Sistemas de controlo de fumo. João Carlos Viegas

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1 Sistemas de controlo de fumo João Carlos Viegas 1

2 1 INTRODUÇÃO Os incêndios em edifícios, sejam urbanos, sejam industriais, ocasionam perdas materiais normalmente avultadas, quer devidas à destruição de bens, quer devidas à paralisação das actividades económicas que decorram nesses espaços. Na figura 1 apresentam-se dados estatísticos relativamente aos incêndios urbanos e industriais ocorridos em Portugal entre 1996 e 1998 [fonte: Serviço Nacional de Bombeiros]. Note-se que o número total de ocorrências anual é de cerca de 8000 para os incêndios urbanos e de cerca de 1500 para os industriais. Nas figuras 2 e 3 são apresentados os valores do número de vítimas não-mortais e mortais, respectivamente, também para as situações de incêndios urbanos e industriais nos anos referidos Urbanos Industriais Ano Fig. 1 Incêndios urbanos e industriais ocorridos em Portugal (fonte: SNB) Quando a evolução dos incêndios conduz à morte de alguns ocupantes verifica-se que em grande parte destas vítimas a causa de morte é a intoxicação por fumo (estima-se que possa ser essa a causa em cerca de 80% das vítimas). Note-se que, mesmo que a intoxicação não seja a causa directa de morte, esta contribui para a incapacitação dos ocupantes dificultando ou impossibilitando a sua evacuação. Dependendo da forma arquitectónica dos edifícios, o escoamento descontrolado do fumo pode gerar condições incompatíveis com a sobrevivência dos ocupantes mesmo em espaços consideravelmente afastados do local sinistrado. A título exemplificativo refira-se que se estima que cerca de 2/3 das mortes 2

3 ocorrem fora do compartimento de origem do incêndio. Neste sentido, é evidenciado que o controlo do fumo é imprescindível para aumentar a possibilidade de sobrevivência dos ocupantes e, em certa medida, contribuir para a redução da possibilidade de propagação do incêndio a outros espaços. Por outro lado, a redução das situações de enfumagem nas circulações no interior dos edifícios contribui para facilitar o acesso dos bombeiros e o ataque ao incêndio, sendo também possível por esta via minorar as consequências do incêndio Urbanos Industriais Ano Fig. 2 Vítimas não-mortais em incêndios urbanos e industriais ocorridos em Portugal (fonte: SNB) Urbanos Industriais Ano Fig. 3 Vítimas mortais em incêndios urbanos e industriais ocorridos em Portugal (fonte: SNB) 3

4 2 ACÇÕES QUE PROMOVEM O MOVIMENTO DO FUMO As técnicas usadas na desenfumagem estão intimamente relacionadas com as propriedades dos gases quentes e a sua interacção com as massas a temperaturas mais baixas. O efeito das acções mecânicas externas pode pôr em causa todo o esforço de desenfumagem de um edifício. Neste sentido, vão ser referidas as acções que podem promover o movimento dos gases quentes, nomeadamente: a) impulsão; b) efeito de chaminé; c) aumento da pressão interna; d) acção do vento; e) sistemas de ventilação e ar condicionado. 2.1 IMPULSÃO O fenómeno da impulsão ocorre quando estão em presença fluidos de massa volúmica diferente. No presente caso, essa diferença de massa volúmica está associada ao aquecimento do ar ambiente na zona de combustão. Nas zonas de comunicação entre compartimentos contíguos, verificando-se que a temperatura no interior de um deles é superior à do outro, estabelece-se um escoamento na zona quente no sentido do mais quente para o mais frio e um escoamento na zona fria no sentido contrário. Na figura 4 apresenta-se esquematicamente a evolução da pressão interna de dois compartimentos com a cota. Admitiu-se que a temperatura é uniforme em cada um deles e que existe um plano (designado por plano neutro) para o qual a pressão em ambos os compartimentos coincide. 4

5 Cota [m] to t Pressão [Pa] Fig. 4 Comparação da variação genérica da pressão entre dois compartimentos a temperaturas diferentes (t1>t0) De acordo com a fórmula de Bernoulli a diferença das pressões ΔP a uma cota acima do plano neutro é: ( ρ0 ρ1 Δ P = gz ) (1) sendo g a aceleração da gravidade, ρ 0 a massa volúmica do fluido num compartimento e ρ 1 a massa volúmica do fluido no outro compartimento. Esta expressão pode ser posta em função da temperatura do fluido num dos compartimentos recorrendo à seguinte igualdade derivada da Lei dos Gases Perfeitos: ρ (2) 1T1 = ρ0t0 Procedendo à substituição de ρ1, dado por 2, em 1 obtém-se a expressão: 1 1 ΔP= Zgρ 0 T 0 (3) T 0 T 1 A variação da pressão com a cota é menos acentuada no espaço em que o fluido tem a massa volúmica menor, gerando diferenças de pressão acima e abaixo do plano neutro. É a existência desta diferença de pressão entre espaços confinados que induz o escoamento através das respectivas aberturas de comunicação. 5

6 2.2 EFEITO DE CHAMINÉ O efeito de chaminé ocorre em locais cuja temperatura interior seja superior à temperatura exterior (Drysdale, 1987). No caso de um edifício aquecido, a diferença de pressão entre o interior e o exterior é expressa por uma fórmula formalmente semelhante à fórmula 3. Verifica-se que na parte superior do edifício, devido à permeabilidade da fachada há saída de ar quente para o exterior e na sua parte inferior, então em depressão, dá-se a entrada de ar exterior. O plano neutro ficará situado próximo da meia altura do edifício, dependendo a sua localização exacta da permeabilidade ao ar das fachadas. Nas circulações verticais do edifício estabelece-se um movimento ascendente que pode transportar os gases tóxicos a qualquer ponto remoto do edifício, sendo por vezes a causa de intoxicações dos ocupantes nos momentos iniciais do incêndio (figura 5). Por esse facto, os espaços com desenvolvimento vertical, tais como condutas verticais, caixas de escadas, caixas de elevadores, ductos, etc., merecem uma atenção maior em termos de segurança contra incêndio. Fig. 5 Escoamento do fumo em circulações e condutas verticais O efeito de chaminé é particularmente importante em edifícios altos providos de aquecimento. 2.3 EXPANSÃO TÉRMICA O aquecimento do ar num espaço confinado também pode conduzir ao incremento da pressão local relativamente aos espaços contíguos, se houver restrições à expansão do fluido 6

