Análise da compartimentação horizontal em edificações residenciais multifamiliares
térreas empregando a fluidodinâmica computacional
Analysis of horizontal compartmentalization in single-storey multifamily residential
buildings using computational fluid dynamics
Karoline de Almeida Mançano1, Lucas Hilleshein dos Santos2, Roberta Tabaczenski de Sá3
Resumo: A crescente ocorrência de incêndios em edificações tem causado grandes prejuízos à sociedade, além de irreparáveis perdas humanas e, por isso, as medidas de proteção passiva, como a compartimentação, são consideradas importantes aliadas à Segurança Contra Incêndios (SCI). A aplicação da compartimentação horizontal dificulta a propagação do fogo em ambientes do mesmo pavimento, minimizando os efeitos do incêndio e possibilitando a fuga e resgate de vítimas. Para analisar a eficácia dessas medidas, têm-se softwares como o Fire Dynamics Simulator (FDS), que permite estudar o comportamento do incêndio em diferentes cenários e visualizá-lo graficamente, por meio do SmokeView (SMV). Neste trabalho, buscou-se analisar a eficiência da compartimentação horizontal quando aplicada em uma edificação residencial multifamiliar térrea composta por três apartamentos, com o auxílio do FDS, do SMV e das normas pertinentes ao assunto. Constatou-se que a elevada quantidade de materiais combustíveis, incluindo elementos estruturais e móveis, pode aumentar a vulnerabilidade das edificações residenciais, e que o emprego da proteção passiva dificultou o alastramento do incêndio, reduzindo seus danos. Nesse sentido, há diversos parâmetros que potencializam o incêndio, tornando fundamental a análise e implementação de medidas de proteção em edificações, a fim de garantir a segurança aos seus ocupantes. Palavras-chave: Segurança Contra Incêndios (SCI); Fire Dynamics Simulator (FDS); proteção passiva contra incêndio; compartimentação horizontal.
Abstract: The increasing occurrence of fires in buildings has caused great damage to society, as well as irreparable human losses and, therefore, passive protection methods, such as compartmentalization, are considered important allies with Fire Safety. The application of horizontal compartmentalization makes it difficult to spread the fire in environments of the same floor, minimizing the effects of fire and allowing the escape and rescue of victims. To prove the effectiveness of these methods, there are software such as FDS - Fire Dynamics Simulator, which allows to study the behavior of fire in different scenarios and visualize it graphically through SMV - SmokeView. In this work, the goal was to analyze the efficiency of horizontal compartmentalization applied in a single-storey multi-family residential building consisting of three apartments, with the support of the FDS, the SMV and relevant standards. It was found that the high amount of combustible materials, including structural elements and furniture, may increase the vulnerability of residential buildings, and the use of passive protection made the spread of fire difficult, reducing its damage. Therefore, there are several parameters that enhance the fire, making the analysis and implementation of protective methods in buildings essential to ensure the safety of its occupants.
Keywords: Fire Safety; Fire Dynamics Simulator (FDS); passive fire protection; horizontal compartmentation.
1 Introdução
Muitos avanços vêm sendo realizados na área da Segurança Contra Incêndio (SCI), principalmente após o acontecimento de inúmeras tragédias ao redor do mundo. No Brasil, conforme Gill et al. (2008), os grandes incêndios ocorridos nos edifícios Andraus e Joelma, em São Paulo–SP, na década de 1970, deixaram mais de 200 vítimas fatais e evidenciaram a urgente necessidade de aumentar a rigidez das legislações, e isso ficou ainda mais claro após a ocorrência da tragédia na Boate Kiss, em Santa Maria-RS, em 2013, que deixou 242 vítimas fatais, causando uma enorme comoção nacional.
A ocorrência de desastres como estes, tanto no Brasil quanto no cenário mundial, no entanto, acabou contribuindo com o desenvolvimento de estudos sobre métodos que minimizam os efeitos dos incêndios em edificações, de maneira a proteger propriedades e bens materiais de possíveis danos e, principalmente, salvaguardar seus ocupantes (GILL et al., 2008).
Atualmente, há recursos modernos de análise de incêndios, como a modelagem baseada na dinâmica de fluidos computacional, do inglês Computational Fluid Dynamics (CFD), aplicada por meio de softwares dentre os quais se inclui o Fire Dynamics Simulator (FDS), desenvolvido pelo National Institute of Standards and Technology (NIST). Esse tipo de modelagem é uma ferramenta eficiente que, segundo Ruschel (2011), permite analisar o comportamento de incêndios em diversos cenários, de forma mais rápida, segura e econômica, se comparada aos ensaios com modelos reais.
Os métodos de proteção contra incêndio em edificações constituem importantes alternativas para evitar ou dificultar a propagação do fogo e manter a estabilidade de uma estrutura em situação de incêndio, podendo agir de forma ativa ou passiva.
Segundo Cunha (2016), enquanto na proteção ativa ocorre o acionamento automático em situações de emergência, por sistemas de detecção e alarme de incêndios, extintores, entre outros, a proteção passiva é incorporada à edificação ainda em projeto, exercendo permanentemente sua função de impedir a propagação do incêndio e dispensando a demanda de energia. Entre as medidas de proteção passiva, destaca-se a compartimentação horizontal que impede a
1Graduanda em engenharia civil, UNEMAT, Sinop-MT, Brasil,
2Engenheiro civil, Professor, UNEMAT, Sinop-MT, Brasil,
3Mestre em engenharia civil, doutoranda em engenharia civil,
propagação de fogo, calor e gases entre ambientes no mesmo pavimento, constituindo-se de afastamentos entre aberturas, extensões e prolongamentos de paredes, e elementos construtivos ou de vedação (CBMSP IT n° 09, 2019).
