E BOOK MANUAL BOAS PRATICAS by iengenharia

INSTITUTO DE ENGENHARIA

DIVISÃO TÉCNICA DE ENGENHARIA DE INCÊNDIO

MANUAL DE BOAS PRÁTICAS PARA A REALIZAÇÃO

São Paulo 2025

Divisão Técnica de Engenharia de Incêndio

Manual de Boas Práticas para a realização de Simulação Computacional na Engenharia de Incêndio

Este trabalho apresentado pela Divisão Técnica de Engenharia de Incêndio ao Instituto de Engenharia possui o objetivo de orientar profissionais que atuam na área de Segurança Contra Incêndio. Os termos e definições relacionadas com a Engenharia de Incêndioutilizados neste“Manual deBoas Práticas”, estáem consonância com o Decreto nº 69.118/2024, notadamente em sua Instrução Técnica 03 - de Terminologia de Segurança Contra Incêndio, do Corpo de Bombeiros de São Paulo.

São Paulo 2025

Sobre o Instituto de Engenharia

O Instituto de Engenharia, fundado em 13 de outubro de 1916, é uma sociedade civil sem fins lucrativos com mais de 100 anos de tradição, credibilidade e comprometimento com o desenvolvimento do Brasil.

Reúne engenheiros e profissionais que atuam no mercado da Engenharia, firmandose como a principal organização que representa o setor com isenção.

O Instituto de Engenharia realiza estudos e debates temáticos para direcionar o desenvolvimento do País em áreas estratégicas como Energia, Mobilidade, Logística, Infraestrutura, Tecnologia e Agronegócios.

Com foco na educação continuada, a organização realiza ações como seminários, cursos e palestras, além de visitas técnicas e publicações de conteúdo para promover a troca de informações e o networking entre os profissionais do setor, bem como a valorização da Engenharia e dos avanços científicos e tecnológicos do País.

Seu Corpo Técnico, constituído por um quadro associativo voluntário e especializado, conta com 34 Divisões Técnicas. O Instituto de Engenharia promove diversos projetos com o compromisso de estimular a Engenharia em benefício do desenvolvimento e da qualidade de vida da sociedade.

A Divisão Técnica de Engenharia de Incêndio

A Divisão Técnica de Engenharia de Incêndio tem a honra de desenvolver o primeiro documento voltado para a consolidação de boas práticas na simulação computacional com o uso de CFD (Computational Fluid Dynamics) para a Engenharia de Incêndio. Assim sendo, este documento torna-se um marco histórico, que poderá nortear o pleno e necessário desenvolvimento da Engenharia de Incêndio no Brasil.

A Divisão Técnica de Engenharia de Incêndio é a responsável pela elaboração, consolidação, aprimoramento e atualizações constantes deste documento denominado de: “Manual de Boas Práticas para a Realização de Simulação Computacional ne Engenharia de Incêndio”.

A Divisão Técnica de Engenharia de Incêndio possui, no momento do lançamento deste documento, a seguinte constituição:

Coordenador da Divisão Técnica: Engenheiro Carlos Cotta Rodrigues

Vice Coordenador: Engenheiro José Félix Drigo

Secretário: Engenheiro Silvio Paulo Piga

Membros: Engenheiros Arthur Garuti e Francisco Sbalchiero

Apoio Técnico: Engenheiros Guilherme Lima da Silva e Pedro Villela

RESUMO

Computational Fluid Dynamics (CFD) é uma tecnologia essencial no mundo moderno que utiliza computadores com grande capacidade de processamento e programas sofisticados para simular o comportamento de fluidos (líquidos e gases), substituindo testes físicos caros, como: “túneis de vento” para avaliação de resistência estrutural de edificações altas ou critérios de controle da movimentação da fumaça e calor em grandes ambientes (armazéns, aeroportos, estações metroviárias e túneis), por modelos virtuais. Aplicada em áreas como automotiva, aeroespacial, energia e biomedicina, o CFD prevê fluxo, pressão e temperatura para otimizar produtos e processos, além de proteção à vida.

A aplicação da Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) na engenharia de segurança contra incêndio representa uma abordagem numérica rigorosa para a resolução de equações diferenciais parciais que descrevem o comportamento de fluidos, a transferência de calor e o movimento de fumaça no ambiente construído. O foco científico central destas simulações é a manutenção do “Tenability”, que serve como o parâmetro fundamental para a proteção à vida. Ao simular variáveis como visibilidade, temperatura, radiação térmica e doses equivalentes fracionadas (FED) de gases tóxicos, o CFD permite uma análise detalhada de ASET vs. RSET (Available vs. Required Safe Egress Time), garantindo que os ocupantes alcancem um local seguro antes que as condições ambientais se tornem insuportáveis. Esta análise rigorosa e preventiva estende-se à proteção do patrimônio, uma vez que os modelos avaliam o comportamento da camada de fumaça e o impacto térmico na estabilidade estrutural, prevenindo a propagação do incêndio e assegurando a integridade dos ativos em espaços de grande volume (armazéns, silos, túneis, aeroportos, metrôs, teatros, átrios ou ambientes complexos).

O CFD também elimina o risco de danos estruturais associados a testes físicos de fumaça quente eparaassegurar queos resultados permaneçam cientificamenterobustos, nãosendo mascarados por representações gráficas meramente ilustrativas. As diretrizes exigem controle estrito para garantir a qualidade, com a utilização de softwares robustos e certificados internacionalmente, capacidade computacional para tempos de simulação adequados à análise de riscos e ao ASET, confecção de modelos e de malhas consistentes com os cenários de incêndio, taxas de liberação de calor e curvas de crescimento de incêndio adequadas, incluindo o monitoramento de resíduos numéricos (visando a convergência) e a execução de uma revisão independente de terceiros, para validar as premissas e conclusões de segurança.

Em última análise, o trabalho demostra que o CFD não é uma ferramenta de projeto autônoma, mas um método preditivo que exige profundo conhecimento, por parte dos profissionais especializados envolvidos, da física do fogo, para simular com precisão eventos do mundo real.

Palavras-chave: Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD); Tenabilidade; Controle da Movimentação da Fumaça e Calor; Projeto Baseado em Desempenho; Tempo de Saída Seguro Disponível vs. Requerido (ASET vs. RSET); Taxa de Liberação de Calor (HRR); Malha Computacional; Revisão Qualitativa de Projeto (QDR); Condições de Contorno; Engenharia de Incêndio

Manual elaborado pela Divisão Técnica de Engenharia de Incêndio em setembro de 2025, podendo ser ajustado e atualizado a qualquer tempo Cópia integral ou parcial é proibida sem prévia autorização do Instituto de Engenharia.

ABSTRACT

Computational Fluid Dynamics (CFD) is an essential technology in the modern world that employs high-performance computers and sophisticated software to simulate the behavior of fluids (liquids and gases), thereby replacing costly physical tests such as wind tunnel experiments for assessing the structural resistance of high-rise buildings or evaluating smoke and heat control criteria in large enclosures (warehouses, airports, metro stations, and tunnels) with virtual models. Applied in sectors such as automotive, aerospace, energy, and biomedicine, CFD predicts flow, pressure, and temperature in order to optimize products and processes, as well as to enhance life safety.

The application of Computational Fluid Dynamics (CFD) in fire safety engineering represents a rigorous numerical approach to solving the partial differential equations that describe fluid behavior, heat transfer, and smoke movement in the built environment. The central scientific focus of these simulations is the maintenance of “tenability”, which serves as the fundamental parameter for life safety. By simulating variables such as visibility, temperature, thermal radiation, and fractional effective doses (FED) of toxic gases, CFD enables a detailed assessment of ASET versus RSET (Available versus Required Safe Egress Time), ensuring that occupants reach a place of safety before environmental conditions become untenable. This rigorous and preventive analysis also extends to property protection, as the models evaluate smoke layer behavior and the thermal impact on structural stability, thereby preventing fire spread and safeguarding asset integrity in large-volume spaces (warehouses, silos, tunnels, airports, metro systems, theatres, atria, and other complex environments).

CFD also eliminates the risk of structural damage associated with hot-smoke physical tests and ensures that the results remain scientifically robust, rather than being obscured by merely illustrativegraphicalrepresentations. Current guidelines requirestrict quality control, including the use of robust, internationally certified software; computational capacity compatible with simulation times appropriate to risk analysis and ASET; the development of models and meshes consistent with the relevant fire scenarios, heat release rates, and fire growth curves; continuous monitoring of numerical residuals (to ensure convergence); and the execution of an independent third-party review to validate safety assumptions and conclusions.

Ultimately, the study demonstrates that CFD is not an autonomous design tool, but rather a predictive method that demands, from the specialized professionals involved, a profound understanding of fire physics in order to accurately simulate real-world events.

Keywords: Computational Fluid Dynamics (CFD); Tenability; Smoke Control; PerformanceBased Design; Available Safe Egress Time vs. Required Safe Egress Time (ASET vs. RSET); Heat Release Rate (HRR); Computational Mesh (or Grid); Qualitative Design Review (QDR); Boundary Conditions; Fire Safety Engineering.

3.3

3.4

3.7

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1- Ansys Simulação fluente de um estudo aerodinâmico externo de uma aeronave comercial. Fonte: https://www.ansys.com/simulation-topics/what-is-computational-fluiddynamics.......................................................................................................................14

Figura 2- Um modelo de driver resolvido usando o solucionador de GPUAnsys Fluent. 14

Figura 3- Um estudo de combustão realizado noAnsys Fluen. 15

Figura 4- Fonte: Carlos Cotta Engenharia (2023). Na imagem apresentamos um exemplo resumidode aplicaçãodasimulaçãonaEngenhariacom o usodeCFD. Nestecasoretratado, mostramos a solução de Engenharia, que aumentou a coleta de partículas em 70%. 16

Figura 5- Fonte: Carlos Cotta Engenharia (2023). Nessa imagem apresentamos outro exemplo de sucesso nas competições de Stock-Car, competição automobilística, sendo que com a simulação com o uso de CFD, conseguimos, com as mudanças aerodinâmicas, o resultado de diminuição de tempo em curvas, frenagens e nas retas. Assim, tais mudanças diminuíram o tempo de volta em relação aos demais veículos. .......................................17

Figura 6 Fonte: Carlos Cotta Engenharia (2023). Outro exemplo de sucesso na simulação da dispersão de poluentes para grande área na circunvizinhança. Tal estudo está servindo de embasamento técnico perante órgãos ambientais. 18

Figura 7-Tabela com estimativa atual (2025) de alguns tipos de simulação computacional com uso do CFD 19

Figura 8- Exemplo de simulação com CFD para estrutura metálica 21

Figura 9- Exemplo de etapas com descrição da gestão de simulação computacional com o uso de CFD...................................................................................................................22

Figura 10- Um exemplo da distribuição de carros dentro de um modelo de estacionamento (notem que os carros, frequentemente, são representados satisfatoriamente por simples blocos) – Foto do SCA guidance on CFD analysis for Smoke Control design in Buildings48

Figura 11- Um exemplo de malha não retilínea em um teto, demonstrando a redução do tamanho da malha nas vizinhanças da fonte do incêndio e o aumento do tamanho da malha na circunvizinhança e limites estabelecidos. - Foto do SCA guidance on CFD analysis for Smoke Control design in Buildings 51

Figura 12- Um exemplo (utilizando FDS) de malha retangular em um grande estacionamento. Fonte: Foto do SCA guidance on CFD analysis for Smoke Control design in Buildings ....52

Figura 13 - Detalhe da produção de fumaça e distribuição das gotas do sistema de sprinklers - Fonte: Foto do SCA guidance on CFD analysis for Smoke Control design in Buildings ..55

Figura 14-Imagem mostrando movimentação do ar ao longo do tempo em estacionamento residencial. Fonte: Foto do SCA guidance on CFD analysis for Smoke Control design in Buildings

Figura 15- Visão em corte do posicionamento de ventiladores do tipo “jet fans”, bem como as velocidades dos fluxos na entrada e saída. Fonte: Foto do SCA guidance on CFD analysis for Smoke Control design in Buildings 63

Figura 16- Visão em corte, mostrando o controle da movimentação da fumaça, a qual evitou sua propagação para a escada de segurança, a partir de seu corredor de acesso. Fonte: Foto do SCA guidance on CFD analysis for Smoke Control design in Buildings 64

Figura 17- Fonte: Carlos Cotta Engenharia. Corte identificando os pavimentos a serem simulados com gradiente de pressão suficiente para não permitir a propagação da fumaça para os demais pavimentos ...........................................................................................66

Figura 18 - Critério da NFPA-92 a respeito do gradiente de pressão ...............................67

Figura 19- Fonte: Carlos Cotta Engenharia. Exemplo de modelagem, considerando as áreas de escape em todas as paredes e lajes..........................................................................

Figura 20- Fonte: Carlos Cotta Engenharia. Imagem em 3D com todas as áreas de escape e todo volume 69

Figura 21- Fonte: Carlos Cotta Engenharia. Malhas geradas de toda edificação e dos cenários de incêndio estabelecidos................................................................................69

Figura 22- Fonte: Carlos Cotta Engenharia. Demonstração dos dutos e das velocidades de ar para extração 70

Figura 23- Fonte: Carlos Cotta Engenharia. Alguns fluxos de ar por frestas de portas e aberturas. 71

Figura 24- Fonte: Carlos Cotta Engenharia. Imagem do volume considerado no entorno do edifício para o estudo do "Efeito Vento" - 1 Bilhão de metros cúbicos foram gerados.......72

Figura 25- Fonte: Carlos Cotta Rodrigues. Estudo do efeito vento ao redor de toda edificação e 72

Figura 26- Fonte: Carlos Cotta Engenharia. Um dos critérios de "tenability " avaliado após 167 segundos do total de 2400 segundos simulados......................................................73

Figura 27 – Fonte: Carlos Cotta Engenharia. Um dos critérios de "tenability" avaliado após 167 segundos do total de 2400 segundos simulados (agora em plantas baixa) 73

Figura 28- Fonte: Carlos Cotta Engenharia. Visão em corte, mostrando a velocidade de ar por todo shopping Mall. Fonte: Foto do SCA guidance on CFD analysis for Smoke Control design in Buildings. 80

Figura 29-Curva típica de incêndios com suas fases esperadas. 85

Figura 30 - Diversas curvas de crescimento de incêndio. Fonte: FONTE: SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 2016, Morgan J. Hurley, Editor-in-Chief, Fifth Edition 86

Figura 31- Variações nas curvas de crescimento de incêndio com sprinklers - FONTE: SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 2016, Morgan J. Hurley, Editor-in-Chief, Fifth Edition 86

Figura 32- Taxa de obscurecimento de diversos tipos de detectores. ..............................88

Figura 33-Critérios de temperatura conforme NFPA-92...................................................88

Figura 34- Critérios de concentração de Monóxido de Carbono conforme NFPA-92 89

Figura 35- FONTE: SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 2016, Morgan J. Hurley, Editor-in-Chief, Fifth Edition. 90

Figura 36- Diversos tipos de curvas de crescimento de incêndio 91

Figura 37- Conceito de manutenção de “camada livre de fumaça”. Fonte: Foto do SCA guidance on CFD analysis for Smoke Control design in Buildings .................................100

Figura 38 – Limitando o espalhamento da fumaça do incêndio utilizando-se de ventiladores do tipo “jet fans”, com objetivo de se manter o “tenability”. Fonte: Foto do SCA guidance on CFD analysis for Smoke Control design in Buildings.....................................................101

Figura 39 – Representação esquemática das diferentes modelos de soluções de turbulência, tais como: DNS, LES e RANS. Fonte: Foto do SCA guidance on CFD analysis for Smoke Control design in Buildings 122

Figura 40 – Exemplo das condições limites em uma porta (separando um apartamento e seu corredor de acesso). Fonte: Foto do SCA guidance on CFD analysis for Smoke Control design in Buildings 138

Figura 41 – Visão em corte mostrando a temperatura de um incêndio em paletes, em um depósito. .....................................................................................................................139

Figura 42 - Tenability relacionadas ao nível de exposição ao calor de incêndio 155

Figura 43(a)- Imagens de critérios de "tenability"..........................................................156

Figura 44(b)- Imagens de critérios de "tenability" 157

Figura 45(c)- Imagens de critérios de "tenability" ..........................................................157

Figura 46-"Tenability" para equipes de emergência.......................................................160

Figura 47-Tabela da NFPA para limites de "Tenability" 165

Figura 48- KLOTE (2012), Fonte: Carlos Cotta Engenharia (2023). A figura apresenta as diversas curvas de crescimento de incêndio “instável”, base da simulação, conforme critérios da NFPA 72 e NFPA 92. 170

Figura 49- KLOTE (2012), o autor (2023). A figura mostra a técnica adequada para mudança da curva de crescimento “instável” de incêndios, quando existe sistema de sprinklers como proteção do risco. 171

Figura 50- KLOTE (2012), autor (2023). A figura apresenta uma segunda opção de mudança de curva de crescimento do incêndio, passando de determinada curva de crescimento “instável” para manutenção da taxa de liberação de calor, utilizada nesta simulação somente após o incêndio alcançar a taxa de liberação de calor de 8MW. 171

Figura 51- Fonte: Carlos Cotta Engenharia (2023). Na figura se apresenta um exemplo de sequência de eventos esperados de toda a simulação, separado por 5 grandes grupos. T0 é o início da simulação como o início do incêndio, sendo considerado como o tempo após a estabilização de todo o sistema de ar-condicionado. O tempo T120 (120 segundos após o início do incêndio), como o tempo máximo para atuação do sistema de detecção e alarme de incêndio, quando o sistema de ar-condicionado deverá ser desligado e todas as portas para o exterior da edificação serão abertas automaticamente. O tempo T6 foi o tempo de ativação do sistema de sprinklers. O tempo T7 é o tempo T6 mais 30 segundos, que foi critério de segurança adotado para acionamento do sistema de controle da movimentação da fumaça e calor. O tempo T8 é o tempo em que a taxa de liberação de calor alcançou seu ponto máximo de 8MW, quando a curva de crescimento de incêndio passou de instável para estável, mantendo-se padrão com tal valor de liberação de calor..................................172

Figura 52- Fonte: Carlos Cotta Engenharia (2023). Na figura acima mostramos um quadro resumo de alguns softwares que possuímos autorização para utilização nas simulações apresentadas em CFD.................................................................................................172 Figura 53- Fonte: Carlos Cotta Engenharia (2023). Na figura se apresenta algumas linhas de corte utilizadas para a adequada visualização da simulação, bem como as linhas horizontais para identificação de alturas de referência para avaliação dos critérios de “tenability”. 173

Figura 54- Fonte: Carlos Cotta Engenharia (2023). Os gráficos acima são representações das curvas de crescimento do incêndio simulado (crescimento de incêndio na base “t2”), bem como suas mudanças de curva “FAST” para “MÉDIUM” e depois para constante (conforme critérios de boas práticas adotadas). O gráfico da direita mostra as variações de produção de CO2, CO e Fumaça. Todos os valores adotados também seguiram critérios da IT 15 do Corpo de Bombeiros de São Paulo. .............................................................................173

Figura 55-Fonte: Carlos Cotta Engenharia (2023). Na figura acima se verifica os tempos da simulação em segundos (0 segundos, 120 segundos, 330 segundos, 600 segundos, 1200 segundos, 1800 segundos e final da simulação aos 2400 segundos), todos relacionados com a evolução temperatura da camada de fumaça do incêndio simulado. Pode-se concluir, com base nas cores de referência, que a temperatura na altura de referência, ou seja entre 5 e 6 metros de altura, a partir do piso, nunca alcançou valores suficientes para agredir a população usuária (tenability alcançado).

174

a evolução, em partes por milhão do Monóxido de Carbono-CO, existente na camada de fumaça do incêndio simulado. Com a simulação foi demonstrado que não existe perigo de agressão para a população usuária, durante o tempo da simulação registrado. ............174

Figura 57- Fonte: Carlos Cotta Engenharia (2023). Na figura acima se verifica os tempos da simulação em segundos (0 segundos, 120 segundos, 330 segundos, 600 segundos, 1200 segundos, 1800 segundos e final da simulação aos 2400 segundos), todos relacionados com a visibilidade garantida para o abandono da população usuária. Nota-se através das cores que a visibilidade no nível estabelecido, cerca de 5 a 6 metros acima do piso, visibilidades acima de 10 metros, como previsto nas premissas iniciais. 175

Figura 58- Tabelas da IT-15, Parte 5: Tabela 10 - Dimensão do incêndio, Tabela 11 - Taxa de liberação de calor 176

1. INTRODUÇÃO

A Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD – Computational Fluid Dynamics) é uma técnica consolidada que utiliza métodos numéricos para a análise de problemas envolvendo escoamentos de fluidos.

As propriedades físicas que definem esse escoamento – como pressão, temperatura e velocidade – são variáveis dependentes dentro de um modelo matemático que descreve o comportamento do fluido. Esse modelo é representado por um sistema de equações diferenciais parciais (EDP), que definem o campo de escoamento em qualquer ponto do espaço.

O avanço contínuo da capacidade computacional tem tornado a CFD uma ferramenta cada vez mais acessível e amplamente utilizada por engenheiros, projetistas e pesquisadores, inclusive nas áreas de engenharia de incêndio e ventilação de fumaça. A execução de simulações CFD e a obtenção de resultados para um determinado cenário não representa, atualmente, uma tarefa tecnicamente complexa, graças à ampla disponibilidade de softwares comerciais especializados em CFD. Um exemplo de software gratuito que pode ser utilizado é o FDS (Fire Dynamics Simulator), que é gratuito utilizado com ênfase em simulações para “controle da movimentação da fumaça e calor”, o qual é de domínio público internacional, além do Smokeview, que é um programa utilizado para demonstrar os resultados visuais das simulações do FDS e do CFAST (Consolidated Fire and SmokeTransport) Tais programas podem ser obtidos a partir do site do NIST (National Institute of Standards and Technology), órgão vinculado com Departamento de Comércio dos Estados Unidos da América. Apesar de ser gratuito existem diversos manuais que o Engenheiro de Incêndio Modelador deverá estudar, para poder atender a todos os critérios e limitações apresentadas pelo NIST. Tais softwares não estão sujeitos à proteção de direitos autorais, estando em domínio público.

Para este “Manual de Boas Práticas”, recomendamos os seguintes programas abaixo:

a) Metacomp CFD++, que se trata de software de simulação de fluidos para aplicações gerais e específicas;

b) Tecplot 360EX, com a função de visualizador de resultados e pós-processador;

c) Ennova, software responsável por gerar malhas;

d) iChrome Nexus, software otimizador e gerenciador de tarefas complexas de integração entre CAD, CFD e FEA;

e) Femap – NxNastran, software de análise estrutural, pelo método de elementos finitos, para materiais lineares, com precisão e confiabilidade;

f) Adina – Structures, software de análise estrutural, pelo método de elementos finitos, para materiais lineares, não-lineares, grandes deformações, condições de contorno etc.

O hardware necessário para simulações de incêndio depende muito da complexidade e escala do modelo, sendo que as simulações de Engenharia de Incêndio para “controle da movimentação da fumaça e calor”, estudos de tenability, avaliação de gradiente de pressão e “pressurização de escadas de segurança para edificações maiores que 90 metros”, requerem no mínimo de 64 (sessenta e quatro) a 72 (setenta e duas) cores (ou 64 a 72 núcleos) com 512GB de memória RAM, com cache tridimensional.

Para demais outros casos, tais como estudos de resistência estrutural de edificações ou elementos estruturais específicos (tais como fachadas), tempo de abandono de população usuária de edificações e áreas de riscos, estudos do “efeito vento” para fachadas de edificações, conforto de pedestres (wind confort), “ilhas urbanas de calor”, estudos de HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) e dispersão de poluentes/qualidade do ar, estudos de incêndios envolvendo carros elétricos e estudos de “avalanche térmica” em tais baterias, podem requerer Hardwares mais poderosos que os retrocitados.

Todas estas exigências estão atreladas à necessidade da realização de diversas avaliações técnicas, refinadas em um mesmo estudo, tais como: avaliação do efeito vento na fachada de edificação, na qual se pretende realizar o estudo da movimentação da fumaça e calor no interior da edificação, considerando-se o tempo de abandono simulado da população usuária e com as considerações mínimas de “tenability” exigidos.

Quanto a necessidade de hardware, uma RAM (memória de acesso aleatório) significativa (16 GB ou mais é uma recomendação comum), uma GPU (Unidade de Processamento Gráfico) discreta (placa de vídeo dedicada), capaz para visualização e amplo armazenamento rápido, como SSDs NVMe, para lidar com grandes conjuntos de dados earquivos de projeto. Paracenários maiores emais complexos, estações detrabalho de alto desempenho ou clusters de HPC (Computação de Alto Desempenho) geralmente são necessárias para reduzir o tempo de simulação.

Quanto aos processadores, CPU (Unidade Central de Processamento): um processador rápido e multi-core é crucial, pois lida com os cálculos massivos envolvidos na dinâmica do fogo. Processadores de nível de estação de trabalho, como Intel Xeon ouAMD Threadripper, ou processadores de consumo de ponta, como a sérieAMD Ryzen 7000, são, frequentemente, recomendados.

As simulações de incêndio consomem muita memória, embora os mínimos possam ser baixos, é necessária uma RAM (memória de acesso aleatório) significativa para modelos complexos para evitar "paginação" lenta baseada em disco e garantir um desempenho estável, 64 GB ou mais é frequentemente recomendado para aplicativos com melhor qualidade. Uma GPU poderosa, com ampla VRAM (RAM de vídeo) dedicada é essencial, especialmente para software que pode utilizar aceleração de GPU. As GPUs Nvidia são frequentemente preferidas devido ao suporte mais amplo em ferramentas de simulação.

Para armazenamento, um dispositivo rápido, como um SSD NVMe, é altamente recomendado para armazenar o sistema operacional, software e grandes arquivos de projeto. Considere um segundo dispositivo de armazenamento grande para gerenciar os extensos dados gerados pelas simulações.

Entre os fatores que mais influenciam as necessidades de hardware de grande capacidade encontram-se:

Complexidade do modelo: modelos mais detalhados, com dimensões de malhas menores (mais "células") requerem, significativamente, mais poder computacional e memória, tais ajustes dependerão da experiência do Engenheiro de Incêndio Modelador.

Duração da simulação: tempos de simulações mais longos, geralmente, exigem mais recursos de hardware para serem concluídos em um tempo razoável. Simulações, na Engenharia de Incêndio, com tempos de execução de simulação computacional menores que 45 (quarenta e cinco) minutos devem ser evitados, uma vez que, em raríssimas situações, o abandono da edificação será sempre menor que esse tempo, além do que, sempre se deve pensar nas equipes de combate dos órgãos públicos, os quais precisam fazer parte do estudo de tenability, principalmente para que ocorra o adequado gerenciamento da emergência, buscando evitar ou minimizar os riscos para essas equipes em risco. Tudo isso deve fazer parte das justificativas das premissas iniciais do processo de modelagem. Todo e qualquer cenário de incêndio, além do tenability, deve considerar a avaliação adequada do ASET (Available Safe Egress Time) and RSET (Required Safe Egress Time).

Quando considerar a nuvem/HPC (High Performance Computing): Para simulações de incêndio muito grandes ou complexas, estações de trabalho dedicadas podem não ser suficientes. As plataformas de computação de alto desempenho (HPC) baseadas em nuvem permitem que se alugue grandes quantidades de CPU e RAM sob demanda, acelerando análises complexas ao fornecer acesso a grandes clusters de servidores poderosos.

Os trabalhos de simulação na computacional na Engenharia de Incêndio, para possuir resultados seguros, significativos e com sólidos resultados, nunca poderá prescindir de hardwares poderosos. Portanto, soluções de simulações realizadas em notebook, como exemplo, não são aceitáveis.Admite-se que, no mínimo, as capacidades de processamento possuam, ao menos, 30 cores (núcleos), além das demais compatibilidades entre os equipamentos de hardware.

O objetivo deste manual é apresentar uma visão geral dos requisitos fundamentais a serem considerados no desenvolvimento de uma simulação CFD aplicados a Engenharia de Incêndio, notadamente, em “sistemas de controle da movimentação da fumaça e calor”, foco desta primeira versão do Manual. Espera-se também que ele contribua para melhor compreensão dos desafios técnicos associados à preparação dessas simulações, especialmente por parte dos técnicos dos órgãos públicos responsáveis por análise e aprovação do trabalho apresentado, permitindo identificar, ferramentas de software e hardware inadequadas, bem como, as análises de riscos, considerações preliminares e resultados inconsistentes, além de compreender quais informações e documentações complementares devem ser exigidas.

Acima de tudo, é essencial que todas as partes envolvidas compreendam claramente o contexto dos resultados obtidos por meio da CFD – o software de CFD, por si só, não é uma ferramenta de projeto, mas sim uma ferramenta preditiva, que avalia o desempenho de uma determinada solução com base em condições específicas estabelecidas previamente. Outras premissas e condições de contorno podem resultar em conjuntos completamente distintos de resultados. A competência do engenheiro responsável pela modelagem CFD está em compreender as limitações da ferramenta, e apresentar os resultados de tal forma que todos os critérios e valores assumidos e utilizados, na preparação do modelo sejam, de forma técnica justificada, relevante e principalmente rastreável, sem permitir que a natureza visual dos gráficos oculte deficiências do projeto analisado.

As diretrizes deste guia não fornecem instruções claras sobre como realizar uma análise, tampouco apresentam orientações detalhadas sobre como garantir a qualidade de uma verificação. Em outras palavras, embora o documento estabeleça parâmetros gerais, há informações limitadas quanto a procedimentos práticos para condução da análise e critérios objetivos de validação dos resultados. Assim sendo, sempre será reforçado que neste Manual de Boas Práticas há necessidade de ampla experiência do Engenheiro de Incêndio Modelador e de toda a sua equipe de apoio.

Pressupostos invioláveis e insubstituíveis

Apesar disso, algumas regras devem ser seguidas, para que o processo de desenvolvimento da simulação computacional, com o uso do CFD, possa ser validado:

1-Vetar o uso de softwares ou soluções que consideram escoamento potencial;

2-Demonstrar que o software consegue resolver escoamento multifásico e multiespécie;

3-A simulação deve ter espécies com propriedades físico-químicas adequadas para a análise em questão, a depender da queima do material (CO2, CO, H2O, N2, O2, fuligem);

4-Acoplar equações de transferência de calor;

5-Ativar efeitos de gravidade e empuxo;

6-Indicar "y+" adequado com o modelo de turbulência;

7-Resolver as equações de Navier Stokes para o fluido em uma geometria 3D;

8-Respeitar elementos de malha para discretizar a geometria segundo a equação;

9-Especificar o volume de controle da “termo fonte” para definir o “foco de incêndio”;

10-Garantir a continuidade entre eventos da simulação, como exemplo: início para estabilizar ar-condicionado e a temperatura; avaliar curva de crescimento do incêndio; acionamento dos sistemas de pressurização de escadas de emergência, de detecção de incêndio, de controle da movimentação da fumaça e calor, de sprinklers; abertura de portas; tempo de abandono (ASET vs REST);

11-Considerar a necessidade e os efeitos do vento externo e o seu gradiente no interior da edificação, além do estudo de “Tenability”.

Nota: Todos os pontos elencados acima, serão esclarecidos ao longo deste Manual de Boas Práticas.

O que é Fluidodinâmica Computacional (CFD)?

A dinâmica de fluidos computacional (CFD) é a ciência do uso de computadores para prever fluxos de líquidos e gases com base nas equações que regem a conservação de massa, momento e energia.

Os fluidos estão ao nosso redor e sustentam nossas vidas de maneiras infinitas. As vibrações em suas cordas vocais geram ondas de pressão no ar que tornam a fala possível, bem como, a audição das palavras faladas. Sem fluidos, a curva da bola, proporcionada pelo craque de futebol ao bater uma falta, não existiria e não passaria pela barreira a caminho do gol, o avião não geraria sustentação, as pás dos sistemas eólicos não se moveriam. Por meio do CFD, podemos analisar, entender e prever os fluidos que compõem quase todas as partes do nosso mundo.

Exemplos de Dinâmica de Fluidos Computacional

O CFD é usado sempre na necessidade de prever o fluxo de fluido e a transferência de calor, ou para entender os efeitos do fluxo de fluido em um produto ou sistema. O CFD analisa diferentes propriedades do fluxo de fluido, como temperatura, pressão, velocidade e densidade, e pode ser aplicado a uma ampla gama de problemas de engenharia, incluindo:

Aeroespacial e Defesa: o CFD possibilita modelar o fluxo de ar ao redor da aeronave para prever sustentação e arrasto, conhecida como aerodinâmica externa. Isso é importante, pois as empresas procuram otimizar os projetos de aeronaves para melhorar o desempenho e diminuir o uso de combustível. O CFD também pode simular sistemas complexos no interior da aeronave, como a circulação de ar da cabine, para prever a qualidade do ar. As principais aplicações incluem resfriamento de aviônicos, aero-óptica, aerodinâmica externa, HVAC de cabine e propulsão.

