APPROCCIO INGEGNERISTICO ALLA SICUREZZA ANTINCENDIO ESEMPIO DI UN PROGETTO DI UNA ATTIVITA ESPOSITIVA IN CUI VIENE SEGUITO L APPROCCIO INGEGNERISTICO ALLA SICUREZZA ANTINCENDIO ATTIVITA ESPOSITIVA NOTARE BENE CHE: Ogni riferimento a nomi o valori numerici o cose o beni o strutture è puramente casuale ed ha finalità esclusivamente didattiche docente: dr.ing. Roberto Orvieto 1 ATTIVITA ESPOSITIVA BOSTON INTRODUZIONE AL PROGETTO OBIETTIVI DIDATTICI 1. Definire il percorso che ha portato a scegliere l approccio ingegneristico 2. Definire lo spazio di progetto 3. Identificare gli obiettivi di sicurezza antincendio 4. Identificare i livelli di prestazione 5. Identificare gli scenari d incendio 6. Effettuare un analisi quantitativa 7. Calcolare le conseguenze degli scenari di incendio 8. Illustrare i risultati dell elaborazione e confrontarli con i livelli di prestazione 2 DEFINIRE IL PERCORSO CHE HA PORTATO A SCEGLIERE L APPROCCIO INGEGNERISTICO L attività presa in esame per lo standard italiano risulterebbe soggetta a controllo periodico di prevenzione incendi (D.M. 16-02-1982) L attività non risulta normata da specifiche disposizioni di prevenzione incendi al fine di verificare le caratteristiche delle vie di esodo con un metodo capace di offrire comprovate garanzie si è scelto di ricorrere all approccio ingegneristico / prestazionale 3
DEFINIRE LO SPAZIO DI PROGETTO L attività espositiva è caratterizzata da un edificio: - all interno dell edificio vengono esposte barche - in ogni isola espositiva vengono posizionate 5 barche - i materiali arredo e rivestim. di ogni isola sono cl.1 reaz.f. - l edificio è in cemento armato ed ha forma rettangolare - esistono aperture di aerazione disposte sul fronte lungo - e presente un impianto di ventilazione meccanica - e presente un impianto di rivelaz. ed allarme incendio che attiva anche l impianto di ventilazione meccanica ogni altro elemento necessario per definire gli scenari è stato cercato ed inserito nel progetto 4 IDENTIFICARE GLI OBIETTIVI DI SICUREZZA ANTINCENDIO obiettivi di sicurezza antincendio relativi alle finalità per le quali è stato applicato l'approccio ingegneristico 1. La propagazione dell'incendio nell'attività deve essere limitata all'isola espositiva iniziatrice dell'evento 2. Tutti gli occupanti, compresi gli occupanti diversamente abili, devono essere in grado di raggiungere luogo sicuro o di essere altrimenti soccorsi 3. Le squadre di soccorso devono poter operare in condizioni di sicurezza ed estinguere rapidamente l'incendio 5 IDENTIFICARE I LIVELLI DI PRESTAZIONE Prestazione Livello Riferimento Soglia di visibilità minima di pannelli riflettenti, non 10 m ISO 13571:2007, punto 9., nota 2. retroilluminati, ad altezza 2 m dal piano di calpestio per le persone occupanti Soglia di visibilità minima di pannelli riflettenti, non retroilluminati, ad altezza 2 m dal piano di calpestio per soccorritori FED, fractional effective dose massima di esposizione a O2, CO2, CO delle persone occupanti Soglia temperatura massima di esposizione delle persone occupanti e dei soccorritori Livello di irraggiamento termico massimo da tutte le sorgenti (incendio, effluenti dell'incendio, struttura) di esposizione delle persone occupanti Livello di irraggiamento massimo dei materiali infiammabili delle isole espositive non iniziatrici (critical flux for ignition of general fuels normal to ignite). 5 m ISO 13571:2007, punto 9., nota 2. 0,3 ISO 13571:2007, punto 5.2 e 6. 50 C inferiore a quanto previsto in ISO 13571:2007, punto 8.1, nota (60 C). 1,5 kw/m2 inferiore a quanto previsto in ISO 13571:2007, punto 8.2, per esposizioni maggiori di 30 minuti, senza modifica significativa dei tempi di esodo (2,5 kw/m2). 20 kw/m2 NFPA 555, punto 4.4.3.2. 6
