Na proteção contra incêndio industrial, um dos aspetos mais complexos é a interação entre o incêndio e os sprinklers automáticos quando se simula a descarga de água em programas CFD como o Fire Dynamics Simulator (FDS) do NIST.
Este artigo, continuação dos trabalhos anteriores (Partes 1 e 2), analisa um ensaio da FM com paletes de plástico empilhados no chão e demonstra como a metodologia do «coeficiente de extinção» (E_COEFFICIENT) permite reproduzir com grande fidelidade o comportamento real do incêndio em cenários de armazenamento.
1. O desafio da validação em FDS
- Objetivo: comparar os resultados do FDS (com água descarregada e um coeficiente de extinção bem ajustado) face a um ensaio real da FM em que foram queimados paletes de plástico sob um teto a 9 m de altura, com sprinklers K160 de 74 °C a apenas 0,5 bar de pressão.
- Ensaio real: devido à baixa densidade de descarga (cerca de 12,5 mm/min), os sprinklers não controlaram o incêndio, que chegou a ativar todos os cabeçotes. Contudo, não se propagou a outras mercadorias graças aos corredores de 2,4 m.
2. O método do coeficiente de extinção
- E_COEFFICIENT: baseado nos resultados experimentais de Yu, Lee e Kung, relaciona a densidade de água (em kg/(m²·s)) com a taxa de decaimento do incêndio.
- Superfícies 3D: é fundamental utilizar o coeficiente de extinção «superficial» para considerar o arrefecimento/penetração da água na geometria real da carga empilhada, conforme recomendado nas Partes 1 e 2.
- Potência calorífica por unidade de superfície: para «plásticos não expandidos expostos» (UUP), confirma-se um valor próximo de 500 kW/m², o que justifica a grande intensidade do incêndio.
Conselho de especialista: na nossa experiência no dimensionamento de sistemas de sprinklers para armazéns de mercadorias plásticas, o ajuste do E_COEFFICIENT à categoria real do combustível — em vez de usar um valor genérico — faz a diferença entre uma simulação fiável e uma que subestima gravemente a potência do incêndio. Verificámos que os valores experimentais de Yu, Lee e Kung, combinados com superfícies 3D, reproduzem com grande precisão os ensaios reais de laboratório.
3. Cenário e resultados da simulação
As condições reproduzidas em FDS refletem fielmente o cenário do ensaio original da FM:
- Teto sem fecho lateral: modela-se a ausência de paredes, tal como no ensaio, para não sobrestimar a acumulação de fumos.
- Sprinklers K160 a 0,5 bar: cada sprinkler descarrega 113 l/min, equivalente a 12,5 mm/min distribuídos por 9 m² por sprinkler.
- Células de 0,25 m na malha de simulação.
Conclusão principal: o incêndio não foi controlado com essa densidade de 12,5 mm/min — o mesmo resultado do ensaio —, atingindo potências de até 25–35 MW e ativando todos os sprinklers.
Comparação com normas
A densidade de descarga adequada para cenários de armazenamento de plásticos está estabelecida nas principais normas internacionais:
- NFPA 13 e EN 12845 (Anexo G.5) recomendam para paletes de plástico expostos à altura deste ensaio: ≥24–25 mm/min e áreas de operação entre 185–300 m².
- FM 8-9 chega a exigir 33,3 mm/min (caudal muito superior), mas contempla alturas de armazenamento maiores do que as do ensaio.
A simulação em FDS com essas densidades superiores consegue a extinção, ativando um número de sprinklers dentro da área de dimensionamento. Isto é consistente com as tabelas de dimensionamento de sprinklers e confirma a validade do método de simulação.
Dado-chave: com a densidade do ensaio (12,5 mm/min), o sistema não controla o incêndio. Com a densidade exigida por normas como a FM 8-9, a NFPA 13 ou a EN 12845, o incêndio é extinto. A diferença entre um dimensionamento prescritivo correto e um deficiente pode significar a ativação massiva de todo o sistema de sprinklers.
4. Pontos de destaque
- Correspondência com um incêndio real: à mesma densidade de descarga do ensaio, o resultado do FDS coincide: todo o sistema é ativado e o incêndio não é controlado.
- Densidades normativas: normas como a NFPA 13, FM 8-9 ou EN 12845 (G.5) estabelecem caudais mais elevados. As simulações com esses valores preveem a extinção ou controlo.
- Relevância do E_COEFFICIENT: a metodologia de Yu, Lee e Kung revela-se novamente robusta. Ao ajustar o seu valor em função da densidade de água e da categoria de combustível (plástico vs. celulósico), o FDS reproduz fielmente a evolução do incêndio.
