MODULO di FIRE INVESTIGATION

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1 MODULO di FIRE INVESTIGATION Italian Fire Investigation C.do Provinciale dei Vigili del Fuoco Milano Esempio di relazione di fire investigation Structural Fire Investigation Sapienza University of Rome School of civil and Industrial Engineering Ph.D. XXIX ciclo Dottorando: La semiotica degli incendi è la disciplina che studia i segni lasciati dall incendio, ed è il punto di partenza di ogni indagine, che consiste nell insieme delle attività eseguite sulla scena dell evento atte ad individuare, raccogliere e documentare gli elementi utili alla ricostruzione dei fatti. La norma NFPA 921 definisce i segni dell incendio come gli effetti fisici visibili o misurabili che restano dopo l evento incendio. Questi segni rappresentano la storia dell incendio ma non sono indicatori assoluti, in quanto possono essersi formati in differenti modi. 1

2 Tracceologia forense La tracceologia applicata alla scienza forense è un metodo per analizzare e studiare i segni che i materiali registrano sulla superficie durante un uso ripetuto. L'importanza dell'analisi basata sulle tracce in criminologia è stata dimostrata da Edmond Locard nei primi anni del XX secolo. Attraverso i secoli, gli investigatori hanno potuto ricostruire la scena del crimine grazie a questa disciplina, descrivendo cose, persone o ambienti coinvolti nel caso. L'analisi è altrettanto importante nell'ingegneria forense. Tracceologia forense L'osservazione delle tracce d'uso viene fatta a vari livelli di dettaglio È utile quando i residui chimici possono mostrare gli elementi insoliti o una reazione chimica avvenuta sull'oggetto. Un incidente stradale causato da una perdita di benzina, ad es., mostra tracce di solfato sul tubo danneggiato causato da goccedi acido solforico di unabatteria. Analisi di uno scarico mediante microscopio ottico 2

3 Epistemologia di un incendio Vi sono molte differenti tecniche utilizzate da parte degli investigatori per analizzare le evidenze. I campioni possono essere rilevati dallo scuotimento, dallo sfregamento, dall'impressione di un tampone o da altri strumenti avendo cura di evitare contaminazioni con altri elementi. In alcuni casi, ad es. olio e grasso industriale, un solvente può essere utilizzato per rilevare l'evidenza. Il metodo impiegato generalmente dipende dal tipo di evidenza e dalle condizioni dell'ambiente nel quale si trova. Esempi tipici di analisi includono la rilevazione di rivestimenti, esplosivi, idrocarburi e resti di un incendio. Epistemologia di un incendio 3

4 I segni lasciati dal fuoco possono essere definiti come gli effetti visibili o misurabili che rimangono dopo un incendio. La maggior parte dei segni vengono registrati su superfici bidimensionali, nel luogo in cui dette superfici si intersecano con il fuoco. I segni possono essere causati da radiazione termica (irraggiamento), per contatto con lo strato di gas caldo, per contatto con carboni caldi, o per il contatto con il pennacchio di fuoco (contatto diretto delle fiamme). PIANIFICAZIONE DELL ATTIVITA INVESTIGATIVA SU INCENDI CONFINATI EXTERNAL INSPECTION INTERNAL INSPECTION ACTIVITIES OUTSIDE THE SCENE GATHER INITIAL INFORMATION EXTERNAL EXAMINATION FIRE SCENE INTERNAL EXAMINATION FIRE SCENE DOCUMENTARY CHECKS COMPUTATIONAL FIRE INVESTIGATION 1 PHASES Information geometry Significant description outside Significant description inside Project documents Modeling and simulation fire Interviewing witnesses Photo and video outside Photo and video inside Executive documents Laboratory tests Collecting significant events External structural inspections Fire load existing at the time the fire Maintenance documents Weather conditions Semiotic fire OPERATIONS Internal structural inspections 4

5 I SEGNI DELL INCENDIO (in fase di impianto) I segni lasciati da un incendio possono essere così classificati: segni a cono rovesciato (Inverted Cone Pattern); segni a colonna; segni a V o a cono; segni a U e a doppia U; segni a clessidra (Hourglass Patterns); segni di protezione; segni da liquidi infiammabili (Ignitable Liquid Pour Pattern). SEGNI A CONO ROVESCIATO (Inverted cone pattern) Questo tipo di segno è frequentemente (ma non sempre) causato da liquidi infiammabili che bruciano sulpavimento,edisolito lo troviamo quando l incendio non si sviluppa ulteriormente. Viene chiamato anche segno a V invertita e, più raramente, segno ad A. 5