Como benefício de tais procedimentos, Cunha (2016) afirma que a compartimentação horizontal pode evitar tragédias, pois restringe a movimentação de fumaça e gases, facilitando a fuga e resgate de vítimas e as operações de combate ao fogo.
Todas as diretrizes que tratam destes e de outros métodos de proteção contra incêndios são estabelecidas por normativas estaduais e nacionais, mas ainda verifica-se a existência de falhas e carências de rigor, tanto nos instrumentos de legislação quanto na própria fiscalização.
Por consequência, há um crescente aumento do número de construções incendiadas, como afirma Corrêa et al. (2015), cujo estudo constatou que, em Recife, de 2011 a 2013, cerca de 40% dos incêndios ocorridos se deu em edificações residenciais, destacando-se as estruturadas em alvenaria (61%), e teve ignição, em 34% dos casos, advinda da cozinha, o que deixa clara a imensa vulnerabilidade desse tipo de edificação.
No âmbito estadual, a cidade de Sinop–MT, por ser um polo regional de ensino superior, possui inúmeras edificações residenciais multifamiliares térreas compostas por quitinetes destinadas à locação para estudantes. Nesse modelo de edificação, o cumprimento de medidas de proteção passiva é visivelmente incomum, colaborando com a ocorrência de tragédias em Sinop e em cidades com aspectos construtivos similares. A exemplo disso, tem-se o caso de incêndio que deixou uma vítima fatal, ocorrido em uma vila de quitinetes, em Cáceres-MT, em 2018 (MÍDIANEWS, 2018).
Assim, a proposta deste trabalho é analisar a eficiência da compartimentação horizontal quando aplicada em uma edificação residencial multifamiliar térrea composta por três unidades de apartamentos habitados por estudantes, com base nos critérios estabelecidos pelas instruções normativas brasileiras, especialmente pela CBMSP IT n° 09 (2019). Tal análise será realizada a partir de simulações computacionais no FDS, por meio das quais será possível verificar o comportamento do incêndio nas situações em que há o emprego ou não do método de proteção passiva. 2 Revisão bibliográfica
2.1 Tragédias nacionais e incêndios em residências Os incêndios nos edifícios Andraus e Joelma, em São Paulo-SP, ocorridos no início da década de 1970, marcaram permanentemente a história da SCI no Brasil, revelando deficiências quanto às medidas de proteção, visto que as 205 mortes resultaram, segundo Rodrigues (2009), da ausência de elementos de segurança e de compartimentação em ambos os prédios, e da elevada carga de incêndio dos materiais que os compunham.
Quarenta anos mais tarde, em 2013, a combinação do uso de materiais inflamáveis e a série de deficiências no projeto da Boate Kiss, em Santa Maria-RS, resultou no incêndio que deixou 242 vítimas fatais.
Além disso, há ainda a negligência e o descaso por parte das autoridades competentes em relação à manutenção e preservação de prédios antigos e históricos, como o Edifício Wilton Paes de Almeida, em São Paulo–SP, e o Museu Nacional, no Rio de Janeiro– RJ, que serviram de palco para incêndios de grandes proporções, em 2018, matando sete pessoas no primeiro, e gerando mais perdas irreparáveis no segundo, que possuia cerca de 20 milhões de itens históricos (G1, 2018).
Apesar de notícias de grandes tragédias serem mais recorrentes, em virtude da comoção gerada, é fundamental dar atenção aos inúmeros casos de incêndios em residências que acontecem em todo o país.
Devido ao ao constante fluxo de estudantes, a cidade de Sinop–MT possui elevado número de edificações compostas por quitinetes, as quais são mais suscetíveis ao alastramento de incêndios, o que pode ser verificado pelos inúmeros casos ocorridos no município, como o incêndio que destruiu seis das sete quitinetes de uma edificação em Sinop-MT, em maio de 2019, sem deixar feridos (CENÁRIO MT, 2019). 2.3 Aspectos básicos da Segurança Contra Incêndio 2.3.1 Dinâmica e meios de propagação do fogo Segundo a CBMSP IT nº 03 (2019), o fogo “é uma reação química de oxidação (processo de combustão), caracterizada pela emissão de calor, luz e gases tóxicos”. Para que ele se mantenha, como explica Seito et al. (2008, p. 36), é necessária a coexistência do oxigênio (agente oxidante), do combustível, do calor e da reação em cadeia.
Os agentes oxidantes são as substâncias consumidas durante o processo de combustão. Já o combustível, de acordo com Oliveira (2005), é a substância que queima e alimenta a combustão, servindo de campo de propagação do fogo e podendo ser sólida, líquida ou gasosa. O mesmo autor ainda explica que o calor é o componente energético que eleva a temperatura e, ao longo do incêndio, é propagado até atingir o combustível que, por sua vez, decompõe-se em partículas e combina-se com o oxigênio, tornando a queima auto-sustentável, devido à reação em cadeia. No caso de um incêndio, essa propagação do fogo se dá por meio de três mecanismos básicos de transferência de calor: condução de calor, radiação ou irradiação de energia e convecção de calor. Isso significa que, respectivamente, o fogo pode ser conduzido por contato direto das partículas de um corpo, por ondas de energia calorífica através do espaço ou pelo movimento das moléculas no meio líquido ou gasoso (CBMSP IT nº 03, 2019).
Todos os meios de transferência de calor podem influenciar significativamente o comportamento de um incêndio, mas a convecção, de acordo com a CBMSP IT nº 07 (2019), é a principal forma de propagação de calor e gases na cobertura e fachada de edificações geminadas, sendo, portanto, fundamental a implementação de medidas de isolamento e compartimentação entre elas.
2.3.2 Fases do incêndio
Segundo Oliveira (2005), o desenvolvimento do fogo em um incêndio pode ocorrer por meio de cinco fases:
ignição, crescimento, deflagração, desenvolvimento completo e diminuição.
