seguranÇa contra incÊndios - ul.com · aplicação de alta potência, existem preocupações...

• CARREGAMENTOSEMFIODEVEÍCULOSELÉTRICOS• PREVISÃOESTATÍSTICADEARCOSELÉTRICOS• MODELAGEMCOMPUTACIONALAVANÇADA• NOVASDINÂMICASDEINCÊNDIOSEMPORÕES

UL.COM/NEWSCIENCE-BRAZIL

2EDIÇÃONEW SCIENCE

SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIOSREVISTA

http://ul.com/newscience

NOVOS DESAFIOS PEDEM POR NEW SCIENCE

O progresso é uma força transformadora e não para jamais. Asnovastecnologias,osavançosdeprodutoseaglobalizaçãoestãochegandoumapósooutroemumritmovertiginoso.Ainovaçãonostornamaiseficientes,maisprodutivosemaisconectados.Porém,existeumcusto,eessecustoéorisco.Paraajudaramitigarosriscosemergentes,aULestádesenvolvendoaNewScience.Atravésdedescobertas,metodologiaseequipamentosdeteste,procedimentos,softwareenormasfundamentais,aULestácriandonovaseimportantesmaneirasdetornaromundoumlugarmaisseguro.

NEW SCIENCE: FIRE SAFETY 3

A equipe dedicada de cientistas, engenheiros e pesquisadores da UL está desenvolvendo a New Science de várias maneiras. A partir de experiências ao vivo de modelagem computacional e análise estatística para quantificação de risco, estamos constantemente buscando melhorar produtos, técnicas, metodologias, processos e normas.

SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIO PANORAMA

CARREGAMENTO SEM FIO DE VEÍCULOS ELÉTRICOS, P.4

PREVISÃO ESTATÍSTICA DE ARCOS ELÉTRICOS, P.7

MODELAGEM COMPUTACIONAL AVANÇADA, P.13

NOVAS DINÂMICAS DE INCÊNDIOS EM PORÕES, P.18

A UL foi pioneira de uma metodologia para testar carregadores wireless para veículos elétricos. Tirando proveito de nosso conhecimento técnico e recursos de engenharia avançados, criamos novas técnicas de modelagem computacional para medir a segurança, a compatibilidade e a eficiência.

Os engenheiros da UL estão realizando pesquisas e usando uma modelagem preditiva para ajudar a quantificar os riscos e os padrões avançados relacionados aos arcos elétricos. Exibimos uma ampla gama de atualizações de iniciativas de pesquisa relacionadas ao arco.

A UL está usando modelos computacionais sofisticados para entender e prever como os diferentes materiais se comportam em situações específicas. Concentramo-nos no comportamento e na resposta estrutural de portas corta-fogo de aço e vigas de madeira em um ambiente de incêndio.

Os incêndios em porões estão entre os mais desafiadores e perigosos. A UL desempenha um papel crítico na análise dos riscos associados aos vários tipos de sistemas de pisos residenciais para compreender melhor esse tópico importante.

CARREGAMENTO SEM FIO DE VEÍCULOS ELÉTRICOS

PREVISÃOESTATÍSTICADEARCOSELÉTRICOS

MODELAGEMCOMPUTACIONALAVANÇADA

NOVASDINÂMICASDEINCÊNDIOSEMPORÕES

REVISTA SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIOS EDIÇÃO 2 / CARREGAMENTO SEM FIO DE VEÍCULOS ELÉTRICOSTRIC VEHICLES 5

A UL é uma das pioneiras no desenvolvimento e na utilização de novas metodologias para testar a segurança de carregadores sem fio para veículos elétricos. Utilizando nossos conhecimentos técnicos e recursos de engenharia avançados, criamos técnicas de modelagem computacional que se concentram em segurança, compatibilidade e eficiência.3 A modelagem computacional tem menor custo que os testes físicos, menos limitações e, o que é mais importante, nos permite fazer mais considerações e examinar mais variáveis e fatores.

Nossos métodos de pesquisa têm demonstrado através de simulação as variações na distribuição de campo e a eficiência da diversificação de condições de alinhamento das bases de carregamento sem fio primária e secundária em um sistema de carregamento sem fio de VEs. Além disso, quando os caminhos do carregador estão desalinhados, o perigo também aumenta potencialmente, o que é notado sob a forma de níveis de radiação elevados. As técnicas de modelagem também podem ajudar a lidar com as condições de compatibilidade entre a base de carregamento primária (localizada na infraestrutura) e a secundária (localizada no veículo). A compatibilidade entre as duas bases é necessária para que o sistema funcione com segurança e mantenha a eficiência de carregamento.

Até 2015, poderá haver até 1 milhão de veículos movidos a energia elétrica e mais de 20 modelos diferentes de VEs disponíveis para venda nos EUA.1 Estima-se que as vendas de sistemas de carregamento sem fio para veículos elétricos poderá ultrapassar 280 mil unidades até 2020.2 O crescimento do número de veículos movidos à energia elétrica exigirá o desenvolvimento de muitas novas ofertas, apresentando oportunidades significativas para os fabricantes de automóveis, bem como para os fabricantes de sistemas de energia utilizados para construir e alimentar essas frotas. Uma área importante de concentração é a implantação de uma infraestrutura para alimentar essa geração de veículos de alta tecnologia, incluindo os carregadores sem fio.

CONTEXTO

O QUE FEZ A UL?

A UL criou técnicas de modelagem computacional que se concentram na segurança, na compatibilidade e na eficiência do carregamento sem fio de VEs.

POR QUE O CARREGAMENTO SEM FIO DE VEÍCULOS ELÉTRICOS É IMPORTANTE?Levando em conta que o carregamento sem fio de veículos elétricos (VEs) é uma aplicação de alta potência, existem preocupações sobre os riscos relacionados ao corpo humano, ao ambiente e às propriedades. A pesquisa da UL está ajudando a mitigar as questões de segurança desenvolvendo maneiras de determinar empiricamente e prever situações de risco relacionadas com carregadores sem fio de VEs.

