3as Jornadas de Segurança aos Incêndios Urbanos Universidade de Coimbra- Portugal 28 de Maio de 2013

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1 3as Jornadas de Segurança aos Incêndios Urbanos Universidade de Coimbra- Portugal 28 de Maio de 2013 COMPARAÇÃO DA APLICAÇÃO DE UMA REGULAMENTAÇÃO DE SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIOS BASEADA NO DESEMPENHO COM UMA DE NATUREZA PRESCRITIVA Álvaro Ferreira * Mestre UC - Coimbra Portugal. João Paulo C. Rodrigues Professor, Universidade de Coimbra, Portugal. António Moura Correia Professor Instituto Politécnico de Coimbra, Portugal. SUMÁRIO Esta comunicação aborda a segurança contra incêndios com base no desempenho do edifício, ou seja usando uma engenharia de segurança contra incêndios. Foi avaliado o impacto entre uma abordagem com base no desempenho, e a abordagem com base na regulamentação atual de segurança contra incêndios em Portugal de natureza prescritiva. Foram analisadas as suas características, as suas diferenças assim como os pontos fortes e fracos de cada um. Palavras-chave: desempenho, modelação, numérica, incêndio, resistência, evacuação. 1. INTRODUÇÃO Esta comunicação aborda um estudo sobre a segurança contra incêndios com base no desempenho de um edifício às solicitações de incêndio, ou seja usando a engenharia de segurança contra incêndios. É avaliado o impacto entre uma abordagem com base no desempenho, e uma abordagem com base na regulamentação atual de segurança contra incêndios em Portugal de natureza prescritiva. * Álvaro Gomes Ferreira Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. Rua Luís Reis Santos. Polo II da Universidade Coimbra. PORTUGAL. Telef.: alvaroferreiragomes@gmail.com 171

2 Álvaro Ferreira, João Paulo Rodrigues & António Correia A análise assenta principalmente na resistência ao fogo dos elementos estruturais, na evacuação e nos equipamentos e sistemas de segurança, visto serem dos aspetos mais relevantes e quantificáveis na segurança contra incêndios. No estudo baseado no desempenho, foram usados modelos avançados de cálculo para a simulação do incêndio, para a evacuação e para a análise estrutural. São identificadas e comparadas as medidas e alterações a implementar nos dois métodos. Uma análise económica é também realizada analisando comparativamente as soluções obtidas. 2. CASO DE ESTUDO O edifício em estudo é um hotel com 5 pisos e uma área aproximada de 1600 m 2 constituído por (um piso abaixo do plano de referencia, o rés do chão e mais quatro pisos acima do plano de referencia). Foi realizada uma avaliação de acordo com a regulamentação atual de segurança aos incêndios e projetou-se o edifício cumprindo os requisitos que são exigidos para esta utilização tipo. Foi também verificada a resistência ao fogo dos elementos estruturais, através dos métodos simplificados de acordo com os Eurocódigos [2, 3]. As metas consideradas no estudo foram a segurança dos ocupantes e a proteção da propriedade. Estas metas são refinadas em dois objetivos de segurança contra incêndio, em que o primeiro é o das pessoas serem capazes de evacuar o edifício antes que as condições insustentáveis possam ocorrer nos cenários de incêndio considerados, e a segunda é que o incêndio não propague a partir do compartimento de origem [1]. A partir deste objetivo, definiram-se os cenários de incêndio e determinaram-se os respetivos incêndios de cálculo. As curvas de incêndio foram então introduzidas no modelo de campo FDS (Fire Dynamics Simulator) e efetuadas as simulações que permitiram analisar a propagação do fumo e das chamas ao longo do edifício nos diferentes cenários. O modelo base do edifício foi concebido de modo a poder suportar as diversas variações que caracterizam os diversos cenários simulados. Numa tentativa de diminuir os tempos de simulação, a modelação do edifício resumiu-se às vias horizontais e verticais de evacuação, e os respetivos compartimentos de cada cenário, numa parte do edifício conforme se pode verificar na Figura 1. Relativamente às caraterísticas da malha a adotar, considerou-se uma malha de cálculo com a mesma dimensão aplicada em todo o modelo com células cúbicas de 0.40m de lado, nos 3 eixos (x, y, z). Nas simulações do modelo, foram colocados dispositivos de controlo das propriedades dos fumos junto aos diversos compartimentos de incêndio e junto às portas de acesso às escadas em todos os pisos. 172

