Simulação Computacional do Comportamento de um Incêndio ... · pela ABNT NBR 14432:2000. 5...

Nono Simpósio de Mecânica Computacional Universidade Federal de São João Del-Rei – MG

26 a 28 de maio de 2010 Associação Brasileira de Métodos Computacionais em Engenharia

Simulação Computacional do Comportamento de um Incêndio Real em um Apartamento de Edificação Popular

R.B. Caldas1; F.C. Rodrigues

1; A.C.B. Marinho

1; R.H. Fakury

1;

1 Universidade Federal de Minas Gerais, Escola de Engenharia,

Departamento de Engenharia de Estruturas,

Av. Antônio Carlos 6627, Bloco 1, Pampulha, Belo Horizonte, MG

CEP: 31270-901

e-mail: caldas@dees.ufmg.br, francisco@dees.ufmg.br,

carol@dees.ufmg.br, fakury@dees.ufmg.br

Resumo. A modelagem do incêndio tem como objetivo obter a relação temperatura-tempo dos gases e os fluxos de calor por radiação e convecção que ocorrem em uma edificação. A variação da temperatura é importante para avaliação das propriedades a serem utilizadas na análise estrutural e nos elementos que devem atender ao isolamento e a estanqueidade. O programa SMARTFIRE, um avançado ambiente de simulação da dinâmica de fluidos em incêndio, desenvolvido pelo Fire Safety Engineering Group da Universidade de Greenwich, é utilizado para calcular as temperaturas em um apartamento incendiado, simulando um incêndio real. As prescrições da normalização européia são utilizadas nas simulações. O programa ABAQUS é utilizado para analisar via método dos elementos finitos a transferência de calor através dos elementos de compartimentação: parede e laje. O procedimento apresentado poderá ser utilizado como base para a análise de outras edificações incendiadas e com o objetivo de atingir níveis adequados de segurança contra incêndio conforme as normas européias, brasileiras e instruções técnicas dos corpos de bombeiros nacionais.

Palavras chaves: simulação computacional, incêndio, dinâmica dos fluídos.

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1 INTRODUÇÃO

Vários modelos têm sido desenvolvidos para simular o comportamento de incêndios

em compartimentos. Esses modelos podem ser agrupados em: modelos analíticos,

modelagem por zonas e modelagem computacional utilizando dinâmica dos fluídos, CFD.

Segundo Caldas (2008), nos modelos analíticos um grande número de ensaios

experimentais ou simulações computacionais é realizado, nos quais diferentes parâmetros

são avaliados. Análises de regressão estabelecem as relações entre as variáveis de saída

(taxa de combustão, temperatura dos gases no incêndio, quantidade de gases quentes) e

variáveis de entrada como carga de incêndio e ventilação. Exemplos de modelos analíticos

são as curvas de incêndio parametrizado e incêndio localizado apresentadas pelo EN 1991-

1-2:2002. Modelos analíticos mais simples são as curvas de incêndio nominais como a do

incêndio-padrão, onde o Tempo Requerido de Resistência ao Fogo, TRRF, incorpora as

diversas variáveis do problema de uma maneira subjetiva, ABNT NBR 14432:2000.

Na modelagem computacional utilizando dinâmica dos fluídos, CFD, modelos são

desenvolvidos com base nas equações fundamentais da dinâmica dos fluídos,

termodinâmica, mecânica e reações químicas que são resolvidas a partir da discretização

do compartimento em um grande número de volumes ou elementos finitos. Esse modelo é

mais versátil e conduz a resultados mais apurados e detalhados. Um exemplo de programas

CFD é o SMARTFIRE (Ewer et al., 2004), desenvolvido pelo Fire Safety Engineering Group na University of Greenwich, Inglaterra. Caldas et al. (2006) utilizaram o programa

para obtenção da relação temperatura-tempo dos gases em um compartimento para

posterior análise da estrutura, demonstrando a possibilidade de economia com a utilização

de métodos avançados de cálculo. Bonitese (2007) utilizou o programa para analisar a

segurança contra incêndio de um edifício habitacional de baixo custo estruturado em aço.