Gli scenari sono individuati dal responsabile dell'attività, dal responsabile della progettazione antincendio generale e concordati con l'ahj, Authority Having Jurisdiction, (Comando Provinciale dei Vigili del Fuoco) Si ipotizza lo sviluppo dell'incendio durante la condizione d'esercizio più gravosa per l'edificio 7 Materiali combustibili e proprietà chimico-fisiche I materiali combustibili presenti durante tale manifestazione sono rappresentati dalle isole espositive distribuite uniformemente nelle superfici disponibili e separati da passaggi pedonali. Gli scafi e le strutture delle imbarcazioni sono realizzate in resine con fibre di vetro; gli arredi interni delle imbarcazioni e delle isole espositive sono realizzati in legno con imbottiture poliuretaniche. Data l'enorme variabilità dei materiali, non è possibile predeterminare con sufficiente approssimazione le proprietà chimico-fisiche di ognuno di questi. Pertanto, a favore di sicurezza, per tutti i combustibili si assumono le proprietà del peggiore combustibile ai fini della sicurezza, cioè le schiume poliuretaniche. 8 Materiali combustibili e proprietà chimico-fisiche Proprietà chimico-fisiche schiume poliuretaniche Caratteristica Valore Riferimento Resa di particolato 0,1875 kg/kg Polyurethane flexible Resa di CO 0,02775 kg/kg foam da Tewarson, SFPE Handbook Potere calorifico per 25300 kj/kg 3rd edition, tabella 3- combustione completa 4.14, pagina 3-112, (ideale) valori medi Formula chimica bruta C1H1,75O0,25N0,065 9
Calcolo dell'hrrmax A seguito di estesa ricerca (a nostra conoscenza) non esistono in letteratura riferimenti sull'andamento dell'hrr per l'incendio di imbarcazioni aventi le nostre caratteristiche Si analizzano quindi alcuni scenari noti e l'hrrmax viene stimato L'ordine di grandezza della potenza istantanea rilasciata può essere stimata, applicando a incendi documentati, le correlazioni che legano le dimensioni geometriche del focolare all'hrr 10 Calcolo dell'hrrmax Motoscafo da 6 m vetroresina, lunghezza presunta imbarcazione 6 m, incendio generalizzato, intervento di spegnimento appena cominciato. Fonte: http://www.civfd.org/ HRRmax stimato: 2739 kw Riferimento R: altezza del Vigile F. - Geometria DXL: 2,7 m x 2,7 m 11 Calcolo dell'hrrmax Motoscafo da 9 m vetroresina, incendio generalizzato, nessun intervento di spegnimento. Fonte: http://www.obfd.org HRRmax stimato: 8903 kw Riferimento R: altezza da pozzetto Geometria DXL: 6 m x 2 m 12
Calcolo dell'hrrmax Motoscafo da 12 m vetroresina, incendio generalizzato, nessun intervento spegnimento. Fonte: http://www.livingstonco.ky.gov HRRmax stimato: 8496 kw Riferimento R: lunghezza barca - Geometria DXL: 5,6 m x 2,4 m 13 Incendio di progetto Gli incendi analizzati sono tutti avvenuti all'aperto Si possono estendere tali risultati anche ad ambienti chiusi se hanno sufficienti dimensioni geometriche e ottime condizioni di ventilazione e di tiraggio naturale Dalle simulazioni si verifica che: le temperature dei fumi sono sufficientemente basse da rendere irrilevante il feedback radiativo ai materiali combustibili presenti nell'attività. l'incendio avviene in ottime condizioni di ventilazione. i risultati visti per incendi reali contengono intrinsecamente un elevato margine di errore per la frammentarietà dei dati a disposizione e per i limiti della metodologia pertanto si impone un coefficiente di sicurezza pari a 2 14 Incendio di progetto 15
