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Institute for Applied Fire Safety Research

MEDIDAS COMPENSATÓRIAS NA VENTILAÇÃO E PROTEÇÃO PASSIVA PELO USO DE FFFS EM TÚNEIS

4º Congresso Brasileiro de Túneis – CBT

São Paulo – SP, 2017

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Phellipe Barcellos AUSTROS diretor, Brasil IFAB Institute for applied fire safety research, Berlin, Germany FOGTEC Fire Protection Tunnel, Cologne, Germany

Objetivo: 1.  Provar que um sistema de ventilação projetado para HRR de 30 MW

(NBR 15661-2009) sem FFFS pode controlar até mesmo um incêndio de 100 MW quando implementado com o FFFS;

2.  Demonstrar os efeitos do FFFS na limitação da penetração do calor no revestimento do túnel em caso de incêndio;

Bases: •   SOLIT² / NFPA 502

Seja na reforma de túneis existentes ou especificações de túneis novos, a carga de fogo efetiva pode ser significativamente reduzida quando instalado o FFFS.

A number of road tunnels in Europe no longer comply with current safety requirements. Substantial impacts on the overall infrastructure resulting from tunnel closure due to construction are inevitable in many cases owing to the refurbishment measures that have become necessary. This report examines the possibility of upgrading tunnels by installing an active fire-fighting system devised to reduce such closures. in a holistic appraisal

The need to adapt the City Tunnel with fire protection is a result of the EU-Directive (in Austria STSG) which has set a deadline for 04.30.2019 at the latest. a conceptual study revealed that subsequently

installing a firefighting system was the most economic option. If passive construction fire protection had been installed, all of the tunnel equipment would have had to be dismantled and reconstructed – this is no longer necessary in the current system.

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Improving ventilation and passive protection with FFFS


FFFS – Neblina à alta pressão

de modo a permitir que as pessoas evacuem o local e os bombeiros acessem o ponto central do incêndio em segurança. A soma destes fatores contribui diretamente para que o sistema de ventilação mantenha o lado a montante livre de fumaça e lide com cargas de incêndio muito maiores que as previstas em projeto uma vez que estas são suprimidas pelo FFFS; Dessa maneira, limita os danos estruturais e faz com que os reparos sejam superficiais e rápidos. Experiências reais comprovam que mesmo após severos incêndios em túneis equipados com FFFS, estes puderam ser reabertos rapidamente, garantindo assim a disponibilidade da infraestrutura.

Efeitos Consequências Suprime as chamas Impede alastramento do fogo Lavagem dos gases e fuligem Reduz drásticamente a fumaça

emitida Resfria os gases da fumaça Restringe os limites de expansão do

fogo

1-Segurança para a vida A ativação do FFFS nos estágios iniciais do incêndio suprime as chamas e limita o alastramento do fogo para outros veículos . 2-Preservação estrutural do túnel e alta disponibilidade de operação Ao suprimir o fogo e resfriar os fumos com a neblina de água, o FFFS contém a livre irradiação de calor e restringe os limites de expansão do fogo o que faz com que apenas em uma reduzida área da cobertura de concreto do túnel seja exposta às altas temperaturas.

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SOLIT² (Safety Of Life In Tunnels)

•   Integração do FFFS em um sistema holístico de segurança em túneis;

•   31 testes em escala real com d i f e r e n t e s t a m a n h o s , p a r â m e t r o s e a r r a n j o s (2009-12);


O projeto de pesquisa SOLIT² teve início em 2009 com o objetivo de investigar a interação entre os sistemas de supressão de incêndios com neblina de água, FFFS, e outros equipamentos de segurança nos túneis rodoviários como por exemplo os sistemas de ventilação de incêndio. O projeto terminou em 2012 e foi parcialmente financiado pelo Ministério Federal da Economia e Tecnologia da Alemanha.

O projeto SOLIT² foi realizado entre 2009 e 2012, e representa o maior programa de ensaios de incêndio já executado voltado para a validação da utilização de FFFS em túneis e suas consequências sobre o nível global de segurança destes ambientes.

‘’o resfriamento dos produtos quentes gerados pela combustão promovido pelo FFFS propriamente dimensionado, pode aumentar a atual capacidade do sistema de ventilação devido à maior densidade dos produtos de combustão resfriados’’ e ‘’por limitar o alastramento do fogo, FFFS reduzem a quantidade total e a taxa de geração de fumaça’’.

