La modellazione con il codice FDS nelle attività di fire investigation (caso applicativo su un...

Università “La Sapienza” – Roma

CORSO DI PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIOAnno Accademico 2015‐2016

9 dicembre 2015

La modellazione con il codice FDS nelle attività di fire investigation

(caso applicativo su un magazzino vestiario)

Ing. Marcello [email protected]

“Sapienza” University of RomeSchool of civil and Industrial Engineering

Ph.D. – XXIX ciclo

StructuralFire

Investigation

Docente: Prof. Ing. Franco Bontempi

Prof. Ing. Franco BontempiIng. Marcello Mangione

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School of Civil and Industrial Engineering Sapienza University of Rome

Progettazione Strutturale Antincendio – La modellazione con il codice FDS

INDICE DEGLI ARGOMENTI

• Brevi concetti teorici tra Fire Safety Engineering (FSE) e FireInvestigation (FI);

• Caso applicativo di Fire Investigation su un magazzinovestiario commissionato da una Società di Assicurazioni.


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Fonte: E. Cafaro


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ESERCITAZIONE DI FIRE INVESTIGATION

Questa attività di Structural Fire Investigation è stata commissionata da unaSocietà di Assicurazione al fine di valutare, tramite l’indagine investigativa suun magazzino vestiario distrutto da un incendio, la dolosità o menodell’evento nonché l’onere da risarcire al proprietario in funzione delmateriale effettivamente stoccato al momento del sinistro.Per lo svolgimento di tale incarico si è proceduto quindi all’applicazionepratica della struttura investigativa spiegata nei capitoli precedenti, tenendoconto delle singole operazioni che rivestivano nel caso in esame.I quesiti posti dalla Società assicuratrice, sono stati mirati a valutare, inmaniera scientifica, senza ragionevole dubbio, il quantitativo di materialevestiario stoccato ai fini risarcitori.

(Fonte dati: studio Propenta Roma‐ Ing. Leonardi Alessandro)


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Un peso rilevante di tale attività investigativa è dato dalla quinta fase“Computational Fire Investigation” ove la modellizzazione, sia in terminigeometrici che fluidodinamici, del deposito di abiti è fondamentale per dare unarisposta esaustiva alla Committenza.


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Le prime informazioni preliminari riguardano il tipo di struttura oggetto di incendio.La struttura era costituita da un unico manufatto rettangolare ad un piano fuori terracon struttura intelaiata in calcestruzzo armato delle seguenti dimensioni:• lunghezza 26m;• larghezza 18 m;• altezza pari a 5,00 m all’estradosso della copertura di tipo piana.


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tessuto in balle con ipotesidi impilamento fino a 2 mper motivi di stabilità

30 cesti per biancheria, posti a pavimento, didim. 1,00 m × 1,00 m × 0,60 m;

fila di scaffalature lunghe 23,00 m.


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13 portabiti di altezza pari a 2,90 m, con struttura concepita per lo stoccaggio di 2 abitisu 2 file con un contenimento, per ogni metro lineare di portabiti pari a 16 abiti (4 × 4);


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13 portabiti di altezza pari a 2,90 m, con struttura concepita per lo stoccaggio di 2 abitisu 2 file con un contenimento, per ogni metro lineare di portabiti pari a 16 abiti (4 × 4);

tessuto in balle con ipotesidi impilamento fino a 2 mper motivi di stabilità

2 file di scaffalaturelunghe 23,00 m.

30 cesti per biancheria, posti a pavimento, edimpilati uno sull’altro di dim. 1,00 m × 1,00 m ×0,60 m;


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Sulla base della documentazione (planimetria, foto e relazione tecnica)fornita dalla Ditta il capannone di stoccaggio è stato riprodotto nellesue componenti più importanti quali:

• la geometria della struttura pilastrata;• la tipologia delle tamponature esterne;• il tipo di solaio di copertura;• l’arredo di tipo fisso (portabiti, cesti, ecc.) e la tipologia di materiale

stoccato (di tipo tessile);• l’assenza di impianti di protezione attiva e solo la presenza di

protezione passiva strutturale del tipo R120.• n. 21 finestre rettangolari 0,80 × 1,40 m e n 1 serranda di accesso di

dimensioni 2,40 × 2,20 m per una superficie totale di ventilazionepari a circa 30 m2.


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Dalla raccolta delle testimonianze e degli eventi significativi emergeche:

• 3:30 del giorno dell’evento, e circa un’ora dalle prime avvisaglie, untestimone dichiara che “(…) si era sviluppato un grande incendio (…)”,da cui si deduce che vedeva chiaramente le fiamme e ne potevavalutare la consistenza.

• 4:00 circa altri due testimoni mezz’ora dopo, hanno dichiarato che“(…) era divampato un enorme incendio (…)”;

• 4:20 i Vigili del Fuoco, appena intervenuti, dichiarano che ilcapannone era completamente in preda alle fiamme ed è collassatosu se stesso;

• n. 9 finestre rotte su 21 per un totale di superficie di ventilazione paria circa 10 m2.


