy (2005) cita a água como sendo o meio mais indicado para extinção de incêndios classe “A”, que são os mais corriqueiros.
2.4 SISTEMA HIDRÁULICO PREVENTIVO (SHP)
A NBR 13714/2000 prevê que qualquer edificação excedente a 750m² de área, ou 12m de altura deve conter sistema de hidrantes. A verificação quanto à exigência por parte do Corpo de Bombeiros da Polícia Militar do Paraná (CBPMPR) deve ser feita através do Código de Segurança Contra Incêndio e Pânico (CSCIP) do CBPMPR, fazendo o cálculo da carga de incêndio e seguindo as especificações do documento de acordo com a classificação da edificação.
Baptista (2010) relaciona as variáveis componentes do SHP como sendo: hidrantes, tubulações, reservatório e bombas.
2.4.1 Hidrantes
Baptista (2010) considera três tipos de sistemas de hidrantes, quanto ao local em que se reserva o volume de água necessário. São eles:
Reservatório suficientemente elevado, para que satisfaça as condições de pressão fazendo uso unicamente da ação gravitacional;
Reservatório elevado, porém, com auxílio de bomba para suprir as condições de pressão e vazão demandadas.
Reservatório no nível do terreno, sendo necessário o uso de bombas de acionamento automático para alimentar o sistema.
A Norma de Procedimento Técnico número 22 do Corpo de Bombeiros da Polícia Militar do Paraná relaciona a aplicabilidade dos tipos de sistemas em função da classificação das edificações, é o que veremos na Tabela 2 a seguir. A classificação da edificação deve ser feita de acordo com o CSCIP, através da Tabela 1.
Tabela 1 - Classificação da edificação
Grupo Ocupação Divisão Descrição
A Residencial A-1 A-2
A-3
Unifamiliar Multifamiliar Habitação coletiva B hospedagem Serviço de B-1 B-2 Hotel e assemelhado Hotel residencial
C Comercial C-1 C-2 C-3 <300 Mj/m² >300 Mj/m² Shopping center D Serviço profissional D-1 D-2 D-3 D-4 Condução de negócios Agência Bancária Serviço de reparação Laboratório E Cultural Física Educacional e
E-1 E-2 E-3 E-4 E-5 E-6 Escola em geral Escola especial Espaço para cultura física Centro de treinamento profissional
Pré-escola Portadores de deficiência
F Local de reunião de público
F-1 F-2 F-3 F-4 F-5 F-6 F-7 F-8 F-9 F-10 F-11
Há objeto de valor inestimável Local religioso e velório Centro esportivo e de exibição Estação e terminal de passageiro
Arte cênica e auditório Casas de shows Eventos temporários
Local para refeição Recreação pública Exposição de objetos ou animais
Clubes sociais e diversão G Serviços automotivos e assemelhados
G-1 G-2 G-3 G-4 G-5
Garagem sem acesso de público Garagem com acesso de público
Local de abastecimento Serviço de reparação
Hangares H Serviço de saúde e institucional
H-1 H-2 H-3 H-4 H-5 H-6 Veterinário e assemelhados Cuidados especiais Hospital e assemelhados Forças armadas e polícia Local de liberdade restrita Consultório médico e odontológico
I Industrial I-1 I-2
I-3 <300 Mj/m² Entre 300 e 1200 Mj/m² Acima de 1200 Mj/m² J Depósitos J-1 J-2 J-3 J-4 Incombustíveis <300 Mj/m² Entre 300 e 1200 Mj/m² Acima de 1200 Mj/m² L Explosivo L-1 L-2 L-3 Comércio Indústria Depósito M Especial M-1 M-2 M-3 Túnel Líquido ou gás inflamável Central de comunicação e energia
M Especial M-4 M-5 M-6 M-7 Propriedade em transformação Produtos agrícolas Terra selvagem Pátio de contêineres Fonte: Adaptado de CBPMPR (2015).
Tabela 2 – Aplicabilidade dos tipos de sistemas
Classe Tipo 1 / Tipo 2 Tipo 3 Tipo 4 Tipo 5
A A-2 e A-3 - - -
B - B-1 e B-3 - -
C C-1 C-2 (até 1000 Mj/m²) e C-3 C-2 (acima de 1000 Mj/m²) - D D-1, D-2, D-3 e D-4 (até 300 Mj/m²) (acima de 300 Mj/m²) D-1, D-2, D-3 e D-4 - -
E E-1, E-2 E-3, E-4, E-5 e E-6 - - -
F Mj/m²), F-2, F-3, F-F-1 (até 300 4 e F-8 F-1 (acima de 300Mj/m²), F-5, F-6, F-7, F-8, F-9, F-10 e F11 - - G G-1, G-2, G-3 e G-4 - - G-5 H H-1, H-2, H-3, H-5 e H-6 H-4 - -
I I-1 I-2 (até 800 Mj/m²) I-2 (acima de 800 Mj/m²) I-3 J J-1 e J-2 J-3 (até 800 Mj/m²) J-3 (acima de 800 Mj/m²) J-4
L - - L-1 L-2 e L-3
M M-3 - M-1 e M-5 -
Fonte: Adaptado de CBPMPR (2015).
Os tipos de sistema de hidrantes considerados pela NPT 022/2010 e suas características são apresentados na Tabela 3.