A ignição é, conforme Oliveira (2005), o período de início da combustão e se restringe ao material combustível atingido por um agente ígneo. O calor gerado na ignição se propaga e forma uma camada de gases aquecidos que sobem e se espalham pelo ambiente, aumentando a temperatura e fazendo com que a fase de crescimento continue evoluindo, enquanto houver combustível e oxigênio disponíveis. Se a oxigenação do ambiente incendiado é adequada, os gases aquecidos atingem todas as superfícies de combustão expostas e se aquecem até a temperatura de ignição súbita generalizada (flashover), deixando toda a área em chamas (OLIVEIRA, 2005).
Quando todo o material combustível disponível for tomado pelas chamas, a chamada Taxa de Liberação de Calor dessas superfícies vai atingir seu ponto máximo, produzindo altas temperaturas (pós-flashover) até que o incêndio se reduza a brasas e as temperaturas comecem a diminuir, devido à exaustão dos combustíveis, à falta de oxigênio ou à extinção do fogo por uma equipe de bombeiros (OLIVEIRA, 2005). Como pode ser notado, os materiais combustíveis presentes no ambiente podem contribuir ou dificultar o alcance dos estágios, uma vez que deles depende a quantidade de carga de incêndio e a Taxa de Liberação de Calor (do inglês HRR–Heat Release Rat) definida como a “quantidade de energia (calor) libertado por um produto combustível por unidade de tempo” (NP EN 1991-1-2, 2010). Esta norma estabelece que a quantidade de energia pode ser obtida para três fases bem definidas, começando pela fase de crescimento (área 1 da Figura 1), calculada pela Equação 1:
t
t
Q 2 610
(Equação 1) Em que: 𝑄 é a taxa de liberação de calor, em W;
t
é o tempo, em s;
𝑡
𝛼é o tempo necessário para atingir uma taxa de liberação de calor de 1 MW, dependendo do tipo de ocupação.Quando o incêndio se deflagra, a taxa máxima de liberação de calor é atingida, e a fase de crescimento fica, então, limitada por um patamar horizontal que corresponde a uma fase estacionária (área 2 da Figura 1) e a um valor Q obtido pela Equação 2:
fi f
A
RHR
Q
.
(Equação 2) Em que: 𝑅𝐻𝑅𝑓 a taxa máxima de liberação de calor produzida por 1 m² de fogo no caso de um incêndio controlado pelo combustível, em kW/m²;
A
fi a área máxima do incêndio. No caso de ambientes em que a carga de incêndio é uniformemente distribuída, esta corresponde à própria área do compartimento incendiado.A fase de diminuição (área 3 da Figura 1) do incêndio limita o patamar horizontal, tendo início quando 70% da carga de incêndio total foi consumida, e terminando quando o fogo consumir completamente essa carga. Como resultado, tem-se um gráfico (Figura 1) que relaciona a Taxa de Liberação de Calor com o tempo de duração do incêndio, e cuja área abaixo da curva formada para as fases 1,2 e 3, representa a quantidade total da carga de incêndio do ambiente:
Figura 1: Exemplo de curva de Taxa de liberação de calor. Fonte: Os autores, 2019.
2.3.3 Carga de incêndio
De acordo com a CBMSC IN 003 (2014), carga de incêndio é a soma das energias caloríficas liberadas, em um espaço, pela combustão de todos os materiais combustíveis, inclusive o revestimento das paredes, divisórias, pisos e teto. Os materiais combustíveis, portanto, são o objeto principal a ser considerado no processo de análise do comportamento de um incêndio, já que equivalem à carga de incêndio que, quanto maior, maiores são a duração e a temperatura máxima do sinistro.
O valor da carga de incêndio pode ser encontrado diretamente em normas como a CBMMT NTCB Nº 07 (2019) ou obtido seguindo o roteiro de cálculo estabelecido pela CBMSC IN 003 (2014) que, primeiramente, determina o cálculo da quantidade de calor por combustível, por meio da Equação 3:
p k
Q . (Equação 3) Em que:
Q
é a quantidade de calor potencial armazenado pelo objeto combustível, em kcal ou MJ;
k
é o poder calorífico do material combustível, em kcal/kg ou MJ/kg; p é a massa do combustível, em kg.
A carga de incêndio específica total do compartimento é calculada pela Equação 4:
S
Q
qe
(Equação 4) Em que: qe o valor da carga de incêndio específica, em kcal/m² ou MJ/m²; 0 500 1000 1500 2000 2500 0 10 20 30 40 50 H R R ( k W ) Tempo (minutos)
2
1
3
∑ 𝑄 o somatório da quantidade de calor dos objetos combustíveis presentes no compartimento ou edificação, em kcal ou MJ;
s
a área da edificação ou compartimento, em m².Essa carga pode, ainda, ser materializada em volume de madeira, estratégia que simplifica a modelagem computacional, pois, conforme Sá (2018), há uma dificuldade em se obter as propriedades térmicas e de combustão de todos os materiais combustíveis. A conversão da carga de incêndio em volume de madeira pode ser realizada pela Equação 5:
.
k
Q
V
(Equação 5) Em que: 𝑉 é o volume de madeira, em m³; 𝑄 é a quantidade de calor dos objetos combustíveis, em MJ;
k
é o poder calorífico da madeira, em MJ/kg; ρ é a densidade da madeira, em kg/m³. 2.3.4 Carga de incêndio em edificações residenciais multifamiliaresA NTCB CBMMT nº 07 (2019) estabelece uma carga de incêndio de 300 MJ/m², para o caso de edificações residenciais, valor que, geralmente, não equivale à realidade, especialmente ao se analisar edificações como quitinetes que possuem grande quantidade de material combustível em espaço reduzido.
