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Simulação dinâmica de incêndios mediante "FDS"

CYPE Ingenieros desenvolveu o programa de Simulação dinâmica de incêndios (implementado no seu software de Instalações do edifício) como fruto de um projecto de investigação financiado pelo Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI), e cofinanciado pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER).

Este programa da CYPE realiza simulações dinâmicas da evolução de incêndios em edifícios mediante ferramentas externas de uso livre (já instaladas com o programa): o motor de cálculo FDS (Fire Dynamics Simulator) e o visualizador gráfico Smokeview (SMV), ambos desenvolvidos pelo NIST (National Institute of Standards and Technology, USA). Estas ferramentas não dispõem de uma interface gráfica de introdução de dados nem de uma expressão analítica de resultados útil e simples para o utilizador, pelo que requerem outras ferramentas para o seu uso.

O programa Simulação dinâmica de incêndios da CYPE utiliza a interface gráfica do seu software de Instalações do edifício para proporcionar os dados correctos e necessários ao motor FDS e ao visualizador Smokeview (sem que o utilizador tenha que intervir nesta comunicação) e oferece uma análise de resultados altamente útil, fruto de uma interpretação exaustiva dos resultados que calcula o motor FDS, sem a necessidade da intervenção de um utilizador experiente altamente especializado, tanto no uso do motor FDS como na matéria da evolução de incêndios nos edifícios.

Introdução

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CYPE Ingenieros levou a cabo um projecto, financiado pelo pelo Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI), e cofinanciado pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER), para implementar no seu software de Instalações do edifício o programa Simulação dinâmica de incêndios.

Simulação dinâmica de incêndios realiza simulações dinâmicas de evolução de incêndios em edifícios. Utiliza ferramentas externas de uso livre (instaladas com o programa CYPE):

  • Motor de cálculo
    Como motor de cálculo utiliza-se o modelo computacional de dinâmica de fluidos denominado FDS (Fire Dynamics Simulator) desenvolvido pelo NIST (National Institute of Standards and Technology, USA).
  • Visualizador 3D
    Como visualizador gráfico em 3D da evolução de incêndio utiliza-se programa Smokeview (SMV) desenvolvido também pelo NIST.

Ambas as ferramentas não dispõem de uma interface gráfica de introdução de dados, pelo que estes devem ser introduzidos mediante ficheiros de texto organizados de uma forma específica. Por outro lado, o motor FDS gera no seu processo de cálculo uma ampla informação (em bruto) sobre a simulação de incêndio realizada. O trabalho de análise desta informação é altamente complexo e laborioso, e requer uma grande experiencia por parte do utilizador para expressá-la de modo útil.
O programa da CYPE Simulação dinâmica de incêndios utiliza a interface gráfica do seu software de Instalações do edifício para proporcionar ao motor FDS os dados correctos e necessários e ao visualizador Smokeview os resultados necessários para que obtenha uma animação 3D da simulação, e tudo sem intervenção do utilizador. O programa da CYPE também analisa e interpreta os resultados calculados pelo motor FDS e gera pontos de controlo que aparecem na vista em planta no separador Contra incêndios de Instalações do edifício, onde o utilizador pode obter listagens expressas com gráficos das evoluções temporais da simulação.

Simulação dinâmica de incêndios permite situar o foco de incêndio em qualquer ponto do edifício para validar o comportamento do fumo do incêndio e comprovar a viabilidade da evacuação. É possível utilizá-lo para imóveis já construídos, o que possibilita verificar se o desenho do edifício se pode melhorar até que cumpra com a regulamentação vigente.

Há muitos factores que interferem na segurança dos edifícios em caso de incêndio. Entre eles destaca-se a concentração e temperatura do fumo, já que os níveis elevados podem impedir a correta evacuação e por em risco a integridade dos ocupantes, ou inclusivamente favorecer o colapso estrutural do edifício. A largura dos corredores, a qualidade dos materiais e a instalação de proteção contra incêndios são alguns dos parâmetros que tem em conta este software que está interligado a todos os programas de Instalações do edifício desenvolvidos pela CYPE. Isso permite ao projetista verificar e visualizar o seu projeto junto com a legislação exigida.