Tabela 3 - Características dos tipos de sistemas Tipo Regulável Esguicho
(DN) Man gueira (DN) Mangueira Comp. Interno Mangueira Comp. Externo N. de Expediçõ es Vazão Mínima (l/min) Pressão Mínima (m.c.a) 1 25 25 30 60 Simples 100 10 2 40 40 30 60 Simples 150 10 3 40 40 30 60 Simples 200 10 4 40 65 40 65 30 60 Simples 300 10 5 65 65 30 60 Duplo 600 10 Fonte: Adaptado de CBPMPR (2015).
Os valores de energia por área indicados na Tabela 2 fazem referência à carga de incêndio, que deve ser calculada de acordo com a NPT 014/2015 do CBPMPR.
Existem ainda, segundo Baptista (2010), dois tipos de hidrantes a serem considerados para as edificações, sendo eles:
Hidrantes internos, composto por várias conexões como demonstrado na Figura 5, com intuito de controlar a vazão de água nas mangueiras e esguichos.
Hidrantes de recalque ou de passeio (Figura 6), posicionados externamente à edificação, tendo a função de fazer a conexão com o carro tanque do corpo de bombeiros, que fará a adução de água até os hidrantes internos.
Figura 5 - Hidrante de parede e abrigo de mangueiras Fonte: CBM-SC (2014).
Figura 6 - Modelo de hidrante de recalque Fonte: CBM-SC (2014).
As características dos hidrantes internos variam com a Tabela 3, e as dos hidrantes de recalque, segundo a NBR 13714/2000 e o CSCIP, devem ter um prolongamento de diâmetro compatível com a tubulação instalada no interior da edificação, e devem ser dotados de engate compatível com o utilizado pelo Corpo de Bombeiros local.
2.4.2 Tubulações
Como fundamenta a NBR 13714/2000, dimensionar um sistema de hidrantes consiste em determinar o caminhamento, os diâmetros, os materiais e os acessórios da tubulação, necessários para funcionamento do sistema tal qual projetado.
2.4.2.1 Caminhamento
Quanto ao caminhamento, a NBR 13714/2000 salienta que devem ser atendidos todos os pontos da edificação, considerando o comprimento das mangueiras, porém, deve ser desprezado o jato de água. Deve ainda ser considerado o trajeto real
a ser percorrido, e não a distância em linha reta até o ponto, como mostra a Figura7 a seguir.
Figura 7 - Caminhamento real Fonte: Autoria Própria (2015). 2.4.2.2 Características Da Tubulação
Um dos pontos principais do dimensionamento da tubulação é a obtenção do diâmetro, que é uma das características preponderantes na determinação da perda de carga na tubulação, e deve por tanto, garantir a vazão necessária no ponto. Garcez(1976) recomenda que o menor diâmetro a ser utilizado para este tipo de instalação seja o de 63mm (2 ½”), este valor é o mesmo recomendado pela NBR 13714/2000, ou seja, diâmetro nominal (DN) 65.
No que diz respeito à velocidade do escoamento, Baptista (2000) cita que a velocidade máxima da água no interior das tubulações não deve ultrapassar 5 m/s, para garantir a integridade dos tubos e evitar danos à instalação. A NBR 13714/2000 exige ainda que o alcance do jato não deve ser inferior a 8m, enquanto a NPT 022/2015 exige que este valor seja no mínimo igual a 10m.
Quanto aos materiais, a NBR 13714/2000 salienta que estes devem resistir às pressões mecânicas e ao calor sem sofrer danos ao funcionamento. Esta ainda cita o uso de tubulações de aço, cobre e PVC, e conexões de aço, ferro, cobre e PVC. Já a Instrução Normativa 7 (IN-7) do Corpo de Bombeiros Militar de Santa Catarina (CBMSC), determina uso de canalizações formadas por tubos de ferro fundido ou
galvanizado, aço preto ou cobre, permitindo uso de tubulação de PVC, fibrocimento ou equivalente desde que enterradas a 1,2 metros de profundidade. Quando houver conexão entre estas tubulações e as metálicas, deve-se executar um nicho para inspeção de no mínimo 25 x 30 cm com tampa metálica pintada de vermelho, seguindo as especificações da Figura 6. As tubulações quando aparentes, devem ser pintadas de vermelho.
Quanto aos acessórios, Garcez (1976) recomenda o uso de válvula de retenção, apresentada na Figura 8, nos trechos em que o fluxo deve ser unidirecional. A NBR 13714/2000 recomenda o uso de registro de gaveta, ilustrado na Figura 9, e válvula de retenção na saída do reservatório, com fluxo livre no sentido reservatório-sistema.
Figura 8 - Corte esquemático de válvula de retenção Fonte: DEC, UFCG (2015).
Figura 9 - Vista em corte de registro de gaveta com bolsa Fonte: DEC, UFCG (2015).
2.4.2.3 Dimensionamento Da Tubulação
Para realizar o dimensionamento da tubulação do sistema de hidrantes, a NBR 13714/2000 aponta que deve ser considerado o uso simultâneo dos dois hidrantes mais desfavoráveis, em relação a sua posição.
Baptista (2010) cita que em edificações que são alimentadas por reservatórios elevados, localizados no topo da obra, os hidrantes mais desfavoráveis são os situados no ultimo pavimento. Assim, deve-se aplicar o teorema de Bernoulli, tomando como referência a superfície livre do reservatório ‘a’ e a ponta do esguicho ‘b’, na forma da expressão seguinte:
Ea = Eb + hf(a-b)
Onde:
Ea = Energia disponível no ponto a. Eb = Energia disponível no ponto b.
hf (a-b) = Perda de carga entre os pontos a e b.