Diversos estudos têm comprovado tal discrepância, como os experimentos de Corrêa et al. (2017), pelos quais o autor concluiu que a carga de incêndio do compartimento analisado foi muito maior que a prevista por norma e que a geometria dos objetos influencia fortemente no acúmulo de gases quentes e na condutividade térmica durante o incêndio.
A carga de incêndio também sofre influência do tipo de material que compõe cada móvel e objeto, sendo que, conforme o estudo de Corrêa et al. (2015), os móveis de madeira, tais como cadeiras, camas e guarda-roupas foram os mais atingidos nos incêndios residenciais ocorridos em Recife no ano de 2011. As edificações residenciais multifamiliares oferecem, portanto, eminentes riscos para seus ocupantes, já que possuem elevada concentração de carga de incêndio, predominantemente composta por móveis de madeira. Além disso, o fato de, como afirma Corrêa et al. (2017), a maioria dos incêndios ocorrer das zero às seis horas, período em que há maiores chances de morte por exposição à fumaça, reforça a importância da aplicação de métodos para proteger vidas e dificultar a propagação de fogo e fumaça de uma residência para a outra.
2.4 Medidas de proteção contra incêndio em edificações
Entre os sistemas de segurança contra incêndio, Gill et al. (2008) definem os de proteção como um conjunto de medidas que dificulta a propagação do fogo, mantendo a estabilidade da edificação. O sistema de proteção contra incêndio pode ser ativo ou passivo, conforme tenha ou não uma reação em situação de
incêndio. Enquanto na proteção ativa os elementos são acionados manual ou automaticamente em situações emergenciais, tais como extintores, alarmes e detectores de incêndio, na proteção passiva, segundo Cunha (2016), os elementos são incorporados à edificação desde a etapa de projeto, dificultando a propagação do incêndio, por meio de medidas como a compartimentação horizontal e vertical, isolamento de risco, proteção das rotas de fuga e controle de materiais de revestimento e acabamento.
2.4.1 Compartimentação horizontal
Entende-se por compartimentação o conjunto de medidas passivas constituído por elementos de construção que separam parte da edificação, de forma a evitar ou reduzir a propagação do incêndio de um ambiente para o outro, vertical ou horizontalmente. A compartimentação horizontal é o confinamento do incêndio em seu ambiente de origem para que não atinja espaços circunvizinhos em um mesmo pavimento (CUNHA, 2016). Tal separação se dá por meio da adoção de elementos construtivos ou de vedação corta-fogo na edificação e de requisitos mínimos de dimensionamento, ambos descritos pela CBMSP IT nº 09 (2019) que, entre outros critérios, estabelece que:
A edificação deve conter parede de compartimentação com propriedade corta-fogo, reforço e vinculação estruturais adequados, construída entre o piso e o teto e estendida, no mínimo, 1 m acima da cobertura, se esta possui telhas combustíveis distanciadas a menos de 2 m;
Aberturas opostas à parede de compartimentação, na mesma fachada, devem estar separadas por um trecho de parede com 2 m de extensão, ou deve haver um prolongamento da parede de compartimentação, com no mínimo 0,9 metro de extensão.
Salienta-se que, no caso de edificações geminadas, o telhado pode ser em comum desde que haja lajes com Tempo Requerido de Resistência ao Fogo (TRRF) de 120 minutos, conforme disposto na CBMSP IT nº 07 (2019). Nesse período, a estrutura se mantém íntegra e, por isso, o uso da laje evita a propagação por convecção dos gases aquecidos, funcionando como forma de isolamento ou compartimentação.
2.5 Legislação
No Brasil, as exigências contra incêndio são estabelecidas por meio de regulamentações estaduais, com grau que varia de acordo com a política de segurança do local. A maioria dos estados tem como referências as normativas estabelecidas por São Paulo, o primeiro estado a implementar as diretrizes acerca da SCI no país.
No Mato Grosso, atualmente, está em vigor a Lei de Segurança Contra Incêndio e Pânico de Mato Grosso (LSCIP) nº 10.402, de 2016, que fixa os critérios relacionados à Segurança Contra Incêndio e Pânico (SCIP) nas edificações, instalações e locais de risco (MATO GROSSO, 2016). O estado conta ainda com 46 Normas Técnicas do Corpo de Bombeiros (NTCBs), entre as quais destaca-se a NTCB nº 10 (2019) que trata da compartimentação horizontal e vertical em edificações.
2.6 Simulações computacionais
A modelagem computacional é um recurso moderno e de grande importância para a SCI, pois torna possível a previsão e análise dos efeitos do fogo, por meio de técnicas de campo como as baseadas na dinâmica computacional de fluidos, em inglês Computational Fluid Dynamics (CFD).
De acordo com a NP EN 1991-1-2 (2010), os modelos CFD realizam análises de sistemas que envolvem fenômenos como o fluxo de fluidos e transferência de calor, por meio de equações de escoamento de fluidos, as quais definem matematicamente as leis de conservação da física: a massa do fluido permanece constante, a taxa de variação do momento linear de uma partícula de fluido é igual à que resulta das forças nela atuantes, e a taxa de variação da energia equivale à soma da taxa de aumento do calor e do trabalho realizado sobre esta mesma partícula de fluido. Como ferramenta do CFD, o software Fire Dynamics Simulator (FDS) destaca-se por permitir ao usuário conhecer a formação, o deslocamento, a altura e temperatura da camada de fumaça, a evolução das chamas, a taxa de oxigênio consumida durante o incêndio, entre outros.
Conforme Cunha (2016), no FDS, o espaço ou domínio analisado é dividido em várias células, para as quais são calculadas as equações e obtida uma aproximação dos valores das variáveis termodinâmicas e aerodinâmicas consideradas.
O processo de simulação do FDS consiste basicamente na inserção de linhas de comando em um editor de texto, o qual deve conter informações como: título, dimensões do domínio, tamanho da malha utilizada, condições de contorno, tempo de simulação, propriedades dos materiais, geometria dos compartimentos, entre outros (SÁ, 2018).