6 SEGNI A CONO ROVESCIATO (Inverted cone pattern) SEGNI A CONO ROVESCIATO (Inverted cone pattern) Diametro equivalente della base della fiamma La variazione nel tempo del diametro equivalente D f della base della fiamma può calcolarsi se è nota la potenza termica totale massima RHR e quella specifica cioè, rilasciata per unità di superficie del pavimento interessata dall'incendio, espressa in kw/m 2, il cui valore ritenuto costante è sommariamente stimato in relazione alla destinazione dell'attività e/o della particolare tipologia di deposito del combustibile presente in un locale. Si ha: RHR = RHR s π D t 4 RHR π 6

7 SEGNI A CONO ROVESCIATO (Inverted cone pattern) Supponendo uno sviluppo dell incendio caratterizzato da un tempo caratteristico t g ed ipotizzando che nella fase di crescita il valore della potenza termica RHR totale rilasciata (kw) aumenti con il quadrato del tempo si ricava: RHR = = RHR s π t, t dove, il diametro D f è espresso in [m] ed il tempo t in [s]. Come può notarsi, nella fase iniziale di crescita dell'incendio, il diametro equivalente della base della fiamma aumenta linearmente nel tempo. SEGNI A CONO ROVESCIATO (Inverted cone pattern) Nell ambito delle attività di Fire Investigation la formula seguente ci permette di ricavare la durata presunta di un incendio in funzione del diametro equivalente della fiamma conoscendo i seguenti dati: tempo di crescita dell incendio t g ; potenza termica specifica RHR s. /, 7

8 Altezza media visibile della fiamma per incendi piccoli (Fires Open Air) L altezza media visibile della fiamma viene definita come quella in corrispondenza della quale essa si manifesta con un'intermittenza di circa il 50%. Le continue fluttuazioni dell'altezza della fiamma, che sono causate principalmente dal mescolamento turbolento con l'aria e alla conseguente combustione, hanno frequenza f, espressa in Hz, che è pari a circa: 1,5, Quindi, per un diametro equivalente della base della fiamma di 1 m si ottiene una frequenza di 1,5 Hz. Durantel esecuzionedinumeroseproveèstataricavatalaseguenteespressioneche fornisce un valore approssimato della variazione dell altezza media nel visibile della fiamma nel tempo L f (t) = 1,02 D f + 0,235 RHR 0,4 in cui: L f è l altezza media visibile della fiamma [m]; D f è il diametro equivalente della base della fiamma [m]; RHR è la potenza termica totale rilasciata dall incendio [Kw]. Nell ambito delle attività di Fire Investigation la formula seguente ci permette di ricavare la potenza termica dell incendio. Dati da conoscere: diametro equivalente D f ; altezza media L f. 1,02 0,235 8

9 SEGNI A CONO ROVESCIATO (Inverted cone pattern) SEGNI A COLONNA Man mano che il fuoco progredisce, i prodotti della combustione vengono inviati versol altoinun pennacchio che assume la forma di una colonna. L intersezione di una parete con la colonna produce un segno verticale con lati approssimativamente paralleli. 9

10 SEGNI A COLONNA Poiché la forma del segno cambia quando il pennacchio interagisce con il soffitto, i segni a colonna hanno vita breve e non sono frequenti. L incendio che ha causato questo segno è stato spento prima che avesse avuto il tempo per interagire con il soffitto. SEGNI A V O A CONO La configurazione a V viene creata dal calore irradiato dal gas caldo e dal fumo all'interno del pennacchio di fuoco. Il modello V appare spesso con linee di demarcazione che definiscono i confini del pennacchio di fuoco e le aree meno riscaldate al di fuori del pennacchio 10

11 SEGNI A «V» O A CONO Tipico segno a V nel punto di origine di un incendio. Alla base della V c era un cestino. Il segno a V sul muro può indicare (ma non sempre) il punto di origine dell incendio. EVOLUZIONE DEI SEGNI ( da cono rovescio a V) Osserviamo di nuovo la sequenza con la quale il pennacchio, cambiando forma, modifica i segni che produce: partiamo con un cono rovesciato, che produce un segno triangolare sulla parete (Inverted Cone Pattern); se il fuoco ha modo di svilupparsi il pennacchio assume la forma di una colonna, che produce un segno con lati verticali e approssimativamente paralleli; se l incendio si sviluppa ancora il pennacchio assumerà una forma a cono, per l interazione del soffitto sulla fiamma: ecco comparire il segno a V. 11