Segundo Azevedo Netto (1998) o teorema de Bernoulli nada mais é do que o princípio da conservação da energia, onde a soma das cargas piezométrica (p/γ), cinética (v²/2g) e geométrica (z) se mantém constantes ao longo da linha de corrente do fluido, na forma expressa a seguir:
²
2 + + = 2 +² +
Sendo assim, ao adicionarmos a perda de carga entre os pontos (hf(a-b)) temos
a equação final que iremos aplicar:
²
2.4.2.3.1 Perda De Carga Contínua
Para determinação das perdas de carga na tubulação, Azevedo Netto (1998) recomenda a utilização da fórmula de Hazen-Williams, por sua grande aceitação e comprovação experimental. Como vamos utilizar tubulações com diâmetros a cima de 63mm, esta fórmula pode ser aplicada, pois seu limite de utilização vai de 50mm até 3500mm. A fórmula em questão é também recomendada pela NBR 13714/2000, a qual disponibiliza Tabela de coeficientes para vários tipos de materiais. A equação de Hazen-Williams para perda de carga fica da seguinte forma:
J = 10,643Q1,85.C-1,85.D-4,87
Onde:
J = Perda de carga por unitária (m/m). Q = Vazão (m³/s).
C = Coeficiente adimensional relacionado com a natureza das paredes da tubulação. D = Diâmetro da tubulação.
O coeficiente C da equação pode variar com o material que compõem a tubulação e com seu estado de conservação, sendo que, para tubulações mais lisas e em melhor estado, o coeficiente C é maior, gerando assim, uma menor perda de carga. Os coeficientes C recomendados pela NBR 13714/2000 estão elencados na Tabela 4 a seguir.
Tabela 4 - Fator "C" de Hazen-Williams
Tipo de tubo Fator “C”
Ferro fundido ou dúctil sem revestimento interno 100
Aço preto (sistema de tubo seco) 100
Aço preto (sistema de tubo molhado) 120
Galvanizado 120
Plástico 150
Ferro fundido ou dúctil com revestimento interno de cimento 140
Cobre 150
Para o cálculo da perda de carga contínua nas mangueiras, Baptista (2010) utiliza a fórmula de Hazen-Williams com coeficiente C = 100.
Para o caso do sistema tipo 01, com mangotinhos, a perda de carga contínua nestes é determinada de acordo com a EN 694/96, e para a vazão de 100 l/min é igual a 0,96 m.c.a./m.
2.4.2.3.2 Perda De Carga Localizada
Para determinação das perdas de carga nas conexões, pode-se utilizar o método dos comprimentos virtuais, o qual consiste na substituição das singularidades por comprimentos equivalentes de tubulação, que são somados aos comprimentos reais e multiplicados pela perda de carga unitária obtida anteriormente (BAPTISTA, 2010). A Tabela 5 a seguir, representa o comprimento equivalente para algumas peças mais utilizadas nas instalações.
Tabela 5 - Comprimento equivalente para tubo rugoso de aço galvanizado Diâmetro
nominal (DN)
Tipo de Conexão
Cotovelo 90̊ Cotovelo 45̊ Curva 90̊ Curva 45̊ passagem Tê de direta Tê de passagem lateral 15 0,5 0,2 0,3 0,2 0,1 0,7 20 0,7 0,3 0,5 0,3 0,1 1,0 25 0,9 0,4 0,7 0,4 0,2 1,4 32 1,2 0,5 0,8 0,5 0,2 1,7 40 1,4 0,6 1,0 0,6 0,2 2,1 50 1,9 0,9 1,4 0,8 0,3 2,7 65 2,4 1,1 1,7 1,0 0,4 3,4 80 2,8 1,3 2,0 1,2 0,5 4,1 100 3,8 1,7 2,7 - 0,7 5,5 125 4,7 2,2 - - 0,8 6,9 150 5,6 2,6 4,0 - 1,0 8,2 Fonte: Adaptado de NBR 5626/1998.
2.4.2.3.3 Perda De Carga Localizada No Esguicho
A NPT 022/2015 indica que se deve utilizar a perda de carga fornecida pelo fabricante do esguicho adotado. A forma sugerida por Baptista (2010) para cálculo da perda de carga localizada no esguicho é através da fórmula a seguir:
∆ℎ" = ( 1² − 1)2 ²
Onde:
∆h” = Perda de carga no esguicho, em m.c.a.
Cv = Coeficiente de velocidade no requinte (normalmente 0,95 a 0,98). u = Velocidade na saída do esguicho, em m/s.
Utilizando a equação para distância vertical entre a ponta do esguicho e o solo como sendo: ℎ = 2 ² Onde: h = Distância vertical em m. g = Aceleração da gravidade em m/s². t = Tempo de queda em s.
E a equação para distância horizontal do jato do esguicho como sendo:
= ×
Onde:
L = Distância horizontal em m.
u = Velocidade na ponta do esguicho. t = Tempo em s.
Isolando a variável tempo nas duas equações, e igualando os termos, para considerar que o jato toca o chão no mesmo momento que percorre a distância L,temos a velocidade como sendo:
= 2ℎ
Considerando assim, a distância vertical h entre o nível do piso e a ponta do esguicho segurada pelo brigadista como sendo de 1m, e atendendo a exigência da norma de comprimento L do jato mínimo de 10m, obtém-se a velocidade mínima na saída do esguicho u, como sendo 22,15 m/s.
Assim, considerando o coeficiente de velocidade Cv, como sendo 0,98 (caso mais crítico), obtém-se o valor da perda de carga no esguicho ∆h”, sendo 1,03 m.c.a.