We are using computational modeling to determine the safety impact of the wirelesscharging zone. The charging zone is located between the primary and secondarypads. When the charging system is running, power is high in this concentrated area.UL is able to model a variety of potential scenarios. For example, what happens if analuminum soda can accidentally enters the charging zone? Our advanced tools enableus to predict how hot those objects can get, the varying levels of radiation and underwhich conditions a fire may break out.4

6

IMPACTOA pesquisa de simulação da UL está ajudando a melhorar o conhecimento sobre questões críticas para a segurança e o desempenho de carregadores sem fio para veículos elétricos. Devido à grande área de exposição ao campo eletromagnético entre o carro e a bobina/base principal e à alta energia elétrica envolvida nessa aplicação, é fundamental que a segurança do produto seja cuidadosamente avaliada para riscos de choque elétrico, de níveis de exposição ao campo eletromagnético e de incêndio. Nossos esforços contínuos para investigar a ciência de campos magnéticos próximos para sistemas de carregamento sem fio de VEs vão ajudar a construir um futuro mais seguro.

A avaliação da UL dos campos magnéticos próximos de sistemas de carregamento sem fio de VEs está ajudando informar e a melhorar o desenvolvimento de normas.

REVISTA SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIOS EDIÇÃO 2 / CARREGAMENTO SEM FIO DE VEÍCULOS ELÉTRICOSTRIC VEHICLES

CARREGAMENTOSEMFIODEVEÍCULOSELÉTRICOS

PREVISÃO ESTATÍSTICA DE ARCOS ELÉTRICOS



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A UL tem o objetivo de, em longo prazo, fazer avançar os conhecimentos fundamentais relacionados à formação do arco elétrico através do desenvolvimento de pesquisas, novas abordagens e normas. Recentemente, concentramo-nos na aplicação de métodos estatísticos a nosso trabalho. Algumas áreas importantes desta New Science incluem:

• O uso de dados paramétricos de grandes conjuntos de dados sobre o arco para construir modelos estatísticos que caracterizem a formação do comportamento de arco.

A segurança contra incêndios de origem elétrica continua a ser uma preocupação, e o arco elétrico é uma causa comum de incêndios em residências. Mesmo que os disjuntores funcionem como deveriam, o arco elétrico ainda pode ocorrer.

De 2005 a 2009, incêndios residenciais de origem elétrica representaram 13% do total de incêndios em estrutura residenciais, 17% das mortes de civis associadas, 11% dos ferimentos de civis associados e 21% dos danos diretos à propriedade associados.7 De 2005 a 2009, incêndios residenciais de origem elétrica representaram 13% do total de incêndios em estrutura residenciais, 17% das mortes de civis associadas, 11% dos ferimentos de civis associados e 21% dos danos diretos à propriedade associados.7 A fiação elétrica das residências pode ser danificada por uma série de ocorrências comuns durante a instalação ou após. Estas incluem o excesso de grampeamento, esmagamento, flexão, penetração por meio de parafusos e pregos e danos causados por roedores e insetos. Temperaturas e umidade elevadas também podem afetar os cabos adversamente ao longo do tempo, o que pode levar à formação de falhas de arco e à ignição de combustíveis nas proximidades.

Por essas razões importantes, a UL está investindo seus conhecimentos no sentido de ajudar a entender melhor e evitar incêndios e danos devido à formação do arco elétrico, o qual definimos como uma carga luminosa de energia elétrica através de um meio isolante, geralmente acompanhada pela volatilização parcial do eletrodo.8

CONTEXTO

O QUE FEZ A UL?

Electrical fires represented 13 percent of total home structure fires.7

POR QUE A PREVISÃO ESTATÍSTICA DO ARCO ELÉTRICO É IMPORTANTE?Protection Association (NFPA), cerca de 44.800 incêndios em estruturas residenciais relatados ao corpo de bombeiros dos EUA em 2009 envolveram algum tipo de falha elétrica ou mau funcionamento como um fator que contribuiu para a ignição. Esses incêndios resultaram em 472 mortes de civis, 1.500 civis feridos e 1,6 bilhões de dólares em danos diretos à propriedade.5 Cerca de 57% desses incêndios se originaram na fiação e em equipamentos relacionados.6 A UL está trabalhando nessa área para evitar a perda de vidas e de propriedade. Estamos usando nossos dados para quantificar os riscos, informar os códigos e ajudar a estabelecer as normas.

REVISTA SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIOS EDIÇÃO 2 / PREVISÃO ESTATÍSTICA DE ARCOS ELÉTRICOS

• Identificação da distribuição de probabilidade log-normal como o modelo estatístico importante para corrente de pico e outros parâmetros de arco

• Identificação da importância da liberação total de energia do arco como um indicador primário de ignição do material.

• Caracterização de comprimentos de eventos de arco esperados com base nas condições de teste.

Figura 1. Distribuição de corrente de pico para o caminho carbonizado do arco. A corrente de pico é normalizada com relação à corrente de curto-circuito

PARAMETRIZAÇÃO E ANÁLISE ESTATÍSTICA DE DADOS DE ARCO

A UL foi pioneira em uma abordagem importante que envolve o uso de dados com parâmetros extraídos a partir conjuntos de dados de arco com grandes dimensões (> 100.000), os quais são então analisados utilizando uma variedade de métodos estatísticos. As análises da UL têm demonstrado que os eventos de arco normalmente seguem padrões estatisticamente compreensíveis, que podem ser modelados e usados para prever resultados probabilísticos. Essa informação tem sido particularmente útil para prever a distribuição de sistemas reais, como a corrente de arco esperada em um circuito de uma extensão residencial, com comprimento e tamanho do fio conhecidos.9

