Cálculos hidráulicos para projetar sistema de sprinklers (com fórmulas)

Os cálculos hidráulicos são muito importantes no projeto de sistemas de proteção contra incêndio, pois garantem que a tubulação forneça água suficiente para extinguir qualquer incêndio. Em particular, os sistemas automáticos de sprinklers estão sujeitos à norma NFPA 13 nos EUA, e a norma internacional equivalente é a EN 12845.

O procedimento de cálculo hidráulico trata de três aspectos muito importantes de um sistema de supressão de incêndio:

• Se ocorrer um incêndio, quanta água será necessária para apagá-lo?
• O abastecimento de água disponível é suficiente?
• Qual é o layout ideal do sistema de tubulação e quais perdas por atrito são produzidas?

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Um projeto adequado de proteção contra incêndio protege seu edifício e seus ocupantes. Se você estiver desenvolvendo espaços comerciais para alugar, a proteção confiável contra incêndio também é um recurso valioso para potenciais inquilinos.

Quanta água é necessária para proteção contra incêndio?

Um teste de fluxo de água é necessário antes de iniciar um cálculo hidráulico. Isto pode ser conseguido medindo a pressão e o caudal numa boca de incêndio, mas esta informação também pode estar disponível publicamente no departamento municipal de água.

Pode haver casos em que o abastecimento de água municipal seja insuficiente para a proteção contra incêndios ou não esteja disponível. Quando isso acontece, a tubulação pode ser projetada para captar água de outras fontes, que podem ser classificadas como abertas ou fechadas:

• Lagos, lagoas e rios são exemplos de fontes abertas.
• Tanques de água subterrâneos, acima do solo e elevados são exemplos de fontes fechadas.

Quando a água é obtida de uma fonte estática, como um lago ou tanque enterrado, é necessária pressão adicional para uma proteção eficaz contra incêndio. Isto deve ser considerado no cálculo hidráulico procedimento, e o aumento de pressão pode ser alcançado com um bomba de incêndio ou tanque pressurizado.

Configurações do sistema de tubulação

Os layouts de tubulação da maioria dos sistemas de proteção contra incêndio podem ser classificados em três tipos principais, com base em como os tubos individuais são dispostos: árvore, circuito e grade.

As normas de proteção contra incêndio normalmente exigem o método Hazen-Williams para determinar as perdas por atrito em um sistema de tubulação, independentemente do layout utilizado:

• Os layouts de tubulação em árvore e em loop têm um procedimento mais simples e cálculos manuais são viáveis.
• Por outro lado, os layouts de tubulações de rede requerem software para analisar e equilibrar o fluxo de água através de todos os caminhos possíveis.

Os sistemas modernos de proteção contra incêndio são normalmente projetados com cálculos computadorizados, independentemente do layout utilizado. Os cálculos de software permitem alterações e recálculos em apenas uma fração do tempo necessário com procedimentos manuais.

Existem muitos fatores que influenciam a intensidade e extensão de um incêndio, que incluem os materiais armazenados num edifício e a sua disposição. Os códigos de proteção contra incêndio fornecem tabelas e valores típicos de projeto, provenientes de décadas de testes e simulação detalhada de incidentes de incêndio. O Manual da NFPA 13 possui um suplemento que cobre a teoria e os procedimentos por trás dos cálculos hidráulicos.

Cálculo da densidade dos sprinklers com base na demanda

A classificação de perigo de ocupação é um fator crítico ao projetar um sistema de sprinklers automáticos. Se o risco de incêndio for subestimado, o sistema de sprinklers resultante será subdimensionado para os incêndios que possam ocorrer. O sistema não será capaz de extinguir as chamas, causando extensos danos materiais e possíveis vítimas.

A classificação de perigo deve ser determinada por engenheiros experientes em proteção contra incêndio. Não há procedimento de cálculo e a análise é qualitativa – depende da experiência e da familiaridade com os padrões da NFPA.

