Analisi qualitativa degli incendi per un approccio corretto alla FSE Ing. Pierpaolo Gentile, PhD Direttore del Corpo Nazionale dei Vigili Del Fuoco

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1 Ordine degli Ingegneri Provincia di Latina DIPARIMENTO DEI VIGLI DEL FUOCO DEL SOCCORSO PUBBLICO E DELLA DIFESA CIVULE Analisi qualitativa degli incendi per un approccio corretto alla FSE Ing. Pierpaolo Gentile, PhD Direttore del Corpo Nazionale dei Vigili Del Fuoco Corso di Specializzazione in Prevenzione Incendi Ai sensi del D.M. 25 marzo 1985 Comando Provinciale VV.F. di Latina, 6 settembre

2 L Incendio L approccio corretto alla FSE prevede una fase di analisi qualitativa e quantitativa del fenomeno dell incendio. Durante gli incendi in ambienti confinati enclosure fire è necessario poter descrivere qualitativamente almeno i seguenti elementi: 1. Moto del fumo e dei gas di combustione; 2. temperature raggiunte all interno del locale 2

3 L Incendio La temperatura raggiunta dai prodotti di combustione è alla base dei moti convettivi dai quali dipende la propagazione dell incendio all interno dell edificio in cui si sviluppa. Una prima classificazione degli incendi può essere fatta in funzione della velocità dello sviluppo di prodotti della combustione, di fiamme e di calore nelle prima fase dell incendio stesso e vengono definiti in: 1. Incendi a sviluppo lento; 2. Incendi a sviluppo medio; 3. Incendi a sviluppo veloce 3

4 L Incendio Gli incendi possono manifestarsi, infine, in due diversi modi: 1. Con Produzione di Fiamma; 2. Incendi Covanti (Smoldering fire); 4

5 L Incendio con produzione di Fiamma La combustione si genera mediante reazioni chimiche prevalentemente in fase gassosa; Viene emessa radiazione elettromagnetica sia infrarossa che visibile Si ha elevata produzione di energia termica; Si ha elevata emissione di fumo di colore scuro; Flussi turbolenti gassosi con frequenti variazioni di velocità; Formazioni di vortici di varie dimensioni 5

6 L Incendio covante (Smoldering fire) La combustione procede generalmente senza lo sviluppo di fiamme sulla superficie del combustibile; La temperatura non è molto elevata e l incendio procede con velocità tipicamente inferiori ad 1mm/min; Scarsa rumorosità ed assenza di rumore; Modestissimo apporto termico all ambiente con l emissione di fumo di colore chiaro; 6

7 L Incendio: FASI DI SVILUPPO CARATTERISTICHE Schematicamente si possono distinguere le seguenti 4 fasi caratteristiche nell evoluzione temporale di un incendio: 1. Ignizione; 2. Crescita; 3. Incendio pienamente sviluppato; 4. Decadimento. 7

8 L Incendio: FASI DI SVILUPPO CARATTERISTICHE Temperatura ( C) Tempo (min) Fasi dell incendio 1 Innesco 2 Crescita (Propagazione) 3 Pieno sviluppo 4 Decadimento Estinzione Comportamento dell incendio Riscaldamento del materiale combustibile Combustione controllata dal combustibile Combustione controllata dalla ventilazione Combustione controllata dal combustibile Comportamento umano Attività di prevenzione Azione primaria di spegnimento con presidi antincendio; esodo Morte Misure attive impegnate Rilevatori di fumo Rilevatori di fumo e calore; impianti sprinklers; intervento VF; sistemi di controllo del fumo Intervento VF Misure passive impegnate Materiali classificati per reazione al fuoco Materiali classificati per reazione al fuoco Strutture resistenti al fuoco; separazione antincendio 8

9 L Incendio: 1. L INNESCO La partecipazione all incendio del combustibile solido dipende dalla pezzatura (es: con un fiammifero brucio un foglio di carta ma non il piano della scrivania); La combustione avviene sempre in fase gassosa attraverso il fenomeno della pirolisi: Una sostanza solida sufficientemente riscaldata libera vapori combustibili; 9

10 L Incendio: 1. L INNESCO I prodotti di pirolisi combinati con l ossigeno bruciano con fiamma e liberano calore che, investendo la superficie solida, comportano l accelerazione del fenomeno di pirolisi; Il tempo di ignizione di una sostanza solida dipende dal flusso termico che la investe e e dalla temperatura che raggiunge la superficie del solido esposta; 10