A abordagem envolve a quebra de eventos de arco em pequenas unidades (por exemplo, um único meio ciclo de arco ao analisar o arco de CA residencial) e a posterior extração de parâmetros numéricos individuais de cada uma dessas unidades. Esses parâmetros são então indexados a uma variedade de condições ambientais de teste. Esse conjunto de dados é então analisado para se obter ideias sobre o comportamento do arco através do uso de ferramentas estatísticas.10

9

FREQ

UÊN

CIA

CORRENTE DE PICO NORMALIZADA


Esse método foi aplicado à análise da corrente de pico do arco, do ângulo e da tensão das fases de ataque e parada e da energia do arco. Por exemplo, uma avaliação da corrente de pico do arco mostrou que a função de distribuição de probabilidade (PDF) desses dados é descrita por uma função log-normal, com o valor médio geralmente de 75 a 80% da corrente de curto-circuito. É importante ressaltar que essa relação é verdadeira independentemente da magnitude da corrente de curto-circuito (se estiver ocorrendo a formação de arco a 5 A ou a 500 A, com arco em série ou em paralelo, com caminho carbonizado ou com ponto de contato de arco).

DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA DO ARCO E LIMIAR DE IGNIÇÃO

A UL determinou que a quantidade de energia necessária para inflamar um cabo não metálico (NM) foi caracterizada ao presumir que a “ignição” foi alcançada quando houve descoloração ou carbonização observável presente no cabo NM. Os dados determinaram que o limite para inflamar um cabo NM através do arco é de aproximadamente 2 kJ.11

Figura 2. Ajustes cumulativos da função de distribuição cumulativa (esquerda) vindos da comparação de dados de amostras mostrando ignição com os daquelas que não a mostram. Os números mostram as coordenadas para 5% de probabilidade de ignição e para o ponto onde as funções de distribuição cumulativas se entrecruzam

10REVISTA SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIOS EDIÇÃO 2 / PREVISÃO ESTATÍSTICA DE ARCOS ELÉTRICOS

PORC

ENTA

GEM

ENERGIA TOTAL DO ARCO (J)

11

É importante ressalvar que o uso da liberação de energia na previsão da ignição de materiais foi aplicado na definição dos critérios de aprovação/reprovação para a norma UL 1699B, onde foi determinado através de testes que existe uma probabilidade de 5% de incêndio de um conector fotovoltaico de 1/16 de polegada quando são liberados 750 J.12 Isso demonstra outro valor de nosso trabalho na New Science. Conseguimos usar os dados para determinar e definir critérios objetivos de teste, permitindo que os padrões sejam baseados cientificamente.

A pesquisa da UL indica que os sistemas de CC e CA mostram que a energia não é uma variável significativa com relação à ignição na maioria das situações de arco de curta duração, o que sugere que a perda térmica por convecção ou condução não é significativa para os eventos de arco em questão.

COMPRIMENTO DO EVENTO DE ARCO

A UL descobriu que o comprimento total de um evento de arco é dependente da corrente do arco, bem como do tipo e da medição do cabo utilizado.13 O evento de arco tende a ser mais curto com as correntes mais altas do com as mais baixas. Os eventos de arco também tendem a ser mais longos quando um condutor sólido é utilizado, em comparação com os condutores normais, que resultam em eventos de arco mais curtos.14 Embora essas observações possam ter sido percebidas antes, o trabalho da UL quantificou os efeitos de filamentação e da corrente do arco no comprimento do evento de arco.

A UL tem demonstrado através de pesquisas e análises que, se há a probabilidade contínua de formação de arco em um determinado ponto no tempo após os eventos de arco começarem, ela pode ser caracterizada por uma função exponencial decrescente. Figure 3. Plot of the Probability of Arcing With Respect to Time and Short-Circuit Current.Time Zero Equals the Start of the Arcing Event

0

1

1 10 100

100A200A300A

1000

0.2

0.4

0.6

0.8

PRO

BABI

LIDA

DE

DE

ARCO

NÚMERO DE MEIO CICLO


12

O compromisso da UL para segurança contra incêndios é de longa data, e, enquanto sua associação histórica com fogos não é nova, a abordagem estatística da UL é. Nossa metodologia inovadora nos permitiu prever o comportamento do arco, a liberação de energia esperada, a incidência de incêndio e outras áreas onde estamos em melhores condições para evitar a incidência de arco e proteger moradores e bombeiros. Desenvolvemos ferramentas padronizadas e métodos de análise e acumulamos conhecimentos que nos permitem resolver problemas de forma mais eficaz e eficiente. Além disso, nossa experiência e nossos conhecimentos baseados em pesquisa nos permitiram colaborar com a National Electrical Manufacturers Association (NEMA) a fim de oferecer um programa online gratuito projetado para ensinar formas eficazes e seguras de instalação e solução de problemas com interruptores de circuito de falha de arco (AFCIs). A UL também está trabalhando com o National Electric Code Panel, IEEE e NFPA, usando a ciência para promover a compreensão e a prevenção de arcos elétricos ainda mais.

IMPACTO

A metodologia inovadora da UL nos permitiu prever o comportamento do arco, a liberação de energia esperada e a incidência de incêndios.

