Incendi di progetto: un esempio di utilizzo del modello FDS per definire gli scenari previsti dalla RTV | Ingegneri.info

Incendi di progetto: un esempio di utilizzo del modello FDS per definire gli scenari previsti dalla RTV

Gli incendi di progetto sono molto importanti per la definizione di uno scenario di Incendio. Vediamone le modalità di definizione, l’importanza della curva HRR di rilascio di calore, la definizione di un focolaio predefinito

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A cura del Dott. Ing. Giovanni Bellomia e del Dott. Arch. Martina Bellomia

Gli incendi di progetto sono molto importanti per la definizione di uno scenario di Incendio. L’articolo tratta le modalità di definizione di un Incendio di progetto, l’importanza della curva HRR di rilascio di calore da un Incendio, la definizione di un focolaio predefinito.

E’ riportato un esempio di utilizzo del modello FDS per la definizione degli scenari previsti dalla RTV di cui al Decreto del Ministero dell’Interno 21 febbraio 2017 relativi alle autorimesse

Scenari di Incendi di Progetto

La progettazione basata sulle prestazioni è sempre più utilizzata in Europa per la definizione delle misure di prevenzione protezione che devono adottare le attività che presentano pericoli d’incendio. I metodi dell’ingegneria della sicurezza antincendio (FSE) sono utilizzabili in fase di pre-flashover per verificare/dimensionare i sistemi di vie di esodo delle attività in funzione della propagazione degli incendi e dello sviluppo dei prodotti della combustione, mentre in fase di post-flashover i metodi della Fire Engineering sono utilizzati per il calcolo della resistenza al fuoco delle strutture.

In genere la progettazione antincendio con l’approccio prestazionale dell’ingegneria della sicurezza (FSE) deve soddisfare appositi criteri prestazionali, sia per la sicurezza della vita umana che per la salvaguardia dell’edificio e dei beni in esso contenuti.

Nel primo caso, il criterio prestazionale riguarda la garanzia che ogni occupante, non addestrato ad affrontare un incendio, non venga esposto a condizioni insostenibili degli effetti dell’incendio, istantanee o cumulative.

Nel secondo caso il criterio prestazionale riguarda la garanzia che gli ambienti, gli spazi o i beni in esso contenuti non vengano esposti ad effetti istantanei o cumulativi di incendio che possano causare agli stessi danni irreversibili.

Per scenario d’incendio di progetto si deve intendere la descrizione qualitativa di un particolare incendio nel tempo e nello spazio. Lo scenario d’incendio di progetto considera la fonte ed il meccanismo d’innesco, lo sviluppo del fuoco sulla prima cosa che brucia, la propagazione di un incendio, la sua interazione con l’ambiente, il calo d’intensità e lo spegnimento. Lo scenario può comprendere l’interazione dell’incendio con gli occupanti e con i sistemi di sicurezza nel fabbricato.

Il “codice di prevenzione incendi” (D.M. 3 agosto 2015) definisce:

Gli scenari di incendio rappresentano la schematizzazione degli eventi che possono ragionevolmente verificarsi nell’attività in relazione alle caratteristiche del focolare, dell’edificio e degli occupanti.

Per ogni fabbricato, il numero di scenari possibili è illimitato ed è perciò impossibile analizzarli tutti, anche con l’aiuto di risorse informatiche sofisticate. E’ quindi necessario restringere il campo di analisi ad un gruppo limitato di scenari d’incendio, scelti tra i peggiori casi realistici. È auspicabile, a tal proposito, che tutte le parti interessate vengano coinvolte nella scelta degli scenari d’incendio di progetto pertinenti.

Il D.M. 3 agosto 2015 prevede i seguenti tre passi per la realizzazione di un progetto prestazionale che possa essere valutato correttamente dalle competenti strutture del Corpo Nazionale dei Vigili del fuoco.

  1. a) identificazione dei possibili scenari d’incendio che possono svilupparsi nell’attività, da cui dipende l’esito dell’intera valutazione secondo il metodo prestazionale;
  2. b) selezione degli scenari d’incendio di progetto tra tutti i possibili scenari d’incendio identificati;
  3. c) descrizione quantitativa degli scenari d’incendio di progetto selezionati.

Per individuare gli scenari d’incendio, il professionista antincendio sviluppa uno specifico albero degli eventi a partire da ogni evento iniziatore pertinente e credibile.

Il processo può essere svolto in maniera qualitativa, oppure in maniera quantitativa se sono disponibili dati statistici desunti da fonti autorevoli e condivise. Ogni scenario d’incendio identificato deve essere compiutamente ed univocamente descritto in relazione ai suoi tre aspetti fondamentali: le caratteristiche dell’incendio, le caratteristiche dell’attività e le caratteristiche degli occupanti.

