O Vidro de Baixa Emissividade como Ferramenta para a Engenharia de Proteção contra Incêndios

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O Vidro de Baixa Emissividade como Ferramenta para a Engenharia de Proteção contra Incêndios

Por Jonathan Perricone, PE

O vidro de baixa emissividade pode ser utilizado de forma efetiva e bastante barata para proteger combustíveis internos contra o calor radiante, melhorando o desempenho dos espaços defensíveis ou das distancias de separação entre edifícios, em geral limitados. Contudo, a comunidade da engenharia ainda deve capitalizar sua aplicação na segurança contra incêndio.

Durante a década passada, uma nova tecnologia para janelas comerciais e residenciais, destinada a reduzir os custos da energia associados com o ganho de calor solar, tornou-se cada vez mais popular: o vidro de baixa emissividade, ou Low-E. O vidro de baixa emissividade pode também ser utilizado de forma efetiva e bastante barata para proteger combustíveis internos contra o calor radiante, melhorando o desempenho dos espaços defensíveis ou das distancias de separação entre edifícios, em geral limitados. Contudo, a comunidade da engenharia ainda deve capitalizar sua aplicação na segurança contra incêndio.

A proteção de aberturas exteriores contra a exposição ao fogo tem sido uma prioridade das normas e códigos anti-incêndio durante anos. As aberturas em paredes exteriores permitem a propagação do fogo entre edifícios em ambientes urbanos e nas moradias na interface zona natural/urbana. O primeiro fenômeno foi instrumental em inúmeras conflagrações urbanas nos séculos passados. Nos tempos modernos, prevalecem as perdas associadas com a exposição a incêndios externos na interface zona natural/urbana.

 

low e glass figure1 smallFigura 1: Propagação do fogo entre edifícios como função da radiação térmica e do embate direto das chamas.

low e glass figure2 smallFigura 2: Características de reflexão de calor do vidro de baixa emissividade.

low e glass figure3 smallFigura 3: Desempenho calculado do vidro de baixa emissividade em relação ao vidro laminado comum.

A abordagem moderna da proteção duma abertura exterior contra o fogo se encontra na NFPA 80A, Pratica Recomendada para a Proteção de Edifícios contra Exposições a Incêndios Externos, que define parâmetros para caracterizar o incêndio fonte de exposição, o edifício exposto, e as características do local. Embora alguns detalhes tenham sido revistos ao longo dos anos, os métodos básicos de cálculo foram extraídos de “Radiação do Calor dos Incêndios e Separação dos Edifícios”, um documento de pesquisa escrito por Margaret Law em 1963 e publicado pela Organização de Pesquisa Conjunta sobre Incêndios em Londres. Law foi uma das primeiras pessoas a caracterizar matematicamente a propagação do fogo entre edifícios como uma função da radiação térmica e do embate ou exposição direta dos tições incendiados. Em última análise, o número e a localização das aberturas, junto com a distância de separação entre a fonte e o objeto exposto, foram identificados como parâmetros principais de projeto de proteção contra incêndio (Ver Figura 1).

Finalmente, Law conseguiu desenvolver uma serie de regras simples que governam esses parâmetros como um método para minimizar o risco de propagação do fogo entre edifícios. Essas regras, que se encontram nas versões vigentes da NFPA 80A e no Código Internacional de Edificações, estabelecem uma norma legal, cientificamente verificada e validada, sobre qualidade da segurança contra incêndios.

Em 1998, o Laboratório de Pesquisa sobre Edificações e Contra Incêndio do Instituto Nacional de Normas e Tecnologia (NIST, da sigla em inglês), junto com o Departamento de Engenharia de Proteção contra Incêndios da Universidade do Maryland (UMD), decidiu desenvolver o trabalho de Law pesquisando o fenômeno do rompimento de janelas induzido pela exposição a um incêndio externo. O esforço foi motivado pelos incêndios devastadores em Oakland Hills em 1991, quando os pesquisadores realizaram que as janelas rotas proporcionavam um caminho para a propagação do fogo desde a interface zonas naturais/urbanas até dentro das casas. As regras de Law não poderiam ser aplicadas ao problema devido a uma simplificação critica: os cálculos de transferência de calor radiante utilizados no método de Law assumem que não há material sólido, como uma porta ou uma janela, em nenhuma abertura externa.

A abordagem tradicional da proteção das aberturas é a utilização de materiais vitrificados certificados resistentes ao fogo, capazes de absorver quantidades tremendas de calor sem quebrar, ao mesmo tempo que minimizam a transmissão e a reflexão. O objetivo do estudo do NIST/UMD é descobrir uma alternativa que reflita uma grande proporção de calor radiante comparada com aquilo que absorve e transmite, dando aos proprietários de casas métodos efetivos de proteger suas janelas exteriores da exposição ao fogo.

Os resultados dessa pesquisa, baseados numa serie de experiências de pequena e grande escala, desenhadas para medir o desempenho térmico e mecânico de vários sistemas de janelas, materiais vitrificados, e tratamentos de proteção expostos a um fluxo de calor radiante regular e uniforme, indicavam que uma cobertura de papel alumínio sobre a janela deveria funcionar como um escudo contra radiação de notável eficiência. Contudo, a viabilidade de instalar tratamentos de papel alumínio como cobertura de proteção nas janelas era questionável tanto na construção residencial como na comercial.