7 (SFPE/NFPA, 1988). A diferença de pressão entre o interior do espaço e o ambiente exterior pode ser determinada através do seguinte cálculo simplificado. O caudal máximo de gás m& escoado através de aberturas com uma área total A e e com um coeficiente de vazão C d é dado pela expressão: m& = A C ρv (4) e d sendo ρ a massa volúmica dos gases quentes e v a velocidade média do escoamento, que, por aplicação da fórmula de Bernoulli, é dada pela expressão: 2ΔP v = (5) ρ em que ΔP é a diferença de pressão entre o interior e o ambiente exterior. O caudal mássico é relacionado com o incremento de temperatura através da derivada em ordem ao tempo de ambos os membros da equação dos gases perfeitos: PV m& = RT& (6) 2 m sendo P a pressão atmosférica, V o volume interno do espaço considerado (supondo que o aquecimento é igual para todo o espaço) m é a massa dos gases que ocupam o volume V, R a constante de gás perfeito da mistura e T & a derivada da temperatura. A substituição do valor m& na equação anterior conduz à expressão: 2 P ΔP 2 & 2 e d m ρ ( A C ) = R T (7) Assim, a diferença de pressão é expressa da seguinte forma, sendo T a temperatura absoluta no interior do compartimento: ( TV & ) 2 3 ( A C ) T e d 2 1 P Δ P = (8) 2 R Pelo facto da envolvente dos espaços nos edifícios ser, em geral, muito permeável, o incremento da pressão por esta via é muito pouco sensível face às outras acções que aqui se referem, pelo que este efeito pode ser normalmente negligenciado. 7

8 2.4 ACÇÃO DO VENTO A acção do vento, dependendo da velocidade deste, da sua direcção e da forma e exposição da envolvente do edifício, pode ter um efeito determinante no escoamento interno (figuras 6 e 7). O vento induz nas aberturas exteriores incrementos ou decrementos na pressão de acordo com a seguinte expressão, sendo C p um coeficiente de pressão, ρ 0 a massa volúmica do ar exterior e v v a velocidade do vento: ΔP= 1 2 Cp ρ 0 vv (9) 2 O coeficiente de pressão é determinado experimentalmente para cada abertura, ou estimado a partir de dados experimentais. De uma forma geral na fachada a barlavento o seu valor é positivo e inferior a 1. Nas restantes fachadas o valor é negativo e pode ser localmente inferior a - 1 (NFPA, 1991). Este valor deve também reflectir a influência que a permeabilidade ao ar da fachada tem no estabelecimento da pressão interna face à variação da pressão externa (LNEC, 1986). Fig. 6 Escoamento do fumo numa situação sem vento Embora a maioria das fachadas de um edifício estejam em depressão, facilitando a tarefa dos meios de desenfumagem, o projecto do sistema de evacuação do fumo deve ser realizado com base no cenário mais desfavorável. Assim em muitos casos pode ser necessário prever os efeitos da sobrepressão provocada pela acção do vento. 8

9 Fig. 7 Escoamento do fumo numa situação com vento 2.5 SISTEMAS DE VENTILAÇÃO E DE AR CONDICIONADO Os sistemas de ventilação e de ar condicionado podem contribuir desfavoravelmente para o escoamento descontrolado do fumo pelo interior do edifício se não forem tomadas as precauções necessárias (Cluzel, 1982). As infiltrações indesejáveis de fumo na rede de ar condicionado ou de ventilação podem ser originadas da forma seguinte: a) a admissão do ar parcialmente recirculado no sistema é feita a partir de um local contaminado por fumo; b) localmente a pressão dos gases quentes junto das grelhas de saída do ar do sistema é superior à pressão de saída do ar da conduta; esta situação pode ocorrer por deficiência do ajustamento da grelha de saída de ar e permite a entrada de ar contaminado no sistema. Por outro lado o fornecimento do ar fresco através destes sistemas é realizado através de bocas colocadas próximo do tecto. Numa situação de incêndio, o ar fresco seria rapidamente integrado na camada de gases quentes acumulada junto do tecto, promovendo o seu aumento de volume e aumentando a sua turbulência. Embora os sistemas mecânicos de ventilação e ar condicionado possam dar uma contribuição preciosa no controlo do fumo durante o incêndio, a manutenção do seu funcionamento sem ser sob observação dos bombeiros pode ter, por estas razões, consequências dramáticas. Assim, estes sistemas mecânicos devem ser imediatamente parados assim que se verifica a ocorrência de um incêndio. 9

10 3 TÉCNICAS DE CONTROLO DE FUMO 3.1 GENERALIDADES Qualquer sistema de desenfumagem se baseia nas técnicas fundamentais que serão detalhadas seguidamente (Cluzel, 1982). Estas técnicas têm em conta as acções que induzem o movimento dos gases quentes anteriormente descritas. A primeira técnica consiste na execução de um varrimento do espaço, realizando a entrada de ar fresco e promovendo a extracção do fumo. A segunda técnica consiste na imposição de pressões diferentes no local incendiado e nos espaços que o envolvem. Qualquer destes princípios só é exequível desde que seja aplicado a espaços limitados, de outra forma os volumes de ar a insuflar e de gases quentes a extrair tornam-se incomportáveis. Assim a compartimentação do interior de um edifício realizada de uma forma adequada é indispensável para o sucesso dos meios de desenfumagem. Os meios de desenfumagem são tanto mais eficazes quanto mais próximo do foco de incêndio é feita a extracção dos gases, uma vez que aí o seu caudal é menor e a acção favorável da impulsão é mais importante. Os meios de desenfumagem só são verdadeiramente eficazes quando postos em funcionamento atempadamente. O seu arranque tardio pode não conseguir limitar o movimento dos gases quentes e pode não conseguir restabelecer a estratificação e a temperatura convenientes ao movimento de pessoas. 3.2 VARRIMENTO A técnica de varrimento é estabelecida de forma a evitar a existência de zonas de estagnação. A implementação desta técnica pode ser realizada quer por meios naturais, quer através de meios mecânicos. Deve ser estabelecida de forma a não contrariar as acções que promovem o escoamento do fumo, procurando, sempre que possível, usá-las para incrementar os caudais escoados. É implementada através do posicionamento de aberturas de exaustão na parte superior da zona quente dos compartimentos e de aberturas de admissão de ar exterior na base da zona fria (figura 8). Se for usada insuflação mecânica do ar exterior, a velocidade do escoamento deve ser suficientemente reduzida para que não perturbe a estratificação no compartimento enfumado. A perturbação da estratificação aumenta a contaminação da zona fria e incrementa a espessura da zona quente, aumentando em consequência o caudal do fumo a evacuar. Admite-se que para velocidades de insuflação inferiores a 5 m/s (Cluzel, 1982) e aberturas de 10