12 SEGNI A U Modelli a U sono simili ai modelli V e posseggono le linee curve di demarcazione. Modelliaformadi U vengonocreatedagli effetti radianti dell energia termica sulle superfici verticali più lontane dal medesimo fonte di calore rispetto alle superfici che mostrano i modelli V taglienti. SEGNI A «U» DOPPIA Se l incendio è vicino ad un angolo della stanza, l intersezione del cono interesserà due pareti, e lascerà su entrambe un segno a U. 12

13 SEGNI A CLESSIDRA Il segno a clessidra (Hourglass Pattern) non è molto frequente. Si può trovare quando viene versato liquido infiammabile accanto ad una parete verticale. In genere questi segni si sviluppano nel breve lasso di tempo che intercorre tra il passaggio da un segno a colonna ad un segno a V. SEGNI DI PROTEZIONE Poco prima del flashover, l irraggiamento diventa il mezzo predominante di trasmissione del calore, e i segni sono prodotti quando le superfici sono riscaldate o accese dalla radiazione termica. I bordi di tali segni sono spesso coincidenti con i bordi degli oggetti che giacevano direttamente su una superficie, impedendo alla radiazione termica di raggiungerla. Tali segni sono noti come segni di protezione. 13

14 SEGNI DI PROTEZIONE Tipico segno di protezione lasciato sul pavimento da un tavolo da giardino di plastica, fusosi durante l incendio. SEGNI DI PROTEZIONE Si notano un segno di protezione, e accanto un segno a V di combustione pulita. 14

15 SEGNI DA LIQUIDI INFIAMMABILI Nel caso di incendi provocati da liquidi infiammabili possiamo imbatterci in segni a cono rovesciato, lasciati su muri od oggetti metallici, e in segni a clessidra, prodotti sulle pareti. Nel caso in cui ci si imbatte in questi segni, che fanno supporre che l incendio è di natura dolosa, è importante osservare se vi è stata un elevata velocità di propagazione dell incendio, se ci sono segni riconducibili a focolai numerosi e diffusi, se la presenza delle tracce di combustione è più marcata ai livelli più bassi degli ambienti interessati, se vi è presenza di contenitori sospetti (taniche, bottiglie, ecc.) e di segni di effrazione su porte e finestre. Ci sono però altri segni tipici, che si possono riscontrare in particolare su pavimenti in parquet o linoleum, senza dimenticare però che segni simili possono essere il risultato di un floor jet, nel caso di un incendio a ventilazione controllata, o possono essere provocati dal gocciolamento di materiale fuso o dalla caduta di oggetti infiammati o carbonizzati SEGNI DA LIQUIDI INFIAMMABILI (strumentazione) Utile e consigliabile l uso della strumentazione campale P.I.D. (photo ionization detector). Tale strumentazione è un rivelatore a fotoionizzazione di largo spettro che rileva concentrazioni di sostanze organiche volatili (V.O.C.S.) che vengono espresse in PPB (parti per miliardo) o PPM (parti per milione) e di eventuali sostanze acceleranti presenti sulla zona campionata, ma non identifica la tipologia della sostanza. 15

16 SEGNI DA LIQUIDI INFIAMMABILI SEGNI DA LIQUIDI INFIAMMABILI 16

17 SEGNI DA LIQUIDI INFIAMMABILI SEGNI DA LIQUIDI INFIAMMABILI 17

18 LE LINEE DI DEMARCAZIONE DELL INCENDIO Oltre ai segni altre tracce lasciate da un incendio sono: linee di demarcazione dell orizzonte di fumi; linee di demarcazione del calore; linee di confine da combustione pulita (Clean Burn); Linee di demarcazione sterne all edificio. LINEA DI DEMARCAZIONE DEI FUMI Questi segni, noti come Linee di demarcazione, appaiono come segni di fumo orizzontale (paralleli al soffitto e al pavimento) prodotti sulle pareti dallo strato di fumi caldi. 18

19 LINEA DI DEMARCAZIONE DEI FUMI LINEA DI DEMARCAZIONE DEL CALORE Sono segni che spesso non sopravvivono al flash over, perché in questo caso lo strato di fumi caldi scende al livello del pavimento. Trovare un orizzonte di fumo o di calore in una stanza di solito è un motivo sufficiente per concludere che il flash over non ha avuto luogo in quel comparto. 19

20 LINEA DI DEMARCAZIONE DEL CALORE Orizzonte di calore prodotto dallo strato di fumi caldi, quando ancora l incendio era confinato. Il segno sulle pareti si è prodotto, quindi, prima che il tetto bruciasse. LINEA DI DEMARCAZIONE FUMI E CALORE 20

