Escritórios Verdes

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Escritórios Verdes

Por Craig Hofmeister, PE, & Alex Kline

Um estudo de caso sobre a proteção de um escritório corporativo “verde” utilizando um projeto baseado em desempenho e modelos computacionais

Interpretação artística do Escritório Corporativo da Sara Lee
Ilustrações: Thomas Phifer Partners Architects

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Figura 1 - Ampliar imagem
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Figura 2 - Ampliar imagem

A construção de um edifício ambientalmente amigável, que serviria como novo escritório corporativo da Sara Lee Knit Products em Winston-Salem, North Carolina, apresentou algumas dificuldades, especialmente o cumprimento das exigências de proteção contra incêndio e segurança prescritas pelos códigos de edificação tradicionais.

Em um edifício “verde”, o objetivo é ter iluminação e ventilação naturais, ao mesmo tempo em que se mantém um ambiente interno controlado, reduzindo assim o uso de recursos não renováveis. Entretanto, esse objetivo pode dificultar o uso de esquemas de proteção passiva contra incêndio, e impedir o funcionamento adequado de sistemas ativos de proteção, como sprinklers, alarmes e sistemas de controle de fumaça.

Para resolver o problema, os projetistas valeram-se de metodologias baseadas em desempenho.

Construção resistente ao fogo
O complexo de três pavimentos da Sara Lee Knit Products consiste de uma série de blocos de escritórios, ligando um grande corredor e átrios intermediários usados para pequenos eventos, reuniões e circulação. Cada bloco de escritórios tem uma abertura central no piso, resultando em nove átrios interligados, cada um separado por cortinas de vidro sem resistência ao fogo (ver Figura 1). Cada andar tem aproximadamente 9.300 m 2.

A inclinação do terreno permite que o acesso ao edifício, pelo lado do estacionamento, seja feito pelo terceiro andar. Pelo lado do lago, o acesso é feito pelo térreo. Como o novo complexo fica ao lado de um edifício de escritórios de estilo tradicional, é necessário uma ligação funcional entre os dois edifícios.

O tamanho do edifício e o fato de ser aberto exigem elementos estruturais com resistência ao fogo de 2 horas e telhado com 1 hora de resistência. Não foi difícil cumprir as exigências de resistência ao fogo das estrutura de aço e do telhado, mas o projeto previa também passarelas de aço e vidro ao redor das aberturas de cada bloco de escritórios, além de passarelas de aço e vidro cortando os níveis superiores dos átrios e clarabóias de aço e vidro no telhado. O objetivo de todas essas estruturas era aumentar a iluminação natural no edifício.

As passarelas ao redor das aberturas dos blocos de escritórios não fazem parte da estrutura do edifício, mas estão ligadas ao piso dos andares superiores. Como as passarelas estão em espaços abertos do átrio, a resistência ao fogo para evitar propagação entre os andares foi reduzida. Entretanto, como as passarelas são parte das rotas de emergência, precisaram ser protegidas para poderem ser usadas no início do incêndio.

O cenário de incêndio mais grave para essas estruturas seria um incêndio próximo o bastante para elevar a temperatura do aço até o ponto de falha, ou a quebra do vidros, lançando estilhaços para baixo. Para evitar que isso ocorra, o esquema de proteção inclui uma combinação de vidros especiais e proteção por sprinklers automáticos que dá uma resistência ao fogo estimada de 1 hora, dando tempo suficiente aos ocupantes para abandonar o edifício em segurança.

Apesar de as passarelas que cortam os andares superiores dos átrios não serem rotas de fuga, um esquema de proteção semelhante foi recomendado para limitar a possibilidade de queda de vidro e para fornecer um nível mínimo de proteção aos elementos do telhado.

As clarabóias não causaram problemas para a proteção contra incêndio, mas poderiam atrapalhar a movimentação dos bombeiros no telhado. A solução foi definir uma rota para viaturas de bombeiros ao longo da fachada voltada para o estacionamento, garantindo o acesso a todas as partes do teto. A criação dessa rota forçou a modificação do projeto paisagístico ao redor do prédio , mas a separação com as áreas de estacionamento foi mantida.

Sistemas de proteção contra incêndios
A segunda área importante foi a dos sistemas ativos de proteção contra incêndios. De acordo com os códigos aplicáveis, o edifício será protegido por sistemas de sprinklers automáticos, por um sistema de detecção e alarme, e por um sistema de gerenciamento de fumaça.