Il professionista antincendio deve specificare se lo scenario d’incendio ipotizzato sia relativo ad una condizione di pre-flashover oppure ad una condizione di post-flashover, a seconda dell’obiettivo da raggiungere.

Ogni scenario identificato deve almeno contenere:

  • evento iniziatore caratterizzato da un focolaio di incendio e dalle condizioni dell’ambiente circostante;
  • propagazione dell’incendio e dei prodotti della combustione;
  • azione degli impianti tecnologici e di protezione attiva contro l’incendio;
  • azioni eseguite dai componenti della squadra aziendale dedicata alla lotta antincendio presenti nell’ambiente;
  • distribuzione e comportamento degli occupanti.

La selezione degli scenari d’incendio è fortemente influenzata dall’obiettivo che il professionista antincendio intende raggiungere. Ad esempio, se si intende principalmente perseguire la salvaguardia degli occupanti durante la fase di esodo, devono essere selezionati scenari che abbiano le seguenti caratteristiche:

− un incendio di breve durata e con crescita veloce, che e accompagnato da elevata produzione di fumo e gas di combustione (ad esempio, l’incendio di un mobile imbottito), risulta più critico di uno che rilascia maggiore potenza termica, ma che ha una crescita lenta e dura più a lungo, anche se quest’ultimo sollecita termicamente in modo più severo gli elementi costruttivi presenti;

− un incendio di limitate dimensioni, che pero si sviluppa in prossimità delle vie di esodo di un locale ad alta densità di affollamento, può risultare più pericoloso di uno che emette una maggiore potenza termica, ma che si origina in un ambiente confinato e che si trova lontano dalle zone dove e prevista la presenza di occupanti.

La norma tecnica statunitense NFPA 101 “Life Safety Code” prevede 8 scenari. La NFPA 914 “code for fire protection of historic structures” aggiunge a tali scenari quattro ulteriori indicazioni per la valutazione della tutela dei beni culturali.

Scenario 1

Questo scenario descrive un incendio che si sviluppa durante una fase normale dell’attività. Nella definizione delle condizioni rappresentative dovranno essere prese in considerazione specificamente:

  • le attività delle persone presenti;
  • il numero e la posizione delle persone presenti;
  • la caratteristiche geometriche dei locali;
  • il tipo e la quantità di mobilio, dei rivestimenti e del materiale contenuto nell’ambiente;
  • le proprietà del combustibile presente e le fonti di innesco;
  • le condizioni di ventilazione.

Inoltre, occorre definire il primo oggetto ad essere incendiato e la sua posizione.

Scenario 2

Questo scenario descrive un incendio che si sviluppa con la combustione di un materiale con curva di crescita ultra veloce, ubicato nella via di esodo più importante. Le porte interne all’inizio dell’incendio sono aperte. In particolare, questo scenario deve riguardare la simulazione dell’incendio con specifica attenzione ai problemi di esodo delle persone. Infatti, a causa dell’ipotetico incendio avente una rapida propagazione, occorre prestare particolare attenzione alla riduzione del numero di vie di esodo disponibili, valutando la disponibilità ed efficacia dei sistemi di esodo alternativi e le conseguenze dell’incendio sui beni da proteggere, sulle finiture interne e sui componenti strutturali.

Scenario 3

In questo caso si descrive un incendio che ha inizio in un locale in cui normalmente non sono presenti persone ma che, per la sua posizione, può mettere in pericolo un grande numero di individui presenti in un altro locale dell’edificio. L’incendio, nel presente scenario, migrerà verso l’ambiente potenzialmente più affollato dell’edificio.

Scenario 4

Questo scenario prevede un incendio con origine in una intercapedine o in un controsoffitto adiacente ad un locale di grandi dimensioni e in cui sono presenti persone. Si ipotizzerà che l’intercapedine o il controsoffitto non siano protetti né da un sistema di rilevazione, né da uno di soppressione e che l’incendio si propagherà nell’ambiente, all’interno dell’edificio, con il maggiore indice potenziale di affollamento.

Scenario 5

Questo scenario prevede l’incendio di un materiale con curva di crescita lenta, rallentato dai sistemi di protezione attiva, in adiacenza ad una zona con affollamento. Questo scenario riguarda la simulazione di un incendio che si attiva da un innesco relativamente piccolo ma che sviluppa un incendio rilevante.

Scenario 6

Questo scenario prevede un incendio intenso, conseguenza del maggior carico di incendio possibile nelle normali operazioni svolte nell’edificio. Esso si riferisce ad una crescita rapida in presenza di persone.

Scenario 7

Questo scenario prevede l’esposizione ad un incendio esterno, la cui combustione inizia in una zona esterna all’area interessata dalla valutazione e che in seguito la raggiunge e si propaga al suo interno rendendo le condizioni al suo interno non sostenibili oppure ne blocca le vie di esodo.