21 LINEA DI DEMARCAZIONE ESTERNE ALL EDIFICIO EFFETTI DEFORMANTI DELL INCENDIO Oltre ai segni altre tracce lasciate da un incendio sono: Carbonizzazione del legno deformazioni e danni termici; rammollimenti; fusioni. 21

22 CARBONIZZAZIONE SU ELEMENTI IN SERIE DIRECTION OF FIRE TRAVEL B WALL STUDS dn d1 SOURCE OF HEAT La direzione di propagazione del fuoco può essere spesso identificata per risalire all origine attraverso l esame delle relative altezze degli elementi bruciati. In generale, gli elementi più corti e più carbonizzati saranno più vicino ad una sorgente di fuoco rispetto agli altri elementi più alti e meno carbonizzati. CARBONIZZAZIONE SU ELEMENTI FRONTALI La forma della sezione trasversale degli elementi lignei tenderà a produrre delle frecce che puntano verso la zona della sorgente di calore. Ciò è causato dalla combustione fuori dagli angoli acuti dei bordi verso la fonte di calore che li produce, come mostrato nella figura. DIRECTION OF FIRE TRAVEL SOURCE OF HEAT 22

23 CARBONIZZAZIONE SU ELEMENTO LATERALE DIRECTION OF FIRE TRAVEL A B Line of carbonization Residual section L effetto delle fiamme producono carbonizzazione sulla faccia del legno. Tale spessore di carbonizzazione dipende anche dalla sorgente del fuoco come meglio illustrato in figura. CARBONIZZAZIONE IN VERTICALE Un foro bruciato in una superficie orizzontale può essere identificato dall esame dei lati inclinati del foro stesso. Lati che degradanodall'altoversoilbassoversoilforosonoindicatori che il fuoco era dall'alto. Lati che sono più larghi in fondo e pendenza verso l'alto verso il centro del foro indicano che le fiamme provenivano dal basso. 23

24 DEFORMAZIONI TERMICHE QUESITO: DA QUALE DIREZIONE E ARRIVATO IL CALORE? DEFORMAZIONI TERMICHE Questa figura mostra la deformazione del bulbo di una lampadina sottoposta ad una fonte di calore: la pressione interna del gas sul vetro indebolito, spinge quest ultimo nella direzione della fonte di calore. Una volta che il gas è fuoriuscito ed il bulbo rimane vuoto, la deformazione viene tirata verso l interno, sul lato della fonte di calore. 24

25 RAMMOLLIMENTI In scienza dei materiali, il punto di rammollimento è un particolare stato termodinamico (rappresentato da determinate condizioni di temperatura e pressione) in corrispondenza del quale un materiale che non abbia un punto di fusione definito (ad esempio lega metallica o materiale plastico) comincia a modificare il proprio stato di aggregazione da solido a fluido. RAMMOLLIMENTI Piastradivetro,rammollitoedeformatodalcalore,soprauna catasta di legno bruciata sulla quale era stato versato liquido accelerante. 25

26 DEFORMAZIONI FUSIONI Il punto di fusione di una sostanza è definito come il valore di temperatura e pressione a cui coesistono la fase solida e la fase liquida in equilibrio termodinamico, cioè senza che vi sia transizione fra le due fasi. Plafoniera parzialmente fusa a causa dei gas e dei fumi caldi stratificatisi a partire dall alto. 26

27 EFFETTI DELL INCENDIO SUI MATERIALI Effetti sul legno Effetti sul calcestruzzo Effetti sull acciaio I SEGNI SUL LEGNO Il legno sembra appunto la pelle di coccodrillo. Leggera scrostatura delle superfici di legno che rivela la parte sottostante non danneggiata: combustione lenta. Leggera scrostatura delle superfici di legno che rivela una parte più carbonizzata: combustione rapida. 27

28 I SEGNI SUL CALCESTRUZZO Il calore di un incendio provoca un espansione uniforme di determinati materiali (come sabbia e ghiaia), abbattendo gli strati superficiali di calcestruzzo. Lo spalling può essere indicato da buchi, macchie scure, decolorazione, o da una trama ruvida. Anche rapide variazioni di temperatura (come l'applicazione di acqua fredda da una manichetta antincendio) possono causare sfaldature (spalling). Non è un buon indicatore di incendio doloso, in quanto possiamo trovare questo segno in qualsiasi incendio che ha portato allo sviluppo di alte temperature. Un primo passo della fire investigation è ovviamente l analisi visiva degli elementi coinvolti nell incendio sia per valutare se c è stato lo spalling del copriferro sia per fare un prima stima della temperatura che può aver raggiunto il calcestruzzo. Lo spalling, ossia il distacco improvviso del copriferro, è la risposta del calcestruzzo alle elevate temperature che si sviluppano durante un incendio. Spalling è un termine, che copre diversi fenomeni di danneggiamento che si possono verificarsi in una struttura in calcestruzzo in caso di incendio. 28

