Incendi FSE - Ordine degli Ingegneri della Provincia di Latina

Ordine degliIngegneri Provinciadi LatinaDIPARIMENTO DEI VIGLI DEL FUOCO DEL SOCCORSO PUBBLICO E DELLA DIFESACIVULE“Analisi qualitativa degli incendi perun approccio corretto alla FSE”Ing. Pierpaolo Gentile, PhDDirettore del Corpo Nazionale dei Vigili Del FuocoCorso di Specializzazione in Prevenzione IncendiAi sensi del D.M. 25 marzo 1985Comando Provinciale VV.F. di Latina,6 settembre 20101

L’Incendio• La temperatura raggiunta dai prodotti dicombustione è alla base dei moti convettivi daiquali dipende la propagazione dell’incendioall’interno dell’edificio in cui si sviluppa.• Una prima classificazione degli incendi puòessere fatta in funzione della velocità dellosviluppo di prodotti della combustione, difiamme e di calore nelle prima fase dell’incendiostesso e vengono definiti in:1. Incendi a sviluppo lento;2. Incendi a sviluppo medio;3. Incendi a sviluppo veloce3

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

L’Incendiocon produzione di Fiamma• La combustione si genera mediante reazionichimiche prevalentemente in fase gassosa;• Viene emessa radiazione elettromagnetica siainfrarossa che visibile• Si ha elevata produzione di energia termica;• Si ha elevata emissione di fumo di colore scuro;• Flussi turbolenti gassosi con frequenti variazionidi velocità;• Formazioni di vortici di varie dimensioni5

L’Incendiocovante (Smoldering fire)• La combustione procede generalmentesenza lo sviluppo di fiamme sullasuperficie del combustibile;• La temperatura non è molto elevata el’incendio procede con velocità tipicamenteinferiori ad 1mm/min;• Scarsa rumorosità ed assenza di rumore;• Modestissimo apporto termico all’ambientecon l’emissione di fumo di colore chiaro;6

L’Incendio:FASI DI SVILUPPO CARATTERISTICHE• Schematicamente si possono distinguerele seguenti 4 fasi caratteristichenell’evoluzione temporale di un incendio:1.Ignizione;2.Crescita;3.Incendio pienamente sviluppato;4.Decadimento.7

L’Incendio:FASI DI SVILUPPO CARATTERISTICHETemperatura (°C)1 2 3 4Tempo(min)Fasi dell’incendio1 – Innesco2 – Crescita(Propagazione)3 – Pieno sviluppo4 – DecadimentoEstinzioneComportamentodell’incendioRiscaldamento delmateriale combustibileCombustionecontrollata dalcombustibileCombustionecontrollata dallaventilazioneCombustionecontrollata dalcombustibileComportamento umanoAttività di prevenzioneAzione primaria dispegnimento conpresidi antincendio;esodoMorteMisure attive impegnateRilevatori di fumoRilevatori di fumo ecalore; impiantisprinklers; interventoVF; sistemi di controllodel fumoIntervento VFMisure passiveimpegnateMateriali classificati perreazione al fuocoMateriali classificati perreazione al fuocoStrutture resistenti alfuoco; separazioneantincendio8

L’Incendio:1. L’INNESCO• La partecipazione all’incendio delcombustibile solido dipende dallapezzatura (es: con un fiammifero brucio unfoglio di carta ma non il piano dellascrivania);• La combustione avviene sempre in fasegassosa attraverso il fenomeno dellapirolisi: Una sostanza solidasufficientemente riscaldata libera vaporicombustibili;9

L’Incendio:1. L’INNESCO• I prodotti di pirolisi combinati conl’ossigeno bruciano con fiamma e liberanocalore che, investendo la superficie solida,comportano l’accelerazione del fenomenodi pirolisi;• Il tempo di ignizione di una sostanza solidadipende dal flusso termico che la investe ee dalla temperatura che raggiunge lasuperficie del solido esposta;10