11 insuflação claramente posicionadas na zona fria e devidamente orientadas, a perturbação que originam é negligenciável. Fig. 8 Técnica de varrimento Se não forem utilizados sistemas mecânicos, as aberturas de admissão e de exaustão podem comunicar directamente com o exterior ou comunicar com o exterior através de condutas. O escoamento é assegurado por via das diferenças de pressão que se estabelecem com o aquecimento dos compartimentos. A utilização de condutas verticais servindo as aberturas de exaustão pode ser vantajosa por potenciar o efeito de chaminé. O posicionamento das aberturas de exaustão, ou das aberturas terminais das condutas que as servem, em zonas em que a acção do vento ocasione depressões, pode melhorar o desempenho da desenfumagem quando existir vento. A disposição das aberturas deve procurar uniformizar a velocidade do escoamento de forma a evitar as zonas de estagnação e a contrariar o escoamento do fumo para os locais contíguos que se pretendem proteger, nomeadamente os caminhos de evacuação. 3.3 HIERARQUIA DE PRESSÕES As técnicas de hierarquia de pressões destinam-se a criar diferenças de pressão (gradientes de pressão) que contrariem o escoamento do fumo impedindo a contaminação dos espaços que se pretendem proteger. São normalmente implementadas através de ventilação mecânica com insuflação de ar exterior em espaços confinados de forma a criar incrementos de pressão situados entre 20 Pa e 80 Pa. Para pressões inferiores a 20 Pa o escoamento do fumo para o espaço pressurizado pode não ser inteiramente contrariado. Para pressões 11

12 superiores a 80 Pa a abertura das portas, contrariando o sentido da diferença de pressão, pode ser difícil para indivíduos debilitados. A manutenção destas pressões requer que a envolvente do espaço pressurizado se caracterize por uma permeabilidade ao ar reduzida, de outra forma os elevados caudais a insuflar podem tornar a implementação destes sistemas excessivamente onerosa. Estes espaços devem, assim, ser encerrados por portas providas de dispositivos de fecho automático. No projecto destes sistemas é necessário considerar a possibilidade de existirem algumas portas momentaneamente abertas para permitir a passagem dos ocupantes. Nessas circunstâncias o sistema de ventilação mecânica deve garantir a insuflação de um caudal que origine a velocidade média do escoamento nessas aberturas temporárias de pelo menos 0,5 m/s. Conceptualmente o posicionamento das aberturas de insuflação é irrelevante, uma vez que o sistema deve permitir que seja evitada a contaminação do espaço pressurizado por fumo. Todavia, por razões de segurança, estes espaços podem ser providos de aberturas de exaustão do fumo (normalmente funcionando por meios naturais) como recurso, que poderão ser abertas se o sistema mecânico não funcionar ou se se revelar insuficiente. Nesse sentido, também as aberturas de insuflação devem ser posicionadas na base desses espaços de forma a não perturbar com o seu funcionamento a estratificação. Quando os espaços contíguos também devem ser pressurizados, deve ser criada uma hierarquia de pressões, sendo as pressões mais elevadas estabelecidas nos espaços cuja protecção é mais importante e as pressões mais baixas estabelecidas nos espaços mais próximos dos possíveis pontos de origem de incêndio. Assim, mesmo que algum espaço pressurizado seja contaminado com fumo, continuam a existir diferenças de pressão adversas que se opõem à sua progressão. O conceito de hierarquia de pressões pode também ser implementado através da exaustão mecânica do fumo nas proximidades da origem do incêndio. Esta técnica induz uma depressão nesse espaço que contraria o escoamento do fumo para os espaços contíguos. Mesmo quando não há a intenção de implementar uma hierarquia de pressões, os caudais insuflado e extraído de um mesmo compartimento são ajustados de forma a não originarem sobrepressões nesse compartimento nas condições de incêndio previsíveis. 12

13 4 SISTEMAS DE CONTROLO DE FUMO 4.1 LOCAIS AMPLOS Nos edifícios, o controlo do fumo é implementado normalmente através da associação dos princípios de varrimento e de hierarquia de pressões, procurando maximizar os ganhos que se obtém com a respectiva utilização e prevendo recursos em caso de deficiência de funcionamento dos sistemas adoptados. A implementação do controlo de fumo tem em conta as características geométricas e a permeabilidade ao ar da envolvente dos locais. Nesse sentido, é conveniente distinguir os locais amplos de grande pé-direito, os locais amplos mas de reduzido pé-direito (parques de estacionamento cobertos, por exemplo), os locais de dimensões médias e os caminhos de evacuação (nos quais se devem considerar separadamente os verticais e os horizontais). Esta enumeração não esgota os diferentes tipos de locais que podem ser considerados em termos de implementação das técnicas de controlo de fumo (por exemplo as salas de espectáculos têm características próprias que as podem afastar de qualquer dos tipos referidos) todavia englobam a grande maioria dos locais a proteger do fumo Locais amplos de grande pé-direito Recomendações técnicas Os locais amplos de grande pé-direito, que se podem encontrar frequentemente em edifícios de uso público, caracterizam-se geralmente por terem uma envolvente muito permeável ao ar. Também os pavilhões industriais, que se podem incluir nesta categoria, dispõem de envolventes que tendem a restringir pouco a entrada de ar. Desta forma, é usual a utilização nestes locais de sistemas passivos de desenfumagem constituídos sobretudo por aberturas de exaustão colocadas nas coberturas cuja operação pode ser comandada à distância. Não havendo restrições à entrada de ar novo impostas pela envolvente, nem sempre é necessário prever especificamente aberturas de admissão de ar. Dado o grande desenvolvimento de alguns destes espaços em planta sem compartimentação, é corrente suspender no tecto painéis de cantonamento (ver figura 9) que definem reservatórios de fumo 13