CARACTERÍSTICAS ÚNICAS DO CAMINHO CARBONIZADO E DO PONTO DE CONTATO DO ARCO A pesquisa da UL de 2010 sugeriu que o caminho carbonizado e o ponto de contato do arco são significativamente diferentes somente através de uma mudança na tensão de ataque. O caminho carbonizado mostra tensões de ataque acima de um determinado valor limite, enquanto o ponto de contato evidencia tensões de todos os níveis.15 Pesquisas posteriores confirmaram essa conclusão e descobriram que o método de formação do arco em si também pode ter uma influência sobre o comportamento.16 Por exemplo, a distribuição do ângulo de ataque é diferente entre os métodos de arco descritos na norma UL 1699, seções 40.3 e 40.4. A distribuição do ângulo de ataque da seção 40.3 apresenta um valor superior da mediana (cerca de 90 graus) comparada aos métodos descritos na seção 40.4 (cerca de 40 graus). Esses dois métodos também mostram diferentes comprimentos de eventos do arco, com os da seção 40.3 resultando em eventos de arco mais curtos do que os da seção 40.4. Além disso, a pesquisa da UL encontrou uma resistência de contato em série que tende a diminuir os valores de corrente de pico para o ponto de contato de arco em relação ao caminho carbonizado de arco, o qual é da ordem de 30 mΩ.17

EM LONGO PRAZO

A UL continua a pesquisar e analisar arcos elétricos. Diversas áreas sob análise adicional incluem a quantificação do efeito da diferença de arco e da corrente de pico, melhor modelagem da ignição do arco, análise espectral e fenômenos de conexão de brilho. Esses tópicos serão provavelmente compartilhados em futuras revistas New Science.




MODELAGEM COMPUTACIONAL AVANÇADA


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Sob a pressão dos ciclos de desenvolvimento de produtos rápidos e intensos e das normas de incêndio mais rigorosas, os fabricantes que esperam por testes físicos para saber se seus produtos funcionarão com segurança podem sofrer uma desvantagem competitiva. Adicione a essa mistura o fato de que várias novas tecnologias estão sendo desenvolvidas, tais como revestimentos resistentes a incêndios e compostos projetados, e temos um enorme desafio. A UL agora tem a experiência na aplicação de modelagem computacional avançada para complementar os testes de incêndio e ajudar a estabelecer uma abordagem híbrida eficiente ao avanço da ciência de segurança contra incêndios, das normas de incêndio e da segurança de produtos.

A UL vem usando essas ferramentas de engenharia avançada para criar modelos virtuais de alguns produtos em testes de incêndio de acordo com as normas. Com esses modelos, as descobertas sobre o comportamento do produto no ambiente extremo de incêndio podem ser adquiridas, e, quando validado, um modelo pode ser ajustado para prever de forma mais eficiente o resultado de vários cenários e variações de concepção de um produto.

A UL vem utilizando modelos computacionais relacionados com a segurança contra incêndios de produtos de várias maneiras:

• O desempenho dos componentes de construção e de materiais submetidos a um ambiente de incêndio usando um solucionador de elementos finitos de térmico-estrutural acoplado (ANSYS).

• Um software de modelagem de incêndios baseado na dinâmica de fluidos computacional (CFD) para prever o desempenho de sprinklers contra incêndios, incluindo a interação com o incêndio.18

CONTEXTO

A modelagem computacional da UL fornece dados resultantes vastos, que podem ser analisados e visualizados para ajudar a compreender os riscos de segurança contra incêndio.

AVALIAÇÃO DA DINÂMICA DE INCÊNDIOS E RESPOSTA ESTRUTURAL AO INCÊNDIO ATRAVÉS DE MODELAGEM POR COMPUTADOR

Usando uma modelagem computacional avançada, a UL é capaz de, efetivamente, tirar vantagem de testes físicos e virtuais. Os testes físicos no estudo de incêndios são caros; por isso, poucos em geral são executados em um produto particular. Além disso, os testes físicos apenas podem fornecer dados em pontos discretos. No entanto, ainda é muito importante projetar e realizar esses testes, já que eles podem ser úteis para validar os modelos computacionais. Quando um modelo computacional é validado, ele pode ser executado com uma ampla variedade de parâmetros de entrada de modo muito mais econômico do que com o teste físico.

POR QUE A MODELAGEM COMPUTACIONAL AVANÇADA É IMPORTANTE?

REVISTA SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIOS EDIÇÃO 2 / MODELAGEM COMPUTACIONAL AVANÇADA

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Para fornecer uma ideia melhor de como a UL está usando os modelos computacionais modernos, dois exemplos importantes e desafiadores do desempenho de incêndios de elementos de construção serão abordados: (1) o comportamento de portas corta-fogo de aço submetidas ao teste de resistência a incêndios e (2) o comportamento de produtos de madeira projetados em um ambiente de incêndios.

Os dois exemplos foram analisados por meio da metodologia de análise de elementos finitos (FEA). Para construir e resolver um modelo de análise de elementos finitos, é preciso informações específicas que descrevem as propriedades dos materiais, as condições do entorno, os detalhes da geometria de montagem e construção, as cargas e até mesmo algumas considerações sobre os possíveis modos de falha.

PREVISÃO DO COMPORTAMENTO DE PORTAS CORTA-FOGO DE AÇO

As portas corta-fogo em um edifício são destinadas a resistir à propagação de incêndios de uma parte que liga uma estrutura à outra, permitindo a mitigação mais eficaz do incêndio e a saída segura dos ocupantes. Como forma de avaliar a resistência a incêndios, montagens de portas corta-fogo são testadas de acordo com as normas, como a UL 10B.19 Para construir de forma eficaz e eficiente a representação de elementos finitos adequada de uma montagem de porta corta-fogo submetida à exposição ao fogo, é prudente avaliar a quantidade necessária de detalhes que devem ser captados. A UL estudou a modelagem de portas corta-fogo ao longo dos anos20 e encontrou uma variedade de detalhes entre os projetos que são importantes para previsões precisas.

No entanto, a UL identificou primeiramente as premissas fundamentais de engenharia, com base em nossa longa história de testes de portas corta-fogo, que geralmente são consideradas verdadeiras e ajudam a orientar a análise de elementos finitos. Essas premissas incluem:

• A parede e a estrutura que sustentam a porta corta-fogo são rígidas durante a totalidade do teste; portanto, não precisam ser modeladas detalhadamente.

• O isolamento térmico não oferece qualquer rigidez estrutural à montagem da porta corta-fogo.

O QUE FEZ A UL?

• MA modelagem do desempenho térmico de revestimentos resistentes ao fogo aplicados com spray em colunas de aço para uma variedade de formas de coluna, tamanhos e espessuras dos revestimentos.