A modelagem por zonas é uma aproximação intermediária entre os modelos analíticos

e modelos CFD. O incêndio é dividido em poucas e grandes zonas com diferentes

características. Por exemplo, para a fase pré-flashover, o compartimento incendiado pode

ser dividido em duas zonas: uma zona superior de gases quentes e uma zona inferior de ar

fresco. Assume-se que cada zona possua propriedades uniformes como temperatura e

concentração de gases. Os resultados obtidos são menos detalhados do que os da

modelagem CFD, todavia, para compartimentos de geometria regular, a modelagem por

zonas fornece um bom entendimento do comportamento do incêndio. O programa

computacional OZONE, desenvolvido por Cadorin e Franssen (2002), utiliza o conceito de

modelagem por zonas e modelos analíticos para obtenção da relação temperatura-tempo

dos gases no incêndio.

Neste trabalho, o programa computacional SMARTFIRE é utilizado para simular um

incêndio real ocorrido em um apartamento. As temperaturas dos gases são utilizadas no

programa computacional ABAQUS (Simulia Corp., 2007) para analisar a transferência de

calor via método dos elementos finitos, MEF, nos elementos de compartimentação: parede

e laje. O objetivo é verificar as condições de isolamento proporcionadas por esses

elementos e o nível de temperaturas atingido no apartamento sinistrado. Os resultados

obtidos são comparados ás observações do incêndio real (CBMSP, 2007).

2 PROGRAMA COMPUTACIONAL SMARTFIRE

O programa computacional SMARTFIRE (Ewer et al., 2004) é um completo ambiente

de modelagem de incêndios que emprega o atual estado da arte do método dos volumes

finitos. O SMARTFIRE é composto por um conjunto de ferramentas interativas e

sofisticadas que facilitam a simulação e asseguram uma solução correta a partir da escolha

adequada dos métodos de soluções, critérios de convergência, passos de tempo, malha e

condições de contorno. Dessa forma, o usuário simplesmente precisa especificar a

geometria do cenário e as características do incêndio.

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O programa é capaz de resolver escoamentos (com base nas equações de Navier

Stokes) compressíveis e turbulentos (modelo k-epsilon modificado), com transferência de

calor, combustão de gases e radiação (modelos six-flux, multi-ray ou radiosity), em malhas

estruturadas e não estruturadas tridimensionais.

O SMARTFIRE é composto por quatro ambientes: (1) SCENARIO DESIGNER, voltado para o desenvolvimento de cenários a partir da importação de arquivos DXF,

dispensável para casos mais simples; (2) CASE SPECIFICATION ENVIRONMENT,

utilizado para especificação do problema, tipos de materiais, fontes de calor, ventilação e

outros; (3) MESSING TOOL, para geração de malhas; e, (4) CFD ENGINE, que analisa

numericamente o problema. Os ambientes estão relacionados às etapas de criação e

especificação da geometria, informações que descrevem o problema, criação da malha

seguida pela simulação. O programa DATA VIEW permite a visualização e extração dos

resultados obtidos na simulação.

3 INCÊNDIO REAL

No dia 6 de dezembro de 2007, ocorreu um incêndio em um apartamento de uma

edificação habitacional de baixa renda, localizado no bairro de Itaim Paulista, na cidade de

São Paulo (CBMSP, 2007). A edificação sinistrada é formada por uma estrutura em perfis

de aço formados a frio, lajes maciças de concreto de 8 cm e paredes internas e externas

com 12 cm de espessura construídas com blocos cerâmicos. O edifício possui 5 pavimentos

com 4 apartamentos por andar, figura 1.

Figura 1 – Vista da estrutura do edifício e geometria do apartamento tipo.

O incêndio teve início em um dos dormitórios do apartamento do 4º andar, figura 1. O

fogo se restringiu a esse dormitório, que ficou destruído. Os outros cômodos do

apartamento também sofreram danos causados pelo forte calor e fumaça intensa. No

apartamento superior, ocorreram apenas fissuras no piso cerâmico.

4 TAXA DE CALOR LIBERADO

A taxa de calor liberado utilizada nas simulações foi obtida conforme o EN 1991-1-

2:2002 considerando como carga de incêndio os móveis, aparelhos e outros objetos do

dormitório incendiado.

B

C

A

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0

500

1000

1500

2000

2500

0 10 20 30 40 50 60 70

Tax

a d

e ca

lor

lib

erad

o (

kW

)Tempo (min)

Figura 2 – Taxa de calor liberado (EN 1991-1-2:2002).