Ao dar início ao processo, o operador é informado apenas sobre o tempo transcorrido de simulação, que pode durar horas ou dias e, ao final desta, obtém-se automaticamente dados tabulados, ficando a visualização gráfica à cargo do programa 3D Smokeview (SMV).
3 Metodologia 3.1 Layout
O modelo de análise criado, visualizado na Figura 2, é uma edificação residencial multifamiliar térrea composta por três unidades de quitinetes, com 5 m de altura, estrutura em concreto armado, vedação em tijolos cerâmicos, piso azulejado, forro e estrutura do telhado em madeira, e telhas cerâmicas:
O layout da edificação (Figura 3), é igual para os três apartamentos, cada um sendo residido por um jovem
estudante, e ambos contendo sala e cozinha conjugada, quarto, banheiro, área de serviço e varanda:
Figura 3: Layout da edificação. Fonte: Os autores, 2019.
3.2 Carga de incêndio
Primeiramente, foi realizado o levantamento de todos os móveis e objetos contidos na edificação e obtidos, por meio de pesquisa em sites de lojas, os seus respectivos materiais constituintes e pesos estimados. Para cada material combustível, foi relacionado um poder calorífico, a partir da CBMSC IN 003 (2014), e para a madeira foi considerado o poder calorífico de 17,5 MJ/kg, como sugere a NP EN 1991-1-2 (2010). Em seguida, foi calculada a quantidade de energia total da edificação, em MJ, e a densidade de carga de incêndio específica, em MJ/m².
O forro de madeira também foi calculado como carga de incêndio e, para tanto, foi obtido o seu peso, considerando a densidade de 400 kg/m³, espessura de 2 cm e área igual ao somatório das áreas úteis da edificação. Desse modo, a energia total da edificação foi obtida somando-se a energia de cada cômodo à energia de todo o forro, e multiplicando-as pelas três quitinetes.
Em seguida, a energia total foi transformada em volume de madeira (Equação 5) que, por sua vez, foi distribuído em caibros, de forma a concentrar corretamente a densidade de carga de incêndio em cada cômodo.
3.3 Modelos desenvolvidos no FDS 3.3.1 Domínio computacional e malha
Para o layout analisado, considerou-se um domínio com as dimensões dos eixos x, y e z iguais a 21,60 m, 11,10 m, e 7,80 m, respectivamente, e uma malha cúbica de 30 cm de aresta, totalizando 69.264 elementos. A escolha dessa malha é justificada pela redução do tempo de processamento, em comparação com malhas mais refinadas cujos resultados, segundo Sá et al. (2019), são similares.
A interação entre os ambientes internos e externos, que garante a alimentação do incêndio com oxigênio, foi feita extrapolando-se alguns metros da malha, o que também facilita a visualização do comportamento do incêndio diante das aberturas da edificação.
3.3.2 Condições iniciais do ambiente
Foi considerada apenas a condição de temperatura inicial do ambiente, de 25,55 °C, média da variação de 24,3°C a 26,8°C, conforme os dados de Pereira, Sanches e Leão (2014) para a cidade de Sinop. 3.3.3 Propriedades térmicas e de combustão dos materiais
Segundo McGrattan et al. (2017a), para que as temperaturas dos materiais sejam influenciadas pelo ambiente, deve-se criar superfícies associadas às propriedades identificadas para cada material. Neste caso, as propriedades dos materiais adotadas são a densidade de massa aparente (ρ), a emissividade (ε), a condutividade térmica (λ) e o calor específico, obtidas por meio da ABNT NBR 15220-2 (2003), e estão descritas na Tabela 1:
Tabela 1: Propriedades térmicas dos materiais empregados no modelo computacional Material ρ (kg/m³) ε λ (W/m.K) c (kJ/kg.K) Madeira 400 0,9* 0,12 1,34 Arg. de cimento 2000 0,9 1,15 1,0 Concreto 2300 0,9 1,75 0,9 Tijolo cerâmico 1400 0,9 0,9 0,92 Telha cerâmica 1400 0,9 0,9 0,92 Azulejo 2000 0,8 1,2 1,0
Nota: (*) adotado. Fonte: Os autores, 2019.
Para modelar os objetos combustíveis, foi atribuído à madeira um poder calorífico de 17500 kJ/kg, com base na NP EN 1991-1-2 (2010) e, de acordo com Figueroa & Moraes (2009), sua temperatura inicial de ignição de 210 °C. Também considerou-se o valor de 230 kW/m², para a taxa de liberação de calor por unidade de área (HRRPUA), que é a propriedade do material combustível capaz de determinar o quão rápida será sua queima.
Para definir o valor da HRRPUA, assim como sugerido por Sá et al. (2019), foram realizadas simulações teste, modelando-se apenas o dormitório como edificação e definindo-se o tempo de 60 minutos. O domínio e geometria do telhado foram ajustados ao cômodo, e todos os demais parâmetros foram mantidos iguais, variando-se apenas os valores da HRRPUA da madeira, em 50 Kw/m², 100 kW/m², 150 kW/m², 200 kW/m², 230 kW/m² e 240 kW/m².
