Vazão para Estantes
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Ocupações Industriais/Armazenamento

Vazão para Estantes

Por Weston C. Baker, Jr.

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Enquanto as alturas de armazenamento aumentam e o risco de incêndio dos bens armazenados cresce, uma pesquisa dirigida pela FM Global procura um método mais barato e efetivo de proteção da armazenagem em estantes

Cuando os gerentes de armazéns ouvem que devem instalar sprinklers dentro das estantes, geralmente reagem com temor e desalento. Quem os pode culpar?

Embora os sprinklers colocados dentro das estantes tenham sido utilizados com êxito para proteger estantes de armazenagem por mais de cinco décadas, as diretrizes de proteção exigiam, historicamente, a instalação dum grande número de sprinklers, tornando esse tipo de proteção muito caro comparado com os sprinklers de teto. Além disso, os gerentes de armazém temem que a água dos sprinklers instalados nas estantes possa causar danos aos bens armazenados se os sprinklers forem golpeados acidentalmente pelas empilhadeiras.

Devido a esses inconvenientes, é fácil entender porque os gerentes das instalações poderiam resistir-se à instalação de sprinklers adicionais nas estantes para complementar os sprinklers de teto. Á medida que o espaço de armazenagem em algumas partes do mundo se torna escasso e está disponível novo equipamento de manuseio dos produtos, capaz de alcançar maiores alturas de armazenagem, os armazéns têm tendência a adotar alturas de armazenagem e de tetos muito maiores que antes. Devido ao fato que o caminho natural do fogo é vertical, com o aumento da altura da armazenagem e dos tetos, o risco de incêndio associado a essas alturas aumentará também.

Num esforço para aprimorar a proteção das estantes de armazenagem e reduzir os custos globais da proteção contra incêndios, a FM Global lançou um projeto de pesquisa sobre sprinklers internos em estantes, em 2011. Apesar de termos realizado anteriormente milhares de projetos de prevenção de perdas, este era diferente. Nossa divisão de pesquisa realizou testes de incêndios de pequena, média e grande escala; ao contrário de outros programas de pesquisa, contudo, os testes foram associados estrategicamente a modelos informáticos para ajudar a identificar as potenciais soluções de proteção. Essa abordagem demonstrou que utilizando sprinklers com orifícios grandes e maior vazão seria possível reduzir bastante o número de sprinklers em estantes numa instalação. Estima-se que isso poderia reduzir o custo duma instalação de sprinklers em estantes em 40%, diminuindo também a probabilidade de danos causados aos sprinklers e aos bens armazenados.

Essas novas opções de proteção por sprinklers em estantes são alternativas às orientações existentes e não as substituem, mas fornecem aos proprietários e projetistas possibilidades de proteger edifícios e bens que poderiam ser difíceis ou impossíveis de proteger apenas com sprinklers de teto.

Uma nova visão do potencial dos sprinklers em estantes

Desde a invenção do primeiro sprinkler automático em 1874, a pesquisa científica e os esforços de desenvolvimento aprimoraram os sprinklers de teto até o ponto onde podem agora proteger bens armazenados debaixo de tetos que alcançam 45 pés de altura (13,8 metros). Isso se conseguiu principalmente graças aos aprimoramentos do tempo de resposta dos sprinklers, do tamanho do orifício do sprinkler pelo qual a água é descarregada e do desenho do defletor do sprinkler que dirige a água para baixo até a área do incêndio. Com futuras pesquisas e desenvolvimentos científicos, é possível que as alturas dos tetos possam superar os 45 pés sem requerer sprinklers em estantes. Mesmo assim, os fabricantes de sprinklers reconhecem que as alturas dos tetos se aproximam rapidamente do limite onde os sprinklers de teto sozinhos não podem ser efetivos, precisando utilizar sprinklers internos em estantes. 

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Devido aos inconvenientes associados aos sistemas de sprinklers em estantes, os fabricantes de sprinklers tentaram encontrar formas de produzir sprinklers de teto que pudessem proteger tanto armazéns mais altos como bens mais perigosos em estantes vazadas, sem necessidade de sprinklers internos. Embora muitas pesquisas científicas e testes de produtos tenham sido realizados ao longo dos anos para melhorar o desempenho dos sprinklers de teto, pouco foi feito para melhorar a proteção por sprinklers em estantes. Os sprinklers em estantes são necessários em geral quando a penetração da água dos sprinklers de teto até a base do arranjo de armazenamento é impedida ou requer muito tempo, o que é muitas vezes o caso para a maioria das configurações de armazenagem de grande altura. Associando isso a um crescimento vertical muito rápido do fogo, e fácil compreender o grande desafio que as configurações de armazenagem de grande altura representam para os sprinklers de teto.

As diretrizes de proteção utilizadas na maioria dos projetos e instalações de sprinklers em estantes foram desenvolvidas através dum programa de testes iniciado em finais dos anos 60 pelo Comitê sobre Proteção Contra Incêndio da Armazenagem em Estantes da NFPA, com o objetivo de fornecer à NFPA diretrizes de projeto. Devido ao tipo de sprinklers que existia no mercado naquela época, o programa de testes trabalhou com sprinklers que hoje se utilizam para a proteção de escritórios e outras ocupações de risco leve. Desde esse programa de testes inicial houve muito pouco trabalho realizado no campo da proteção por sprinklers em prateleiras.