O gráfico, figura 2, é composto por: (1) trecho quadrático que considera o

desenvolvimento do incêndio a partir do foco para toda a área incendiada; (2) trecho

constante que indica o ponto em que todos os materiais encontram-se em combustão; e, (3)

trecho descendente. O primeiro trecho da taxa de calor é definido pela expressão

2

6

t

t10Q

=

α

(1)

onde Q é o calor liberado, em W, t é o tempo em s e αt é um parâmetro relacionado a

propagação do incêndio, neste caso igual a 300 s.

O segundo trecho é definido pela taxa máxima de calor liberado, 250 kW/m²,

multiplicado pela área do compartimento, neste caso o dormitório de 2,653,25× m². O

último trecho começa quando 70% dos materiais combustíveis foram consumidos.

Foi realizado um levantamento da carga de incêndio a partir dos elementos presentes

no dormitório incendiado: tri-cama de madeira com respectivos colchões de espuma, um

colchão de casal, um armário com roupas e uma grande quantidade de brinquedos acima,

uma cômoda com roupas, rádio e televisor. Nota-se que a quantidade de móveis, aparelhos

e outros objetos é extremamente alta, o que não é típico.

Foram estimados os dados de massa e o potencial calorífico de cada material presente

no quarto, tabela 1, a partir de itens similares.

A carga de incêndio por unidade de área do compartimento, A, foi obtida por

( )2i

iu

740MJ/m2,653,25

6372,23

A

HPeso

q =×

=

×

=

∑. (2)

Tabela 1 - Carga de incêndio no dormitório.

Peso Potencial*

(kg) calorífico, Hu (MJ/kg)

Armário 66,5 17,5

Brinquedos 10 40

Colchão casal 20 25

Colchão solteiro 12,6 25

Cômoda 52,15 17,5

Rádio 1,4 40

Roupas 30 20

Tri-cama 85,1 17,5

Televisor 7,64 40

* Valores obtidos do EN 1991-1-2:2002

Material

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O valor alcançado, 740 MJ/m², é próximo à média prescrita pelo EN 1991-1-2:2002,

igual a 780 MJ/m² para edificações residenciais, e bem superior ao valor apresentado pelas

IT-CBMMG 09 (2006) e IT-CBMSP 14 (2004), igual a 300 MJ/m², também apresentado

pela ABNT NBR 14432:2000.

5 SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL

Na simulação computacional com o SMARTFIRE, não foi considerada a condução de

calor através da espessura da laje e das alvenarias. Esse procedimento é conservador e leva

a um tempo de simulação menor. A taxa de calor total foi distribuída em todo o piso do

dormitório incendiado, figura 3. Portas e janelas foram consideradas abertas.

A figura 3 apresenta cinco pontos no dormitório incendiado para os quais foram

extraídos os valores de temperatura dos gases e um gráfico com as temperaturas em função

do tempo.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 10 20 30 40 50 60 70

Tem

per

atu

ra º

C

Tempo (min)

(x=1.08 y=2.40 z=0.88)

(x=2.17 y=2.40 z=1.77)

(x=2.17 y=2.40 z=0.88)

(x=1.08 y=2.40 z=1.77)

(x=1.63 y=1.50 z=1.33)

Figura 3 – Pontos de monitoramento e gráfico das temperaturas.

Dentre os danos ocasionados pelo incêndio real no apartamento, nota-se que a

esquadria de alumínio da janela do dormitório incendiado e o forro de policloreto de vinila,

PVC, do banheiro foram destruídos. A temperatura de fusão do PVC situa-se entre 100 e

260ºC, já a mínima do alumínio é de 660ºC. Na simulação do SMARTFIRE é possível

observar que a temperatura no teto do banheiro é superior a 150ºC para o tempo de 180s,

figura 5.

(a) (b)

Figura 4 – Danos no apartamento: (a) janela do dormitório, e (b) teto do banheiro, sem o

forro de PVC.

Acrescentado após o incêndio

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Figura 5 – Temperaturas no corte A da figura 1.

No dormitório a janela de alumínio alcança 660ºC aproximadamente aos 540s após o

início do incêndio, figura 6.