Incendio di progetto Potenza stimata per l isola espositiva Si stima pertanto che l'hrrmax per una imbarcazione delle caratteristiche di progetto sia pari a 18 000 kw L'incendio di progetto viene definito come un incendio che si propaga a 5 imbarcazioni per un HRRmax totale pari a 90 000 kw La potenza massima stimata è conforme ai valori medi proposti nella UNI EN 1991-1-2:2005, tabella E.5: 5 imbarcazioni 12 3m 2 500kW/m 2 =90 000 kw 16 Incendio di progetto e condizioni d'esercizio Per quanto sopra si impongono le seguenti condizioni di esercizio 1. Le isole espositive dell'edificio avranno un carico di incendio massimo corrispondente a 5 imbarcazioni 2. Gli allestimenti degli stand siano conformi a quanto di seguito indicato: (a) pavimenti e pareti: classe di reazione al fuoco non superiore a 2. (b) materiali suscettibili di prendere fuoco su entrambe le facce: classe di reazione al fuoco non superiore a 1 17 Incendio di progetto schematizzato dalle considerazioni fatte l'incendio di progetto viene schematizzato come una sorgente di tipo volumetrico con caratteristiche: Caratteristica Valore Riferimento HRRmax 90 000 kw Come sopra Tasso di crescita dell'incendio (fire growth rate) Tipologia curva di crescita Fast, t alfa = 150 s UNI EN 1991-1- 2:2005, punto E.4 Q = 10 3 (t/t alfa ) 2 kw UNI EN 1991-1- 2:2005, punto E.4 18
Scenari di incendio concordati per quanto sopra è stato concordato con l AHJ QUANTO SEGUE incendio di progetto (90'000 kw, tipo fast) che si verifichi durante la condizione d'esercizio più gravosa per l'edificio si dettagliano inoltre le ipotesi al contorno come nelle successive slide dai punti a) fino al punto f) 19 Scenari di incendio concordati a) Geometria dell edificio: si può fare riferimento alle planimetrie di progetto b) Caratteristiche termiche: Le pareti ed i solai vengono considerati superfici a temperatura costante, pari alla temperatura ambiente. (tale ipotesi è in favore di sicurezza in quanto comporta un contenuto energetico dei fumi lievemente inferiore e ciò favorisce il rimescolamento dei fumi e la rottura delle stratificazioni) 20 Scenari di incendio concordati c) Condizioni di ventilazione naturale: (c1) Gli infissi esterni non permanentemente aperti e non asserviti all'impianto di rivelazione incendi sono considerati chiusi. (c2) Le superfici vetrate si rompono efficacemente ai fini della ventilazione al raggiungimento della temperatura di 450 C. Nella simulazione nessuna superficie vetrata raggiunge tale temperatura. (c3) I portoni di accesso all'edificio sono inizialmente chiusi e si aprono automaticamente a seguito della rivelazione automatica o manuale di incendio. (c4) Non è previsto crollo di strutture di confinamento. 21
Scenari di incendio concordati d) Condizioni di ventilazione meccanica: E' presente impianto di estrazione fumi di incendio, costituito da canali indipendenti di estrazione (realizzati in calcio silicato con ventilatori adatti all alta temperatura dei fumi e gas caldi). Tale impianto è inizialmente spento e si avvia solo a seguito di rivelazione automatica o manuale di incendio. La portata complessiva di estrazione dei fumi è pari a 100 m 3 /s 22 Scenari di incendio concordati e) Caratteristiche degli occupanti: Sono identificate delle aree critiche ai fini dell'esodo in relazione all'affollamento, alla lunghezza delle vie d'esodo ed alla difficile applicabilità dell'approccio prescrittivo. Le aree non critiche vengono verificate con l'approccio prescrittivo, come aree riunioni, zona reception. Condizione degli occupanti: i. La popolazione è composta da: 60% adulti, 30% anziani, 10% bambini. ii. Si ipotizza una popolazione: awake and unfamiliar, cioè in stato di veglia e senza familiarità con l'edificio, secondo norma PD 7974-6:2004. 23 Scenari di incendio concordati f) Tempi di evacuazione: Caratteristica Valore Riferimento Tempo di rivelazione ed allarme generale (detection) Tempo di attività di pre movimento (pretravel activity time, PTAT) Tempo di movimento (travel) Range 30"-90", media 60" Range 120"-300", media 210" Simulato PD 7974-6:2004, table C.1, per persone awake and unfamiliar, con parametri: E (type) M2 (safety management) B3 (building complexity) A2 (two stage alarm system) 24
