Software simulazione - Ordine degli Ingegneri della Provincia di Latina

Ordine degli
Ingegneri Provincia
di Latina
DIPARIMENTO DEI VIGLI DEL FUOCO DEL SOCCORSO PUBBLICO E DELLA DIFESA
CIVULE
“FSE, l’approccio ingegneristico alla
sicurezza antincendio”
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 2010
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Modelli d’incendio
Tre diverse tipologie di metodi numerici per la simulazione
incendi
•Metodi analitici
•Si utilizzano formule analitiche semplici, ad esempio le formule per il
plume (colonna calda sopra l’incendio) o per il getto d’aria sopra il
soffitto
•Modelli a zona
•Lo spazio è suddiviso in grandi volumi (al massimo 20), su cui si
applicano le formule analitiche semplici e i bilanci di massa e di
energia
•Modelli di campo o modelli CFD (Computational Fluid
Dynamics)
•CFD significa fluidodinamica numerica. Lo spazio è suddiviso in
piccole celle di calcolo (tipicamente 500’000 – 1’500’000 celle), su cui
si calcolano le equazioni esatte del trasporto
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Modelli d’incendio numerici analitici (o semplificati)
LE CURVE PARAMETRICHE
Le curve parametriche sono la più semplice
rappresentazione dell’andamento delle temperature
medie dei prodotti della combustione in ambiente
confinato. La loro determinazione è basata sulla
conoscenza dei seguenti parametri:
– geometria del compartimento,
– fattore di ventilazione,
– inerzia termica delle pareti e
– carico di incendio.
La curva parametrica più diffusa è quella indicata
nell’Eurocodice 1: Actions on structures – Part 1.2:
General actions – actions on structures exposed to fire
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Modelli d’incendio numerici avanzati
I modelli avanzati consentono di rappresentare
l’andamento dell’incendio attraverso la soluzione delle
equazioni che governano:
•il bilancio di massa,
•il bilancio di energia,
•le proprietà dei gas
La soluzione delle equazioni può essere semplificata da
rilevanti ipotesi sulla stratificazione dei prodotti della
combustione. A tal proposito i modelli si dividono in:
•Modelli a zone
•Modelli di campo
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Modelli a zone
Sono caratterizzati dalla individuazione, nell’ambiente
oggetto della valutazione, di zone separate all’interno
delle quali i parametri di temperatura, densità e pressione
sono omogenei.
Normalmente queste zone, sebbene adiacenti, non
possono scambiare massa o energia se non attraverso
una terza zona, che rappresenta il flusso dei gas
dell’incendio (plume), che è schematizzabile come una
pompa di massa e di energia.
Sebbene le semplificazioni citate siano estremamente
grossolane, questi modelli si sono rivelati di una notevole
utilità, sia per la facilità di uso che per l’attendibilità dei
risultati in determinate situazioni.
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Modelli di campo (CFD)
I modelli di campo sono dei complessi modelli
fluidodinamici di flussi turbolenti derivanti dalle classiche
teorie della termodinamica.
La fluidodinamica classica riguarda la descrizione
matematica del comportamento fisico dei fluidi (gas e
liquidi). Le equazioni che governano il comportamento dei
fluidi sono conosciute da circa 150 anni.
Esse consistono, in generale, in un set di equazioni
differenziali tridimensionali, dipendenti dal tempo, non
lineari, conosciute come equazioni di Navier-Stokes.
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Gli strumenti di simulazione
Negli ultimi due decenni sono stati sviluppati numerosi
strumenti di calcolo che consentono di stimare gli effetti di
un incendio, in modo più o meno approssimato.
I codici utilizzati più diffusi sono stati sviluppati presso il
NIST (National Institute of Standards and Technology)
Building and Fire Research Laboratory
•CFAST si trova in http://fast.nist.gov/
•FDS 4 si trova in http://fire.nist.gov/fds4/
•FDS 5 si trova in http://www.fire.nist.gov
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Gli strumenti di simulazione
• CFAST (Consolidated Fire and Smoke Transport Model)
è un modello a zone sviluppato per predire gli effetti
dell’incendio sulle temperature e sulle concentrazioni di
gas
• FDS (Fire Dynamics Simulator) predice la distribuzione
del fumo e il movimento dell’aria causati dall’incendio, dal
vento, e dal sistema di ventilazione. I risultati del calcolo
sono visualizzati dal codice smokeview
• I modelli richiedono la descrizione geometriche del
compartimento e delle aperture, permettono comunque di
simulare anche spazi non compartimentati, come i
“plume” (cioè il pennacchio di fiamme e gas caldi che si
eleva dalla regione di combustione) ed i camini
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Gli strumenti di simulazione
Modelli a zona
• CFAST è un modello a zone sviluppato per predire gli
effetti dell’incendio sulle temperature e sulle concentrazioni
di gas
• suddividono ogni locale in un piccolo numero di volumi di
controllo chiamati “layer”, lo statodi ognuno dei quali è
ipotizzatouniformeal suo interno, cioè i valori di
temperatura, quantità di fumo, concentrazione dei prodotti
della combustione sono uguali in ogni punto dello stesso
volume;
• I metodi a zone sono veloci, ma le informazioni
ottenute sono in qualche misura limitate
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Gli strumenti di simulazione
Caratteristiche dei modelli a zona
I modelli a zona stimano in funzione del tempo:
• le temperature (medie) dello strato inferiore e superiore;
• la posizione dell'interfaccia tra le zone;
• la concentrazione di ossigeno;
• la concentrazione di ossido di carbonio;
• la visibilità;
• il flusso in entrata ed in uscita da aperture verso l'esterno o
verso altri locali.