14 que se destinam a evitar o seu escoamento para zonas contíguas e a evitar o aumento do seu caudal através da mistura com ar novo. Fig. 9 - Reservatório de fumo num local amplo Em Portugal, este tipo de espaços é tratado no Regulamento Técnico de Segurança contra Incêndio em Edifícios (Portaria 1532/2008), referindo-se ao controlo de fumo nos locais sinistrados e a pátios interiores cobertos prolongados até ao topo do edifício. A área e forma destes reservatórios, em planta, está limitada por um valor que varia de acordo com a regulamentação de referência. No caso do RTSIE (Portaria 1532/2008), o valor limite é de 1600 m² sendo a distância máxima permitida entre painéis de cantonamento de 60 m, coincidindo também com as exigências regulamentares francesas (Arrêté du 25 Juin 1980). Noutros países impõe-se o mesmo valor para a área mas não se permite que a distância entre painéis de cantonamento exceda 40 m (NFPA, 1991). Quer a extracção quer a insuflação podem ser naturais ou realizadas por meios mecânicos. Todavia frequentemente se adopta a insuflação natural dada a existência de numerosas aberturas nestes locais. A extracção deve estar dimensionada para permitir a evacuação dos gases quentes que possam ser produzidos por um foco de incêndio que ocorra sob a área do reservatório. No caso da extracção ser natural a área das aberturas de evacuação está relacionada com a altura do painel de cantonamento, uma vez que a base da camada dos gases quentes não deve descer abaixo da base deste. A base dessa camada está à pressão ambiente constituindo portanto o plano neutro. É possível exprimir o caudal mássico m& de gases evacuados em função da área A e e da espessura da camada de gases quentes h da seguinte forma: T = ρ T m& AeCd 2gh 1 (10) T T 14

15 sendo T a temperatura absoluta do fumo, T a temperatura absoluta do ambiente exterior, g a aceleração da gravidade, ρ a massa volúmica do fluido à temperatura T e C d o coeficiente de vazão da abertura. A utilização de aberturas de evacuação de grande área pode vir a revelar-se pouco eficiente pois os gases quentes podem não ocupar toda a área da abertura, como se representa na figura 10. Fig Efeito da utilização de uma abertura de evacuação de fumo de área demasiado elevada De acordo com evidências experimentais (SFPE/NFPA, 1988) a ocorrência deste fenómeno pode ser prevista através do número de Froude, (Fr) que exprime uma relação entre as forças de inércia e as forças de impulsão no escoamento de um fluido. Assim quando é excedido o valor de Fr = 1,6 para aberturas circulares, de Fr = 2,0 para aberturas rectangulares próximas dos limites do reservatório de fumo ou de Fr = 2,5 para aberturas rectangulares próximas do centro do reservatório de fumo, verifica-se a evacuação de ar frio da camada inferior. Estes valores de referência são pouco sensíveis em relação à dimensão da abertura. O número de Froude, está relacionado da seguinte forma com as grandezas relevantes num escoamento deste tipo: vaecd Fr = (11) 5 T T gh T As variáveis v, A e, g, h, T, T e C d representam as mesmas grandezas anteriormente definidas. Usando a fórmula 10, obtêm-se a seguinte expressão: 1 F h 2 r A e = (12) 2 Cd 15

16 a partir da qual é possível determinar a dimensão máxima da abertura de ventilação em função do número de Froude crítico e da espessura da camada de gases quentes. Salienta-se que o valor da área da abertura não depende da temperatura dos gases quentes. Este fenómeno é evitado pela utilização de várias aberturas cuja soma das áreas seja igual ao valor requerido. A APSAIRD (Cluzel, 1982) recomenda a utilização de pelo menos quatro aberturas por 1000 m² e que cada abertura não tenha uma área útil superior a 6 m² (a área útil é o produto A e C d ). A existência de várias aberturas tem ainda a vantagem de aumentar a probabilidade de haver uma abertura na proximidade de um eventual foco de incêndio. Para algumas geometrias de edifícios é necessário adoptar a extracção mecânica. O processo de desenfumagem consiste então num misto de varrimento e de diferença de pressões (ver figura 11). Fig Desenfumagem com extracção mecânica e insuflação natural Se for necessário proceder também à insuflação mecânica, o caudal insuflado deve ser inferior ao caudal evacuado para que se possa manter esta hierarquia de pressões. A relação entre os dois caudais deve ser superior a 1,3 (Cluzel, 1982). Quando se procede ao projecto de um sistema de extracção mecânica deve ter-se em conta que o caudal mássico extraído se reduz com o aumento da temperatura, uma vez que estes sistemas mecânicos garantem a extracção de um caudal volúmico (volume escoado por unidade de tempo) aproximadamente constante. O valor da temperatura, quando não puder ser calculado por meios mais precisos, pode ser majorado da seguinte forma: Q& T T = (13) mc & p 16

17 sendo m& o caudal de gases aquecidos, Q & a potência calorífica libertada e C p o calor específico a pressão constante dos gases quentes. Note-se que nesta expressão não estão consideradas quaisquer formas de perdas de calor que promovam o arrefecimento da camada quente. Para evitar a obtenção de temperaturas de cálculo excessivamente elevadas devem ser consideradas essas perdas de calor. O sistema de extracção deve ser concebido de forma a, para o caudal de projecto, vencer a diferença de pressão ΔP dada da seguinte forma: Δ P = P + P + P P (14) V S E B As variáveis têm o seguinte significado: P V - pressão exercido pelo vento na saída da conduta de extracção P S - valor da perda de carga nas condutas de extracção expressa em termos de queda de pressão P E - valor da perda de carga nas aberturas de insuflação (se a insuflação for realizada por meios naturais) expressa em termos de queda de pressão P B - pressão devida ao fenómeno da impulsão Em locais amplos as limitações à insuflação de ar fresco são negligenciáveis; assim o termo P E pode ser considerado nulo sem prejuízo para o cálculo Efeito das aberturas de desenfumagem No LNEC foi desenvolvido um estudo, compreendendo uma vertente experimental e uma vertente de simulação em computador, cujos resultados permitem exemplificar o desempenho das aberturas praticadas na cobertura para efeitos de desenfumagem. Nesse estudo pretendia-se analisar o desempenho da abertura de desenfumagem regulamentarmente prevista para o topo da caixa de escada, pelo que foram adoptadas as dimensões regulamentares. Nesse sentido, o Regulamento Técnico de Segurança contra Incêndio em Edifícios (Portaria 1532/2008) especifica, no artº 160º, que a ventilação das escadas interiores pode ser realizada através de uma ou mais aberturas, de área total não inferior a 1 m², praticadas no topo da caixa de escada para saída do fumo e de aberturas de entrada de ar exterior situadas na base da caixa de escada, cujo somatório das áreas livres deve ser no mínimo igual à da abertura superior. Dado a instalação experimental ser térrea, não é possível reproduzir com rigor a solução construtiva regulamentar. Contudo admitiu-se que, para 17