EFFETTUARE UNA ANALISI QUANTITATIVA Definizione della soluzione progettuale 1) Strategia scelta per raggiungere gli obiettivi prefissati es. l esodo avviene uniformemente sui lati maggiori edificio 2) Misure di protezione passiva e loro caratteristiche es. tutte le aree a rischio specifico risultano compartimentate 3) Misure di protezione attiva e loro caratteristiche es. la rivelazione dell'incendio automatica o manuale comporta l'avvio dell'impianto di estrazione fumi e la completa apertura dei portoni di accesso 4) Tavole di progetto che illustrano in maniera univoca le soluzioni adottate (allegate al progetto) 25 EFFETTUARE UNA ANALISI QUANTITATIVA Scelta dei modelli di calcolo Il modello impiegato è FDS 5.2.0, Fire Dynamics Simulator Si tratta del modello di calcolo open source attualmente più utilizzato nell'ambito delle applicazioni antincendio FDS è un codice di termofluidodinamica computazionale orientato agli scenari d'incendio. Il programma risolve numericamente una formulazione delle equazioni di Navier-Stokes idonee per basse velocità e flussi principalmente influenzati dal gradiente di temperatura, con un enfasi sul trasporto di fumo e calore dei prodotti della combustione Fire Dynamics Simulator e Smokeview (il post-processore grafico) sono sviluppati dal National Institute of Standards and Technology (NIST) del dipartimento del Commercio degli Stati Uniti d'america, in cooperazione con il VTT Technical Research Centre Finlandese 26 EFFETTUARE UNA ANALISI QUANTITATIVA Scelta dei modelli di calcolo FDS contiene un modulo per la simulazione della evacuazione denominato EVAC, sviluppato dal VTT Technical Research Centre Finlandese che e stato impiegato in questo progetto L'estesa documentazione di verifica e validazione del modello è reperibile presso il sito http://www.fire.nist.gov/fds/documentation.html 27
EFFETTUARE UNA ANALISI QUANTITATIVA Geometria dei locali in FDS 28 EFFETTUARE UNA ANALISI QUANTITATIVA Scelta dei modelli di calcolo PARAMETRI E VALORI ASSOCIATI AL MODELLO DI CALCOLO La modellizzazione dello scenario ha comportato un corposo lavoro di approfondimento, preparazione, verifica e successiva ottimizzazione dei parametri di input. Prima di giungere alle soluzioni di progetto qui descritte sono state analizzate una quarantina di soluzioni diverse Ciascuna analisi ha comportato tempi di calcolo dell'ordine delle decine di ore di tempo macchina, su hardware particolarmente concepito per la specifica applicazione La modellizzazione dell'esodo è stata svolta 10 volte per raggiungere un ottimale livello di affidabilità della previsione 29 EFFETTUARE UNA ANALISI QUANTITATIVA Scelta dei modelli di calcolo Si sceglie di riportare nella documentazione di progetto il file di input finale completo e commentato, sia per gli aspetti fluidodinamici che per quelli di evacuazione il file contiene: - parametri generali di impostazione simulazione &HEAD CHID - &TIME T_END - &MISC - la definizione delle caratteristiche della popolazione degli occupanti - la descrizione delle griglie di calcolo e geometrie per l evacuazione - parametri di impostazione della simulazione termofluidodinamica &REAC - definizione dei materiali e delle proprietà termofisiche &MATL ID - definizione condizioni al contorno di dominio (es. ventilatori) &SURF ID - definizione delle griglie di calcolo termofluidodinamico &MESH XB - definizione delle geometrie &OBST XB - &HOLE XB - &VENT (ventilatori) - definizione delle geometrie dell incendio &OBST XB =...SURF_ID ='Isle' / fire burner at ground floor &VENT XB=...SURF_ID='Fire' / fire, ground floor, area - definizione dei dispositivi e delle logiche di controllo (timer open/on) &DEVC - descrizione dei dati da inviare all'output &ISOF QUANTITY - &SLCF PBX - &DEVC 30
