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1 Computing-ANalysis-Technologies ENErgy Saving CASE STUDIES

2 MUSEO SCIENZE NATURALI TRENTO COMMITTENTE: RPBW S.P.A (RENZO PIANO BUILDING WORKSHOP) L'attività di CANTENE è stata svolta con il contributo dell'ing.giuseppe Amaro della Progress S.r.l. di Torino. DESCRIZIONE ATTIVITÀ SVOLTA L'attività di CANTENE si colloca nell'ambito della progettazione del sistema di prevenzione incendio del Museo di Scienze Naturali di Trento; la progettazione ha utilizzato l'approccio ingegneristico alla sicurezza antincendio. Compito di CANTENE è stato: 1. modellizzare la geometria dell'edificio che ospita il Museo; 2. semplificare il modello geometrico in modo tale da poter analizzare il problema della simulazione incendio; 3. individuare congiuntamente con il committente i vari casi (curve HRR, posizione innesco, materiali combustibili); 4. valutare e studiare l'evoluzione dei fumi e dei fenomeni di trasporto inquinanti al variare delle soluzioni impiantistiche adottate per il controllo e la sicurezza antincendio. OBIETTIVI 1. valutare le temperature raggiunte all'interno del Museo al variare della posizione di innesco ed al variare dei materiali; 2. valutare la propagazione dei fumi e la concentrazione delle sostanze tossiche all'interno del Museo in funzione della posizione di innesco e dei materiali combustibili. SIMULAZIONI Lo studio ha richiesto: l'analisi di circa 50 casi diversi e di un tempo di calcolo valutabile in circa 40 giorni/macchina; una suddivisione del dominio di calcolo variabile a seconda dei casi da 400 a 700 mila elementi. 2

3 STRUMENTI L'attività è stata svolta utilizzando: Progecad2008 per lo sviluppo della geometria del problema. PyroSim per l'impostazione delle simulazioni del problema termofluidodinamico: curve HRR mesh emissione prodotti della combustione (particolato, CO2, ecc.) FDS (Fire Dynamic Simulator) come codice CFD. RISULTATI Di seguito sono riportati alcuni output delle simulazioni svolte. Abbiamo scelto alcuni di quelli più rappresentativi, che meglio mettono in evidenza il metodo di indagine utilizzato e le potenzialità di calcolo del sistema SW. Ad esempio, nelle figure che seguono, per ciascun piano, sono riportate le piante dell edificio che ospita il Museo di Scienze Naturali di Trento. Sono indicati i dispositivi di rilevazione fumi e le strutture di prevenzione incendio. p.3 Una parte delle simulazioni effettuate è volta ad individuare il comportamento dei fumi e l andamento della temperatura all interno di ciascun piano. La figura di seguito riportata mostra l andamento nel tempo dei fumi, in funzione del funzionamento automatico delle strutture mobili di prevenzioni incendio che vengono attivate dai rilevatori sopra citati. occupazione fumi: p.2 p.4 t = 200 s t = 400 s t = 600 s 3

4 E possibile inoltre isolare ad un certo istante di tempo di simulazione alcune visualizzazioni 2D che forniscono attraverso l immediatezza cromatica l andamento della visibilità e della temperatura dei fumi all interno dell ambiente considerato visibilità temperatura piano longitudinale piano delle scale (vie di fuga)

5 ANALISI EVOLUZIONE INCENDIO ALL INTERNO DI UN CAPANNONE INDUSTRIALE COMMITTENTE: PRADA S.P.A OGGETTO L attività svolta è consistita nello svolgere alcune simulazioni volte ad individuare: 1. le temperature raggiunte nel capannone, e in particolare nei pressi della copertura, al fine di valutare il comportamento della struttura in caso di incendio; 2. lo sviluppo e l evoluzione dei fumi nel tempo in seguito all innesco dell incendio; 3. l efficacia del sistema di evacuatori. DESCRIZIONE ATTIVITÀ SVOLTA E METODOLOGIA DI CALCOLO 1. Generazione della geometria della struttura che ospita il capannone: Il corpo principale del capannone presenta una superficie in pianta di circa 75 m x 85 m, per un altezza (esclusi gli shed) di 6 m. Il solaio di copertura è costituito da sette file di shed a distanza regolare, come mostrato in figura. La geometria tridimensionale da utilizzare per l analisi CFD è stata ottenuta a partire dalle piante 2D della struttura. In particolare, il corpo principale del capannone è stato creato estrudendo la sezione frontale del modulo base che costituisce la struttura, eliminando le parti che non avrebbero influenza sullo sviluppo dei fumi.