Figura 1- Ansys Simulação fluente de um estudo aerodinâmico externo de uma aeronave comercial. Fonte: https://www.ansys.com/simulation-topics/what-is-computational-fluid-dynamics

Automotivo: em veículos elétricos, onde os motores elétricos e a eletroquímica da bateria criam interseções complexas entre engenharia mecânica, química e elétrica. O CFD permiterealizar estudos térmicos detalhados em todo osistema multifísico, issopode ajudar os engenheiros a preverem a eficiência com que o motor é resfriado, além de reduzir a fuga térmica da bateria que pode causar incêndios.As principais aplicações incluem lubrificação de caixas de engrenagens, sensores autônomos, aeroacústica, aerodinâmica externa, modelagem de bateria e resfriamento de motores elétricos.

Figura 2- Um modelo de driver resolvido usando o solucionador de GPUAnsys Fluent. Fonte: https://www.ansys.com/simulation-topics/what-is-computational-fluid-dynamics

Nova energia: como facilitador da descarbonização, o hidrogênio é um combustível valioso na criação de um planeta mais limpo. O CFD permite modelar toda a cadeia de valor

do hidrogênio - desde a produção até o armazenamento, transporte e consumo. O CFD pode realizar estudos exploratórios para aprender como o hidrogênio e outros combustíveis alternativos podem ser usados em motores convencionais, determinando a eficácia das opções de combustíveis alternativos. As principais aplicações incluem eletrólise, produção, transporte, armazenamento e consumo de hidrogênio e utilização de células de combustível.

Figura 3- Um estudo de combustão realizado noAnsys Fluen.

Fonte: https://www.ansys.com/simulation-topics/what-is-computational-fluid-dynamics

Saúde: no campo biomédico, o CFD pode analisar os fluxos de fluidos no corpo humano, como o fluxo sanguíneo no sistema circulatório e o fluxo de ar no sistema respiratório. Também pode ser usado para acelerar o desenvolvimento de dispositivos médicos e avaliar a eficácia potencial de novos medicamentos. As principais aplicações incluem fluxo cardiovascular, sistema respiratório, biofármacos.

2. OUTROS ESTUDOS E SOLUÇÕES UTILIZANDO O CFD

Inicialmente apresenta-se três estudos de sistemas em que se aplicou a simulação com uso do CFD:

a) Estudo de sistemas de despoeiramento

Figura 4- Fonte: Carlos Cotta Engenharia (2023). Na imagem apresentamos um exemplo resumido de aplicação da simulação na Engenharia com o uso de CFD. Neste caso retratado, mostramos a solução de Engenharia, que aumentou a coleta de partículas em 70%.

b) Estudo aerodinâmico de veículo da “Stock Car”

Figura 5- Fonte: Carlos Cotta Engenharia (2023) Nessa imagem apresentamos outro exemplo de sucesso nas competições de Stock-Car, competição automobilística, sendo que com a simulação com o uso de CFD, conseguimos, com as mudanças aerodinâmicas, o resultado de diminuição de tempo em curvas, frenagens e nas retas. Assim, tais mudanças diminuíram o tempo de volta em relação aos demais veículos.

c) Estudo da dispersão de poluentes na atmosfera

Figura 6 Fonte: Carlos Cotta Engenharia (2023) Outro exemplo de sucesso na simulação da dispersão de poluentes para grande área na circunvizinhança. Tal estudo está servindo de embasamento técnico perante órgãos ambientais.

3. ALGUNS TIPOS DE SIMULAÇÕES COMPLEXAS COM CFD

Dependendo da complexidade da simulação com CFD, é importante determinarse, previamente, o tempo estimado demandado para a criação dos cenários. Certamente, os prazos para tal elaboração levaram em conta alto poder computacional, com simulações completas, ou seja, considerando grande ambientes ou até edificações inteiras.

Figura 7-Tabela com estimativa atual (2025) de alguns tipos de simulação computacional com uso do CFD

O quadro acima, com estimativas muito próximas da realidade atual, com o tempo em semanas, em que o Engenheiro de Incêndio Modelador, deverá possuir experiência suficiente para estimar, mais adequadamente, tais prazos, de acordo com cada complexidade ou qualidade dos resultados a serem obtidos.

Como exemplo, na última linha da tabela acima, podemos verificar que 10 semanas é o tempo para estudar e avaliar o comportamento do fogo da edificação e mais o tempo para estudo completo do abandono da edificação.

Certamente, estratégias de abandono específicas, para determinados riscos de edificações, demandarão maior ou menor tempo de simulação. Por outro lado, poderá ser necessário a avaliação de cenário de incêndio em outras partes da estrutura da edificação para atender aos rigores da “análise de riscos” desenvolvido pelo Engenheiro de Incêndio Modelador.

3.1Algumas outras simulações possíveis

Efeito do Vento:

• Cálculo de cargas de vento em estruturas altas, fachadas e coberturas;

• Verificação de conforto e segurança de pedestres em áreas urbanas (wind Comfort);

• Análise de ventilação cruzada urbana e ilhas de calor.

Segurança Contra Incêndio

• Simulação da propagação de fumaça e calor em caso de incêndio;

• Planejamento de saídas de emergência e sistemas de exaustão de fumaça;

• Apoio ao dimensionamento de sprinklers e ventiladores “jet fans” para ventilação.

Conforto Térmico e Ventilação Natural

• Simulação da circulação de ar em ambientes internos (salas, auditórios, data-centers);

• Avaliação da eficiência de sistemas de ventilação natural ou forçada;

• Estudo de estratégias de resfriamento passivo em edifícios sustentáveis.

Eficiência Energética

• Estimativa de cargas térmicas em edificações;

• Otimização de fachadas (brises, janelas, sombreamento), para reduzir consumo de ar-condicionado;

• Simulação de trocas de calor entre interior e o exterior do edifício.

3.2 Vantagens do CFD em relação aos métodos experimentais

Custo menor

• Evita-se a construção de maquetes físicas ou protótipos em túnel de vento ou laboratório;

• Requer apenas um modelo digital e recursos computacionais.

Maior flexibilidade de cenários

• Permite testar dezenas ou centenas de variações de projeto (ex: posição de aberturas, materiais, velocidades de vento), com rapidez;

• Em experimentos, isso exigiria refazer montagens físicas ou adaptar equipamentos.

Possibilidade deAnálise Holística

• O CFD possibilita simular diferentes sistemas de segurança e variáveis atuando de forma integrada, permitindo avaliar o comportamento global do cenário.

• É possível verificar, em um mesmo modelo, além dos já citados, a interação entre múltiplos outros fatores, tais como:

• tempo de resposta do sistema de detecção de incêndio e chuveiros automáticos (sprinklers);

• aberturas momentâneas de portas corta-fogo;

• aberturas automáticas de portas e janelas;

• alterações no sistema de gerenciamento dos sistemas de ventilação e arcondicionado;

• tempo de abandono da população;

• “efeito pistão” em poços de elevadores;

• influência do “efeito vento” na edificação.

• Essa abordagem garante uma visão holística do desempenho do sistema de proteção contra incêndios, considerando não apenas cada elemento isolado, mas também suas interações no contexto real.

Acesso a dados internos detalhados

• Fornece informações completas sobre:

• Velocidade do ar em qualquer ponto;

• Distribuição de temperatura em todo ambiente;

• Pressão, turbulência, umidade, concentrações de poluentes;

• Em testes físicos é difícil ou impossível medir essas grandezas em todos os pontos.

Análise em escala real

• Simula diretamente o ambiente real em escala 1:1;

• Evita erros de escala ou distribuições que podem ocorrer em maquetes físicas reduzidas.

Facilidade de alteração e reavaliação

• Ajustes de geometria, condições de contorno ou parâmetros físicos podem ser feitos em minutos;

• Ideal para fases iterativas de projeto e otimização.

Segurança

• Nenhum risco à pessoa ou ao patrimônio, por exemplo em simulações de incêndios, fumaça ou falhas estruturais;

• Pode prever falhas sem a necessidade de testes destrutivos.

Figura 8- Exemplo de simulação com CFD para estrutura metálica

Integração do BIM e CAD

• Modelos podem ser importados diretamente de ferramentas como Revit, SketchUp, AutoCAD etc ;

• Reduz tempo de retrabalho

Simulações de condições extremas ou raras

• Permite testar cenários difíceis ou caros de reproduzir fisicamente, tais como: Vento forte; Incêndios em andares altos, Situações de abandono ou falha na ventilação.

Não existem limitações físicas

• Custo de montagem e instrumentos de medição são muito mais caros;

• Extremamente difícil medir variáveis internas (paredes de um túnel atrapalha instrumentações), sendo impossível medir todas as variáveis, por exemplo, ao longo de um túnel;

• Diminuição de tempo e esforço;

• Não existe risco de danificar protótipos;

• Não existe limitação das escadas ou materiais utilizados

3.3 Exemplo das etapas para a realização de simulação com CFD

Figura 9- Exemplo de etapas com descrição da gestão de simulação computacional com o uso de CFD

Cumpre esclarecer que antes de qualquer das etapas apresentadas, o Engenheiro de Incêndio Modelador, juntamente com sua equipe técnica, já deve ter realizado as devidas “análise de risco” e definição de tipos e quantidades de cenários.

3.4 Como funciona a dinâmica de fluídos computacional

Existem muitas abordagens diferentes para resolver o fluxo de fluído em um computador. Inicialmente determina-se qual metodologia será aplicada, ou seja, quais equações governantes serão resolvidas. Essa escolha restringirá as abordagens computacionais que estarão disponíveis.

Supondo que uma abordagem contínua seja escolhida (o que é bastante comum), existem essencialmente 3 etapas:

a) Primeiro, o domínio do fluxo de fluído (a região continua a ser calculada) é identificado (normalmente representado por um modelo CAD).

b) Em seguida, uma malha é aplicada para dissecar o domínio em células bem definidas.

c) Finalmente, a versão discretizada das equações do fluído governante é resolvida pelo computador dentro de cada célula.

No contexto da computação de alto desempenho (HPC - High Performance Computing), uma etapa opcional é atribuir diferentes grupos de células a diferentes computadores para processamento paralelo.

3.5 Dinâmica de Fluidos Computacional na Engenharia de Incêndio

A modelagem computacional de dinâmica de fluidos (CFD) é uma ferramenta usada em aplicações de incêndio que permite a simulação computacional do fluxo de fluidos e transferência de calor. Os engenheiros são capazes de obter uma compreensão das condições prováveis por meio da análise de fenômenos fundamentais, como transferência de calor, movimento de fumaça, radiação, temperatura do gás e ventilação.

3.6 CFD em Projeto de Segurança Contra Incêndio

Antes do surgimento da simulação CFD, problemas práticos com o projeto de construção (projeto fora do código compatível) eram abordados com cálculos manuais e modelagem básica de zonas. Os cálculos manuais fornecem apenas uma referência numérica no que diz respeito à propagação de fumaça e calor de incêndios e, no caso de modelagem de zona, uma representação computacional muito simples do desempenho em um determinado projeto.

Houve um aumento significativo, nos últimos tempos, de projetos de edifícios baseados em desempenho, principalmente com o aumento da verticalização das edificações, os quais aumentam dramaticamente a complexidade, a população e o “temporesposta” das equipes de emergência locais em todos os países.

Tais complexidades deixaram os custos para atendimento de legislações (que são lastreadas em requisitos e não em desempenhos), extremamente altos para os investidores e construtoras. A saída mais adequada adotada nos países, para tais complexidades, foi a da utilização da simulação computacional. Tal adoção, certamente, gerou certo desconforto nos órgãos públicos de aprovação, por não estarem, ainda, preparados para avaliar tais

simulações computacionais baseadas em “performance”, apesar de já serem citadas na maioria das legislações.

No Brasil, normas da ABNT já citam a possibilidade de utilização de simulações computacionais, principalmente as normas da ABNT relacionadas com “Controle da movimentação da fumaça e calor”, certo que haverá crescente adoção para demais normas daABNT e para aplicações no grupo de normas do CB-24 da ABNT.

À medida que os limites do que é possível com o projeto arquitetônico e a geometria do edifício, bem como a utilização operacional dos edifícios sejam ampliadas, os cálculos manuais nem sempre serão apropriados ou possíveis. Isso cria necessidade de projetistas, engenheiros de segurança contra incêndio e autoridades de aprovação avaliarem aspectos do projeto de construção adotando a análise CFD.

Com o uso de simulações avançadas de modelagem CFD, bem como programas de modelagem de abandono, torna o profissional capaz de demonstrar soluções eficazes que fornecem um nível adequado de segurança dentro de um determinado projeto, ao mesmo tempo em que fornecem outros benefícios significativos ao projeto.

A principal característica que se deve destacar está nas legislações que nivelam a segurança contra incêndio nas necessidades mínimas, uma vez que não conseguem identificar com clareza todos os riscos das edificações, mesmo quando realizam separações por determinados riscos, tais como a separação de edificações residenciais das edificações de escritório.

Já a simulação computacional, pode realizar refinamentos de altíssima complexidade e apresentar resultados para aquele risco em específico, não podendo ser extrapolado para demais outras edificações, mesmo que tenham a mesma geometria.

Cada simulação computacional é única e somente serve para aquele determinado caso simulado. Apesar disso, ou seja, de não ser genérico como as legislações dos Estados, consegue, com refinamento extremo, diminuir valores de vazão de extração de fumaça, pressões para manutenção de gradientes, aumentar ou diminuir tempos e abandono, determinar a quantidade de reservação de água para determinado tipo de incêndio e combate, estabelecer com exatidão o tempo requerido de resistência ao fogo (TRRF) para uma parede de compartimentação ou de isolamento de riscos, eliminar o TRRF em partes de estruturas metálicas, de madeira ou concreto, determinar o tipo de proteção mais adequada quando ocorre “avalanche térmica” em baterias etc.

3.7Aplicações do CFD nas edificações

Estas são algumas das vantagens que a modelagem CFD pode trazer para um projeto:

• Avaliação quantitativa e qualitativa de um determinado cenário.

• Fornece uma avaliação mais precisa da gravidade do incêndio e do provável impacto na vida e na estrutura

• Estima como os sistemas de proteção contra incêndio e a engenharia são influenciados

• Melhora a eficácia dos procedimentos de abandono e a segurança dos ocupantes do edifício

• Informa as avaliações de barreira contra incêndio e engenharia de incêndio estrutural

• Economia financeira

• Previsão do acúmulo e a propagação de fumaça.

• Avaliação dos limites de visibilidade, temperatura e toxicidade (Tenability)

• Identificação dos diferenciais de pressão e fluxo de ar nos pavimentos

• Garantir o controle da movimentação da fumaça e calor e a melhor solução para o sistema de pressurização de escadas ou de áreas de refúgio

3.8Algumas das vantagens da utilização do CFD

• Liberdade de projeto aprimorado: permite arquitetura inovadora sem comprometer a segurança.

• Projeto baseado em desempenho e não em requisitos legislativos: Ultrapassa os limites prescritivos com estratégias baseadas em evidências, principalmente testes laboratoriais e estudos consolidados.

• Mitigação de riscos: identificação de falhas de projeto antecipadamente, evitando ajustes posteriores dispendiosos.

• Aprovação da autoridade: as estratégias apoiadas por CFD aumentam a probabilidade de aprovação de planejamento e controle de construção

• Clareza por meio da visualização: os resultados do CFD são fáceis de interpretar e poderosos no envolvimento das partes interessadas.

3.9 Responsabilidade do Engenheiro de Incêndio Modelador em CFD

O Engenheiro de Incêndio Modelador deverá analisar o que se segue:

• Adequação dos métodos utilizados

• Adequação da modelação quando aplicada à análise das condições dos meios de abandono e de combate a incêndios

• Parâmetros de entrada e quaisquer suposições

• Identificar localização do incêndio e taxa de crescimento do incêndio

• Determinar a pirólise que defina o cenário do incêndio

• Analisar a produção de fumaça e sua adequada exaustão necessária

• Identificar o tempo de abandono dos ocupantes da edificação

• Resultados de saída

• Relatório de análise de CFD

• Relatório de estratégia de incêndio e interação com a análise CFD

3.10 O CFD possui vasta gama de soluções para todo tipo de riscos de edificações

• Armazéns e edifícios industriais com distâncias de deslocamento estendidas e distâncias de mangueira de bombeiro

• Análise da resistência ao fogo estrutural e requisitos de compartimentação

• Avaliação de propagação de incêndio nas fachadas de edificações

• Resistência estrutural em elementos de fachada tais como vidros

• Projeto do sistema de controle de fumaça e calor

• Distâncias de deslocamentos ampliados em corredores de edifícios

• Análise de estratégias de proteção contra incêndio e fumaça em escadas de segurança

• Sistemas de controle de fumaça e calor em shopping centers e estacionamentos

• Avaliação da propagação de incêndio e resistência estrutural em túneis rodoviários e metroviários

3.11 Reconstrução Forense usando CFD

A modelagem CFD está sendo cada vez mais usada por investigadores e engenheiros de incêndio para reconstruir cenários de incêndios e auxiliar na investigação de incêndios. Alguns dos principais benefícios da modelagem CFD no suporte à investigação de ocorrências de incêndios são:

• Entender a velocidade de propagação da fumaça e a temperatura alcançada nos incêndios

• Determinar a liberação de energia / calor produzido (taxa de liberação de calor/HRR)

• Determinar os níveis de toxicidade dos diversos gases tóxicos

• Determinar como o crescimento do fogo pode ser influenciado por diferentes condições de ventilação

• Informe os processos judiciais e decisões de seguradoras

• Ajuda na resolução de questões de litígio

• Fonte para os avanços nas medidas de segurança contra incêndio

• Fonte de informações relevantes para demais alterações, ajustes e avanços da tecnologia da Engenharia de Incêndio

3.12 Outras aplicações da modelagem utilizando CFD

• Projeto do Sistema Mecânico de Controle de Fumaça – Otimizando a eficácia dos sistemas de ventilação e controle da movimentação da fumaça e calor

• Análise de Liberação de Fumaça em Átrio – Garantindo o gerenciamento eficiente de fumaça em grandes espaços abertos.

• Análise ASET vs. RSET (PD 7974-6 The Standard for Application of fire safety engineering principles to the design of buildings - Human factors, NFPA-92 Standard for Smoke Control Systems, Handbook of Smoke Control Engineering, SFPE Handbook of Fire Protection Engineering) – Quantificando o Tempo de Saída Seguro Disponível (ASET) em comparação com o Tempo de Saída Seguro Necessário (RSET), para avaliar a segurança do abandono da população usuária.

• Modelagem de propagação de fogo e fumaça – Simulando o crescimento do fogo, o movimento da fumaça e os efeitos térmicos para avaliar o risco e desenvolver estratégias de mitigação.

• Validação de Projetos de Engenharia de Incêndio – Apoiar soluções de segurança contra incêndio baseadas em desempenho para demonstrar conformidade com manuais, Handbooks e normas internacionais, tais como: NFPA-92 Standard for Smoke Control Systems, BS 7974 Application of fire safety engineering principles to the design of buildings – Code of practice, BS 9999 e Approved Document B, BS 7346-8: For designing smoke control systems, BS EN 12101 series: Governing smoke and heat exhaust ventilation, Handbook of Smoke Control Engineering, SFPE Handbook of Fire Protection Engineering.

• Pesquisa e Inovação em Incêndios – Contribuir para o avanço das técnicas de modelagem de incêndios CFD por meio de projetos contínuos de pesquisa e desenvolvimento.

3.13 Material de apoio que recomendamos que sejam utilizados para as simulações em Engenharia de Incêndio

• Handbook of Smoke Control Engineering;

• SFPE Handbook of Fire Protection Engineering;

• NFPA-92 Standard for Smoke Control Systems;

• NFPA 204: Standard for Smoke and Heat Venting;

• BS 7974 Application of fire safety engineering principles to the design of buildings –Code of practice;

• BS 9999, Approved Document B E (ADB);

• BS 7346-8: For designing smoke control systems;

• BS EN 12101 series: Governing smoke and heat exhaust ventilation;

• Design of Smoke Ventilation Systems for Loading Bays & Coach Parks, um guia para projetistas de sistemas de proteção contra incêndio, da Smoke Control Association;

• PD 7974-6 The Standard for Application of fire safety engineering principles to the design of buildings - Human factors;

• Assessment of Hazards to Occupants from Smoke, Toxic Gases and Heat;

• ISO/TR 13387 – Fire safety engineering – Part 2:1999 – Design fire scenarios and design fires;

• BS 7346-7 – Sistemas de controle de fumaça e calor para estacionamentos cobertos;

• Guias CIBSE – Chartered Institution of Building Services Engineers;

• Assessment of Hazards to Occupants from Smoke, Toxic Gases, and Heat, David A. Purser, Jamie L. McAllister, Published 2016, Environmental Science;

• BS EN 12101-11 – Sistemas de controle de fumaça e calor;

• Approved Document B e F – Documentos de referência do Regulamento de Edificações do Reino Unido; e

• BS 9991 Fire safety in the design, management and use of residential buildings. Code of practice.

Nota:

Demais materiais para estudo constam nas Referências deste documento.

4. CONTEXTUALIZAÇÃO

O uso de modelos computacionais para simulação de incêndios em compartimentos fechados tem aumentado substancialmente nos últimos anos. O crescimento de soluções baseadas em desempenho (performance-based design) na indústria da construção, aliado à crescente complexidade, o aumento vertiginoso das alturas das edificações e as geometrias únicas dos edifícios modernos, tem levado projetistas, engenheiros e órgãos públicos de aprovação, depender da modelagem computacional para analisar e avaliar diversos elementos do projeto de edificações, e a segurança contra incêndio não é exceção.

Esse uso é, especialmente, relevante em estruturas complexas, nas quais a alidade de cálculos manuais simplificados é limitada. No entanto, a aplicação de modelagem computacional no projeto de engenharia de segurança contra incêndio não deve ser considerada trivial. O usuário deve possuir compreensão sólida da ciência por trás dos modelos, a fim de avaliar a validade e a precisão dos resultados simulados.

A facilidade de acesso a ferramentas de CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) de forma relativamente acessível e de baixo custo contribuiu para o aumento no número de usuários inexperientes, com conhecimento insuficiente sobre os detalhes que fundamentam as imagens coloridas e animações geradas. Isso pode ser enganoso não apenas para o próprio usuário, que pode não perceber os erros embutidos nas informações apresentadas, mas também para os agentes responsáveis pela aprovação de projetos que utilizam CFD como parte do processo de validação e/ou aprovação

Certamente, profissionais sem qualificação técnica e sem qualquer entendimento da Engenharia de Incêndio, bem como, das técnicas apontadas neste “Manual de Boas Práticas”, tentarão desenvolver soluções de simulações computacionais de incêndios, como são para alguns átrios complexos, utilizando-se de softwares inadequados e com pouca capacidade de hardware (já esclarecidos acima na Introdução deste “Manual de Boas Práticas”), além da realização de tempo de simulação total inferiores a 15 minutos, desconsiderando-se as análises de riscos, os estudos de ASET X RSET, bem como os relacionados com o “Tenability” Por isso, a necessidade deste “Manual de Boas Práticas”, o qual possui o objetivo de alertar clientes, usuários e órgãos públicos de aprovação, para a necessidade de se entender os riscos que estão assumindo ao adotarem tais práticas,

bem como, quais os requisitos mínimos de conhecimento e capacitação dos prestadores de tais serviços de Engenharia de Incêndio.

Na modelagem de incêndios e fumaça é fortemente recomendável que os profissionais Engenheiros de Modelação de CFD possuam conhecimento aprofundado da física e da termodinâmica relacionadas à dinâmica do fogo e ao comportamento da fumaça. É igualmente importante compreender as limitações implícitas do método CFD, bem como a sensibilidade da solução às hipóteses assumidas, quando das definições do “modelo” e do “cenário”

Além disso, é fundamental que o Engenheiro de Incêndio Modelador, em conjunto com os Engenheiros especialistas em CFD, possua auxiliares, Engenheiros de Incêndio com experiência em projetos de prevenção e combate a incêndios. Esses profissionais são responsáveis por avaliar criticamente os parâmetros de entrada e saída, validar a coerência dos cenários simulados e interpretar os resultados à luz das exigências normativas e da ciência aplicada à segurança contra incêndios. Essa integração garante que as simulações não apenas representem o comportamento físico, mas também resultem em recomendações tecnicamente sólidas e aplicáveis ao projeto e à proteção das pessoas e do patrimônio, além de atendimento de requisitos legais.

A principal vantagem da aplicação de CFD na validação de projetos de sistemas é a possibilidade de realizar a análise ainda na fase de projeto, antes da construção, fornecendo confiança a todas as partes envolvidas logo nas etapas iniciais do empreendimento. É muito mais simples e econômico alinhar expectativas e corrigir eventuais problemas nesta fase do que após a instalação do sistema. Devido aos riscos de danos às estruturas e aos elevados custos envolvidos, raramente testes com fogo real e com fontes de calor suficientes podem ser realizados. Uma análise CFD bem modelada pode fornecer uma simulação razoavelmente precisa do que pode ocorrer no ambiente analisado.

O crescimento da regulamentação baseada em desempenho em todo o mundo e, consequentemente, o uso de soluções alternativas no setor de segurança contra incêndio, somado à complexidade crescente das geometrias arquitetônicas, tem levado projetistas, arquitetos e autoridades competentes a utilizarem a modelagem computacional para avaliar a transferência de fumaça e calor no interior de edificações. Mais uma vez, esse recurso é particularmente útil em estruturas complexas, onde os métodos de cálculo manual possuem limitações intransponíveis Contudo, o uso da modelagem computacional na Engenharia de Incêndio não deve ser encarado como simples ou trivial. É fundamental que o profissional

que desenvolve e interpreta os modelos CFD possua compreensão profunda da física e da química dos fenômenos envolvidos, para que possa avaliar de forma adequada a validade e a precisão dos resultados obtidos.

Para que o processo de projeto e aprovação seja bem-sucedido, recomenda-se fortemente que, salvo nos casos mais simples, os seguintes elementos sejam definidos e documentados antes do início da análise:

• os objetivos do sistema;

• abordagem do projeto;

• pressupostos de projeto;

• limitações do projeto;

• os cenários a serem simulados;

• os critérios de modelagem;

• o formato e estrutura dos relatórios esperados;

• os critérios de sucesso da simulação.

A modelagem CFD é um processo custoso e que demanda tempo, devendo haver, de maneira documentada, refinadas e anteriores concordância e alinhamento, antes de se iniciar as análises. Orientações e recomendações sobre esses aspectos são fornecidas ao longo deste documento.

5.

TERMOS E DEFINIÇÕES

DO CFD

As definições a seguir incluem termos utilizados tanto neste documento quanto aqueles comumente presentes em relatórios de modelagem CFD.

• Blocos:

Blocos são utilizados para representar objetos sólidos no cenário modelado (ex.: paredes, pisos, tetos, vigas pendentes, veículos, portas etc.).

• Fronteira (Boundary):

A fronteira corresponde aos limites da região espacial (domínio) onde o cálculo CFD é realizado.

• Condições de Contorno (Boundary Conditions):

Condições de contorno são definidas pelo usuário e caracterizam os comportamentos esperados nas fronteiras do modelo e em áreas específicas do domínio computacional (ex.: paredes, venezianas, aberturas de ventilação).

• CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional):

CFD é um método para solução analítica de equações matemáticas termodinâmicas que simulam o escoamento de fluidos, a transferência de calor e outros fenômenos associados, utilizando capacidade de processamento computacional e memória “denominada normalmente nas cores (núcleos) para processamento”. Para fins deste documento, a modelagem CFD pode ser empregada para prever movimento de fumaça, propagação do fogo, transferência de calor, radiação, fluxos de ventilação etc., mas não somente isso, podendo ser utilizada para estudo da resistência estrutural, estudo do efeito vento, resistência de estruturas em fachadas etc.

• Análise Comparativa:

Análise que compara dois ou mais cenários. Frequentemente utilizada para demonstrar que o modelo atende às exigências mínimas de uma norma, diretriz regulamentar ou alguns estudos ou testes laboratoriais de entidades renomadas nacional ou internacionalmente.

• Análise Determinística:

Estudo não comparativo baseado em relações físicas fundamentadas em teorias científicas e resultados empíricos que, dadas certas condições iniciais, produzirão sempre o mesmo resultado. É comumente utilizada para demonstrar que as condições satisfazem requisitos funcionais das normas técnicas ou regulamentações.

• Domínio (Domain):

É a região a ser modelada. Pode incluir uma parte do edifício, o edifício completo ou o edifício e seu entorno imediato.

• Incêndio em Desenvolvimento:

O desenvolvimento do incêndio é função de vários fatores, incluindo: propriedades e quantidade do combustível, ventilação (natural ou mecânica), geometria do compartimento (volume e altura do teto), localização do foco de incêndio e condições ambientais (temperatura, vento etc.), os quais variam com o tempo.

• Ventilador de Impulsão (Jet Fan ou Induction Fan):

Ventilador projetado para transferir momento ao ar como parte de um sistema de ventilação por impulsão, utilizado para controlar a direção e a velocidade do fluxo de ar.

• Malha (Mesh ou Grid):

É o resultado da divisão do domínio computacional (discretização do domínio computacional) em um conjunto de elementos ou células, que definem os pontos distintos, nos quais a solução numérica é calculada. Tais pontos distintos costumam estar localizados no centro ou nos vértices das células.

• Fatiamento de Saída (Output Slice):

Saída bidimensional de dados em um plano do domínio computacional, utilizada para ilustrar condições visuais (ex.: temperatura, pressão, velocidade). Cores representam diferentes condições.

• Porosidade:

Condição de uma fronteira que permite certo nível de escape (como escape de ar de determinado ambiente), o qual pode não ser proporcional ao tamanho da abertura ou veneziana.

• Análise de Sensibilidade:

Consiste em variar parâmetros selecionados do modelo para investigar a extensão de seu impacto (ex.: alteração no tamanho da malha).

• Incêndio em Regime Instável (Unsteady State Fire): Incêndio com taxa de liberação de calor variando ao longo do tempo.

• Incêndio em Regime Permanente (Steady State Fire): Incêndio com taxa de liberação de calor constante ao longo do tempo.

• Modelo em Regime Permanente (Steady State Model):

Modelo sem dependência temporal. Representa condições hipotéticas se o cenário fosse mantido indefinidamente. Na condição objeto deste documento, é comumente utilizado para demonstrar que a fumaça ou o calor estão sendo extraídos pela ventilação na mesma taxa em que são gerados, ou para simular o perfil de fluxo constante de ventiladores ou aberturas (por venezianas, grelhas de insuflamento, dumpers).

• Modelo Transiente (Transient Model ou Time-Dependent Model):

Modelo que é dependente do tempo, mostrando como as condições propostas variam ao longo do tempo.

• Fatiamento Vetorial (Vector Slice):

Saída bidimensional de dados vetoriais em um plano do domínio. As setas indicam a direção do vetor, sendo o tamanho da seta proporcional à magnitude da grandeza representada.

6. EXPERIÊNCIAE QUALIFICAÇÃO DO ENGENHEIRO DE INCÊNDIO MODELADOR

Ao realizar modelagens CFD para o projeto ou validação de sistemas de controle de fumaça, não existe um único método padronizado que se aplique a todos os tipos de edificações, uma vez que as interações entre o edifício, o incêndio e seus ocupantes, podem ser altamente complexas. Por esse motivo, é exigido do projetista maior grau de responsabilidade técnica. Assim, a aplicação da modelagem CFD deve ser confiada a profissionais devidamente qualificados e experientes. Isso significa que as pessoas ou a equipe responsável pela modelagem devem possuir competências comprovadas: formação acadêmica adequada, treinamentos pertinentes, experiência comprovada em projetos semelhantes e cobertura de responsabilidade profissional.

Espera-se que os profissionais ou equipe contratada para a modelagem CFD demonstre experiência comprovada em estudos semelhantes, possua titulação apropriada e capacitação profissional reconhecidas, ou seja capaz de comprovar competência através de histórico de atuações técnicas. Caso o Engenheiro de Incêndio Modelador não atenda integralmente a esses requisitos, recomenda-se que ele seja supervisionado ou orientado por profissional qualificado, conforme o contido nos itens 3.12 e 3.13 deste “Manual de Boas Práticas”.

A mesma exigência de competência aplica-se aos profissionais responsáveis por revisar os estudos em CFD, os quais devem ter conhecimento especializado ou contar com apoio de terceiros qualificados na matéria. Para tanto, a Divisão Técnica de Engenharia de Incêndio, do Instituto de Engenharia, composta por profissionais altamente qualificados e capacitados, poderá revisar, assessorar e validar estudos que utilizam a simulação computacional, para auxiliar demais profissionais de Engenharia e Arquitetura (este ponto é detalhado noApêndice E).

7. REVISÃO QUALITATIVADE PROJETO

(QDR – Qualitative Design

Review) A fase inicial do processo de projeto, ou seja, sua etapa conceitual, é o momento ideal para otimizar o projeto de um edifício e seus recursos de segurança contra incêndio, enquanto minimiza, ao mesmo tempo, interferências nas demais áreas da edificação.

Embora alterações nas medidas de segurança contra incêndio ou sua posterior otimização sejam frequentemente necessárias ao longo do cronograma da obra, a frequência e a magnitude dessas modificações podem ser significativamente reduzidas com a aplicação eficaz da técnica de Revisão Qualitativa de Projeto (QDR), conforme descrita na norma BS 7974.