Devido à configuração especial dos elementos construtivos, houve muitos problemas práticos para a instalação de sistemas. Por exemplo, a grande quantidade de vidros e aberturas de ventilação natural fez com que o posicionamento de sprinklers e detectores de fumaça fosse alterado, com preocupação específica em relação a temperaturas ambientes e obstruções. A cortina de vidro do edifício e o grande teto solar deslizante também obstruem o sistema de proteção contra incêndios, exigindo a duplicação de sprinklers e detectores de fumaça em vários locais. O telhado e o piso de concreto, projetados para fornecer aquecimento e resfriamento radiante, juntamente com as aberturas de ventilação natural, obrigou a uma análise de temperaturas para garantir que os sprinklers e detectores operariam adequadamente.

Análise do sistema de gerenciamento de fumaça
A maior dificuldade foi o sistema de gerenciamento de fumaça, que é exigido pelas leis locais, em cada bloco de escritórios e em cada átrio. De início ficou claro que a tradicional análise de equações algébricas usada pelo código para determinar as taxas de exaustão de fumaça não seria apropriada para os blocos de escritório, devido ao seu formato longo e estreito, e para os átrios conectados a eles. A configuração do edifício e o movimento normal de ar devido aos sistemas de ar condicionado exigiam uma análise mais detalhada, baseada em desempenho.

Como o sistema de cálculos prescritivo para a determinação de taxas de exaustão não considera a geometria do edifício, não fornece indicações sobre a localização de exaustores e aberturas para insuflação de ar. Os cálculos simplesmente determinavam uma vazão volumétrica apropriada com base na produção de fumaça de um incêndio forte e contínuo. As exigências prescritivas não dizem quando as aberturas para insuflação de ar devem ser duplicadas devido à altura comprimento do átrio. As regras práticas sugerem que os exaustores devem ser duplicados quando a fumaça tiver que percorrer mais que 45 a 60 m até atingir um exaustor, o que evidencia que a geometria especial da edificação e a localização das aberturas de exaustão e insuflação poderiam ter um impacto significativo na movimentação da fumaça.

O uso de um projeto baseado em desempenho permitiu que parâmetros específicos, como geometria da edificação, cargas de incêndio, interação dos sprinklers com o fogo e localização da exaustão de fumaça e insuflação de ar, fossem utilizados para a criação de um modelo para analisar um cenário de incêndio realista, e determinar taxas de exaustão para os sistemas de controle de fumaça. Como nota a Seção 3-1.1.3.2 da  NFPA 92B, Sistemas de Gerenciamento de Fumaça em Shoppings, Átrios e Grandes Áreas, o uso de pequenas células e modelos de campo permite que o usuário do modelo “examine a situação mais detalhadamente e leve em conta a influência de formas irregulares e de movimentações de ar incomum que não podem ser tratadas pelo modelo de zonas ou equações algébricas”.

O método baseado em desempenho também permitiu a escolha da posição de aberturas de exaustão e insuflação para garantir que a fumaça seria removida de todos os espaços dos átrios.

O modelo de incêndio computadorizado para este projeto foi criado com a Versão 3 do Simulador de Dinâmica do Fogo (FDS, do inglês Fire Dynamics Simulator) desenvolvido pelo Instituto Nacional de Normas e Tecnologia (NIST). O FDS é um modelo computacional de dinâmica de fluidos que se aplica especificamente a vazões térmicas de fluidos associadas ao desenvolvimento de fogo e movimentação de fumaça. Simula tridimensionalmente a geometria específica da edificação, de modo que a propagação da fumaça pode ser acompanhada e quantificada.

A análise utilizou a modelagem para examinar os efeitos de um incêndio em cada átrio e desenvolver um esquema de gerenciamento de fumaça. Modelos independentes foram criados para um bloco de escritórios representativo e para um átrio com menor volume para estabelecer os critérios de projeto que pudessem ser usados em todos os escritórios e átrios.

Para manter as características “verdes” do escritório, os projetistas queriam um sistema de controle de fumaça que utilizasse ventilação natural. O modelo inicial usava grandes janelas de ventilação mecânicas no teto, e aberturas passivas para a exaustão de fumaça nos átrios (ver Figura 2). Após algumas simulações, entretanto, ficou claro que um esquema de ventilação puramente natural não conseguiria retirar uma quantidade suficiente de fumaça do prédio, mesmo com janelas muito grandes. Por isso, o projeto foi alterado e passou a usar sistemas mecânicos de exaustão, com insuflação de ar por meio mecânico e passivo. Depois da resolução desse problema, foi desenvolvido um modelo de incêndio mais refinado envolvendo exaustão mecânica.

