Prevenção e Exaustão de Fumaça em Edifícios

Numerosos incêndios em edificações demonstraram que a fumaça tóxica de alta temperatura gerada em um incêndio se espalha rapidamente por diversos canais, tornando a fumaça no interior das edificações uma das principais causas de impedimento à fuga das pessoas e às operações de combate a incêndio, além de provocar óbitos. O projeto de prevenção de fumaça das edificações é muito importante para garantir a segurança das pessoas no interior da edificação e evitar a propagação da fumaça. A prevenção e a exaustão de fumaça da edificação devem ser consideradas como ponto-chave no projeto de segurança contra incêndio do departamento cirúrgico limpo de hospitais.

(1) O princípio básico do projeto de prevenção e exaustão de fumaça é impedir que a fumaça entre nas rotas de evacuação e garantir a segurança da evacuação. No entanto, para edifícios altos, edifícios sem janelas e locais semelhantes, como departamentos cirúrgicos limpos de hospitais, nos quais a evacuação e o combate a incêndio são difíceis, é necessário realizar o projeto de prevenção e exaustão de fumaça em suas partes importantes, adotando instalações focadas principalmente no controle de fumaça.

O projeto de prevenção e exaustão de fumaça deve, de acordo com as características da fumaça e suas leis de movimento, estudar na planta baixa o sentido de fluxo da fumaça dos ambientes que podem pegar fogo; por meio de diferentes hipóteses, encontrar o esquema de projeto de prevenção de fumaça mais econômico e eficaz e as rotas para controlar o fluxo de fumaça, selecionar equipamentos adequados de prevenção e exaustão de fumaça, e dispor áreas e posições razoáveis para entradas de ar, saídas de exaustão e dutos.

(2) A prevenção ou a exaustão de fumaça de uma edificação pode ser realizada por meio de exaustão natural de fumaça, suprimento mecânico de ar pressurizado ou exaustão mecânica de fumaça. O método a ser adotado deve ser definido por meio da análise conjunta da planta baixa da edificação, das condições de ventilação, da altura do espaço, da densidade de carga de incêndio no interior da edificação, bem como do seu tipo, forma e distribuição.

Para atender aos requisitos de cirurgia e limpeza, um departamento cirúrgico limpo é geralmente relativamente hermético, e as áreas limpas mantêm uma pressão de ar superior à do entorno. As áreas limpas geralmente não possuem janelas ou possuem apenas janelas fixas vedadas. No projeto do seu sistema de prevenção e exaustão de fumaça, quando for construído como edificação independente, deve ser tratado como edificação sem janelas; quando for construído conjuntamente com outras edificações, deve ser tratado como ambiente sem janelas no interior da edificação. Figura 10.4　Diagrama esquemático de detectores de alarme de incêndio e dispositivos de controle de alarme Como o atual Código de Projeto de Proteção contra Incêndio de Edificações ainda não contém disposições para o projeto de sistemas de controle e exaustão de fumaça em edificações, o projeto relevante pode ser realizado com referência às disposições pertinentes do Código de Projeto de Proteção contra Incêndio de Edifícios Civis Altos e do Código de Projeto de Proteção contra Incêndio de Obras de Defesa Civil. No entanto, o projeto de sistemas de controle e exaustão de fumaça para edificações há muito tempo é foco de pesquisa sobre proteção contra incêndio e controle de fumaça em edificações no exterior, e muitas teorias foram propostas; atualmente, porém, não existe um método de projeto maduro amplamente aceito. Pesquisadores estão tentando resolver esse problema por meio de métodos de projeto baseados em desempenho, e diversos modelos de previsão e cálculo computacional para o fluxo de fumaça em edificações já foram desenvolvidos.

[Referência]

① A fumaça é uma mistura do ar com as substâncias gasosas, líquidas e sólidas, contendo grande quantidade de calor, que são geradas pela decomposição térmica de uma substância durante o processo de reação de combustão.