2.4.3 Reservatórios
A reserva técnica de incêndio, RTI, pode ser feita separadamente do reservatório de uso da edificação ou pode ser feita em conjunto (BAPTISTA, 2010). Em ambos os casos o volume necessário para o combate ao incêndio deve ser garantido, segundo a NBR 13714/2000. Quando do uso de reservatórios conjuntos, deve-se realizar a tomada de água para uso corrente da edificação a uma altura pré-determinada, para que o volume retido abaixo deste nível seja suficiente, e fazer a tomada de água para abastecimento do sistema de hidrantes pelo fundo do reservatório, como mostra a Figura 10 a seguir.
Figura 10 - Reservatório composto por RTI e volume de consumo Fonte: CBM-SC (2014).
A NBR 13714/2000 ainda considera a opção por reservatórios elevados ou no nível do solo, semienterrados ou enterrados. Quando se opta por reservatórios elevados, estes devem ter altura suficiente para atender as demandas de pressão e vazão, ou caso isso não seja possível, deve-se utilizar um conjunto moto-bomba em sistema by pass, ou seja, com regulagem de pressão. Quando forem instalados ao nível, semienterrados ou enterrados, deve-se fazer uso de conjunto moto-bomba para enviar a água na pressão necessária até o sistema de hidrantes.
2.4.3.1 Dimensionamento Dos Reservatórios
A NPT 022/2015 do CBPMPR relaciona os valores mínimos de volume a ser retido na RTI, como mostra a Tabela 6 a seguir:
Tabela6 - Volume mínimo da RTI Tipo de sistema Área da edificação Até 2.500m² 2.500m² até 5.000m² 5.000m² a 10.000m² 10.000m² até 20.000m² 20000m² até 50000m² Acima de 50000m² 1 5 m³ 8 m³ 12 m³ 18 m³ 25 m³ 35 m³ 2 8 m³ 12 m³ 18 m³ 25 m³ 35 m³ 48 m³ 3 12 m³ 18 m³ 25 m³ 35 m³ 48 m³ 70 m³ 4 28 m³ 32 m³ 48 m³ 64 m³ 96 m³ 120 m³ 5 32 m³ 42 m³ 64 m³ 96 m³ 120 m³ 180 m³ Fonte: CBPMPR (2015) 2.4.4 Bombas
Classificadas como máquinas geratrizes, ou seja, máquinas que realizam o deslocamento do líquido, as bombas são máquinas que transformam o trabalho mecânico que recebem em energia, e esta é inserida ao líquido na forma de energia cinética e de pressão (MACINTYRE, 2014).
2.4.4.1 Bombas Centrífugas
As bombas podem ser divididas em bombas de deslocamento positivo, turbobombas ou bombas especiais. Azevedo Netto (1998) salienta que dentre os tipos de bombas existentes, nas instalações hidráulicas geralmente é utilizado o recalque por bombas centrífugas impulsionadas por motores elétricos, como mostra a Figura 11 a seguir.
Figura 11 - Bomba centrífuga com motor elétrico Fonte: IPIAC– Nery (2015).
Macintyre (2014) expõe que as bombas centrífugas são a forma mais simples de turbobombas, ou seja, bombas que possuem pás giratórias, formando um dispositivo chamado rotor, que tem a função de dar aceleração ao líquido através de sua rotação, inserindo assim energia cinética no mesmo. Estas bombas devem ser previamente enchidas com água para que possam bombear, ou seja, devem ser escorvadas. O movimento das pás através de sua força centrífuga, gera zonas de alta pressão na periferia do rotor, proporcionando um fluxo de água na direção da boca do recalque da bomba. Este processo faz com que a pressão na entrada do rotor fique reduzida, gerando assim, o movimento do líquido do reservatório na direção da bomba, chamado de sucção.
2.4.4.2 Formas De Instalação Das Bombas
Macintyre (2014) considera duas formas de realização da instalação de sistema de recalque por bombas para sistema de combate a incêndio, são elas:
Sob comando: quando o sistema de bombeamento entra em funcionamento quando da abertura de um registro ou hidrante.
Automático: quando o sistema se inicia automaticamente sem qualquer intervenção humana, dada a detecção de sinistro por sistema sensor de radiação térmica ou luminosa.
Segundo a NBR 13714/2000, o funcionamento do sistema de bombeamento deve ser acionado pela abertura de qualquer ponto de hidrante, por tanto, deve-se utilizar sistema sob comando.
2.4.4.3 Acessórios Para Instalações De Recalque
Para um bom funcionamento de uma estação elevatória, vários aspectos devem ser considerados. Existem peças indispensáveis para controlar o fluxo de água
na instalação do conjunto elevatório. Baptista (2010) elenca as diversas peças de um sistema de recalque típico, ilustrado pela Figura 12 e apresentado a seguir:
Válvula de pé com crivo: válvula de retenção posicionada na entrada da tubulação de sucção quando o eixo da bomba se encontra a cima do nível da água. Tem a função de impedir que a água volte para o reservatório quando o sistema é desativado, mantendo assim, a tubulação e a bomba cheias de água, ou seja, escorvados. O crivo acoplado a esta, serve para impedir que impurezas sejam succionadas juntamente com o liquido. Redução excêntrica: conexão com a função de ligar a tubulação de
sucção à entrada da bomba, pois a tubulação geralmente tem diâmetro maior que a bomba. Sua excentricidade serve para impedir o acumulo de bolhas de ar na entrada da conexão.
Motor de acionamento: tem a função de gerar a energia mecânica que será fornecida à bomba. Geralmente são motores elétricos ou de combustão interna, sendo ligados à bomba por luva elástica ou por eixo rígido.