Para estabelecer a HRRPUA mais adequada às condições da simulação, foi calculada a curva teórica de taxa de liberação de calor do cômodo (Equações 1 e 2), considerando a 𝑅𝐻𝑅𝑓 igual a 250 kW/m² e
t
igual a 300 s, conforme a NP EN 1991-1-2 (2010), a área útil do dormitório igual a 9 m² e a carga de incêndio do mesmo, no valor de 5162,2 MJ.3.3.4 Materiais e superfícies
Devido à dimensão da malha ser igual a 30 cm, foram estabelecidas as espessuras reais de alguns materiais, para que o FDS entendesse o verdadeiro consumo e condução de calor do objeto. Por isso, as paredes, o piso, o forro, a estrutura do telhado e a cobertura da edificação foram definidas criando-se composições de superfícies em camadas com os materiais e suas respectivas espessuras, pertencentes à cada obstrução, tais quais na Tabela 2:
Tabela 2: Superfícies das obstruções no modelo computacional Superfície Material (camadas) Espessura (m) Parede Argamassa Tijolo Argamassa 0,025 0,15 0,025 Piso Azulejo Concreto 0,005 0,05 Forro Madeira 0,02 Laje* Concreto 0,07
Estr. do telhado Madeira 0,10
Cobertura Telha 0,03
Mad Madeira 0,3
Nota: (*) Usado na Situação 2. Fonte: Os autores, 2019.
3.3.4 Geometria e aberturas
A geometria das paredes, piso, forro, estrutura do telhado, cobertura e caibros de madeira, foi feita modelando-se obstruções, com tamanho e distribuição ajustadas à malha de 30 cm. Quanto às aberturas, todas as janelas e portas internas foram consideradas abertas, e as portas externas consideradas fechadas. Já os caibros foram modelados com dimensões mínimas de 0,30 m x 0,30 m x 0,60 m, a partir do volume de madeira total calculado para cada material combustível e cômodo, buscando-se representar a disposição fiel dos móveis e objetos na edificação. 3.3.5 Gás combustível e ignição do incêndio
Conforme McGrattan et al. (2017a), para o combustível gasoso que atuará no incêndio, devem ser especificados parâmetros como o poder calorífico, fórmula química, rendimentos de monóxido de carbono e de fuligem, entre outros.
Neste caso, foi adotado o poder calorífico de 17500 kJ/kg para a madeira, como sugerido pela NP EN 1991-1-2 (2010) e definidos, conforme indicação de Weinschenk et al. (2014), a fórmula CH1,7O0,74N0,002, e rendimentos de CO e fuligem iguais 0,004 kg/kg e 0,015 kg/kg, respectivamente.
Quanto a fonte de ignição do incêndio, foi definida uma superfície quente e colocada embaixo do fogão da cozinha do apartamento 1. Também foi considerada a HRRPUA de 2400 kW/m², calculada de forma que a superfície queimadora liberasse, no máximo, 10% da energia total do compartimento.
3.3.6 Outputs
Para se obter as leituras de temperaturas durante o incêndio, foram inseridos termopares no centro de cada cômodo, posicionados em uma linha vertical distanciada 30 cm do piso e do forro. Também foram colocados três planos de medição de temperatura: no eixo z, a 30 cm de distância do forro; no eixo x, no centro da cozinha do apartamento 1; e no eixo y, no centro da edificação.
3.3.7 Situações propostas
Para desenvolver os modelos, foram estabelecidas as seguintes situações:
Situação 1: A edificação modelada não atende os critérios de compartimentação horizontal estabelecidos pela CBMSP IT 03 (2019);
Situação 2: A edificação modelada está de acordo com os critérios estabelecidos pela CBMSP IT 03 (2019).
Para atender à CBMSP IT 03 (2019), a edificação da Situação 2 foi modelada de forma similar à da Situação 1, mas, como representado na Figura 4, considerou-se:
laje com espessura de 7 cm;
parede de compartimentação separando os três apartamentos;
extensão de 90 cm da parede que divide os apartamentos 1 e 2.
Figura 4: Compartimentação horizontal na edificação para a Situação 2. Fonte: Os autores, 2019.
Em ambos os casos, definiu-se a cozinha do apartamento 1 como local de ignição do incêndio e o tempo de simulação (dado de entrada) de 120 minutos. 4 Resultados
4.1 Carga de incêndio
O primeiro resultado obtido foi a carga de incêndio total da edificação (Tabela 3), cujo valor ultrapassou os 300 MJ/m² estabelecidos pela NTCB nº 07 (2019):
Tabela 3: Carga de incêndio da edificação
Cômodo Energia total (MJ) Área útil (m²) Carga de incêndio (MJ/m²) Cozinha 9064,40 7,56 1198,99 Sala 2792,30 6,08 459,64 Dormitório 5162,20 9,00 573,58 Banheiro 974,40 3,51 277,71 Área de serviços 2538,45 4,42 574,63 Corredor 396,90 2,83 140,25 Varanda frente 340,20 2,43 140,00 Varanda fundos 375,90 2,68 140,26 Total/Apartamento 21644,75 38,51 562,05 Total 64934,25 115,53 562,05 Fonte: Os autores, 2019. 4.2 Volume de madeira
O volume de madeira total obtido para a edficação foi igual a 2,32 m³. A Tabela 4 mostra o exemplo de distribuição do volume calculado para a cozinha:
Tabela 4: Volume de madeira obtido para a cozinha
Objeto mobiliário Energia total (MJ) Volume de madeira (m³) Mesa com 4 cadeiras 1638,00 0,233 Armário 987,00 0,140 Armário da pia 651,00 0,093 Fogão 1720,00 0,245 Geladeira 3010,00 0,429 Total 8006,00 1,14 Fonte: Os autores, 2019.
4.3 Taxa de liberação de calor por unidade de área (HRRPUA)
A partir das quatro simulações teste, foi possível comparar as curvas resultantes com a curva teórica calculada com base na NP EN 1991-1-2 (2010). A Figura 5 mostra essa comparação:
Figura 5: Taxa de Liberação de Calor (HRR) no dormitório. Fonte: Os autores, 2019.
Observa-se que, na curva de referência (NP EN 1991-1-2, 2010), a fase de crescimento do incêndio é limitada aos 7,5 minutos, momento em que ocorre a liberação máxima de 2250 kW de energia, valor que se mantém até o início da fase de diminuição, aos 32 minutos. Até esse ponto, 70% da carga de incêndio já foi liberada, restando 30% de carga que vai sendo completamente consumida até os 43 minutos.