Em todos esses casos, a modelagem fornece dados resultantes vastos, que podem ser analisados e visualizados de várias maneiras para ajudar a fornecer as ideias ne-cessárias à compreensão dos riscos de segurança contra incêndio.


REVISTA SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIOS EDIÇÃO 2 / MODELAGEM COMPUTACIONAL AVANÇADA 16

• O acoplamento entre as respostas térmicas e estruturais é unidirecional durante as partes iniciais do teste, já que a resposta estrutural tem um efeito desprezível sobre a resposta térmica.

Sem descrever o extenso trabalho de modelagem de portas corta-fogo que a UL tem realizado nessa área, vamos nos concentrar em um aspecto fundamental. Para a modelagem apropriada de portas corta-fogo, a resistência de contato térmico entre os componentes de aço pareados é fundamental. 21 Em geral, as portas corta-fogo consistem em painéis de aço com reforços de aço. Essas peças são estruturalmente ligadas através de solda. À medida que a porta se deforma, essas partes podem deformar de maneira diferenciada, mudando a resistência térmica. Nossa pesquisa descobriu que simplesmente assumir que a transferência de calor ocorre através dos pontos de solda seria subestimar a transferência de calor através da porta, e isso, por sua vez, afetaria os resultados estruturais previstos. As informações sobre a resistência de contato térmico e sua natureza mutável geralmente não são conhecidas pelo fabricante. No entanto, o modelo pode mostrar o efeito de configurações de contato térmico diferentes e fornecer informações sobre as decisões do projeto que podem melhorar o desempenho da porta contra incêndios.

O DESEMPENHO EM INCÊNDIOS DE VIGAS DE MADEIRA

Esse trabalho de modelagem foi parte de um plano maior de pesquisa por vários anos para compreender o desempenho em incêndios de madeira planejada, comum nas novas habitações residenciais, em comparação com a madeira tradicional, que é típica de casas mais antigas. Apesar da grande quantidade de testes, um modelo de análise de elementos finitos validado para vigas de madeira que possa prever o efeito das diferentes mudanças de projeto seria de grande valia no desenvolvimento de uma forte base técnica para possíveis revisões do código de construção e para mudanças nas táticas de combate a incêndios.

Ao contrário de outros componentes de construção, tais como alvenaria e tijolos, existem vários desafios específicos para a previsão da resposta das estruturas à base de madeira aos incêndios. O principal desafio é o fato de que a madeira queima. A queima de madeira leva à degradação do material e à decomposição por meio de pirólise. A madeira é também um composto complexo de polímeros naturais e é geralmente anisotrópica, heterogênea e porosa. As propriedades da madeira também são afetadas pela umidade, e, em um ambiente de fogo, toda a umidade contida dentro da madeira evapora e se difunde, alterando as propriedades do material. Por último, o modo de falha de um componente de construção à base de madeira dependeria de detalhes da construção, imperfeições materiais, conexões, etc.22 Além do mais, todas essas propriedades dos materiais precisariam ser conhecidas na faixa de temperaturas que a madeira atingiria em um ambiente de incêndio.

Um modelo de análise de elementos finitos validado de vigas de madeira que possa prever o efeito de diferentes mudanças de projetos seria de grande valia no desenvolvimento de uma forte base técnica para possíveis revisões de códigos de construção e de mudanças nas táticas de combate a incêndios.

1717

A UL continua a inovar, usando nossa experiência para oferecer uma abordagem mais abrangente à segurança contra incêndios. Usando modelos computacionais e técnicas analíticas sofisticadas, estamos mais efetivamente capazes de prever o comportamento de incêndios, avaliar os riscos e fornecer informações que possam levar a melhores decisões nos projetos.

IMPACTO


Nossos resultados de modelagem foram capazes de demonstrar a concordância quantitativa de tendências observadas durante os testes tanto para testes com pisos de viga única quanto para testes de pisos de montagens de vigas de madeira. A tendência principal era a de que a viga de madeira tradicional durasse muito mais tempo do que a viga de madeira projetada sob condições semelhantes de incêndio e de carga mecânica. Além disso, o modelo oferece ideias sobre os parâmetros tais como a taxa de carbonização, que tem uma comparação favorável com o intervalo de dados da literatura já publicada.23

O modelo de análise de elementos finitos e a análise avançada foram capazes de prever o início da instabilidade, onde a taxa de deflexão aumentou substancialmente. O modelo também revelou que para as vigas de madeira projetadas, o caminho de falha principal é o esgotamento da trama, transferindo assim o compartilhamento de carga para o topo do feixe, quando o feixe inferior — embora em sua maior parte não queimado — era então separado. Para a viga de madeira de seção retangular tradicional, o caminho de falha se reduz principalmente na seção transversal através do aquecimento de três lados e de uma combinação das propriedades dos materiais enfraquecidos e da redução da seção transversal, o que, por fim, acaba por não suportar a carga.cross section, which eventually fails to sustain the load.