Resumidamente, a QDR é um processo qualitativo que permite aos engenheiros de incêndio e Engenheiro de Incêndio Modelador de CFD (orientamos que, preferencialmente, deve ser uma equipe multidisciplinar), com o apoio dos demais envolvidos, utilizar sua experiência e conhecimento técnico para analisar criticamente o problema de projeto, desenvolver os objetivos de segurança contra incêndio e definir critérios quantitativos de avaliação.

7.1 Principais participantes (stakeholders) da equipe QDR podem incluir

• Engenheiro de Incêndio Modelador;

• Engenheiro de Incêndio;

• Engenheiro especializado em instalação de sistemas;

• Corpo de Bombeiros;

• Arquiteto;

• Engenheiro de sistemas mecânicos e elétricos;

• Engenheiro Estrutural;

• Gestor operacional do empreendimento;

• Seguradora / Peritos avaliadores;

• Cliente / Incorporador / Construtor.

O Engenheiro de Incêndio Modelador do CFD, com apoio da equipe, deve trabalhar na identificação de cenários de incêndio representativos e incêndios de projeto que possam ser considerados como casos-piores (worst-case) e que possam impactar os objetivos da Engenharia de Incêndio (proteção à vida e proteção ao patrimônio). Uma abordagem estruturada é necessária para garantir que riscos e perigos não sejam negligenciados, e para assegurar que o projeto final e a estratégia adotada sejam capazes de atender tais objetivos de segurança definidos.

O Engenheiro de Incêndio é o profissional responsável pela segurança contra incêndio, devendo ser profissional habilitado (normalmente engenheiro civil ou mecânico) com atribuições técnicas eresponsabilidadeperante os órgãos de aprovaçãoefiscalização, com experiência comprovada.

O Engenheiro de Incêndio Modelador é o profissional com formação em área correlata ao acima exposto, mas com capacitação específica em simulações computacionais aplicadas à dinâmica dos fluidos.

7.2 Itens a serem considerados na QDR

• Revisar o projeto arquitetônico: características arquitetônicas ou disposições de planta que não possam ser justificadas devem ser revistas e, se necessário, modificadas;

• Estabelecer os objetivos de segurança contra incêndio a serem alcançados: geralmente baseados nos requisitos das Legislações de Segurança contra incêndios, Códigos nacionais ou internacionais, tais como os citados nos itens 3.12 e 3.13 deste “Manual de Boas Práticas”, sempre buscando a proteção à vida e ao patrimônio;

• Concordar com as ferramentas e softwares adequados para modelar e representar corretamente os fenômenos físicos na análise CFD;

• Concordar com o processo de desenvolvimento da simulação em CFD;

• Adotar softwares certificados e com capacidade (software e hardware) de processamento suficiente para processar, por todo o tempo estabelecido, toda simulação em CFD;

• Identificar os riscos de incêndio, através de “Análise de riscos”, bem como os perigos potenciais, incluindo fontes de ignição, mobiliário e conteúdos combustíveis, materiais de construção;

• Propor alternativas preliminares de projeto de segurança contra incêndio (trial designs);

• Definir critérios de aceitação e métodos de análise: sempre que possível, os critérios devem se basear em valores consagrados por normas técnicas, testes por laboratórios reconhecidos e literatura comparada, evitando-se o uso de estudos isolados e não fundamentados (adotar como documentos base os estabelecidos nos itens 3.12 e 3.13 deste “Manual de Boas Práticas”);

• Estabelecer cenários de incêndio para análise;

• Definir o processo de revisão da modelagem CFD.

Todas as conclusões da QDR devem ser documentadas com justificativas técnicas claras, permitindo que todos os envolvidos compreendam, aprovem ou façam considerações sobre o projeto antes de sua submissão oficial para análise e aprovação pelos órgãos públicos de aprovação.

Nota:

Todas as edificações atualmente são projetadas com o uso de ferramentas de CAD (Desenho Assistido por Computador). Esses desenhos devem estar disponíveis ao Engenheiro de Incêndio Modelador CFD para a construção precisa do modelo. O modelo CFD deve refletir a intenção original do projeto e permitir a identificação precoce de possíveis conflitos com instalações, mobiliários ou geometrias complexas (como paredes curvas, pilares, vigas salientes etc.). Da mesma forma, o uso de BIM (Modelagem da Informação da Construção) está se tornando amplamente difundido e, sempre que disponível, o modelo BIM deve ser compartilhado entre todos os envolvidos, facilitando a coordenação espacial e possibilitando atualizações simultâneas a partir de diversas fontes, inclusive diretamente do canteiro de obras.

Para maiores detalhes sobre o processo de QDR, recomenda-se a leitura da norma BS 7974.

8. LIMITAÇÕES

a) Aplicação da CFD e Nível de Especialização Necessário

A aplicação da Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) em qualquer área técnica exige um nível significativo de conhecimento e experiência, tanto em relação à própria modelagem CFD quanto aos fenômenos físicos específicos sob investigação. Até recentemente, apenas pesquisadores em CFD e especialistas em projeto de engenharia possuíam o domínio necessário a respeito das características construtivas das edificações, dos sistemas prediais e instalações técnicas, além dos conceitos fundamentais de CFD, os quais eram necessários para aplicar, com êxito, essas técnicas de simulação no projeto de edificações.

Nos últimos anos, no entanto, algumas instituições de pesquisa e desenvolvedores de software lançaram ferramentas voltadas a usuários com menor grau de especialização. Essas soluções passaram a incorporar técnicas avançadas que automatizaram processos, com interfaces amigáveis e assistentes de configuração que simplificaram a especificação de dados para situações comuns na prática de projeto.

Algumas dessas ferramentas foram especificamente desenvolvidas para aplicação na engenharia civil e no ambiente construído, com foco em projetos de edificações e sistemas de segurança.

Contudo, mesmo as aplicações de CFD consideradas mais “user-friendly” ainda exigem um nível significativo de entrada de dados e conhecimento técnico do usuário. A correta definição de condições de contorno, malhas, propriedades térmicas, curvas de incêndio e critérios de aceitação continuam sendo responsabilidades do projetista.

b) Conhecimentos Essenciais para a Formulação de um Modelo CFD Útil

Além disso, é necessário possuir conhecimento adequado sobre os mecanismos de escoamento do ar e transferência de calor, a fim de formular um modelo CFD eficaz.

• A acurácia das soluções CFD está diretamente relacionada à fidelidade dos modelos físicos nos quais se baseiam.

• A resolução computacional das equações introduz inevitavelmente erros numéricos, tais como:

- Erro de arredondamento, decorrente da limitação no tamanho das palavras (bits) disponíveis no computador;

- Erro de truncamento, resultante das aproximações inerentes aos modelos numéricos utilizados.

Esses erros tendem a ser minimizados com o refinamento da malha, porém tal refinamento nem sempre é viável, devido a restrições de recursos computacionais e limitações do software adotado. Por isso, alertamos para a necessidade de utilização de softwares robustos, com capacidade suficiente para minimizar tais erros.

Nota: Nas simulações CFD, a definição correta do tamanho da malha é determinante para a qualidade dos resultados. Uma malha muito grosseira pode gerar simplificações excessivas, enquanto uma malha demasiadamente refinada pode tornar o processamento inviável. Como exemplo, o NIST (National Institute of Standards and Technology) recomenda critérios de refinamento que buscam o equilíbrio entre precisão da simulação e viabilidade computacional, servindo como referência prática na escolha do nível de detalhamento mais adequado para cada estudo.

• As condições de contorno, assim como os modelos físicos, são tão precisas quanto os parâmetros iniciais e de fronteira definidos no modelo numérico;

• A compreensão do fenômeno físico é essencial para que se possa identificar hipóteses simplificadoras aceitáveis, que viabilizem a formulação de um domínio computacional representativo (por exemplo: propriedades dos fluidos, seleção do modelo de turbulência);

• A experiência na condução de estudos CFD deve alertar o Engenheiro de Incêndio Modelador quanto às limitações da modelagem da turbulência. A turbulência permanece como um campo com diversos fenômenos, ainda não completamente descritos em abordagens analíticas;

• A metodologia numérica é baseada em fundamentos matemáticos especialmente equações diferenciais parciais. O Engenheiro de Incêndio Modelador deve ser capaz de selecionar e aplicar o método numérico mais adequado à natureza do problema, compreendendo suas limitações e implicações;

• A malha computacional (Meshing) é determinada conforme a abordagem numérica adotada (por exemplo, método dos volumes finitos). Uma estrutura de malha inadequada pode comprometer o processo de solução, gerando resultados não físicos;

• As ferramentas comerciais de CFD geralmente empregam “solvers” numéricos validados, capazes de gerar malhas de solução razoáveis. Entretanto, o uso de softwares gratuitos ou acadêmicos pode não garantir o mesmo nível de controle de qualidade e verificação dos resultados. Novamente alertamos que a utilização de softwares validados e certificados, adequados ao estudo, sempre deverão ser adequadamente comprovados.

Ao descrever um fenômeno físico dentro de um domínio computacional é reconhecida a existência de diversas limitações que precisam ser otimizadas ou compreendidas.

É fundamental manter uma visão sistêmica de todos os subcomponentes do processo, do início ao fim. Em programas comerciais, parte dessas etapas pode ser otimizada automaticamente pela própria ferramenta.

É necessário reconhecer todas as limitações da ferramenta utilizada, bem como se tais limitações pode ou não prejudicar o estudo e os resultados. Representação adequada de fenômenos físicos requer conhecimento e atenção a todos os estágios do processo de modelagem.

Em ferramentas comerciais, parte dessas etapas pode estar embutida e automatizada, mas não se deve subestimar a necessidade de formação adequada e consciência crítica das limitações inerentes à simulação CFD.

9 PROCESSO DE MODELAGEM

A seguir, descreve-se o processo de modelagem para projetos baseados em desempenho (performance-based design). As etapas são detalhadas nas seções subsequentes. Cabereforçar que, normalmente, critérios estabelecidos em legislações, são critérios lastreados em “Requisitos”, sendo que, apesar de no processo de elaboração de estudo com o uso do CFD, pode-se adotar alguns valores com base em “Requisito”, devese deixar claro que a “Análise de riscos” e todo o processo, até a avaliação final da simulação em CFD, busca-se o melhor rendimento, ou seja, “Performance”.

Etapa 1 – Definição Preliminar (QDR)

• Definir os objetivos do projeto e da modelagem CFD;

• Determinar o tipo e o número de simulações a serem realizadas para comprovar os objetivos do projeto;

• Definir os parâmetros de entrada e limitações/pontos de atenção ou interesse do projeto;

• Definir como os resultados deverão ser apresentados para demonstrar os objetivos, por exemplo: velocidade, temperatura, visibilidade, diferenciais de pressão, tenability etc.;

• Reunir material de referência e/ou resultados de ensaios anteriores para posterior validação dos resultados obtidos; e

• Análise e tratamento dos arquivos do projeto de arquitetura da edificação (desenhos técnicos, arquivos do CAD, BIM, levantamentos cadastrais, etc).

• A malha;

Etapa 2 – Modelagem CFD

• Seleção dos limites do domínio computacional;

• Seleção dos elementos geométricos a serem representados no domínio;

• Criação dos modelos geométricos;

• Geração da malha (Mesh/grid);

• Definição dos fenômenos físicos a serem simulados;

• Seleção dos submodelos apropriados (se aplicável), incluindo definição de fontes (e/ou espécies) no modelo (ex.: incêndio, contaminação etc.);

• Definição das condições de contorno;

• Definição das condições iniciais;

• Seleção do tempo de resolução / número de iterações, resultados a serem obtidos, pontos de monitoramento etc.;

• Execução das simulações (“rodar” as simulações);

• Interpretação dos resultados: "Sanity check" – verificar se os resultados fornecem uma representação realista do comportamento físico esperado;

• Revisão Técnica – confirmar se os objetivos de desempenho foram alcançados. Decidir as ações a serem tomadas caso os objetivos não tenham sido atingidos.

Etapa 3 – Relatório e Apresentação dos Resultados

• Descrição dos objetivos do projeto e da modelagem;

• Descrição do(s) modelo(s) geométrico(s) e das simulações realizadas;

• Descrição e/ou justificativa dos parâmetros de entrada adotados;

• Apresentação e interpretação dos resultados obtidos;

• Conclusões – confirmação do atendimento aos objetivos propostos.

10. PREPARAÇÃO DO MODELO CFD

a) Definição do Domínio Computacional

O ponto de partida para a aplicação da modelagem CFD na simulação do movimento do ar, fogo e fumaça em qualquer edificação é a definição do domínio computacional da simulação, ou seja, os limites da região a ser modelada.

Os principais fatores a serem considerados estão listados a seguir:

• Domínio tridimensional

Mesmo nas geometrias mais simples, os fluxos de ar e fumaça ocorrem em três dimensões.

• Limites do Domínio

Os limites do domínio são definidos em função dos objetivos da simulação CFD. Devem abranger a região de interesse e ser posicionados em locais onde as condições de escoamento são conhecidas.A influência de escoamentos externos, como o vento, pode exigir que os limites do domínio se estendam além da área de interesse imediato.

A extensão do domínio será influenciada pela natureza da edificação em análise. Por exemplo:

Em um estacionamento subterrâneo completamente fechado e com ventilação mecânica, os limites do domínio são, em geral, formados pelas paredes, portas (geralmente consideradas fechadas), pisos e forros do local.

Em um estacionamento aberto com ventilação natural e múltiplos pavimentos, os limites do domínio provavelmente se estenderão além da área interna do estacionamento, podendo incluir a representação de edificações vizinhas, a fim de modelar adequadamente o “efeito do vento” sobre os fluxos internos de ar e/ou fumaça.

b)Fatores adicionais que influenciam a seleção adequada dos limites do domínio

• Limitações computacionais

Uma simulação CFD que considere todas as influências possíveis sobre o escoamento de ar, o fogo e os fluxos induzidos em um ambiente podem se tornar computacionalmente inviáveis, dadas as limitações de processamento, memória e tempo

disponíveis. Nessas circunstâncias, é necessário focar nos elementos-chave que afetam os fluxos de ar e/ou fumaça, garantindo que a exclusão de fatores secundários não comprometa os objetivos nem as conclusões da simulação CFD.

• Volumes Conectados

O volume de interesse imediato pode estar conectado ou ser influenciado por outros volumes, como por exemplo os pavimentos de um estacionamento em múltiplos níveis que não estejam imediatamente adjacentes ao pavimento onde ocorre o incêndio. Nestes casos, não é necessário nem sempre possível modelar todo o estacionamento. Os limites do domínio devem ser definidos em locais onde os fluxos entre os volumes conectados possam ser considerados mínimos ou passíveis de serem representados por condições de contorno com base em medições ou cálculos auxiliares.

• Localização dos limites do domínio

Os limites do domínio devem ser posicionados de forma a não interferirem negativamente no comportamento simulado do movimento da fumaça. Por exemplo, fronteiras abertas (ou “livres”) não devem estar próximas à fonte de incêndio, pois a fumaça podeser artificialmente“perdida” nasimulação, enquantonarealidadeelapoderiarecircular para a área afetada pelo fogo. Se a fumaça sair do domínio computacional, isso deve ocorrer em locais suficientemente afastados de qualquer escoamento induzido (seja pelo fogo, vento ou meios mecânicos), que possa permitir a reentrada da fumaça no domínio, comprometendo a fidelidade da simulação.

Nota:

Distribuição de prateleiras em depósitos e centros comerciais devem ser considerados na modelagem, não apenas na geometria do espaço, mas também na disposição dos elementos internos, uma vez que afetam a dinâmica do incêndio além da estratégia de proteção.

Arquibancadas, palcos e passarelas técnicas em simulações de estádios e arenas são, também, elementos influenciam diretamente a dinâmica do incêndio e da fumaça, criando barreiras que podem alterar os fluxos de ar e impactar os tempos de abandono. Além disso, estruturas elevadas e áreas técnicas podem gerar zonas de acúmulo de fumaça, dificultar a atuação de sistemas de detecção e supressão, e afetar a visibilidade durante o abandono

c) Detalhes Representados no Domínio Computacional

O Engenheiro de Incêndio Modelador deve estabelecer quais condições de contorno incluir ou excluir da representação geométrica do modelo CFD.

Todo objeto que possa impactar significativamente os fluxos de ar, os fluxos induzidos pelo incêndio ou o movimento da fumaça deve ser representado no modelo.

Normalmente, isso deve incluir alguns ou todos os seguintes elementos:

• Paredes, pisos e tetos estruturais;

• Aberturas estruturais, pilares e vigas;

• Sistemas prediais, como por exemplo, a representação geométrica de dutos de HVAC;

• Veículos estacionados (em simulações de estacionamentos).

Nota:

No caso de estacionamentos, o tamanho, o número e a distribuição dos veículos representados no modelo devem ser definidos com base nas características do local e no cenário de projeto adotado.

Ao definir a quantidade de veículos a serem incluídos no modelo, é importante considerar os seguintes pontos:

a) O objetivo da simulação CFD (ex.: abandono, controle de fumaça, acesso de combate);

b) O fatode que o potencial para ocorrência de incêndio acidental tende a aumentar com o número de veículos presentes no estacionamento;

c) Que o risco à vida humana também se eleva proporcionalmente ao aumento da densidade de veículos no local, e

d) Que a presença dos veículos afeta o incêndio, o ambiente do entorno e induz mecanicamente os fluxos térmicos

Orientações adicionais sobre a inclusão de veículos em simulações de estacionamentos estão detalhadas na Seção 17.5 e 17.6 deste documento.

Demais fatores que devem ser considerados e avaliados adequadamente:

• Fatores ambientais, tanto internos quanto externos, comooefeitochaminé (stack effect) interno, a ação do vento e a presença de outros elementos físicos que influenciem esses fluxos, por exemplo, edificações vizinhas;

• Fluxos induzidos mecanicamente, como ventiladores de impulso (jet fans) e dutos de insuflamento ou extração;

• Fontes significativas de calor (além do próprio incêndio) que possam gerar correntes de convecção natural capazes de interagir com os fluxos induzidos pelo fogo;

• A própria fonte de calor e fumaça (foco de incêndio), tais como: veículo à combustão interna, elétrico, híbrido, gás natural etc.

Fatores que influenciam a representação geométrica no modelo CFD incluem, parcial ou totalmente:

• A localização do objeto ou fonte em relação ao foco de incêndio e aos fluxos induzidos por ventilação ambiental ou mecânica – e o efeito que esse objeto ou fonte pode exercer sobre esses fluxos. Por exemplo, um objeto distante do foco de incêndio pode ter impacto menor sobre o movimento geral da fumaça do que um objeto de mesmo porte posicionado próximo ao fogo.

• O tamanho do objeto ou fonte, considerando:

A escala do espaço modelado;

A intensidade e comportamento esperado dos fluxos de ar e fumaça.

• A relação entre o tamanho do objeto e o tamanho da malha computacional (grid). Um objeto menor que as células da malha computacional na região onde está inseridonão poderáser representadocom precisão, amenos quese empreguem sub-malhas locais (refinamento) ou modelos subgrid de porosidade ou obstrução.

• A própria malha computacional (ou grid).

O tipo de malha adotado pelo software CFD pode impactar a representação geométrica. Por exemplo, uma malha baseada em coordenadas retangulares (cartesianas) apenas aproximará superfícies curvas ou inclinadas, o que pode limitar a fidelidade geométrica em regiões complexas.

O Engenheiro de Incêndio Modelador deve gerar e justificar a representação geométrica do modelo caso a caso. Qualquer simplificação geométrica aplicada não deve afetar significativamente o comportamento dos fluxos simulados.

É importante considerar que uma simulação CFD constitui sempre uma aproximação da realidade, ou seja, uma representação do que pode ocorrer em um evento de incêndio.

Aumentar o nível de detalhamento geométrico do modelo não implica, necessariamente, em uma melhor compreensão dos fluxos principais (bulk flows) dentro do recinto analisado.

d)Malha Computacional - Mesh

O domínio computacional é subdividido em um grande número de células menores.

A malha computacional, ou seja, o tamanho e a configuração das células, deve ser projetada para garantir que os seguintes requisitos sejam atendidos:

• Os detalhes geométricos (por exemplo, forma e dimensões dos objetos) devem ser representados adequadamente;

• Nos casos em que há simulação de incêndio, os fenômenos de escoamento responsáveis pelo transporte da fumaça devem ser resolvidos com precisão;

• Na região do foco de incêndio e da pluma térmica, é necessário empregar malha refinada (fine mesh) para capturar corretamente a ascensão dos gases quentes;

• Quando aplicável, deve-se evitar o fracionamento da malha (mesh splitting) em áreas com alta troca de informação.

Por exemplo:

No FDS, o foco de incêndio e sua região imediata de influência devem, preferencialmente, estar contidos em uma única malha

Nota:

Segundo o NIST, a relação entre o tamanho da célula da malha e o diâmetro característico do fogo é o parâmetro-chave para avaliar se a resolução adotada é adequada. Em termos práticos, isso significa verificar se o tamanho da malha está suficientemente pequeno para representar o fogo e seus efeitos, mas não tão reduzido a ponto de inviabilizar o tempo de processamento.

Dessa forma, o NIST estabelece níveis de refinamento (grosseiro, médio e fino) que auxiliam na escolha de uma malha compatível com o objetivo da simulação.

O refinamento da malha é um dos fatores mais críticos para a qualidade dos resultados. A dimensão das células deve ser escolhida de forma a representar adequadamente a escala característica do incêndio, permitindo que os principais fenômenos físicos como propagação da chama, geração de fumaça, estratificação térmica e interação com sistemas de proteção sejam capturados com fidelidade.

No caso de átrios internos com incêndio na base, não se deve dividir horizontalmente a malha, pois há intensa troca vertical de informação, devido à subida dos gases quentes e fumaça por efeito de flutuabilidade.

O mesmo princípio se aplica a poços de extração de fumaça (smoke shafts).

Quando a divisão de malha for inevitável, o Engenheiro de Incêndio Modelador do CFD deve garantir que não existam problemas nas conexões entre malhas (mesh-to-mesh interfaces) e deve demonstrar que não há impacto nos resultados simulados.

• A região próxima ao teto, incluindo a camada de gases quentes sob o teto(ceiling layer) e especialmente os escoamentos ao longo do forro, deve conter:

Um número significativo de camadas de células perpendiculares ao teto, no caso de malhas estruturadas;

Células com crescimento suave (gradual) no sentido perpendicular ao teto, no caso de malhas não estruturadas;

• Fluxos induzidos ou assistidos mecanicamente devem ser representados com precisão. Para isso, deve-se garantir que:

- Foi utilizada quantidade suficiente de células para descrever corretamente as dimensões do ventilador, insuflador ou extrator, no plano perpendicular à direção do fluxo (tipicamente são necessárias várias células – seguir as recomendações do desenvolvedor do software);

- As variações dimensionais das células na direção do fluxo não alterem as características do escoamento.

• Seguir as orientações dos desenvolvedores de software CFD quanto à escolha do tamanho adequado das células da malha, em conformidade com o modelo de simulação adotado;

• As células da malha não devem apresentar distorções significativas. Devem ter baixa razão de aspecto (idealmente próxima de 1:1 nas regiões próximas ao foco de incêndio). Sempre consultar os desenvolvedores do software quanto à distorção máxima admissível;

• Idealmente, deve-se realizar um estudo de sensibilidade dos resultados em função do tamanho das células adotadas na malha, a fim de garantir a confiabilidade e estabilidade da solução numérica.

Discussões adicionais sobre a qualidade da malha computacional são apresentadas noApêndice B deste documento.

Figura 12- Um exemplo (utilizando FDS) de malha retangular em um grande estacionamento. Fonte: Foto do SCA guidance on CFD analysis for Smoke Control design in Buildings

e) Submodelos Físicos

Os submodelos físicos selecionados definem as equações a serem modeladas dentro da simulação CFD.

Os mecanismos físicos relevantes que governam o escoamento e que precisam ser representados incluem os seguintes:

• Combustão e pirólise

• Flutuabilidade (buoyancy)

• Dinâmica dos fluidos turbulentos

• Radiação térmica

• Transferência de calor nas superfícies (paredes e tetos)

• Interação com sistemas de proteção e combate.

Em todos os casos, recomenda-se consultar as orientações do desenvolvedor do software CFD quanto ao modelo físico mais apropriado a ser adotado.

Esses modelos são discutidos em maior detalhe noApêndice A.

f) Especificação da fonte de Incêndio

Quando a simulação envolve a ocorrência de um incêndio, é necessário especificar a localização, o tamanho e as características da fonte de fogo no modelo CFD.

A modelagem do incêndio geralmente não é necessária quando se trata apenas da ventilação ambiental (uso diário) ou de remoção de fumaça pós-incêndio (nome de acordo com NFPA – purga).

g)Cenários de Incêndio

A seleção dos cenários de incêndio a serem analisados é um processo complexo que exige:

• Avaliação clara do objetivo da investigação;

• Compreensão dos processos de escoamento previstos na área em estudo;

• Conhecimento dos riscos de incêndio presentes, ou seja, das fontes potenciais de combustível e ignição.

Além de todos estes fatores acima citados, devemos sempre adotar:

• Análise de riscos da ocupação;

• Definição do incêndio de projeto (design fire); e

• Avaliação de aspectos humanos e de gestão operacional.

Esses fatores levam, normalmente, à definição da localização da fonte de incêndio. Dados experimentais ou publicados podem então ser utilizados para definir o tamanho e as características do incêndio. Recomendações para incêndios de projeto (design fires) adequados, os quais podem ser encontradas nos documentos citados nos itens 3.12 e 3.13 deste “Manual de Boas Práticas”.

Para aplicações mais incomuns, como estacionamentos com sistemas empilhadores de veículos (car stackers), pode haver escassez de dados sobre carga de incêndio e propagação. Nesses casos, é particularmente importante que quaisquer estimativas sobre o tamanho e características do incêndio sejam validadas com os órgãos públicos de aprovação durante o desenvolvimento do modelo CFD.

h)Liberação de calor do incêndio

A taxa de liberação de calor (Heat Release Rate – HRR) é uma entrada obrigatória no modelo CFD, tanto para:

• Modelos de fonte de calor volumétrica, quanto para

• Modelos de combustão.

O volume sobre o qual o calor é liberado (dependente da área de interferência e área real do material em combustão) também deve ser especificado quando se utiliza o modelo de fonte volumétrica.

No modelo de combustão, a liberação de calor é calculada com base na distribuição térmica na região das chamas acima do foco de incêndio, sendo necessário especificar a área da fonte de calor.

A avaliação dos perfis de liberação de calor (HRR vs Tempo) nos modelos de combustão é importante para determinar se a combustão é controlada por ventilação ou pelo combustível, especialmente quando se busca atender a objetivos específicos relacionados à fonte térmica.

i) Produção de fumaça pelo Incêndio

A produção de fumaça depende de:

• Propriedades físicas e químicas dos materiais combustíveis;

• Estado físico (sólido, líquido etc.);

• Quantidade de material disponível, incluindo geometria e arranjo do material;

• Disponibilidade de oxigênio (suprimento de ar para a chama e demais condições de ventilação).

Normalmente, a taxa de produção de fumaça é relacionada à taxa de liberação de calor por meio de um “fator de rendimento” (yeld factor), que representa a quantidade de fumaça gerada.

Esse fator é determinado experimentalmente para uma ampla gama de materiais e condições.

Assim, assume-se que a fumaça é gerada de forma uniforme:

• Ao longo de um volume, nos modelos de fonte de calor volumétrica;

• Ao longo de uma área, nos modelos de combustão.

Esta abordagem é adequada exceto nos casos em que há mudanças significativas na taxa de produção de fumaça, como na transição de um incêndio bem ventilado para um incêndio subventilado.

Isso porque o modelo CFD normalmente assume uma taxa constante de produção, o que pode não representar fielmente a dinâmica real nestes casos.

Figura 13 - Detalhe da produção de fumaça e distribuição das gotas do sistema de sprinklers - Fonte: Foto do SCA guidance on CFD analysis for Smoke Control design in Buildings

j) Propagação do incêndio

Em determinados cenários especialmente aqueles que envolvem modelos de combustão e incêndios em desenvolvimento a propagação das chamas pode ser considerada um fator relevante na taxa total de liberação de calor (Heat Release Rate –HRR).

Nesses casos, é fundamental identificar as propriedades dos materiais na circunvizinhança da região inicial do incêndio (foco primário) para avaliar se tais materiais contribuirão para a propagação das chamas.

A especificação da fonte de calor e fumaça do incêndio é tratada com mais detalhes noApêndice C deste documento.

k) Condições iniciais e de contorno

Qualquer mecanismo externo ou interno ao domínio computacional, mas que influencie significativamente o comportamento do escoamento dentro dele, deve ser representado na simulação.

Exemplos típicos incluem:

• Escoamentos presentes no domínio antes do início da simulação (condições iniciais);

• Entradas e saídas de fluxo por portas, janelas, aberturas, dutos ou sistemas mecânicos de insuflamento/extração;

• Aberturas para o exterior (open boundaries);

• Variações de momento e/ou energia em representações simplificadas de sistemas mecânicos, como ventiladores de fluxo (jet fans);

• Transferência de energia térmica nas paredes, tanto por condução quanto por convecção (calor para ou originária das paredes);

• Fontes de massa, momento e/ou energia, como no foco de incêndio ou na liberação de agentes extintores.

As condições iniciais e de contorno devem ser definidas pelo usuário. Estabelecer condições representativas pode ser desafiador, principalmente quando é necessário prescrever níveis de turbulência associados a uma condição inicial ou de contorno.

O nível de detalhamento disponível dependerá do software CFD utilizado nem todos os programas oferecem todas as opções discutidas nesta seção. Por isso, atenção especial para a adoção de softwares CFD adequados ao que se pretende obter de resultados, bem como o tempo de simulação a ser utilizado.

l) Condições iniciais do escoamento

As condições iniciais do escoamento podem precisar ser determinadas previamente por meio de análise ou simulação adicional, antes da execução da simulação principal.

m) Entradas e saídas (Inlets e Outlets)

Em fronteiras abertas (ou “livres”), onde o escoamento é predominantemente influenciado pelo que ocorre dentro do domínio computacional, é comum adotar condição de pressão constante o que implica que o fluxo esteja plenamente desenvolvido. Essas fronteiras devem ser posicionadas em locais onde a hipótese de fluxo desenvolvido seja válida ou tenha pouco impacto sobre o escoamento interno, ou seja, longe do foco de incêndio e fora de zonas com variações espaciais intensas.

Quando o escoamento é principalmente impulsionado por mecanismos externos, como ventilação forçada, os limites do domínio computacional devem ser colocados em locais onde as condições de fluxo sejam conhecidas e passíveis de prescrição.

A definição do fluxo nas fronteiras pode requerer análises adicionais, obtidas por meio de medições experimentais ou modelagem auxiliar (inclusive outra simulação CFD).

Umaanálisedetalhada énecessáriaquandoo escoamento nafronteiraécomplexo, como em espaços parcialmente abertos para o exterior, onde o ambiente externo afeta direção e velocidade do vento que entra.

n)Paredes

Para reduzir o tempo computacional, é comum o uso de “leis universais de parede” como condições de contorno nas superfícies.

Essas funções evitam a necessidade de resolver, com alta resolução, os fortes gradientes de temperatura e velocidade próximos às paredes, que exigiriam uma malha extremamente refinada.

Em vez disso, os fluxos de momento e de calor convectivo entre os nós das malhas próximas da parede e a parede em si são descritos por modelos empíricos (leis universais de paredes), que incluem parâmetros de rugosidade superficial levando, por exemplo, a menores velocidades próximas a superfícies rugosas.

Para a validade dessas leis, os nós das malhas próximas da parede devem estar posicionados a uma distância adequada, em função do número de Reynolds (local turbulento)

Há dois tipos principais de incertezas associadas ao uso dessas leis:

• A dificuldade em cumprir as restrições geométricas sobre a posição dos nós em toda a malha;

• O fato de que essas leis são estritamente válidas apenas para situações idealizadas.

O usuário CFD deve especificar como a transferência de calor será modelada nas paredes. Uma das possibilidades é o de assumir que as paredes são adiabáticas (sem troca de calor).

O outro extremo é assumir a temperatura da parede como constante, resultando em taxas máximas de transferência de calor. A modelagem da condução térmica interna na parede, também pode ser modelada, resolvendo a condução térmica dentro da parede

(requerendo malha refinada próxima às paredes e especificação das propriedades térmicas do material da parede).

Em geral, a suposição de parede adiabática leva a uma propagação mais rápida da fumaça, com maior concentração na camada quente junto ao teto, e menos fumaça prevista nas regiões inferiores, quando comparado à condição de temperatura de parede fixa.

A escolha apropriada da condição de contorno térmica dependerá do cenário modelado, dos objetivos da análise e dos critérios de aceitação adotados.

Essa escolha tende a ser mais crítica em recintos pequenos, com fumaça quente intensa, do que em grandes volumes, onde a temperatura da fumaça pode se aproximar da do ambiente.