11 L Incendio: 1. L INNESCO La pirolisi è più veloce in corpi con bassa inerzia termica: 1 2 [ ( ρ c λ) kj/(m s K ] p dove kg ρ è la densità del materiale in 3 m kj c p è il calore specifico in ; kg K kw λ è conduttività termica in m K ; 11

12 L Incendio: 1. L INNESCO La pirolisi è più veloce in corpi con bassa inerzia termica: Poliuretano, inerzia termica pari a: 41; Legno di pino, inerzia termica pari a 500; IL POLIURETANO BRUCIA MEGLIO DEL LEGNO DI PINO; 12

13 L Incendio: 1. L INNESCO Si indica con t ig il tempo, valutato in secondi, di un materiale sul quale incide un flusso radiante q (kw/mq) per raggiungere la temperatura di ignizione T ig : qc: flusso critico 13

14 OSSERVAZIONE L Incendio: 1. L INNESCO In caso di innesco pilotato (fiamma diretta che lambisce il combustibile) i valori del tempo t ig e del flusso termico per raggiungere T ig diminuiscono sensibilmente! 14

15 L Incendio: 1. L INNESCO Alcuni valori sperimentali (in aria): Sostanza Combustibile Carta di Giornale Legno Polietilene (alta densità) Polistirene Tig (K) qc (kw/mq)

16 L Incendio: 2. CRESCITA L incendio cresce in funzione della tipologia, massa, distribuzione spaziale del combustibile; NON risente della ventilazione! La temperatura Media del locale è relativamente bassa (diluzione con l aria fredda presente); Localmente, in prossimità della zona interessata dalla combustione, temperature elevate. 16

17 L Incendio: 2. CRESCITA In questa fase si ha: Riduzione visibilità a causa dei prodotti della combustione (fumi); Produzione di gas tossici irritanti e corrosivi; Aumento della velocità di combustione nel tempo; Aumento della temperatura e della potenza termica irradiata nell ambiente. 17

18 La propagazione è l intensità sono influenzati da: L Incendio: 2. CRESCITA Superficie di ventilazione (rottura di vetri, finestre, elementi di copertura); Proprietà termoisolanti dei muri e dei solai: più è isolato minore calore viene dissipato all ambiente circostante, maggiore sarà la T raggiunta all interno del locale; Caratteristiche di partecipazione al fuoco dei materiali di arredo e di rivestimento (REAZIONE AL FUOCO DEI MATERIALI), formazione di gocce incandescenti, produzione di gas e fumi tossici; 18

19 L Incendio: 2. CRESCITA OSS: Una superficie vetrata avente spessore di 3 mm si rompe a 340 C; Una superficie vetrata avente spessore di 6 mm si rompe a 450 C. 19

20 L Incendio: 3. PIENAMENTE SVILUPPATO In questa fase tutti gli oggetti del locale partecipano alla combustione in quanto anche quelli più lontani raggiungono la Tig! Il Flashover rappresenta la fase di transizione fra un incendio in crescita ed un incendio pienamente sviluppato; In questa fase i gas caldi di combustione hanno invaso tutto l ambiente e si trovano vicino al pavimento (IRRAGGIAMENTO); 20

21 L Incendio: 3. PIENAMENTE SVILUPPATO Lo sviluppo dell incendio è FORTEMENTE influenzato dalla VENTILAZIONE! OSS: se non vi è ventilazione sufficiente il flashover potrebbe non verificarsi (carenza di comburente) 21

22 L Incendio: 3. PIENAMENTE SVILUPPATO Questa fase è caratterizzata da: - Forte innalzamento della velocità di combustione; - Elevato rilascio di calore, T elevatissime; - Rilevante crescita di produzione fumo e gas di combustione; 22

23 L Incendio: 3. PIENAMENTE SVILUPPATO La Temperatura del locale non è uniforme; Il pavimento e le parti inferiori dei muri raggiungono una temperatura inferiore alle parti superiori delle pareti e, soprattutto, del soffitto. A causa del mescolamento dovuto alla forte turbolenza del gas, la differenza di temperatura non è elevata: in generale ci si riferisce alla temperatura media dei gas di combustione (SI POSSONO RAGGIUNGERE 1000 C). 23