Quando uma substância sofre decomposição térmica e combustão, ela libera calor, luz e fumaça. A composição e a quantidade da fumaça dependem da composição química do material combustível e de condições de combustão como a temperatura e o suprimento de oxigênio durante a combustão. Os materiais de construção combustíveis, materiais de decoração, móveis combustíveis e outros itens combustíveis armazenados em edificações comuns são principalmente compostos orgânicos formados por elementos como carbono, hidrogênio, oxigênio, enxofre, fósforo e nitrogênio. Em condições de combustão completa, os produtos da combustão de uma substância são principalmente dióxido de carbono, monóxido de carbono, vapor de água, dióxido de enxofre e nitrogênio; ver Tabela 10.7. Em condições de combustão incompleta, além dos produtos de combustão acima, também são gerados compostos orgânicos como álcoois, cetonas, éteres e aldeídos. Quando substâncias com alto teor de carbono queimam em condições de deficiência de oxigênio, é produzida uma grande quantidade de partículas de carbono. Os danos da fumaça ao corpo humano consistem principalmente em asfixia causada pelos gases tóxicos produzidos pela combustão, irritação dos órgãos humanos e efeito da alta temperatura; ver Tabela 10.8.

Tabela 10.7　Gases tóxicos produzidos durante a combustão de alguns combustíveis

Tabela 10.8　Danos ao corpo humano causados por produtos de decomposição térmica de combustíveis comuns

(i) Efeito asfixiante. A concentração de monóxido de carbono produzido em um ambiente em chamas varia significativamente dependendo da natureza, quantidade e disposição de empilhamento dos combustíveis e das condições de abertura do ambiente. Ela depende principalmente da razão entre as taxas de reação de decomposição térmica e de reação de oxidação dos combustíveis. Quando a temperatura interna continua subindo, a decomposição térmica dos combustíveis se acelera e mais carbono livre é produzido; um suprimento insuficiente de oxigênio fará com que a concentração de monóxido de carbono aumente. A concentração de monóxido de carbono no ambiente em chamas geralmente pode chegar a 4%～5%, e no máximo a cerca de 10%. A concentração segura de monóxido de carbono para 1h de exposição humana é de 0,04%～0,05%; para a evacuação de pessoal, essa concentração não deve exceder 0,2%.

Quando um incêndio queima com intensidade no interior de uma edificação, a concentração de dióxido de carbono pode chegar a 15%～23%. Geralmente, a exposição a uma concentração de dióxido de carbono de cerca de 10% causa tontura; em casos graves, podem ocorrer coma, dificuldade respiratória e até parada respiratória e perda de consciência. A exposição a uma concentração de dióxido de carbono de cerca de 20% causa paralisia do sistema nervoso central humano, levando à morte.

Durante um incêndio, a combustão consome grande quantidade de oxigênio, e a concentração de oxigênio no ar cai significativamente, chegando a até 3%～4% quando o incêndio está queimando com intensidade. Geralmente, quando a concentração de oxigênio no ar cai abaixo de 11%, a pessoa perde a capacidade de raciocinar, sofre convulsões e fica com o rosto azulado. Quando a concentração de oxigênio está abaixo de 6%, a pessoa morre após uma exposição curta.

(ii) Efeito irritante. Entre os produtos de decomposição térmica dos combustíveis durante um incêndio, existem alguns gases, como cloreto de hidrogênio, amônia, fluoreto de hidrogênio, dióxido de enxofre, fosgênio e dióxido de nitrogênio, que possuem forte efeito irritante no corpo humano.

(iii) Efeito da alta temperatura. Quando ocorre um incêndio em uma edificação e a temperatura atinge o ponto de flashover, a temperatura interna pode exceder 500℃ e chegar até a 800℃. A alta temperatura não só aumenta a frequência cardíaca e causa sudorese profusa, com aparecimento rápido de fadiga e desidratação, como também pode queimar as pessoas, causando ferimentos ou morte. Além disso, a fumaça de alta temperatura também é uma das principais causas da rápida propagação e expansão do incêndio e do aumento dos prejuízos causados pelo fogo. A fumaça também reduz o campo visual das pessoas, cria sensação de pânico e afeta a evacuação e as operações de combate a incêndio.

