Incendi FSE - Ordine degli Ingegneri di Latina

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 2010
1
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
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
L’Incendio
•
Gli incendi possono manifestarsi, infine, in
due diversi modi:
1. Con Produzione di Fiamma;
2. Incendi Covanti (Smoldering fire);
4
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
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
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
Temperatura (°C)
L’Incendio:
FASI DI SVILUPPO CARATTERISTICHE
1
2
3
Tempo
4
(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
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
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
L’Incendio:
1. L’INNESCO
•
La pirolisi è più veloce in corpi con bassa
inerzia termica:
1
( ρ ⋅ c p ⋅ λ ) 2 kJ/(m 2 ⋅ s 0.5 ⋅ K
[
]
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
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
L’Incendio:
1. L’INNESCO
•
Si indica con tig il tempo, valutato in
secondi, di un materiale sul quale incide un
flusso radiante q (kW/mq) per raggiungere
la temperatura di ignizione Tig:
qc: flusso critico
13
L’Incendio:
1. L’INNESCO
•
OSSERVAZIONE
In caso di innesco pilotato (fiamma
diretta che lambisce il combustibile) i
valori del tempo tig e del flusso
termico
per
raggiungere
Tig
diminuiscono sensibilmente!
14
L’Incendio:
1. L’INNESCO
Alcuni valori sperimentali (in aria):
Sostanza
Combustibile
Tig (K)
qc (kW/mq)
Carta di
Giornale
503
10
Legno
493
10
Polietilene
(alta densità)
613
15
Polistirene
623
13
15
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
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
L’Incendio:
2. CRESCITA
La propagazione è l’intensità sono influenzati da:
•
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
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
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
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
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
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
L’Incendio:
3. PIENAMENTE SVILUPPATO
24
25
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
L’Incendio:
4. DECADIMENTO
In letteratura la fase di decadimento
inizia quando la Tmedia scende allo
80% del valore massimo raggiunto
nella fase 3.
Si ritiene conclusa quando la Tmedia
scende sotto i 200°C (si escludono
inneschi
di
eventuali
materiali
combustibili);
27
L’Incendio:
4. DECADIMENTO
28
L’Incendio:
UNA PROVA IN SCALA REALE
29
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 ⋅ h 0.5
eq
At
[ m]
30
Il Fattore di VENTILAZIONE
Dove:
Av= Superficie delle aperture di ventilazione ricavate
sulle pareti del locale, in mq;
At= Superficie totale del compartimento, pavimento
pareti e soffitto, in mq;
heq= altezza equivalente, media ponderata di tutte le
altezza hi delle aperture di ventilazione delle pareti,
così valutata:
h eq
A
∑
=
i
vi
Av
⋅ hi
[m]
31
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
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*heq0,5/At=(39,55/1176,4)x1,650.5=0.0432 m0.5
33
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
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
Il Fattore di VENTILAZIONE
In un locale:
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 0.07 ÷ 0.08 m0.5 la
combustione è influenzata dalla ventilazione;
36
La potenza Termica
rilasciata da un incendio
La velocità di combustione ms, per unità di combustibile
e di superficie coinvolta in un incendio, se si
sviluppano fiamme, è pari a:
qf + qr − qd
ms =
Lv
⎡kg
⎤
2
⎢⎣ m s ⎥⎦
qf = flusso termico convettivo generato dalla fiamma;
qr = flusso termico radiante generato dalla fiamma;
qd = Flusso termico disperso per convenzione ed
irraggiamento dalla superficie considerata;
OSS=Tig> 350°C quindi qd è una potenza specifica
significativa!
