Mechanisms for Active Protection of People and Infrastructures against Forest Fires

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia

Os incêndios florestais provaram ser um dos maiores problemas em Portugal nos últimos anos, representando não só uma grave ameaça ambiental, mas também um impacto económico significativo em todo o país, com a perda de bens e, acima de tudo, a perda de vidas humanas.A maioria desses problemas ocorre quando incêndios florestais atingem a chamada interface urbano florestal. Esta é a área onde coexiste vegetação e estruturas humanas, tornando as últimas altamente suscetíveis ao impacto de um ambiente propenso a incêndios florestais. Em Portugal, a interface urbano florestal está espalhada por todo o país, sendo as regiões norte e centro as que apresentam maior risco associado a incêndios florestais. Este trabalho visa encontrar e desenvolver soluções que possam ser utilizadas nestas interfaces, com o objetivo de proteger pessoas e bens dos altos níveis de calor e radiação de incêndios florestais, além de auxiliar no combate a incêndios e supressão da frente de fogo.Este trabalho está enquadrado no projeto Fireprotect que visa desenvolver, testar e validar diversas soluções para proteção contra incêndios florestais, com o objetivo final de colocá-las no mercado.O mecanismo desenvolvido é uma barreira contra incêndios que se intende simples, mas eficaz, que pode ter múltiplos usos, como a proteção de um perímetro fixo ou como mecanismo de proteção de configuração rápida e móvel para ser facilmente usado em qualquer lugar.Este mecanismo compreende duas estruturas principais, cercas que contêm sistemas de aspersão de água para a humidificação ativa das barreiras e da vegetação em seu redor, mas também para a supressão direta de chamas e frentes de fogo; barreiras que são grandes tecidos feitos de telas ignífugas, cuja finalidade é sustentar o avanço da frente de incêndio, protegendo tudo no interior do seu perímetro de proteção.Todo o processo de desenvolvimento de soluções incluiu várias etapas. Primeiro, um estudo do estado-de-arte foi realizado para investigar diferentes tipos de barreiras, soluções de proteção contra incêndios e normas e procedimentos para testes e certificação de estruturas de incêndio. Em seguida, realizou-se uma experimentação teórica e prática de diferentes tipos de telas ignífugas com a proposta de alcançar o limite de resistência ao fogo, incluindo um estudo sobre o efeito do arrefecimento a água. Uma vez selecionada a melhor tela, foram estudados os fluxos e pressões necessários para o correto funcionamento do sistema de aspersão da tela. Os reservatórios de água e as bombas de alimentação também foram dimensionados. Por fim, foram realizados ensaios de campo na área de Castanheira de Pera para superar as limitações de escala encontradas nos testes de laboratório.Estes testes servem para melhorar constantemente a solução final, descobrindo o comportamento real do mecanismo e seus sistemas quando expostos às condições extremas de um incêndio florestal, incluindo a vantagem de usar um sistema de aspersão de água, a melhor tela ignífuga para usar e também a altura da barreira necessária para um fogo similar ao verificado numa área de interface urbano florestal. No final, conclui-se que esta solução pode ser usada no campo, apesar de mais testes e melhorias serem necessárias antes de colocá-la no mercado.

Wild fires (WF) have proven to be one of the biggest problems in Portugal in recent years, representing not only a severe environmental threat, but also bearing a significant economic impact in the whole country, with the loss of assets and, above all, the loss of human lives.Most of these problems occur when WF reach the so-called wildland urban interface (WUI). This is the area where vegetation and human made structures coexist, making them highly susceptible to the impact of a wildfire prone environment. In Portugal the WUI is spread throughout the whole country, being the north and the central regions the ones with the highest risk associated with WF. This work aims at finding and developing solutions which can be used in these interfaces, with the purpose of protecting people and goods from the high levels of heat and radiation from WF, in addition to aid in the firefighting and fire line suppression.This work is framed in the project Fireprotect that aims to develop, test and validate several solutions for wild fire protection, with the ultimate goal of placing them in the market. The mechanism developed is a simple but effective fire barrier that can have multiple uses, as a fixed perimeter protection, or as mobile and fast setup protection mechanism to be easily used in any place.This mechanism comprises two main structures, fences which contain water sprinkling systems for active humidification of the barriers and the vegetation in their vicinity, but also for direct flame and fire-front suppression; barriers which are large fire resistant fabrics, whose purpose is to sustain the advance of the fire front, while protecting everything inside their protection perimeter.The whole process of solution development included several steps. First, a state-of-the-art study was carried out to investigate different types of barriers, fire protection solutions and standards and procedures for testing and certification of fire structures. After this, both a theoretical and a practical experimentation of different types of fire resistant fabrics with the propose of accessing their resistance limit to the fire, was carried out, including a study on the effect of a water cooling. Once the best fabric was selected, the flows and pressures necessary for the correct operation of the sprinkling system for the barrier were studied. The water reservoirs and feed pumps were also dimensioned. Finally, field trials were carried out in the Castanheira de Pera area to overcome the scale limitations found in the laboratory tests.These tests serve to constantly improve the final solution, by accessing the real behavior of the mechanism and its systems when exposed to the extreme conditions of a WF, including the advantage of using a water spray system, the best fire fabric to use and also the height of the barrier required for a similar fire verified in an wildland urban interface area. In the end, one concludes that this solution can be used in the field, despite more testing and improvement is required prior to place it on the market.