NOVAS DINÂMICAS DE INCÊNDIOS EM PORÕES

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Os incêndios em porões estão entre os tipos mais difíceis e perigosos que os bombeiros enfrentam. Estes podem se encontrar em uma posição onde estarão operando acima de um incêndio — em alguns casos, sem saber. Muitas vezes, o serviço de bombeiros não tem ideia de há quanto tempo o incêndio está em andamento, do tipo de sistema de piso que está exposto à situação de incêndio ou da estabilidade estrutural do sistema de piso, e há poucos, se é que existem, sinais de aviso de colapso.25

Em particular, os incêndios de porões que envolvem uma montagem de piso de madeira sem proteção podem representar uma série de desafios para a segurança contra incêndios. Sistemas de piso projetado leve proporcionam benefícios arquitetônicos, econômicos e de produtividade para o dono da residência e para o setor de construção. No entanto, em caso de incêndio, esses sistemas de piso projetado leve têm um maior risco de falha estrutural em tempo menor, como consequência das dimensões transversais reduzidas dos produtos projetados em comparação com os sistemas tradicionais de piso de madeira dimensional. Assim, apesar do desempenho estrutural superior desses novos produtos para a construção em comparação com a madeira tradicional em condições “normais”, a tendência se inverte em um ambiente de incêndio. Isso é destacado pelo número crescente de mortes de bombeiros devido ao colapso desses sistemas projetados em condições de incêndio. O Instituto Nacional de Saúde e Segurança Ocupacional (NIOSH, National Institute for Occupational Safety and Health) emitiu um relatório, Preventing Injuries and Deaths of Fire Fighters Due to Truss System Failures (Prevenção de lesões e mortes de bombeiros devido a falhas do sistema de treliça), destacando os riscos de acidente e morte que podem ocorrer durante as operações de combate a incêndios envolvendo sistemas de piso de treliça projetado.26

CONTEXTO

Under fire conditions the new, light-weight engineered floor systems led to greater risk of structural failure in a shorter time.26

Em uma situação real, o serviço de combate a incêndios nunca vai responder a dois incêndios que sejam exatamente iguais. Durante todas as nossas experiências recentes com incêndios em porões, onde as variáveis foram controladas de forma sistemática, não houve sinais de alerta confiáveis e repetíveis de colapso do piso. Pelo fato de as consequências da queda através de um piso para dentro do incêndio no porão poderem ser catastróficas, é fundamental para os bombeiros entender os riscos associados aos diferentes tipos de produtos e sistemas relativos ao piso para melhorar os procedimentos operacionais, métodos de proteção e a segurança global do bombeiro.24

POR QUE AS NOVAS DINÂMICAS DE INCÊNDIOS EM PORÕES SÃO IMPORTANTES?

REVISTA SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIOS EDIÇÃO 2 / NOVAS DINÂMICAS DE INCÊNDIOS EM PORÕES

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A UL fez uma parceria com várias organizações de pesquisa, fabricantes de produtos e representantes do corpo de bombeiros para analisar os perigos associados com vários tipos de sistemas de pisos residenciais. O financiamento para este projeto foi fornecido pelo programa de bolsa do ato de reinvestimento e recuperação americano do National Institute of Standards and Technology (Instituto Nacional de Normas e Tecnologia). O principal objetivo dessa pesquisa original foi o de melhorar a segurança contra incêndios através de uma compreensão melhor da resposta dos sistemas de revestimento residencial aos incêndios.27

A UL realizou cinco tipos (ou séries) de experimentos para examinar incêndios em porões e os riscos de colapso enfrentados pelo serviço de bombeiros:

1. Experimentos com fornalhas de piso: A UL analisou vários sistemas de piso projetado e sistemas de piso dimensional diferentes, além de diferentes métodos de proteção. Também alteramos a carga para entender as diferentes tensões nos sistemas de piso.

2. Experimentos com taxas de liberação de calor: Através destes experimentos, a UL desenvolveu uma carga de combustível repetível representando incêndios que os bombeiros podem encontrar em porões reais.

3. Experimentos de campo com porões: Nestes experimentos de campo, a UL usou porões fabricados para examinar as práticas de ventilação dos bombeiros e como os diferentes tipos de sistemas de piso se comportaram sob condições de incêndio em porões.

4. Experimentos com porões em laboratório: Nestes experimentos controlados, a UL replicou a mesma configuração do porão como nos experimentos de campo anteriores, mas foi capaz de controlar as variáveis, como as condições meteorológicas e as condições do vento, e estudar diferentes tipos de sistemas de piso e métodos de proteção para examinar as implicações de código que os bombeiros podem ver no campo.

5. Experimentos de campo em larga escala: A UL pôde executar dois experimentos de colapso em grande escala, onde iniciou um incêndio no porão de uma estrutura residencial adquirida e deixou que se espalhasse naturalmente por toda a residência.28

Há 10 considerações táticas principais que resultaram dessa pesquisa de segurança contra incêndios abrangente e inovadora que os bombeiros podem usar imediatamente para permitir uma tomada de decisão melhor na cena de incêndios:

A UL desenvolveu 10 considerações táticas importantes que os bombeiros podem usar para melhorar a tomada de decisão na cena de incêndio.

FPO

O QUE FEZ A UL?


21

1. Os tempos de colapso de todos os sistemas de piso de madeira desprotegido estão dentro do quadro operacional de tempo do serviço dos bombeiros, independentemente do tempo de resposta. Especificamente, os sistemas de piso projetado já podem entrar em colapso de 2 a 3 minutos após a estrutura ter sido envolvida no incêndio.

2. As dimensões devem incluir o local do incêndio no porão, assim como a quantidade de ventilação. Nesses experimentos, o colapso sempre se originou acima do fogo, e, quanto mais ventilação disponível, mais rápido foi o tempo até o colapso do piso. Quando possível, o piso deve ser inspecionado por baixo antes de se operar em cima dele.

3. Os sinais de colapso variam de acordo com sistema de piso: a. A madeira dimensional deve ser inspecionada para verificar a ruptura das vigas ou a queima completa. b. As vigas projetadas em I devem ser inspecionadas para verificar a queima completa da trama e a separação do subpiso. c. Os feixes de treliça em paralelo devem ser inspecionados para uma falha de conexão. d. As vigas de metal em C devem ser inspecionadas para verificar a deformação e a falha de conexão com o subpiso.

4. O teste de som do piso para verificar a estabilidade não é confiável se usado sozinho; portanto, deve ser combinado com outras táticas de precaução para aumentar a segurança.

5. As câmaras de imagem térmica (TICs) podem ajudar a indicar que existe um incêndio no porão quando a situação de incêndio é visível para o campo de visão da câmara, mas as TICs não podem ser utilizadas para avaliar a integridade estrutural do andar de cima.