3 Comparação da aplicação de uma regulamentação de segurança contra incêndios baseada no desempenho com uma de natureza prescritiva Figura 1 Modelo base do edifico em estudo A identificação das portas e compartimentos no piso 0 e nos pisos 1, 2, 3 e 4 encontram-se representadas na Figura 2. Figura 2 Localização dos dispositivos de controlo no piso 0 e no piso 1. Cenários de incêndio Os cenários de incêndio considerados foram, um incêndio no quarto, no bar e na receção do hotel, encontrando-se descritos no Quadro 3, Quadro 4 e Quadro 5 respetivamente. Quadro 3 Resumo dos cenários de incêndio no quarto de hotel no piso 1 CENARIOS HRRPUA [kw/m2] Afogo [m2] [kw] Desenfumagem* Não Não Sim Sim Sprinklers Não Não Sim Sim Compartimentação Sim Não Sim Não *Desenfumagem das circulações horizontais e átrio 173

4 Álvaro Ferreira, João Paulo Rodrigues & António Correia Quadro 4 - Resumo dos cenários de incêndio no bar do hotel. CENARIOS HRRPUA [kw/m2] Afogo [m2] [kw] Desenfumagem* Não Não Sim Sim Sprinklers Não Não Sim Sim Compartimentação Sim Não Sim Não *Desenfumagem das circulações horizontais e átrio Quadro 5 - Resumo dos cenários de incêndio na receção do hotel CENARIOS HRRPUA [kw/m2] Afogo [m2] [kw] Desenfumagem* Não Não Sim Sim Sprinklers Não Não Sim Sim Compartimentação Sim Não Sim Não *Desenfumagem das circulações horizontais e átrio As curvas das taxas de libertação de calor obtidas para o quarto de hotel, o bar e a receção considerando uma falha no sistema de aspersão, podem ser encontradas na Figura 3, 4 e 5.. Quarto de Hotel HRR [kw] Tempo [s] HRR Inicial [kw] Figura 3 - Curva da taxa de libertação de calor no quarto com a falha dos sprinklers 174

5 Comparação da aplicação de uma regulamentação de segurança contra incêndios baseada no desempenho com uma de natureza prescritiva Bar HRR [kw] Tempo [s] HRR Inicial [kw] Figura 4 - Curva da taxa de libertação de calor no bar com a falha dos sprinklers Recepçao do Hotel HRR [kw] Tempo [s] HRR Inicial [kw] Figura 5 - Curva da taxa de libertação de calor na receção com a falha dos sprinklers Fim do incêndio Os tempos para a combustão total de cada um dos compartimentos encontram-se resumidos no Quadro 6: Quadro 6 Tempo para a combustão total de cada um dos compartimentos Quarto Bar Receção Tempo para a combustão total do compartimento 1510 Segundos (25 minutos) 1650 Segundos (28 minutos) 1900 Segundos (32 minutos) Foi efetuada uma análise da resistência ao fogo dos elementos da estrutura através do programa de elementos finitos, ABAQUS. Para tal, utilizou-se a curva de temperaturas obtida no FDS no compartimento mais desfavorável como ação térmica e definiram-se os materiais constituintes dos elementos estruturais em função da temperatura. 175