EFFETTUARE UNA ANALISI QUANTITATIVA Scelta dei modelli di calcolo E stato effettuato quindi un: DIMENSIONAMENTO DELLA GRIGLIA DI CALCOLO si calcola il diametro caratteristico del focolare e si definisce la dimensione nominale della cella elementare come proposto in [NUREG 1824] (vedi manuale FDS ing. E. Gissi) ed una: ANALISI DI SENSIBILITÀ DEI RISULTATI viene elaborata una simulazione di calcolo con cella 0.4m e viene confrontata con le simulazioni con cella 0.6m si arriva a concludere che la simulazione con cella 0.6m risolve adeguatamente la dinamica dell'incendio, conformemente alla simulazione con griglia più raffinata con cella 0.4m si veda slide successiva 31 EFFETTUARE UNA ANALISI QUANTITATIVA Scelta dei modelli di calcolo la simulazione con cella 0.6m risolve adeguatamente la dinamica dell'incendio, conformemente alla simulazione con griglia più raffinata con cella 0.4m simulazione con cella 0.6m simulazione con cella 0.4m La simulazione con cella 0.6m sembra solo poco più conservativa ma perfettamente adatta allo scopo 32 CALCOLARE LE CONSEGUENZE DEGLI SCENARI DI INCENDIO a questo punto siamo pronti a far processare il file ad FDS ed attendere i risultati e i TEMPI DI SIMULAZIONE? scopo dell'analisi prestazionale è quello di verificare le condizioni di esodo PERTANTO LA SIMULAZIONE DI INCENDIO VIENE CONDOTTA FINO AL TERMINE DELL'ESODO 33
per quanto riguarda i limiti di tenibilità si è utilizzato il criterio t ASET > t RSET dove: t ASET available safe egress time: rappresenta l'intervallo di tempo calcolato tra l'innesco dell'incendio ed il momento in cui le condizioni ambientali nell'edificio diventano tali da rendere gli occupanti incapaci di porsi in salvo raggiungendo o permanendo in un luogo sicuro t RSET required safe egress time: rappresenta l'intervallo di tempo calcolato tra l'innesco dell'incendio ed il momento in cui gli occupanti dell'edificio raggiungono o permangono in un luogo sicuro 34 per quanto riguarda i limiti di tenibilità si è utilizzato il criterio t ASET > t RSET dove: t ASET available safe egress time: rappresenta l'intervallo di tempo calcolato tra l'innesco dell'incendio ed il momento in cui le condizioni ambientali nell'edificio diventano tali da rendere gli occupanti incapaci di porsi in salvo raggiungendo o permanendo in un luogo sicuro t RSET required safe egress time: rappresenta l'intervallo di tempo calcolato tra l'innesco dell'incendio ed il momento in cui gli occupanti dell'edificio raggiungono o permangono in un luogo sicuro si considera efficace il sistema d'esodo se il tempo in cui permangono condizioni ambientali non incapacitanti per gli occupanti è superiore al tempo necessario perché essi possano raggiungere un luogo sicuro 35 CALCOLO DEL t ASET è il tempo a disposizione delle persone per mettersi in salvo dipende strettamente dalle interazioni nel sistema incendio-edificio-occupanti l'incendio si innesca, si propaga e diffonde nell'edificio i suoi prodotti, fumi e calore L'edificio resiste per mezzo delle misure protettive attive e passive impianti antincendio, compartimentazioni, sistemi di controllo dei fumi Gli occupanti sono esposti agli effetti dell'incendio in relazione alla attività che svolgono, alla loro posizione iniziale, al loro percorso nell'edificio ed alla condizione fisica e psicologica La conseguenza è che in realtà ciascun occupante possiede un proprio valore del tempo di ASET L'avvio del calcolo dell'aset richiede la stima delle concentrazioni di prodotti tossici, delle temperature e delle densità del fumo negli ambienti a seguito dell'incendio e la loro variazione nel tempo nel caso in esame viene elaborata con un modello di calcolo fluidodinamico La norma ISO 13571:2007 è attualmente il riferimento più autorevole per il calcolo dell'aset 36
