Análise numérica de barreiras físicas para mitigar os efeitos da explosão de tanques de gás usando fluidodinâmica computacional

Moura, Tiago Rodrigues Coelho de; Costa Neto, Murilo Limeira da; Doz, Graciela Nora

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Revista IBRACON de Estruturas e Materiais

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Sumário

ORIGINAL ARTICLE • Rev. IBRACON Estrut. Mater. 17 (3) • 2024 • https://doi.org/10.1590/S1983-41952024000300001 copiar

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10.1590/S1983-41952024000300011

Análise numérica de barreiras físicas para mitigar os efeitos da explosão de tanques de gás usando fluidodinâmica computacional

Autoria SCIMAGO INSTITUTIONS RANKINGS

Resumo

Em muitas edificações urbanas há a presença de centrais de gás, as quais contém tanques pressurizados. Nesses locais, um dos principais riscos existentes é a explosão, que pode ser seguida ou não de incêndio. Em geral, a onda de choque formada por este tipo de fenômeno é desastrosa e pode ocasionar diversos danos materiais e até mesmo fatalidades. Pesquisas recentes têm contribuído para o entendimento dos sistemas protetivos contra este fenômeno, entretanto, é necessário avançar no desenvolvimento de dispositivos de proteção quanto as centrais de gás. Nessa perspectiva, a implementação destes para mitigação dos efeitos danosos das explosões é imprescindível para elevar o patamar de segurança nas construções. As barreiras físicas de proteção são soluções apropriadas para proteção de edificações, principalmente em locais onde há a impossibilidade de enterrar os reservatórios de gás. Além do potencial em reduzir os níveis de sobrepressão na parte posterior, os muros de proteção, quando corretamente projetados, também são capazes de impedir a propagação dos detritos oriundos da explosão. Outro tipo de barreira que influencia na propagação da onda de choque próxima ao solo são as valetas, cuja função está relacionada à absorção e redirecionamento da energia da onda. A compreensão sobre o posicionamento, geometria e potencial de atenuação de sobrepressões das barreiras físicas é indispensável no desenvolvimento de projetos mais seguros e confiáveis. Este artigo objetiva o estudo de barreiras protetivas em edificações com tanques de gás pressurizados. O estudo foi desenvolvido numericamente por meio do software Autodyn. Este programa é uma ferramenta baseada na dinâmica dos fluidos computacional (CFD). Avaliou-se qualitativamente e quantitativamente a capacidade protetiva dos tipos de proteção propostos quanto à mitigação das sobrepressões incidentes.

Palavras-chave:
explosão; tanque de gás; onda de choque; sobrepressão; barreiras de proteção

Author	Equation	Requirement	Unit
Brode	$Δ P = \frac{6.7}{Z^{3}} + 1$ (2)	ΔP > 10	Bar
Brode	$Δ P = \frac{0.975}{Z} + \frac{1.455}{Z^{2}} + \frac{5.85}{Z^{3}} - 0,019$ (3)	0.1 < ΔP < 10	Bar
Henrych	$Δ P = \frac{14.072}{Z} + \frac{5.540}{Z^{2}} - \frac{0.357}{Z^{3}} + \frac{0.00625}{Z^{4}}$ (4)	0.05 ≤ Z ≤ 0.3	Bar
	$Δ P = \frac{6.194}{Z} - \frac{0.326}{Z^{2}} + \frac{2.132}{Z^{3}}$ (5)	0.3 ≤ Z ≤ 1	Bar
	$Δ P = \frac{0.662}{Z} + \frac{4.05}{Z^{2}} + \frac{3.288}{Z^{3}}$ (6)	1 ≤ Z ≤ 10	Bar
Mill	$Δ P = \frac{1772}{Z^{3}} - \frac{114}{Z^{2}} + \frac{108}{Z}$ (7)	-	kPa
Kinney	$\frac{Δ P}{P_{0}} = \frac{808 [1 + {(\frac{Z}{4.5})}^{2}]}{\sqrt{1 + {(\frac{Z}{0.048})}^{2}} \sqrt{1 + {(\frac{Z}{0.32})}^{2}} \sqrt{1 + {(\frac{Z}{1.35})}^{2}}}$ (8)	-	-
Newmark	$Δ P = 6784 \frac{W}{R^{3}} + 93 {(\frac{W}{R^{3}})}^{1 / 2}$ (9)	-	Bar

Volume	8.15 m³
Length	2580 mm
Diameter	2200 mm
Design pressure	2 MPa (20 bar)

Reference temperature (T)	15º C (288.2 K)
Specific heat at constant volume (C_v)	1.4909 kJ/kg∙K
Gas constant (R)	0.1885 kJ/kg∙K
Critical point temperature (T_c)	370 K
Critical point pressure (P_c)	4.26 MPa
Co-volume (b) - obtained by the Equation 13	0.00205 m³/kg

Wall position	D [mm]
P1	3600
P2	4850
P3	6100

Model	Surface1	Curvature2	Width [mm]		Material
Model	Surface1	Curvature2	Top	Base	Material
G1	plane	-	200	200	concrete
G2a	plane	-	100	500	concrete
G2b	inclined	-	100	500	concrete
G3a	concave	20°	100	500	concrete
G3b	convex	20°	100	500	concrete
G4a	concave	40°	100	500	concrete
G4b	convex	40°	100	500	concrete
G5a	concave	60°	100	500	concrete
G5b	convex	60°	100	500	concrete
G6a	concave	80°	100	500	concrete
G6b	convex	80°	100	500	concrete
G7a	plane	-	200	500	concrete
G7b	irregular	-	200	500	concrete
G8	rough	-	100	500	concrete
G9	steps	-	500	2000	concrete
G10	inclined	-	500	3000	sand

Ditch	Depth [mm]	Width [mm]		Shape
Ditch	Depth [mm]	higher	bottom	Shape
V1	1000	500	500	rectangular
V2	500	1000	1000	rectangular
V3	400	1250	1250	rectangular
V4	625	1000	600	trapezoidal
V5	625	1000	600	trapezoidal
V6	625	1000	600	trapezoidal
V7	1000	1000	0	triangular
V8	800	1250	0	triangular
V9	800	1250	0	triangular
V10	562.5	1125	0	semicircle

Gauge	G1	G2a	G2b	G3a	G3b	G4a	G4b	G5a
1	71.5%	71.1%	68.7%	71.2%	71.7%	71.1%	71.7%	71.2%
2	67.6%	67.6%	62.6%	68.2%	67.4%	68.8%	66.7%	69.3%
3	72.1%	71.9%	62.7%	72.5%	71.7%	73.0%	71.2%	73.5%
Gauge	G5b	G6a	G6b	G7a	G7b	G8	G9	G10
1	71.5%	71.4%	71.0%	71.9%	69.3%	71.2%	65.3%	61.3%
2	66.5%	69.7%	66.5%	69.9%	65.6%	68.9%	63.6%	59.4%
3	70.8%	73.9%	70.5%	74.4%	67.5%	72.9%	65.5%	63.0%

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[1] Corresponding author: Tiago Rodrigues Coelho de Moura. E-mail: tiago.trcm@gmail.com