L’Incendio:1. L’INNESCO• La pirolisi è più veloce in corpi con bassainerzia termica:[ ]K( ρ ⋅cdovep⋅λ)12kJ/(m⋅ s⋅ Kkgρ è la densità del materiale in3mkJcpè il calore specifico in ;kg ⋅ Kλ è conduttività20.5termica inkWm⋅;11

L’Incendio:1. L’INNESCO• La pirolisi è più veloce in corpi con bassainerzia termica:• Poliuretano, inerzia termica pari a: 41;• Legno di pino, inerzia termica pari a 500;IL POLIURETANO BRUCIA “MEGLIO” DELLEGNO DI PINO;12

L’Incendio:1. L’INNESCO• Si indica con t ig il tempo, valutato insecondi, di un materiale sul quale incide unflusso radiante q (kW/mq) per raggiungerela temperatura di ignizione T ig :qc: flusso critico13

• OSSERVAZIONEL’Incendio:1. L’INNESCOIn caso di innesco pilotato (fiammadiretta che lambisce il combustibile) ivalori del tempo t ig e del flussotermico per raggiungere T igdiminuiscono sensibilmente!14

L’Incendio:1. L’INNESCOAlcuni valori sperimentali (in aria):SostanzaCombustibileCarta diGiornaleLegnoPolietilene(alta densità)PolistireneTig (K)503493613623qc (kW/mq)1010151315

L’Incendio:2. CRESCITA• L’incendio cresce in funzione dellatipologia, massa, distribuzione spaziale delcombustibile;• NON risente della ventilazione!• La temperatura Media del locale èrelativamente bassa (diluzione con l’ariafredda presente);• Localmente, in prossimità della zonainteressata dalla combustione,temperature elevate.16

L’Incendio:2. CRESCITAIn questa fase si ha:• Riduzione visibilità a causa dei prodottidella combustione (fumi);• Produzione di gas tossici irritanti ecorrosivi;• Aumento della velocità di combustione neltempo;• Aumento della temperatura e della potenzatermica irradiata nell’ambiente.17

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 isolatominore calore viene dissipato all’ambiente circostante,maggiore sarà la T raggiunta all’interno del locale;• Caratteristiche di partecipazione al fuoco dei materiali diarredo e di rivestimento (REAZIONE AL FUOCO DEIMATERIALI), formazione di gocce incandescenti,produzione di gas e fumi tossici;18

L’Incendio:2. CRESCITAOSS:Una superficie vetrata avente spessoredi 3 mm si rompe a 340°C;Una superficie vetrata avente spessoredi 6 mm si rompe a 450°C.19

L’Incendio:3. PIENAMENTE SVILUPPATOIn questa fase tutti gli oggetti del localepartecipano alla combustione in quantoanche quelli più lontani raggiungono la Tig!Il Flashover rappresenta la fase di transizionefra un incendio in crescita ed un incendiopienamente sviluppato;In questa fase i gas caldi di combustionehanno invaso tutto l’ambiente e si trovanovicino al pavimento (IRRAGGIAMENTO);20

L’Incendio:3. PIENAMENTE SVILUPPATOLo sviluppo dell’incendio èFORTEMENTE influenzato dallaVENTILAZIONE!OSS: se non vi è ventilazionesufficiente il flashover potrebbenon verificarsi (carenza dicomburente)21

L’Incendio:3. PIENAMENTE SVILUPPATOQuesta fase è caratterizzata da:- Forte innalzamento della velocitàdi combustione;- Elevato rilascio di calore, Televatissime;- Rilevante crescita di produzionefumo e gas di combustione;22

L’Incendio:3. PIENAMENTE SVILUPPATOLa Temperatura del locale non è uniforme;Il pavimento e le parti inferiori dei muriraggiungono una temperatura inferiore alleparti superiori delle pareti e, soprattutto,del soffitto.A causa del mescolamento dovuto alla forteturbolenza del gas, la differenza ditemperatura non è elevata: in generale cisi riferisce alla temperatura media deigas di combustione (SI POSSONORAGGIUNGERE 1000°C).23