Test tunnel TST (Spain)

•   Ventilação longitidinal + semi-transversal

•   Longitudinal, 6 jet-fans, 1 – 6 m/s

•   Extração, 2 axial fans, 120 m³/s

Ventilação de incêndio 30MW


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Setup de teste

FFFS (Fixed Fire Fighting Systems), à base de neblina de água a alta pressão Para os ensaios, instalou-se um sistema fixo de combate a incêndios, FFFS, tipo "névoa de água de alta pressão", numa extensão de 60 m, que abrange o túnel desde D30 (30 m a jusante) até U30 (30 m a montante do centro da carga de incêndio). As duas linhas de derivação do bocal do sistema foram fixadas ao teto intermédio do túnel e alimentadas através de uma linha de adução principal. O abastecimento de água foi obtido de um reservatório com 500m³, por bombas de alta pressão movidas a diesel, montadas numa estação ao lado do túnel. A pressão e o caudal da bomba foram ajustadas para que todos os principais parâmetros de disposição do sistema de nebulização de água correspondessem a uma instalação real num túnel semelhante, como: • Tipo do bocal (forma, fator-K, etc.) • Distância do bocal para a carga de incêndio • Esquemas dos bicos

• Pressão no bocal mais remoto • Ângulo dos bicos em relação ao eixo vertical

Norte

Sul

Caminhão mockup HRR 100 MW

•   Óleo diesel •   HRR 30, 60 e

100MW

classe A classe B

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Sistema de medição

•   Temperaturas •   Fluxo de calor •   Velocidade do ar •   Humidade relativa do ar •   Concentrações de gás O2, CO e CO2 •   Gravação visual •   Gravação de infravermelhos •   Pressão de água no FFFS •   Fluxo no FFFS •   Umidade do material •   Cálculo do HRR registrado


•   Temperaturas •   Fluxo de calor •   Velocidade do ar


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Sistema de medição

•   Monitoramento da penetração de temperatura no concreto



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Resultados experimentais – Classe B (100 MW)


. Neste teste não havia a intenção de extinguir o fogo , mas s im proporc ionar uma emissão constante de energia para mostrar sua influência sobre a v e n t i l a ç ã o . O dimensionamento do sistema de ventilação foi configurado para suportar um incêndio de 30 MW. Após a ignição de todas as 17 bandejas, o fogo desenvolveu-se rapidamente como o esperado. O HRR atingiu 100 MW após 90 segundos - o atraso ocorreu devido ao tempo de viagem dos gases do local do incêndio até a estação d e m e d i ç ã o d a concentração de gases e m D 4 5 , o n d e o cálculo do HRR foi e x e c u t a d o . A s temperaturas debaixo do teto subiram até 1000 °C na zona de fogo dentro de 60 s e g u n d o s a p ó s a ignição.

100 MW 90 seg.

Taxa de libertação de calor para um teste de fogo de classe B de 100 MW.


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Temperaturas próximas à zona de incêndio em diferentes alturas, 100 MW classe B


1000 °C 60 seg.


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Temperaturas 15 m a montante devido ao "Back-layering" durante o teste de fogo de classe B de 100 MW.

Neste cenário, o volume de fumo produzido pelo fogo era maior do que o volume que poderia ser gerenciado pelo s i s t e m a d e v e n t i l a ç ã o c o m b i n a d o , e m b o r a a extração via ventilação semi-transversal já estivesse em andamento à medida que o fogo se acendia. A velocidade da ventilação longitudinal foi m a i s l e n t a d o q u e a velocidade crítica, o que r e s u l t o u n o f e n ô m e n o o b s e r v a d o d e " b a c k -layering". Isto significa que os gases quentes de incêndio se deslocaram contra o fluxo longitudinal de 3 m/s e causa ram uma espessa camada de fumo negro no sector superior do túnel no lado a montante do incêndio. Esta observação pode ainda s e r d o c u m e n t a d a p e l o aumento das temperaturas na secção superior (em 5 m de altura, imediatamente abaixo do teto do túnel em 5.2 m) da secção do túnel em 15m de distância (montante) do centro de carga de incêndio.


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Velocidades do ar no portal do túnel a jusante durante um teste de fogo de classe B de 100 MW.


A ativação da FFFS foi de 60 segundos após a ignição das primeiras bandejas e atingiu o seu caudal e a pressão total do s i s t e m a a p ó s 1 0 0 segundos; O incêndio de 100 MW foi então, dentro de um tempo de 30 segundos, gerenciável em c o m b i n a ç ã o c o m o sistema de ventilação projetado para incêndios de 30 MW. A produção de fumaça do incênd io suprimido foi menor do que o caudal de extração do sistema de ventilação de incêndio (120 m³/s), o que foi documentado pelo fato do "back-layering" ter desaparecido e o fluxo de ar negativo e ascendente ter ocorrido no lado a jusante do incêndio em D215 perto do fim do túnel. Isto significa que o volume de escape era adequado para descarregar o v o l u m e d e f u m o produzido e também o ar fresco adicional que foi introduzido no túnel.


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HRR durante um teste de fogo de classe A com FFFS ativado


Resultados experimentais – Classe A


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Ativação


Temperatura do material de uma amostra de concreto e temperatura do gás ambiente

A temperatura do material d i r e t amen te aba ixo da superfície de concreto (0.2 cm aba ixo) a t inge um máximo de 320 °C após 32 min. As outras temperaturas do material, em particular a t e m p e r a t u r a c o m u m a cobertura de concreto de 1 c m , n ã o a t i n g e m a temperatura crítica de 300°C (NFPA 502 (2015) e NBR 15200 (2012)) em nenhum momento. Pode concluir-se que o gradiente de aumento de temperatura mais elevado, imediatamente antes da ativação, irá desenvolver-se com consequências mais graves para o material se o FFFS não for ativado.