18 efeitos de validação do programa de simulação, a realização de ensaios com uma abertura, com essas dimensões, praticada na cobertura da sala poderia simular, com alguma aproximação, essa situação regulamentar. Espera-se assim que o programa de simulação, sendo capaz de simular satisfatoriamente este caso de estudo, possa também prever adequadamente as situações reais. É relevante a análise dos casos de estudo designados pelos números 2, 6 e 7 (ver quadro I). Nestes casos a fonte de calor foi posicionada num canto do compartimento. No caso de estudo 7 foi estabelecida a geometria de forma a que a entrada de ar exterior ocorre pela porta da sala, através do corredor, e a saída do fumo ocorre sobretudo pela abertura praticada na cobertura da sala, cumprindo com alguma aproximação as exigências regulamentares. No caso de estudo 6 a porta foi encerrada, obrigando à entrada de ar exterior pela mesma abertura em que ocorre a saída do fumo. Este caso simula a situação em que a envolvente da caixa de escada é razoavelmente estanque e em que, por deficiência de projecto, não existe entrada de ar pela sua base. Quadro I - Casos de estudo relevantes para as aberturas de desenfumagem na cobertura Caso de Potência calorífica estudo [kw] 2 220,2 +0,5-0,8 em 30 min 6 218,4 +1,8-1,0 em 30 min Posição da fonte de calor e das colunas de termopares em planta N A B C J D E F N A B C G H D E F G H Aberturas de ventilação e posicionamento dos anemómetros N N An 7 218,6 +1,0-0,6 em N A B C N 30 min J D E F G H An An No conjunto de casos, que compreende o 2, o 6 e o 7, verifica-se um efeito determinante da localização e dimensões das aberturas de ventilação no campo de temperatura. A coluna C (representada na figura 12 para os três casos), uma vez que está já afastada da fonte de calor e que não sofre a influência directa das aberturas de ventilação em nenhum caso, constitui um bom exemplo desse efeito. No caso 2, em que a ventilação é feita unicamente pela porta, existe uma zona quente bem diferenciada da zona fria, apresentando um máximo de temperatura cuja forma pressupõe a existência de um jacto de tecto ainda com alguma relevância. No caso 7, em que a ventilação é incrementada pela utilização da abertura do tecto, a diferenciação entre as zonas quente e fria mantém-se, embora com uma diferença de temperatura menos acentuada, mas a interface está claramente deslocada para cima. A evolução da temperatura com a cota sugere ainda a presença de um jacto de tecto com alguma importância mas não se distingue claramente da restante zona quente, devido à pequena 18

19 espessura desta. A temperatura máxima da zona quente é reduzida de cerca de 275ºC, no caso 2, para cerca de 165ºC, no caso 7. A temperatura da zona fria não sofre alterações sensíveis. 3.0 Caso 2 - Coluna C 3.0 Caso 6 - Coluna C Cota [m] 1.5 Cota [m] :10 prev 00:10 00: prev 00:30 30:00 00:10 prev 30: :30 30: Temperatura [ºC] Temperatura [ºC] 3.0 Caso 7 - Coluna C Cota [m] :10 prev 00:10 00:30 prev 00:30 30:00 prev 30: Temperatura [ºC] Fig Comparação da temperatura na coluna C. Casos 2, 6 e 7. No caso 6, em que a ventilação é realizada apenas através da abertura no tecto não existe distinção nítida entre as camadas quente e fria, o que se traduz num grande incremento da temperatura nas cotas mais baixas da sala. Tomando como referência a cota 1,0 m da coluna C, no caso 7 a temperatura medida é de 44ºC, no caso 2 é de 60ºC e no caso 6 é de quase 180ºC. A temperatura máxima no caso 6 também é incrementada (sendo cerca de 310ºC), mas de forma menos notória. A redução da espessura da zona quente tem como consequência imediata a redução do caudal de fumo que escoa através da porta. Na figura 13 mostram-se os perfis de temperatura na porta nos casos 2 e 7, sendo evidente que a exaustão na parte superior da porta no caso 7 é muito reduzida. Na figura 14 é evidente um incremento da velocidade de admissão de ar e mostra-se que a velocidade do escoamento é ainda considerável (superior a 0,4 m/s) mesmo para cotas superiores a 1,5 m. Ainda assim, a previsão indicia que a exaustão de fumo através da porta, embora reduzida, ainda ocorre. No caso 6, o ar exterior entra na sala pela abertura que permite a exaustão do fumo situada no tecto. O ar exterior é assim integrado na zona quente, expandindo-a de forma a tornar a zona fria quase inexistente. Foram realizadas simulações apenas para os casos que representam situações extremas de ventilação, ou seja para os casos 6 e 7. 19