37
Sostanza
Combustibile
Tig (K)
qc (kW/mq)
Carta di
Giornale
503
10
Legno
493
10
Polietilene
(alta densità)
613
15
Polistirene
623
13
38
La potenza Termica
rilasciata da un incendio
Lv = Energia termica necessaria per produrre la pirolisi
di un chilogrammo di combustibile [kJ/kg]
Sostanza
Combustibile
Lv [kJ/kg]
Carta Corrugata
2200
Legno
5900
Polietilene (alta
densità)
2300
Polistirene
1600
39
La potenza Termica
rilasciata da un incendio
La velocità di combustione ms, 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
La potenza Termica
rilasciata da un incendio
VALORI MASSIMI DELLA VELOCITA’ DI COMBUSTIONE PER UNITA’ DI
SUPERFICIE INTERESSATA DALL’INCENDIO IN ARIA
Sostanza Combustibile
ms [kg/(m2s)]
Alcol metilico
0.022
Benzine
0.066÷0.075
Polipropilene granulare
0.026
Carta Corrugata
0.014
Legno
0.011
41
La potenza Termica
rilasciata da un incendio
OSS: Se sulla superficie del combustibile
agisce un flusso termico radiante qe 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 ms devono essere aumentati
della quantità:
qe/Lv
42
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
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
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
La potenza Termica
rilasciata da un incendio lo “RHR”
In un determinato istante, lo RHR è dato dal
prodotto della velocità di combustione mc
[kg/s] ed il potere calorifico H del
combustibile [kJ/kg]:
RHR(t)=mc(t)xH [kW/kg]
mc 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
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/m3;
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 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
La potenza Termica
rilasciata da un incendio lo “RHR”
RHR(t)
[kW]
RHRmax
RHRF
49
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
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;
Av: Superficie complessiva delle aperture di
aerazione del locale;
heq: altezza equivalente (stessa definizione per il
calcolo del fattore di ventilazione).
51
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 tF si adotta la seguente
espressione:
RHR(t)=αt2
Relazione riportata nelle norme NFPA 72 ed
NFPA 92B, verificata sperimentalmente.
52
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(tg) raggiunga 1000 kW:
1. Ultraveloce - tg=75 s;
2. Veloce - tg=150 s;
3. Medio - tg=300 s;
4. Lento - tg=600 s.
53
La potenza Termica
rilasciata da un incendio lo “RHR”
54
La potenza Termica
rilasciata da un incendio lo “RHR”
Dove:
hvequiv
Avequiv = Wvequiv ⋅ hvequiv
Differenza fra altezza punto più alto e più
basso fra tutte le aperture di aerazione
presenti;
RHRF = 7,8 ⋅ At + 378 ⋅ Avequiv ⋅ h
0.5
vequiv
55
La potenza Termica
rilasciata da un incendio lo “RHR”
Ed ancora:
Wvequiv
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
Wventi ed hventi
56
La potenza Termica
rilasciata da un incendio lo “RHR”
Pertanto:
Wvequiv
W
∑
=
i
venti
⋅h
1, 5
venti
1, 5
vequiv
h
Ed infine, AT [m2] è la differenza fra la
superficie totale del locale e l’area Avequiv
57
La potenza Termica
rilasciata da un incendio lo “RHR”
Lo RHRF 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):
RHRF = 7,8 ⋅ At + 378 ⋅ Avequiv ⋅ h
0.5
veqiv
58
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
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
r
e
p
e
i
z
G ra
!
e
n
o
i
z
n
e
t
t
a
’
l
Ing. Pierpaolo Gentile, PhD
Direttore del Corpo Nazionale dei Vigili Del Fuoco
Comando Provinciale Latina
61
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(tg)/tg2=1000/(300)2=11,11 10-3 [kJ/s3]
Essendo RHR il prodotto fra mc e H, si calcola
mc(tg) come:
mc(tg)=1000 [kW]/H[MJ/kg]=0,0571 [kg/s]
62
La potenza Termica
rilasciata da un incendio lo “RHR”
Supponendo che l’incendio si sviluppi nel locale
dell’esempio precedente che aveva:
At=1176 mq; Av=39,55 mq; heq=1,65 m
RHR max = 0,10 ⋅ m ⋅ H ⋅ Av ⋅ h
0.5
eq
RHRmax=0,10x0,8x17,5x103x39,55x(1,65)0.5=
=71,12 kW
63