6. A descida rápida pelas escadas para encontrar um descanso na parte inferior não foi possível. As temperaturas do piso na parte inferior das escadas do porão eram muitas vezes piores do que as temperaturas no topo. Essa descoberta contradiz a sabedoria convencional sobre o aumento de calor e o pensamento de que as temperaturas menores seriam encontradas na parte inferior da escada.

7. A coordenação da ventilação durante a supressão de incêndio é extremamente importante. A ventilação do porão criou um caminho de fluxo para cima das escadas e para fora pela porta da frente da estrutura, quase dobrando a velocidade dos gases quentes e aumentando a temperatura drasticamente.


22

O setor de construção civil está introduzindo continuamente novos produtos projetados que proporcionam melhor estabilidade estrutural, permitem uma construção mais rápida e são mais rentáveis. Além disso, o aumento da demanda do mercado por produtos ambientalmente sustentáveis está gerando produtos de madeira projetados para reduzir ainda mais a massa do material, o que poderia resultar em uma preocupação ainda maior com a segurança contra incêndios. As 10 considerações táticas fundamentais que resultaram da abrangente e inovadora pesquisa de segurança contra incêndios da UL permite que os bombeiros melhorem a tomada de decisões sobre a cena quando se deparam com esses novos materiais.32 Além disso, a UL está ajudando no avanço do uso de ferramentas de modelagem de incêndio que podem ter um impacto significativo na promoção de ideias sobre os cenários que os bombeiros devem enfrentar e em sua melhoria de materiais de treinamento.

IMPACTO

8. A flacidez do piso não é um bom indicador de seu colapso. Qualquer fraqueza perceptível é um indicador tardio de que o sistema de piso já está danificado ou completamente comprometido.

9. A temperatura do primeiro andar podem ser um indicador ruim das condições de incêndio existentes no andar inferior, especialmente quando distantes do topo da escada ou da condição inicial do incêndio.

10. As linhas de mangueiras devem estar disponíveis ao abrir os espaços vazios que contêm as áreas de construção inflamáveis.29

Os testes de incêndio bem projetados não só ajudam a fornecer informações sobre um cenário em particular, mas geram dados detalhados necessários para ajudar a validar os modelos computacionais. O uso de modelagem computacional na engenharia de incêndios continua crescendo. Por isso, é vital que os testes de incêndio caros, de grande escala e limitados realizados sejam projetados com a validação de modelos em mente. Para essa pesquisa, a UL gerou um modelo computacional de um cenário de teste de incêndio em porão em escala real específico envolvendo condições plenas de ventilação.30 Este exemplo específico dizia respeito à dinâmica de incêndios dentro de um porão com aberturas e um teto de madeira desprotegido com complexidade geométrica. Os resultados mostram que a previsão do aumento de incêndio dentro de porões com tetos de madeira pode ser conseguida razoavelmente bem com o FDS, um software de modelagem de incêndios. Com um modelo validado, então, é muito mais econômico responder a uma série de perguntas sobre a sensibilidade do comportamento do fogo a outros parâmetros, tais como o número de aberturas, o tamanho das aberturas, a sequência das aberturas etc.sequential openings, etc.31


• vv

23SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIOS / FONTES

FONTES1 “Powering the New Generation of Electric Vehicles: Issues and Challenges,” UL

White Paper. Web: 8 Mar. 2013. http://ul-energy.com/fileadmin/user_upload/files/New_Generation_EV.pdf.

2 “Wireless charging may be key to electric vehicle success, BMW and Nissan already developing technology”, NY Daily News, 28 de dezembro de 2012. Web: 8 de março de 2013 http://www.nydailynews.com/autos/wireless-charging-key-electric-vehicle success-article-1.1228841

3 Hai Jiang, Ph.D., “Computation Modeling of Wireless Charger for Electrical Vehicles”, Apresentação: 3 de julho de 2012.

4 Hai Jiang, Ph.D., “Computation Modeling of Wireless Charger for Electrical Vehicles”, Apresentação: 3 de julho de 2012.

5 Hall, John R., Jr., Ph.D. “Home Electrical Fires”, Artigo de pesquisa da NFPA, janeiro de 2012. Web: 8 de março de 2013. http://www.nfpa.org/itemdetail.asp?categoryid=2439& itemid=55501&url=research/statistical%20reports/major%20causes/.

6 Brazis, Paul W., Jr., Ph.D. e Fan He, Ph.D., “Investigation of Damage and Degradation on Breakdown of NM Cables”, Relatório da UL, 16 de novembro de 2012.

7 Hall, John R., Jr., “Home Electrical Fires”, Artigo de pesquisa da NFPA, janeiro de 2012. Web: 8 de março de 2013. http://www.nfpa.org/assets/files//PDF/OS.electrical.pdf.

8 Norma UL 1699 para AFCIs.

9 Brazis, Paul W. e Dini, David. “Evaluation of Run Length of Available Current on Breaker Ability to Mitigate Parallel Arcing Faults, Part 1: Effective on Panelboard Current for 50 Foot Run Length”, Relatório de pesquisa empresarial da UL, julho de 2012.

10 Brazis, Paul W., et al., “Synthetic Arc Generator for UL 1699, Phase 2: Statistical Characterization of Arc Fault Behavior (UL 1699, Section 40)”, Relatório de pesquisa empresarial da UL, junho de 2010.

11 Brazis, Paul e He, Fan, “Effectiveness of Circuit Breakers in Mitigating Parallel Arcing Faults in the Home Run, 2nd Edition”, Relatório de pesquisa empresarial da UL, janeiro de 2012.

12 Brazis, Paul W. and Dini, David, “DC Arc Fault Testing to Support Photovoltaic Arc Fault Protection Device Requirements,” Corporate Research Report, November 2012.