20 3.0 Caso 2 - Coluna J 3.0 Caso 7 - Coluna J Cota [m] :10 30:00 Cota [m] :10 prev 00:10 30:00 prev 30: Temperatura [ºC] Temperatura [ºC] Fig Comparação da temperatura na porta. Casos 2 e Caso 2 Caso Cota [m] Cota [m] : Velocidades [m/s] 30:00 Previsão 30m Velocidades [m/s] Fig Comparação da velocidade na porta. Casos 2 e 7. As simulações evidenciam bem a grande diferença de velocidades de exaustão na abertura do tecto que se verifica entre os casos 6 e 7 e a previsão da velocidade de admissão na porta parece adequada. Na figura 15 a comparação do campo de temperatura nos casos 6 e 7 evidencia a importância fundamental que a área e o posicionamento das aberturas de ventilação têm na segurança dos ocupantes de um edifício. No caso 6, em que a ventilação é menos favorável, a temperatura máxima da zona quente excede sempre 250ºC, impedindo a permanência de qualquer ocupante no compartimento. No caso 7 a temperatura máxima, excepto junto da fonte de calor, é sempre inferior a 180ºC, o que não inviabiliza o trânsito ou permanência de ocupantes no compartimento. O campo de velocidade, como se pode observar na figura 16, é notavelmente alterado pela abertura da porta eliminando uma importante zona de estagnação do escoamento no canto oposto à fonte de calor e promovendo o varrimento da zona inferior da sala. 20

21 Fig Comparação da previsão do campo de temperatura para t = 30 min. Casos 6 e 7. 21

22 Fig Comparação da previsão do campo de velocidade para t = 30 min. Casos 6 e 7. Extrapolando para a arquitectura de uma caixa de escada, verifica-se que a solução construtiva que consiste na existência de uma abertura de desenfumagem no topo será muito vantajosa se estiver complementada com aberturas de entrada de ar a um nível inferior àquele em que ocorre o escoamento do fumo para esse espaço. A inexistência de tais entradas de ar 22

23 devidamente dimensionadas, desde que implique que a admissão de ar se faça em simultâneo pela abertura no topo do espaço, pode proporcionar a mistura entre as zonas quente e fria, destruindo a estratificação. Admite-se que este fenómeno possa ser menos pronunciado numa caixa de escada, que tem um desenvolvimento vertical considerável, do que o que se verificou no ensaio, pois a depressão que previsivelmente se poderá desenvolver na caixa de escada será mais importante e, tendo em conta que num edifício a envolvente dos espaços só em condições especiais é estanque, incrementará a admissão de ar novo através de todas as juntas ou fendas da envolvente. Os pátios interiores, sendo locais amplos de grande pé-direito, caracterizam-se geralmente por terem uma envolvente muito permeável ao ar. Desta forma, é usual a utilização nestes locais de sistemas passivos de desenfumagem constituídos sobretudo por aberturas de exaustão colocadas nas coberturas (os vãos de fachada são admitidos apenas a título excepcional) cuja operação pode ser comandada à distância e, frequentemente, automatizada a partir do sistema de detecção de incêndio. Não havendo restrições à entrada de ar novo impostas pela envolvente, nem sempre é necessário prever especificamente aberturas de admissão de ar. Na regulamentação é, ainda assim, especificado que devem existir aberturas de admissão de ar dispostas na parte inferior do pátio e de área não inferior à área das aberturas de exaustão (que não deve ser inferior a 5% da maior das secções horizontais do pátio). Dado o grande desenvolvimento de alguns destes espaços em planta sem compartimentação, é imposto suspender no tecto painéis de cantonamento que definam reservatórios de fumo destinados a evitar a sua dispersão por todo o espaço e ao longo dos corredores e o aumento do caudal através da mistura com ar novo. Embora seja admissível a utilização de sistemas activos de desenfumagem, a sua implementação não é especificada regulamentarmente. Note-se que as variadas formas arquitectónicas que podem ser conferidas a este tipo de espaços pode requerer soluções de desenfumagem activa específicas difíceis de reduzir ao clausulado regulamentar Locais amplos de reduzido pé-direito Enquanto nos locais de grande pé-direito é possível tirar partido da altura para, através dos painéis de cantonamento, restringir o escoamento do fumo e manter uma zona fria com as condições adequadas ao movimento dos ocupantes, nos locais de reduzido pé-direito tal não é arquitectonicamente possível. Assim, nos locais amplos de reduzido pé-direito é também prevista compartimentação, mas esta encerra inteiramente os espaços. As aberturas de admissão de ar novo e de exaustão do fumo são posicionadas de forma a proceder ao varrimento do espaço considerado. Correntemente são utilizados sistemas activos (mecânicos) de admissão e de exaustão. Nesse caso o caudal evacuado é, pelo menos, superior em 30% ao 23

24 caudal insuflado, de forma a criar uma depressão relativamente aos espaços contíguos. Outra solução corrente consiste na utilização combinada de exaustão mecânica com admissão por meios passivos através das aberturas de comunicação com os espaços contíguos. Desta forma a depressão que é gerada no espaço a desenfumar, que coincide com o local de origem do incêndio, é maximizada. Sistemas destes tipos estão previstos na regulamentação portuguesa de segurança contra incêndio (Portaria 1532/2008). Recentemente surgiu no mercado um sistema inovador de controlo do fumo baseado na utilização de ventiladores axiais suspensos no tecto (à semelhança de uma solução utilizada nos túneis rodoviários) que impõem o sentido do escoamento do fumo de forma a facilitar a sua exaustão para o exterior, evitar zonas de estagnação e facilitar a manutenção de zonas livres de fumo. A vantagem do sistema consiste em não carecer da distribuição de numerosas aberturas de admissão de ar novo e de exaustão do fumo pelo espaço a desenfumar, que frequentemente é crítica em termos de gestão do espaço, uma vez que o varrimento é assegurado por este sistema mecânico. 4.2 LOCAIS DE DIMENSÕES MÉDIAS Recomendações técnicas Para os locais de dimensões médias (por exemplo salas de reuniões, salas de leitura de bibliotecas, etc.) a ventilação pode ser realizada quer por meios activos, quer por meios passivos. Neste caso é importante posicionar as aberturas de admissão claramente na zona fria e as aberturas de exaustão claramente na zona quente pois, devido à menor dimensão dos espaços, qualquer ineficácia neste posicionamento pode conduzir rapidamente à destruição da estratificação. A implementação da técnica de varrimento permite melhorar o desempenho da desenfumagem. A regulamentação prevê a utilização de sistemas deste tipo para os locais sinistrados. Na maioria dos edifícios o espaço interior encontra-se compartimentado em locais de dimensões relativamente reduzidas. Esta ordenação do espaço pode ajudar a impedir a propagação do fumo pelo edifício desde que sejam implementados os sistemas adequados para promover a desenfumagem. Nestes locais não é necessário recorrer a painéis de cantonamento suspensos junto do tecto dada a sua dimensão (normalmente de áreas inferiores ao limite de 1600 m² consagrado pela regulamentação) e o facto do pé-direito não permitir usualmente a sua utilização. As técnicas de desenfumagem são, no restante, semelhantes às descritas anteriormente. 24

