Structural design and analysis of an active forest fire propagation barrier

Abstract

Os incêndios florestais têm sido um problema crescente em Portugal, trazendo não só enormes prejuízos para a economia do país como também, acima de tudo, a perda de vidas humanas.A constante ameaça das zonas de interface urbano florestal (WUI), onde a vegetação e estruturas urbanas coexistem reunindo condições propícias a criação de incêndio, despertou uma nova consciência para o como gerir e proteger estas áreas que cobrem a maior parte do país e que são aquelas que colocam mais em risco a vida das pessoas. O objetivo deste trabalho foca-se no desenvolvimento de mecanismos de defesa dessas zonas, protegendo as pessoas e bens dos efeitos nefastos radiativos e de calor dos incêndios florestais.Este trabalho encontra-se dentro do projeto FireProtect, que tem como linha de investigação o desenvolvimento e teste de soluções possíveis para proteção contra incêndios florestais. O intuito final será comercializar no mercado os produtos desenvolvidos para que possam ser uma mais valia no combate a este crescente problema.A solução desenvolvida passa por uma combinação de dois sistemas de proteção: cercas de água e uma barreira física de material ignífugo. As cercas usam apenas a água como o elemento de proteção enquanto que as barreiras usam um material sólido ignífugo, neste caso uma tela à base fibra de vidro. Esta combinação dá-se o nome de Barreiras Térmicas. As Barreiras Térmicas têm como principal finalidade a criação de perímetros de proteção em torno de elementos urbanos, providenciando uma dupla barreira composta por uma tela ignífuga para travar o avanço das chamas e proteger dos efeitos radiativos, e também por um sistema ativo de aspersão de água para a humidificação da vegetação do terreno em volta.Foram desenvolvidas neste trabalho duas vertentes de barreiras térmicas: Barreira Térmica Móvel (BTM) e Barreira Térmica Fixa (BTF). A vertente móvel tem como principal finalidade uma montagem rápida e manual de uma barreira leve e de fácil transporte num espaço e tempo variáveis. Por outro lado, a vertente fixa consiste numa maior barreira térmica automatizada remotamente, montada num espaço já previamente definido, que permite criar um perímetro de proteção mais extenso.Para o desenvolvimento destas soluções foi feito todo um estudo de sistemas de proteção já existentes no mercado. Nesse estudo foram avaliados todos os tipos soluções encontradas quanto à facilidade de montagem, custos envolvidos, grau de automatização, adaptabilidade ao terreno, grau de humidificação, proteção contra vandalismo e impacto visual. Usou-se uma combinação de várias características preponderantes de uma Barreira Térmica presentes em algumas delas para dar asas a uma solução mais rica e eficaz no seu objetivo de proteção contra incêndios florestais. Depois de projetadas e modeladas as soluções usando ferramentas computacionais, foram feitas inúmeras otimizações iterativas de maneira a estas cumprirem com todos os principais requisitos estabelecidos para uma Barreira Térmica. Na fase seguinte procedeu-se à encomenda das várias peças necessárias à construção da BTM, não tendo sido possível em tempo útil receber todas as peças para a BTF. Numa última fase foram realizados ensaios de campo para a BTM, no Coentral em Castanheira de Pêra, para avaliar a capacidade de combate desta solução desenvolvida.Estes ensaios serviram para tirar conclusões sobre comportamento destas Barreiras Térmicas quando expostas a condições reais de incêndio florestal e apontar algumas melhorias para um futuro aperfeiçoamento do protótipo a comercializar no mercado.

Forest fires (FF) have been a growing problem in Portugal, bringing not only enormous losses to the country's economy but also, above all, the loss of human lives.The constant threat of the Wildland Urban Interface (WUI) zones, where vegetation and urban structures coexist with conditions conducive to fire creation, has awakened a new awareness of how to manage and protect these areas that cover most of the country and which are the ones that put people's lives at greater risk. The objective of this work is the development of defense mechanisms in these zones, protecting people and property from the harmful effects radiative and heat from FF.This work is within the FireProtect project, which has an investigation line of development and testing of possible solutions for protection against FF. The final aim will be to comercialize the products developed so that they can be an asset in the fight against this growing problem.The solution developed involves a combination of two protection systems: water fences and a physical barrier of flame resistant material. Fences use only water as the protective element while the barriers use a fire-resistant solid material, in this case a fiberglass-based fabric. This combination is called Thermal Barriers. Thermal Barriers have as main purpose the creation of protection perimeters around urban elements, providing a double barrier composed by a fire-resistant fabric to stop the advance of the flames and to protect from the radiative effects, as well as by an active system of water sprinkling to humidify the surrounding vegetation. Two types of Thermal Barriers were developed in this work: Mobile Thermal Barrier (MTB) and Fixed Thermal Barrier (FTB). The main purpose of the mobile strand is the rapid and manual assembly of a light barrier and easy transport in a variable space and time. On the other hand, the fixed type consists of a larger, remotely automated Thermal Barrier, mounted in a previously defined space, which allows to create a more extensive perimeter of protection.For the development of these solutions, a study of protection systems already existing in the market was made. In this study were evaluated all types of solutions found regarding ease of assembly, costs involved, degree of automation, terrain adaptability, degree of humidification, protection against vandalism and visual impact. A combination of several main characteristics for a Thermal Barrier found was used in order to create a richer and more effective solution in its goal of FF protection. After designing and modeling the solutions using computational tools, many iterative optimizations have been made to meet all the key requirements for a Thermal Barrier concept. In a next phase, only the construction of the MTB took place since the order for all FTB parts was not accomplish in time. As a last phase, field trials were carried out for the MTB prototype, in the Coentral in Castanheira de Pêra, to evaluate the combat capacity of this developed solution.These tests served to draw conclusions about the behavior of these Thermal Barriers when exposed to real FF conditions and to point out some ajustments for a future improvement of the prototype to be commercialized in the market.