6 Álvaro Ferreira, João Paulo Rodrigues & António Correia O estudo da evacuação foi efetuado com o software Pathfinder que permite determinar os esquemas de evacuação de pessoas e avaliar zonas de potencial congestionamento de pessoas durante o processo de evacuação, assim como prever o tempo necessário para evacuar um edifício. Desta forma calculou-se o tempo de evacuação de todo o edifício, assim como de cada piso, por forma a verificar em ambas as situações se as condições insustentáveis eram atingidas antes de os ocupantes evacuarem. 3. RESULTADOS 3.1 Resistência ao fogo de elementos estruturais Na parte que respeita à resistência ao fogo dos elementos estruturais pelo regulamento prescritivo, constatou-se que as vigas e as lajes resistem ao fogo para o tempo especificado de 90 minutos. Já os pilares não verificaram a resistência ao fogo para esse escalão de tempo (90 minutos). No estudo com base no desempenho, constatou-se que os elementos estruturais verificaram a resistência à exposição ao incêndio para o tempo total de combustão do compartimento onde estão inseridos. A duração do incêndio considerada foi estabelecida de acordo com os resultados do tempo total de combustão do compartimento do quarto com a falha dos sprinklers. Os resultados apontam para uma duração do incêndio de cerca de 30 minutos como se pode constatar na Figura 3 e no Quadro 4. A temperatura máxima obtida de 725 ºC como se pode verificar pela Figura 6 foi obtida apos a simulação com o FDS utilizando a curva da taxa de libertação de calor da Figura 3. QUARTO THCP 2,5 m [ºC] Tempo [s] Cenario 1 Figura 6 Curva da ação térmica no compartimento do quarto Na Figura encontra-se representado o modelo numérico introduzido no programa Abaqus de uma parte da estrutura onde se encontra o compartimento do quarto sujeito á ação do incêndio. 176

7 Comparação da aplicação de uma regulamentação de segurança contra incêndios baseada no desempenho com uma de natureza prescritiva Figura 7 - Modelo numérico introduzido no programa Abaqus Os valores máximos das tensões e extensões normais na direção x da viga são apresentados no Quadro 7. Variável Analisada Quadro 7 Valores máximos das tensões e extensões na viga Aço Betão Tração Compressão Tração Compressão Tensão em x 25,2191 MPa -26,9271 MPa 1, MPa -5,1995 MPa Extensão em x 0.17 º/ º/ º/ º/00 Na Figura 8 encontra-se representada a distribuição de temperaturas na viga submetida à ação do incêndio. Figura 8 Distribuição de temperaturas na viga Os valores máximos das tensões e extensões normais na direção x da laje são apresentados no Quadro 8 e a distribuição das tensões e extensões no elemento na Figura 9.. Quadro 8 Valores máximos das tensões e extensões na laje Aço Betão Variável Analisada Tração Compressão Tração Compressão Tensão em x 9,9958 MPa -12,4118 MPa 1,5929 MPa -3,0753 MPa Extensão em x 0.07 º/ º/ º/ º/00 177

8 Álvaro Ferreira, João Paulo Rodrigues & António Correia Figura 9 Tensões (S11) e extensões (E11) normais na direção x da laje Na Figura 10 encontra-se representada a distribuição de temperaturas na laje. Figura 10 - Distribuição de temperaturas na laje Os valores máximos das tensões normais na direção x do pilar são apresentados no Quadro 9. Quadro 9 Valores máximos das tensões no pilar Aço Betão Variável Analisada Compressão Compressão Tensão em x -42,1267 MPa -6,8520 MPa Extensão em x 0.19 º/ º/00 De acordo com as análises anteriores, pode verificar-se que os elementos de betão submetidos às ações térmicas do incêndio continuam a apresentar tensões inferiores às tensões de rotura do betão à compressão. Também, podemos verificar que as armaduras de tração nos diferentes elementos apresentam tensões muito inferiores à tensão de cedência do aço. Verificou-se também que as tensões tendem a concentrar-se no interior dos elementos de betão devido à perda de resistência nas faces expostas à ação térmica. 178