No caso da HRRPUA de 50 kW/m², notou-se que a queima ocorreu lentamente, alcançando apenas 250 kW, aos 31 minutos, e não consumiu os materiais combustíveis. Da mesma maneira, ao considerar 100 kW/m², a taxa máxima atingida foi de 428 kW, aos 2 minutos.
Testando a HRRPUA de 200 kW/m², a taxa de energia liberada alcançou 2000 kW, aos 20 minutos, mas ainda estava abaixo da curva de referência. A HRRPUA de 230 kW/m² gerou a curva mais próxima à calculada analiticamente, atingindo 2320 kW, em 13 minutos e, por isso, foi a utilizada, já que a curva da HRRPUA de 240 kW/m² superou 2400 kW, aos 11 minutos. 4.4 Modelos computacionais
Como resultado das simulações, realizadas no software FDS instalado em um notebook com processador Intel Graphics e 4GB de memória RAM, foram obtidos, por meio do SMV, os modelos a seguir:
Figura 6: Edificação modelada para a Situação 1. Fonte: Os autores, 2019. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 10 20 30 40 50 60 H R R ( k W ) Tempo (minutos) NP EM 1991-1-2 (2010) HRRPUA 50 HRRPUA 100 HRRPUA 200 HRRPUA 230 HRRPUA 240
Figura 7: Edificação modelada para a Situação 2. Fonte: Os autores, 2019.
4.5 Tempo de processamento
O tempo de processamento das simulações foi de aproximadamente 42 horas, tanto na Situação 1 quanto na Situação 2.
4.6 Propagação do incêndio
Analisando a dinâmica do incêndio da Situação 1, observou-se que, imediatamente após ocorrer a ignição, a camada de gases quentes, menos densa, se eleva em direção ao forro, por meio da convecção. As chamas logo se espalham pelo apartamento, principalmente pela cozinha e sala.
Logo aos 2 primeiros minutos, aproximadamente, ocorre o flashover, pois há presença constante de oxigênio devida às aberturas, facilitando a combustão. Nesse momento, o fogo atinge todos os materiais combustíveis e as chamas alcançam os demais cômodos, passando pelo corredor e chegando até o dormitório e banheiro. A partir de então, o fogo segue em direção às aberturas, e a maior parte do volume de chamas sai, concentrando-se externamente às janelas, ao forro e beiral.
Nota-se que grande quantidade das chamas sai diretamente pela janela do banheiro (cujo peitoril é maior e a área da seção de abertura é menor), devido à baixa pressão e alta velocidade exercidas pelos gases quentes próximos à superfície do forro, ultrapassando a altura do telhado que, por ser incombustível, não atua como meio de propagação para os outros apartamentos.
Após 30 minutos (Figura 8a), o incêndio já atingiu quase todo o forro, espalhando-se pelos três apartamentos e consumindo os móveis, portas e o beiral. A partir dos 60 minutos (Figura 8c), grande parte dos materiais combustíveis da edificação foi consumida. Aos 90 minutos (Figura 8e), restam apenas as portas, que continuam em chamas até os 120 minutos (Figura 8g).
A dinâmica do incêndio na Situação 2 é, de maneira geral, similar à da Situação 1: os gases quentes se propagam em direção à laje e, após o flashover, que ocorre aos 10 minutos, espalham-se por todo o apartamento. A concentração do fogo próxima às aberturas também se repete, mas, aos 30 minutos (Figura 8b), as chamas consomem apenas os móveis e portas, sem avanço da propagação para os outros apartamentos, devido à ausência do forro e beiral de madeira e à extensão da parede de compartimentação. Aos 60 minutos (Figura 8d), nota-se que menor volume de madeira foi atingido, em comparação à Situação 1, restando parte da carga de incêndio da sala. Após 90 minutos (Figura 8f), ainda sobra carga de incêndio no quarto, banheiro e área de serviços, sendo que, nesta última, os móveis não são consumidos até os 120 minutos (Figura 8h).
(a) Situação 1 aos 30 minutos (b) Situação 2 aos 30 minutos
(c) Situação 1 aos 60 minutos (d) Situação 2 aos 60 minutos
Continuação...
(e) Situação 1 aos 90 minutos (f) Situação 2 aos 90 minutos
(g) Situação 1 aos 120 minutos (h) Situação 2 aos 120 minutos
Figura 8: Visualização da propagação do incêndio obtida no SMV, para as duas situações. Fonte: Os autores, 2019.
4.7 Temperaturas
A Figura 9 mostra que, na Situação 1, o termopar posicionado no centro da cozinha do apartamento 1 (local de ignição), a 2,70 m do chão, registrou 727°C, aos 2 minutos (momento do flashover), e a máxima temperatura de 1009 °C, aos 92 minutos. Já na Situação 2, o mesmo termopar registrou a máxima temperatura de 645°C, aos 10 minutos:
Figura 9: Temperaturas registradas pelo termopar no cômodo de ignição do incêndio. Fonte: Os autores, 2019.
Quanto aos planos de medição de temperaturas em x, y e z, ambos mostraram que as maiores temperaturas, obteve-se a temperatura máxima de 1025°C, e, na
Situação 2, 695°C e 675°C, respectivamente. As imagens obtidas dos planos de medição de temperaturas, nos eixos x e y, estão disponíveis em Apêndice, ao final deste trabalho.
Pelo plano de medição em y, posicionado na linha central da edificação, obteve-se uma temperatura máxima de 1050°C para a Situação 1 e 525°C para a Situação 2. A Figura 10 mostra que, à medida que o fogo avança, na Situação 1 ocorre uma grande variação da temperatura por toda a edificação, enquanto na Situação 2, o calor e as altas temperaturas se restringem ao apartamento 1.