6 2. Determinazione della curva HRR di rilascio del calore: a partire da alcune curve disponibili in letteratura, e conoscendo il valore del carico di incendio previsto per i materiali presenti all interno del capannone, è stata individuata la curva di potenza che definisce l incendio delle pile di pallet situate nel magazzino. Si è supposto inoltre che l incendio sia innescato inizialmente da un incendio di 500 kw di potenza che si sviluppa nei pressi della pila di pallet centrale, di durata 30 s. Sono stati quindi identificati una serie di scenari di incendio ritenuti i più critici e sono stati analizzati i seguenti scenari: 1) Incendio di cinque pile di pallet affiancate al centro del capannone; 2) Incendio di un unica pila di pallet, in cui i blocchi superiori sono costituiti da materiale inerte; 3) Incendio di tre gruppi di pile di pallet, collocati nella posizione reale all interno del capannone (confronto tra i casi con blocchi superiori incendiabili o inerti); MESH DI CALCOLO E stata utilizzata una mesh di calcolo costituita da celle di 25 cm di lato nella zona attorno all incendio e celle di 50 cm di lato altrove, per un totale di circa celle. RISULTATI OTTENUTI

7 Sono di seguito riportati i risultati relativi al primo degli scenari di incendio considerati. Per tale scenario è stato individuato l andamento nel tempo delle temperature registrate nel punto in cui si verifica il valore massimo e in altri punti particolarmente significativi del dominio di calcolo come mostrato nella figura di seguito riportata

8 Andamento della temperatura

9 Le simulazioni hanno permesso inoltre di individuare la disposizione ottimale delle cataste di pallet all interno del capannone, che consiste nel distanziarle almeno 1,5 metri una dall altra e posizionando nella parte superiore del materiale non incendiabile. Questa configurazione assicura che un eventuale incendio che interessa una particolare pila di pallet non si propaghi alle pile circostanti, evitando che nei pressi della copertura si raggiungano temperature troppo elevate. Di seguito è invece riportato lo sviluppo dei fumi nel tempo. Si osserva che il sistema di evacuazione è efficace in quanto consente l espulsione dei fumi. In tale diagramma l area più scura corrisponde alla concentrazione massima, che tuttavia è ben al disotto dei valori di accettabilità dal punto di vista della concentrazione di inquinanti.

10 ANALISI EVOLUZIONE INCENDIO ALL INTERNO DEL PARCHEGGIO DEL SITO ISOLA DE CASTILLIA E ADIACENZE COMMITTENTE: COMUNE DU MILANO OGGETTO L attività svolta si è articolata in tre fasi distinte, corrispondenti a tre obiettivi principali: 4. indagare il comportamento termo fluidodinamico dei fumi prodotti da un incendio all interno del parcheggio; 5. verificare, conseguentemente allo sviluppo di un incendio di un auto in uno dei box chiusi all interno del parcheggio, che l innalzamento della temperatura nei box confinanti non sia sufficiente ad innescare l incendio delle auto qui parcheggiate; 6. verificare che il sistema di ventilazione naturale del parcheggio, costituito da un certo numero di camini diversi per dimensioni a altezza, garantisca un ricambio d aria pari almeno a 3 volumi/ora. DESCRIZIONE ATTIVITÀ SVOLTA E METODOLOGIA DI CALCOLO 3. Generazione della geometria della struttura che ospita il parcheggio: la geometria tridimensionale da utilizzare per l analisi CFD è stata ottenuta a partire dalle piante 2D della struttura. Queste piante sono state opportunamente semplificate, eliminando le parti che non avrebbero influenza sullo sviluppo dei fumi, e successivamente estruse in modo da formare il dominio tridimensionale del parcheggio.

11 4. E stata scelta una specifica curva HRR di rilascio del calore. Essendo presente in tutti i box del parcheggio un sistema antincendio costituito da due sprinkler, nelle simulazioni è stata utilizzata una curva di potenza (HRR) che tiene già conto dell effetto di tali dispositivi. Il suo andamento nel tempo è di seguito riportato. Il dominio considerato in questo scenario comprende l intero piano -3 e i camini che mettono in comunicazione il parcheggio con l esterno C HRR HRR/MW A B time /s MESH DI CALCOLO La griglia di calcolo utilizzata è costituita in questo caso da elementi.