CALCOLO DEL t RSET è il tempo tra l'innesco dell'incendio ed il momento in cui gli occupanti dell'edificio raggiungono o permangono in un luogo sicuro anche il t RSET dipende dalle interazioni del sistema incendio-edificio-occupanti la fuga degli occupanti è fortemente condizionata dalle geometrie dell'edificio ed è rallentata dagli effetti dell'incendio il tempo di RSET è determinato dalla somma di varie componenti, come: il tempo di rivelazione (detection) tdet, il tempo di allarme generale ta il tempo di attività pre-movimento (pre-travel activity time PTAT) tpre il tempo di movimento (travel) ttra: i documenti di riferimento per il calcolo dell'rset sono la committee draft ISO/CD 16387 ed il published document PD 7974-6:2004 37 condizione dell'edificio ad 11,8 secondi dall'avvio dell'incendio i blocchi gialli rappresentano le isole espositive le porte di accesso sono ancora chiuse, l'impianto di estrazione fumi è ancora spento 38 Tempo 94,9 secondi: il fumo inizia a stratificarsi L'impianto di rivelazione incendi ha già segnalato la presenza di fumo ed a 90 si sono aperte le porte, avviato l'impianto di estrazione fumi e sono partite le segnalazioni sonore per l'evacuazione dell'edificio 39
Tempo 273,5 s secondi: il fumo si è stratificato Gli occupanti avviano l'esodo tra 150 e 390, in relazione al tempo di rivelazione ed allarme generale (detection) ed al tempo di attività di pre movimento (pretravel activity time, PTAT) 40 Tempo 359,5 s secondi: il fumo è ormai consolidato nella sua stratificazione L'esodo è in fase avanzata Gli ambienti permangono vivibili alle quote occupate dalle persone 41 Tempo 419,5 s secondi: il fumo è ormai consolidato nella sua stratificazione Gli ambienti sono quasi vuoti, ma permangono vivibili garantendo la possibilità per le squadre di soccorso di accedere in sicurezza Si sono formate code presso le uscite 42
Tempo 459,2 s secondi: il fumo è ormai consolidato nella sua stratificazione Sono presenti solo code presso le uscite, che stanno rapidamente esaurendosi 43 Tempo 670,0 s secondi: Termina l'evacuazione Gli ambienti permangono accessibili alle squadre di soccorso per le operazioni di spegnimento, perché viene mantenuta la stratificazione dei fumi 44 Tempo 700,0 s secondi: Terminata l'evacuazione Isosuperficie della visibilità, con visibilità = 10 m La visibilità è mantenuta superiore a 10 metri fino ad oltre 2 metri dal piano di calpestio 45
Tempo 700,0 s secondi: Terminata l'evacuazione Sezione temperatura, con temperatura > 50 C La temperatura viene mantenuta inferiore ai 50 C 46 Tempo 700,0 s secondi: Terminata l'evacuazione Sezione concentrazione CO, con concentrazione > 35 ppm La concentrazione del CO viene mantenuta inferiore ai 35 ppm nelle zone abitabili oggetto di studio 47 Tempo 790,0 s secondi: Ampiamente terminata l'evacuazione Mappa dello scambio netto di calore verso le superfici di contorno nei dintorni del focolare I valori sono sempre inferiori a 0,230 kw/m 2 48
CONLUSIONI DELLA MODELLIZZAZIONE La conformazione dell'edificio comporta una notevole miscelazione e diluizione dei fumi tali da rompere la stratificazione L'attivazione dell'impianto di estrazione fumi, strategicamente posizionato, garantisce l'innalzamento dell'interfaccia tra i fumi e l'aria indisturbata, garantendo la vivibilità degli ambienti abitabili fino al termine dell'esodo ed all'avvio delle operazioni di soccorso Pertanto i livelli di prestazione sono rispettati con ampio margine di sicurezza 49