• Com base na classificação de perigo, os engenheiros de proteção contra incêndio podem determinar o layout ideal de tubulações e sprinklers contra incêndio.
• O próximo passo é determinar o número máximo de sprinklers que podem ser ativados de uma só vez e calcular a pressão necessária para garantir fluxo de água suficiente.
• Em qualquer cenário com sprinklers menos activos que o máximo assumido, a tubagem e o abastecimento de água serão mais que suficientes.

O número de sprinklers considerado nos cálculos de projeto é determinado principalmente pela classificação de perigo. Porém, há liberdade para ajustes que sejam considerados adequados pelo projetista.

A NFPA fornece gráficos que estabelecem uma relação entre área coberta e densidade de fluxo. Os projetistas de proteção contra incêndio selecionam uma combinação adequada de área e densidade, dependendo da aplicação.

• O projeto do sprinkler contra incêndio pode variar de alta densidade de fluxo em uma área pequena a baixa densidade em uma grande área.
• Em ambos os casos, o objetivo é controlar o fogo antes que ele se espalhe para fora da área projetada.

Como calcular os requisitos de fluxo de sprinklers?

O cálculo do fluxo é relativamente simples, pois os engenheiros de projeto só precisam multiplicar a área coberta e a densidade do fluxo que foi previamente determinada:

• Q (vazão) = Área de Cobertura x Densidade de Vazão

Os sprinklers listados normalmente possuem requisitos de vazão mínima em suas especificações técnicas, que dependem do espaçamento. Os requisitos de vazão do fabricante devem prevalecer caso excedam os valores calculados.

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Como calcular os requisitos de pressão do sprinkler?

O cálculo da pressão é mais complexo, pois os sprinklers envolvem uma conversão de energia de pressão em energia cinética. O cálculo utiliza a fórmula do fluxo de água através de um orifício, com base na pressão dentro do tubo:

• Q (fluxo) = 29,83 x C_D xD² x√P
• C_D é o coeficiente de descarga, que é baseado nas características do orifício e determinado experimentalmente.
• Por outro lado, tAs letras d e P representam simplesmente diâmetro e pressão.

Como os sprinklers contra incêndio já possuem um diâmetro de projeto, todos os fatores, exceto a pressão, podem ser combinados em um “fator K” para cálculos mais simples. Isso resulta em uma fórmula mais compacta:

• Q = K x √P

Quando o fluxo necessário (Q) é conhecido, a fórmula pode ser reorganizada da seguinte forma para calcular a pressão necessária (P):

• P = (Q / K) 2

A NFPA 13 estabelece uma pressão mínima de 7 psi, mesmo quando o procedimento de cálculo produz um valor menor. Isso garante que os sprinklers produzam o padrão de pulverização correto. Contudo, a NFPA 13 também prevê exceções ao método, que são abordadas no Capítulo 7. A seguir estão alguns exemplos:

• Aplicações em que são utilizados sistemas de sprinklers de tubo seco.
• Sprinklers de resposta rápida sob tetos planos e lisos com altura limitada.
• Espaços ocultos não aspergidos e combustíveis em um edifício.
• Espaços divididos em múltiplos compartimentos, onde métodos alternativos permitem um menor número de sprinklers.
• Unidades habitacionais e corredores adjacentes, que utilizam procedimento simplificado com área projetada de quatro aspersores.

Conclusão

Os sistemas de sprinklers automáticos possuem requisitos de projeto rigorosos, o que faz sentido devido à sua importância na proteção contra incêndio. Projetar um sistema de sprinklers que atenda às normas com custo ideal é um desafio de engenharia, que requer experiência em proteção contra incêndio e familiaridade com as normas.

Na cidade de Nova York, todas as propriedades comerciais abrangidas por Lei Local 26 eram obrigados a ter sprinklers contra incêndio até 1º de julho de 2019. Se você tiver uma propriedade que não cumpriu o prazo, a melhor recomendação é entrar em contato com uma empresa de engenharia MEP qualificada o mais rápido possível.