Na atualidade, não há nenhuma tecnologia similar, pelo que o programa pode ser de grande utilidade tanto para o Corpo de Bombeiros como para os técnicos responsáveis pelo projeto dos sistemas de extinção e dos sistemas de controlo de temperatura e evacuação de fumos (SCTEF).

As secções seguintes dispõem de uma informação mais detalhada sobre a introdução de dados realizada pelo programa da CYPE de Simulação dinâmica de incêndios e sobre os resultados que oferece.

Funcionamento do programa Simulação dinâmica de incêndios

Activação do cálculo e dados necessários para a simulação dinâmica

O cálculo da simulação realiza-se no separador Contra Incêndios de Instalações do edifício. No menu FDS do dito separador estão localizadas todas as opções para definir a simulação (à excepção da opção Cargas de fogo que se encontra no menu Instalação do mesmo separador). A prática habitual consiste em definir estas opções antes de iniciar o cálculo. Não obstante, é possível iniciar a simulação em qualquer momento mediante a opção Calcular a simulação de incêndio do menu FDS (embora não seja definido qualquer outro parâmetro) e o programa avisará da falta dos dados necessários: definição de hipóteses de incêndio, selecção de compartimentos do edifício a incluir na simulação, definição de cargas de fogo e selecção do elemento iniciador do incêndio.

Além disso, para calcular a simulação dinâmica do edifício é necessária a introdução dos elementos construtivos do edifício, a definição dos compartimentos do mesmo, e a introdução de elementos da instalação de proteção contra incêndios como sprinklers automáticos ou detectores de fumo ou temperatura, que se comportam como tal no modelo FDS. Se se definirem também as vias de evacuação, o programa monitorizará a evolução dos fumos ao longo dos caminhos de evacuação, o que proporciona uma valiosa informação sobre a evolução da temperatura e dos fumos em lugares atravessados por estes caminhos. No item Introdução de dados desta página dedicada ao programa Segurança contra incêndios dispõe de mais informação sobre a definição destes elementos.

Introdução de dados específicos para a simulação dinâmica

Introdução de cargas de fogo

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Para definir correctamente o cenário da simulação, é necessário a introdução do modelo dos elementos combustíveis que ocupam os compartimentos onde se desenvolve ou pode propagar-se o incêndio, já que se supõe são estas as cargas de fogo a principal fonte de alimentação e determinação da evolução do incêndio.

Por isso, o programa inclui uma ferramenta de introdução de sólidos combustíveis (menu Instalação> Cargas de fogo), associada a uma biblioteca de materiais combustíveis habituais, adequadamente caracterizados com os dados necessários para a sua definição no modelo FDS, como entalpias de combustão e vaporização, reacções de pirólises, taxas de libertação de calor e de perda mássica, etc.

Os elementos construtivos que formam o modelo geométrico do edifício caracterizam-se automaticamente na construção do modelo FDS, fazendo uma introdução simples, fácil e intuitiva dos elementos combustíveis e não combustíveis na simulação.

Definição de hipóteses de incêndio

Para criar os modelos de incêndio que o motor FDS calculará, existe uma ferramenta para gerir distintas hipóteses de incêndio no edifício, de forma que, num único arquivo para todo o edifício, se possam criar distintos cenários de incêndio e os seus correspondentes resultados na simulação dinâmica. Desta forma simplifica-se em grande medida a introdução de dados e torna-se mais ágil tanto a elaboração de novas hipóteses de incêndio como de análise de resultados de cada uma delas, permitindo ao utilizador comparar e analisar distintos cenários de incêndio no edifício, para obter uma melhor compreensão dos benefícios e dos erros de projecto, permitindo assim alcançar a configuração ótima dos sistemas de controlo de temperatura e evacuação de fumos.