25 É possível proceder à insuflação de ar novo e à extracção dos gases quentes, quer por meios mecânicos, quer por meios naturais, sendo possíveis as várias combinações de acordo com as conveniências de projecto. No caso da extracção natural, frequentemente não é possível, por razões arquitectónicas, praticar aberturas no tecto do compartimento. A alternativa é preparar aberturas para a desenfumagem nas paredes tão próximas do topo quanto possível. Neste caso o caudal evacuado é ligeiramente inferior ao que ocorreria para uma abertura praticada no tecto devido à variação da pressão com a cota. O caudal médio pode então ser estimado a partir do cálculo da velocidade média para uma abertura vertical de largura constante: 3 3 = 2 1 T T 2 m b a 2g 1 (15) 3 b a T T v 2 As variáveis a e b representam respectivamente a cota da base da abertura medida em relação ao plano neutro e a cota do topo da abertura medida em relação ao mesmo plano. As restantes variáveis representam as grandezas anteriormente referidas. O valor do caudal mássico é assim dado, segundo a expressão T T = ρ & 2 lcd b a 2g 1 (16) 3 T T m 2 A variável l é a largura da abertura. Tal como no caso anterior, o número de aberturas deve ser tal que permita evacuar os gases quentes sem que estes escoem para compartimentos vizinhos. Neste caso, a camada dos gases quentes não deve descer abaixo da parte superior das portas. Em algumas situações tal critério pode conduzir à existência de aberturas de extracção em número e área total incomportáveis para as características do compartimento. Quando tal acontecer devem ser ponderada a utilização de outras técnicas de controlo de fumo complementares ou alternativas. Neste género de locais pode ocorrer uma limitação da entrada de ar fresco se a insuflação for realizada por meios naturais. Esta restrição pode ter de ser prevista, quer quando a extracção é realizada por meios mecânicos, quer quando se efectua por meios naturais. A partir de uma formulação semelhante à anteriormente usada, mas considerando a massa volúmica do ar à temperatura ambiente (ρ ), é possível exprimir a queda de pressão ΔP em função do caudal mássico m& : m& 2 Δ P = 2 2A 2 ecdρ (17) 25

26 Este valor ΔP pode ser incluído na expressão 14 quando se recorrer a extracção mecânica. A formulação precedente pressupõe que a temperatura no estrato inferior do compartimento, até à cota do topo da abertura, é igual à tamperatura exterior. Este valor da queda de pressão pode ser igualmente considerado nas expressões 10 e 16, sendo introduzido através das cotas de referência h (em 10), b e a (em 16). A queda de pressão pode ser, do ponto de vista de cálculo, considerada como uma redução nas respectivas cotas, sendo: ΔPT Δh = (18) ρ g ( T T ) Nos compartimentos de dimensões médias, o desenvolvimento do foco de incêndio conduz rapidamente a uma subida generalizada da temperatura. Nessa situação o plano neutro não coincide necessariamente com a base da camada de gases quentes. A sua cota pode ser estimada para uma situação limite em que a temperatura interna do compartimento é uniforme. Nesse caso a pressão absoluta no compartimento varia linearmente com a cota e o seu declive é menor que o da pressão exterior, como se indica na figura 7. A posição do plano neutro deve ser tal que seja verificado o balanço de massa. Assim o caudal mássico evacuado m& e deve ser igual à soma do caudal mássico admitido m& i com o caudal mássico de combustível m& : c m & = m& + m& (19) e i c O valor de m& pode ser expresso por 10 ou por 16 e o valor m& pode ser expresso por: e i T & 2 = lcdρ c d 2g 1 (20) 3 T m 2 As variáveis c e d são, respectivamente, a cota do plano neutro em relação à base da abertura e a cota do plano neutro em relação ao topo da abertura. Como se referiu a implementação de um sistema de desenfumagem num compartimento de dimensões reduzidas ou médias só por si pode não ser suficiente para evitar a propagação do fumo a locais contíguos. Tal possibilidade aconselha que o problema da desenfumagem seja encarado globalmente para uma zona do edifício bem definida e individualizada e não para cada local "per si". A desenfumagem de cada compartimento deve ser compatibilizada com o sistema de desenfumagem das circulações que com ele comunicam no sentido de ser estabelecida a 26

27 hierarquia de pressões adequada ou os fluxos de ar desejáveis para o varrimento do fumo. Por vezes as zonas contíguas podem ser utilizadas com vantagem como locais de acumulação e extracção de fumo. Tal situação pode verificar-se em zonas comerciais com lojas que comuniquem com galerias cobertas de grandes dimensões, como é corrente em centros comerciais. As figuras 18 e 19 exemplificam dois processos de desenfumagem alternativos nessa situação (FPA, 1991). Fig Extracção mecânica do fumo numa loja de centro comercial Fig Extracção natural do fumo numa galeria de centro comercial Em lojas de centros comerciais é frequentemente difícil proceder à extracção do fumo por meios naturais; assim é corrente a adopção de extracção mecânica. A insuflação de ar novo é realizada a partir das aberturas de comunicação com a galeria. Este processo de extracção directa junto do foco de incêndio é vantajoso dos seguintes pontos de vista: a) ao executar a extracção do fumo junto do foco de incêndio o volume de gás movimentado é menor; b) o fumo fica confinado à loja não provocando quaisquer danos nas zonas limítrofes; c) quando ocorrem pequenos focos de incêndio, podem ser controlados de forma a causarem inconvenientes menores à rotina do centro comercial. Todavia apresenta, em contrapartida, os seguintes inconvenientes: 27