24 L Incendio: 3. PIENAMENTE SVILUPPATO 24

25 25

26 L Incendio: 4. DECADIMENTO Dopo l ignizione di tutti i materiali combustibili, l incendio tende a rallentare; Si ha il progressivo esaurimento di combustibile; Riduzione del flusso termico generato; 26

27 L Incendio: 4. DECADIMENTO In letteratura la fase di decadimento inizia quando la T media scende allo 80% del valore massimo raggiunto nella fase 3. Si ritiene conclusa quando la T media scende sotto i 200 C (si escludono inneschi di eventuali materiali combustibili); 27

28 L Incendio: 4. DECADIMENTO 28

29 L Incendio: UNA PROVA IN SCALA REALE 29

30 Il Fattore di VENTILAZIONE Lo sviluppo di un incendio in fase avanzata dipende dal fattore di ventilazione <O>, che va ad influenzare la velocità di combustione (massa di combustibile consumata nell unità di tempo [kg/s]): O = A v A h t 0.5 eq [ ] m 30

31 Il Fattore di VENTILAZIONE Dove: A v = Superficie delle aperture di ventilazione ricavate sulle pareti del locale, in mq; A t = Superficie totale del compartimento, pavimento pareti e soffitto, in mq; h eq = altezza equivalente, media ponderata di tutte le altezza hi delle aperture di ventilazione delle pareti, così valutata: h eq A i = A vi v h i [ m] 31

32 Il Fattore di VENTILAZIONE Esempio: Calcolare il fattore di ventilazione di un locale avente larghezza 19 m, lunghezza 23 m ed altezza 3,6 me con le seguenti aperture: - n. 2 porte di larghezza pari a 2 m ed altezza pari ad 1,5 m; - n. 4 finestre di larghezza 2 m altezza 1, 5 m; - n. 5 finestre di larghezza 2,5 m altezza 1,5 m. 32

33 Il Fattore di VENTILAZIONE At= 2x23x19+2x(23+19)x3,6=1176 mq; Av1 =Av2=(porte)=2x2,2=4,4 mq; Av3=Av4=Av5=Av6=(finestre)=2x1,5=3 mq; Av6=Av7=Av8=Av9=Av10=2,5x1,5=3,75mq; Av=3,75x5+3x4+2x4,4=39,55 mq; heq=(2x4,4x2,2+4x3x1,5+5x3,75x1,5)/(2x4,4+4x3+4x3,75)=1,65 m O=Av*heq 0,5 /At=(39,55/1176,4)x1, = m

34 Il Fattore di VENTILAZIONE Incendi controllati dalla superficie di ventilazione: Durante la fase di sviluppo la massa d aria che affluisce nel locale e minima rispetto alla superficie del compartimento; E la tipologia maggiormente diffusa nella fase di sviluppo di incendi in ambienti chiusi; La massa di ossigeno nell ambiente non è sufficiente e limita lo sviluppo della combustione. 34

35 Il Fattore di VENTILAZIONE Incendi controllati da combustibile: Durante la fase di sviluppo la combustione dipende poco dalla massa d aria che affluisce nel locale, in quanto è presenta aria già sufficiente allo sviluppo della combustione; La combustione è influenzata dalla pezzatura, dalla massa e dalla porosità ed orientamento spaziale del combustibile 35

36 In un locale: Il Fattore di VENTILAZIONE Lo sviluppo di un incendio nella fase iniziale è controllato dal combustibile; Nella fasi successive viene regolato dalla superficie di ventilazione; E presente una zona di transizione che separa i regimi di combustione descritti prima; Se <O> è dell ordine di m 0.5 la combustione è influenzata dalla ventilazione; 36

37 La potenza Termica rilasciata da un incendio La velocità di combustione m s, per unità di combustibile e di superficie coinvolta in un incendio, se si sviluppano fiamme, è pari a: m s = q f + q L r v q kg m q f = flusso termico convettivo generato dalla fiamma; q r = flusso termico radiante generato dalla fiamma; q d = Flusso termico disperso per convenzione ed irraggiamento dalla superficie considerata; OSS=T ig > 350 C quindi q d è una potenza specifica significativa! d 2 s 37