Estas hipóteses de incêndio criam-se mediante a opção Hipóteses de incêndio do menu FDS. O programa permite criar, copiar ou editar os distintos cenários de incêndio do edifício, e selecionar qualquer um deles para trabalhar sobre os seus dados associados, que incluem:

  • Selecção dos compartimentos do edifício
    Esta selecção realiza-se mediante a opção Selecção de compartimentos a incluir na simulação do menu FDS. A inclusão de mais ou menos compartimentos na simulação determinará o tamanho do modelo lançado a cálculo e, por tanto, o seu tempo de cálculo.
  • Selecção de elementos iniciadores do incêndio
    A selecção da carga de fogo que começa a arder no início da simulação realiza-se mediante a opção Selecção de elementos iniciadores do incêndio do menu FDS.
  • Estado das aberturas
    O estado das aberturas presentes no edifício, como portas ou janelas, determinará os fluxos de ar do incêndio e, portanto, a sua evolução. A abertura ou fecho das aberturas é feita na opção Comportamento das aberturas na simulação do menu FDS.

Além desta informação, o modelo FDS gerado para cada hipótese incluiu lógicas de controlo para permitir certas alterações no modelo ao longo da simulação. Assim, as janelas ou clarabóias que começam na simulação num estado fechado, podem abrir-se num dado momento da simulação se ocorrerem a condições de pressão e temperatura necessárias, modificando assim as condições de ventilação ao longo da simulação. Além disso, se existem sprinklers ou detectores de fumo ou calor, estes relacionam-se numa lógica que simula o sinal de alarme de incêndio do edifício, com um certo atraso, que serve para atuar sobre outros elementos do edifício, como o fecho de portas corta-fogo de retenção magnética ou a abertura de exutores para a saída de fumos em cobertas. No vídeo mostra-se um exemplo sobre uma simulação realizada pelo programa onde se pode observar que num determinado momento do incêndio reproduzido se abrem os exutores da cobertura (com a conseguinte redução da altura de fumo acumulada no interior da nave) e se põem em funcionamento os sprinklers da instalação contra incêndios.

Cálculo realizado

Construção do modelo para FDS

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Com todos os dados necessários correctamente introduzidos e mediante a opção Calcular a simulação de incêndio do menu FDS, já se pode calcular qualquer uma das hipóteses de incêndio definidas. Ao executar a dita opção é apresentada ao utilizador a janela de configuração de Dados gerais, juntamente com la lista de hipóteses de incêndio definidas no edifício.
Nessa janela, unicamente resta selecionar a hipótese a simular e definir os parâmetros essenciais para o cálculo da simulação dinâmica: o tamanho da célula para a malha do modelo FDS e o tempo de simulação.

O tamanho de célula para a discretização define a precisão da malha do modelo FDS do edifício e determina o número de células que o cálculo deve operar, incidindo diretamente no tempo necessário para calcular a simulação e a memória necessária para a levar a cabo.

Valores de 15, 20 ou 25 cm de tamanho de célula consideram-se suficientemente precisos para analisar o comportamento do fumo de incêndio em grandes volumes. Não obstante, nas fases iniciais do estudo do comportamento do edifício em caso de incêndio podem-se realizar simulações mais rápidas introduzindo valores maiores de malha. Os valores de tamanho inferior a 15 cm supõem um cálculo muito mais pesado e só são necessários em estudos e análises de fogo e de fumo em volumes reduzidos.

A duração da simulação determina o tempo real da evolução do incêndio a calcular e começa com a ignição das cargas de fogo dispostas como elementos iniciadores do mesmo. O motor de cálculo FDS é válido para a análise do comportamento do fumo e o fogo do incêndio, pelo que é útil para estudar as fases iniciais do mesmo, incluindo a evacuação dos ocupantes do edifício. No entanto, não é válido para simular um possível colapso estrutural do edifício, pelo que, simulações superiores a 30 minutos não são geralmente recomendadas nem necessárias.

Uma característica notável do programa, diferenciando-o em relação a outras ferramentas de modelagem para o FDS é a total independência do modelo de construção para o tamanho da célula de malha e do modelo FDS. Ou seja, o modelo 3D do edifício que é gerido e editado no programa (partilhado com outros módulos no cálculo das instalações do edifício) corresponde ao modelo com as dimensões reais de cada elemento presente no mesmo, e o modelo exportado para o motor FDS (que é construído automaticamente quando se inicia a simulação dinâmica do incêndio) é específico para a hipótese seleccionada pelo utilizador (com o grupo de compartimentos que é selecionado e a discretização escolhida), e é otimizado para o número de processadores que se utilizam no cálculo e para o disposição de elementos construtivos e elementos combustíveis presentas na simulação.