② Padrões de movimento da fumaça no interior da edificação. A fumaça de alta temperatura produzida por um incêndio possui densidade menor que o ar frio; impulsionada pela flutuabilidade, ela sobe e, ao encontrar a laje de piso ou o teto, muda de direção, formando difusão horizontal da fumaça. Se a temperatura da fumaça não cair nesse momento, a fumaça de alta temperatura e o ar ao redor formarão um fluxo laminar claramente separado. Na realidade, porém, à medida que a fumaça flui e se difunde, por um lado o ar frio é constantemente misturado a ela e, por outro lado, ela é resfriada e obstruída por componentes da edificação como lajes e tetos, de modo que sua temperatura cai gradualmente; quando a fumaça que flui e se difunde horizontalmente encontra objetos ao redor, ela é ainda mais resfriada e flui para baixo. Dessa forma, a fumaça que resfria gradualmente e o ar resfriado fluem em direção à zona de incêndio, formando convecção natural no ambiente, o que faz com que o fogo queime cada vez mais intensamente.

A velocidade de fluxo e difusão da fumaça está relacionada à temperatura da fumaça e ao sentido do fluxo. A velocidade de fluxo de difusão horizontal da fumaça é relativamente baixa: geralmente 0,1～0,3m/s na fase inicial do incêndio e 0,5～0,8m/s na fase intermediária. A velocidade de fluxo de difusão vertical da fumaça é relativamente alta, geralmente 1～5m/s. Em escadas ou poços de tubulações, a força de tiragem gerada pelo efeito chaminé pode elevar a velocidade do fluxo de fumaça para 6～8m/s.

③ Fluxo de fumaça no ambiente em chamas. À medida que a fumaça sobe no ambiente em chamas, ela se espalha horizontalmente em todas as direções após atingir o teto, e é obstruída e resfriada pelo envelope da edificação ao redor, tendendo a fluir para baixo ao longo das paredes. A fumaça é gerada continuamente, e a camada superior de fumaça engrossa gradualmente; quando ela desce abaixo das aberturas de portas e janelas, se difunde para o exterior e para o corredor por meio das aberturas abertas de portas e janelas. Se as portas e janelas estiverem fechadas, a camada de fumaça continuará a engrossar; quando a temperatura interna subir a um determinado nível (geralmente 200～300℃), o vidro das portas e janelas se quebra, e a fumaça se difunde para o exterior e para o corredor por meio das frestas das portas e janelas.

Quando a fumaça é ejetada por uma janela vertical, o ar arrastado nas proximidades pode ser reabastecido por ambos os lados da janela, e sua trajetória se curva para cima, de modo que o perigo de o incêndio se espalhar para cima pela janela não é grande; quando a fumaça é ejetada por uma janela horizontal, o ar arrastado nas proximidades não pode ser reabastecido a tempo por ambos os lados da janela, fazendo com que a chama se agarre à superfície da parede e se estenda por uma distância relativamente longa; essa situação representa uma grande ameaça ao andar superior.

Quando a porta do ambiente está fechada, não existem outras aberturas que conectem com o corredor, e as janelas na parede externa estão abertas: quando há vento do lado de fora e a janela está no lado barlavento, o plano neutro sobe; quando a janela está no lado sotavento, o plano neutro desce.

Quando a porta do ambiente se abre para o corredor, o fluxo de fumaça se torna mais complicado; ele estará relacionado a fatores como o efeito chaminé da edificação, o método de controle e exaustão de fumaça, a velocidade do vento externo e a temperatura do incêndio.

④ Fluxo de fumaça no corredor. A fumaça que flui do ambiente para o corredor inicialmente se move junto à parte inferior do teto; devido ao resfriamento e à mistura com o ar, a camada de fumaça engrossa gradualmente. A fumaça próxima ao teto e às superfícies das paredes é facilmente resfriada e primeiro flui para baixo ao longo das superfícies das paredes; à medida que o fluxo segue, com o alongamento da rota de percurso e a intensificação da mistura com o ar ao redor, a temperatura da fumaça cai gradualmente e ela perde a flutuabilidade, deixando finalmente um espaço circular no centro do corredor.

Ensaios de incêndio demonstraram que, durante a fase de queima intensa do incêndio, a fumaça que sai de um ambiente percorre o teto do corredor em estado laminar, e a espessura da camada de fumaça permanece inalterada por uma distância de 20～30 m. No entanto, durante o fluxo, se a camada de fumaça for obstruída por vigas e outras saliências, ou perturbada pela entrada de ar externo ou por correntes de ar de sistemas de ventilação e ar-condicionado, sua distância de fluxo laminar será reduzida e ela passará a um estado turbulento.