Válvula de retenção: posicionada logo após a saída da tubulação de recalque, tem a função de impedir que a água retorne para a bomba quando esta para de funcionar, garantindo sentido de fluxo unidirecional na tubulação.
Registro de gaveta: válvula de controle de fluxo que deve ser instalada logo após a válvula de retenção. Pode ser fechado para manutenção da estação elevatória.
Figura 12 - Esquema de uma estação elevatória típica Fonte: BAPTISTA (2010).
2.4.4.4 Dimensionamento Das Bombas
Azevedo Netto (1998) fundamenta que as bombas devem vencer a diferença de nível a que o líquido será submetido, somada às perdas de carga entre os pontos de sucção e recalque. Assim, para determinar a potência do conjunto elevatório formado por bomba e motor, deve-se encontrar a altura manométrica a ser suplantada pela ação desta, e aplicar na seguinte equação:
= 75 Onde:
P = Potência do conjunto, em cv ou praticamente em HP. Q = Vazão, em m³/s.
Hm = Altura manométrica, em m. η = Rendimento global do conjunto. γ = Peso específico da água.
Na prática, deve-se admitir uma folga para o uso dos motores elétricos conforme a Tabela 7 a seguir.
Tabela 7 - Acréscimos de potência recomendados aos motores elétricos
Potência calculada Acréscimo recomendado
~2 HP 50%
2 a 5 HP 30%
5 a 10 HP 20%
10 a 20 HP 15%
Mais de 20 HP 10%
Fonte: Adaptado de Azevedo Netto (1998).
Para determinação da altura manométrica (Hm) necessária, deve-se levar em conta a seguinte expressão:
= + ∆ℎ
Onde:
Hg = Altura geométrica ou desnível a ser vencido, em m. ∆hf = Perda de carga total entre os pontos, em m.
Para a determinação destas alturas, Azevedo Netto (1998) recomenda a divisão dos trechos de sucção e de recalque, como mostra a Figura 13 a seguir.
Figura 13 - Altura de sucção e altura de recalque Fonte: MELLO e YANAGI JR. [s.d.].
Chega-se desta forma à equação que segue.
= +
Onde:
Hs = Altura de sucção, em m. Hr = Altura de recalque, em m.
Para determinação das perdas de carga, deve-se levar em consideração todos os pontos já citados em 2.4.2.3.
2.4.4.5 Cavitação
Em escoamentos em condutos forçados, ou seja, em meios onde a pressão é diferente da pressão atmosférica, algumas situações de projeto podem gerar problemas para a instalação. Um problema muito comum nas instalações com bombas é a cavitação. Quando a pressão no interior do conduto é reduzida à pressão de vapor da água, os gases dissolvidos nesta se desprendem formando bolhas, que podem obstruir o escoamento e causar danos à tubulação ou à bomba (BAPTISTA, 2010). A redução de pressão imprimida pela bomba para realizar a sucção pode ocasionar este fenômeno, principalmente quando o desnível entre o eixo da bomba e a superfície livre do reservatório é muito grande. Por isso a NBR 13714/2000 prefere o uso de bombas na situação de sucção positiva, ou na posição de bomba afogada, que é quando o nível do eixo da bomba encontra-se abaixo da superfície livre do reservatório. A norma ainda aceita alturas de sucção de até dois metros a cima do nível da água, ou, um terço da capacidade do reservatório.
Baptista (2010) propõe que para saber se ocorrerá cavitação em uma instalação, deve-se avaliar a energia de sucção disponível e a energia de sucção que a bomba escolhida requer, para que esta trabalhe sem cavitar. Esta energia recebe o nome de NPSH, da nomenclatura inglesa para Net Positive Suction Head. O NPSH disponível (NPSHd) na instalação pode ser calculado através da equação:
= − ( + + ∆ℎ )
Onde:
Patm = Pressão atmosférica. γ = Peso específico da água. Hs = Altura de sucção.
Pv = Pressão de vapor da água. ∆hs = Perda de carga na sucção.
De acordo com Mello e Yanagi Jr. [s.d.], os valores de pressão atmosférica variam de acordo com a altitude, e estão elencados na Tabela 8. A pressão de vapor da água assume diferentes valores com a variação da temperatura, e estes valores estão apresentados na Tabela 9.
Tabela 8 - Pressão atmosférica em função da altitude
Altitude Pressão Atmosférica (m.c.a)
0 10,33 300 9,96 600 9,59 900 9,22 1200 8,88 1500 8,54 1800 8,20 2100 7,89
Temperatura Pressão de Vapor (m.c.a) 15 0,17 20 0,25 25 0,33 30 0,44 40 0,76
Fonte: Adaptado de Mello e Yanagi Jr. [s.d.].
O NPSH requerido pela bomba para trabalhar sem cavitação é um dado obtido experimentalmente, e deve ser disponibilizado pelo fabricante em forma de curva, variando com a vazão a ser recalcada (BAPTISTA, 2010). Assim, deve-se comparar o resultado obtido do NPSH disponível com o requerido, fornecido pelo fabricante, para definir a ocorrência de cavitação. Os valores obtidos devem ainda obedecer à seguinte regra, como definição de margem de segurança:
− 0,6 ≥ e
1,2 ≥
Para assim, garantir o bom funcionamento da instalação.
A NPT 022/2015 salienta que para fazer a análise da cavitação deve-se considerar o valor de 1,5 vezes a vazão determinada pela Tabela 3 para o sistema em questão.