Em consequência disso, a maioria das instalações de sprinklers em estantes requerem um grande número de sprinklers internos em intervalos verticais relativamente reduzidos. Um arranjo típico de sprinklers em estantes para a proteção de plásticos acartonados requereria, num espaço horizontal aproximado de 20 pés quadrados (1.9 m2), a instalação de sprinklers com espaçamento vertical de 15 pés (4.6 m) distribuídos por toda a altura da armazenagem. Dessa forma o custo da proteção contra incêndio aumenta, devido à quantidade de materiais e de trabalho requerido para a instalação e cresce a probabilidade que um sprinkler receba um golpe acidental e descarregue água nos bens armazenados.

Além disso, mesmo com todos esses sprinklers instalados, um incêndio num armazenamento em estantes altas ainda pode crescer verticalmente através duma estante, abrindo tanto os sprinklers de teto com os das estantes e tornando a extinção final pelo serviço público de supressão de incêndio muito difícil devido à altura alcançada pelo fogo acima do nível do piso. Idealmente, um incêndio que tem origem em qualquer lugar numa estante de armazenagem seria suprimido pelos sprinklers instalados nas prateleiras, o que poderia evitar o crescimento vertical do incêndio além dos sprinklers, tornando mais fácil a extinção final pelos serviços públicos de supressão de incêndios.

Finalmente, outra variável importante na proteção da armazenagem em prateleiras é o tipo de contêiner utilizado, que pode ter um impacto significativo sobre a proteção por sprinklers requerida para esses espaços. Os produtos que antes eram guardados em contêineres de papelão ondulado são agora armazenados cada vez mais em caixas de plástico. Embora essa tendência possa parecer benéfica pela maior possibilidade de reutilização dos contêineres, o risco de incêndio associado aos contêineres de plástico aumenta muito comparado com os contêineres de papelão. Isso se deve à taxa de liberação de calor mais elevada dos materiais plásticos, comparada com a do papelão, junto com o benefício da capacidade de absorção de água do papelão que contrasta com a falta de absorção de água dos materiais plásticos. Os contêineres fechados que absorvem água tornam mais difícil a propagação horizontal do fogo, um fator principal de controle do incêndio pelos sprinklers automáticos.

Considerando as tendências simultâneas de aumento da altura da armazenagem e dos tetos, assim como a substituição dos contêineres de papelão pelas caixas de plástico, muitos armazéns já não são capazes de proteger seus produtos armazenados em estantes utilizando apenas um sistema de sprinklers de teto e devem contar com uma proteção suplementar por sprinklers em estantes. 

Os testes e a otimização dos projetos

Para alcançar uma melhor compreensão da natureza do crescimento do fogo em estantes vazadas e a taxa de liberação de calor correspondente no momento da ativação dos sprinklers internos, realizamos vários testes de escala intermédia utilizando diferentes produtos. Para cada teste, o tempo de resposta tanto dos sprinklers de resposta padrão como dos sprinklers de resposta rápida instalados em diferentes localizações dentro da estante ajudou a determinar quais fatores influenciaram mais a operação dos sprinklers e quais fatores causaram uma demora na operação.

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Foram também realizados testes de distribuição de água para compreender melhor a velocidade e a quantidade de água que atravessa um produto e escorre pelos lados para alcançar a base do arranjo da armazenagem. Foram avaliadas muitas variáveis, incluindo o tipo de sprinkler, a localização do sprinkler em relação ao topo dos produtos armazenados, a localização dos sprinklers em relação aos vãos verticais (flue spaces) e as taxas de vazão. A meta era determinar seu efeito sobre a quantidade de água que saia do sprinkler e chegava até a base do arranjo de armazenagem em tempo oportuno. Esses dados foram utilizados para validar o modelo informático de escoamento multifásico.

Além disso, foram realizados testes de supressão em escala intermédia com sprinklers em estantes num leque de condições relativas aos sprinklers, incluindo o fator K – a formula utilizada para calcular a taxa de descarga do orifício - e a pressão. Os modelos informáticos foram utilizados para simular o fluxo frio de água naquelas condições de sprinklers em estantes, dando uma indicação da quantidade de água necessária para controlar ou suprimir um incêndio específico. Essa taxa de vazão otimizada dos sprinklers em estantes foi validada mais tarde em testes de sprinklers em estantes em escala real. No final, a utilização de modelos informáticos nos ajudou a reduzir o número de testes em grande escala necessários e a reduzir o tempo necessário para criar as novas opções de proteção por sprinklers em estantes incluídas na edição 2015 da Property Loss Prevention Data Sheet(DS) 8-9 da FM Global, Armazenamento de produtos de Classe 1,2,3 , 4 e de plástico (fmglobaldatasheets.com).