A radiação térmica complica ainda mais a modelagem esse tópico não é abordado nesta seção, mas será tratado no ApêndiceA.

o)Condições dependentes do incêndio

À medida que o incêndio evolui ele pode alterar as condições internas do domínio computacional. Por exemplo: a ruptura de janelas ou elementos estruturais pode levar à modificação das condições de contorno nas imediações da falha. A avaliação desses comportamentos está fora do escopo deste documento. Os resultados das simulações CFD são fortemente influenciados pelas condições de contorno. Portanto, é essencial que o usuário defina essas condições de forma adequada e compreenda seu papel crítico na simulação.

Contudo, nem sempre todas as condições de contorno necessárias estarão bem definidas. Por exemplo:

• Parâmetros de turbulência na entrada do domínio são frequentemente desconhecidos;

• Pode haver incerteza nos coeficientes de transferência de calor das paredes;

• As fontes de incêndio, taxas de crescimento do fogo ou carga térmica podem estar mal definidas;

• Eventos externos ao domínio computacional, como distribuições de pressão causadas por ventilação natural ou mecânica, podem impactar o fluxo interno e devem ser considerados, caso influenciem os resultados esperados da modelagem.

Se houver dúvida, o usuário CFD deve realizar uma análise de sensibilidade, testando diferentes valores plausíveis para as condições de contorno, a fim de avaliar a influência dessas variações sobre os resultados.

11. APRESENTAÇÃO DAANÁLISE E DOS RESULTADOS

Aapresentação daanáliseconcluídadevefornecer resultados claros einequívocos. Os resultados devem demonstrar que o projeto, com base em análise comparativa ou determinística absoluta, é aceitável.

Portanto, os cenários de incêndio acordados devem ser apresentados, com evidências de desempenho explicitamente demonstradas em relação aos critérios de aceitação definidos.

Resultados visuais e gráficos devem ser utilizados em relação aos critérios de aceitação e aos cenários de incêndio avaliados. Como a modelagem CFD é determinística, o uso de dados gráficos comparados aos critérios de desempenho é a forma mais eficaz de demonstrar conformidade.

Quando um modelo CFD dependente do tempo é utilizado para atingir o estado estacionário, deve ser apresentada uma linha do tempo com intervalos regulares para demonstrar a estabilização das condições simuladas. Informações adicionais em momentos específicos também podem ser incluídas para destacar comportamentos incomuns do escoamento, como por exemplo, o efeito de ventiladores no momento da partida.

É essencial garantir que os resultados reflitam o cenário de incêndio em análise. Caso haja uma análise de sensibilidade, os resultados comparativos devem ser apresentados de forma clara.

Elementos-chave a considerar na apresentação dos resultados:

a) Imagens ou representações gráficas de parâmetros-chave de saída, como temperatura e visibilidade (ou distribuição/obstrução de fumaça), devem ser exibidas com referência aos limites tenáveis acordados.

b) Os resultados devem capturar a dinâmica do incêndio, especialmente distribuição de fumaça, temperatura e velocidades do fluxo nas regiões relevantes.

c) Devem ser escolhidas as métricas adequadas para monitoramento e apresentação: velocidades, temperaturas, etc. As faixas de dados adotadas devem ser padronizadas em todas as imagens apresentadas, para permitir comparação direta. É conhecido que tal comparação, em alguns fenômenos locais específicos, mesmo com detida análise, não são possíveis de serem

identificados ou comparados. Quando a escala é alterada, tal informação deve estar claramente identificada e descrita.

d) A localização das imagens deve ser pertinente às questões analisadas, mostrando os regimes de escoamento nas regiões de interesse e nos níveis relevantes.

e) É útil apresentar imagens vetoriais de velocidade para demonstrar o comportamento do fluxo, por exemplo, em torno de ventiladores ou aberturas.

f) Os resultados devem mostrar médias ou destacar pontos quentes locais quando existirem.

g) Os resultados (gráficos e determinísticos) devem ser escalonados de forma consistente para permitir comparação justa dos perfis de temperatura, por exemplo. Escalas e unidades devem ser coerentes entre os diferentes casos simulados.

h) O uso de imagens repetitivas deve ser evitado.

i) As imagens devem conter explicação clara do que está sendo mostrado e da localização dos efeitos observados.

11.1 Apresentação dos Resultados

Os resultados da análise devem ser documentados e podem ser apresentados por meio de relatório, com eventuais animações fornecidas em mídia eletrônica (pen drive ou repositório FTP).

A documentação deve incluir, no mínimo, as seguintes informações:

• Descrição resumida do caso analisado, contendo contexto e objetivos da simulação;

• Critérios de projeto e objetivos da análise, conforme definidos no QDR;

• Justificativa dos cenários de incêndio investigados;

• Detalhes do modelo CFD utilizado e condições de contorno;

• Resultados da análise, acompanhados de discussão técnica;

• Declaração conclusiva quanto ao atendimento dos critérios e objetivos do projeto.

Os relatórios devem ser completamente referenciados e conter informação suficiente para que um revisor técnico independente possa reproduzir a análise e chegar às mesmas conclusões.

Figura 14-Imagem mostrando movimentação do ar ao longo do tempo em estacionamento residencial. Fonte: Foto do SCA guidance on CFD analysis for Smoke Control design in Buildings

Para análises transientes (dependentes do tempo), os resultados gráficos devem ser apresentados sempre que possível, mostrando a evolução das condições em função do tempo. Embora nem sempre seja viável, essa abordagem qualitativa é altamente recomendada.

As escalas, faixas e unidades devem ser escolhidas de forma coerente com a natureza dos dados obtidos (velocidades, temperaturas etc.). Sempre que possível, as mesmas escalas de dados devem ser utilizadas em todas as imagens apresentadas, garantindo comparação direta entre os resultados. Nos casos em que isso não for possível, deve-se indicar claramente as escalas utilizadas.

Quando necessário, uma análise de sensibilidade deve ser realizada e apresentada de forma que permita comparar facilmente os principais resultados entre diferentes cenários.

As imagens devem ser selecionadas em posições representativas erelevantes para as questões avaliadas, indicando claramente os regimes de escoamento nas regiões de interesse, tais como: determinadas cotas, áreas de risco, rotas de fuga etc.

É particularmenteútil apresentar imagens devetores develocidadeem ventiladores mecânicos, a fim de ilustrar seus efeitos. Da mesma forma, imagens de temperatura e visibilidade (ou obstrução por fumaça) devem ser apresentadas com referência aos limites de condições tenáveis acordadas.

12. MODELAGEM DE LOBBIES, CORREDORES E ESCADAS

A modelagem de lobbies residenciais, comerciais e corredores é realizada com o objetivo de demonstrar a conformidade com os critérios de desempenho definidos nas diretrizes aplicáveis ao projeto. Como existem diferentes abordagens para demonstrar conformidade por meio de CFD, o Engenheiro de Incêndio Modelador deve garantir que os parâmetros de entrada e a metodologia adotada constituam uma avaliação conservadora do projeto proposto.

Ao realizar uma análise CFD, o principal objetivo geralmente é proteger as escadas contra a entrada de fumaça (ou manter as escadas livres de fumaça). Dependendo dos critérios de tenabilidade adotados, o objetivo também pode incluir a garantia de condições seguras de uso para corredores e lobbies compartilhados. Normalmente, o critério de aceitação é manter as escadas sem fumaça durante toda a simulação. Quando os corredores excedem os limites de distância de percurso estabelecidos por normas prescritivas, também será necessário demonstrar tenabilidade nos corredores, tanto nas fases de abandono quanto de combate ao incêndio.

A modelagem de escadas, corredores comuns ou lobbies pode ser orientada pela publicação da Smoke Control Association (SCA): "Guidance on smoke control to common escape routes in apartment buildings (Flats and Maisonettes)", além dos: Handbook of Smoke Control Engineering, NFPA-92-Standard for Smoke Control Systems e Handbook of Fire Protection Engineering Caso a abordagem adotada não siga essa referência, o Engenheiro de Incêndio Modelador deve apresentar justificativas técnicas adequadas para a sua escolha.

13 MODELAGEM DE EDFICAÇÕES PELO MÉTODO DE CONTEÇÃO DE FUMAÇA

(Gradiente de pressão)

A modelagem de pavimentos definidos conhecidos como “open floor” (sem corredores definidos), utiliza-se do conceito de “Contenção de Fumaça” no andar sinistrado ou na área de risco sinistrada (normalmente garantido pelo gradiente de pressão entre pavimentos circunvizinhos ou entre áreas de refúgio conjugadas), conforme consolidado na NFPA-92

O conceito primordial da solução é o de garantir que seja gerada pressão negativa no pavimento, ou nos pavimentos interligados, cenário de incêndio, de tal forma que a fumaça do incêndio não possua condições de deslocamento para demais outros pavimentos.

O gradiente é garantido pela permeabilidade das lajes e paredes existentes no pavimento, além de aberturas de frestas de portas de elevadores, aberturas do sistema de HVAC e do sistema de pressurização de escadas, além de antecâmaras de segurança, poços de elevadores e por conta do “efeito vento” em toda a periferia da edificação. Assim sendo, deve-se avaliar as condições de entrada de ar necessária para o crescimento do incêndio, além da avaliação do “tenability”, em tempo suficiente para o abandono seguro da população usuária do andar sinistrado.

Vale destacar que no conceito de contenção de fumaça, o foco não é apenas manter a fumaça confinada em determinadas zonas, mas sobretudo garantir condições de “tenability” nas áreas adjacentes ou protegidas e, quando verificada a necessidade durante análise de risco da edificação, o “tenability” também deve ser avaliado no andar ou área de risco sinistrado.

Normalmente, a primeira fase do estudo, avalia a permeabilidade das lajes e das paredes, além das frestas existentes em janelas e portas, para confirmar que o diferencial de pressão (gradiente de pressão) é possível.

Outra verificação imprescindível é a validação do “efeito vento” típico para o modelo, conforme sua posição no terreno. Tal verificação irá identificar locais em que existe pressões positivas e pressões negativas em todo o perímetro da edificação.

Após tais verificações e confirmado que existe “gradiente de pressão” no interior do pavimento, ou pavimentos, do estudo, conforme cenário definido, em relação aos demais outros pavimentos na circunvizinhança, além de confirmadas as forças do “efeito vento” que, também atuam, por toda a edificação, pode-se partir para o definitivo cenário de incêndio.

No exemplo acima, foram identificados 2 (dois) cenários de incêndio: para pavimentos triplex comercial (Simulação 01) e para duplex comercial (Simulação 02). Em tais pavimentos o incêndio foi posicionado na porção mais baixa do pavimento, próximo aos átrios, de tal forma que houvesse derramamento da fumaça para tais átrios.

Abaixo, alguns critérios de gradiente de pressão que podem ser adotados conforme a NFPA-92, em seu item 4.4.2.1.1:

Figura 18 - Critério da NFPA-92 a respeito do gradiente de pressão

Outra questão relevante, que deve ser considerada nos sistemas de controle da movimentação da fumaça e calor, é a necessidade de se validar a força máxima para abertura das Portas Corta-Fogo, de todas as rotas de fuga consideradas no cenário de incêndio. Para tanto existem critérios em diversas normas internacionais (ex.: NFPA-101, item 7.2.1.4.5). Tal força de abertura está exemplificada no “Handbook of Smoke Control Engineering”, conforme abaixo:

19- Fonte: Carlos

Exemplo de modelagem, considerando as áreas de escape em todas as paredes e lajes

Na imagem acima, se demostra algumas das aberturas consideradas por conta do critério de permeabilidade das paredes, para que o “gradiente de pressão” final fosse o mais real possível.

Figura

Cotta Engenharia.

Figura 20- Fonte: Carlos Cotta Engenharia. Imagem em 3D com todas as áreas de escape e todo volume do cenário de incêndio (triplex)

Acima o modelo estruturado do pavimento triplex que foi simulado e, abaixo, a malha gerada de toda a edificação, utilizada também para estudo do “efeito vento”.

Figura 21- Fonte: Carlos Cotta Engenharia. Malhas geradas de toda edificação e dos cenários de incêndio estabelecidos

Na imagem abaixo, podemos identificar o fluxo de extração da fumaça do incêndio para se garantir o “tenability” por determinado tempo, suficiente para o abandono da população usuária.

Nota 01:

O nome “extração de ar” utilizado é por conta de ser uma imagem das primeiras simulações, para que se pudesse ter certeza de que o sistema de extração teria condição de garantir do “gradiente de pressão” negativo, mesmo antes da simulação de incêndio propriamente dito. Nas demais etapas das simulações realizadas, os mesmos dutos e grelhas foram denominadas como para a “extração de fumaça”).

Nota 02:

Cumpre esclarecer que o termo “extração de fumaça” se refere a uma das partes constitutivas do “sistema de controle da movimentação da fumaça e calor”, sendo que este é o nome adequado, quando tratamos de sistema (quando estamos tentando descrever o funcionamento de tal sistema). Assim sendo, o termo “extração de fumaça” é uma das partes que constitui o “sistema” retro citado. O termo não é adequado e gera enormes conflitos técnicos e conceituais na Engenharia de Incêndio. O termo “extração de fumaça” foi utilizado na simulação computacional realizada para simplificação das legendas utilizadas.

Figura 22- Fonte: Carlos Cotta Engenharia. Demonstração dos dutos e das velocidades de ar para extração e gerar o gradiente de pressão negativo.

Importante reforçar que, na simulação apresentada, existem 2 (duas) escadas pressurizadas (a escada 1 com antecâmara pressurizada e a escada 2 com elevador de segurança pressurizado). Todas as frestas das Portas Corta-Fogo e os gradientes gerados pela entrada em funcionamento dos sistemas de pressurização de escadas foram considerados no sistema que avaliou o “gradiente de pressão” final. Além disso, foram identificadas todas as demais aberturas para entrada ou saída de ar nos pavimentos escopos dos estudos.

Como se pode verificar na imagem abaixo, existe a entrada de ar pelas frestas das portas dos elevadores sociais. Além disso, existem outras frestas de portas na periferia do pavimento e geradas pelas venezianas do sistema de HVAC.

Fato relevante e considerado foi o posicionamento vertical do pavimento triplex, ou seja, a altitude de referência de cada pavimento tem origem na cota zero (no nível do mar).

Esta é a razão que fundamenta a necessidade de que sistemas de pressurização de escadas, para edificações altas (mais de 100 metros de altura), precisam ser simulados com o CFD, para se garantir que não existe discrepância de pressão ao longo de seu trecho vertical.

Figura 23- Fonte: Carlos Cotta Engenharia. Alguns fluxos de ar por frestas de portas e aberturas.

Na figura 25, uma das imagens geradas para estudar a interferência do “efeito vento”. Observem que existem dois “vórtices”, os quais causam zonas importantes de baixa pressão, que interferem no “gradiente de pressão” interno. Comprovou-se que mesmo com

tais interferências, o “gradiente de pressão” interno foi suficiente para se garantir o perfeito funcionamento dos sistemas de pressurização de escadas e o “tenability” por tempo adequado ao abandono dos pavimentos simulados. O estudo do “Efeito Vento”, deve ser adequadamente avaliada na análise de riscos, uma vez que seu impacto no gradiente de pressão resultante da simulação computacional, pode até inviabilizar tal gradiente pretendido no cenário de incêndio proposto.

do edifício

25- Fonte: Carlos Cotta Rodrigues. Estudo do efeito vento ao redor de toda edificação e avaliação de zonas de baixa pressão

Figura 24- Fonte: Carlos Cotta Engenharia. Imagem do volume considerado no entorno

para o estudo do "Efeito Vento" - 1 Bilhão de metros cúbicos foram gerados

Figura

Abaixo uma das imagens geradas (cortes), no tempo 167 segundos, para um dos critérios de “tenability” (visibilidade). Notem que o incêndio foi posicionado próximo ao acesso ao átrio, no pavimento mais baixo do triplex (Foco do incêndio – Corte Z, abaixo)

Figura 26- Fonte: Carlos Cotta Engenharia. Um dos critérios de "tenability " avaliado após 167 segundos do total de 2400 segundos simulados

Figura 27 – Fonte: Carlos Cotta Engenharia. Um dos critérios de "tenability" avaliado após 167 segundos do total de 2400 segundos simulados (agora em plantas baixa)

Pode-se verificar que as rotas de fuga (setas em preto em direção às duas escadas pressurizadas – figura 27), permanecem com visibilidade superior a 12 metros em todos os possíveis trechos de rotas de fuga.

Nota 01:

Não apresentamos a descrição de todos os detalhes desta simulação realizada, por motivos óbvios, uma vez que este “Manual de Boas Práticas” deve servir como roteiro básico e não como um guia restrito. Diversas fases desta simulação apresentada não foram discutidas ou sequer apresentadas, uma vez que cabe ao Engenheiro de Incêndio Modelador, juntamente com sua equipe, a realização da análise de riscos adequada, atendimento de critérios e requisitos legais, critérios de normas nacionais ou internacionais, além da avaliação detida de todas as questões de interesse para serem acompanhadas e medidas, durante todo intervalo da simulação computacional.

Nota 02:

Ressaltamos que o apresentado se trata de um exemplo somente, sendo que toda e qualquer simulação precisa seguir rigorosos procedimentos apresentados neste “Manual de Boas Práticas”, devendo ser executado por profissionais altamente especializados.

14. MODELAGEM DE EDFÍCIOS COM GRANDES VOLUMES

O movimento de fumaça em edificações com grandes volumes internos pode envolver a transferência de fumaça proveniente de um ambiente menor, que escoa para o espaço maior por meio de uma pluma de transbordamento (spill plume), localizada na borda de um vazio arquitetônico.

No entanto, em alguns casos, pode ser mais apropriado modelar o incêndio diretamente na base do grande volume (ex.: átrio), com a fumaça subindo diretamente para as regiões superiores do ambiente (ex.: cobertura ou lanternim).

O controle de fumaça pode ser projetado por diferentes razões, incluindo-se os seguintes conceitos:

• Dar suporte à estratégia de abandono especificada em projetos de sistema de detecção e alarme de incêndio, Planos de Emergência e deAbandono (meios de fuga);

• Auxiliar nas operações de combate a incêndio, por parte das equipes de emergência.

Os objetivos da modelagem CFD e os cenários de incêndio a serem simulados devem ser claramente definidos pelo Engenheiro de Incêndio antes do início da modelagem.

A seguir, são apresentados exemplos típicos de objetivos em projetos aplicados a edificações de grande volume interno:

14.1 Edifícios de armazenagem, logística ou indústria

Esses edifícios geralmente possuem grandes áreas com mezaninos abertos. O principal desafio é garantir o abandono segura quando as distâncias de percurso superam os limites prescritivos. A análise CFD pode compor um estudo do tipo ASET vs. RSET, demonstrando que os ocupantes conseguem abandonar antes da descida crítica da camada de fumaça para as rotas de fuga projetadas

Nesses casos, volumes generosos já oferecem uma margem natural de segurança, podendo tornar dispensável o controle ativo de fumaça. No entanto, o sistema pode ser justificado por razões de proteção de ativos ou acesso de bombeiros.

Nota:

Deve-se observar critérios estabelecidos pela NFPA-204, principalmente quando a edificação escopo não possuir sistema de chuveiros automáticos.

14.2 Edifícios do tipo locais de reunião de públicos

Locais de reunião de público são muito desafiadores, uma vez que o Engenheiro de Incêndio Modelador, deve possuir experiência a respeito do comportamento do público anteao estresse doincêndio, oquepode dificultar sobremaneira avelocidadede abandono, aumentando tal tempo. Idosos, pessoas deficientes, crianças, cadeirantes são as características esperadas em tais ambientes, além de serem ambientes amplos e quem muitas das vezes são alterados constantemente em seu layout, quer seja para abrigar feiras de exposições diversas, estandes variados, apresentações de palestras, obras de arte etc.

O Engenheiro de Incêndio Modelador deve, além da análise de riscos, o qual determinará o cenário de incêndio, deverá considerar todos os sistemas e instalações que estarão operantes em tais eventos e cenários de incêndio adotados, estabelecer limites de riscos que serão simulados, tais como: taxa de liberação de calor, altura livre da camada de fumaça aceitável para o adequado funcionamento do sistema de iluminação de emergência e da sinalização orientativa, além de validar o caminhamento máximo a ser aplicado.

Alguns riscos devem ser claramente definidos como limitados pelo Engenheiro de Incêndio Modelador, como exemplo: veículos elétricos - EV. Como todos os critérios a serem adotados, no cenário de incêndio proposto, devem ser claramente definidos e limitados, é essencial que tais valores estejam sempre lastreados em fartos e extensivos testes laboratoriais.

No exemplo citado acima, os EVs são nova tecnologia, no momento da elaboração deste “Manual de Boas Práticas” e, consequentemente, ainda, não existem numerosos testes que validem os melhores tipos de proteção contra incêndio a serem adotados para se garantir a mitigação de tais tipos de incêndios.

Outros critérios ainda desconhecidos: curva de crescimento de incêndio, taxa de liberação de calor máxima, tempo total em que tal taxa de liberação de calor deve ser considerada na simulação, densidade de fumaça esperada e tipos de gases tóxicos liberados no ambiente, quando da reação química em cadeia (avalanche térmica – termo utilizado atualmente), além da densidade de tais gases emitidos.

Alguns pontos de atenção para locais de reunião de público:

• Escolha criteriosa dos cenários de incêndio (pior caso e robustez).

• Taxade liberaçãodecalor (HRR) compatívelcom acargadeincêndioreal(palco, materiais combustíveis de público, mobiliário, equipamentos técnicos).

• Incêndios múltiplos ou em áreas críticas (sob arquibancadas, no palco, em depósitos de apoio).

• Considerar efeito chaminé em pé-direito alto e influência do vento em aberturas.

• Checar desempenho de cortinas de fumaça, anteparos e compartimentação.

• Modelagem do impacto de sprinklers (redução do HRR mas aumento de fumaça fria).

• Aspectos humanos (“tenabillity”)

• Representação de obstáculos relevantes: arquibancadas, palcos, passarelas técnicas, depósitos de cenários.

• Cenários com ocupação máxima para refletir risco real.

• Altura da camada livre de fumaça sobre o público e rotas de abandono.

• Mapas devisibilidade, temperatura econcentrações de gases em pontos críticos.

• Gráficos de tempo versus condição de “tenabillity” (comparaçãoASET x RSET).

14.3 Edifícios com Átrios

a) Átrios Abertos

Em átrios abertos são aqueles que possuem comunicação entre alguns ou entre todos os pavimentos, a principal preocupação da estratégia de combate a incêndio é o impacto da propagação vertical da fumaça através do átrio, para os pavimentos superiores, além do pavimento de origem do incêndio.

A fumaça ascendente pelo átrio pode se acumular sob a cobertura e formar uma camada de gases quentes descendente, afetando os pavimentos ocupados superiores.

Geometrias de átrios mais complexas podem resultar em movimentos de fumaça mais complexos, como no caso de múltiplas plumas de transbordamento (spill plumes) simultâneas.

Uma análise CFD pode ser empregada como parte de uma avaliação do tipoASET vs RSET (Available Safe Egress Time vs Required Safe Egress Time), com o objetivo de demonstrar que os ocupantes terão tempo suficiente para abandonar antes que a fumaça atinja níveis críticos nas rotas de fuga.

Para sustentar essa estratégia, geralmente são necessários ventiladores de exaustão de fumaça mecânicos ou aberturas de extração natural no topo do átrio (lanternim).

Nota:

Deve-se reforçar que o termo “átrios abertos”, são somente aqueles átrios que possuem comunicação entre os seus vários pavimentos, ou seja, os pavimentos possuem contato direto com o átrio, sendo que o átrio continuará com seu fechamento em seu topo.

Toda edificação que possua abertura vertical e não possua fechamento no topo de tal comunicação, deverá ser denominada de pátio e não átrio.

Para quaisquer dos casos “átrios abertos” ou “pátio”, a simulação computacional poderá ser realizada para se verificar a condição da movimentação da fumaça e calor, confirmando-se os efeitos nocivos para todos os pavimentos. Orienta-se para que sejam realizadas simulações para diversas condições climáticas típicas da região onde se localiza a edificação.

Alguns pontos de atenção para controle de fumaça em átrios:

• Definir incêndios plausíveis em áreas adjacentes ao átrio (lojas, restaurantes, exposições, cinemas);

• Considerar cargas combustíveis típicas: mobiliário, decoração, expositores e combustíveis líquidos ocasionais;

• Avaliar cenários com e sem sprinklers, já que a ativação pode modificar o crescimento do fogo e a produção de fumaça;

• Analisar a formação da camada de fumaça e sua altura em relação às áreas de circulação (rotas de fuga);

• Verificar a interação entre diferentes níveis: propagação da fumaça para pavimentos superiores conectados;

• Utilizar malha refinada na região do fogo e na estratificação de fumaça;

• Incluir elementos arquitetônicos internos (mezaninos, passarelas, elevadores panorâmicos, escadas rolantes, painéis publicitários etc. – todos devem ser entendidos como obstáculos à movimentação da fumaça e calor);

• Considerar sistemas de climatização e ar-condicionado, que podem romper a estratificação;

• Simular condições externas de vento, pois alteram a estabilidade da camada de fumaça em aberturas superiores.

b) Átrios envidraçados ou enclausurados

Quando os átrios são fechados, um incêndio tende a representar menor risco imediato aos pavimentos superiores.

No entanto, em edifícios com tempos longos de abandono ou em edificações residenciais que adotam estratégias de permanência no local (stay put), pode ser implementado um sistema de controle de fumaça com o objetivo de limitar a temperatura da fumaça no interior do átrio e garantir o “Tenability”.

Essa abordagem permite, por exemplo, o uso de:

• Envidraçamento sem classificação de resistência ao fogo, ou

• Vidros com classificação apenas de integridade ou integridade e redução de radiação, não sendo vidros com integridade e isolamento térmico (por exemplo).

Nota:

Aliás, a simulação computacional pode revelar a não necessidade de instalação de vidros com integridade e isolamento térmico (critério dos mais rigorosos até o momento), podendo diminuir, significativamente, os custos de implantação de tais elementos. Exemplos de edificações nas quais essa estratégia pode ser apropriada incluem:

• Escritórios com abandono por fases;

• Hospitais;

• Edifícios residenciais multifamiliares.

14.4 Centros Comerciais

Em shopping centers, é comum permitir que a fumaça dos ambientes flua para o Mall, onde será extraída por sistema dedicado. Normalmente, exige-se a manutenção de

uma camada livre de fumaça de ao menos 3,0 metros, acima do nível mais alto do Mall (quando o incêndio entra na fase estável – steady state fire).

Diretrizes indicam o uso de reservatórios de fumaça com dimensões limitadas, para evitar as: perda de empuxo (flutuabilidade) ou perda da propagação da fumaça sob sacadas. Para atender tal critério, são utilizados acantonamentos (defletores ou barreiras), que direcionam o “spill plume” . Contudo, essas diretrizes são datadas (década de 1980) e podem não refletir as tendências atuais de projetos com Malls de grandes volumes, Malls com mais de dois pavimentos, uma vez que a tendência atual construtiva é a de diminuir o número de acantonamentos e Malls semiabertos.

Estudos CFD podem ser utilizados para demonstrar que tais soluções alternativas atuais, ainda garantem segurança dos ocupantes e das equipes de emergência por determinado tempo, comprovados na simulação.

Figura 28- Fonte: Carlos Cotta Engenharia. Visão em corte, mostrando a velocidade de ar por todo shopping Mall. Fonte: Foto do SCA guidance on CFD analysis for Smoke Control design in Buildings

Pontos de atenção:

• Incêndios iniciados em lojas abertas para o átrio (balcony spill plume);

• Fontes de fogo em áreas comuns (praças de alimentação, mobiliário, exposições temporárias);

• Definir cargas de incêndio representativas (estoque de lojas, materiais combustíveis em stands e decorações sazonais);

• Avaliar cenários com e sem sprinklers, já que a ativação pode alterar o HRR e aumentar a geração de fumaça fria;

• Derramamento de pluma de loja para o átrio: modelar o fluxo de fumaça que escapa de lojas abertas para o espaço central; e

• Influência do vento e ventilação natural: claraboias e aberturas devem ser avaliadas, pois podem desestabilizar a camada de fumaça.

14.5 Tamanho da Malha (Mesh)

Em volumes grandes, o uso de múltiplas malhas é comum para otimizar o tempo de processamento. Malhas mais finas devem ser aplicadas próximo ao foco de incêndio e nas regiões de interação (pluma de fumaça e locais onde a fumaça é projetada de determinados ambientes para grandes outros volumes). Em regiões distantes, malhas mais grossas podem ser suficientes, desde que não comprometam a resolução e representatividade de elementos relevantes (ex.: venezianas, pontos de entradas de ar, pontos de extração mecânica).

15. INCÊNDIO

Cabe ao Engenheiro de Incêndio a definição do cenário mais adequado, sendo que a adoção de um “incêndio instável” nas simulações, com acompanhamento de seu desenvolvimento, acionamento dos demais sistemas de proteção contra incêndio (sistemas de detecção de incêndio, sprinklers, “water-mist”, controle da movimentação da fumaça e calor etc.), considerando seus respectivos “response time index” (a ser visto adiante), quando existentes, temperaturas de acionamento (sprinklers) e/ou taxa de obscurecimento (detectores de fumaça), são fatores principais para a adequada criação de tal cenário de incêndio pretendido.

Sequência básica para determinar o tamanho do incêndio:

• Análise de Riscos, Identificação da Ocupação e Cenário Crítico;

• Avaliar a densidade de ocupação e a carga de incêndio disponível;

• Caracterização da Carga de Incêndio.

• Levantar tipo de materiais combustíveis, tais como:

- Quantidade e arranjo;

- Distâncias de separação;

- Quantidade de combustível.

• Identificar se a ocupação tem fogo representativo de catálogo ou exige cálculos específicos.

• Interação com sistemas de proteção (ex.: chuveiros automáticos).

15.1 Cenários

As localizações a serem modeladas devem ser definidas pelo Engenheiro de Incêndio, considerando os objetivos específicos da modelagem.

Se o objetivo for demonstrar que a fumaça não desce até níveis que prejudiquem as rotas de fuga, ocenário mais crítico será, provavelmente, aquele com o trajeto de fumaça mais complexo.

Por outro lado, se o critério principal for a temperatura da fumaça, pode ser mais apropriado modelar um incêndio com trajetória de fumaça menos complexa e com menor arraste de ar ambiente no plume de fumaça Isso pode se aplicar, por exemplo, a sistemas de controle de temperatura em átrios, onde um incêndio com origem na base do átrio ou

com origem no mais alto pavimento existente, pode resultar nas temperaturas de fumaça mais elevadas.

Muitas vezes, as localizações identificadas na análise de riscos, por questões estratégicas e gerenciais, proporcionem uma situação em que a conclusão do cenário de incêndio necessite de validação externa. Isso não significa que o Engenheiro de Incêndio Modelador e sua equipe não possua capacitação técnica adequada. Mas sim, significa exatamente o oposto, uma vez que a experiência do Engenheiro de Incêndio Modelador pode ter identificado critérios conflitantes no “cenário de incêndio” ou valores conflitantes em determinadas legislações, normas ou textos de referência, os quais poderão ensejar futuros questionamentos dos representantes públicos. Para tais situações, orienta-se adotar o TACI (Termo deAjustamento de Cenário de Incêndio). O TACI servirá de guia, com todas as argumentações técnicas das partes envolvidas (modelador responsável e representante público ou modelador responsável e entidade designada). Como entidade designada, cita-se o Instituto de Engenharia, por meio de sua Divisão Técnica de Engenharia de Incêndio.

Sequência básica para definir os cenários de incêndio:

• Estabelecer o propósito, como exemplo: manter camada de fumaça acima da altura segura para a população usuária, garantir o “tenability” em tais rotas de fuga, validar sequência de operação automatizadas ou manuais, gradientes de pressão;

• Selecionar e justificar cenários de incêndio de projeto: utilizar múltiplos cenários que cubram local do fogo, HRR, materiais carga incêndio;

• Definir o incêndio de projeto (design fire);

• Interação com demais sistemas de incêndio, principalmente chuveiros automáticos;

• Verificações de desempenho por cenário.

15.2 Tamanho do Incêndio

O tamanho do incêndio e a taxa de crescimento da curva de fogo devem ser definidos pelo Engenheiro de Incêndio Fontes de referência: adotar os relacionados nos itens 3.12 e 3.13 deste “Manual de Boas Práticas”

Caso o estudo CFD esteja inserido em uma análise do tipo ASET vs. RSET (Available Safe Egress Time vs Required Safe Egress Time), é recomendável utilizar um incêndio com desenvolvimento dependente do tempo.

Quando um incêndio em desenvolvimento é modelado, pode ser apropriado limitar seu crescimento a um determinado valor máximo, considerando a atuação de sistemas de supressão, utilizando-se curvas de crescimento estimadas de maneira segura (crescimento ultrarrápido, rápido, moderado ou lento), até determinada faixa, quando poderá alterar para incêndio estável (manutenção da taxa de liberação de calor), até o tempo considerado pelo cenário de incêndio, podendo ser: tempo de abandono completo da população usuária considerando-se o “tenability”, tempo-resposta das equipes de emergência ou demais considerações estabelecidas e acordadas com representantes de órgãos públicos de aprovação.

Entretanto, há situações em que é suficiente assumir um incêndio em estado estacionário, simplificando a modelagem.