2.4.4.6 Escolha Do Conjunto Moto-Bomba
Para fazer uma escolha correta do conjunto, deve-se analisar as curvas características das bombas fornecidas pelo fabricante (BAPTISTA, 2010). De posse dos valores de vazão, altura manométrica e potência da bomba, pode-se fazer uma análise dos gráficos de escolha prévia para optar por uma “família” de bombas (MELLO
E YANAGI JR, s.d.). Na Figura 14, apresenta-se um gráfico de Hm em função de Q, através do qual se faz a escolha prévia.
Figura 14 - Representação de um gráfico de pré-seleção de bombas Fonte: MELLO e YANAGI JR. [s.d.]
Mello e Yanagi Jr. [s.d,] indicam que após a escolha prévia das “famílias”, deve-se analisar as curvas características das bombas pertencentes a tal, de forma a escolher o modelo que melhor atenda as condições demandadas. As curvas características necessárias para a escolha correta da bomba se dão através de três variáveis, todas em função da vazão, elencadas a seguir e apresentadas pela Figura 15:
Curva da altura manométrica: para determinada vazão, apresentam a altura manométrica fornecida pela bomba em questão.
Curva do rendimento: determina o rendimento da bomba para a vazão escolhida, devendo-se optar pela bomba que ofereça maior rendimento. Curva do NPSHr: entrando com o valor da vazão ja obtida, tem-se o valor
Figura 15 - Curvas características de bombas centrífugas Fonte: MELLO e YANAGI JR. [s.d.]
3. MÉTODO
Segundo Gil (2008), pode-se caracterizar a pesquisa quanto aos seus objetivos e quanto aos seus procedimentos técnicos.
Com relação aos seus objetivos, o presente trabalho alinha-se com o tipo de pesquisa exploratória, definida pelo autor como aquela que procura gerar familiaridade com assunto abordado, pois a aplicação dos conceitos de engenharia hidráulica ao dimensionamento de SHP é pouco usual no decorrer dos cursos de graduação do engenheiro civil.
Quanto aos procedimentos técnicos, aproxima-se do modelo de pesquisa bibliográfica, a qual é definida por Gil (2008) como aquela oriunda de material já elaborado, com base principalmente em livros e artigos científicos. Os conceitos de engenharia hidráulica utilizados como base para desenvolvimento do método de dimensionamento a que o presente trabalho se propõe, são conceitos amplamente difundidos nas mais diversas bibliografias, caracterizando assim a pesquisa, da forma a cima descrita.
Quanto à abordagem, ainda pode ser classificada como pesquisa de cunho quantitativo, que segundo Fonseca (2002) é aquela que produz resultados mensuráveis, e tem por característica a recorrência à linguagem matemática para correlacionar as variáveis envolvidas e assim descrever os fenômenos envolvidos.
A metodologia de desenvolvimento desta pesquisa segue uma sequência lógica de passos. Primeiramente, faz-se um levantamento das bibliografias relevantes, bem como as normas vigentes a serem respeitadas. A seguir, parte-se para o estudo do incêndio e as formas de combate, ressaltando o uso da água para tal. O próximo passo é determinar formas de se desenvolver o método de dimensionamento de todos os componentes da instalação incluindo o conjunto elevatório, com base nas normas vigentes. Parte-se então para a construção das planilhas eletrônicas por meio de Excell, criando-se uma rotina de cálculo mais facilmente aplicável. Apresenta-se em seguida os casos a serem estudados, analisando as dificuldades e especificidades dos mesmos, fazendo aplicação da planilha no cálculo destes. Em seguida, gera-se o modelo das instalações no software Epanet para fazer um comparativo, podendo assim, fazer uma análise mais acurada do método de cálculo desenvolvido. Com os
modelos e cálculo aplicados aos casos, faz-se a análise para determinar a opção ou não por conjunto moto-bomba.
A sequência descrita está disposta no diagrama da Figura 16 a seguir.
Figura 16 - Diagrama de trabalho Fonte: Autoria Própria (2015).
Levantamento
bibliográfico Prevenção de incêndio Combate ao incêndio Água no combate ao incêndio
Sistema Hidráulico Preventivo Variáveis envolvidas Desenvolvimento do método de dimensionamento Aplicação do método em casos, com auxílio de planilha eletrônica Modelagem dos mesmos casos no software Epanet Comparação dos resultados Análise e conclusão sobre os métodos de adução.
4. MÉTODO DE DIMENSIONAMENTO
O Desenvolvimento do método de dimensionamento se baseou nas informações elencadas acima e segue a estrutura apresentada na Figura 17.
Figura 17 - Estrutura do método de dimensionamento Fonte: Autoria Própria (2016).
Os passos elencados nesta estrutura estão apresentados no roteiro de cálculo a seguir. A referência para os pontos e trechos citados é a Figura 18 abaixo.
Passo 1 -Classificação da edificação e determinação do tipo de sistema Passo 2 - Obtenção das características do sistema Passo 3 - Entrada de dados para determinação das perdas de carga
Passo 4 - Adoção dos diâmetros e tomada de valores correspondentes às entradas Passo 5 -Determinação da perda de carga no trecho Reservatório -'A' Passo 6 -Determinação da perda de carga no trecho 'A' - hidrante Passo 7 -Determinação da perda de carga na mangueira Passo 8 -Determinação da altura mínima do reservatório em relação ao hidrante Passo 9 - Análise de dados e tomada de decisão Passo 10 -Determinação das variáveis de funcionamento da bomba Passo 11 -Determinação da potência do motor Passo 12 - Análise de cavitação Passo 13-Dimensionamento da Reserva Técnica de Incêndio
Figura 18 - Referência dos trechos Fonte: Autoria Própria (2016).