13 Brazis, Paul W., et al., “Synthetic Arc Generator for UL 1699, Phase 2: Statistical Characterization of Arc Fault Behavior (UL 1699, Section 40)”, Relatório de pesquisa empresarial da UL, junho de 2010.

14 Brazis, Paul W. e He, Fan, “Effectiveness of Circuit Breakers in Mitigating Parallel Arcing Faults in the Home Run, 2nd Edition”, Relatório de pesquisa empresarial da UL, janeiro de 2012.

15 Brazis, Paul W., Dini, David e He, Fan, “Evaluation of Run Length and Available Current on Breaker Ability to Mitigate Parallel Arcing Faults, Part 11: Effect of Run Length with 500A Available at the Panelboard”, Relatório de pesquisa empresarial da UL, outubro de 2012.

16 Brazis, Paul W., Dini, David e He, Fan, “Evaluation of Run Length and Available Current on Breaker Ability to Mitigate Parallel Arcing Faults, Part II: Effect of Run Length with 500A Available at the Panelboard”, Relatório de pesquisa empresarial da UL, outubro de 2012.

17 Brazis, Paul W., Dini, David e He, Fan, “Evaluation of Run Length and Available Current on Breaker Ability to Mitigate Parallel Arcing Faults, Part II: Effect of Run Length with 500A Available at the Panelboard”, Relatório de pesquisa empresarial da UL, outubro de 2012.

18 Hall, John R., Jr., Ph.D. “Home Electrical Fires”, Artigo de pesquisa da NFPA, janeiro de 2012. Web: 8 de março de 2013. http://www.nfpa.org/itemdetail.asp?categoryid=2439& itemid=55501&url=research/statistical%20reports/major%20causes/.

19 Brazis, Paul W., Jr., Ph.D. e He, Fan, Ph.D., Investigation of Damage and Degradation on Breakdown of NM Cables, Relatório da UL, 16 de novembro de 2012.

20 Tabaddor, Mahmood, Ph.D. e Sanjay Jadhav, “Predicting the Behavior of Steel Fire Doors Subjected to Fire Endurance Test”, Artigo de pesquisa da UL, 19-20 de abril de 2013.

21 Tabaddor, Mahmood, Ph.D. e Sanjay Jadhav, “Predicting the Behavior of Steel Fire Doors Subjected to Fire Endurance Test”, Artigo de pesquisa da UL, 19-20 de abril de 2013.

22 Tabaddor, Mahmood, Ph.D., “Modeling the Thermal and Structural Behavior of Wood Beams in a Fire Environment”, Artigo de pesquisa da UL, dezembro de 2011.

23 Tabaddor, Mahmood, Ph.D., “Modeling the Thermal and Structural Behavior of Wood Beams in a Fire Environment”, Artigo de pesquisa da UL, dezembro de 2011.

24 “Basement Fires: Understanding Collapse Hazards and Fire Dynamics to Increase Firefighter Safety”,, Treinamento baseado na Web da UL, Web: 7 de março de 2013. http://lms.ulknowledgeservices.com/catalog/display.resource.aspx?resourceid=356711.

25 Kerber, S., Madrzykowski, D. et al. “Improving Fire Safety by Understanding the Fire Performance of Engineered Floor Systems and Providing the Fire Service with Information for Tactical Decision Making”, Artigo de pesquisa da UL, março de 2012. Web: 7 de março de 2013. http://www.ul.com/global/documents/offerings/industries/buildingmaterials/fireservice/basementfires/2009%20NIST%20ARRA%20 Compilation%20Report.pdf.

26 Kerber, S., Madrzykowski, D. et al. “Improving Fire Safety by Understanding the Fire Performance of Engineered Floor Systems and Providing the Fire Service with Information for Tactical Decision Making”, Artigo de pesquisa da UL, março de 2012. Web: 7 de março de 2013. http://www.ul.com/global/documents/offerings/industries/buildingmaterials/fireservice/basementfires/2009%20NIST%20ARRA%20 Compilation%20Report.pdf.

27 “Basement Fires: Understanding Collapse Hazards and Fire Dynamics to Increase Firefighter Safety”, Treinamento baseado na Web da UL, Web: 7 mar. 2013. http://lms.ulknowledgeservices.com/catalog/display.resource. aspx?resourceid=356711.

28 “Basement Fires: Understanding Collapse Hazards and Fire Dynamics to Increase Firefighter Safety”, Treinamento baseado na Web da UL, Web: 7 de março de 2013. http://lms.ulknowledgeservices.com/catalog/display.resource.aspx?resourceid=356711.

29 Trinath Rao, M. e Mahmood Tabaddor, “Fire Modeling of Basement with Wood Ceiling”, Apresentação da UL em oficina de segurança contra incêndios IIT GN, Índia, 2013.

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Trinath Rao, M. and Mahmood Tabaddor, “Fire Modeling of Basement with Wood Ceiling”, Apresentação da UL em oficina de segurança contra incêndios IIT GN, Índia, 2013.

Kerber, S., Madrzykowski et al. “Improving Fire Safety by Understanding the Fire Performance of Engineered Floor Systems and Providing the Fire Service with Information for Tactical Decision Making”, Artigo de pesquisa da UL, março de 2012. Web: 7 de março de 2013. http://www.ul.com/global/documents/offerings/industries/buildingmaterials/fireservice/basementfires/2009%20NIST%20ARRA%20 Compilation%20Report.pdf.

Kerber, S., Madrzykowski et al. “Improving Fire Safety by Understanding the Fire Performance of Engineered Floor Systems and Providing the Fire Service with Information for Tactical Decision Making”, Artigo de pesquisa da UL, março de 2012. Web: 7 de março de 2013. http://www.ul.com/global/documents/offerings/industries/buildingmaterials/fireservice/basementfires/2009%20NIST%20ARRA%20 Compilation%20Report.pdf.

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http://www.nydailynews.com/autos/wireless-charging-key-electric-vehicle%20success-article-1.1228841

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