⑤ Fluxo de fumaça por poços verticais como escadas, poços de elevadores e poços de tubulações. Quando a temperatura do ar interno é maior que a temperatura do ar externo, o fluxo de ar, após entrar pelas aberturas nas paredes externas dos andares abaixo do plano de pressão neutra da edificação, sobe por poços verticais como escadas, poços de elevadores e poços de tubulações, entra nos ambientes pelas aberturas dos poços acima do plano de pressão neutra da edificação e depois sai pelas aberturas das paredes externas de cada andar. Geralmente, a distribuição de pressão no interior de uma edificação segue essa relação: quando, na parte inferior da edificação, a pressão do ar externo ＞ a pressão de cada andar ＞ a pressão no interior dos poços, o ar externo entra na edificação; quando, na parte superior da edificação, a pressão no interior dos poços ＞ a pressão de cada andar ＞ a pressão externa da edificação, o ar interno sai da edificação. Além disso, devido às diferenças de pressão entre as lajes de andares consecutivos, o ar flui do andar inferior para o andar superior; nessas condições, uma vez que ocorra um incêndio em um andar inferior, a fumaça flui para cima, e o andar superior fica ainda mais perigoso que o andar imediatamente acima do andar em chamas.

Quando a temperatura do ar interno é maior que a temperatura do ar externo, a flutuabilidade é gerada devido à diferença de peso específico entre o ar interno e o externo. A pressão na parte superior da edificação é maior que a pressão externa, enquanto a pressão na parte inferior é menor que a pressão externa. Quando existem aberturas nas paredes externas, o ar interno sai pelas aberturas na parte superior da edificação, e o ar externo entra pelas aberturas na parte inferior. Esse fenômeno é o efeito chaminé da edificação. Em condições normais, esse fenômeno desempenha um papel importante no movimento do ar no interior das edificações. Durante um incêndio, a grande quantidade de calor liberada pela combustão faz com que a temperatura interna suba rapidamente, o efeito chaminé da edificação se torna mais pronunciado e o incêndio se espalha mais rapidamente.

⑥ Em geral, o projeto de controle e exaustão de fumaça inclui um ou mais dos seguintes métodos de projeto: método de pressurização; método de exaustão; método de fluxo de ar.

(i) Método de pressurização. O método de pressurização é o método de controle de fumaça mais comum; o exemplo mais conhecido é a pressurização da escada em relação aos ambientes e ao vestíbulo de contenção de fumaça. Este método tem como objetivo criar uma diferença de pressão entre os dois lados de uma barreira de fumaça; na maioria dos casos, é criada uma diferença de pressão de 25 Pa entre os dois lados da barreira de fumaça. Geralmente, o sistema de controle e exaustão de fumaça cria uma diferença de pressão de 25 Pa entre a área de incêndio e a área adjacente, ou entre o vestíbulo de contenção de fumaça e a escada. Por exemplo, em um edifício de escritórios alto típico, o corredor da área de incêndio é exaurido para criar uma pressão negativa de 25 Pa, enquanto os ambientes e o vestíbulo de contenção de fumaça são mantidos em pressão positiva, e a escada é mantida em pressão positiva.

Na prática da engenharia, o método de pressurização requer o cálculo das áreas de vazamento das paredes, tetos, pisos e portas de cada andar. Por exemplo, em uma escada, a zona de exaustão de fumaça geralmente cria uma pressão negativa de 25 Pa em relação à zona de fumaça adjacente ou à escada. Primeiro, devem ser calculadas as áreas das paredes, teto e piso da escada; multiplicando-as por um coeficiente de vazamento de ar obtém-se a área de vazamento do envelope da edificação, e somando a área de vazamento das portas da escada obtém-se a área de vazamento total da escada. Usando a área de vazamento total e a diferença de pressão necessária de 25 Pa, o volume de ar de suprimento pode ser calculado e, com isso, a taxa de pressurização pode ser determinada.