38 Sostanza Combustibile Carta di Giornale Legno Polietilene (alta densità) Polistirene Tig (K) qc (kw/mq)

39 La potenza Termica rilasciata da un incendio L v = Energia termica necessaria per produrre la pirolisi di un chilogrammo di combustibile [kj/kg] Sostanza Combustibile L v [kj/kg] Carta Corrugata Legno Polietilene (alta densità) Polistirene

40 La potenza Termica rilasciata da un incendio La velocità di combustione m s, poiché i flussi termici sono influenzati dalla tipologia del combustibile, dall aria presente nell ambiente etc., all aumentare dell area coinvolta dall incendio dapprima cresce per poi stabilizzarsi ad un valore massimo: In quanto, raggiunta una determinata T, il coefficiente di convezione e l emissività della fiamma non subiscono più significative variazioni. 40

41 La potenza Termica rilasciata da un incendio VALORI MASSIMI DELLA VELOCITA DI COMBUSTIONE PER UNITA DI SUPERFICIE INTERESSATA DALL INCENDIO IN ARIA Sostanza Combustibile Alcol metilico Benzine Polipropilene granulare Carta Corrugata Legno m s [kg/(m 2 s)]

42 La potenza Termica rilasciata da un incendio OSS: Se sulla superficie del combustibile agisce un flusso termico radiante q e dovuto ad una sorgente esterna (ad es. flusso termico radiante da un oggetto vicino combustibile anch esso coinvolto nell incendio) i valori di velocità di combustione m s devono essere aumentati della quantità: q e /L v 42

43 La potenza Termica rilasciata da un incendio Il rischio di incendio in un ambiente dipende principalmente da: - Temperatura massima; - Portata massima di fumo e gas nocivi che si liberano. Queste grandezze dipendono dalla potenza termica dell incendio, indice della rapidità con la quale viene rilasciata l energia termica sviluppata. 43

44 La potenza Termica rilasciata da un incendio lo RHR L incendio A e l incendio B sviluppano la stessa energia, l area sottesa dalle rispettive curve è la stessa: L incendio A è più severo dell incendio B, in quanto nell unità di tempo rilascia il doppio dell energia! 44

45 La potenza Termica rilasciata da un incendio lo RHR La potenza termica totale rilasciata nell ambiente varia nel tempo durante un incendio; In letteratura anglosassone viene indicata con l acronimo RHR: Rate of Heat Release. 45

46 La potenza Termica rilasciata da un incendio lo RHR In un determinato istante, lo RHR è dato dal prodotto della velocità di combustione m c [kg/s] ed il potere calorifico H del combustibile [kj/kg]: RHR(t)=m c (t)xh [kw/kg] m c dipende dallo stato del combustibile e dalle condizioni dell ambiente di sviluppo dell incendio; Valori tipici variano da frazioni di g/s ad alcuni kg/s. 46

47 La potenza Termica rilasciata da un incendio lo RHR Ordine di grandezza dello RHR: La combustione di n. 3 fogli di poliuretano espanso con: ρ = 20 kg/m 3 ; A=50x50 cm; S=6 cm; RHRmax=50 kw; Stesso valore della combustione di un cuscino; Per un divano si arriva a 3100 kw. 47

48 La potenza Termica rilasciata da un incendio lo RHR Le curve RHR (t) hanno sempre una fase di crescita ed una fase di decadimento con un tratto superiore, nel quale la potenza raggiunge il valore massimo e si mantiene pressoché costante. 48

49 RHR(t) [kw] La potenza Termica rilasciata da un incendio lo RHR RHR max RHR F 49

50 La potenza Termica rilasciata da un incendio lo RHR Dall instante iniziale sino al flashover, l andamento dello RHR è di tipo quadratico; La velocità di crescita raggiunge, in prossimità del flashover, valori compresi fra 1 kw/s e qualche decina di kw/s; Il valore massimo RHRmax, può stimarsi con una espressione che è indicata nell Eurocodice 1 Allegato E per incendi controllati dalla superficie di ventilazione: 50

51 La potenza Termica rilasciata da un incendio lo RHR RHR max = 0,10 m H Av h 0.5 eq Dove: m: fattore di partecipazione alla combustione (stesso del DM 09/03/2007); H: Potere Calorifico del materiale combustibile; A v : Superficie complessiva delle aperture di aerazione del locale; h eq : altezza equivalente (stessa definizione per il calcolo del fattore di ventilazione). 51