9 Comparação da aplicação de uma regulamentação de segurança contra incêndios baseada no desempenho com uma de natureza prescritiva Relativamente à laje e à viga, podemos constatar que as tensões máximas de tração no betão atingem valores ligeiramente superiores à tensão de rotura do betão à tração na zona dos apoios. Esta situação poderá originar ao aparecimento de fissuras. Em relação às extensões máximas obtidas no betão e no aço, de uma forma geral estas apresentam valores muito inferiores aos valores da tensão máxima de rotura. No Quadro 10 é apresentada uma comparação da qualificação em termos de resistência ao fogo entre o estudo com base no desempenho e o de natureza prescritiva. Quadro 10 - Resistência ao fogo dos elementos de construção Funções dos elementos Desempenho Prescritivo Suporte R 30 R 90 Suporte mais compartimentação REI 30 REI 90 Verifica-se uma redução significativa do escalão de tempo requerido aos elementos com funções de suporte considerando o estudo baseado no desempenho Evacuação A conceção arquitetónica do edifício em estudo é favorável à evacuação tanto no cumprimento dos requisitos preconizados pelo regulamento prescritivo como pelos estudos a nível de evacuação efetuados com base no desempenho do edifico ao incêndio. No estudo da evacuação, os tempos totais de evacuação do edifício, nos diferentes cenários nos vários compartimentos, apresentaram diferenças significativas quando se considerou a saída direta para o exterior pelas escadas. Esta solução revelou-se muito importante quando considerados os incêndios na receção do hotel e no bar devido á propagação dos fumos e das chamas para o hall de entrada onde se encontra a saída principal do edifício dificultando assim a saída dos ocupantes em segurança. Assim com as saídas diretas para o exterior nas escadas, todos os ocupantes dos pisos superiores, podem evacuar em segurança diretamente para o exterior sem terem de entrar outra vez para uma zona onde existe a possibilidade de se encontrar condições insustentáveis devido a um incêndio num dos quartos do rés-do-chão. O isolamento do átrio em relação às vias horizontais de evacuação revela-se também determinante para a evacuação segura dos ocupantes em todos os pisos para as vias verticais de evacuação. 179

10 Álvaro Ferreira, João Paulo Rodrigues & António Correia 3.3. Equipamentos e sistemas de segurança Na análise com base no desempenho, verificou-se que fazendo um controlo de fumos com recurso a meios passivos no átrio do hotel, as condições de segurança contra incêndio continuavam a verificar-se desde que o átrio esteja isolado das vias horizontais de evacuação ao longo dos pisos. Relativamente aos meios de intervenção, a única diferença entre os dois estudos é a instalação da rede seca em vez da rede húmida prevista na regulamentação prescritiva. Considerou-se que o edifício protegido pelo sistema automático de extinção e pelos meios de primeira intervenção encontra-se devidamente protegido contra o incêndio e que os bombeiros, irão utilizar o seu próprio equipamento de intervenção. Os meios de extinção a instalar no interior do edifício para os dois estudos estão identificados no Quadro 11: Quadro 11 - Síntese dos meios de extinção UT 1ª Intervenção 2ª Intervenção Outros meios Extintores RIA BI Rede seca Rede húmida BI Sprinklers Prescritivo UT II Sim Sim Carretel Não Não - Não UT VII Sim Sim Carretel Não Sim - Sim Performance UT II Sim Sim Carretel Não Não - Não UT VII Sim Sim Carretel Sim Não - Sim No Quadro 12 é apresentada uma síntese dos requisitos mínimos dos meios de extinção, assim como a potência mínima do grupo hidropressor a instalar. Quadro 12 - Quadro síntese dos requisitos mínimos dos meios de extinção Meios de Caudal Altura manometria Potência Reserva de água intervenção (l/s) total (m) Cv kw Prescritivo 25,17 57,32 25,88 19,03 90 m3 Performance 9,17 57,32 8,05 5,92 17 m3 O grupo hidropressor será então dimensionado para um caudal de 25,17 l/s e para uma altura manometria de 57,32 mca, resultando numa potência de 19,03 kw para o estudo prescritivo. 180

