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

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1 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. Caldas 1 ; 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: 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.

2 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 :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.

3 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. A B C 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 :2002 considerando como carga de incêndio os móveis, aparelhos e outros objetos do dormitório incendiado.

4 Taxa de calor liberado (kw) Tempo (min) Figura 2 Taxa de calor liberado (EN :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 Q = 10 t (1) α onde Q é o calor liberado, em W, t é o tempo em s e t α 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 3,25 2,65 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 ( Peso H ) 6372,23 3,25 2,65 u i i q = = = A 740MJ/m 2. (2) Tabela 1 - Carga de incêndio no dormitório. Material Peso Potencial* (kg) calorífico, Hu (MJ/kg) Armário 66,5 17,5 Brinquedos Colchão casal Colchão solteiro 12,6 25 Cômoda 52,15 17,5 Rádio 1,4 40 Roupas Tri-cama 85,1 17,5 Televisor 7,64 40 * Valores obtidos do EN :2002

5 O valor alcançado, 740 MJ/m², é próximo à média prescrita pelo EN :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: 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. Temperatura ºC Figura 3 Pontos de monitoramento e gráfico das temperaturas. (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) Tempo (min) 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. Acrescentado após o incêndio (a) Figura 4 Danos no apartamento: (a) janela do dormitório, e (b) teto do banheiro, sem o forro de PVC. (b)

6 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.

7 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 :2006, EN :2004) o que totaliza um limite de 160ºC considerando a temperatura inicial de 20ºC.

8 Temperatura ºC 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 :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 :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 :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-

9 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. 7 BIBLIOGRAFIA Bonitese, K.V., Segurança Contra Incêndio em Edifício Habitacional de Baixo Custo Estruturado em Aço. Dissertação de mestrado, DEES, EE-UFMG. Caldas, R.B., Análise Numérica de Estruturas de Aço, Concreto e Mistas em Situação de Incêndio. Tese de doutorado, DEES, EE-UFMG. Caldas, R.B., Fakury, R.H., Sousa Jr., J.B.M., Pannoni, F.D., A Utilização de Métodos Avançados de Cálculo para a Análise de Pisos Mistos de Aço e Concreto em Situação de Incêndio. XXXII Jornadas Sulamericanas de Engenharia Estrutural. Cadorin, J. F., Franssen, J. M., Software OZONE, versão 2.2, Liège. Corpo de Bombeiros da Policia Militar do Estado de São Paulo, º BO/PM, n EN :2002. Eurocode 1: Actions on Structures, Part 1.2: General Actions, Actions on Structures Exposed to Fire. European Committee for Standardization. EN :2004. Eurocode 2: Design of Concrete Structures, Part 1.2: General Rules, Structural Fire Design. European Committee for Standardization. EN :2005. Eurocode 6: Design of Mansory Structures, Part 1.2: General Rules, Structural Fire Design. European Committee for Standardization. Ewer, J., Jia, F., Grandison, A., Galea, E. and Patel, M., SMARTFIRE V4.0 User Guide and Technical Manual, University of Greenwich, UK. Corpo de Bombeiros da Policia Militar do Estado de Minas Gerais, IT-09 Carga de Incêndio nas Edificações e Áreas de Risco. Corpo de Bombeiros da Policia Militar do Estado de Minas Gerais, IT-07 Compartimentação Horizontal e Compartimentação Vertical. Corpo de Bombeiros da Policia Militar do Estado de São Paulo, IT-14 Carga de Incêndio nas Edificações e Áreas de Risco. Corpo de Bombeiros da Policia Militar do Estado de São Paulo, IT-09 Compartimentação Horizontal e Compartimentação Vertical. Simulia Corp, Software ABAQUS/CAE, versão 6.7, Dassault Systèmes Simulia Corp., USA. ABNT NBR 14432:2000. Exigências de Resistência ao Fogo de Elementos Construtivos de Edificações. Associação Brasileira de Normas Técnicas. 8 DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.