L’Incendio:3. PIENAMENTE SVILUPPATO24

L’Incendio:4. DECADIMENTODopo l’ignizione di tutti i materialicombustibili, l’incendio tende arallentare;Si ha il progressivo esaurimento dicombustibile;Riduzione del flusso termico generato;26

L’Incendio:4. DECADIMENTOIn letteratura la fase di decadimentoinizia quando la T media scende allo80% del valore massimo raggiuntonella fase 3.Si ritiene conclusa quando la T mediascende sotto i 200°C (si escludonoinneschi di eventuali materialicombustibili);27

L’Incendio:4. DECADIMENTO28

L’Incendio:UNA PROVA IN SCALA REALE29

Il Fattore di VENTILAZIONELo sviluppo di un incendio in fase avanzatadipende dal fattore di ventilazione , cheva ad influenzare la velocità di combustione(massa di combustibile consumata nell’unitàdi tempo [kg/s]):O=Av ⋅Aht0.5eq[ ] m30

Il Fattore di VENTILAZIONEDove:A v = Superficie delle aperture di ventilazione ricavatesulle pareti del locale, in mq;A t = Superficie totale del compartimento, pavimentopareti e soffitto, in mq;h eq = altezza equivalente, media ponderata di tutte lealtezza hi delle aperture di ventilazione delle pareti,così valutata:heqAi= ∑Aviv⋅ hi[ m]31

Il Fattore di VENTILAZIONEEsempio:Calcolare il fattore di ventilazione di un localeavente larghezza 19 m, lunghezza 23 m edaltezza 3,6 me con le seguenti aperture:- n. 2 porte di larghezza pari a 2 m ed altezzapari 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

Il Fattore di VENTILAZIONEAt= 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 mO=Av*heq 0,5 /At=(39,55/1176,4)x1,65 0.5 =0.0432 m 0.533

Il Fattore di VENTILAZIONEIncendi controllati dalla superficie di ventilazione:Durante la fase di sviluppo la massa d’aria cheaffluisce nel locale e minima rispetto allasuperficie del compartimento;E’ la tipologia maggiormente diffusa nella fase disviluppo di incendi in ambienti chiusi;La massa di ossigeno nell’ambiente non è sufficientee limita lo sviluppo della combustione.34

Il Fattore di VENTILAZIONEIncendi controllati da combustibile:Durante la fase di sviluppo la combustionedipende poco dalla massa d’aria che affluisce nellocale, in quanto è presenta aria già sufficienteallo sviluppo della combustione;La combustione è influenzata dalla pezzatura,dalla massa e dalla porosità ed orientamentospaziale del combustibile35

In un locale:Il Fattore di VENTILAZIONELo sviluppo di un incendio nella fase iniziale ècontrollato dal combustibile;Nella fasi successive viene regolato dalla superficie diventilazione;E’ presente una zona di transizione che separa iregimi di combustione descritti prima;Se è dell’ordine di 0.07 ÷ 0.08 m 0.5 lacombustione è influenzata dalla ventilazione;36

La potenza Termicarilasciata da un incendioLa velocità di combustione m s , per unità di combustibilee di superficie coinvolta in un incendio, se sisviluppano fiamme, è pari a:ms=qf+ qLrv− q⎡kg⎢⎣ mq f = flusso termico convettivo generato dalla fiamma;q r = flusso termico radiante generato dalla fiamma;q d = Flusso termico disperso per convenzione edirraggiamento dalla superficie considerata;OSS=T ig > 350°C quindi q d è una potenza specificasignificativa!d2⎤s⎥⎦37

SostanzaCombustibileCarta diGiornaleLegnoPolietilene(alta densità)PolistireneTig (K)503493613623qc (kW/mq)1010151338

La potenza Termicarilasciata da un incendioL v = Energia termica necessaria per produrre la pirolisidi un chilogrammo di combustibile [kJ/kg]SostanzaCombustibileL v [kJ/kg]Carta CorrugataLegnoPolietilene (altadensità)Polistirene220059002300160039