28 a) uma vez que o sistema de desenfumagem actua directamente no espaço privado de cada proprietário podem surgir problemas quanto à atribuição da competência relativa à manutenção regular do sistema; b) os elementos de decoração colocados no interior das lojas são mais facilmente susceptíveis de afectar a eficácia do sistema; c) deve existir uma abertura que ponha em comunicação a loja com a galeria, que tem de estar necessariamente aberta durante a operação do sistema; d) este sistema de desenfumagem pode retardar a entrada em funcionamento dos sprinklers, quando existam; e) sistema de desenfumagem e o respectivo controle são complexos e, consequentemente, caros e pouco fiáveis; f) o sistema pode revelar-se insuficiente para o controle do fumo originados por focos de incêndio de grande potência calorífica, obrigando em simultâneo à previsão de sistemas de desenfumagem da galeria; g) o sistema é absolutamente ineficaz quando os incêndios ocorrem na galeria. A alternativa é a utilização da galeria, devidamente compartimentada com painéis de cantonamento suspensos no tecto, como zona de acumulação do fumo e extracção por sistemas naturais. Este sistema não tem as desvantagens inerentes ao sistema anterior, podendo ainda referir-se o seguinte: a) dada a sua simplicidade, o sistema é muito mais fiável; b) as aberturas de desenfumagem podem ser usadas para ventilação corrente. As desvantagens práticas desta opção são, por oposição às vantagens da opção anterior: a) pode revelar-se ineficaz na extracção de fumo produzidos em incêndios de fraca potência calorífica, por diferença de temperatura dos gases não, ser suficientemente intensa de forma a promover a desenfumagem natural; b) o volume de fumo extraídos é maior. A comparação destas duas soluções neste exemplo permite evidenciar que a desenfumagem dos locais de média dimensão está, obviamente, muito mais interdependente duma análise de conjunto do edifício do que a desenfumagem de grandes volumes. Não existem soluções óptimas aplicáveis a todos os casos. Cada caso deve ser estudado criteriosamente em todos os seus aspectos de forma a ser possível usar o sistema mais fiável e seguro para o tipo de ocorrências previstas e, simultaneamente, de custos menores, quer do ponto de vista de implementação, quer do ponto de vista de manutenção. Para os locais sinistrados a ventilação pode ser realizada quer por meios activos, quer por meios passivos. É importante posicionar as aberturas de admissão claramente na zona livre de fumo (e tão baixo quanto possível) e as aberturas de exaustão totalmente na zona enfumada (e tão alto quanto possível) pois qualquer ineficácia neste posicionamento pode 28

29 conduzir rapidamente à destruição da estratificação (art os 153º e 154º). A implementação da técnica de varrimento, embora não referida especificamente na regulamentação, permite melhorar o desempenho da desenfumagem. Se for adoptada desenfumagem activa deve existir uma boca de extracção por cada 320 m² de área do local e escoar 1 m³/s por 100 m² de área do local, sem contudo ser inferior a 1,5 m³/s. Se for adoptada ventilação natural a área total útil das aberturas de exaustão deve ser objecto de cálculo devidamente fundamentado, o somatório das áreas livres das aberturas para admissão de ar deve situar-se entre metade e a totalidade do somatório das áreas livres das aberturas para evacuação de fumo e eventuais vãos de evacuação de fachada só podem contribuir com um terço para a área total das aberturas de evacuação Ventilação assegurada por uma janela A este respeito é didáctico analisar os resultados de um ensaio também realizado no LNEC em circunstâncias exactamente iguais ao referido na secção mas no qual a ventilação da sala era assegurada por uma janela. 3.0 Caso 5 - Coluna J Cota [m] :10 prev 00:10 00:30 prev 00:30 01:00 Cota [m] 1 prev 01:00 30: prev 30: Temperatura [ºC] 30:00 Previsão 30m Velocidades [m/s] Fig Temperaturas e velocidades medidas e previstas na janela. 3.0 Caso 5 - Coluna G 3.0 Caso 3 - Coluna I Cota [m] :10 prev 00:10 00:30 Cota [m] :10 prev 00:10 00: prev 00:30 01: prev 00:30 01:00 prev 01:00 prev 01:00 30:00 30: prev 30: prev 30: Temperatura [ºC] Temperatura [ºC] Fig. 21 Comparação das temperaturas medidas e previstas na sala com ventilação por uma janela e ventilação por uma porta. 29

30 Fig Previsão do campo de temperatura para t = 30 min. Comparando os perfis de temperatura medidos junto das aberturas de ventilação (ver figura 10 do texto de apoio sobre propagação de incêndio em edifícios ventilação pela porta e figura 20 deste texto de apoio ventilação por janela) verifica-se que há, no caso da janela, uma subida do plano neutro. Todavia, observando a figura 21, verifica-se que não há uma alteração significativa na cota do plano de interface entre as camadas quente e fria, apesar do diferente desenvolvimento em altura das duas aberturas. O desvio do plano neutro da abertura para uma cota mais elevada relativamente à cota do interface no caso da janela e as maiores velocidades de admissão à cota da interface são responsáveis pela maior mistura entre as zonas quente e fria detectada através do campo de temperatura, que se traduz no incremento da temperatura da camada fria. 30

31 Fig. 23 Previsão do campo de velocidade para t = 30 min. Na figura 22 é notável o aquecimento generalizado da camada fria e redução da temperatura na camada quente, quando se compara com a figura 13 do texto de apoio sobre propagação de incêndio em edifícios. Junto da janela existe uma variação acentuada da cota do interface, que não se verifica junto da porta. Na figura 23 observa-se uma deflecção mais acentuada do fluxo de ar exterior em direcção ao pavimento e nota-se um maior envolvimento de fluido proveniente da zona quente no fluxo de admissão. Este exemplo mostra a reduzida eficácia da desenfumagem assegurada através de uma janela quando comparada com uma porta, evidenciando a necessidade de promover a admissão de ar exterior tão próximo do pavimento quanto possível. 4.3 VIAS DE COMUNICAÇÃO Recomendações técnicas Como já foi referido, uma das razões que obriga à utilização de sistemas de desenfumagem é a necessidade de garantir que as zonas de comunicação se mantêm sem fumo durante um lapso de tempo tal que permita a evacuação dos ocupantes. As zonas de comunicação podem ser agrupadas em dois casos de características distintas, a saber: a) as comunicações verticais, como sejam as caixas de escada; b) as comunicações horizontais, que incluem os corredores. 31