12 RISULTATI OTTENUTI Sono stati determinati gli andamenti della temperatura e dei fumi all interno del parcheggio nel caso di incendio all interno di un box. Temperatura

13 Visibilità:

14 PROPAGAZIONE AI BOX CONFINANTI L obiettivo di questo studio è stato quello di verificare che nei due box vicini non venga raggiunta una temperatura tale da causare l innesco dell incendio delle auto qui presenti. Sono state quindi definite le caratteristiche fisiche delle pareti che separano i diversi box, costituiti da mattoni forati di 20cm. di spessore, e sono state posizionate delle termocoppie sulle facciate interne ed esterne di queste pareti. Si è ipotizzato che i mattoni siano di tipo standard, quindi lo scenario ottenuto è conservativo rispetto all utilizzo di blocchi REI.

15 Per questi ultimi è nota la temperatura sulla faccia non esposta al fuoco, ottenuta sperimentalmente esponendo la parete al calore prodotto da un forno. Come si può osservare, non si hanno innalzamenti sensibili di temperatura, tali da provocare l innesco dell incendio anche nei box confinanti. La curva disponibile in letteratura per i blocchi REI mostra che la temperatura della facciata non esposta del blocco inizia ad aumentare in modo sensibile dopo circa 40 minuti, quando la temperatura del forno raggiunge i 900 C. L incendio con l HRR che abbiamo considerato nelle nostre simulazioni, che ricordiamo tiene conto dell effetto degli sprinkler, sviluppa invece una temperatura assai minore, che raggiunge 250 C dopo circa 5 minuti e poi si riduce notevolmente negli istanti successivi. Questo conferma come la configurazione del parcheggio impedisca l innesco dell incendio nei box vicini a quello in cui si sviluppa l incendio iniziale.

16 VERIFICA DEI RICAMBI D ARIA Il numero dei volumi d aria/ora scambiati dipende dalla differenza di temperatura tra l aria interna al camino e quella esterna. Tale valore è stato trovato intersecando le curve caratteristiche volumi/ora- P del parcheggio e dei camini. In entrambi casi il valore individuato risulta maggiore rispetto al minimo richiesto di 3 vol/ora: 6 vol/ora in primavera (come mostrato nella figura sottostante)e 16 vol/ora in inverno. La curva relativa al parcheggio è stata individuata imponendo diversi valori alla velocità con cui l aria viene estratta dai camini (ognuno associato ad un determinato valore di ricambi/ora) e calcolando i valori corrispondenti delle differenze di pressione tra due determinati punti del parcheggio: un punto di ingresso dell aria (la rampa) e un punto di uscita (la base di un determinato camino). Per ottenere la curva caratteristica dei camini, le differenze di pressione corrispondenti a differenti valori della velocità (e quindi dei volumi/ora scambiati) sono state invece trovate analiticamente attraverso un equazione che definisce la forza motrice complessiva all interno del camino come differenza tra l'effetto camino (legato alla differenza di densità tra aria interne ed esterna) e le perdite di carico nel camino stesso.

17 ANALISI MEDIANTE APPROCCIO MONODIMENSIONALE FUNZIONAMENTO SISTEMA SICUREZZA ANTINCENDIO TRATTA B1 METRO ROMA COMMITTENTE: TECNIMONT S.P.A OGGETTO La tratta B1 è schematizzabile come la giustapposizione di una cellula base, ovvero quella costituita da una stazione ai cui lati vi sono due condotti di equilibratura delle masse d'aria in fase di ventilazione, e da due pozzi intertratta, uno per ciascuna direzione. L attività svolta si è articolata in tre fasi distinte, corrispondenti a tre obiettivi principali: 7. verifica dell efficacia delle strategie di ventilazione in caso di incendio in stazione e in galleria 8. analisi del funzionamento dei condotti equilibratori al fine dell implementazione di strategie di ventilazione di emergenza 9. analisi della propagazione dei fumi in caso di incendio in stazione.

18 DESCRIZIONE ATTIVITÀ SVOLTA E METODOLOGIA DI CALCOLO 5. prima fase: creazione della geometria 3D della stazione (per capire più facilmente i percorsi interni alla stazione e per un calcolo più agevole delle proprietà geometriche di rami e nodi da inserire nel modello monodimensionale) 6. seconda fase: creazione della rete che schematizza il sistema stazione galleria da utilizzare con il modello monodimensionale 7. terza fase: applicazione del modello termo-fluidodinamico monodimensionale, raccolta e analisi dei risultati 8. quarta fase: calcolo della percentuale volumetrica di fumi e O2amente unite in modo da formare il dominio tridimensionale del capannone FASE1 Creazione della geometria tridimensionale

19 FASE2 Costruzione del modello a rete del modello monodimensionale Identificazione dei nodi sopra riportati sulla geometria 3D