La potenza Termicarilasciata da un incendioLa velocità di combustione m s , poiché i flussi termici sonoinfluenzati dalla tipologia del combustibile, dall’aria presentenell’ambiente etc., all’aumentare dell’area coinvoltadall’incendio dapprima cresce per poi stabilizzarsi ad unvalore massimo:In quanto, raggiunta una determinata T, il coefficiente diconvezione e l’emissività della fiamma nonsubiscono più significative variazioni.40

La potenza Termicarilasciata da un incendioVALORI MASSIMI DELLA VELOCITA’ DI COMBUSTIONE PER UNITA’ DISUPERFICIE INTERESSATA DALL’INCENDIO IN ARIASostanza CombustibileAlcol metilicoBenzinePolipropilene granulareCarta CorrugataLegnom s [kg/(m 2 s)]0.0220.066÷0.0750.0260.0140.01141

La potenza Termicarilasciata da un incendioOSS: Se sulla superficie del combustibileagisce un flusso termico radiante q e dovutoad una sorgente esterna (ad es. flussotermico radiante da un oggetto vicinocombustibile anch’esso coinvoltonell’incendio) i valori di velocità dicombustione m s devono essere aumentatidella quantità:q e /L v42

La potenza Termicarilasciata da un incendioIl rischio di incendio in un ambiente dipendeprincipalmente da:- Temperatura massima;- Portata massima di fumo e gas nociviche si liberano.Queste grandezze dipendono dalla potenzatermica dell’incendio, indice della rapiditàcon la quale viene rilasciata l’energiatermica sviluppata.43

La potenza Termicarilasciata da un incendio lo “RHR”L’incendio A e l’incendio B sviluppano la stessaenergia, l’area sottesa dalle rispettive curveè la stessa:L’incendio A è più severo dell’incendio B, inquanto nell’unità di tempo rilascia il doppiodell’energia!44

La potenza Termicarilasciata da un incendio lo “RHR”La potenza termica totale rilasciatanell’ambiente varia nel tempodurante un incendio;In letteratura anglosassone vieneindicata con l’acronimo RHR: Rateof Heat Release.45

La potenza Termicarilasciata da un incendio lo “RHR”In un determinato istante, lo RHR è dato dalprodotto della velocità di combustione m c[kg/s] ed il potere calorifico H delcombustibile [kJ/kg]:RHR(t)=m c (t)xH [kW/kg]m c dipende dallo stato del combustibile e dallecondizioni dell’ambiente di sviluppodell’incendio;Valori tipici variano da frazioni di g/s ad alcunikg/s.46

La potenza Termicarilasciata da un incendio lo “RHR”Ordine di grandezza dello RHR:La combustione di n. 3 fogli di poliuretanoespanso 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

La potenza Termicarilasciata da un incendio lo “RHR”Le curve RHR (t) hanno sempre una fase dicrescita ed una fase di decadimento con untratto superiore, nel quale la potenzaraggiunge il valore massimo e si mantienepressoché costante.48

RHR(t) [kW]La potenza Termicarilasciata da un incendio lo “RHR”RHR maxRHR F49

La potenza Termicarilasciata 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 prossimitàdel flashover, valori compresi fra 1 kW/s equalche decina di kW/s;Il valore massimo RHRmax, può stimarsi conuna espressione che è indicatanell’Eurocodice 1 – Allegato E – perincendi controllati dalla superficie diventilazione:50

La potenza Termicarilasciata da un incendio lo “RHR”RHRmax= 0,10⋅m⋅HAvh0.5eqDove:m: fattore di partecipazione alla combustione(stesso del DM 09/03/2007);H: Potere Calorifico del materiale combustibile;A v : Superficie complessiva delle aperture diaerazione del locale;h eq : altezza equivalente (stessa definizione per ilcalcolo del fattore di ventilazione).⋅⋅51