(ii) Método de exaustão. O objetivo do método de exaustão é manter um ambiente habitável no espaço, mantendo a altura mínima da camada de fumaça acima da altura limite de tolerância necessária para a evacuação segura dos ocupantes — geralmente 2,1 m acima do nível do piso, ou, de acordo com a recomendação japonesa, $H_s \geqslant 1.6+0.1H_f$ (onde $H_f$ é a altura livre do ambiente). O método de exaustão é amplamente aplicado em átrios e sistemas de grandes centros comerciais. Existem diversos modelos de cálculo para o método de exaustão, que não serão descritos detalhadamente aqui.

(iii) Método de fluxo de ar. O princípio do método de fluxo de ar é impedir que a fumaça se mova pelas aberturas entre zonas de controle de fumaça por meio do suprimento de uma quantidade suficiente de ar. Os fatores que afetam o cálculo do método de fluxo de ar incluem a altura da abertura, a temperatura da fumaça, a temperatura do ar ao redor e a velocidade do fluxo de ar. Um ponto a ser observado ao aplicar o método de fluxo de ar é que a velocidade do fluxo de ar não deve exceder 1 m/s. Se o fluxo de ar necessário exceder esse limite, deve ser realizada uma avaliação técnica da sua eficácia para definir se esse método deve ser adotado.

⑦ As saídas de exaustão de fumaça nas áreas limpas devem ser dotadas de medidas para evitar o refluxo. As saídas de exaustão de fumaça devem ser do tipo placa. ⑧ As válvulas de exaustão de fumaça na área limpa devem ser instaladas de forma embutida, e a superfície das válvulas de exaustão de fumaça deve ser fácil de limpar e desinfetar.

【Referência】 Registro corta-fogo de exaustão de fumaça. O registro corta-fogo de exaustão de fumaça é instalado na rede de dutos do sistema de exaustão de fumaça e permanece aberto em condições normais; durante um incêndio, ele fecha automaticamente quando a temperatura do gás no duto atinge 280℃. É uma válvula que, dentro de um determinado período, atende aos requisitos de estabilidade e integridade ao fogo, e serve para bloquear a fumaça e deter o fogo. Sua composição e formato são semelhantes aos de um registro corta-fogo. Geralmente é instalado nos dutos de ar do sistema de exaustão de fumaça e fica normalmente fechado, com funções manual e automática. Quando ocorre um incêndio, o detector de incêndio envia um sinal de alarme de incêndio, e o controlador energiza o eletroímã da válvula, fazendo com que ela abra rapidamente; a válvula também pode ser aberta manualmente para exaustão de fumaça. Quando a temperatura atinge 280℃, a válvula fecha automaticamente e é rearmada manualmente. A válvula pode ser intertravada com outros equipamentos e pode emitir um sinal elétrico após o acionamento.

Após o início de um incêndio em um ambiente, as saídas de exaustão de fumaça do ambiente se abrem, o exaustor de fumaça é ligado ao mesmo tempo para exaurir a fumaça, e os ocupantes realizam a evacuação. Quando a temperatura da fumaça no duto de exaustão atinge ou excede 280℃, a fumaça já carrega chamas, mas em circunstâncias normais os ocupantes do ambiente já terminaram a evacuação. Se a exaustão de fumaça não for interrompida nesse ponto, o fogo e a fumaça correm o risco de se espalhar para outras áreas e podem causar novos perigos. Portanto, é muito importante instalar, nos dutos de exaustão de fumaça, registros corta-fogo de exaustão que fechem automaticamente quando a temperatura da fumaça exceder 280℃.

A instalação de registros corta-fogo de exaustão de fumaça deve cumprir as seguintes disposições:

① Um registro corta-fogo de exaustão de fumaça deve ser instalado nos dutos derivados de exaustão do sistema de exaustão de fumaça.

② Um registro corta-fogo de exaustão de fumaça deve ser instalado no ponto onde o duto de exaustão de fumaça entra na sala do exaustor de fumaça, e deve ser intertravado com o exaustor de fumaça.

③ Um registro corta-fogo de exaustão de fumaça deve ser instalado em dutos de exaustão de fumaça que precisam atravessar paredes corta-fogo, e deve ser intertravado com o exaustor de fumaça.