20 FASE3 Definizione degli scenari di incendio 1. incendio in stazione: incendio in banchina 2. incendio in galleria Per ciascun scenario sono state determinate sui rami e i nodi del modello monodimensionale 1. le portate d aria 2. l andamento della temperatura 3. % dei fumi e O2 VANTAGGI Il vantaggio di utilizzare un modello monodimensionale permette di disporre di una serie di indicazioni sull evoluzione del fenomeno termo-fluidodinamico (incendio) senza dover ricorrere a priori ad una attività computazionale onerosa come analisi CFD su domini di calcolo 3D. Il modello monodimensionale utilizzato da CANTENE pur essendo un modello semplificato è particolarmente sofisticato, risolve l equazione della quantità di moto e di continuità considerando condizioni stazionarie e tiene conto dell effetto termico dovuto alla presenza dell incendio sui termini dell equazione della quantità di moto. Tali equazioni sono risolte utilizzando un metodo nodale. La distribuzione di temperatura è calcolata a partire dal valore massimo (funzione della potenza dell incendio, sulla base di espressioni disponibili in letteratura) e considerando lo scambio termico con le pareti

21 RISULTATI OTTENUTI Per brevità sono di seguito riportati i risultati ottenuti solo nel caso di incendio in stazione: 1. Andamento della temperatura T [ C] Incendio nel nodo 14 Incendio nel nodo x [m] 2. Verifica del comportamento dei sistemi di ventilazione ai fini della sicurezza antincendio Per mettere in evidenza l effetto dei condotti equilibratori presenti in stazione, è stato simulato lo scenario in cui i condotti sono assenti. Questa situazione è stata modellata imponendo una resistenza fluidodinamica molto elevata nei rami della rete che rappresentano i condotti con condotti Portata d aria totale immessa dai vani scale: ~ 460 m 3 /h senza condotti Portata d aria totale immessa dai vani scale: ~ 900 m 3 /h

22 3. Andamento dei fumi e della percentuale di O percentuale fumi calcolo fluidodinamico equazione (1) tempo (s) percentuale O calcolo fluidodinamico equazione (1)

23 ANALISI CFD GALLERIA TANGENZIALE EST DI MILANO COMMITTENTE: SINA OGGETTO Analisi CFD di alcuni scenari di incendio nella galleria della tangenziale est di Milano, costituita da una galleria vetrata, lunga 400 m, e da un tunnel in calcestruzzo lungo circa 150 m. La volta vetrata del primo tratto è sorretta da un intelaiatura in acciaio. OBIETTIVI - analisi della propagazione dei fumi nei due tratti di galleria, tenendo conto della possibilità di rottura dei pannelli di vetro che compongono la volta vetrata - verifica delle temperature e della concentrazione di particolato raggiunta in galleria - verifica della temperatura raggiunta sul telaio metallico nei punti più critici FASE 1: CREAZIONE DELLA GEOMETRIA

24 GEOMETRIA FINALE: FASE 2: DEFINIZIONE DEGLI SCENARI DI INCENDIO Analisi di differenti scenari per verificare il comportamento dei fumi e delle temperature nei casi più critici caso potenza incendio posizione incendio condizione imbocco I1 condizione imbocco I2 A1 100 MW A ingresso aria a 3 m/s OPEN A2 30 MW A ingresso aria a 3 m/s OPEN B1 100 MW B OPEN ingresso aria a 3 m/s B2 30 MW B OPEN ingresso aria a 3 m/s C1 30 MW C OPEN ingresso aria a 3 m/s

25 FASE 3: CREAZIONE DELLA MESH DI CALCOLO Utilizzo di una mesh a scalini per cercare di minimizzare il numero di celle escluse dal dominio di interesse (numero totale di celle: ~ ) FASE 4: ANALISI DEI RISULTATI Si riportano i risultati relativi allo scenario A1: Scenario A1 Incendio nella galleria vetrata: sviluppo dei fumi lastre di vetro 14 s 60 s 120 s 240 s

26 Inizialmente, i fumi si diffondono all interno della galleria. Intanto, i pannelli di vetro sopra l incendio raggiungono presto la temperatura di rottura (200 C) e, rompendosi, formano un apertura nella volta vetrata via via crescente. Dopo 240 s tutti i fumi prodotti dall incendio escono da questa apertura, senza propagarsi all interno della galleria. temperatura e concentrazione di particolato quantità visualizzate lungo un piano longitudinale:

27 temperatura sul telaio in acciaio Analisi delle temperature raggiunte sulla struttura metallica che sostiene la galleria vetrata: questi risultati possono essere utilizzati all interno di opportuni software di meccanica strutturale per verificare la resistenza della struttura all incendio. POSIZIONE DELLE TERMOCOPPIE:

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