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FFFS e impactos na transferência de calor

•   one part, HRRRADIAT will

be transferred to the

entire environment

•   one part HRRFFS will

be absorbed by the

FFFS agent

•   one part HRRCONV

will be lead away

with the ventilation

HRRTOTAL=HRRRADIANT+HRRCONV+ HRRFFFS


O FFFS pode absorver uma parte expressiva da energia dependendo dos caudais utilizados e da porção de evaporação. A energia restante da combustão será transferida pelos gases de combustão e ainda pelo ar circundante. Este calor convectivo, HRRCONV, é o HRR efetivo que é utilizado para dimensionar o sistema de ventilação e para escolher qua i sque r med idas de proteção estrutural que serão utilizadas nas paredes dos túneis.

O mais importante é a taxa de evaporação do sistema, pois define a energia de resfriamento uma vez que a evaporação da água é que absorve a energia; portanto, a taxa de massa de evaporação de água é o fator decisivo quando o efeito de um FFFS particular é calculado para o HRR total. Quando diferentes FFFS são comparados (sprinklers, deluge ou nevoa de água), é constatado que tamanhos de gotículas menores proporcionam uma superfície de reação maior e, portanto, proporcionam uma evaporação mais eficaz. Isto implica que sistemas de névoa de água são mais eficazes no resfriamento por causa da maior taxa de evaporação. Tal efeito pode ser parcialmente compensado com taxas de fluxo consideravelmente maiores de sistemas de dilúvio.

HRR

[MW

]

HRRmedido

HRRsuprimido

HRRconv+rad


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FFFS sobre o dimensionamento da ventilação

•   FFFS aumenta a capacidade do sistema de ventilação e diminui

a carga incêndio de projeto (NFPA 520 E.5.7)

•   Limita o fogo em um veículo (como assumido nas normas)


Projetos de pesquisa anteriores já demonstraram que FFFS são muito eficazes para combater e suprimir incêndios em túneis para uma porção de tamanho em comparação com tamanhos de incêndios não suprimidos. Este é o impacto mais importante para o sistema de ventilação, já que o parâmetro de projeto inicial em termos de HRR pode ser significativamente reduzido. Por exemplo, como mencionado na NFPA 520 E.5.7(2015), os resultados dos projetos de investigação SOLIT² demonstraram que cargas de incêndio de veículos pesados de mercadorias (HGV) com mais de 150 MW de HRR potenciais foram suprimidas com FFFS até um máximo de 20 a 40 MW HRR. Portanto, se a carga de incêndio do projeto do túnel for suprimida para um valor de HRR menor, isso pode ser utilizado positivamente ao dimensionar a ventilação reduzindo-o significativamente em comparação com projetos sem FFFS. Um aspecto muito importante é que um típico design HRR para sistemas de ventilação é dado assumindo que apenas um veículo está envolvido no incêndio (LAKKONEN, M. & BREMKE, T, 2012). Em incêndios reais existe uma probabilidade muito alta de que o fogo se alastre para outros veículos durante a fase de auto resgate em túneis. Então a carga de incêndio do projeto teve que ser adaptada a esta realidade. Ao aplicar um FFFS, observa-se que o alcance do fogo sobre outros veículos pode ser limitado, ou até mesmo totalmente impedido, quando dimensionado corretamente.


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Conclusões

•   A capacidade do sistema de ventilação é aumentada pelo FFFS (HRR 30MW ~ 100MW):

ü   Reduz o HRR de projeto do sistema de ventilação em túneis novos;

ü   Aumenta a capacidade de ventilação dos túneis existentes;


Portanto, sob a ótica da preservação da vida dos usuários e da estrutura do túnel, os sistemas de ventilação e os FFFS tem f i n a l i d a d e s q u e s e completam, e baseado nos resultados positivos dos diversos projetos de pesquisa é que relevantes normativas, como a NFPA 502 (2015), suportam e x p l i c i t a m e n t e a s p o s s i b i l i d a d e s d e c o m p e n s a ç ã o n o dimensionamento dos sistemas de ventilação e das proteções passivas contra incêndios quando os túneis são equipados com FFFS. •   Limita a penetração do calor no revestimento de concreto do

túnel; ü   Economia com proteção passiva;   Early intervention prevents development of fire

  small fires are not so dangerous for persons

  small fires have less economic consequences

  dimensioning for 100, 200 or even 300 MW fires may not be necessary

  Fire is „encapsulated“

  spread of fire between objects (vehicles) is prevented

  reduced heat radiation, third-party rescue is supported

  Potential for compensation of conventional measures (ventilation, passive protection)

Quando a interface entre o sistema de ventilação e FFFS é discutida, ela pode ser dividida em dois aspectos, o impacto do FFFS sobre o design que estipula o tamanho do incêndio no túnel e o impacto do FFFS sobre a transferência de calor convectiva (R. Leucker, 2014). Estes são brevemente explicados a seguir.


Obrigado pela atenção

Phellipe Barcellos AUSTROS diretor, Brasil IFAB Institute for applied fire safety research, Berlin, Germany FOGTEC Fire Protection Tunnel, Cologne, Germany

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