4.1 ROTEIRO DE CÁLCULO
Passo 1: Classificação da edificação e determinação do tipo de sistema.
- Encontrar a classe da edificação na Tabela 1;
- Encontrar o tipo de sistema a ser utilizado na Tabela 2;
Passo 2: Obtenção das características do sistema.
- Encontrar a vazão (Q) para o tipo do sistema na Tabela 3;
- Encontrar os diâmetros do esguicho e da mangueira na Tabela 3;
- Encontrar o comprimento da mangueira do hidrante mais desfavorável na Tabela 3;
Passo 3: Entrada de dados para determinação das perdas de carga.
i) Entrar com material escolhido para tubulação dentre os permitidos por norma, sendo eles Aço galvanizado (AG), Cobre (C), ou PVC.
ii) Entrar com valor do comprimento da mangueira do hidrante mais desfavorável.
iii) Entrar com valor do comprimento horizontal entre o ponto de saída do reservatório e o ponto ‘A’, na derivação para o hidrante mais desfavorável.
iv) Elencar as peças especiais compreendidas no trecho descrito acima.
v) Entrar com o comprimento de tubulação entre o ponto ‘A’ supracitado e o hidrante mais desfavorável.
vi) Elencar as peças especiais compreendidas no trecho descrito acima.
Passo 4: Adoção de diâmetro e tomada de valores correspondentes às entradas:
vii) Adotar um diâmetro para a tubulação primária (Reservatório – ‘A’), sendo 2 ½” o menor diâmetro permitido pela norma;
viii) Adotar um diâmetro para a tubulação secundária (‘A’ - Hidrante), sendo 2 ½” o menor diâmetro permitido pela norma;
a) Encontrar Valor de C na tabela 3, para o material escolhido em i);
b) Encontrar o valor total do comprimento equivalente para as peças indicadas em iv) e para o diâmetro adotado em vii), na tabela 4;
c) Encontrar o valor total do comprimento equivalente para as peças indicadas em vi) e para o diâmetro adotado em viii), na tabela 4;
Passo 5: Determinação da perda de carga no trecho Reservatório – ‘A’.
1 - Perda unitária no trecho (J1):
J1 = 10,643* Q1,85*C-1,85 *D-4,87
Sendo:
Q = 2*Vazão encontrada no Passo 2, em m³/s. C = Coefeciente encontrado em a).
D = Diâmetro adotado em vi), em mm.
2- Perda total no trecho (∆h1):
∆h1 = J1*(L+Le) Sendo:
L = Comprimento fornecido em iii), em m. Le = Comprimento equivalente obtido em b).
Passo 6: Determinação da perda de carga no trecho ‘A’- Hidrante.
1 - Perda unitária no trecho (J2):
J2 = 10,643* Q1,85*C-1,85 *D-4,87
Sendo:
Q = Vazão encontrada no Passo 2, em m³/s. C = Coefeciente encontrado em a).
D = Diâmetro adotado em vii), em mm.
2- Perda total no trecho (∆h2):
∆h2 = J2*(L+Le) Sendo:
L = Comprimento fornecido em v), em m. Le = Comprimento equivalente obtido em c).
Passo 7: Determinação da perda de carga na mangueira.
Se o sistema for tipo 01:
1 - Perda total no mangotinho (∆hm):
∆hm = Jm*(L) Sendo:
L = Comprimento da mangueira fornecido em ii), em m. Jm = 0,96 (Determinado em 2.4.2.3.1).
Caso contrário:
1 - Perda unitária na mangueira (Jm):
Jm = 10,643* Q1,85*C-1,85 *D-4,87
Sendo:
Q = Vazão encontrada no Passo 2, em m³/s. C = 100 (Determinado em 2.4.2.3.1).
D = Diâmetro da mangueira obtido no Passo 2, em mm.
2- Perda total na mangueira (∆hm):
∆hm = Jm*(L) Sendo:
L = Comprimento da mangueira fornecido em ii), em m.
Passo 8: Determinação da altura mínima do reservatório em relação ao hidrante (X).
1 – Somatório das perdas de carga (∆h)
∆h = ∆h1+∆h2+∆hm+∆he Sendo:
∆he = Perda de carga no esguicho, determinada de acordo com Baptista (2010) no item 2.4.2.3.3 do texto.
X = ∆h+ 10 + (∆h+10)*J1
Passo 9: Análise de dados e tomada de decisão.
Se a altura X determinada no Passo 8 for satisfatória, segue-se para o próximo passo.
Caso não seja satisfatória, deve-se optar entre voltar para o Passo 4 e tentar com outros diâmetros, fazer alterações em projeto ou partir para um sistema de bombeamento.
Decidindo-se pela adoção de um sistema de bombeamento, deve-se avançar para o Passo 10 a seguir. Caso contrário, deve-se avançar diretamente para o Passo 12.
Passo 10 – Determinação das variáveis de funcionamento da bomba.
ix) Entrar com o desnível geométrico entre o fundo do reservatório e o hidrante, sendo o valor positivo se o reservatório estiver localizado abaixo do hidrante e negativo caso contrário.
x) Elencar as peças especiais relativas à nova instalação, divididas em peças de sucção e peças de recalque.
xi) Entrar com o valor do comprimento de tubulação acrescentado à instalação.
d) Encontrar o valor total do comprimento equivalente para as peças indicadas em x) e para o diâmetro adotado em vii), na tabela 4;
1 – Determinação da nova perda de carga (∆h)
∆h = ∆h1 + ∆h2 + ∆hm + ∆he + (L + Les + Ler) * J1 Sendo:
L = Comprimento fornecido em xi).