Por exemplo: a análise ASET vs. RSET em um galpão logístico ou centro de distribuição de grande porte, a margem de segurança, por conta do número de população usuária, tempo de abandono, carga incêndio, altura do “pé-direito”, sejam tais que um cenário de fogo estacionário seja aceitável.

Demais critérios, que aumentam a margem de segurança, podem ser: a existência de sistemas de detecção de incêndio nas prateleiras e nos diversos níveis de seu grande volume, distância de separação entre prateleiras, sistema de controle da movimentação da fumaça e calor, existência de sistemas de sprinklers nas prateleiras e na cobertura, compartimentações ou isolamentos deriscos, rotas de fugaseguras, planos deemergência, bombeiros profissionais e treinamento de brigadistas, além de plano de abandono consistente e treinado constantemente.

Há ainda aplicações em que o projeto, tradicionalmente, assume incêndios em estado estacionário, como em:

• Sistemas de controle de fumaça em shoppings;

• Átrios de edifícios comerciais.

15.3 Taxa de Liberação de Calor (Heat Release Rate – HRR)

Um dos mais importantes parâmetros para se definir o cenário de incêndio é denominado de “Taxa de Liberação de Calor” (Heat Release Rate – HRR), que varia em função do tempo. A figura 29 demonstra a idealização do histórico do HRR para incêndio em um compartimento, do início do incêndio até sua extinção completa. Observe que a intervenção das equipes de brigada de incêndio da edificação não foi considerada. No exemplo, existe destaque para ação automatizada de alguns sistemas de proteção contra incêndio com base em água (sprinklers, water mist etc ).

Figura 29-Curva típica de incêndios com suas fases esperadas.

O gráfico abaixo demonstra as curvas das taxas de liberação de calor (incêndio t2).

Tais curvas do tipo incêndio t2 provaram ser úteis e, portanto, foram adotadas na NFPA-72 “National FireAlarm Code”, para determinar os diversos tipos de incêndio e posicionamento dos dispositivos de detecção, da mesma forma que para a NFPA-92 “Guide for Smoke

Management Systems in Mall, Atria, and Large Areas”, para projetos de sistemas de controle da movimentação da fumaça e calor.

Figura 30 - Diversas curvas de crescimento de incêndio. Fonte: FONTE: SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 2016, Morgan J. Hurley, Editor-in-Chief, Fifth Edition

Importante destacar que as curvas de crescimento podem sofrer alterações, por exemplo, quando existe sistema de sprinklers, cuja ativação, “em tese” controla o tamanho do incêndio, sendo que podem ser possíveis 3 variações dessas curvas.

Figura 31- Variações nas curvas de crescimento de incêndio com sprinklers - FONTE: SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 2016, Morgan J. Hurley, Editor-in-Chief, Fifth Edition

Critérios como o “Response Time Index” dos sistemas de detecção de incêndio e do sistema de sprinklers, podem ser adotados, para identificar na simulação para o cenário

estudado. Para sistemas de detecção, pode-se avaliar faixas de performance fornecida por fabricantes, conforme abaixo:

Sequência básica para determinar o HRR:

• Determinar a ocupação;

• Levantar as cargas de incêndio prováveis;

• Definir os locais críticos de ignição;

• Escolha da Curva de Crescimento do Incêndio:

- Adotar curvas de fogo t²;

- Justificar com base na velocidade esperada de propagação e na natureza dos combustíveis.

• Definição do Pico de HRR (HRRmax):

- Selecionar valores típicos recomendados;

- Ajustar para condições de sprinklers atuando

15.4 Demais outras interações e avaliações

A análise de riscos deve apresentar todas as interações necessárias para a simulação computacional, tais como: interação com sistema de detecção de incêndio, tempo para fechamento e/ou abertura de dumpers, tempo de acionamento do sistema de controle da movimentação da fumaça e calor, tempo de abandono (ASET vs. RSET), “tenability”, tempo de resposta das equipes de emergência etc.

Como exemplo, critérios dos dispositivos do sistema de detecção projetados deverão fazer parte da simulação, uma vez que o sistema de detecção de incêndio é o responsável pelo gerenciamento de todo e qualquer sistema de proteção existente em qualquer edificação ou área de risco.

Para sistemas de detecção, pode-se avaliar faixas de performance fornecida por fabricantes. Veja um exemplo a seguir:

Figura 32- Taxa de obscurecimento de diversos tipos de detectores. Fonte: https://www.rfwireless-world.com/Terminology/What-is-Obscuration.html

Alguns valores de “tenability” para o controle da simulação são imprescindíveis, tais como: temperatura de exposição para a população usuária nas rotas de fuga, critérios de Monóxido de Carbono (CO) e visibilidade. Abaixo apresentamos alguns dos valores de referência.

Figura 33-Critérios de temperatura conforme NFPA-92

Figura 34- Critérios de concentração de Monóxido de Carbono conforme NFPA-92

Não obstante, o tempo-resposta das equipes de emergência deve fazer parte do tempo da simulação. O ideal para esses grandes volumes é que a população usuária permaneça o tempo todo do abandono, sem ser afetada por qualquer dos critérios do “tenability”.

O abandono de tais ambientes costuma ser do tipo abandono total, a partir do acionamento do sistema de detecção e alarme de incêndio.

Independente da estratégia de abandono (faseado, parcial ou total), o estudo de ASET vs. RSET deve ser entendido como prioritário. Orienta-se para que seja realizado Plano de Emergência, Treinamento de Brigadistas e Plano de Abandono anualmente praticado e revisado, para se detectar possíveis falhas, sempre mantendo-se o tempo de abandono inferior ao tempo simulado.

Na figura 35, verifica-se na Tabela 1, apresentamos curvas de incêndio que devem ser adotadas para vários riscos, sendo que a Tabela 2 apresenta as produções de fuligem, produção de CO e CO2.

Figura 35- FONTE: SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 2016, Morgan J. Hurley, Editor-in-Chief, Fifth Edition Outras literaturas apresentam tabelas com valores de curvas de crescimento de incêndio (t2) diferentes. Portanto, cabe ao Engenheiro de Incêndio Modelador estabelecer estudos mais aprofundados para determinar o material carga de incêndio, as propriedades desses materiais, forma de distribuição e armazenamento, condições da ventilação, além de estudos comparados e testes laboratoriais.

36- Diversos tipos de curvas de crescimento de incêndio

Observa-se que a curva de incêndio “ultra-fast” não aparece na figura 35, mas são apresentadas na figura 36

Com a utilização de materiais com maiores velocidades de queima ou reações químicas mais violentas em incêndios, lastreadas em testes laboratoriais, essas curvas poderãoser mais utilizadas, comoé ocaso de incêndios envolvendoEV (veículos elétricos).

Muitos testes internacionais apontam para crescimento das curvas “ultra-fast”. Tal realidade pode, também, ser encontrada em grandes depósitos de líquidos inflamáveis.

Ao definir o período de simulação e a curva de incêndio (HRR x tempo) é fundamental observar:

• Tempo total até o abandono: a simulação deve durar, pelo menos, até o tempo em que todos os ocupantes abandonem a edificação, o pavimento em estudo ou

Figura

a área de risco (RSET), comparado ao tempo disponível (ASET) da simulação do cenário proposto;

• Tempo de estabilização: incluir um período após o pico de HRR para verificar estabilidade da camada de fumaça e o desempenho contínuo dos ventiladores/exaustores;

• Tempo de detecção (também denominado de “Response Time Index” - RTI): deve-se indicar em quepontodacurva de HRR ocorreuo acionamentoequantos dispositivos foram sensibilizados;

• Tempo de resposta dos sprinklers (RTI): alterar a curva no momento da atuação – alterando a curva de crescimento do HRR, limitando ou reduzindo tal HRR, conforme NFPA 92;

• Falhas e atrasos do sistema, por exemplo tempo de resposta dos ventiladores, registros, cortinas: incluir atrasos conforme catálogos técnicos e tipo de sistema instalados após sinal de alarme, como ocorre na prática de automação predial;

• A simulação deve cobrir o período até que algum critério de “tenability” seja atingido e seja confirmado como prejudicial à população usuária, confrontandose com a relação RSET vs. ASET.

15 5Ativação do sistema de controle de fumaça

A linha do tempo para ativação do sistema de controle de fumaça deve ser definida peloEngenheiro deIncêndio antes do início damodelagem. Quandoosistemaé automático e vinculado ao sistema de detecção de incêndio, esse tempo pode ser estimado com base em modelagens complementares, como a simulação do tempo de acionamento desses detectores de incêndio.

Algumas outras considerações que podem fazer parte da linha do tempo são:

• O tempo de “ramp-up” dos ventiladores de exaustão de fumaça e de atuação completa dos dumpers corta-fogo e fumaça;

• O tempo de desligamento do sistema de ar-condicionado ou quaisquer outras movimentações de ar indesejadas para o perfeito funcionamento do sistema de controle da movimentação da fumaça e calor;

• O tempo de abertura de portas automatizadas para entrada de ar na edificação ou fechamento de portas corta-fogo em áreas de refúgio;

• O tempo de ativação do sistema de pressurização de escadas;

• O tempo de ativação do sistema de sprinklers;

• O acionamento completo de extratores de fumaça naturais e/ou mecânicos.

Contudo, esses fatores tendem a ser menos críticos em ambientes de grande volume, quando comparados a espaços menores, sendo possível, em muitos casos, adotar hipóteses conservadoras.

Em simulações baseadas em estado estacionário, normalmente assume-se que o sistema de controle de fumaça esteja ativado desde o início da simulação.

15.6 Tempo de simulação

O tempo de simulação deve ser escolhido para que os resultados reflitam adequadamente o cenário analisado.

• Para incêndios com desenvolvimento temporal, o tempo de simulação deve se basear no momento de ocorrência de ações relevantes, como:

- Tempo necessário para abandono;

- Tempo de chegada do Corpo de Bombeiros.

• Para cenários estacionários, o tempo de simulação deve ser suficiente para demonstrar que o modelo atingiu o regime permanente e equilíbrio térmico.

Esse ponto é alcançado quando variáveis como altura da camada de fumaça e temperatura se tornam estáveis ao longo do tempo. Em espaços de grande volume, isso pode exigir tempo de simulação da ordem entre 30 minutos a 45 minutos, podendo ser necessário tempo de simulação superiores, a depender da avaliaçãoASET vs. RSET, além do “tempo-resposta” das equipes de emergência

15.7 Critérios deAceitação

Os critérios de aceitação devem ser definidos com base na estratégia de proteção contra incêndio e idealmente acordados com os órgãos públicos de aprovação, antes da modelagem.

Alguns critérios podem considerar a altura mínima da camada de ar limpo para garantir o abandono seguro ou condições que permitam a fuga, o combate ao fogo em ambientes que mantenham o “tenability” ou, ainda, a resistência estrutural necessária para os abandono e combate.

Orientações sobre critérios de “tenability” adequados podem ser encontradas nas documentações e normas citadas nos itens 3.12 e 3.13 deste “Manual de Boas Práticas”

Os critérios de “tenability” considerados relevantes devem ser identificados antes damodelagem, e omodeloCFDdeveser desenvolvidoparaavaliar esses critérios de forma objetiva.

16. MODELAGEM DE ESTACIONAMENTOS (car parks)

A ventilação de estacionamentos cobertos é, geralmente, recomendada para limitar as concentrações de monóxido de carbono (CO) e outras emissões veiculares durante o uso cotidiano, além de remover fumaça e calor em caso de incêndio. Frequentemente, os mesmos equipamentos são utilizados para ambas as finalidades

A análise por Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) raramente é empregada como ferramenta primária de projeto para sistemas de ventilação de estacionamentos. Muitos sistemas seguem apenas as recomendações prescritivas, por exemplo, dos “Approved Documents B e F” ou normas internacionais de referência, sem necessidade de análise de desempenho.

Quando sistemas alternativos são propostos, por exemplo, sistemas de ventilação por impulso, especialmente os projetados para facilitar o acesso dos bombeiros ou proteger rotas de fuga, o projeto é geralmente desenvolvido por outros métodos e, posteriormente, ajustado com CFD para refinar o desempenho e demonstrar sua eficácia às autoridades competentes.

A principal vantagem do uso de CFD é que isso pode ser feito antes da instalação do sistema de ventilação, proporcionando confiança às partes envolvidas desde o início do projeto. É muito mais fácil e econômico ajustar expectativas e corrigir problemas nesta fase do que após os testes na conclusão da instalação.

Devido a preocupações com danos, raramente se realizam testes com fogo real ou fontes significativas de calor. Uma modelagem CFD adequada pode simular de forma relativamente precisa do que pode ocorrer no interior do estacionamento.

Como os sistemas de ventilação de estacionamentos são geralmente de dupla função: controle de emissões veiculares em condições normais e controle de fumaça em incêndios. Deve-se considerar quais modos operacionais requerem análise CFD, já que os cenários e condições variam conforme a escolha feita.

É importante observar que, embora a modelagem CFD forneça resultados altamente detalhados, os resultados devem ser vistos como projeções, representando um possível resultado e indicação de desempenho, e não como declarações definitivas de condições reais.

O escopo deste guia se limita a estacionamentos ocupados por veículos com motores de combustão interna e não oferece diretrizes para veículos com outras fontes de

energia (por exemplo, baterias elétricas ou células de combustível a hidrogênio). Nesses casos, devem ser feitas considerações adicionais no processo de Análise Quantitativa de Riscos (QDR).

O documento da SCA “Design of Smoke Ventilation Systems for Loading Bays & Coach Parks” oferece orientações adicionais para projeto de ventilação em áreas de carga e descarga e terminais rodoviários, listando opções disponíveis ao projetista.

16.1 Critérios deAceitação

Antes da conclusão da modelagem detalhada e apresentação dos resultados, é essencial que os objetivos do projeto e os critérios de aceitação sejam previamente acordados, bem como a metodologia de modelagem aprovada. Os critérios de aceitação normalmente são definidos pela “estratégia de incêndio” e validados pelas autoridades competentes. Parte desse acordo deve incluir um método para avaliar o desempenho da modelagem com base em valores prescritos.

Quando se utiliza uma abordagem comparativa, os resultados devem ser comparados diretamente com a solução prescritiva acordada, com variáveis e áreas de comparação bem definidas.

Em abordagens determinísticas, devem ser acordados limites para visibilidade, temperatura, radiação etc.

Para estacionamentos, há sete questões principais a serem consideradas:

• Ventilação de emissões veiculares;

• Remoção de fumaça;

• Segurança dos ocupantes em abandono;

• Segurança dos bombeiros e sua capacidade de combater o fogo;

• Propagação do fogo e efeitos locais;

• Desempenho em todo o estacionamento;

• Verificação de erros

Nem todas as questões abordadas neste manual serão necessariamente aplicáveis atodos os projetos. Os aspectos relevantes devem ser selecionados casoacaso, deacordo com as características específicas de cada empreendimento.

Não é objetivo deste manual estabelecer critérios de aceitação específicos, tais critérios devem ser acordados com os órgãos públicos de aprovação, com base em documentos técnicos reconhecidos, tais como os citados nos itens 3.12 e 3.13 deste “Manual de Boas Práticas”

Consecutivamente serão descritos os principais aspectos a serem considerados em cada área e que devem ser demonstrados como aceitáveis perante a autoridade competente.

17. VENTILAÇÃO PARA EMISSÕES DE VEÍCULOS

Deve-se ter como objetivo demonstrar que todo o estacionamento está adequadamente ventilado e que a taxa de ventilação ou os níveis máximos de CO (monóxido de carbono) atendem às recomendações do Approved Document F, do RegulamentodeEdificações (oudocumentoequivalenteforadaInglaterra ePaís de Gales).

a) Análise comparativa

O Approved Document citado, estabelece requisitos prescritivos básicos para a ventilação relacionada às emissões veiculares. Quando esses requisitos não são seguidos, pode-se utilizar a análise CFD para demonstrar equivalência funcional.

A forma mais simples de demonstrar essa equivalência é comprovar que:

• A taxa de ventilação global atende ao requisito prescritivo básico; e

• Não há bolsões de ar estagnado dentro do estacionamento.

b) Análise determinista (determinística)

Uma abordagem determinística consistiria em demonstrar que, sob condições normais e de tráfego máximo, os níveis de CO não excedem os valores recomendados no Approved Document.

Essa abordagem exige conhecimento sobre:

• Fluxos de tráfego esperados no estacionamento;

• Taxas de emissão de CO dos veículos.

17.1 Remoção de Fumaça

Objetivo: demonstrar que todo o estacionamento é uniformemente purgado da fumaça por meio da ventilação, sem áreas estagnadas e que a taxa de ventilação atende às recomendações de normas e guias reconhecidos, como:

• Approved Document B (ADB)

• BS 9991

• BS 9999

a) Análise comparativa

O Approved Document define exigências prescritivas básicas para a remoção de fumaça. Quando essas exigências não são seguidas, pode-se usar a modelagem CFD para demonstrar equivalência funcional e que no estacionamento não existem bolsões de ar estagnado. Área consideradas com ar estagnado podem ser aquelas em que a “taxa de renovação de ar” não é apropriada, por exemplo:

• A taxa de renovação do ar seja inferior a 50% do valor de projeto;

• A velocidade do ar seja inferior a 0,1 m/s;

• A “taxa de renovação de ar” seja metade da média global.

17.2 Segurança dos ocupantes em abandono

Objetivo: demonstrar que os ocupantes podem alcançar um local de segurança relativa durante o incêndio.

a) Análise comparativa

As rotas de fuga principais devem estar incluídas na análise comparativa, e as condições devem ser iguais ou melhores que aquelas estabelecidas em soluções prescritivas utilizadas como referência.

As comparações devem considerar os 3 (três) critérios de “tenability”, ou seja:

• Visibilidade;

• Temperatura, e

• Radiação térmica.

b) Análise determinista (determinística)

Nesta abordagem, o objetivo é demonstrar que o tempo disponível para abandono seguro (ASET), alcançado com a simulação, é superior ao tempo necessário para abandono (RSET), obtido dos critérios das legislações e normas nacionais ou internacionais, acrescido de uma margem de segurança apropriada, conforme o cenário modelado.

Para avaliar a segurança dos ocupantes em abandono, recomenda-se utilizar metodologias reconhecidas.

Exemplos de métodos aplicáveis são:

• Avaliação da camada livre da fumaça (clear layer);

• Critérios de “tenability”

A avaliação da camada limpa exige que, ao longo das rotas de fuga, os ocupantes:

• Não sejam expostos à fumaça diretamente;

• Tenham a fumaça suspensa a uma altura segura, com temperatura suficientemente baixa para que não sejam expostos a níveis perigosos de radiação térmica.

Essaabordagem podeser difícil de implementar em estacionamentos, onde aaltura livre (pé-direito) é geralmente limitada.

Figura 37- Conceito de manutenção de “camada livre de fumaça”. Fonte: Foto do SCA guidance on CFD analysis for Smoke Control design in Buildings

Para atender critérios de “tenability” e garantir o abandono seguro deve-se, normalmente, fazer uma abordagem considerando-se a avaliação de visibilidade, temperatura, radiação térmica, concentrações de CO e CO₂, além da realização de uma análise do tipo Dose Fracionária Equivalente (FED) que será abordada.

17.3 Segurança dos Bombeiros e capacidade de combate ao incêndio

Objetivo: Demonstrar que os bombeiros podem acessar e combater o incêndio com segurança.

a) Análise comparativa

As rotas primárias de acesso devem ser modeladas e as condições comparadas com a solução de referência quanto à visibilidade, temperatura e radiação.

b) Análise determinista (determinística)

Após abandono dos ocupantes, o sistema deve permitir que as equipes e emergência e os bombeiros acessem a zona de fogo em segurança. Essas equipes devem

considerar a utilização de equipamentos de proteção respiratória e de proteção contra radiação do incêndio. Da mesma forma, a preocupação com o “tenability” deve ser considerada, enfatizando que os valores do “tenability” deverão ser ajustados à capacidade de gerenciamento de incêndios da equipe de emergência, por conta de seus equipamentos de proteção individual.

Tais necessidades citadas, da mesma forma, precisam considerar a:

• Capacidade de localizar o fogo;

• Garantia de acesso ao foco do incêndio, e

• Possibilidade de retirada segura caso necessário.

Todos esses critérios devem ser acordados com a autoridade local ou a equipe de emergência antes da modelagem, para se confirmar as devidas necessidades de equipamentos de proteção individual, para a boa gestão da emergência.

Conforme a BS 7346-7, os bombeiros devem conseguir avançar por ar relativamente limpo até pelo menos 10 metros do foco do fogo.

17.4 Propagação do fogo e efeitos locais

Objetivo: avaliar os efeitos do incêndio em objetos próximos, incluindo estrutura, materiais inflamáveis e sistemas de segurança como ventiladores.

a) Análise comparativa

Incluir elementos-chave próximos ao incêndio e comparar condições como temperatura, radiação e propagação de chamas.

b) Análise determinista (determinística)

Demonstrar que os objetos próximos não serão afetados de forma crítica ou que isso não comprometerá a segurança dos ocupantes ou das equipes de emergência

Aspectos possíveis a serem considerados:

• Estabilidade Estrutural: a estrutura deve manter sua integridade para abandono e combate ao fogo, garantindo suficiente Tempo Requerido de Resistência ao Fogo para abandono da população e durante o combate

• Propagação do Fogo: avaliar a possibilidade de propagação para veículos vizinhos, áreas compartimentadas ou depósitos. O objetivo é confirmar que o tamanho do incêndio escolhido seja apropriado e exista pouca probabilidade de crescimento além do simulado.

• Falha de Sistemas: demonstrar que sistemas críticos não serão comprometidos pelo incêndio ou, se afetados, a falha não irá gerar risco à vida, garantindo o abandono seguro.

Os itens citados são somente exemplos, sendo que o Engenheiro de Incêndio deverá realizar análise detida para identificar outros aspectos importantes e/ou imprescindíveis.

A análise pode ser quantitativa ou qualitativa e devem considerar efeitos condutivos, convectivos e radiativos.

17.5 Desempenho em todo o estacionamento

Objetivo: O objetivo é demonstrar que o sistema proposto proporcionará os níveis necessários de proteção em toda a área de estacionamento, para qualquer localização plausível de incêndio.

a) Análise comparativa e determinista (determinística)

Normalmente, isso pode ser alcançado por meio da realização de um ou mais modelos CFD, com o incêndio de projeto posicionado nas piores localizações plausíveis (worst credible positions).

Essas posições devem ser selecionadas considerando a geometria do estacionamento, o sistema de controle de fumaça adotado e as rotas de fuga.

O objetivo principal deve ser o de garantir condições tenáveis em todo o estacionamento, tanto para os ocupantes em abandono quanto para o acesso seguro das equipes de bombeiros.

Se for possível demonstrar que as condições exigidas (conforme previamente definidas nesta seção, com base em abordagem comparativa ou determinística) estão presentes tanto para os ocupantes em fuga quanto para os bombeiros ingressando, no caso de um incêndio nas posições selecionadas, então pode-se razoavelmente assumir que o

sistema de controle de fumaça projetado oferecerá proteção adequada para incêndios em outras localizações dentro do estacionamento.

Para que essa suposição seja válida, é fundamental que as posições selecionadas para o incêndio sejam de fato as piores plausíveis, considerando os critérios técnicos adotados.

A seleção dessas piores localizações plausíveis de incêndio pode ser feita com base em métodos quantitativos e/ou qualitativos. No entanto, recomenda-se que tais localizações sejam discutidas e acordadas com as autoridades competentes ainda nas fases iniciais do projeto.

17.6 Verificação de erros (Error Checking)

Objetivo: O objetivo é permitir a avaliação do modelo sob o aspecto de verificação de erros.

a) Análise comparativa e determinista (determinística)

Um dos aspectos mais importantes de qualquer apresentação de modelagem é garantir que a autoridade aprovadora ou parte responsável pela verificação receba informações suficientes para permitir a identificação de erros gerais no modelo.

Não se espera que o Engenheiro de Incêndio Modelador forneça, neste tópico, detalhes suficientes para avaliação do software CFD específico utilizado (pressupõe-se que o pacote tenha sido previamente aprovado quanto à sua adequação e que seu uso tenha sido acordado com representantes de órgãos públicos de aprovação, mas, principalmente, que não tenham ocorrido erros dentro da simulação específica em análise)

b) Padrões de escoamento (Flow patterns)

É essencial confirmar que o padrão de escoamento junto aos ventiladores está correto, considerando todos os elementos que possam afetar o campo de fluxo, tais como:

• silenciadores acústicos;

• venezianas defletoras;

• paredes, vigas, rampas e instalações significativas; e

• outros dispositivos instalados no caminho do fluxo.

As simulações devem demonstrar ausência de zonas mortas ou áreas estagnadas. Caso existam rampas no estacionamento, o fluxo entre os pavimentos deve ser cuidadosamente verificado quanto a anomalias, bem como para identificar velocidades de escoamento excessivamente altas ou baixas.

Como prática recomendada de modelagem, é importante que resultados anormais sejam identificados e destacados logo no início, antes de serem executadas simulações finais para submissão.

c) Modelagem de veículos (obstáculos móveis)

A modelagem de carros ou outros obstáculos móveis geralmente não é obrigatória.

Entretanto, se forem observados vórtices de grande escala não realistas, nos quais grandes áreas do estacionamento apresentam velocidades de escoamento superiores a 2,5 m/s, recomenda-se repetir a mesma simulação com:

• obstáculos representando veículos distribuídos uniformemente,

• ocupando 50% das vagas de estacionamento disponíveis.

Outra possibilidade é a realização de avaliação da média de vagas ocupadas ao longo das 24 horas, durante todo o ano, adotando-se o critério que se apresentar como o mais rigoroso.

Esses obstáculos devem interferir no campo de vórtices, promovendo um comportamento mais realista do escoamento.

d) Critérios de convergência (Convergence criteria)

Os resultados de modelos em regime permanente (steady state) devem ser verificados quanto aos critérios de convergência, se aplicável. Observa-se que os critérios e limites de convergência variam conforme o software CFD utilizado e, portanto, devem ser avaliados de acordo com o modelo específico adotado.

e) Verificações de plausibilidade (Plausibility checks)

Alturas de chamas, temperaturas dos gases e vazões mássicas das plumas devem ser confrontadas com dados históricos disponíveis, ou cálculos manuais simplificados, com o objetivo de verificar se as condições de incêndio simuladas são plausíveis e representativas da realidade esperada.

18. DIRETRIZES DE MODELAGEM PARA PROJETOS DE SISTEMAS DE CONTROLE DE FUMAÇA

As tabelas a seguir representam as diretrizes de “melhores práticas” para projeto de sistemas de controle de fumaça utilizando análise por CFD. As recomendações visam incorporar um grau de conservadorismo à modelagem, por meio de simplificações prudentes, de modo a mitigar variáveis conhecidas ou não no ambiente construído que possam influenciar significativamente o resultado do estudo.

Tabela 1 - Modelagem Geral de Sistemas de Controle de Fumaça

Parâmetro Descrição

Domínio de Modelagem

Elementos-chave como pilares, vigas, rebaixos de forro

Tamanho da Malha (Mesh) Dimensionamento adequado à área e fogo

Temperatura ambiente, densidade, vento externo

Condições de Contorno Iniciais

Relevante movimentação de ar exterior (efeito vento) e considerações climáticas.

Fonte do Incêndio

Fonte de Oxigênio para o Fogo

Tamanho, fluxo térmico, taxa de liberação de calor. Inclui, também, a localização correta do incêndio.

Abertura para ventilação suficiente para se garantir o tamanho do

Recomendação

- A geometria do edifício deve refletir os desenhos reais ou projetados;

- Verificar se o software utilizado é adequado, principalmente em edifícios altos;

- Estender o domínio até as saídas de ventilação externas caso estas interfiram no sistema;

- As zonas devem estar interconectadas.

- Deve capturar adequadamente os parâmetros físicos relevantes (velocidade, pressão, temperatura), nas áreas de interesse.

- As propriedades dos materiais devem ser representativas da realidade. Valores padrão (default) podem não fornecer resultados realistas.

- Validar balanço de energia térmica e conservação durante todo o regime de incêndio estabelecido (curvas de crescimento de incêndio adotados), inclusive para o regime estacionário (steady state), com objetivo de se garantir suas validades numéricas.

- Verificar se o tamanho do incêndio projetado é compatível com os perfis de Taxas de Liberação de Calor (HRR -Heat Release Rate);

Taxa de Liberação de Calor (HRR)

Densidade da Fumaça (Soot Yield)

incêndio projetado (real ou artificial) ou adoção de critérios de entrada de ar por áreas de escapes definidas em projeto

Garantir que o desenvolvimento do incêndio ou o incêndio projetado está balanceado com o adequado limite de entrada de ar pelas aberturas. Incorporar janelas quebradas que alteram o comportamento do fogo, fluxo de ar e perdas térmicas para o exterior.

Equilíbrio entre combustível e ventilação

Adequação da quantidade de fuligem gerada

- Demais considerações considerando-se baixo nível de ventilação estão destacadas no Apêndice C.

- Correlacionar a movimentação de ar (ex.: entrada de ar no cenário estudado), com as curvas de incêndio adotadas, durante todo o tempo simulado.

- Analisar os perfis de HRR para validar o desempenho do fogo projetado.

- A quantidade de produção de fuligem deve seguir critérios “estequiométricos”. Orientamos a adoção de critérios com base no material da SFPE - Handbook of Fire Protection Engineering.

- Incluir áreas além do domínio principal onde o fluxo de ar externo influencia na entrada de ar por conta de aberturas;

Entrada Natural de Ar Fontes externas naturais de renovação de ar

Simulação de Movimento de Ocupantes

Terminais de

Extração de Fumaça

Medir a quantidade de pessoas que passam por portas de rotas de fuga durante o abandono ou acesso de bombeiros

Modelar os fluxos de ar dos elementos destacados como dispositivos de extração de fumaça (aberturas/ventiladores)

Tempo de Partida dos Equipamentos

Tempo de rampa de ventiladores e tempo de abertura ou fechamento de dumpers ou registros

- Evitar confusão entre área Geométrica e área Aerodinâmica. Área Geométrica é representada como um todo (ex :buraco na parede), já na área Aerodinâmica está relacionada com a “eficiência” das aberturas (venezianas, grelhas etc ), comprovadas conforme normas nacionais ou internacionais (ex.: eficiência medida conforme BS EN 12101-2);

- Entrada de ar com velocidades acima de 5m/s podem dificultar o abandono da população usuária, por tais aberturas adotadas, também, como rotas de fuga.

- Portas devem estar modeladas como abertas entre o ambiente de incêndio e rota de acesso para bombeiros (ex. escada);

- Conforme PD 7974-2, velocidades superiores a 5m/s nessas portas e aberturas, podem dificultar o abandono

- Devem ser modeladas com largura real ou área livre equivalente;

- Velocidades acima de 10m/s podem ser impeditivas para ocupantes que precisam se utilizar de tais aberturas como rotas de fuga.

- Início instantâneo é irrealista;

- Prever tempo mínimo de abertura (após a consideração do tempo de ativação do sistema de detecção de incêndio).

Sempre consultar e documentar os tempos de resposta de todos os dispositivos com os projetistas e fornecedores.

Tabela 2 - Lobbies, Corredores e Escadas

Parâmetro

Domínio de Modelagem

Tamanho da Malha

Descrição

Elementos como vigas e rebaixos de teto devem ser utilizados para aumentar a acurácia

Dimensionamento conforme incêndio projetado e tamanho do domínio (volume do ambiente)

Condições ambientais (temperatura, densidade etc )

Condições Iniciais de limites

Fonte de Incêndio

Movimentações de ar relevantes tais como “efeito vento”

Considerações a respeito do clima durante o ano

Adequadas

localizações, tamanho e taxa de liberação de calor do incêndio

Recomendação

- Incluir toda a altura da caixa de escada e corredores/lobbies conectados;

- Incluir também rotas de saída finais, se aplicável.

Ventilação para o Fogo

Abertura artificial ou real para sustentar o incêndio projetado

Escapes (Leakage) Portas e janelas

- Para corredores/lobbies: malha de 0,1 metro (próximo ao fogo) e 0,2 metros (áreas distantes).

- Importante em edifícios altos (“stack effect” - efeito chaminé no interior da edificação);

- Materiais existentes na edificação devem representar suas propriedades reais.

-Avaliar condições meteorológicas críticas para o cenário definido.

- Basear-se em guias como o SCA Residential Guide, Handbook of Smoke Control Engineering, NFPA-92, e SFPE - Handbook of Fire Protection Engineering, dados empíricos ou experimentais;

- Para incêndios com sprinklers pode ser mantido “incêndio estável” após ativação do sistema;

- Para as rotas de fuga, o adequado é simular em duas posições (próximo e mais distante do acesso à escada de segurança), principalmente para corredores “dead-end” com mais de 5,0 metros de extensão.

- Abertura artificial deve ser compatível com fogo em estado estacionário;

- Posicionar abertura (entrada de ar) o mais baixo possível, evitando curto-circuito irreal de fluxo. Ver “Apêndice C” para maiores informações.

- Correlacionar a movimentação de ar (ex.: entrada de ar no cenário estudado), com as curvas de incêndio adotadas, durante todo o tempo simulado.