• i risultati di output sono tabellari.
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Gli strumenti di simulazione
La simulazione di un incendio in CFAST
• In CFAST l’incendio è considerato come una sorgente di
combustibile rilasciata con una determinata velocità. La
combustione può avere luogo sia nella zona bassa che in
quella alta all’interno di un compartimento; in ogni caso vi
deve essere presenza di ossigeno.
• Il modello consente all’utente di definire tutti i parametri
che caratterizzano l’incendio da simulare e in particolare la
curva di rateo di rilascio di calore.
• Il risultato fornito da CFAST consiste negli andamenti nel
tempo dei parametri che caratterizzano gli effetti
dell’incendio
– la quantità di fumi prodotti,
– le temperature
– le concentrazioni delle specie chimiche pericolose.
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Gli strumenti di simulazione
Caratteristiche dei modelli di campo (FDS)
I modelli di campo predicono in funzione del tempo:
• la distribuzione puntuale dei prodotti della combustione
–
–
–
–
fiamme
fumo
Anidride carbonica (CO2)
Monossido di carbonio (CO)
• componenti del calore trasmesso
– conduttiva, convettiva, radiattiva, totale
• Heat Release Rate
• La temperatura delle pareti, la trasmissione del calore
attraverso le pareti, le aperture, all’interno di oggetti, ecc.,
• la propagazione del fumo e il movimento dell’aria causati
dall’incendio, dal vento, e dal sistema di ventilazione.
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Gli strumenti di simulazione
La simulazione di un incendio in FDS
Il primo modo prevede la definizione di un valore
dell’HRRPUA(heat release rate per unit area, in kW/m2),
definito su una superficie che si destina ad origine
dell’incendio. L’andamento nel tempo di tale valore può
essere definito :
• con un andamento lineare, crescente, costante,
decrescente, inserito per punti significativi;
• con una crescita secondo una legge quadratica t2seguita
da un andamento a valori costanti.
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Gli strumenti di simulazione
La simulazione di un incendio in FDS
Il secondo modo consiste nel definire le caratteristiche
termo-fisiche e chimiche del materiale che brucia o che
deve essere innescato dall’incendio.
Tra le caratteristiche del materiale da definire si ricordano:
• la densità (superficiale o volumica);
• il calore di vaporizzazione;
• la temperatura di ignizione;
• il calore di combustione;
• le caratteristiche stechiometriche delle reazioni di
combustione.
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Gli strumenti di simulazione
Limiti di CFAST
• Il modello contenuto in CFAST è stato creato e validato per
la simulazione di incendi in spazi confinati caratterizzati da
dimensioni geometriche proprie degli edifici di civile
abitazione, e quindi di locali di modeste dimensioni.
• Per questi motivi, in tutti gli scenari per i quali le dimensioni
dei locali si differenziano, per dislocazione e geometria da
quelli caratteristici dell’edilizia civile, le valutazioni del
modello non potranno che essere affette da un certo grado
di incertezza.
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Gli strumenti di simulazione
Limiti di CFAST
• Valutazioni comparative tra simulazioni di incendi e prove
sperimentali su scala reale hanno altresì dimostrato che i
limiti del modello vengono raggiunti per potenze
dell’incendio elevate (nell’ordine dei 35 MW), mentre per
potenze più contenute (nell’ordine dei 4-5 MW) i risultati si
possono considerare verosimili.
•Altre limitazioni riscontrate durante prove comparative,
condotte dallo stesso ente che ha sviluppato il modello,
sono nella sovrastima delle temperature (nell’ordine dei
50/150 °C secondo i casi) degli strati superiori dei
compartimenti
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Gli strumenti di simulazione
Limiti di FDS
• Il modello contenuto in FDS è stato originariamente
sviluppato per analizzare incendi a scala industriale.
• L’affidabilità dei risultati ottenuti per mezzo del codice di
calcolo è ragionevole se la dimensione del focolaio è
circoscritta e le dimensioni dell’ambiente sono relativamente
grandi rispetto a quelle della sorgente.
• In tali condizioni, i valori delle velocità dei flussi e delle
temperature dei gas sono caratterizzate da un’accuratezza
del 10-20% rispetto a misure sperimentali effettuabili nelle
medesime situazioni.
• Date le origini del modello, gli stessi sviluppatori
ammettono che esso deve essere migliorato per quanto
riguarda l’affidabilità dei risultati di simulazioni che
riproducono lo sviluppo di incendi in ambienti di residenza
civile.
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Gli strumenti di simulazione
Limiti di FDS
• Un ulteriore limite evidenziato dai ricercatori riguarda la
simulazione della crescita dell’incendio, che è strettamente
legata alle caratteristiche termo fisiche dei materiali che
circoscrivono l’incendio, proprietà che devono essere
definite con precisione dall’utilizzatore del modello.
• Il modello è stato validato solo per quei pochi materiali
testati sperimentalmente dal NIST. In assenza di verifica
sperimentale dei dati inseriti nel codice di calcolo, non si
assicura la rispondenza dei risultati ottenuti dalle simulazioni
con i possibili scenari reali.
• Un ulteriore limite del programma, dal punto di vista
applicativo, riguarda le risorse hardware necessarie per la
sua esecuzione e i tempi di calcolo richiesti.
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Ing. Pierpaolo Gentile, PhD
Direttore del Corpo Nazionale dei Vigili Del Fuoco
Comando Provinciale Latina
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