52 La potenza Termica rilasciata da un incendio lo RHR L andamento temporale dello RHR sino al flashover è di tipo quadratico, pertanto sino al tempo t F si adotta la seguente espressione: RHR(t)=αt 2 Relazione riportata nelle norme NFPA 72 ed NFPA 92B, verificata sperimentalmente. 52

53 La potenza Termica rilasciata da un incendio lo RHR Sono state introdotte, al fine di introdurre analisi quantitative, quattro curve predefinite di sviluppo, con tg tempo necessario affinché lo RHR(t g ) raggiunga 1000 kw: 1.Ultraveloce - t g =75 s; 2.Veloce - t g =150 s; 3.Medio - t g =300 s; 4.Lento - t g =600 s. 53

54 La potenza Termica rilasciata da un incendio lo RHR 54

55 La potenza Termica rilasciata da un incendio lo RHR Dove: Av equiv = W h v equiv v equiv hv equiv RHR Differenza fra altezza punto più alto e più basso fra tutte le aperture di aerazione presenti; F = 0.5 v 7,8 A Av h t equiv equiv 55

56 La potenza Termica rilasciata da un incendio lo RHR Ed ancora: W vequiv Larghezza [m] della apertura di ventilazione calcolata imponendo che il fattore di ventilazione del locale dove sia presente solo tale apertura virtuale, pari alla somma dei fattori di ventilazione delle singole aperture realmente presenti aventi dimensioni generiche W ed h venti vent i 56

57 La potenza Termica rilasciata da un incendio lo RHR Pertanto: W v equiv = W i vent h i 1,5 v equiv h 1,5 vent i Ed infine, A T [m 2 ] è la differenza fra la superficie totale del locale e l area A vequiv 57

58 La potenza Termica rilasciata da un incendio lo RHR Lo RHR F si può calcolare mediante il Metodo di Thomas, basato sul bilancio energetico degli strati di gas caldi (600 C circa) che si forma sul soffitto di un locale e dall osservazione di numerosi incendi naturali (metodo riportato nella NFPA 555): RHR F = 0.5 v 7,8 A Av h t equiv eqiv 58

59 La potenza Termica rilasciata da un incendio lo RHR OSS: Un incendio a sviluppo lento si produce a seguito della combustione di oggetto solidi massicci (tavoli e armadi in legno); Un incendio a sviluppo medio si origina in presenza di combustibili aventi bassa densità (poltrone e divani imbottiti); Uni incendio veloce si ha dalla combustione di materiali di bassa densita e piccola pezzatura (carta; scatole di cartone; tessuti); Un incendio ultraveloce si adatta bene per liquidi infiammabili e per liquidi altamente volatili. 59

60 La potenza Termica rilasciata da un incendio lo RHR CONCLUSIONI: Per un progetto prestazionale è sempre necessario: 1) Identificare l incendio di progetto in relazione agli scenari di incendio credibili per l attività in esame; 2) L incendio di progetto deve prevedere, mediante dati mutuati dalla letteratura o da prove sperimentali l andamento dello RHR(t); 3) La curva dello RHR(t) qualitativa rappresenta la base di partenza per il calcolo mediante software specifici di simulazione incendi ( a zone o di con modelli fluidodinamici di campo). 60

61 Grazie per l attenzione! Ing. Pierpaolo Gentile, PhD Direttore del Corpo Nazionale dei Vigili Del Fuoco Comando Provinciale Latina 61

62 La potenza Termica rilasciata da un incendio lo RHR Esempio: Per un incendio di legno (H=17,5 [MJ/kg]) a sviluppo medio si ottiene: α=rhr(t g )/t g2 =1000/(300) 2 =11, [kj/s 3] Essendo RHR il prodotto fra m c e H, si calcola m c (t g ) come: m c (t g )=1000 [kw]/h[mj/kg]=0,0571 [kg/s] 62

63 La potenza Termica rilasciata da un incendio lo RHR Supponendo che l incendio si sviluppi nel locale dell esempio precedente che aveva: A t =1176 mq; A v =39,55 mq; h eq =1,65 m RHR max = 0,10 m H Av h 0.5 eq RHRmax=0,10x0,8x17,5x10 3 x39,55x(1,65) 0.5 = =71,12 kw 63