Implementation and testing of an active intelligent barrier sytem for wildfires

Abstract

Ao longo dos tempos, mas sobretudo mais recentemente, Portugal tem sido assolado por fogos florestais, com grandes impactos a vários níveis, sejam eles destruição de paisagens, de habitações, perdas de vidas humanas, são algumas das tragédias causadas pelos fogos florestais. Uma estratégia para fazer face a esta calamidade passa pelo desenvolvimento de sistemas de proteção de elementos expostos ao fogo. É neste âmbito que surge o projeto Fireprotect, no qual este trabalho está inserido.O trabalho desenvolvido nesta dissertação faz parte de um destes sistemas de proteção. Trata-se de um sistema de barreiras térmicas que têm como objetivo a criação de perímetros de segurança em torno dos elementos a proteger, sejam eles casas, locais de trabalho, terrenos etc., providenciando uma barreira dupla composta por uma tela ignífuga à base de fibra de vidro para travar o avanço das chamas e proteger dos efeitos radiativos, e por um sistema de aspersão de água para a humidificação do terreno em volta e da própria tela. Estas barreiras são modulares, permitindo que várias unidades sejam acopladas.Este sistema é composto por uma estrutura articulada que se encontra acoplada a uma torre e que necessita de mecanismos para ser estendida e recolhida, mecanismos esses cujo desenvolvimento constitui um dos objetivos deste trabalho. A estratégia usada consistiu num sistema de motores stepper e atuadores controlados através de uma placa eletrónica Wi-Fi, sendo que todos estes elementos se encontram dentro da torre.Foi também realizada a implementação da estrutura articulada e proposta uma nova abordagem à mesma, através da alteração do formato das barras de suporte verticais, de modo a garantir-lhe mais estabilidade. Para proceder à montagem do sistema, foram usadas várias peças feitas por medida.Um dos fatores mais importantes para o sucesso das barreiras é a sua capacidade de sustentação quando sujeitas a vento. Para isso foram também realizados cálculos que permitiram obter as dimensões da estrutura de forma a suportar a força do vento.De seguida a estrutura foi testada em túnel de vento, para verificar como reagia quando sujeita a velocidades de ar de 1,2,3 e 4 m/s.Por último, verificando-se que as barras em X que compunham a estrutura articulada dobravam facilmente, o que causava problemas de estabilidade, surgiu a necessidade de realizar a otimização da geometria da estrutura através de testes de simulação em computador. Estes tiveram como objetivo sugerir novas geometrias para as barras, de modo a garantir-lhes maior estabilidade, no caso, barras de secção circular e de secção quadrada. Foram calculados os deslocamentos que as diferentes soluções sofriam quando sujeitas a forças de compressão.Tanto os ensaios laboratoriais como os testes de simulação serviram para tirar algumas conclusões. Foram também deixadas algumas sugestões para trabalhos futuros, com o objetivo de aperfeiçoar este sistema de proteção.

Over time, but especially more recently, Portugal has been plagued by forest fires, with major impacts at various levels, whether destruction of landscapes, housing, loss of human lives, are some of the tragedies caused by forest fires. One strategy to address this calamity is the development of fire protection systems. This is where the Fireprotect project emerges, in which this work is inserted.The work developed in this dissertation is part of one of these protection systems. It is a system of thermal barriers that aims to create security perimeters around the elements to be protected, and those can be houses, workplaces, land, etc., providing a double barrier composed of a fireproof screen based on fiberglass to stop the advance of the flame and protect it from radiation effects, and a water sprinkler system to humidify the surrounding terrain and the fabric itself. These barriers are modular, allowing multiple units to be coupled.This system consists of an articulated structure that is coupled to a tower and that needs mechanisms to be extended and retracted, mechanisms whose development constitutes one of the objectives of this work. The strategy used consisted of a system of stepper motors and actuators controlled by a Wi-Fi electronic board, all of which are inside the tower.The articulated structure was also implemented and a new approach to it was proposed, by changing the shape of the vertical support bars, in order to guarantee more stability. To assemble the system, several custom-made parts were used.One of the most important factors in the success of the barriers is their ability to sustain wind force. For this, calculations were performed that allowed to obtain the structure dimensions in order to withstand the wind force.The structure was then tested on a wind tunnel to evaluate how it reacted when subjected to air flow velocities of 1, 2, 3 and 4 m / s.Finally, as the X-bars that made up the articulated structure were easily bendable, which caused stability problems, there was the need to make some shape optimization through computer simulation tests. These were intended to suggest new geometries for the bars, in order to guarantee them greater stability, in this case, circular and square section bars. The displacements that the different solutions suffered when subjected to compressive forces were calculated.Both laboratory tests and simulation tests served to draw some conclusions. Some suggestions were also left for future work in order to improve this protection system.