Scenario 8

Questo scenario, infine, descrive un incendio generato da combustibili ordinari oppure che si sviluppa in un’area o stanza con sistemi di protezione (attivi o passivi) messi uno alla volta fuori uso. Questo scenario valuta l’evoluzione dell’incendio in relazione ai singoli sistemi di protezione o prodotti, considerati singolarmente non affidabili o non disponibili.

Ogni scenario è estremo, ma deve essere realistico rispetto a:

  1. posizione iniziale del focolaio, sempre unico, definendo esplicitamente il primo elemento acceso e la sua posizione;
  2. tasso iniziale di crescita della curva d’incendio;
  3. produzione di fumo.

L’identificazione degli scenari di progetto, è necessaria per descrivere le caratteristiche dell’incendio su cui il procedimento di quantificazione degli effetti sarà basato.

L’incendio di progetto deve essere adatto agli obiettivi del progetto di ingegneria di sicurezza antincendio. Per esempio, se l’obiettivo è di valutare la propagazione del fumo all’interno di un ambiente e il dimensionamento del sistema di controllo del fumo stesso, al fine della salvaguardia della vita, l’incendio di progetto deve essere scelto per verificare il corretto funzionamento del sistema e lo scenario deve prevedere la combustione di materiale che comporta la creazione di molto fumo in poco tempo, compatibilmente con le caratteristiche dei materiali contenuti all’interno del compartimento

La scelta dell’incendio di progetto è molto importante in quanto, se la severità dello stesso è sottovalutata, l’applicazione dei metodi della FSE, per predire gli effetti dell’incendio, può dare risultati che non riflettono esattamente l’effetto reale dell’incendio, con conseguenze di sottovalutazione del relativo rischio. Per contro, se la severità è sopravvalutata, la spesa per mettere in atto i sistemi di prevenzione e protezione, finalizzati alla riduzione del rischio, può risultare eccessiva se non addirittura inutile.

E’ importante sottolineare che un incendio di progetto ha poche probabilità di accadimento. Gli incendi reali probabilmente sono meno severi e non necessariamente seguono la curva di rilascio di calore (HRR) specificata nel progetto. In fondo, il processo di identificazione dell’incendio di progetto non è molto differente da quello di identificazione del terremoto di progetto, utilizzato per studiare la dinamica delle strutture sottoposte a sisma, il terremoto di progetto non è certo il terremoto che si verificherà, ma permette di dimensionare correttamente le strutture per resistere a una serie di terremoti reali.

In ogni caso, il processo di quantificazione degli effetti dell’incendio di progetto, deve provocare risultati di progetto conservativi.

Gli incendi di progetto sono caratterizzati solitamente dalla variazione delle seguenti proprietà rispetto al tempo:

  • tasso di rilascio di calore (HRR);
  • tasso di produzione di sostanze tossiche;
  • tasso di produzione del fumo;
  • variazione della Temperatura nel tempo
  • formato del fuoco (compresa la lunghezza della fiamma);
  • tempo si accadimento degli eventi chiave quale il FLASHOVER.

L’incendio può essere descritto utilizzando (a secondo dello scopo o dell’analisi che si intende condurre) il valore istantaneo di una o più delle variabili sopra descritte, durante tutto il periodo dello sviluppo e della propagazione dell’incendio stesso.

In genere, un incendio si sviluppa dal momento dell’innesco fino a una fase detta di sviluppo completo, ed infine decade per esaurimento del combustibile.

Un incendio generalmente è caratterizzato dalle seguenti fasi:

  • fase iniziale: questa fase può essere caratterizzata da varie cause di origine, che possono essere per esempio una combustione senza fiamma, con la fiamma, un innesco per irraggiamento o doloso mediante l’utilizzo di una sostanza infiammabile;
  • fase di sviluppo: questa fase è caratterizzata da un periodo, più o meno ampio, in funzione della velocità di combustione dei combustibili utilizzati, di propagazione del fuoco fino al flashover;
  • fase a sviluppo completo: questa fase è caratterizzata da una velocità di combustione e dalla produzione di potenza termica sostanzialmente costante; questa fase può essere controllata:

o dal combustibile: quando vi è nell’ambiente dove si verifica l’incendio una presenza pressoché illimitata di ossigeno per la combustione; in questo caso il quantitativo di materiale che brucia è funzione esclusivamente del materiale combustibile stesso e quindi delle sue proprietà chimiche e fisiche (pezzatura, disposizione spaziale all’interno del locale)

o dal comburente: in questo caso si parla di incendi controllati dalla ventilazione, per indicare che la combustione dipende essenzialmente dall’apporto di ossigeno per la combustione

  • fase di decadimento: questa fase è caratterizzata dal declino della severità dell’incendio, in termini di potenza termica emessa e dipende o dall’esaurimento del combustibile oppure dall’intervento di un impianto di protezione attiva o dalle squadre di soccorso;
  • estinzione: quando all’interno dell’ambiente vi è più energia di quanta ne viene prodotta.