- Monitorização do número de sprinklers ativos: quanto maior a potência calorífica (p. ex., 500 kW/m² face a 400 kW/m²), mais cabeçotes são ativados, o que demonstra que considerar apenas o «primeiro sprinkler» é insuficiente para determinar o pico do incêndio.
5. Conclusões finais
- Validação bem-sucedida: o coeficiente de extinção aplicado à modelação CFD correlaciona excelentemente com ensaios reais e com os requisitos prescritivos de densidades de água para diferentes riscos de armazenamento.
- Importância nos cenários de armazenamento: alguns dimensionamentos simplificados (que assumem o controlo do incêndio com o primeiro sprinkler) podem subestimar a potência final do incêndio. Este caso demonstra que em incêndios com plásticos expostos se podem atingir potências muito elevadas e a ativação massiva de sprinklers.
- Aplicação prática: para dimensionar corretamente um sistema de sprinklers — ou validar projetos prestacionais —, é crucial identificar a categoria real do material, a sua potência calorífica e a densidade mínima adequada.
Em síntese, este trabalho confirma a validade do método prestacional baseado no coeficiente de extinção e sublinha a necessidade de utilizar densidades de dimensionamento coerentes com as normas para controlar eficazmente incêndios em mercadorias plásticas. Quem pretender aprofundar os detalhes das simulações e equações aplicadas pode consultar o documento completo e as referências citadas.
Referências principais
- Validação do coeficiente de extinção ao modelar o incêndio com sprinklers automáticos – Parte 1, 2024
- Validação do coeficiente de extinção ao modelar o incêndio com sprinklers automáticos – Parte 2, 2024
- EN 12845:2021, «Sistemas automáticos de sprinklers»
- NFPA 13:2022, «Standard for the Installation of Sprinkler Systems»
- FM 8-9:2022, «Storage of Class 1, 2, 3, 4 and Plastic Commodities»
Perguntas Frequentes
O que é o coeficiente de extinção (E_COEFFICIENT) nas simulações FDS com sprinklers?
O E_COEFFICIENT é um parâmetro do programa Fire Dynamics Simulator (FDS) que modela a extinção do incêndio pela água. Baseado nos trabalhos experimentais de Yu, Lee e Kung, relaciona a densidade de água aplicada (em kg/(m²·s)) com a taxa de decaimento da potência calorífica do incêndio. A sua correta calibração em função do tipo de combustível é essencial para obter simulações realistas.
Como se valida uma simulação CFD de incêndio face a um ensaio real?
A validação consiste em reproduzir no FDS as mesmas condições do ensaio real: tipo de combustível, geometria do armazenamento, características dos sprinklers (fator K, temperatura de ativação, pressão) e densidade de descarga. Se os resultados da simulação (potência máxima atingida, número de sprinklers ativados, controlo ou não do incêndio) coincidirem com os do ensaio real, a metodologia e os parâmetros utilizados consideram-se validados.
Que densidade de descarga exige a NFPA 13 para armazenamento de paletes de plástico?
Para paletes de plástico expostos a alturas semelhantes às do ensaio analisado (até 2 m de altura de empilhamento, teto a 9 m), a NFPA 13 e a EN 12845 (Anexo G.5) recomendam densidades de descarga de pelo menos 24–25 mm/min, com áreas de operação entre 185 e 300 m². A norma FM 8-9 pode exigir até 33,3 mm/min para alturas de armazenamento superiores.
Por que um sistema de sprinklers com baixa densidade de descarga pode falhar perante um incêndio de plásticos?
Os plásticos não expandidos expostos (UUP) apresentam uma potência calorífica por unidade de superfície de aproximadamente 500 kW/m², muito superior à dos materiais celulósicos. Com densidades baixas (como os 12,5 mm/min do ensaio), a água descarregada é insuficiente para arrefecer a carga e reduzir a taxa de libertação de calor, pelo que o incêndio continua a crescer e ativa todos os sprinklers sem conseguir o controlo.
Quando se considera que uma simulação FDS com sprinklers é válida para o dimensionamento prestacional?
Uma simulação FDS é válida para o dimensionamento prestacional de sistemas de sprinklers quando reproduz fielmente os resultados de ensaios reais de referência: o mesmo resultado de ativação ou não do sistema, potências caloríficas coerentes e um número de sprinklers ativados dentro da área de dimensionamento normativa. Quando a simulação com a densidade normativa (p. ex., 24–25 mm/min para plásticos) consegue a extinção e a de menor densidade não, confirma-se que o modelo está corretamente calibrado e pode ser utilizado para validar projetos.