Uma conclusão fundamental foi que utilizando os sprinklers com orifícios grandes e maior vazão, seria possível reduzir bastante o número de sprinklers em estantes necessários numa instalação. Em lugar de utilizar o sprinkler tradicional K5.6 (K80) com uma vazão de 22 a 30 galões por minuto (83 a 114 litros por minuto), utilizaram-se sprinklers K14.0 (K200) e maiores com uma vazão de 65 galões por minuto (264 litros por minuto) e mais alta, com base nos resultados da estratégia integrando testes e modelos.

Essa redução do número de sprinklers consegue-se aumentando o espaçamento vertical entre os níveis de sprinklers em estantes e aumentando a altura permitida de armazenamento acima do nível mais alto dos sprinklers em estantes. As instalações tradicionais aplicam um espaçamento vertical entre níveis de sprinklers em estantes de 10 a 15 pés (3 a 4,6m). Isso se deve principalmente ao menor fator K dos sprinklers e sua vazão relativamente mais baixa. Os testes da FM Global ajudaram a estabelecer distâncias verticais maiores entre níveis de sprinklers. As novas orientações da DS 8-9 permitem a instalação de sprinklers em estantes com espaçamento vertical de 30 a 40 pés (9 a 12 m) dependendo da classe de risco do produto a proteger. Essa distância vertical maior entre sprinklers reduz muito o número de sprinklers exigidos em comparação com os arranjos tradicionais em estantes.

As instalações tradicionais de sprinklers em estantes limitam a altura do armazenamento acima do nível mais alto de sprinklers a 10 pés (3m), principalmente porque o fogo, ao desenvolver-se dentro das estantes, poderia atingir o topo do arranjo e a quantidade de calor do incêndio poderia exceder a capacidade de controle do sistema de sprinklers de teto. Os testes da pesquisa estabeleceram que, com o novo sistema de sprinklers em estantes, a altura dos bens armazenados acima do nível superior dos sprinklers internos pode ser muito maior do que com as restrições anteriores. Isso se conseguiu não apenas pelo tipo de sprinklers escolhidos e sua vazão, como também pela localização horizontal dos sprinklers dentro da área que a estante ocupa no piso. A meta do arranjo horizontal dos sprinklers nas prateleiras era prevenir qualquer propagação do fogo acima dos sprinklers internos, o que se alcançou em todos os testes de validação em escala real. Eliminando a possibilidade que o fogo cresça verticalmente além do nível mais alto dos sprinklers situados nas estantes, estes últimos constituem praticamente um piso virtual acima do qual o sistema de sprinklers de teto pode ser projetado. Como resultado, em lugar de limitar a altura de armazenamento acima do nível mais alto de sprinklers internos, as novas orientações da DS 8-9 permitem que o armazenamento acima do nível mais alto de sprinklers em prateleiras tenha uma altura de até 35 a 40 pés (10.7 a 12 m), dependendo ainda da classe de risco do produto a proteger. Essa distância vertical maior acima do nível mais alto dos sprinklers em estantes reduz muito o número de sprinklers internos exigidos comparado com os arranjos tradicionais de sprinklers em estantes.

Um último fator a registrar é que as instalações tradicionais de sprinklers em estantes requerem que o sistema de suprimento de água leve em conta a operação simultânea dos sistemas de sprinklers de teto e das estantes e requer também que os sistemas sejam hidraulicamente equilibrados em seu ponto de conexão. Isso é porque os arranjos existentes de sprinklers em estantes podem permitir que o fogo alcance o topo da armazenagem e ative não só os sprinklers nas estantes, como também os sprinklers de teto. Os novos arranjos de sprinklers em estantes descritos na DS 8-9 evitaram que fogo subisse além do nível mais alto dos sprinklers em estantes e desta forma os sprinklers de teto nunca se ativaram. Esse desempenho se atribui as ativações dos sprinklers em estantes em tempo oportuno junto com a quantidade de água que descarregam. Como resultado, em lugar de requerer que o suprimento de água leve em conta os sistemas de sprinklers de teto e em prateleiras operando simultaneamente, as novas orientações da DS 8-9 permitem que o suprimento de água seja dimensionado com base na maior exigência dos dois sistemas, uma característica que ajudará a reduzir o volume do suprimento de água exigido para uma proteção adequada.

Essas conclusões significam que uma melhor proteção por sprinklers em estantes está agora disponível a um custo bastante mais baixo, comparado com os arranjos tradicionais de sprinklers em estantes. Embora esses critérios de projeto estejam disponíveis apenas na Data Sheet 8-9 da FM Global, haverá iniciativas para incorporá-los nos códigos e normas em todo o mundo, incluindo a NFPA 13, Instalação de Sistemas de Sprinklers, de forma que todos os armazéns onde se precise proteção de sprinklers em prateleiras possam aproveitar essa importante nova informação.

Weston C. Baker, Jr. é especialista Técnico de Engenharia AVP, na divisão de Normas de Engenharia da FM Global. É membro dos comitês de Instalação e Descarga da NFPA 13.

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