11 Comparação da aplicação de uma regulamentação de segurança contra incêndios baseada no desempenho com uma de natureza prescritiva Para o estudo com base no desempenho, o grupo hidropressor será dimensionado para um caudal de 9,17 l/s e para uma altura manometria de 57,32 mca, resultando numa potência de 5,92 kw Será instalada uma reserva com 90 m3 para fornecer água aos sistemas de extinção que se consideram em funcionamento em simultâneo, por um período de 60 minutos para o estudo prescritivo. Para o estudo com base no desempenho podemos considerar uma reserva com 17 m3 para fornecer água aos sistemas de extinção que se consideram em funcionamento em simultâneo, por um período de 30 minutos. 4. ANÁLISE ECONÓMICA É apresentada na Figura 11 um gráfico das percentagens correspondentes a cada especialidade e o seu impacto no custo da implementação da segurança contra incêndios de base prescritiva e com base no desempenho. 5% 16% Impacto das medidas Prescritivas 46% 5% 9% 19% Sinalização e Iluminação de emergência Sistema de detecção, alarme e alerta 18% Impacto das medidas Desempenho 46% 5% 10% 21% Sinalização e Iluminação de emergência Sistema de detecção, alarme e alerta Figura 11 - Impacto económico das medidas contra incêndio Podemos verificar que a maior fatia corresponde aos meios de intervenção, com uma percentagem de 46% tanto nas medidas prescritivas como nas com base no desempenho. O sistema de controlo de fumo representa a segunda maior fatia com 19% nas medidas prescritivas e 21% nas medidas com base no desempenho. Na Figura 12 é apresentado o impacto das medidas de segurança contra incêndios em relação ao custo total do edifício. 181

12 Álvaro Ferreira, João Paulo Rodrigues & António Correia Impacto economico das medidas de seguranca contra incendio 06% 05% Prescritivas Desempenho Figura 12 Impacto económico das medidas de segurança contra incêndio A diferença entre a aplicação das medidas de segurança contra incêndio prescritivas e com base no desempenho é aproximadamente de 0.6 % para o edifico em estudo. 5. CONCLUSÕES Considera-se que o Hotel cumpre na generalidade as condições gerais de segurança contra incêndio do regulamento prescritivo, no entanto existem questões chave que devem ser mitigadas. A definição da curva de incêndio padrão é feita de um modo simplificado com um crescimento contínuo, não se considerando a fase inicial nem a fase de arrefecimento, o que pode originar a um sobredimensionamento da estrutura, para uma situação real de incêndio. A verificação de todos os elementos da estrutura aos requisitos de resistência ao fogo pode levar a um sobredimensionamento e consequentemente um aumento dos custos, visto que pode existir zonas do edifício em que esses requisitos podem não ser necessários. No estudo com base no desempenho do edifício a um incêndio, a principal conclusão que se tira deste trabalho é que esta forma de abordagem permite uma melhor visualização e compreensão das medidas a implementar para a proteção em caso de incêndio. Um estudo com base no desempenho permite a adoção de medidas específicas ao edifício em causa de acordo com as suas condicionantes e características próprias. REFERÊNCIAS [1] Hadjisophocleous, G., & Benichou, N. (1997). Fire Safety Design Guidlines for Federal Buildings. Canada. [2] NP EN (2010). Eurocódigo 1 Ações em estruturas Parte 1-2: Ações gerais Ações em estruturas expostas ao fogo, IPQ. [3] NP EN (2010). Eurocódigo 2 Projeto de estruturas de betão Parte 1-2: Regras gerais Verificação da resistência ao fogo, IPQ. [4] Ferreira, A. G. (2012). Comparação da aplicação de uma regulamentação de segurança contra incêndios baseada no desempenho com a de uma de natureza prescritiva, Tese de Mestrado em Segurança aos Incêndios Urbanos, Universidade de Coimbra, Portugal. 182