Também crucial para desenvolver o modelo de incêndio foi determinar o incêndio padrão apropriado, estabelecer critérios de falha relacionados às condições de sobrevivência dos ocupantes, e determinar taxas de exaustão e localização de aberturas de ventilação. Foi criado um modelo de um grande incêndio, utilizando taxas de crescimento do fogo compatíveis com os materiais que seriam usados no prédio, e foi considerada a interação dos sprinklers para limitar o crescimento e propagação do fogo para materiais combustíveis adjacentes. Para quantificar um volume inaceitável de fumaça, foram desenvolvidos critérios específicos de falha de condições de sobrevivência para o modelo, que foram depois usados para calcular se uma determinada taxa de exaustão de fumaça impediria que a camada de fumaça descesse a um nível que atingisse os ocupantes. As propriedades potencialmente perigosas da fumaça utilizadas para desenvolver o critério de falha foram temperatura, concentração de monóxido de carbono e visibilidade.

Os arquitetos e autoridades analisaram e aprovaram o dados usados no modelo e os critérios de sobrevivência no início do projeto, resultando em um simples critério de sim/não para as simulações do modelo.

Quando o modelo indicava que os ocupantes seriam expostos a um nível inaceitável de fumaça, a simulação era considerado malsucedida. Os parâmetros utilizados no modelo—taxa de exaustão e localização das aberturas— foram variadas para se determinar a exposição inaceitável. Essa metodologia envolveu várias iterações do modelo para se determinar os parâmetros do sistema de gerenciamento de fumaça, para reduzir a exposição dos ocupantes a condições perigosas em cada átrio, e a interação em todos os espaços.

O resultado dessa análise foi um modelo computacional que simula de forma realista grandes incêndios no edifício, com interação de um sistema de controle de fumaça projetado para reduzir o risco de incêndio para os ocupantes. O uso do modelo computacional forneceu informações mais detalhadas sobre o sistema de controle de fumaça do que poderiam ser obtidas pelo método prescritivo do código de edificações.

Outra vantagem em se usar um modelo computacional foi obter taxas de exaustão significativamente menores do que as que seriam calculadas pelo método prescritivo. Pelo método prescritivo, a taxa de exaustão em todo o edifício deveria ser de 945 m 3/s. A insuflação de ar no edifício, para compensar o sistema de exaustão, a uma velocidade máxima de 1 m/s, conforme prescrito pelo código de edificações, exigiria aproximadamente 700 m 2 de aberturas, e isso provavelmente não seria possível sem grandes modificações no projeto.

A taxa total de exaustão determinada pelo modelo computacional foi de aproximadamente 400 m 3/s, menos da metade da obtida pelo método prescritivo. Essa redução resultou em uma grande economia, devido à introdução de vários parâmetros que não fazem parte do cálculo pelo método prescritivo, como desenvolvimento do fogo, interação com os sprinklers e geometria do edifício.

As vantagens de se utilizar um modelo computacional também ficaram aparentes quando problemas específicos foram identificados, como em locais onde a fumaça estava se acumulando devido à falta de circulação de ar. Esses problemas nunca teriam sido identificados se os cálculos pelo método prescritivo fossem os únicos usados na análise.

Apesar de todo o edifício não estar sujeito a uma análise de projeto baseada em desempenho, a geometria especial e a arquitetura em harmonia com o meio ambiente tornaram o escritório corporativo da Sara Lee Knit Products um cliente ideal para o uso seletivo de conceitos de projeto baseado em desempenho e técnicas de modelagem computacional de incêndios. O resultado final do projeto foi um conjunto de recomendações sobre sistemas de proteção contra incêndios e de proteção da vida criadas especificamente para o edifício e para seu uso final.

A incorporação de métodos alternativos e técnicas de projeto baseado em desempenho permitiram que o projeto original fosse mantido, preservando o nível de proteção exigido pelos códigos aplicáveis.

Craig Hofmeister, P.E., e Alex Kline são engenheiros consultores de proteção contra incêndios do escritório da Rolf Jensen & Associates em Raleigh, North Carolina.

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