Introdução
No campo da engenharia de incêndios, o coeficiente de extinção (E_COEFFICIENT) desempenha um papel fundamental para simular adequadamente a ação refrigerante e extintora dos sprinklers automáticos quando se inclui a água descarregada em ferramentas de dinâmica computacional de fluidos (CFD), como o FDS, e a curva do fogo não se define “a priori” mas sim o fogo se propaga por temperatura de ignição.
Neste artigo, continuação do publicado como Parte 1, comparam-se simulações com ensaios de fogo reais (FM Global) em armazenamento em estantes de 3 e 5 alturas, catalogado como “Categoria II” (caixas de cartão sobre paletes de madeira).
Além disso, compara-se também a precisão do FDS face a um modelo de duas zonas (CFAST) para avaliar o comportamento do fogo em cenários de armazenamento com proteção por sprinklers.
O objetivo é demonstrar a validade de incorporar o coeficiente de extinção na modelagem 3D, e como isto aproxima a evolução do incêndio aos resultados reais: obtém-se a mesma potência calorífica máxima (em MW), o mesmo número de sprinklers ativados e uma curva de fogo com uma fase de crescimento, controlo e extinção muito similares aos ensaios.
Modelar a curva de fogo com sprinklers e água descarregada
Por que usar um coeficiente de extinção?
O coeficiente de extinção (E) modifica a potência calorífica do incêndio em função da densidade de água que chega à superfície combustível. Estudos clássicos de Yu, Lee e Kung demonstram como a aplicação de água pode reduzir a energia libertada durante o processo de combustão em armazenamentos de alta densidade.
Conceito-chave: O coeficiente de extinção permite simular a interação entre a água descarregada pelos sprinklers e a superfície em combustão, reproduzindo fielmente a redução de potência observada em ensaios reais.
Características do cenário e densidades
Os ensaios realizaram-se nas instalações da FM Global para armazenamento em 3 e 5 alturas com sprinklers K160 (1,31 bar de pressão, 183 L/min por sprinkler, equivalente a 20 mm/min). Nos testes reais, sem água, alcançaram-se potências máximas de 25 MW (3 alturas) e 47 MW (5 alturas), enquanto com o aporte dos sprinklers os valores reduziram-se a 4 MW e 13 MW, respetivamente.
Nas simulações FDS, introduziu-se a propagação do fogo por temperatura de ignição (350 °C), atribuindo uma potência calorífica unitária por área de acordo com a mercadoria (250 kW/m² para Categoria II). E incluiu-se o coeficiente de extinção baseado na superfície real exposta da carga.
Comparação de resultados
Efeito da ventilação e contorno
Simularam-se três configurações diferentes para avaliar o impacto das condições de contorno na evolução do incêndio:
- Recinto quase fechado (apenas um portão de entrada).
- Cortina perimetral de 1 m sob o teto (saída parcial de fumos).
- Sem restrições (abertura total para a saída de fumos).
Os resultados mostram que, quanto maior é a extração de fumos, menor é a acumulação de calor no recinto e menos sprinklers se ativam. Com espaços muito fechados, a curva de potência apresenta picos mais altos e ativam-se mais sprinklers. As melhores correlações com os ensaios reais obtêm-se deixando sair os fumos de forma uniforme, tal como ocorreu na FM (grande recinto com saída superior).
Importância da ventilação: A configuração das aberturas e sistemas de evacuação de fumos influencia diretamente a temperatura ambiente do recinto, afetando o número de sprinklers que se ativam e a evolução da potência do incêndio.
Ajuste com ensaios de 3 e 5 alturas
A comparação entre as simulações e os ensaios experimentais apresenta resultados notavelmente precisos:
- Sem água, a simulação alcançou ~22-25 MW para 3 alturas e ~52 MW para 5 alturas, coincidindo bem com a curva dos ensaios (25 MW e 47 MW).
- Com água, a simulação apresentou ~6 MW (3 alturas) e ~15 MW (5 alturas), também muito próximo aos ensaios reais (4 MW e 13 MW).
- Número de sprinklers ativados: no caso de 5 alturas, o FDS previu 15 sprinklers abertos, e nas experiências foram 13 e 15 em dois ensaios distintos.
Estes resultados demonstram que a modelagem CFD com coeficiente de extinção calibrado reproduz com alta fidelidade tanto a potência máxima alcançada como o número de dispositivos ativados, validando a sua aplicabilidade em projetos de engenharia de proteção contra incêndios.
Limitações do modelo de duas zonas (CFAST)
Para contrastar a precisão da modelagem tridimensional, utilizou-se o CFAST aplicando a supressão com a densidade de água em planta. Em riscos de armazenamento alto, o modelo de duas zonas apresenta limitações importantes:
- Após o primeiro sprinkler, o fogo desce bruscamente, sem seguir a fase de crescimento adicional observada na realidade.
- Obtêm-se potências máximas de 1-3 MW, muito inferiores aos 14 MW medidos nos ensaios experimentais.
Isto mostra que o CFAST simplifica em excesso a ação progressiva de múltiplos sprinklers, subestimando a potência de incêndios em alturas. O FDS, por seu lado, com um coeficiente de extinção superficial e a modelagem do fogo por propagação em superfícies em 3D, sim reflete o comportamento real da combustão e da extinção.
Limitações dos modelos de zona: Os modelos simplificados como o CFAST são úteis para avaliações preliminares em cenários de risco ordinário, mas não captam adequadamente a complexidade da supressão por sprinklers em armazenamentos de grande altura onde a propagação vertical é crítica.
Conclusões
- Fiabilidade do coeficiente de extinção: Aplicar os valores de Yu, Lee, Kung para a categoria de armazenamento e densidade de água (20 mm/min) permite replicar com notável exatidão a curva de fogo (potência vs. tempo) e o número de sprinklers ativados.
- Influência da ventilação: Um recinto muito fechado tende a elevar a potência e o número de sprinklers ativados. Permitir a saída de fumos (como nos ensaios FM) produz uma correlação quase idêntica às provas reais.
- Modelo de duas zonas: É útil para cenários de risco baixo ou ordinário, mas não capta o crescimento nem a supressão realistas em fogos de grande altura ou armazenamento complexo.
- Aplicações práticas: Estes resultados podem extrapolar-se ao projeto prestacional de grandes armazéns, justificando o uso do coeficiente de extinção com FDS para demonstrar a eficácia dos sistemas de sprinklers automáticos.
Em definitivo, as simulações CFD com água e coeficiente de extinção, calibradas para a categoria de mercadoria, configuram-se como uma ferramenta fiável para prognosticar o controlo e a extinção de incêndios em racks de 3 e 5 alturas, reforçando a validade desta abordagem face aos ensaios em grande escala.
Bibliografia resumida
- “Validação do coeficiente de extinção ao modelar o fogo com sprinklers automáticos — Parte 1”, 2024.
- Yu, Lee, Kung (1994). Suppression of Rack-Storage Fires by Water.
- Ren et al. (2017). “Large-Scale Fire Suppression Modeling of Corrugated Cardboard Boxes on Wood Pallets…” FM Global.
- Madrzykowski & Vettori (1992). A Sprinkler Fire Suppression Algorithm for the GSA Engineering Fire Assessment System. NISTIR 4833.
- Evans (1993). Sprinkler Fire Suppression Algorithm for HAZARD. NISTIR 5254.
- UNE EN 12845 (2021). Sistemas fixos de combate a incêndios – Sistemas de sprinklers automáticos.
- FM 8-9 (2022). Storage of Class 1, 2, 3, 4 and Plastic Commodities.