- Escapes (portas e janelas) devem ser considerados em sistemas mecânicos de controle da movimentação da fumaça e calor (incluindo-se a pressurização de escadas ou gradiente negativo em áreas de risco);

Entrada Natural de Ar

Movimento de Ocupantes

Dispositivos de Extração de Fumaça

Fontes externas naturais de renovação de ar

Tempo de abertura de portas durante abandono ou acesso de equipes de emergência

- Escapes podem ser desprezados se o diferencial de pressão for menor que 5,0 Pa.

- Dutos e shafts devem ser considerados na simulação;

Modelar o fluxo de ar pelas aberturas de extração

Ajustar perfil de entrada natural de ar para refletir perdas de carga e possíveis resultados negativos para as rotas de fuga;

- Aberturas para alívio de pressão devem estar correlacionadas ao diferencial de pressão local.

- Portas, ao longo da rota de fuga, devem ser simuladas para permanecerem abertas por pelo menos 20 segundos, para simular o abandono dos ocupantes no trecho de interesse.

- Taxas de extração, em corredores ou lobbies, que excedam o valor de 6,0m³/s podem causar riscos para o abandono ou combate ao incêndio (ex. portas batendo, arrasto de fumaça para outras áreas indesejadas) e, portanto, devem ser adequadamente estudadas na simulação;

- A entrada de ar no volume simulado deve ser possível na prática. Avaliar a possibilidade de que, a intervenção das equipes de emergência, pode realizar alguma abertura, para a gestão da emergência, alterando a automação que foi simulada.

Tempo de Simulação (Run-time)

Duração da simulação CFD

- Simular considerando a relação ASET vs RSET, salvo se atingir regime estacionário antes. Deve-se avaliar todas as condições do “tenability” nas áreas de risco e rotas de fuga de interesse, considerando-se ASET e RSET.

A

tabela a seguir complementa o item 19.1 e é aplicável a edificações e recintos de grande porte.

Tabela 3 – Grandes edifícios e átrios

Parâmetro

Domínio de Modelagem

Tamanho da Malha

Condições Iniciais

Descrição

Pilares, vigas, reservatórios em tetos são elementos essenciais da simulação

Proporcional à fonte térmica

Condições ambientais (temperatura, densidade etc )

Movimentações de ar relevantes tais como “efeito vento”

Considerações a respeito do clima durante o ano

Recomendação

- Modelar todos os obstáculos relevantes como vigas que desviem o fluxo.

- Malha mais densa dentro do raio de 2,0 metros ao redor do foco do incêndio.

Fonte do Incêndio

Ventilação para o Fogo

Adequadas localizações, tamanho e taxa de liberação de calor do incêndio

- Modelar diferenças extremas de temperatura em grandes vãos (“stack effect” / efeito chaminé).

Ventilação sustentada por estimativa ou dados reais

- Basear-se em guias do Apêndice C, Handbook of Smoke Control Engineering, NFPA-92, e SFPE - Handbook of Fire Protection Engineering, dados empíricos ou experimentais e métodos quantitativos ou qualitativos;

- Incêndios projetados quando existem sistemas de sprinklers, é aceitável que haverá seu desenvolvimento (curva ascendente designada – ultrarrápida, rápida, média ou lenta), até o seu controle (abertura dos bicos de sprinklers), quando a curva de crescimento poderá sofrer correção (ex: de rápida para média) ou poderá ser considerada como estável (taxa de liberação de calor como estável). Orientamos aguardar 30 segundos adicionais para a alteração da curva de crescimento. Sempre verificar HRR máximo esperado.

- Simular incêndios na base, a partir de riscos no entorno (spill plume) e no topo do átrio (áreas em que foram estudados os ASET e RSET);

- Aprovar posições com autoridade competente.

- Evitar ventilação por estimativa (sem dados técnicos consolidados);

- Correlacionar a movimentação de ar (ex.: entrada de ar no cenário estudado), com as curvas de incêndio adotadas, durante todo o tempo simulado.

Densidade da Fumaça

Adequados valores para a fuligem

Escapes Portas e janelas

Entrada Natural de Ar Fontes externas naturais de renovação de ar

- A quantidade de produção de fuligem deve seguir critérios “estequiométricos”. Orientamos a adoção de critérios com base no material da SFPE - Handbook of Fire Protection Engineering

- Escapes podem ser desprezados se o diferencial de pressão for menor que 5,0Pa.

Ajustar perfil de entrada natural de ar para refletir perdas de carga e possíveis resultados negativos para as rotas de fuga;

- Aberturas para alívio de pressão devem estar correlacionadas ao diferencial de pressão local.

Movimento de Ocupantes

Dispositivos de Extração de Fumaça

Tempo de abertura de portas durante abandono ou acesso de equipes de emergência

- Portas, ao longo da rota de fuga, devem ser simuladas para permanecerem abertas por pelo menos 20 segundos, para simular o abandono dos ocupantes no trecho de interesse. Entretanto, tempos maiores aos citados, precisam ser considerados, focando perdas de tempo maiores (tempo de filas), para o caso de abandono simultâneo e não faseado, para edifícios amplos (grandes áreas de pavimento). Sempre avaliar o Plano de Emergência e Plano de Abandono, além da compatibilização com o tipo de acionamento do sistema de detecção e alarme de incêndio.

- Apresentar todas as considerações a respeito da viabilidade do sistema de controle da movimentação da fumaça e calor proposto;

Tempo de Simulação

Modelar o fluxo de ar pelas aberturas de extração

Duração da simulação CFD

- Os valores assumidos para a entrada de ar precisam ser possíveis na prática. Avaliar a possibilidade de que, a intervenção das equipes de emergência, pode realizar alguma abertura, para a gestão da emergência, alterando a automação que foi simulada.

- Simular considerando a relação ASET vs RSET, salvo se atingir regime estacionário antes de tal referência. Deve-se avaliar todas as condições do “tenability” nas áreas de risco e rotas de fuga de interesse, considerando-se ASET e RSET.

A orientação apresentada a seguir complementa o item 19.1 e é aplicável a estacionamentos cobertos.

Tabela 4 – Estacionamentos cobertos

Parâmetro Descrição

Domínio de Modelagem

Modelagem de Veículos

Tamanho da Malha

Condições Iniciais

Pilares, vigas, reservatórios em tetos são elementos essenciais da simulação

Inclusão de carros como obstáculos

Seleção de tamanho adequado nas proximidades do incêndio

Recomendação

- Modelar todos os obstáculos relevantes como vigas que desviem o fluxo.

- Apenas se houver vórtices relevantes. Ver Apêndice A deste documento.

- Malha mais densa dentro do raio de 2,0 metros ao redor do foco do incêndio e menor densidade ao longo de todo o volume a ser simulado.

Condições ambientais (temperatura, densidade etc ) - Propriedades do material não necessárias para estudos de purga da fumaça ou gases da combustão veicular. Movimentações de ar relevantes tais como “efeito vento”

Fonte do Incêndio

Ventilação do Fogo

Adequadas localizações, tamanho e taxa de liberação de calor do incêndio

- Basear em BS 7346-7, dados experimentais ou cálculo empírico.

A seleção de pior cenário, para a localização do incêndio, deve passar por análise de riscos com método quantitativo e qualitativo. Recomenda-se discutir e obter aceitação por parte de autoridades locais.

- Aberturas devem corresponder à geometria real;

Ventilação sustentada por estimativa ou dados reais

Densidade da Fumaça

Adequados valores para a fuligem

Escapes Portas e janelas

Entrada de Ar Natural

Fontes de entrada de ar:

Dutos e rampas

- Evitar aberturas por estimativa (sem dados técnicos consolidados).

- Correlacionar a movimentação de ar (ex.: entrada de ar no cenário estudado), com as curvas de incêndio adotadas, durante todo o tempo simulado.

- A quantidade de produção de fuligem deve seguir critérios “estequiométricos”. Orientamos a adoção de critérios com base no material da SFPE - Handbook of Fire Protection Engineering

- Escapes por tais dispositivos, para o CFD, podem ser desprezados

-Devem ser consideradas na avaliação da simulação; Velocidades maiores do que 5,0m/s podem impedir abandono seguro para os casos de as pessoas precisarem passar por tais locais.

Movimento de Ocupantes

Dispositivos de Extração de Fumaça

Tempo de abertura de portas durante abandono ou acesso de equipes de emergência

Dispositivos de entrada e saída de ar devem possuir malha com no mínimo 5 células para cada dispositivo de interesse especificado da simulação.

Ventiladores tipo “Jet Fan”

Modelar o fluxo de ar pelas aberturas de extração

Modelagem do ventilador “Jet Fan” com seu respectivo perfil de fluxo

Tempo de Simulação Duração da simulação CFD

- Apresentar todas as considerações a respeito da viabilidade do sistema de controle da movimentação da fumaça e calor proposto;

- Modelar o ventilador “Jet Fan” com todos os elementos imprescindíveis que poderão impactar no fluxo desejado, incluindo defletores, silenciadores e demais outros elementos

- Simular por no mínimo 20 minutos, salvo se atingir regime estacionário antes, sendo que se deve avaliar todas as condições do “tenability” nas áreas de risco e rotas de fuga de interesse, considerando-se ASET e RSET

18 1 Notas importantes dos valores adotados pelas tabelas retrocitadas

Todos os critérios e valores ora apontados nas tabelas retrocitadas são boas referências, sendo que estudos complementares deverão ser adotados, com base nos itens 3.12 e 3.13 deste “Manual de Boas Práticas”, além de avaliações de testes laboratoriais, tudo como forma de garantir adequado cenário de incêndio.

O critério de velocidade de ar máxima de 5,0m/s para as portas das rotas de fuga, justifica-se pelo fato de que as portas de saída das edificações, devem estar voltadas para garantir o fluxo adequado das pessoas pelo “vão de luz”.Assim sendo, o fluxo de abandono da população usuária fica facilitado, uma vez que a abertura das portas de saída nas rotas de fuga, permanece no sentido da fuga.

Para o caso de simulações computacionais com CFD, a avaliação do cenário de incêndio deve considerar o sentido de abertura de todas as portas, em todo trecho de rotas de fuga. Além disso, é imprescindível a avaliação do “efeito vento”, normalmente na pior condição, ou seja, deve-se verificar se tal “efeito” pode gerar força na face de tais portas contra sua abertura, o que dificultaria e aumentaria o tempo de abandono da população usuária. Desta forma, torna-se critério basilar, avaliar tais forças para abertura das portas das rotas de fuga com risco de tais situações citadas.

Orienta-se que as rotas de fuga e o tempo de abertura de portas durante o abandono ou acesso de equipes de emergência, nos cenários de incêndio definidos, deve ser realizado através de simulação computacional, para se confirmar, primeiramente, que o ASET é superior ou idêntico ao RSET. Desta forma, o tempo de abertura de tais portas possuirá melhor refinamento. O tempo de 20 segundos apontado em alguns trechos das tabelas retrocitadas, normalmente, devem ser adotadas para baixos riscos e baixa densidade populacional. Adotar critérios nos documentos citados nos itens 3.12 e 3.13 deste “Manual de Boas Práticas”.

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BS 7346-7:2006 - Componentes para sistemas de controle de fumaça e calor –Código de prática sobre recomendações funcionais e métodos de cálculo para sistemas de controle de fumaça e calor em estacionamentos cobertos

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BS 9991 - Segurança contra incêndio no projeto, gestão e uso de edifícios residenciais – Código de prática.

BS 9999 - Segurança contra incêndio no projeto, gestão e uso de edifícios – Código de prática.

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APÊNDICE A Modelos físicos suplementares

MODELOS DE TURBULÊNCIA

Um dos modelos físicos mais relevantes na simulação CFD refere-se ao tratamento da turbulência, pois ele define, em grande medida, como o calor e a fuligem (soot) são transportados no domínio computacional.

A turbulência ocorre em diversas escalas espaciais, mas em fluxos induzidos por incêndio ela é gerada predominantemente em escalas da ordem de poucos metros, associadas à formação de camadas de cisalhamento. À medida que a energia turbulenta decai, os vórtices (eddies) tornam-se menores até o ponto em que sua energia é dissipada por forças viscosas. Nessas menores escalas ocorrem a mistura entre combustível e ar e as reações químicas.

Assim, a modelagem de incêndio e fumaça envolve escalas espaciais e temporais muito amplas, das quais apenas uma parte pode ser resolvida computacionalmente o restante deve ser modelado.

Existem diferentes abordagens para modelagem da turbulência:

a) LES – Simulação de Grandes Vórtices (Large Eddy Simulation)

Em simulação computacional LES (Large Eddy Simulation) é um método para simular fluxos turbulentos, especialmente útil em cenários onde a resolução completa de todas as escalas de turbulência é impraticável ou inviável computacionalmente. Ele foca em modelar as maiores e mais energéticas estruturas turbulentas enquanto aproxima o efeito das menores escalas, permitindo simulações de fluxos complexos com recursos computacionais razoáveis.

LES é uma técnica de modelagem de turbulência que divide o fluxo em duas partes: as maiores escalas, resolvidas diretamente, e as menores escalas, que são modeladas.

Por que usar LES?

• Complexidade dos fluxos turbulentos:

A turbulência é um fenômeno complexo, com múltiplas escalas de movimento. Resolver todas as escalas em simuladores numéricos é computacionalmente muito caro, especialmente para fluxos industriais.

• Equilíbrio entre precisão e custo computacional: LES oferece um bom equilíbrio entre a precisão na resolução das estruturas de turbulência mais importantes e o custo computacional, tornando-o uma ferramenta útil para muitas aplicações práticas.

• Aplicações industriais: LES é aplicado em diversas áreas como aerodinâmica, transferência de calor, qualidade do ar e estudos de mistura em processos industriais.

Como funciona o LES:

• Discretização do espaço - o domínio computacional é dividido em uma malha de cálculo;

• Filtraçãodofluxo - um filtroé aplicadoaofluxo paraseparar as escalas resolvidas das modeladas;

• Resolução das escalas resolvidas - as equações de Navier-Stokes são resolvidas para as escalas maiores;

• Modelagem das escalas submalha - o efeito das escalas menores é modelado através de equações específicas, como o modelo de Smagorinsky ou outros modelos submalha;

• Interação entre as escalas - O resultado do modelo submalha alimenta o cálculo das escalas maiores, e vice-versa, em um processo iterativo.

Exemplos de aplicação:

• Aerodinâmica de veículos:

Estudo do fluxo de ar ao redor de carros e aviões para otimizar o projeto aerodinâmico.

• Transferência de calor em sistemas complexos: Simulação da transferência de calor em trocadores de calor ou outros equipamentos.

• Qualidade do ar:

Modelagem da dispersão de poluentes em ambientes urbanos ou industriais.

• Mistura em processos industriais:

Análise da mistura de fluidos em reatores ou outros equipamentos de processo.

Em resumo, LES é uma técnica de simulação computacional que permite modelar fluxos turbulentos complexos de forma eficiente, encontrando aplicações em diversas áreas da engenharia e da ciência.

b) RANS – Modelos de Navier-Stokes pela Média Temporal de Reynolds (Reynolds-Averaged Navier-Stokes)

RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) é uma técnica de simulação computacional usada para modelar escoamentos turbulentos, aproximando as equações de Navier-Stokes por meio da média temporal. Basicamente, RANS simplifica o problema complexo da turbulência, permitindo simulações mais rápidas e eficientes, embora com menor precisão em comparação com abordagens mais detalhadas como LES (Large Eddy Simulation).

Como funciona o RANS:

• Decomposição de Reynolds:

As equações de Navier-Stokes são decompostas em componentes médias e flutuantes (turbulentas).

• Média Temporal:

As equações são então "médias" ao longo do tempo, o que resulta em termos adicionais chamados tensões de Reynolds, que representam o efeito da turbulência.

• Modelagem das Tensões de Reynolds:

Essas tensões de Reynolds são desconhecidas e precisam ser modeladas usando diferentes modelos de turbulência, como o modelo “k-ε“ ou “k-ω“.

• Resolução das Equações:

As equações RANS, agora com as tensões de Reynolds modeladas, são resolvidas usando métodos numéricos, como o método dos elementos finitos, para obter as propriedades do escoamento (velocidade, pressão etc.).

Vantagens do RANS:

• Custo Computacional Reduzido:

As simulações RANS são mais rápidas e requerem menos recursos computacionais em comparação com métodos mais precisos como LES.

• Adequado para Escoamentos Complexos:

RANS é frequentemente usado para simular escoamentos turbulentos em geometrias complexas e aplicações industriais.

Desvantagens do RANS:

• Aproximação:

A modelagem das tensões de Reynolds introduz erros e imprecisões, especialmente em escoamentos com alta complexidade.

• Menos Detalhes: RANS não captura todos os detalhes da estrutura da turbulência, como as escalas menores.

Aplicações:

• Simulação de Escoamentos em Aeronaves e Veículos: RANS é usado para projetar e otimizar a aerodinâmica.

• Simulação de Escoamentos em Sistemas de HVAC (Aquecimento, Ventilação e Ar-Condicionado): RANS ajuda a projetar sistemas eficientes de ventilação e climatização.

• Simulação de Escoamentos em Plantas Industriais: RANS é usado para otimizar processos e equipamentos industriais.

c) DNS – Simulação Direta (Direct Numerical Simulation)

Em simulação computacional o DNS refere-se a simulação numérica direta (DNS). O DNS, na área de dinâmica dos fluidos computacional (CFD), é um método de simulação que resolve as equações de Navier-Stokes em toda a gama de escalas de turbulência.

Simulação Numérica Direta (DNS):

• Conceito:

DNS é uma técnica avançada em CFD que resolve as equações de NavierStokes de forma numérica para capturar todos os detalhes da turbulência, incluindo as menores escalas.

• Escopo:

Envolve a resolução das equações em todas as escalas espaciais e temporais da turbulência, o que requer uma alta resolução computacional.

• Aplicações:

É usada em pesquisas avançadas onde é necessário entender o comportamento da turbulência em detalhes, como em estudos de aerodinâmica, escoamento de fluidos em motores e outros sistemas onde a turbulência é crítica.

A escolha entre DNS, LES e RANS depende da fidelidade desejada e da capacidade computacional disponível.

MODELOS DE COMBUSTÃO

Existem dois modelos principais para representar o processo de combustão:

a) Modelo de Fonte Volumétrica de Calor

• Não prediz diretamente liberação de calor/fumaça;

• O usuário define a quantidade de calor/fumaça e o volume da chama;

• A distribuição é assumida uniforme;

• Prediz apenas o transporte do calor/fumaça a partir da fonte;

• Muito utilizado para modelar o movimento de fumaça em grandes espaços, como estacionamentos.

b) Modelo de Combustão

• Prediz, de forma simplificada, as reações químicas na chama;

• A quantidade total de calor ainda é definida pelo usuário;

• A distribuição de calor na região da chama é não uniforme e depende do escoamento local;

• Representa melhor o comportamento da região em chamas e da pluma térmica (thermal plume).

MODELOS DE EMPUXO (Buoyancy)

A aproximação de Boussinesq é amplamente utilizada para modelar o empuxo em escoamentos com pequenos gradientes de temperatura (até algumas dezenas de Kelvin).

• Assume densidade constante nas equações de momento;

• Considera variação de densidade apenas no termo gravitacional de forma linear com a temperatura.

Porém, em estudos de incêndio, os gradientes térmicos são significativamente maiores, assim, recomenda-se utilizar a equação de estado dos gases ideais para representar adequadamente os efeitos de empuxo.

MODELOS DE RADIAÇÃO

A transferência radiativa de calor ocorre entre emissores e receptores: superfícies sólidas, mistura de gases (CO, CO₂, CH₄, H₂O) e aerossóis de fumaça. É relevante em fluxos de combustão com temperaturas acima de 600 K.

As principais fontes de radiação são:

• Gases: CO, CO₂, CH₄ e H₂O (em bandas específicas);

• Fuligem (soot): em todos os comprimentos de onda

Existem quatro modelos principais adotados:

a) Modelo de Perda Fracionária de Calor

• Considera apenas a fração convectiva do calor;

• Perdas radiativas são ignoradas ou definidas a priori;

• Simples, mas ignora trocas entre fumaça e paredes ou entre gases;

• Pode incluir troca entre paredes e células adjacentes via função da temperatura e emissividade.

b) Modelo dos Seis Fluxos (Six Flux Model)

• Aplicável em malhas estruturadas com células com volumes cúbicos quadrangulares;

• Assume fluxo radiativo uniforme nas 6 direções ortogonais das faces da célula;

• Simples, porém dependente da direção e com precisão limitada.

c) Modelo de Transferência Discreta (Discrete Transfer Model)

• Calcula raios discretos definidos previamente;

• Não considera múltiplas reflexões ou trajetórias complexas;

• Requer muitas direções para boa precisão;

• Alto custo computacional em geometrias complexas.

O modelo de transferência discreta não é ideal para malhas ajustadas ao corpo, provavelmente encontradas em aplicações demovimentaçãodefogoefumaçaem espaços complexos. Isso ocorre porque é computacionalmente caro, especialmente para situações em que um grande número de raios é necessário para obter uma solução precisa.

d) Modelo de Monte Carlo

• Raios são emitidos em direções aleatórias e rastreados até colisão ou saída do domínio;

• Alta fidelidade e flexibilidade;

• Muito custoso computacionalmente;

• A qualidade da transferência de calor é dependente do número de raios.

Exceto pela primeira abordagem, todas as demais requerem o cálculo das potências emissivas locais e das absorvências, que por sua vez dependem da composição da mistura de fuligem/gases.

Trata-se de um processo complexo, para o qual recomenda-se buscar orientação junto ao desenvolvedor do simulador CFD utilizado.

Quando se utiliza um modelo de combustão baseado em fonte térmica volumétrica, o método mais simples para considerar as perdas por radiação térmica o chamado modelo de perda fracionária de calor é considerado adequado.

No entanto, essa abordagem leva em conta apenas as perdas radiativas da região de chama, ignorando outras formas de transferência de calor por radiação, especialmente:

• a transferência de calor da fumaça quente para as paredes; e

• a transferência radiativa dentro da própria massa gasosa da fumaça.

A inclusão da transferência radiativa nas paredes pode melhorar a previsão dos resultados da simulação, mas ainda assim a transferência radiativa interna nos gases será desconsiderada.

Adotar métodos mais sofisticados para considerar os efeitos da radiação em combinação com modelos de fonte térmica volumétrica provavelmente não resultará em ganho significativo de precisão, devido à suposição simplificada de distribuição uniforme de calor na região em chamas.

Por fim, qualquer modelo de radiação pode ser combinado com qualquer modelo de combustão, desde que haja coerência com os objetivos da análise e com a capacidade do software CFD empregado.

APÊNDICE B

Qualidade e conformidade da malha e da solução CFD

As equações da dinâmica dos fluidos são discretizadas por meio da divisão da malha (mesh) e transformadas em um conjunto de equações algébricas, que são então resolvidas por meio de um processo iterativo até se obter uma solução numérica.

A qualidade da malha ou seja, sua densidade e a distribuição das células desempenha um papel fundamental na confiabilidade e precisão dos resultados numéricos. Independentemente do tipo de malha utilizado em uma simulação específica, é essencial realizar a verificação do tamanho, refinamento e convergência numérica da solução obtida com aquela malha.

Em muitos casos, baixa resolução em regiões críticas pode afetar drasticamente os resultados de uma simulação CFD.

Esta seção apresenta uma visão geral dos fatores que auxiliam na avaliação da qualidade e da correção da solução numérica obtida.

a) Qualidade da Malha

Os indicadores que identificam a qualidade da malha são: Ortogonalidade, Alongamento (Aspect Ratio) e Distorção geométrica (Skewness)

• Ortogonalidade (Orthogonality):

É uma quantidade calculada para as células da malha, geralmente fornecida pelo próprio software CFD.

As piores células apresentam qualidade ortogonal próxima de 0, enquanto as melhores se aproximam de 1.

O valor mínimo aceitável de ortogonalidade, para todos os tipos de célula, deve ser superior a 0,01, sendo recomendável que a média geral seja significativamente mais elevada.

• Alongamento (Aspect Ratio):

A razão de aspecto mede o alongamento de uma célula.

De forma geral, mudanças bruscas ou significativas na razão de aspecto devem ser evitadas, especialmente em regiões onde o campo de escoamento apresenta variações intensas ou fortes gradientes.

O erro de truncamento é a diferença entre as derivadas parciais das equações de conservação e suas aproximações discretas.

Mudanças rápidas no volume entre células adjacentes podem gerar erros de truncamento mais elevados.

• Distorção geométrica (Skewness):

É definida como a diferença entre a forma real da célula e a forma de uma célula equilátera de mesmo volume.

Por exemplo:

- Malhas quadriláteras ideais devem ter ângulos internos próximos de 90°;

- Malhas triangulares devem ter preferencialmente ângulos próximos de60°, com todos os ângulos menores que 90°.

Células altamente distorcidas (com alto skewness) podem reduzir a precisão da simulação e desestabilizar a solução numérica.

Regra geral:

Para malhas triangulares ou tetraédricas, o valor máximo de skewness deve ser inferior a 0,95, e a média dos valores deve ser consideravelmente menor.

Valores máximos superiores a 0,95 podem causar dificuldades de convergência na simulação.

Os principais indicadores de qualidade da malha são, em resumo, o que segue abaixo:

• Ortogonalidade (Orthogonality):

- Medida computada automaticamente pelo software;

- Células com valor próximo de 0 têm baixa qualidade; valor próximo de 1 é ideal;

- A qualidade ortogonal mínima aceitável é >0,01, com média significativamente superior.

• Alongamento (Aspect Ratio):

- Indica o grau de alongamento de uma célula;

- Mudanças abruptas e grandes devem ser evitadas em regiões com fortes gradientes de escoamento.

- Diferenças acentuadas entre volumes de células adjacentes aumentam o erro de truncamento.

• Distorção (Skewness):

- Diferença entre a forma da célula real e uma célula equilateral de mesmo volume;

- Para células quadrangulares: ângulos próximos a 90° são ideais;

- Para triangulares: ângulos próximos a 60°;

- Recomendação: Skewness <0,95, preferencialmente muito inferior;

- Valores acima de 0,95 podem causar instabilidades e dificuldades de convergência.

b) Análise de Sensibilidade da Malha – Estudo do Erro de Discretização

O método mais recente adotado e aceito para avaliação da sensibilidade dos resultados CFD ao tamanho da malha baseia-se no cálculo do Índice de Convergência da Malha (GCI – Grid Convergence Index).

Esse método determina o índice por meio da extrapolação de Richardson (RE –Richardson Extrapolation).

As principais vantagens da aplicação deste método são:

• Trata-se de um procedimento confiável para todas as áreas da simulação de escoamento, incluindo:

- movimento de fluidos,

- análise térmica,

- fluxos induzidos por fogo e fumaça (fire and smoke driven flow),

• Além disso, pode ser aplicado aos resultados gerados por diferentes softwares de CFD.

Os erros de discretização nos resultados CFD podem agora ser avaliados com o uso do método GCI.

O processo de avaliação por meio do GCI segue as etapas descritas a seguir:

Recomenda-se a utilização de três conjuntos diferentes de malha (c1, c2 e c3), em ordem decrescente de refinamento, para realização da análise de sensibilidade:

• c1 corresponde à malha mais refinada (fina);

• c2 à malha intermediária; e

• c3 à malha mais grosseira.

• Para cada um desses tamanhos de malha, devem ser executadas simulações independentes, e quaisquer variáveis do campo de escoamento como temperatura, pressão, velocidade, entre outras podem ser utilizadas na análise dos erros de discretização.

Por exemplo:

• f1 representa o valor da variável selecionada obtida com a malha mais fina (c1);

• f2 com a malha intermediária (c2);

• e f3 com a malha mais grosseira (c3).

Para a validade da análise, deve-se garantir que as seguintes condições sejam sempre satisfeitas:

• f2 / f1 > 1/3; e

• f3 / f2 > 1/3.

Para confiabilidade da malha, recomenda-se que GCI <10%

c) Verificação de Convergência

A discretização das equações da dinâmica dos fluidos resulta em um grande número de equações algébricas, sendo um conjunto para cada célula da malha computacional.

Essas equações são geralmente resolvidas por meio de métodos iterativos, iniciando-se com um valor estimado inicial para todas as variáveis e completando-se ciclos computacionais sucessivos.

Ao se avaliar a correção numérica de uma simulação, é fundamental verificar a convergência da solução.

Essa verificação pode ser realizada por meio de:

• Análise dos valores residuais (isto é, as variações nas equações a cada iteração); e/ou

• Verificação de que iterações adicionais resultam em alterações desprezíveis nos valores das variáveis simuladas.

As informações sobre os critérios de avaliação da convergência são apresentadas a seguir:

Verificação por Resíduos (Resíduos):

Os residuais das equações representam a variação das equações a cada iteração.

O resíduo é uma das medidas mais fundamentais da convergência de uma solução iterativa, pois quantifica diretamente o erro presente na solução do sistema de equações.

Em uma análise CFD, o resíduo mede o “desequilíbrio local” de uma variável conservada em cada célula da malha.

Dessa forma, cada célula em um modelo CFD possui seu próprio valor de resíduo para cada equação resolvida.

Em soluções numéricas iterativas, o resíduo nunca será exatamente zero. No entanto, quanto menor o valor do resíduo, maior será a precisão numérica da solução.

Cada software CFD possui seu próprio procedimento de normalização dos resíduos da solução.

Em termos gerais, adota-se a seguinte referência para os níveis de convergência:

• Residuais na ordem de 10 ⁴ são considerados de convergência frouxa (loosely converged);

• Residuais na ordem de 10 ⁵ são considerados de boa convergência (well converged);

• Residuais na ordem de 10 ⁶ são considerados de convergência rigorosa (tightly converged).

Vale ressaltar que, para problemas complexos, nem sempre é possível atingir uma boa ou rigorosa convergência.

Verificação por Estabilização de Variáveis

Toda simulação CFD tem como objetivo determinar alguma grandeza do campo de escoamento, como temperatura, velocidade, pressão, entre outras.

Para verificar a convergência da solução, é possível monitorar os valores dessas variáveis ao longo das iterações e definir que há convergência iterativa quando essas grandezas permanecem inalteradas nas iterações subsequentes.

A convergência pode, portanto, ser considerada atingida quando uma variável monitorada do escoamento não sofre variações significativas em função do número de iterações.

O critério de convergência é frequentemente definido com base no erro aceitável para essas variáveis.

Contudo, dependendo do campo de escoamento simulado, pode ocorrer que certas grandezas atinjam a convergência em um ritmo diferente de outras.

Resumo:

• Monitorar variáveis de interesse (ex. temperatura, velocidade) ao longo das iterações;

• Convergência é assumida quando os valores se estabilizam entre iterações sucessivas;

• O erro admissível pode ser definido previamente conforme a variável.

Algumas variáveis convergem em taxas diferentes. Deve-se considerar o conjunto de variáveis relevantes.

d) Frequência recomendada para Testes de Sensibilidade da

Malha

A densidade da malha é uma das principais métricas utilizadas para controlar a precisão de um modelo CFD, desde que todos os parâmetros de entrada estejam corretamente definidos.

Uma das formas de se avaliar a qualidade da malha é comparar os resultados obtidos com dados experimentais reais, cálculos empíricos ou valores teóricos. Como alternativa, pode-se realizar o refinamento sucessivo da malha e interpretar as variações nos resultados como uma forma indireta de validação.

Entretanto, oprocesso derefinamentodemalhaereexecuçãodas simulações pode ser altamente demandante em tempo e recursos computacionais, especialmente em modelos com maior grau de complexidade.

A realização de testes de sensibilidade à malha nem sempre é necessária, especialmente quando existem normas técnicas consolidadas e práticas amplamente aceitas na indústria para o tipo de sistema ou geometria modelada.

Tais testes devem ser conduzidos dentro do contexto dos resultados obtidos, acompanhados de verificações complementares básicas, como por exemplo:

• taxas de fluxo mássico;

• taxas de liberação de calor;

• entre outras checagens de plausibilidade física.

Resumo:

A densidade da malha é um dos principais fatores de controle da precisão do modelo CFD, assumindo que os parâmetros de entrada são confiáveis.

Formas de avaliar a qualidade da malha:

• Comparar com dados experimentais, cálculos empíricos ou teóricos;

• Refinar malhas e interpretar as variações nos resultados.

O problema é que remalhamento e reexecução são processos que consomem tempo, especialmente em modelos complexos.

Recomendações:

• Testes de sensibilidade de malha não são sempre necessários, especialmente quando normas setoriais bem definidas são aplicadas.

• Devem ser utilizados em conjunto com verificações adicionais, como taxas de fluxo de massa, taxas de liberação térmica etc.

APÊNDICE C

Fonte de incêndio e fumaça

A especificação da fonte de fumaça é um elemento chave na aplicação da modelagem do CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) para o projeto e análise de sistemas de controle de fumaça. Esta seção descreve diversas abordagens disponíveis, considerando sua aplicabilidade e limitações.