È opportuno ricordare la definizione di flashover:

La ISO TR 13387-2 “Fire Safety Engineering – Part 2: Design fire scenarios and design fires”, indica che il FLASHOVER è una fase di transizione in corrispondenza della quale la temperatura dello strato di gas caldi a soffitto raggiunge il valore di 600 °C ed il flusso termico a livello del pavimento è pari a 20 kW/m2.

Il Flashover è caratterizzato da una transizione veloce, da un fuoco localizzato, alla combustione di tutte le sostanze combustibili presenti all’interno di un compartimento.

L’effetto del flashover sull’incendio di progetto, è la modifica del tasso di scarico di calore HRR, che viene portato, pressoché istantaneamente, fino alla fase di sviluppo completo. Un incendio sviluppato completamente può essere controllato dalla ventilazione o dal combustibile.

La curva HRR (Heat Release Rate) è il miglior modo di rappresentare un incendio, la curva rappresenta il rateo (velocità) con il quale è rilasciata l’energia. La curva HRR rappresenta il rateo di energia fornita per unità di tempo. L’HRR è la grandezza che influenza molte altre caratteristiche di un ambiente coinvolto in un incendio.

All’aumentare di HRR, la temperatura e la velocità di aumento della temperatura crescono entrambi, accelerando lo sviluppo dell’incendio. L’incremento dell’HRR provoca una riduzione della concentrazione di ossigeno, un incremento dei prodotti gassosi e di particolato generato da una combustione incompleta. L’HRR è direttamente collegato anche al quantitativo di acqua necessario al controllo dell’incendio.

Quando un combustibile brucia, l’energia totale che può essere rilasciata dipende dal potere calorifico e dalla massa disponibile di combustibile.

Il potere calorifico totale, di conseguenza il carico di incendio, è un valore importante da calcolare, ma comunque è più importante valutare il rateo con il quale l’energia viene rilasciata. HRR è influenzata da molte caratteristiche del combustibile come il rapporto tra massa e superficie, la posizione (orizzontale, verticale), la geometria, la modalità di deposito ecc..

Istante per istante un incendio produce energia sotto forma di calore variabile e funzione del potere calorifico e della velocità di combustione.

Aspetto fondamentale della definizione di un incendio e di uno scenario di progetto è la definizione di una curva HRR, che peraltro è il principale dato di input dei modelli di calcolo degli effetti degli incendi, siano essi modelli a zone o modelli di campo.

I più evoluti modelli di campo, come per esempio l’FDS (Fire Dynamics Simulator) del NIST (National Institute of Standards and Technology), accettano come dato di input una curva GRR predefinita dall’utente e sono in grado di determinare la curva HRR in considerazione dei materiali che partecipano alla combustione. Le modalità di input delle caratteristiche di un incendio, in un modello, in genere sono di due tipi distinti:

  • utilizzo delle proprietà chimiche, fisiche, cinetiche dei materiali;
  • utilizzo dei focolai predefiniti.

Il primo metodo, utilizzato prevalentemente a fini di ricerca, è piuttosto complicato, in quanto prevede la conoscenza di tutte le caratteristiche di tutti i materiali combustibili che in un ambiente possono essere coinvolti in un incendio.

Il secondo metodo, utilizzato nei calcoli ingegneristici, offre una buona approssimazione della realtà e si basa essenzialmente sulla determinazione di un “focolare predefinito” partendo dal valore del carico di incendio e quindi costruendo la curva HRR da associare a degli oggetti combustibili, presenti all’interno dell’ambiente di simulazione; oppure dalla definizione normativa di un valore medio della potenza termica emessa per unità di area.

I focolai predefiniti dal D.M. 3 agosto 2015 sono riportati nella seguente tabella:

FSE_1

In assenza di dati specifici, la seguente Tabella, con dati tratti dalla Tabella A.1 della ISO TR 13387-2 e dalla tabella E.5 dell’Eurocodice EN 1991-1-2, può fornire dati utili.

FSE_2

Nell’articolo completo è riportato un ESEMPIO di determinazione dell’incendio di progetto per una autorimessa in conformità alla relativa RTV – Decreto del Ministero dell’Interno 21 febbraio 2017, emanato a completamento del D.M. 1 Agosto 2015 “Codice di prevenzione incendi”

Per leggere l’articolo completo collegarsi a questo link.

 

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