Àos 30 minutos (Figura 10a), elevadas temperaturas atingem a estrutura do telhado por toda a edificação na Situação 1. As temperaturas aumentam, enquanto o fogo consome praticamente toda a carga de incêndio, a partir dos 60 minutos até os 120 minutos (Figuras 10c, 10e e 10g).
Na Situação 2, a propagação do fogo pelos cômodos do apartamento 1 eleva as temperaturas na sala e corredor (Figuras 10b e 10d). Aos 90 minutos (Figura 10f), nota-se a máxima temperatura desde o teto à altura dos móveis, já que o forro incombustível impede a propagação do incêndio, deixando o fogo concentrado dentro do apartamento. Já aos 120 minutos (Figura 10h), observa-se o decaimento da temperatura, em virtude do arrefecimento do incêndio.
(a) Situação 1 aos 30 minutos (b) Situação 2 aos 30 minutos
Continuação...
Figura 10: Visualização do plano de temperaturas do eixo Y obtida no SMV, para as duas situações. Fonte: Os autores, 2019. 0 200 400 600 800 1000 1200 0 20 40 60 80 100 120 T e m p e ra tu ra ( °C) Tempo (minutos) Série1 Série2
Continuação...
(c) Situação 1 aos 60 minutos (d) Situação 2 aos 60 minutos
(e) Situação 1 aos 90 minutos (f) Situação 2 aos 90 minutos
(g) Situação 1 aos 120 minutos (h) Situação 2 aos 120 minutos
Figura 10: Visualização do plano de temperaturas do eixo Y obtida no SMV, para as duas situações. Fonte: Os autores, 2019.
5 Conclusão
Neste trabalho foi analisado o comportamento do incêndio em uma edificação resindencial multifamiliar térrea nas situações em que havia o emprego ou não do sistema de compartimentação horizontal. A realização deste estudo só foi possível com o auxílio dos softwares FDS e SMV, por meio dos quais constatou-se que os elementos de compartimentação cumpriram sua função de evitar a propagação do incêndio na edificação, minimizando os efeitos das chamas e temperaturas sobre os materiais presentes nos compartimentos.
Além disso, a configuração das janelas, mantidas abertas durante as simulações, contribuiu com a oxigenação do incêndio e com a visualização da dinâmica de propagação das chamas, que se concentraram, na maior parte do tempo, próximas à superfície do teto, nas duas as situações.
A composição do forro e beiral, ambos em madeira, na Situação 1, resultou no alastramento rápido do incêndio por toda a edificação, provocando o alcance do dobro da temperatura registrada na Situação 2, em que utilizou-se laje. O avanço do fogo e calor pelos três apartamentos na primeira situação também fez com que praticamente todo o material combustível presente fosse consumido, diferente da segunda, em que os elementos de compartimentação atenuaram e retardaram a propagação do incêndio, mantendo-o
restrito ao ambiente de origem e dando tempo para, em um evento real, possibilitar a fuga e resgate de vítimas. Também é importante chamar a atenção ao valor da carga de incêndio específica obtido para a edificação, superior ao estabelecido por norma, e reforçar o fato de que, quanto mais materiais combustíveis e menor área de compartimento, maior será a influência dessa carga no comportamento e na duração do incêndio, o que pôde ser verificado nas simulações, já que parte dos materiais continuaria sendo consumida após o término do tempo estipulado.
Por fim, entende-se que o estudo sobre o comportamento do incêndio e a correta aplicação de medidas de proteção em edificações são necessários e fundamentais para garantir a segurança dos usuários. Por isso, sugere-se a análise de cenários similares aos deste trabalho, modificando-se as condições e parâmetros considerados, a fim de aperfeiçoar as simulações e obter resultados ainda mais satisfatórios quanto aos efeitos dos incêndios em edificações residenciais.
Agradecimentos
Agradeço à minha família, em especial aos meus pais, Roseli M. de Almeida Mançano e Valdirlei Barris Mançano, e à minha irmã, Karine de Almeida Mançano,
por sempre me incentivarem nos estudos, me apoiarem em tempo integral e oferecerem as condições necessárias para que eu alcançasse o objetivo de concluir o curso de Engenharia Civil.
Aos meus amigos Kássio, Dionara, Geilson, Pietra, Isabella, Camila, Natália e Evellynn, que sempre estiveram presentes e dispostos a ajudar, compartilhando momentos difíceis e felizes, e sem os quais eu jamais teria chegado até aqui.
Agradeço aos professores, essenciais no aprendizado desta jornada, principalmente à minha orientadora professora Roberta Tabaczenski de Sá, por ter me acolhido e me incentivado, dando oportunidade e auxílio técnico para realizar este trabalho. Ao meu orientador professor Lucas Hilleshein dos Santos, por dar continuidade à orientação, transmitindo seu conhecimento e contribuindo com o desenvolvimento do trabalho nesta etapa final do curso.
Referências
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APÊNDICE
Planos de medição de temperaturas obtidas, por meio do SMV, nos eixos X e Z para as Stuações 1 e 2. APÊNDICE A – Plano de medição no eixo X para as Situações 1 e 2
Situação 1 aos 30 minutos Situação 2 aos 30 minutos
Situação 1 aos 60 minutos Situação 2 aos 60 minutos
Situação 1 aos 90 minutos Situação 2 aos 90 minutos
APÊNDICE
Planos de medição de temperaturas obtidas, por meio do SMV, nos eixos X e Z para as Stuações 1 e 2. APÊNDICE B – Plano de medição no eixo Z para as Situações 1 e 2
Situação 1 aos 30 minutos Situação 2 aos 30 minutos
Situação 1 aos 60 minutos Situação 2 aos 60 minutos
Situação 1 aos 90 minutos Situação 2 aos 90 minutos