Esta forma de trabalho permite esquecer muitas das limitações do modelado FDS, como o alinhamento as malhas e a definição de obstáculos (entidades OBST do modelo), pois o programa constrói o modelo adequando-se a cada tamanho de célula elegido, modificando propriedades térmicas de materiais ou objetos, de forma que o modelo resultante seja perfeitamente calculável sem problemas pelo motor FDS, num tempo mínimo, e respeitando o comportamento térmico do modelo real. Isto apresenta uma vantagem óbvia para o estudo do comportamento dinâmico do incêndio no edifício: permite lançar diferentes versões da simulação do modelo, mais ou menos detalhada (isto é, mais ou menos complexa de calcular) variando apenas o tamanho da célula.

Gestão de cálculo FDS

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Uma vez construído o modelo para FDS, abre-se automaticamente uma janela que gere o cálculo dinâmico. O programa utiliza o motor FDS ótimo na máquina onde se executa (de 32 o 64 bits e com processos num ou vários CPU). A última versão do programa de Simulação dinâmica de incêndios inclui sempre a última versão validada do FDS publicada e pelo NIST.
Esta janela de gestão de cálculo FDS que se abre como um processo independente, permite ao utilizador seguir trabalhando no modelo, na definição de outras hipóteses de incêndio, ou inclusivamente outro edifício, até levar a cabo o cálculo da simulação.

A partir desta janela apresenta-se o tempo de cálculo da simulação, junto ao tempo restante estimado; o tempo real de simulação alcançado; e botões para visualizar o arquivo *.fds gerado e lançado na simulação, o arquivo de saída *.out que gera o motor FDS, e o botão para ativar o visor SmokeView com os dados da simulação em curso.
Mediante este visualizador, desenvolvido pelo NIST e companheiro do motor de cálculo FDS, é possível aceder aos resultados da simulação ao mesmo tempo enquanto o cálculo é realizado. Isto permite explorar a evolução temporal do fumo e a temperatura de incêndio de forma totalmente visual em 3D, assim como estudar a resposta dos sistemas de deteção e alarme de incêndio do edifício, incluindo, a activação e funcionamento dos sprinklers automáticos.

Desde a janela de gestão de cálculo da simulação dinâmica também é possível obter o cálculo em curso, em cujo caso se podem obter resultados desde o primeiro instante da simulação até ao tempo alcançado no cálculo. Também é possível reiniciar o cálculo a partir do momento da sua paragem, o que permite abordá-lo em distintas etapas.

Resultados obtidos

FDS. Simulação dinâmica de incêndios FDS. Simulação dinâmica de incêndios

Resultados no programa de CYPE

O motor FDS gera com seu processo de cálculo uma ampla informação (em bruto) sobre a simulação de incêndio realizada. A análise de esta informação é altamente complexa e trabalhosa, e requere uma grande experiência por parte do utilizador para expressá-la de modo útil. O programa Simulação dinâmica de incêndios dispõe de uma ferramenta que permite pós-processar e gerar os resultados da simulação realizada pelo motor FDS para analisá-la dentro do programa de CYPE.

Esta ferramenta pode ativar-se mediante a opção Mostrar resultados da simulação do menu FDS. Com a sua activação (em obras com hipóteses de incêndio totalmente calculadas ou pausadas num determinado tempo), aparecem pontos de controlo na vista em planta do edifício. Dependendo do ponto de controlo de onde o utilizador posicione o cursor, aparece em ecrã a seguinte informação:

  • activação de detectores de fumo e calor
  • activação de sprinklers
  • Ao longo dos caminhos de evacuação se mostram:
    • Os momentos de superação de temperaturas perigosas na camada de fumos
    • A diminuição da altura livre de fumos abaixo do 2 m.