La potenza Termicarilasciata da un incendio lo “RHR”L’andamento temporale dello RHR sino alflashover è di tipo quadratico, pertanto sinoal tempo t F si adotta la seguenteespressione:RHR(t)=αt 2Relazione riportata nelle norme NFPA 72 edNFPA 92B, verificata sperimentalmente.52

La potenza Termicarilasciata da un incendio lo “RHR”Sono state introdotte, al fine di introdurre analisiquantitative, quattro curve predefinite disviluppo, con tg tempo necessario affinché loRHR(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

La potenza Termicarilasciata da un incendio lo “RHR”54

La potenza Termicarilasciata da un incendio lo “RHR”Dove:Avequiv=W⋅hv equiv v equivhv equivRHRDifferenza fra altezza punto più alto e piùbasso fra tutte le aperture di aerazionepresenti;F=0.5v7,8⋅ A + 378⋅Av ⋅htequiv equiv55

La potenza Termicarilasciata da un incendio lo “RHR”Ed ancora:W vequivLarghezza [m] della apertura diventilazione calcolata imponendo cheil fattore di ventilazione del locale dovesia presente solo tale aperturavirtuale, pari alla somma dei fattori diventilazione delle singole aperturerealmente presenti aventi dimensionigenericheWedhventi vent i56

La potenza Termicarilasciata da un incendio lo “RHR”Pertanto:Wvequiv=∑Wiventhi1,5v⋅equivh1,5ventiEd infine, A T [m 2 ] è la differenza fra lasuperficie totale del locale e l’area A vequiv57

La potenza Termicarilasciata da un incendio lo “RHR”Lo RHR F si può calcolare mediante il Metodo diThomas, basato sul bilancio energetico degli stratidi gas caldi (600°C circa) che si forma sul soffittodi un locale e dall’osservazione di numerosiincendi naturali (metodo riportato nella NFPA555):RHRF=0.5v7,8⋅ A + 378⋅Av ⋅htequiv eqiv58

La potenza Termicarilasciata da un incendio lo “RHR”OSS:Un incendio a sviluppo lento si produce a seguito dellacombustione di oggetto solidi massicci (tavoli earmadi in legno);Un incendio a sviluppo medio si origina in presenza dicombustibili aventi bassa densità (poltrone e divaniimbottiti);Uni incendio veloce si ha dalla combustione dimateriali di bassa densita e piccola pezzatura(carta; scatole di cartone; tessuti);Un incendio ultraveloce si adatta bene per liquidiinfiammabili e per liquidi altamente volatili.59

La potenza Termicarilasciata da un incendio lo “RHR”CONCLUSIONI:Per un progetto prestazionale è sempre necessario:1) Identificare l’incendio di progetto in relazione agliscenari di incendio credibili per l’attività in esame;2) L’incendio di progetto deve prevedere, mediantedati mutuati dalla letteratura o da provesperimentali l’andamento dello RHR(t);3) La curva dello RHR(t) qualitativa rappresenta labase di partenza per il calcolo mediante softwarespecifici di simulazione incendi ( a zone o di conmodelli fluidodinamici di campo).60

Grazie perl’attenzione!Ing. Pierpaolo Gentile, PhDDirettore del Corpo Nazionale dei Vigili Del FuocoComando Provinciale Latina61

La potenza Termicarilasciata da un incendio lo “RHR”Esempio:Per un incendio di legno (H=17,5 [MJ/kg]) asviluppo medio si ottiene:α=RHR(t g )/t g2 =1000/(300) 2 =11,11 10 -3 [kJ/s 3]Essendo RHR il prodotto fra m c e H, si calcolam c (t g ) come:m c (t g )=1000 [kW]/H[MJ/kg]=0,0571 [kg/s]62

La potenza Termicarilasciata da un incendio lo “RHR”Supponendo che l’incendio si sviluppi nel localedell’esempio precedente che aveva:A t =1176 mq; A v =39,55 mq; h eq =1,65 mRHRmax=0,10⋅m⋅H⋅Av⋅h0.5eqRHRmax=0,10x0,8x17,5x10 3 x39,55x(1,65) 0.5 ==71,12 kW63