Figura 6 – Temperaturas no corte B da figura 1, (janela do dormitório).

Na figura 7 apresentam-se as temperaturas no plano C da figura 1, e na figura 8, têm-se

as temperaturas dos gases em um plano próximo à face inferior da laje.

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Figura 7 – Temperaturas no corte C da figura 1.

Figura 8 - Temperaturas próximas a face inferior da laje.

Na figura 9, apresenta-se a média das temperaturas mostradas na figura 3. Essa média,

foi utilizada no programa ABAQUS para analisar, via MEF, as temperaturas nas faces não

expostas da alvenaria e da laje. A figura 10 apresenta as máximas temperaturas obtidas.

Observa-se que não foi ultrapassado o acréscimo médio de 140ºC prescrito pelas normas

para satisfazer o critério de isolamento (EN 1996-1-2:2006, EN 1992-1-2:2004) o que

totaliza um limite de 160ºC considerando a temperatura inicial de 20ºC.

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0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 10 20 30 40 50 60 70

Tem

per

atu

ra º

C

Tempo (min)

Figura 9 – Temperaturas médias obtidas no SMARTFIRE.

Para a análise do isolamento proporcionado pela laje, considerou-se 2 cm de piso e

propriedades do concreto conforme o EN 1992-1-2:2004 para agregados silicosos com 3%

de umidade em peso e limite inferior de condutividade. Para a alvenaria, a condutividade

foi tomada igual a 0,7 W/mºC, densidade igual a 1600 kg/m³ e calor específico igual a 840

J/kgºC (Cadorin e Franssen, 2002).

(a) Temperatura máxima de 87,94ºC na face não exposta ao incêndio da parede.

(b) Temperatura máxima de 116,7ºC na face não exposta ao incêndio da laje.

Figura 10 – Temperatura máximas atingidas na face não exposta da parede e da laje.

6 CONCLUSÕES

A carga de incêndio obtida, 740 MJ/m², ficou próxima da carga de incêndio média

prescrita pelo EN 1991-1-2:2002, bem superior à definida pelas IT-CBMMG 09 (2006),

IT-CBMSP 14 (2004) e pela ABNT NBR 14432:2000, igual a 300 MJ/m². O EN 1991-1-

2:2002 considera para 80% dos casos o valor de 948 MJ/m², que deve ser utilizada para

verificações de projeto com o objetivo de ter uma probabilidade pequena de ser

ultrapassada.

A análise da transferência de calor através das espessuras da laje e da parede indica que

a elevação de temperatura na face não exposta destes elementos construtivos é inferior a

140ºC, prescrito por normas como limite para manutenção do isolamento. Esses resultados

concordam com a observação de que o incêndio real ficou restrito ao apartamento de

origem (CBMSP, 2007), e também, está de acordo com as instruções técnicas, IT-

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CBMMG 07 (2006) e IT-CBMSP 09 (2004), que consideram cada apartamento como um

compartimento. A propagação pelas janelas do dormitório incendiado e a janela do

apartamento superior adjacente também seria improvável, pois a distância entre as mesmas

é igual a 1,20 m como prescreve as IT-CBMMG 07 (2006) e IT-CBMSP 09 (2004).

Observa-se que o corpo de bombeiro chegou ao local do sinistro, 25 minutos após o seu

início (CBMSP, 2007). Pela figura 9 observa-se que o incêndio já estava totalmente

desenvolvido e que a compartimentação e a segurança estrutural foram importantes para

garantir a segurança dos moradores e da equipe de combate ao incêndio e, também,

minimizar os danos à edificação.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao Centro Brasileiro da Construção em Aço, CBCA, Usiminas,

CNPq e FAPEMIG pelo apoio financeiro e material.

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Structural Fire Design. European Committee for Standardization.

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Corpo de Bombeiros da Policia Militar do Estado de Minas Gerais, 2006. IT-07

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Corpo de Bombeiros da Policia Militar do Estado de São Paulo, 2004. IT-09

Compartimentação Horizontal e Compartimentação Vertical. Simulia Corp, 2007. Software ABAQUS/CAE, versão 6.7, Dassault Systèmes Simulia

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ABNT NBR 14432:2000. Exigências de Resistência ao Fogo de Elementos Construtivos

de Edificações. Associação Brasileira de Normas Técnicas.

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