29 In differenti combinazioni il fenomeno dello spalling può manifestarsi come: Violent Spalling; Progressive Gradual Spalling (SloughingOff); Corner Spalling; Explosive Spalling; Post Cooling Spalling. Surface pitting Espulsione localizzata di inerti (principalmente silicei) dalla matrice di cls. Si verifica nelle fasi iniziali dell incendio. 29

30 I SEGNI SULL ACCIAIO Una delle fondamentali strategie di protezione da perseguire per garantire un adeguato livello di sicurezza della costruzione in condizioni di incendio è la resistenza al fuoco delle strutture portanti e portate, che vanno progettate in modo da impedire la propagazione dell incendio ed il conseguente collasso strutturale. EFFETTI PARTICOLARI DELL INCENDIO Combustione pulita (Clean burn) Floor jet 30

31 CLEAN BURN La combustione pulita (Clean Burn) è un fenomeno che appare sulle superfici non combustibili (di solito pareti, o superfici metalliche) quando i prodotti della combustione (vapore acqueo, fuliggine e prodotti di pirolisi), che normalmente si sarebbero trovati aderenti alla superficie, vengono bruciati. CLEAN BURN 31

32 CLEAN BURN L investigatore osserverà una superficie pulita adiacente alle zone annerite dai prodotti della combustione, prodotta dal contatto diretto della fiamma o dall intenso calore irradiato (>500 C). Questo segno può essere utilizzato per identificare le aree di contatto diretto tra una superficie e la porzione ardente del pennacchio. Superfici non a contatto con la fiamma raramente raggiungono temperature elevate da consentire la combustione completa della fuliggine e degli altri prodotti della combustione. Uno studio di Ingolf Kotthoff indica che per verificarsi una combustione pulita, il materiale deve raggiungere circa 700 C. FLOOR JET floor jet, è quel fenomeno in cui l ossigeno che affluisce da una apertura entra in collisione con la parete opposta. FLOOR JET L immagine mostra dei segni a V, dovuti alla ventilazione post flashover, prodotti nel corso di un incendio sperimentale (l apertura dalla quale entrava il floor jet è alle spalle di colui che ha scattato la foto). 32

33 FLOOR JET Applicazione pratica semiotica dell incendio 33

34 Applicazione pratica di semiotica dell incendio Applicazione pratica di semiotica dell incendio 34

35 Applicazione pratica di semiotica dell incendio Applicazione pratica di semiotica dell incendio 35

36 Applicazione pratica di semiotica dell incendio Applicazione pratica di semiotica dell incendio Fire Dynamics Simulator (FDS) è un modello sviluppato dal NIST (National Institute of Standards and Technology) che simula l'incendio, tramite Smokeview, un postprocessore grafico che analizza i dati prodotti da FDS. FDS risolve una forma delle equazioni di Navier Stokes per i flussi termici a bassa velocità di fumi e gas generati in un incendio. La dinamica dell'incendio è simulata in base ai parametri che caratterizzano ciascun materiale presente nel dominio di simulazione, ciascuno con le proprie caratteristiche di infiammabilità e combustione. In base a questi dati, FDS risolve numericamente (con un metodo ai volumi finiti) le equazioni che modellano la reazione di combustione ed i fenomeni di trasporto, tenendo conto dinamicamente delle mutue interazioni tra i processi. FDS è in grado di calcolare e fornire come dati di uscita, i valori di tutte le variabili, scalari e vettoriali, calcolate in ciascuna delle celle del dominio, utili alla comprensione dei fenomeni ed alla analisi degli effetti (concentrazioni delle specie chimiche, distribuzioni delle temperature, pressioni, velocità dei gas, fumi, visibilità). 36

37 Applicazione pratica di semiotica dell incendio EXTERNAL INSPECTION INTERNAL INSPECTION ACTIVITIES OUTSIDE THE SCENE GATHER INITIAL INFORMATION EXTERNAL EXAMINATION FIRE SCENE INTERNAL EXAMINATION FIRE SCENE DOCUMENTARY CHECKS COMPUTATIONAL FIRE INVESTIGATION 1 PHASES Information geometry Significant description outside Significant description inside Project documents Modeling and simulation fire Interviewing witnesses Photo and video outside Photo and video inside Executive documents Laboratory tests Collecting significant events External structural inspections Fire load existing at the time the fire Maintenance documents Weather conditions Semiotic fire OPERATIONS Internal structural inspections 37