Na década que seguiu a publicação do estudo do NIST/UMD, o vidro de baixa emissividade, que se comporta termicamente de forma muito semelhante ao revestimento de papel alumínio, começou a prevalecer na construção de edifícios. O vidro de baixa emissividade é tratado para produzir uma absorção de calor muito baixa e portanto excelentes características de reflexão do calor (Figura 2). É produzido introduzindo camadas de metal ou de óxido de metal no vidro durante o processo de fabricação, produzindo um material que não apresenta diferenças estéticas com o vidro laminado comum.

A proteção contra incêndio reforçada oferecida pelo vidro de baixa emissividade limita-se às aplicações onde o material é utilizado apenas como escudo radiante - quer dizer, sem contato direto com a chama. Isso inclui a construção na interface zona natural/urbana, onde uma chama alta emite radiação a distancia através dum espaço defensível bem como em projetos urbanos onde existe suficiente separação para assumir que não haja contato direto com a chama. Na primeira aplicação, esta alternativa de projeto ao vidro certificado resistente ao fogo é particularmente atrativa devido ao custo.

A Figura 3 demonstra o cálculo do desempenho do vidro de baixa emissividade em relação ao do vidro laminado comum numa exposição idêntica ao calor radiante. Assume-se que a exposição seja regular e uniforme, o que é característico do calor radiante produzido longe do objeto exposto. A carga de calor radiante selecionada é de 1.50W/cm2, que é 20% superior ao fluxo tomado como referência usual de ignição comandada da madeira exposta. Assume-se que a emissividade do vidro Low-E seja 25% da magnitude assumida para o vidro laminado comum. Como demonstrado na figura 3, isso resulta numa diminuição drástica da absorção de calor pelo vidro. Tanto a taxa de aumento de temperatura como o estado de temperatura máxima atingido são drasticamente inferiores para o vidro de baixa emissividade aos do vidro comum.

O desempenho é grosso modo equivalente quando a amostra de vidro de baixa emissividade é exposta a um fluxo de calor radiante incidente três vezes superior à exposição do vidro comum. Esse é um resultado profundo considerando que o calor radiante incidente é uma função muito forte da distancia de separação entre a fonte e o objeto de exposição. A conclusão mais importante da Figura 3 é que o vidro de baixa emissividade é suficiente para manter os combustíveis ordinários abaixo de 320ºF (150ºC) para uma dada exposição às altas temperaturas. Não se pode dizer o mesmo para o vidro comum.

As estimativas da Figura 3 não lidam diretamente com o potencial para o rompimento do vidro, que poderia ocorrer para o vidro comum nessa condição de exposição. O rompimento do vidro de baixa emissividade não se deveria produzir nas condições dadas de carga devido ao aumento mínimo da temperatura.

Uma questão estimulante para a nova pesquisa em engenharia é o potencial para aumentar a força do escudo radiante colocando escudos ou camadas múltiplas em série. A analogia com o circuito elétrico é um bom exemplo de como essa teoria funciona. Um escudo radiante resiste ao fluxo de calor como um resistor elétrico respeito da corrente elétrica. Um aumento do número de escudos ou camadas reduzirá drasticamente o fluxo de calor através da abertura, de forma muito semelhante a um circuito elétrico.

Está claro que existe um benefício potencialmente significativo no uso do vidro de baixa emissividade para proteger abertura externas. Contudo, é necessário ter alguma cautela com essa aplicação. Quando o vidro de baixa emissividade é fabricado por revestimento catódico, aplica-se um filme fino com propriedades de baixa emissividade a um lado do vidro. Se esse vidro for utilizado para proteger uma abertura externa, o lado revestido deve estar exposto. Se a face revestida estiver no interior do edifício, o vidro aquecerá de fato mais depressa e se quebrará mais cedo que um vidro comum.

Alem disso, o vidro de baixa emissividade não é um método efetivo de proteção duma abertura interior, que requer uma resistência tanto uniforme como não uniforme ao calor em relação à superfície do vidro. Exemplos desta última em edifícios incluem o contato direto das chamas, assim como a exposição simultânea a uma camada elevada de gás quente e a uma camada inferior de ar fresco. O vidro de baixa emissividade não oferece uma vantagem especial respeito do vidro comum nesses cenários onde a habilidade de absorver calor é critica.

O vidro de baixa emissividade é apenas um exemplo de como as novas tecnologias destinadas originalmente a outras disciplinas podem ser aplicadas aos desafios modernos da proteção contra incêndios. A popularidade crescente desse produto para objetivos de conservação de energia oferece uma oportunidade útil de aprimorar ao mesmo tempo a proteção dos usuários contra os perigos dos incêndios, em particular pela sua aplicação na interface zona natural/urbana onde a necessidade de soluções de engenharia eficientes e de baixo custo é imediata.

Jonathan Perricorne, P.E., é engenheiro na Schirmer Engineering em San Diego, Califórnia.

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