Les = Comprimento equivalente de sucção encontrado em d). Ler = Comprimento equivalente de recalque encontrado em d).
2 – Determinação da altura manométrica (Hm) Hm = Hg+∆h Sendo:
Hg = Desnível geométrico fornecido em ix).
3 – Vazão de operação (Q)
Q = 2*Vazão obtida no Passo 2.
Passo 11 – Determinação da Potência do Motor
xii) Entrar com o valor do rendimento da bomba encontrado através dos valores obtidos no Passo 10 em catálogos.
xiii) Entrar com o valor do rendimento do motor encontrado através dos valores obtidos no Passo 10 em catálogos.
1 – Determinação do rendimento global do conjunto Moto-bomba (η) η = ηb x ηm
Sendo:
ηb= Rendimento da bomba fornecido em xii).
ηm = Rendimento do motor fornecido em xiii).
2 – Determinação da potência calculada do motor em cv (Pc)
=
(1 + )
Sendo:
γ = Peso específico da água.
a = Acréscimo de potência de acordo com a Tabela 7
Passo 12 – Análise de cavitação
xiv) Entrar com a posição da bomba, se acima do nível de água ou abaixo.
xv) Entrar com a temperatura e a altitude da instalação.
xvi) Entrar com a altura de sucção, sendo no máximo 2 metros. xvii) Entrar com o comprimento da tubulação de sucção.
e) Encontrar os valores de pressão de vapor (Pv) e pressão atmosférica (Patm) nas Tabelas 8 e 9.
1 – Cálculo da perda de carga na sucção (Δhs): Δhs = (Ls + Les)*J1 Sendo:
Ls = Comprimento de sucção fornecido em xvii).
2 – Cálculo do NPSHd:
= − ( + + ∆ℎ )
Sendo:
Hs = Altura de sucção fornecida em xvi).
Patm = Pressão atmosférica obtida na Tabela 8, com os dados obtidos em e). Pv = Pressão de vapor da água obtida na Tabela 9, com os dados obtidos em e).
Passo 13 – Dimensionamento da Reserva Técnica de Incêndio (RTI).
xviii) Entrar com a área total da edificação;
f) Encontrar valor mínimo do volume da RTI na Tabela 6 para a área dada em xiii) e para o tipo de sistema obtido no Passo 1;
Partindo do roteiro de cálculo descrito acima, implementou-se uma planilha eletrônica com auxílio do software Excel, com a finalidade de agilizar a aplicação do método.
A Figura 19 representa a tela inicial da planilha, onde se encontram os campos para entrada de dados.
Figura 19 - Planilha Eletrônica: Entrada de Dados Fonte: Autoria Própria (2016).
De forma intuitiva o usuário pode perceber que as colunas laterais, com fundo cinza, são colunas do sistema. Já as colunas centrais, com fundo branco, são as células de alimentação da planilha.
Na coluna de sistema da esquerda, temos as orientações para preenchimento dos dados. Para tal, algumas células requerem que o usuário consulte tabelas, conforme o roteiro disponibilizado no item 4.1. Quando ocorre esta necessidade, um hyperlink para a tabela em questão se encontra na coluna de sistema da direita.
Para preenchimento dos itens de comprimentos equivalentes, nas perdas de carga localizadas, o usuário deve trabalhar com a tabela de comprimentos equivalentes relativa ao trecho solicitado, através da coluna de sistema da direita. Clicando no link para a tabela desejada o usuário irá se deparar com uma tabela de comprimentos equivalentes baseada na Tabela 5 e representada pela Figura 20 abaixo.
Figura 20 - Tabela de comprimentos equivalentes Fonte: Autoria Própria (2016).
Nesta tabela, de forma análoga às restantes, deve-se preencher os campos com fundo branco. Na primeira coluna, coloca-se o número de peças com a designação correspondente, assim, a tabela fará o cálculo da perda equivalente, e irá disponibilizar os valores ao lado, sendo que a tabela de entrada de dados será automaticamente alimentada com o valor do comprimento equivalente total relativo ao diâmetro e ao material informados na aba anterior. Na última linha de alimentação, o usuário deve completar com dados de alguma peça que será utilizada e que não se encontra elencada acima.
A última célula de alimentação na entrada de dados diz respeito à pergunta sobre o método de adução. Para responder a este item, deve-se primeiro acessar o botão de resultado localizado abaixo da planilha, e está trará uma relação rápida dos resultados obtidos até então, para o método de adução selecionado. Neste ponto, deve ser feita a análise dos dados fornecidos e a tomada de decisão referente ao passo 9 do roteiro de cálculo. Caso seja decidido pela adoção da estação elevatória, deve-se responder sim à questão, o que causará uma expansão da planilha com os dados referentes aos passos seguintes do roteiro, como mostra a Figura 21 abaixo.
Figura 21 - Entrada de dados referentes ao sistema moto-bomba Fonte: Autoria Própria (2016).
O preenchimento dos dados se dá de forma análoga aos demais campos, sendo que para determinação dos campos de rendimento da bomba e do motor, deve-se também fazer a coleta de dados no botão resultado.
Finalizada a alimentação da tabela, o botão “Relatório” leva a uma memória de cálculo gerada automaticamente que pode ser impressa e apresentada ao corpo de bombeiros como memorial do dimensionamento do sistema.