O conteúdo é de caráter informativo; para orientações detalhadas, recomenda-se a consulta a obras de referência como “Computational Fluid Dynamics in Fire Engineering” de Yeoh e Yuen (Butterworth-Heinemann, 2009) ou ao SFPE Handbook of Fire Protection Engineering (5ª ed., Springer, 2016).

a) Pirólise e Combustão

De modo geral, um incêndio com combustão em chamas envolve os seguintes processos:

• transferência de calor à superfície do combustível, inicialmente pela fonte de ignição e, posteriormente, pelas chamas;

• aquecimento do combustível;

• pirólise (liberação de gases combustíveis);

• mistura dos gases pirolisados com oxigênio (presente no ar);

• combustão (oxidação) dos gases pirolisados, com geração de produtos de combustão;

• mistura adicional com o ar por arraste e/ou convecção forçada.

O incêndio pode permanecer localizado com uma pluma de fumaça definida ou evoluir para um incêndio completamente desenvolvido com uma zona ampliada de combustão envolvendo todo o cômodo ou compartimento.

Para que o incêndio persista, o chamado “triângulo do fogo” (combustível, calor e oxigênio) deve ser mantido. A extinção ou decréscimo ocorre se faltar combustível (exaurimento dos materiais), cessar o fornecimento de oxigênio (subventilação ou

supressão, ex. por névoa d’água), ou se o processo de aquecimento for interrompido (ex. materiais com baixa inflamabilidade).

b) Fumaça e Visibilidade

A fumaça é composta por produtos da combustão, combustível não queimado e o ar arrastado pela pluma do incêndio. O ar arrastado constitui, em volume, o principal componente da fumaça; portanto, longe da zona de combustão, a fumaça pode ser considerada como ar contaminado, sob a ótica da dinâmica dos fluidos.

Para a maioria dos incêndios, os principais produtos da combustão são dióxido de carbono (CO₂) e vapor d’água. Produtos secundários podem incluir partículas de fuligem, monóxido de carbono (CO) e cianeto de hidrogênio (HCN).

Em projetos de controle de fumaça, a fuligem é frequentemente o produto de maior interesse. Sua concentração indica a visibilidade provável na fumaça. A redução da visibilidade decorre da dispersão da luz por aerossóis de partículas sólidas e gotas líquidas presentes na fumaça, agravada por efeitos irritantes.A visibilidade é uma grandeza vetorial, variando conforme a direção (linha de visada).

O cálculo da atenuação luminosa ao longo de uma linha de visada requer a consideração da variação da concentração de partículas e gotas um processo fora do escopo de análises convencionais em engenharia de incêndio.

Adota-se, então, uma abordagem simplificada e amplamente utilizada: a visibilidade escalar S [m], determinada pela correlação empírica:

Onde:

Um valor apropriado de KmK_m para combustão mista de materiais celulósicos e plásticos é 8 700 m²kg ¹ (Mulholland and Croarkin, 2000, Specific Extinction Coefficient of Flame Generated Smoke, Fire and Materials, vol. 24, pp. 227–230).

Embora SS não represente um vetor de distância ao longo da linha de visada (lineof-sight), ele fornece uma indicação da visibilidade em cada ponto, assumindo-se que:

• a concentração de fuligem (soot) permaneça constante no espaço; e

• a visibilidade seja isotrópica.

O valor de SS também pode ser utilizado como um indicador qualitativo da exposição a produtos de combustão irritantes.

c) Modelagem isolada da fumaça

Em alguns casos, pode ser apropriado incluir apenas o transporte de ar e fumaça na simulação CFD, sem recorrer à própria fonte de incêndio. Exemplos incluem a remoção de fumaça de um corredor protegido ou de um estacionamento subterrâneo, onde o espaço é exposto à fumaça antes da operação do sistema de ventilação. Duas abordagens que podem ser consideradas:

Purga de uma distribuição inicial de fumaça

O espaço a ser ventilado (purgado) é inicialmente preenchido, total ou parcialmente, com fumaça ou ar contaminado, contendo uma composição especificada de espécies químicas e temperatura por exemplo, ar aquecido contendo uma suspensão de fuligem ou outros produtos da combustão.

O modelo CFD calcula então o processo de remoção da fumaça por meio de ventilação com ar limpo, permitindo a determinação do tempo necessário para que o ambiente atinja diferentes níveis de condição “livre de fumaça” ou condições “tenáveis”.

O Engenheiro de Incêndio Modelador deverá estabelecer, por meio de justificativa técnica e cálculos apropriados, a temperatura e a composição inicial da fumaça.

Um espaço saturado por fumaça pode ser representado como sendo composto por gases com a mesma composição de uma pluma de incêndio representativa.

A diluição da concentração de fumaça inicial até 1% pode ser considerada um indicador apropriado de que as condições “tenáveis” foram atingidas (Tamura, 1994, Smoke Movement and Control in High-rise Buildings, NFPA, dezembro de 1994)

Níveis menores de diluição podem ser mais apropriados em outros cenários.

Em certas aplicações, por exemplo, remoção de fumaça após o fim do incêndio em um estacionamento coberto, pode ser apropriado tratar a fumaça inicial como sendo “ar contaminado” em temperatura ambiente ou elevada. Normalmente tal solução é adotada

internacionalmente como: purga de fumaça após incêndio (post-fire smoke purge). Ou seja, após um incêndio, sistemas de purga de fumaça pós-incêndio são usados para remover fumaça e outros subprodutos nocivos de espaços internos, restaurando-os a condições habitáveis.

Esses sistemas não são sistemas de segurança como sistemas de controle da movimentação da fumaça e calor, mas são cruciais para a rápida eliminação da fumaça e para permitir a ocupação segura e atividades de avaliação de danos.

A ventilação progressiva com tal “conceito de purga” desse ambiente com ar externo pode ser analisada para verificar se a taxa de renovação de ar exigida está sendo atingida em todo o recinto.

O conceito de número de trocas de ar por hora pode ser útil nessa análise. Essas são saídas fornecidas, por alguns softwares de CFD, e indicam quanto tempo um elemento fluido permanece dentro do ambiente simulado. Esse recurso pode ser utilizado para avaliar a eficácia de um sistema de ventilação de purga e verificar se existem regiões de estagnação.

Pode ser necessário considerar a inclusão de uma fonte de incêndio realista no modelo, em vez de assumir diretamente uma distribuição inicial de fumaça. Isso é especialmente importante quando se deseja representar adequadamente os efeitos da dinâmica térmica do incêndio de um veículo sobre, por exemplo, um hall de escape ou lobby de emergência.

Fonte de fumaça especificada como condição de contorno

Em algumas aplicações, pode ser apropriado especificar a fonte de fumaça e calor na fronteira do domínio computacional, por exemplo, na porta de um apartamento voltada para um corredor comum.

Nessa abordagem, o Engenheiro de Incêndio Modelador deverá definir a vazão, a temperatura e a composição da fumaça na fronteira considerada.

Essa estratégia pode ser útil, por exemplo, para:

• analisar a remoção de fumaça em uma rota de fuga, após um determinado tempo de exposição ao incêndio; ou

• modelar o fluxo externo de fumaça proveniente de uma janela aberta, de um shaft ou duto vertical.

A figura 40 ilustra um exemplo de condição de contorno aplicada a uma porta aberta.

Figura 40 – Exemplo das condições limites em uma porta (separando um apartamento e seu corredor de acesso). Fonte: Foto do SCA guidance on CFD analysis for Smoke Control design in Buildings

d) Modelagem da fonte de incêndio e transporte de fumaça

Quando a geração de calor e produtos da combustão é necessária como parte da simulação, torna-se essencial incorporar um ou ambos os seguintes processos:

• pirólise do combustível (queima do material); e

• combustão na fase gasosa.

Por exemplo, a geração de calor e produtos da combustão é um componente fundamental na análise de um sistema de controle da movimentação da fumaça e calor (CMFC) aplicado a edifícios com átrios ou grandes recintos, como galpões logísticos ou armazéns industriais.

Figura 41 – Visão em corte mostrando a temperatura de um incêndio em paletes, em um depósito. Fonte: Foto do SCA guidance on CFD analysis for Smoke Control design in Buildings

Fonte volumétrica de calor

Em cenários nos quais a extensão da zona de combustão (região com chamas) possa ser definida de forma confiável a priori, a utilização de uma fonte volumétrica de calor pode oferecer uma representação suficientemente precisa da fonte de incêndio.

Nesse caso, o incêndio é modelado simplesmente como uma fonte de calor; e, caso seja necessário calcular toxicidade da fumaça ou níveis de visibilidade, será também necessário incluir os termos-fonte correspondentes aos produtos relevantes da combustão.

O Engenheiro de Incêndio Modelador deverá definir o tamanho e o formato da fonte volumétrica, fazendo referência, quando necessário, a correlações consagradas para dimensionamento do incêndio e forma das chamas.

Contudo, esta abordagem apresenta limitações e pode ser inadequada em alguns casos, como por exemplo:

• quando a forma da região de combustão não é conhecida previamente (ex.: chama inclinada devido a escoamento assimétrico); ou

• quando o incêndio está subventilado (ou seja, com deficiência de oxigênio).

Combustão em etapa única com taxa de pirólise (liberação de combustível) prescrita

Uma abordagem relativamente simples para a modelagem da combustão em CFD é fornecida pelo Conceito de Dissipação de Vórtices (Eddy Dissipation Concept) -

[referência: Magnussen and Hjertager, On Mathematical Modelling of Turbulent Combustion with Special Emphasis on Soot Formation and Combustion, Proc. 17th Symposium (International) on Combustion (1977), pp. 719–729], no qual a taxa de consumo de combustível (combustão) é proporcional à concentração dos reagentes e à taxa local de mistura com o oxigênio.

Esse modelo constitui a base para o modelo de combustão controlada por mistura em etapa única, disponível em diversos softwares de CFD amplamente utilizados.

Deve-se assumir:

• mistura estequiométrica de ar e combustível; e

• cinética química com taxa de reação infinita.

A reação assume a forma geral:

Combustível + Ar → Produtos (+Calor) (2)

Os produtos incluem principalmente:

• CO₂;

• H₂O; e

• N₂ inerte.

O calor liberado pela combustão impulsiona o transporte de fumaça e constitui uma importante fonte de radiação térmica.

A liberação de calor pode ser expressa de forma simplificada como: q = m˙⋅ ΔHc (3)

Onde:

• m˙ = taxa de pirólise (liberação de combustível) [kg/s];

• q = taxa de liberação de calor [kW];

• ΔHc = calor efetivo de combustão [J/kg].

O Engenheiro de Incêndio Modelador deve definir tanto m˙ quanto ΔHc.

Alternativamente, pode-se especificar a taxa de liberação de calor desejada q como um valor de entrada, e nesse caso m˙ torna-se um parâmetro de saída calculado. Em ambos os casos, a limitação fundamental é que o tamanho do incêndio (taxa de queima) é definido a priori como entrada no modelo.

Se a simulação incluir o transporte de produtos secundários da combustão, como fuligem (soot), será necessário especificar um rendimento fracionário empírico.

Por exemplo, pode-se adotar um rendimento de fuligem de 10% nos casos em que a visibilidade na fumaça for um critério importante.

Nota importante:

Quando a visibilidade for uma variável de saída crítica, a quantidade de fuligem (e, portanto, a obstrução da visibilidade) será determinada pela combinação entre o calor de combustão e o rendimento de fuligem para uma determinada taxa de liberação de calor.

e) Modelos avançados de pirólise e combustão

Se for necessária uma representação mais detalhada da reação química entre o combustível e o ar, então será preciso adotar uma abordagem mais avançada de modelagem da combustão.

Esse nível de detalhamento pode ser necessário, por exemplo: em situações, onde os efeitos da combustão subventilada sejam significativos e a modelagem da produção de monóxido de carbono (CO) seja relevante para a análise.

Recomenda-se que o leitor consulte publicações especializadas para obter informações mais aprofundadas sobre modelagem avançada de pirólise e combustão (fontes apontadas nos itens 3.12 e 3.13 deste “Manual de Boas Práticas”).

Supressão

• Na abordagem mais simples, a supressão pode ser representada por uma restrição na taxa de liberação de calor (HRR), de modo que as temperaturas no ambiente ou compartimento fiquem compatíveis com um cenário de incêndio suprimido pelo sistema de sprinkler. Por exemplo, a temperatura da camada superior pode ser fixada em torno de 120 °C (ou outro valor considerado razoável para o cenário modelado). Na prática, essa abordagem envolve a calibração da taxa de liberação de calor do incêndio para atingir as condições desejadas;

• Uma outra abordagem mais conservadora seria modelar um incêndio, sobre um recipiente de combustível, com taxa de calor pré-definida, por exemplo; - 1000 kW para um incêndio residencial; ou

- 2500 kW para um incêndio em área comercial ou de varejo.

Essa abordagem tende a gerar condições mais severas do que as que seriam normalmente esperadas com um sistema de sprinklers em pleno funcionamento, mas oferece maior robustez ao projeto, pois considera a possibilidade de atuação parcial dos chuveiros automáticos

• Outra abordagem adequada é o de estabelecer a curva de crescimento de incêndio, de acordo com o risco, identificando o “response time index” do sistema de sprinkler, podendo-se alterar a curva de crescimento do incêndio para menor taxa de crescimento (ex.: de rápida para média), sendo que, ao ser alcançada a taxa máxima proposta, pelo cenário de incêndio, entrar em regime de incêndio estável (“steady fire”);

• Um nível mais sofisticado de modelagem incluiria o uso de um modelo de partículas de água do sprinkler, no qual se incorpora:

- a interação das gotículas de água com os gases quentes; e

- o efeito de resfriamento desses gases. Contudo, esse tipo de modelagem não inclui os efeitos sobre o tamanho do incêndio nem sobre a taxa de liberação de combustível (pirólise)

• Em um nível mais avançado, seria possível modelar a interação do sistema de supressão com os processos de pirólise e combustão. Tal abordagem, porém, ainda é objeto de pesquisa acadêmica e em geral está fora do escopo da modelagem CFD voltada ao projeto e análise de controle da movimentação da fumaça e calor.

Tamanho do incêndio e aberturas de ventilação

Para muitas aplicações de controle de fumaça, a utilização de uma fonte de incêndio localizada é a abordagem mais apropriada. Nesses casos, a área da fonte de fogo é limitada, e condições de flashover ou de incêndio plenamente desenvolvido não ocorrem.

De modo geral, a liberação de combustível (pirólise) para um incêndio pré flashover é definida com base em:

• dados experimentais; ou

• na adoção de um “incêndio de projeto” genérico.

No caso de um incêndio em regime permanente (steady fire), este é normalmente especificado em termos de:

• área superficial da fonte; e

• taxa de liberação de calor associada à combustão do combustível.

Para incêndios dependentes do tempo, é prática comum, em diversas aplicações, adotar uma fonte do tipo “t-quadrado”. (ISO/TR 13387 – Fire safety engineering – Part 2:1999 – Design fire scenarios and design fires):

Curva de Crescimento do Incêndio – Taxa de Liberação de Calor (HRR)

Neste contexto:

• q (kW) representa a taxa de liberação de calor associada ao incêndio;

• t (s) é o tempo decorrido desde o início da fase de crescimento do incêndio;

• tgéotempocaracterísticonecessárioparaqueataxadeliberação decalor atinja 1000 kW.

A equação clássica para representar o crescimento de incêndios é: q(t) = α t2 q(t)

Onde α (alfa) é o coeficiente de crescimento do incêndio (kW/s²), diretamente relacionado ao tipo de curva adotada.

Os incêndios são tipicamente classificados conforme a velocidade de crescimento, conforme a tabela abaixo:

Tipo de Incêndio (Taxa de crescimento) Tempo Característico (tg) para atingir 1000 kW α (kW/s²)

Essas classificações são utilizadas em análises determinísticas e simulações computacionais para definir a curva de crescimento de incêndio a ser considerada no cenário avaliado, impactando diretamente a previsão da propagação de fumaça e temperatura.

Disponibilidade de ar para combustão e ventilação no compartimento

A disponibilidade de ar para a combustão deve ser cuidadosamente considerada ao se modelar sistemas de controle de fumaça. Caso não se deseje que o incêndio entre em condições de combustão subventilada, será necessário garantir a existência de aberturas suficientes para fornecer o ar requerido para a combustão ventilada.

Exemplos de aberturas de ventilação em um compartimento incluem:

• Portas abertas;

• Janelas;

• Ventilação mecânica;

• Venezianas e grelhas;

• Ou ainda, a falha de vidros (glazing) que gere ventilação acidental.

Nos casos em que a ventilação do compartimento pode não estar prontamente disponível (por exemplo, subsolos, envidraçamentos resistentes ao fogo, fachadas de vidro protegidas por sprinklers), recomenda-se realizar uma análise de sensibilidade, testando:

• Uma ventilação genérica que permita o desenvolvimento de um incêndio fisicamente realista; e

• Um cenário onde a única ventilação disponível é a porta aberta do compartimento em chamas, em conjunto com o sistema de exaustão de fumaça em funcionamento.

Contudo, em certos casos, como em edifícios altos, essa abordagem pode não ser prática.

Ventilação artificial de nível inferior

Uma abordagem comum consiste em incorporar uma “entrada de ar artificial” em nível inferior, para simular a sustentação da combustão com:

• Portas abertas; e

• Sistema de controle de fumaça operando.

Esse pode ser um ponto de partida conservador, frequentemente utilizado em projetos, embora possa resultar em exigências de vazões de ar irrealistas.

Apesar de essa entrada de ar não representar uma abertura física real, ela pode ser usada para estimar um limite superior das vazões de ar necessárias para o sistema de exaustão de fumaça.

É fundamental ter atenção especial à ventilação disponível em edifícios altos.

Uma estratégia baseada apenas em entrada de ar em nível inferior apoiada por ventilação mecânica pode ser otimista demais.

Nesses casos, o sistema de exaustão instalado no corredor ou hall atua para proteger a escada enclausurada, promovendo a entrada de ar limpo a partir do próprio volume da escada.

No entanto, o sistema de exaustão, ao operar, tende a captar preferencialmente a fumaça proveniente do compartimento em chamas, especialmente se houver aberturas amplas (como portas ou janelas), agravando esse efeito.

Portanto, a entrada de ar em nível inferior é considerada uma estratégia especializada de ventilação, não devendo ser utilizada como uma estratégia genérica de ventilação para incêndios.

Um estudo de sensibilidade dos efeitos da abertura de ventilação no ambiente de origem do incêndio é recomendado, no contexto dos objetivos do CFD que estão sendo estudados, para se garantir que um elemento de realismo, nos resultados, seja equilibrado com uma margem de segurança.

f) Incêndios totalmente desenvolvidos e pós flashover

No caso de incêndios com ocorrência de flashover e na fase pós flashover, a adoção de uma curva de liberação de calor pré-definida (como uma curva de crescimento t-quadrado de projeto), geralmente, não é apropriada.

Nesses cenários, o processo de pirolise é significativamente mais complexo do que em incêndios localizados, uma vez que múltiplas superfícies entram simultaneamente em ignição.

Um fator crítico passa a ser a disponibilidade de ar para combustão, pois ela determina se o incêndio será controlado por combustível (fuel-controlled) ou controlado por ventilação (ventilation-controlled).

Existem publicações e correlações amplamente utilizadas para orientar o projetista ou Engenheiro de Incêndio Modelador na estimativa do tamanho de um incêndio totalmente desenvolvido em compartimentos com aberturas definidas.

Por exemplo, segundo Karlsson & Quintiere em "Enclosure Fire Dynamics", a taxa máxima de liberação de calor q (em MW) em um ambiente com apenas uma abertura de área A (em m²) e altura H (em m) pode ser aproximada pela seguinte equação:

q = 1500 A H1/2 (kW)

Ou, de forma equivalente:

q = 1,5⋅A⋅H1/2 (MW)

Essa fórmula é baseada em correlações experimentais e é válida em situações em que a ventilação disponível limita o desenvolvimento do incêndio típico de compartimentos fechados ou parcialmente abertos.

g) Transferência de calor para superfícies de envolventes pós flashover

A transferência de calor para os elementos de fronteira, como paredes, tetos e pisos, torna-se uma consideração crítica na fase pós flashover. À medida que o incêndio persiste:

• As superfícies de envoltória (boundary surfaces) acumulam calor;

• As temperaturas internas do compartimento se elevam significativamente;

• Essa elevação térmica é compatível com as curvas padrão tempo-temperatura adotadas em ensaios de resistência ao fogo (por exemplo, curva ISO 834,ASTM E119 ou EN 1363).

Em incêndios que atingem o estado de pós flashover, não é possível definir previamente (a priori) um valor fixo para o tamanho do incêndio ou sua respectiva taxa de liberação de calor (HRR). O desenvolvimento do incêndio e as condições térmicas no ambiente dependerão de fatores como:

• A distribuição e natureza dos materiais combustíveis no ambiente;

• A disponibilidade e geometria das aberturas (portas, janelas, venezianas, dutos);

• As propriedades térmicas e estruturais das paredes e do teto (condutividade, calor específico, capacidade térmica, espessura, revestimentos, entre outros).

h) Limitações para modelagem de Incêndios pós flashover

De forma geral, a modelagem de incêndios em regime totalmente desenvolvido ou pós flashover excede o escopo típico da análise de controle de fumaça. Quando tal modelagem é necessária, ela requer:

• Um nível mais avançado de compreensão da física do fogo;

• Conhecimento aprofundado em dinâmica de fluidos computacional (CFD);

• Considerações adicionais de combustão, transferência de calor por radiação e condução, e possíveis colapsos estruturais.

Tais análises são geralmente aplicáveis a:

• Ensaios de resistência ao fogo de compartimentos inteiros;

• Avaliações de colapso estrutural sob ação térmica;

• Simulações de incêndio em grandes armazéns, túneis ou recintos fechados com grande carga de incêndio.

APÊNDICE D

Testes e validação

Antes da utilização de um software de CFD, especialmente para modelagem de incêndios, é responsabilidade do usuário verificar a adequação da ferramenta para a aplicação pretendida. A questão central é se o software em questão passou por um processo de testes ou validação que demonstre ser compatível com as exigências técnicas impostas.

Para garantir confiabilidade no uso do software, deve-se buscar informações na literatura técnica ou na documentação do produto que sustentem sua aplicabilidade. Caso essa documentação não esteja disponível, recomenda-se entrar em contato com os desenvolvedores para obter uma avaliação preliminar de aplicabilidade. Na sequência, devem ser realizados ensaios de verificação, relacionados ao uso proposto, com o objetivo de comparar os resultados simulados com resultados esperados ou conhecidos.

Se houver evidência documentada de que o software já foi utilizado com sucesso em aplicações similares, essa evidência pode ser valiosa para orientar o ajuste de parâmetros de controle pelo usuário, maximizando a eficácia da modelagem.

Importa destacar que o processo de validação é contínuo, sendo que, neste contexto, o termo mais apropriado seria “teste”.

Os requisitos de capacidade do software para representar os processos físicos relevantes na modelagem de incêndios são discutidos em outras seções deste documento.

No entanto, em uma aplicação prática, a principal questão é:

“o software é capaz de representar adequadamente os fenômenos físicos requeridos, dentro de uma margem de precisão aceitável?”

O primeiro critério de validação deve ser o da plausibilidade:

• os resultados fazem sentido?

• eles estão alinhados com a expectativa de engenheiros experientes?

Se os resultados não forem coerentes, é necessário realizar uma análise mais profunda. Caso a simulação revele comportamentos novos ou inesperados, esses devem ser analisados à luz do conhecimento técnico já estabelecido.

Embora o foco principal seja a modelagem de incêndios, os mesmos critérios também se aplicam a:

• Ventilação cotidiana, para dispersão de poluentes;

• “Controle da movimentação da fumaça e calor” e o denominado “Purga” (remoção de fumaça) pós-incêndio.

Validação do Usuário:

• Um aspecto adicional, sob o escopo de validação, refere-se à qualificação do próprio usuário do software:

- O usuário possui conhecimento e experiência suficientes?

É amplamente reconhecido que, para se obter o melhor desempenho na aplicação do CFD, são necessários:

• Conhecimentos sólidos em termodinâmica e mecânica dos fluidos;

• Capacidade de aplicar julgamento de engenharia criterioso.

Enquanto os conhecimentos teóricos podem ser adquiridos em ambiente universitário, o julgamento de engenharia depende de uma exposição prática ao processo de projeto. A capacidade de interpretar problemas de engenharia reais, à luz das estruturas numéricas complexas, presentes em softwares de CFD, é fundamental.

Se o usuário não possuir experiência abrangente, recomenda-se fortemente buscar orientação de colegas ou consultores com experiência complementar, de modo a garantir a qualidade e a confiabilidade dos resultados obtidos.

Para tanto, o Instituto de Engenharia, por meio de sua Divisão Técnica de Engenharia de Incêndio, coloca seu corpo técnica especializado para validar tais trabalhos.

APÊNDICE E

Processo de revisão de modelagem do CFD

O processo de revisão fornece uma verificação independente essencial de um projeto, assegurando que tanto a análise do CFD quanto a documentação estejam em conformidade com os critérios de desempenho previamente acordados.

Projetos de engenharia de incêndio baseados em desempenho e que utilizam modelagem em CFD exigem rigor técnico especializado, especialmente à medida que a disciplina avança e o uso de propostas alternativas e inovadoras se torna mais comum.

A revisão deve ser realizada por equipe independente da equipe de projeto, permitindo uma visão crítica e imparcial avaliando o intento do projeto, seus objetivos, pressupostos adotados e critérios de aceitação, além de verificar se os dados de entrada e os resultados realmente correspondem ao caso documentado.

É essencial que toda a equipe envolvida no projeto valorize o processo de revisão e compreenda seus objetivos mais amplos. O escopo da revisão deve englobar, tanto aspectos técnicos (por exemplo, verificação de entradas e saídas), quanto não técnicos, como a verificação da coerência geral do projeto.

Torna-se cada vez mais comum que o revisor participe do processo de aprovação do projeto. Nestes casos, o parecer do revisor pode ser determinante para a aceitação da solução proposta.

a) Escopo da Revisão

Quando um revisor externo e independente é envolvido, ele deve ser designado com base em um escopo acordado previamente. Esse escopo pode abranger desde uma revisão conceitual do projeto inicial até a verificação numérica dos dados de entrada e confirmação de que os resultados documentados realmente representam a análise realizada.

A revisão pode incluir também a adequação da documentação utilizada para registrar o processo de projeto e as conclusões obtidas. Recomenda-se que o escopo da revisão contemple a avaliação da qualificação e experiência da equipe de projeto, além da análise dos aspectos técnicos apresentados.

O escopo da revisão pode incluir:

• Adequação dos códigos, normas e diretrizes utilizadas;

• Avaliação dos objetivos do projeto;

• Verificação dos pressupostos quanto aos critérios de desempenho, cenários de incêndio, propriedades dos materiais etc.;

• Avaliação da abordagem técnica adotada;

• Adequação dos modelos computacionais e métodos utilizados;

• Análise dos dados de entrada e verificação de possíveis erros. Isso inclui o método de checagem de erros relevantes nos dados de entrada;

• Avaliação dos resultados apresentados na documentação e da sua coerência com a análise executada;

• Validação da adequação das conclusões técnicas apresentadas.

b) Importância e Responsabilidade

A revisão permite que os stakeholders relevantes (como o cliente, autoridade aprovadora, seguradora etc.) possam tomar decisões informadas sobre o projeto, com o objetivo de que a solução proposta seja aceita por todas as partes envolvidas.

É fundamental que os termos de referência estejam claramente definidos entre as partes, especialmente no que diz respeito ao escopo e responsabilidade do revisor. Também se espera que toda a equipe envolvida no projeto compreenda, acolha e responda adequadamente à revisão recebida.

c) Competência Técnica

A competência do revisor deve estar alinhada ao escopo da revisão. São essenciais:

• Experiência prática,

• Julgamento técnico apurado, e

• Qualificações e expertise na área de aplicação da modelagem CFD.

Embora o CFD seja uma disciplina extensa e multidisciplinar, é fundamental que o revisor possua competência específica em engenharia de incêndio e no contexto da aplicação do projeto que está sendo avaliado.

d) Processo de Revisão

O objetivo central da revisão é que o revisor concorde com a proposta de projeto, desde a fase de iniciação até sua conclusão.

Por isso, recomenda-se que o revisor seja designado no início do processo de projeto. A designação tardia do revisor, que leve a divergências sobre parâmetros fundamentais do projeto, deve ser evitada.

e) Etapas e Boas Práticas da Revisão:

• O escopo da revisão deve estar claramente definido.

• O revisor deve receber toda a documentação e análises relevantes para realizar a revisão com precisão e consistência.

• O produto final da revisão deve ser uma lista clara e itemizada de observações, dúvidas e solicitações de esclarecimento.

• O revisor deve fundamentar tecnicamente seus comentários, utilizando referências bibliográficas e normativas reconhecidas.

f) Resposta do Projetista às Observações

• O projetista deve responder a todos os comentários realizados;

• Em casodedivergênciatécnica, oprojetistadeveapresentar uma respostaclara, objetiva e embasada tecnicamente; e

• Respostas narrativas ou genéricas não são adequadas em “desacordos técnicos”, por exemplo, se as temperaturas simuladas excederem os limites acordados, o projetista não deve apenas sugerir que poderiam ser menores em outros cenários, ele deve reanalisar e apresentar novos cenários e justificativas técnicas claras.

g) O projetista deve estar disposto a:

• Reavaliar o projeto, e

• Reforçar ou revisar a documentação técnica, sempre que necessário, a fim de quese alcance oconsenso técnicoea aprovaçãointegral da propostade projeto.

APÊNDICE F

Tenability em edifícios no caso de incêndio – limites e critérios para projetos

A tradução mais próxima para “tenability” é “sustentável” ou como envolve os seres humanos prioritariamente, trata-se do critério mínimo aceitável expresso em números, os quais garantam a vida humana, por um determinado tempo, em situações de incêndio.

Especialistas internacionais são unânimes em apontar que não existe um valor padronizado e universal, aceito para o critério do que chamamos de “tenability”.

Deve-se exigir risco zero de exposição à fumaça de um incêndio aos ocupantes em termos de tenability ou pode-se aceitar determinados valores mínimos com certo grau de agressão a esses mesmos ocupantes?

Cabe esclarecer que o conjunto de legislações ou normas técnicas nacionais, até e edição deste “Manual de Boas Práticas”, não adotam tais critérios em seus textos. Recentemente, a Comissão de Estudos da ABNT, que trata do tema “Controle da Movimentação da fumaça e Calor”, inseriu tais conceitos em suas normas desenvolvidas e em discussão. A participação de vários outros especialistas, tem promovido a inserção de tais conceitos em diversas outras normas daABNT.

Neste documento, procuramos estudar vários materiais que tratam do tema, uma vez que “tenability” está ligado umbilicalmente a proteção à vida e, portanto, deve fazer parte de algumas normas, a saber: norma de controle de fumaça em edificações, norma de saída de emergência em edifícios, norma de compartimentação e isolamento de riscos etc.

Apesar de diversos textos legais e normas apresentarem preocupação com a vida humana, em nenhum texto, até o momento, tais limites numéricos foram apresentados. Ou seja, quais são esses números que podem, por determinado tempo, garantir o “tenability” da vida em caso de incêndios.A resposta a isso deveria ser uma grande preocupação, uma vez que se pretende, como por exemplo, com o sistema de controle de fumaça, garantir o abandono da população usuária.

Na norma brasileira de detecção de incêndio, da mesma forma, utiliza-se do termo “tempo-resposta adequado”. Áreas de refúgio são aceitas com critérios de compartimentação, mas sem a preocupação de que sejam estanques à fumaça. Como garantir o “tenability”, em qualquer edificação ou área de risco, sem que exista garantia de controle da movimentação da fumaça e calor?

Em projetos baseados em desempenho (performance-based design) e na avaliação de riscos das edificações para adequadas soluções de proteção contra incêndio, adequados valores de “tenability” devem ser definidos para se garantir que a população usuária não seja exposta a condições “insustentáveis”.

Como exemplo, quando se elabora projetos com o uso de CFD, para controle da movimentação da fumaça e calor em átrio ou grandes ambientes, sempre devem ser definidos os valores de “tenability”, para garantir, por determinado tempo, a segurança dos ocupantes. Além de sempre buscar avaliar a evolução da movimentação da fumaça e calor nos ambientes próximos a tal átrio, quer seja os riscos de diminuição da visibilidade, ou criando condições para que as pessoas não sejam afetadas por gases altamente tóxicos ou pela radiação.

Atualmente no Brasil, legislações baseadas em requisitos não mencionam tais critérios, sendo que a simulação computacional é um avanço tecnológico, com melhoria significativa para a segurança da vida humana em situação de incêndio e que, atualmente, permite validar critérios como: visibilidade, toxicidade e radiação térmica

A NFPA-92, em seu Anexo M, apresenta alguns critérios e condicionantes importantes, que devem ser estudados e analisados, para uma boa execução da simulação computacional.

a) Limites do tenability

Quando ocorre um incêndio em uma edificação, os maiores riscos para os ocupantes são: calor e a fumaça tóxica desse incêndio (figura 42). No livro “Assessment of Hazards to Occupants from Smoke, Toxic Gases and Heat”, Fonte: Carlos Cotta Engenharia apresenta revisão extensa dos limites dos riscos e tenability para exposições a gases e fumaças tóxicas de incêndios.