FDS. Simulação dinâmica de incêndios FDS. Simulação dinâmica de incêndios

Premindo com o botão esquerdo do rato sobre qualquer um destes pontos de controlo, geram-se listagens onde se expressam de forma gráfica as evoluções temporais da simulação de:

  • A temperatura em sprinklers ou detectores de calor
  • O grau de escurecimento em detectores de fumo
  • As temperaturas da camada fria e a camada de fumos, e a altura livre de fumos (parâmetros necessários no projeto dos SCTEF segundo EN 23585) ao longo dos caminhos de evacuação dispostos no edifício.

Resultados no Smokeview

FDS. Simulação dinâmica de incêndios

Além dos pontos e colunas de controlo que se geram no modelo FDS e que se pós-processam para obter gráficos de resultados no programa, ao gerar o modelo FDS acrescentam-se certos planos de controlo para sua inspeção no visor de resultados Smokeview.

Em cada planta do edifício analisado na simulação, são adicionados planos de distribuição de temperaturas, planos de controlo da velocidade de ar e planos de grau de visibilidade em metros. Desta forma, no visor Smokeview pode representar-se, além do fumo e o fogo gerados, a evolução destas magnitudes em planos horizontais por cada planta. Assim, esta ferramenta permite ao utilizador julgar rapidamente os benefícios do comportamento do edifício e os seus sistemas de evacuação de fumo e controlo de temperatura.

Hardware e software recomendados

A complexidade de uma simulação dinâmica de incêndio num edifício e os múltiplos factores envolvidos exigem requisitos de hardware e software da máquina onde deseja calcular a simulação maior do que o que seria necessário para trabalhar normalmente com outros programas. Especialmente destacamos a possibilidade de utilizar processadores de vários núcleos no sistema operativo da máquina onde a simulação é calculada.

Multiprocessadores

O programa Simulação dinâmica de incêndios pode funcionar junto com outro módulo da CYPE, Cálculo em paralelo com quatro processadores. Deste modo, aproveita-se a capacidade de divisão de trabalho de cálculo da simulação em distintas malhas do modelo FDS para o seu processo em paralelo e dos modernos CPU de vários núcleos, e reduz-se o elevado tempo de cálculo nas simulações dinâmicas de incêndio. Para abordar simulações complexas é imprescindível incluir na licença de utilização dos programas de CYPE o módulo Cálculo em paralelo com quatro processadores.

Sistemas operativos de 64 bits

Em máquinas com sistema operativo de 64 bits, tanto o motor de cálculo FDS como o visualizador de resultados Smokeview funcionam em processos de 64 bits, de maneira que é possível realizar simulações complexas com um elevado número de células que se geram, bem pelo tamanho da zona do edifício a simular, bem pela redução do tamanho da célula unitária. Graças a isto eliminam-se as restrições de memória RAM impostas aos processos de 32 bits (de 2 GB por processo).

Em máquinas de 32 bits, onde os modelos de simulação são superiores a 2 milhões de células dão problemas de memória, o programa avisa deste erro ao gerar o modelo, o que permite ao utilizador corrigir o tamanho da zona a simular, ou elevar o tamanho da célula unitária, com o fim de gerar uma malha com um número menor de células.

Em todo caso, para abordar simulações complexas, por tamanho ou nível de detalhe, ou bem como sistemas de extinção automática que entrem em jogo na simulação (extinção do incêndio mediante sprinklers automáticos), recomenda-se sempre a utilização de sistemas de 64 bits, a ser possível associados a CPU de múltiplos núcleos e quantidades de memoria RAM superiores a 4 GB.

Permissões necessários na licença do utilizador

Para realizar o cálculo da simulação dinâmica de um incêndio num edifício, só é necessário que a licença de utilizador dos programas da CYPE inclua o programa Simulação dinâmica de incêndios. Inclusivamente com este programa sozinho é possível visualizar os sprinklers da instalação contra incêndios que existam no edifício, para que se tenha em conta o seu efeito na simulação (não desenhará a instalação contra incêndios a não ser que a licença de utilização inclua também o programa Contra incêndios (RIA e Sprinklers), contudo, terá em conta os sprinklers introduzidos pelo utilizador).

Embora não seja necessário tal como se comentou no capítulo Multiprocesadores é altamente recomendável que a licença do utilizador disponha também do módulo Cálculo em paralelo com quatro processadores, sobretudo para poder abordar simulações mais complexas.

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