Alguns desses valores estão resumidos abaixo:

Exposição ao calor e valores limites de tenability

Evento Causa

Insolação/ hipertermia

queimaduras

Nível de exposição

Queimadura do trato respiratório

Prolongada exposição a altas temperaturas (mais de 15 minutos)

Exposição a calor convectivo (ar seco ‹10% de água) Maior que 120°C

Exposição ao calor convectivo (ar saturado de água) Maior que 60°C

Exposição ao calor radiante Maior que 2,5kW/m2

Exposição ao calor conduzido (contato com metal aquecido) Maior que 60°C

Exposição a calor convectivo (ar seco ‹10% de água) Maior que 120°C

Figura 42 - Tenability relacionadas ao nível de exposição ao calor de incêndio

b) Exposição ao calor

Existem 3 (três) caminhos básicos em que a exposição ao calor resulta em risco à vida:

• hipertermia;

• queimaduras;

• queimadura no trato respiratório.

As causas e os valores limites de tenability estão resumidos na figura 42. Os limites estabelecidos na Tabela citada, geralmente são o resultado de exposições na pele nua.

Esses limites poderão ser ultrapassados caso exista a utilização de roupas de proteção apropriadas.

Por exemplo, testes de campo tem demonstrado que o fluxo radiante de calor de 5,0kW/m2 é tolerável sem causar dores na pele ou queimaduras quando se utiliza roupas leves como proteção.

c) Exposição a gases tóxicos

A exposição a gases tóxicos (asfixiantes) é o principal causa de incapacitação (perda de consciência) e morte nos incêndios em edificações. A severidade depende da concentração e duração dessa exposição.

O limite de tenability para exposições a produtos comuns asfixiantes dos incêndios são resumidos (ver Figura 45, c), abaixo:

d) Obscurecimento da fumaça

O obscurecimento pela fumaça resulta na redução da visibilidade, a qual não se trata diretamente de ameaça à vida. Entretanto, esse obscurecimento reduz a velocidade individual de caminhamento, portanto, aumentando o tempo de exposição ao calor e gases aquecidos do incêndio.

Os gases da combustão que causam irritação aos olhos podem possuir similar efeito na redução da visibilidade. Isso inclui gases ácidos (HF, HCl, HBr, SO2, NOx) e gases orgânicos irritantes (acroleína, formaldeído, crotonaldeído).

Figura 43(a)- Imagens de critérios de "tenability"

e) Critério de tenability

No projeto e análise da segurança contra incêndio em edifícios, critérios devem ser definidos para que os ocupantes não sejam expostos a condições que excedam os limites de tenability

De maneira geral, estes são estabelecidos assumindo-se o seguinte:

• a exposição ao calor é devido a convecção e radiação (a exposição ao calor conduzido é ignorada);

Figura 44(b)- Imagens de critérios de "tenability"

Figura 45(c)- Imagens de critérios de "tenability"

• a queimadura do trato respiratório ocorre nos mesmos limites que a queimadura da pele, sendo que não existe a separação desses dois critérios;

• o ambiente durante o incêndio é considerado como seco (<10 % de água);

• os gases principais asfixiantes são CO e HCH, sendo que seus valores máximos são os limites de incapacitação; e

• a concentração de O2, geralmente, não caem a valores abaixo de 12% e considerações abaixo desses valores não são exigidas.

O efeito narcótico do CO2 é não significativo para as concentrações experimentadas em incêndios nos ambientes. O critério apropriado dependerá do projeto a ser adotado com respeito a exposição da fumaça do incêndio. Os três critérios comuns, em ordem crescente de rigor, são:

• sem exposição;

• curta exposição (menos de 15 minutos);

• ampla exposição (mais de 30 minutos).

f) Sem exposição

Este é o critério mais simplificado e mais conservativo, o qual assume que os ocupantes não estão expostos diretamente à fumaça do incêndio. Isso é alcançado considerando-se que a camada de fumaça permanece acima da cabeça de seus ocupantes.

Internacionalmente, o valor mínimo da “altura da camada livre de fumaça” é de 2,20 metros. Em alguns países da Europa o critério é de 2,50 metros, valor para o caso de um pai que coloca seu filho nos seus ombros, para poder se deslocar com maior velocidade no caso de incêndio. Portanto, tais valores podem possuir alterações significativas entre os países.

Para tais considerações, o calor da convecção e a exposição aos gases tóxicos podem ser ignorados. Entretanto, os ocupantes podem, ainda, serem expostos ao calor radiante da camada de fumaça acima. Normalmente, o valor máximo adotado para o calor radiante é de 2,5kW/m2 (ver figura 44, b). Para pequenos ambientes, esse limite pode ser alcançado quando a camada aquecida atinge 200°C.

g) Curta exposição

Quando a camada de fumaça não pode ser mantida acima da cabeça dos ocupantes, critérios necessitam ser estabelecidos para que os ocupantes não sejam expostos à fumaça excessivamente, enquanto se deslocam para local seguro. Simples critérios de tenability podem ser estabelecidos para tais situações, assumindo e garantindo relativa curta duração de exposição dos ocupantes (cerca de 15 minutos).

Um exemplo desses valores e critérios são mostrados na figura 45(c). Esses critérios são, geralmente, conservativos, desde que não seja provável que os ocupantes estejam expostos a esses limites ambientais por todo o tempo considerado (15 minutos). Demais valores conservadores são introduzidos por meio da garantia de que a exposição a esses limites se dá acima da altura da cabeça dos ocupantes, ver figura 44(b).

É, frequentemente, questionado se não é mais apropriada a avaliação dentro da área considerada respirável, a qual pode ser adotada com altura entre 1,50 e 2,0 metros.

O limite de 100°C para o calor de convecção é comumente utilizado na Austrália, como o sugerido na primeira versão do “Fire Engineering Guidelines”. Em outros países existe uma faixa de valores adotados entre 60°C e 120°C, dependendo da duração e condições de exposição assumidos.

A NFPA-92, em seuAnexo M (item M.3.6.2), apresenta a seguinte tabela conforme segue:

Limites de visibilidade são, normalmente, adotados entre 5,0 e 10,0m para pequenos e grandes compartimentos, respectivamente. Entretanto, como discutido

anteriormente, uma redução na visibilidade não está diretamente relacionada com o aumento do perigo à vida. Tal preocupação está mais relacionada com a diminuição da velocidade dos indivíduos, portanto, aumentando o tempo de exposição do calor e gases tóxicos.

Em alguns países, como aAustrália, por meio da Australian Fire Authorities Council (AFAC), tem adotado o critério dos limites de segurança para bombeiros, utilizando valores similares para curtos períodos de exposição.

Os critérios utilizados para bombeiros são, de maneira geral, mais severos por conta de possuírem equipamentos de proteção (figura 46). Os valores limites retrocitados foram desenvolvidos baseados nos níveis de conforto obtidos durante testes conduzidos em 1994. Atualmente esses valores podem ter sofrido alterações por conta da melhor “performance” dos equipamentos isolantes térmicos, melhores equipamentos de pressão positiva e melhores gestões de combate a incêndios.

O limite de calor irradiado de 1,0 kW/m2 para rotineiras condições de trabalho dos bombeiros foi estabelecido. Revisão dos mais recentes resultados de testes indica que o limite superior deve ser mais apropriado, desde que seja menor que o fluxo de calor recebido nos trópicos, em um banho de sol, o qual é estimado em 1,1 kW/m2. A figura 46 mostra o critério para exposição de bombeiros para cerca de 10 minutos, que podem ser adotados.

Figura 46-"Tenability" para equipes de emergência

h) FED – Fractional Effective Dose

A possibilidade de métodos avançados de análise, tem permitido maior rigor nas análises das exposições de calor e gases tóxicos, utilizando-se cálculos do FED –

Fractional Effective Dose.

Este método leva em conta a variação da exposição ambiental com o tempo e efeitos combinados com a exposição de vários efeitos do incêndio.

O que significa FED em segurança contra incêndio?

Existem muitas métricas e cálculos que tentam determinar os riscos e perigos representados pelos riscos de incêndio. O FEDéumadessas estatísticas quetem particular importância na segurança contra incêndios.

O que é FED em Segurança contra Incêndio?

A Dose Efetiva Fracionária (FED) é uma chave métrica destinada a quantificar o impacto cumulativo de condições prejudiciais, como exposição a gases tóxicos e calor extremo, na saúde humana durante um incêndio. É utilizado para avaliar a capacidade de sobrevivência de pessoas em cenários de incêndio e para projetar ambientes mais seguros.

Origens

do FED

O FED foi desenvolvido na tentativa de compreender os impactos fisiológicos dos focos de incêndio nas pessoas. O objetivo da pesquisa inicial de segurança contra incêndio era identificar situações potencialmente fatais causadas pela combustão de materiais. Surge como resultado da crescente demanda por uma métrica quantitativa e padronizada. Essa ideia avalia os riscos associados a situações de incêndio combinando conceitos de toxicologia, fisiologia e ciência da combustão.

Objetivo do FED na segurança contra incêndio

O principal objetivo do FED é avaliar as consequências para a saúde da exposição térmica e gases nocivos, incluindo monóxido de carbono (CO) e cianeto de hidrogênio (HCN). Esses elementos são as principais causas de ferimentos e mortes relacionados a incêndios. O FED determina a "dose" cumulativa de exposição, levando em consideração tanto a duração da exposição quanto a concentração de produtos químicos perigosos. Esse número é então usado para avaliar se a situação ainda é sustentável e suficientemente

seguro para as pessoas transitarem pelo ambiente, ou se chegou a um ponto provável de provocar incapacidade ou morte. Por exemplo, o FED ajuda a prever a taxa na qual as pessoas podem ficar inconscientes como resultado dos efeitos nocivos dos gases respirados em ambientes cheios de fumaça. Ele também analisa os perigos representados por altas temperaturas, que podem muito bem resultar em exaustão pelo calor ou queimaduras graves.

FED e resposta fisiológica a riscos de incêndio

A maneira como o corpo humano reage aos riscos de incêndio está intimamente relacionada ao FED.

A capacidade do sangue de transportar oxigênio é prejudicada por gases tóxicos como o CO, que pode causar tontura, desorientação ou coma.

O HCNtambém tem impactonarespiraçãocelular, oqueaumenta orisco deasfixia. A capacidade do corpo de controlar sua temperatura pode ficar sobrecarregada pela exposição ao calor, levando a queimaduras ou estresse térmico. Esses efeitos fisiológicos são incorporados aos cálculos do FED para fornecer uma imagem detalhada de como as condições do fogo afetam a sobrevivência humana.

O FED, portanto, desempenha um papel fundamental em influenciar as medidas de segurança contra incêndio, chamando a atenção para esses perigos, o que inspira modificações favoráveis à segurança contra incêndio no projeto de edifícios e no planejamento de abandono e na implantação de sistemas de supressão de incêndio.

Como o FED é calculado?

O cálculo da Dose Efetiva Fracionária (FED) é um método científico projetado para avaliar os efeitos combinados de condições perigosas, como exposição a gases tóxicos e calor, na saúde humana durante um incêndio. A metodologia reúne variáveis-chave, tempo de exposição e limiares fisiológicos para fornecer uma medida abrangente dos riscos de segurança à vida.

A fórmula geral para o FED combina os efeitos da exposição a vários gases tóxicos e calor ao longo do tempo:

FED = T∑t=0 (Cg(t)/C crítico) Δt, onde:

Cg(t): Concentração do gás tóxico no tempo t.

C Crítico: Concentração crítica do gás que pode incapacitar ou prejudicar um indivíduo.

Δt: O intervalo de tempo durante o qual a exposição é avaliada.

T: tempo total de exposição.

Cada gás venenoso (como cianeto de hidrogênio e monóxido de carbono) e outros elementos perigosos, como o calor, são tratados separadamente por esta equação. Se as condições atingiram um ponto crítico é determinado pelo valor acumulado.

Variáveis-chave nos cálculos do FED e Concentrações de gases tóxicos

O monóxido de carbono (CO) é um dos principais subprodutos da combustão que pode causar hipóxia ao se ligar de forma permanente às hemoglobinas produzindo asfixia química. O cianeto de hidrogênio (HCN), por outro lado, interrompe a respiração das células e geralmente é encontrado em chamas causadas pela queima de plásticos e têxteis.

O tempo de exposição aumenta o valor do FED, a medida que uma pessoa fica exposta a situações perigosas, enfatizando a importância do abandono imediato

Limites de tolerância humana

Os dados fisiológicos são usados para determinar os limites críticos, que mostram quando a exposição tem maior probabilidade de resultar em incapacitação ou morte. Por exemplo, pode-se prever que 50% da população exposta sofra consequências graves se o valor do FED for 1.

Interpretando valores FED

Veja como os valores FED são geralmente interpretados:

FED < 1: Implica que as condições ainda são sustentáveis, o que significa que o abandono é possível sem efeitos graves à saúde.

FED = 1: Este limite denota situações de emergência em que um abandono rápido é necessário para evitar resultados potencialmente fatais.

FED > 1: Representa situações muito arriscadas em que a morte ou incapacitação são prováveis.

Por que o FED é importante na segurança contra incêndios?

Na segurança contra incêndios, o objetivo prioritário é garantir que as pessoas possam abandonar com segurança o prédio em chamas. O FED fornece uma métrica para avaliar o tempo até o ponto crítico, o momento em que as condições em um espaço se tornam fatais devido à exposição excessiva a gases tóxicos ou calor, ajudando a projetar um ambiente mais seguro.

Ao calcular os valores FED, os Engenheiros de Incêndio podem prever quanto tempo os ocupantes podem permanecer com segurança no prédio antes que a exposição tóxica ou os efeitos térmicos levem à incapacitação ou morte.

Fumaça e produtos químicos como cianeto de hidrogênio e monóxido de carbono podem dificultar a visão, o pensamento ou a movimentação das pessoas quando ocorre um incêndio. O FED ajuda a quantificar o limiar a partir do qual estas condições se tornam insustentáveis, permitindo um melhor planejamento dos procedimentos de abandono, tais como: rotas de fuga seguras que evitam áreas de alta toxicidade, protocolos de abandono sensíveis ao tempo com base nas previsões do FED, iluminação e sinalização de emergência para guiar as pessoas em ambientes cheios de fumaça etc

Os Engenheiros de Incêndio podem aprimorar os protocolos de emergência e a arquitetura do edifício avaliando esses elementos usando o FED, o que ajuda a garantir uma abandono mais segura e eficiente em situações de emergência, ajudando no projeto de sistemas de proteção contra incêndio mais adequados, na redução de riscos de exposição ao calor e gases nocivos durante um incêndio, melhoria nas medidas de segurança contra incêndio para sistemas de controle de movimentação da fumaça e calor e alertas precoces.

Com o auxílio da simulação computacional, o Engenheiro de Incêndio Modelador, poderá estabelecer se determinadas partes da edificação possuem concentrações perigosamente altas de gases como cianeto de hidrogênio (HCN) ou monóxido de carbono (CO), calculando o FED. Com tal informação e conhecimento, o sistema de controle da movimentação da fumaça e calor pode ser projetado para reduzir ativamente esses níveis de gases tóxicos

A NFPA-92, em sua Tabela M.3.7.1, apresenta a seguinte tempo máximo de exposição ao Monóxido de Carbono:

Figura 47-Tabela da NFPA para limites de "Tenability"

Conclusão

Nos projetos de segurança contra incêndio para edificações, os limites de tenability em edifícios incendiados devem ser entendidos.

Atualmente, não há um conjunto de valores para o critério de tenability, que sejam aceitos universalmente.

O Engenheiro de Incêndio Modelador e sua equipe, devem possuir alta capacitação técnica e suficiente experiência para estabelecerem com a modelagem, o tempo máximo permitido de permanência dos ocupantes das edificações, sem que os critérios e valores limites de “tenability” adotados sejam ultrapassados.

APÊNDICE G

Estudo de caso

Os resultados apresentados neste manual sãofrutos depesquisa das metodologias consolidadas em diversos países, além de testes laboratoriais, bem como a utilização de softwares sofisticados e mais adequados para a complexa gama das atuais necessidades da Engenharia eArquitetura.

A utilização da solução em CFD foi proposta objetivando a avaliação da “performance” do sistema de controle da movimentação da fumaça e calor em grande empreendimento, que será denominado, neste documento, como “local de reunião de público”.

O desenvolvimento da solução de controle da movimentação da fumaça e calor, ainda estava na fase de projeto básico, mas existiam dúvidas de sua eficácia, uma vez que a vazão de extração de fumaça não estava totalmente equilibrada em toda extensão dos dutos localizados na porção superior da edificação, uma vez que, também, havia sério problema de falta de espaço por todos os enormes equipamentos da ventilação e conforto térmico, juntamente com os ventiladores dedicados para a extração da fumaça e calor.

O CFD foi a ferramenta ideal para validar a proposta do projeto básico, além de apresentar diversos resultados adicionais voltados para o “tenability”, ou seja, valores que seriam a garantia de que a população usuária poderia abandonar o local de risco dentro de critérios aceitos internacionalmente.

Cabe reforçar que tal conceito de “tenability” somente é adotado por normas internacionais, não havendo qualquer referência em normas brasileiras ou legislações estaduais. Assim sendo, o CFD reforça sua posição de poderosa ferramenta para a proteção à vida, trazendo conceitos muito valorizados pela Engenharia e pela sociedade internacional.

A utilização das ferramentas do CFD é inovadora no Brasil e, portanto, é extremamente importante que os profissionais envolvidos possuam conhecimento altamente especializado.

Nota:

O estudo apresentado não é o completo, finalizado e entregue ao cliente que, por segurança de dados diversos critérios e etapas foram omitidos. Somente alguns tópicos

serão apresentados como exemplo, os quais não poderão servir, por certo, como base ou justificativas para novos estudos e, sequer, como padronização de eventos.

a) O Estudo

O estudo apresentado, trata de um empreendimento denominado “local de reunião de público”, o qual está relacionado com feiras e grandes eventos no Estado de São Paulo, com área construída aproximada de 70.000m2 e com o pé-direito médio de 16,50m. Tratase de edificação em estrutura metálica (pilares e vigas). O proprietário apresentou duas soluções de layout interno, o que demandou duas simulações em CFD, sendo, na sequência, apresentada a primeira simulação e seus resultados, ou seja, somente 20% da área total.

No primeiro estudo a área total foi dividida em cinco ambientes, com cerca de 14.000m2 cada divisão. Este primeiro layout possui cerca de 240m. de comprimento e cerca de 60m. de largura, com população usuária estimada em 6.000 pessoas, as quais caminharão, na melhor das opções, uma média de 120 metros para abandonar o recinto.

Para o segundo estudo em CFD, toda a área foi avaliada, uma vez que existe o interesse de utilização para locação do espaço para grandes eventos e feiras (salão do automóvel, por exemplo).

O empreendimento possui, também, sistema de detecção de fumaça linear por feixe infravermelho e sistema de sprinklers de supressão antecipada e resposta rápidaESFR (Early Suppression Fast Response).

O que apresentamos é o resultado do estudo realizado, o qual buscou comprovar, para essa menor área, que o sistema proposto no projeto básico, para o controle da movimentação da fumaça e calor, seria suficiente para garantir o “tenability” antes da elaboração do projeto executivo.

Considera-se os conceitos de “tenability” quando se objetiva garantir que a população usuária possuirá capacidade de locomoção para abandonar o ambiente sinistrado sem ser agredida pela fumaça e seus gases tóxicos, além do calor.

Quando se trata de “tenability” analisa-se os principais riscos de intoxicação, desorientação, diminuição da velocidade de deslocamento e lesões graves por calor, aos usuários, a saber:

• Altura da camada de fumaça;

• p.p.m. de CO;

• Visibilidade; e

• Temperatura da camada de fumaça.

O tempo da simulação foi de 2400 segundos (40 minutos), tempo mais que suficiente para abandono completo da população usuária e chegada das equipes do serviço público de emergência.

Os critérios adotados na simulação foram os seguintes:

• a altura da camada livre de fumaça não poderia ser inferior a 5,0 metros;

• o p.p.m. de CO máximo, na altura livre de fumaça, deveria ser de 1400;

• a visibilidade, na altura livre de fumaça, não deveria ser menor que 10 metros em todo caminhamento de abandono; e

• a temperatura da camada de fumaça não poderia ser superior a 60ºC próximo da população usuária

Considerou-se todos esses critérios, os quais foram avaliados em todo o volume do ambiente, independente da altura da camada de fumaça ou da altura livre de fumaça. Para o desenvolvimento desse tipo de estudo, é imprescindível a avaliação detalhada de enorme base de dados, tais como: testes laboratoriais (muitos testes reais em cones calorímetros ou outras simulações em CFD), estudos científicos, normas internacionais, manuais e guias de boas práticas de entidades consolidadas para utilização de ferramenta em CFD, além do conhecimento de termodinâmica e da estequiometria da queima a ser simulada.

Outro aspecto importante é a criação do cenário do incêndio para a correta construção da malha, para que a simulação possa ser desenvolvida em tempo e custo aceitáveis. Para exemplificar, quanto menores as células na malha criada a partir do cenário, maiores os tempos de processamento da simulação, sendo, também, correto o inverso. Porém, a malha deve possuir tamanho adequado de células, para a medição da evolução de sua movimentação ou da alteração das características do fluido a ser processada.

Nos parâmetros utilizados, levou-se em consideração os critérios estabelecidos pela Instrução Técnica 15, do Corpo de Bombeiros de São Paulo, além da NFPA-92, o Handbook of Smoke Control Engineering e o manual SFPE (Safety Fire Protection Engineering).

A curva de crescimento do incêndio foi a curva “FAST”, passando para curva “MEDIUM” após a abertura dos bicos de sprinklers (na simulação, a temperatura foi controlada ao redor de determinado número de bicos de sprinklers), mantendo-se a curva “CONSTANTE” após alcançar o Heat Release Rate (Taxa de crescimento de incêndio) de 8MW (oito megaWatts), critério estabelecido na referida IT-15 (figura 54)

Somente se deu início à simulação após a estabilização do sistema de arcondicionado da edificação, onde o gradiente de temperatura variou de 12ºC na parte superior da edificação e até 25ºC na altura dos usuários. Ou seja, realizou-se, também, a simulação e validação de todo sistema de ar-condicionado (Heating, Ventilation, and air

Conditioning – HVAC) proposto, uma vez que tal gradiente interfere na movimentação da fumaça e calor desde o início do incêndio, inclusive, podendo atrasar o acionamento do sistema de detecção de incêndio.

Quando da ativação do sistema de detecção e alarme de incêndio, a central deve enviar sinal para desligamento imediato do sistema de HVAC, além de abrir, automaticamente, todas as portas, nas duas extremidades da edificação. A área das portas de acesso para o exterior da edificação totaliza 70,56m2 (35,26m2 para cada face da edificação).

Como a edificação possui sistema de sprinklers, foram realizadas medição da temperatura no entorno dos bicos para que o sistema de controle da movimentação da fumaça operasse somente após sua ativação. Este critério está estabelecido na IT-15 já referenciada.

Os resultados alcançados pela simulação já apresentam benefício financeiro significativo, uma vez que por conta das enormes distâncias a serem vencidas dentro da edificação escopo, o projetista, preliminarmente, projetou diversas áreas de refúgio pressurizadas, para atender ao caminhamento máximo estabelecido como requisito da legislação pertinente (IT-11 – Saída de Emergência, do Corpo de Bombeiros de São Paulo).

Os resultados da simulação comprovaram que a fumaça não chega a atingir tais áreas de refúgio, ou seja, foi uma economia significativa, uma vez que não será mais necessário: ventiladores centrífugos, dutos protegidos, painéis de comando e automações, construção de ambientes com TRRF (Tempo Requerido de Resistência ao Fogo)

requeridos, iluminação de emergência, portas corta fogo, barras antipânico etc., além da manutenção constante destes equipamentos e dispositivos. Foi comprovado, também, que a estrutura metálica de sustentação da edificação não precisa possuir aplicação de tinta antiignífuga ou qualquer outra proteção passiva para garantir o TRRF, uma vez que a temperatura máxima da fumaça não atinge 300ºC no eixo vertical do foco do incêndio (na pior área da simulação).

Abaixo apresentamos alguns gráficos demonstrando a lógica da simulação realizada, bem como algumas das sequências adotadas e procedimentos de cálculos realizados que utilizamos para a simulação em CFD.

O tempo de simulação total foi de 2.400 segundos, com taxa de liberação de calor máxima de 8MW. Mostramos, também, algumas curvas de crescimento de incêndio e critérios de “tenability” adotados, além de gráfico de sequência de eventos.

b) Curvas do incêndio adotadas para a simulação

c) Mudança da curva após ativação do sistema de sprinklers

d) Nova mudança da curva após atingir HRR=8MW

e) Descrição resumida dos eventos esperados da simulação

Figura 51- Fonte: Carlos Cotta Engenharia (2023). Na figura se apresenta um exemplo de sequência de eventos esperados de toda a simulação, separado por 5 grandes grupos. T0 é o início da simulação como o início do incêndio, sendo considerado como o tempo após a estabilização de todo o sistema de arcondicionado. O tempo T120 (120 segundos após o início do incêndio), como o tempo máximo para atuação do sistema de detecção e alarme de incêndio, quando o sistema de ar-condicionado deverá ser desligado e todas as portas para o exterior da edificação serão abertas automaticamente. O tempo T6 foi o tempo de ativação do sistema de sprinklers. O tempo T7 é o tempo T6 mais 30 segundos, que foi critério de segurança adotado para acionamento do sistema de controle da movimentação da fumaça e calor. O tempo T8 é o tempo em que a taxa de liberação de calor alcançou seu ponto máximo de 8MW, quando a curva de crescimento de incêndio passou de instável para estável, mantendo-se padrão com tal valor de liberação de calor.

f) Ferramentas utilizadas na simulação - supercomputador

Figura 52- Fonte: Carlos Cotta Engenharia (2023). Na figura acima mostramos um quadro resumo de alguns softwares que possuímos autorização para utilização nas simulações apresentadas em CFD.

g) Planos de visualização do ambiente simulado em CFD

Figura 53- Fonte: Carlos Cotta Engenharia (2023). Na figura se apresenta algumas linhas de corte utilizadas para a adequada visualização da simulação, bem como as linhas horizontais para identificação de alturas de referência para avaliação dos critérios de “tenability”.

h) Curvas adotadas na simulação do incêndio

i) Evolução da temperatura do incêndio simulado

j) Evolução do p.p.m. de “CO”

Figura 56- Fonte: Carlos Cotta Engenharia (2023): Na figura acima se verifica os tempos da simulação em segundos (0 segundos, 120 segundos, 330 segundos, 600 segundos, 1200 segundos, 1800 segundos e final da simulação aos 2400 segundos), todos relacionados com a evolução, em partes por milhão do Monóxido de Carbono-CO, existente na camada de fumaça do incêndio simulado. Com a simulação foi demonstrado que não existe perigo de agressão para a população usuária, durante o tempo da simulação registrado.

k) Evolução da visibilidade na simulação em CFD

Para a simulação desenvolvida, foram considerados critérios de legislação estadual do Corpo de Bombeiros local. A fórmula que determina o crescimento das curvas de incêndio utilizado está lastreada na curva de crescimento de incêndio “t2 - t quadrado”, bem como foi adotada a taxa de liberação de calor (HRR) de 8MW (Tabela 10, da IT-15, Parte 5 (tamanho de incêndio 4,0m x 4,0m), com aTabela 11, que trata da taxa de liberação de calor, além do tipo de incêndio “instável”, observando que se trata de edificação com o uso de “Local de reunião de público” Tais tabelas constam da figura 58, sendo que todos estes critérios são citados na IT-15, do Corpo de Bombeiros de São Paulo.

Nota:

l) Considerações

Um dos trabalhos de grande utilidade do CFD na segurança contra incêndio está relacionado com a proteção à vida, podendo ser utilizado para a avaliação do crescimento e espalhamento da fumaça e calor nos incêndios. Neste viés a simulação contribui também para a segurança contra incêndio para as edificações de maneira global, uma vez que antecipa informações relevantes para a correta decisão de Engenheiros eArquitetos.

Cabe ressaltar que a simulação em CFD somente deve ser realizada por pessoal capacitado, por ser um trabalho especializado e que se utiliza de softwares sofisticados (como mostrado na Figura 52) que garantem a construção da malha que sustenta o cenário pretendido.

O CFD pode identificar se o calor do incêndio pode afetar a estrutura construída, pode estimar o tempo de abandono das pessoas (comparando-se oASET –“Available Safe Egress Time” obtido peloCFD, comparando-secom oRSET- “Required Safe Egress Time”), pode confirmar a eficiência ou não de determinado sistema de proteção contra incêndio.

O CFD pode estabelecer novas posições do sistema de iluminação de emergência e da sinalização de emergência, por conta da validação da altura da camada de fumaça.

No sistema de detecção de incêndio pode estabelecer o tempo de sua ativação por conta do obscurecimento e se forem detectores de temperatura, confirmar o RTI (ResponseTime Index), o número de possibilidades somente aumenta a cada simulação.

Figura 58- Tabelas da IT-15, Parte 5: Tabela 10 - Dimensão do incêndio, Tabela 11 - Taxa de liberação de calor

O CFD promove valiosas informações que podem ser utilizadas pelos projetistas dos sistemas de proteção contra incêndio de maneira mais assertiva, além de poder apresentar nova perspectiva, de análise e validação, para representantes dos Corpos de Bombeiros. Identificar onde é necessário aumentar o nível da compartimentação e onde tal necessidadepodeser descartada, além de definir melhor oTRRF para toda uma edificação. Outra vantagem é que a simulação pode ser realizada para cada uma das alterações e interações entre os diversos sistemas de proteção contra incêndio. Ou seja, se durante a simulação, segundo a segundo, for identificado que o calor ou a fumaça pode prejudicar o abandono ou a ativação de algum dispositivo de proteção contra incêndio, a simulação pode ser paralisada e os valores e resultados até aquele momento podem ser discutidos com o empreendedor e seu time de profissionais projetistas. Estas valiosas informações economizam custos e evitam erros que, se identificados após a instalação, seriam catastróficos.

Assim sendo, o CFD promove a eficiência das soluções da Engenharia e da Arquitetura a ser empregada, bem como pode medir qual o seu impacto na segurança global contra incêndio. Logicamente, muitas vezes os regramentos legais poderão ser confrontados pelos resultados da simulação em CFD, mas isso faz parte da evolução da Engenharia, daArquitetura e das próprias Instituições.

Todos serão impactados pelos resultados desta nova tecnologia que somente aumenta sua aplicação em todo o mundo.

Outros exemplos que se pode citar de empreendimentos ou instituições que já se beneficiaram ou poderão se beneficiar da utilização do CFD:

• Empreendimento hospitalar, cujo átrio, por meio da simulação em CFD, permitiu a não instalação do sistema de sprinklers, uma vez que ficou comprovado, em simulação em CFD, que a temperatura máxima, pela movimentação da fumaça e calor de incêndio, no topo deste átrio, seria de cerca de 48ºC, temperatura muito inferior à temperatura de ativação de um bico de sprinkler.

• Em outro hospital, constatou-se a impossibilidade da instalação do sistema de controle da movimentação da fumaça e calor, pela falta de espaço para todos os dutos horizontais de extração da fumaça. Com a utilização do CFD, por meio do estudo de gradiente de pressão, será possível eliminar os dutos horizontais, mantendo-se os verticais (dutos verticais para garantir a extração e entrada de ar nos pavimentos), bem como a criação de áreas de refúgio em todos os andares. Além de viabilizar o sistema de controle da movimentação da fumaça e

calor, e diminuir os custos de sua implantação, o estudo em CFD irá prever: o tempo de deslocamento dos pacientes entre as áreas no pavimento, a quantidade de fumaça gerada, podendo verificar a possibilidade das portas, nas rotas de fuga, serem abertas com tais gradientes de pressão, avaliando, também, se nas áreas de refúgio, a população deslocada estará segura, através do conceito do “tenability”;

• Instituições poderão questionar regulamentos e normas da ABNT, como forma de melhorar a “performance” das soluções de proteção contra incêndio, além de melhorar os custos e tempo de execução para grupos de edificações e riscos; e

• Utilização como ferramenta para análise de riscos e validação de perícias de incêndios;

• Validações de critérios e de soluções de proteção contra incêndio, utilizadas nas normas internacionais, também estão sendo realizadas com o uso do CFD.

Estes são alguns exemplos, os quais poderão alavancar a indústria da construção no Brasil, uma vez que a simulação com CFD identifica e antecipa possíveis problemas e até valida critérios com base na performance, diminuindo custos, diferente dos critérios somente baseados em requisitos, adotado por legislações estatais e até mesmo normas de referência.

A ferramenta do CFD tem o poder de melhorar a segurança contra incêndio no Brasil, mudando a forma como os empreendedores interagem, entendem e resolvem os problemas com Engenheiros eArquitetos.

Cabe reforçar que somente profissionais capacitados devem se utilizar desta ferramenta, com o risco de os resultados não serem entendidos, desperdiçando tempo, dinheiro e colocando em risco a validação do estudo.

Certo é, que os resultados do “Design Based on Performance com o CFD” são extremamente sofisticados e começam a ajudar na tomada de decisões para as Engenharia eArquitetura no Brasil.