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Il carico d’incendio era costituito da:

• 13 portabiti di altezza pari a 2,90 m, con struttura concepita per lostoccaggio di 2 abiti su 2 file con un contenimento, per ogni metrolineare di portabiti pari a 16 abiti (4 × 4);

• 30 cesti per biancheria, posti a pavimento, di dim. 1,00 m × 1,00 m× 0,60 m;

• 2 file di scaffalature lunghe 23,00 m.• tessuto in balle con ipotesi di impilamento fino a 2 m per motivi di

stabilità.

Le condizioni meteo al momento del sinistro erano le seguenti:• assenza di pioggia;• presenza di vento che spirava da nord‐est con una velocità media di

5 m/s (18 km/h).


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Merce dichiarataQuantità di materiale vestiario dichiarato dalla Ditta pari a 133.253 Kg oveper tale quantitativo si richiede il risarcimento danni.

La stima del carico d’incendio, in tale caso, rappresenta un nodo crucialeindispensabile per la buona riuscita dell’intera attività investigativa.

Una stima errata, comunque presumibile entro una certa tolleranza, delcarico d’incendio, comporta il mancato raggiungimento del quesito richiestodalla committenza.

Si è provveduto quindi a stimare il peso dei capi di vestiario (giacche,pantaloni, maglie, ecc.) denunciati all’interno della struttura al momentodell’incendio aiutandoci anche dagli oggetti di contenimento ritrovati sullascena dell’incendio.


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Le densità dei vari capi di vestiario variano in funzione della tipologia stessa.Nello specifico si fissano i seguenti dati di densità apparente:• 40 kg/m3 per gli abiti posti sui portabiti;• 300 kg/m3 per la maglieria contenuta in ogni cesto;• 287 kg/m3 per la biancheria post sulle scaffalature lunghe.• 550 kg/m3 per il tessuto in balle con ipotesi di impilamento fino a 2 m.


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Tenendo conto della presenza di 13 portabiti di lunghezza pari a 9,5 m cheportavano 2 abiti affiancati su 2 file verticali (16 abiti a ml di portabiti), si puòricavare il peso presunto pari a:

(9,50 m × 19,20 kg × 2) × 2 = 729,60 kg × 13 file = 9.485 kg

Un metro lineare di abiti è, nel caso in argomento, costituto da 16 pezzi cheoccupano un volume pari a 0,48 m3 pertanto si ha:

(0,48 m3 × 9,50 m) × 4 = 18.3 m3× 13 file = 238 m3

con una densità apparente pari a circa 40 kg/m3 congrua con la realtà.

Per i cesti contenenti i capi di maglieria si è ritenuta congruo un volume distoccaggio, per cesto, pari a:

0,60 m × 1,00 m × 1,00 m = 0,60 m3

Ipotizzando una densità apparente della maglieria contenuta in ogni cesto paria 300 kg/m3 si ha:

0,6 m3 × 300 = 180 kg per cesto


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Poiché i cesti risultano essere pari a 30 si ha:

180 kg × 30 = 5.400 kg di maglieria = 18 m3

Invece per le scaffalature metalliche bifacciali a due ripiani per maglieria sievince che una pila di 8 maglioni occupa una superficie di 0,0875 m2 pari adun volume di 0,035 m3.Dato che la scaffalatura è bifacciale e consta di 2 ripiani si ha, ipotizzando unaffiancamento delle pile senza soluzione di continuità,

0,035 m3 × 2 × 23 m × 2 ripiani = 3,22 m3

Poiché 8 maglioni impilati pesano mediamente 2,2 kg e le pile risultanoessere 420 si ha:

2,2 kg × 420 pile = 924 kg

con densità apparente pari a circa 287 kg/m3 .


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Riguardo il tessuto in balle con impilamento non maggiore a 2 m e densitàapparente del materiale imballato pari a 550 kg/m3, in base al layoutdichiarato si ricava un volume occupato pari a 127 m3.

Pertanto si ha:

127 m3 x 550 kg/m3 = 69.850 kg.

In conclusione, il peso reale dell’intero materiale vestiario presente neldeposito, da prendere in esame, è pari a:

9.485 Kg (abiti) + 5.400 Kg (cesti) + 924 Kg (maglioni) + 69.850 Kg= 85.659 Kg complessivi

Si evidenzia che la quantità di materiale vestiario complessivo dichiarato pari a133.253 Kg risulta maggiore di quanto calcolato con conseguenti elevatedensità.


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Modellazione dell’azione incendio

Sulla base delle densità del materiale tessile si sono impostate le specifichetermofisiche nel codice di calcolo. Poiché nella modellizzazione del dominio sisono rappresentati anche gli abiti appesi nelle 13 file trasversali, essi sono staticonfigurati come elementi di dimensioni e spessore tali da riprodurreesattamente la densità apparente pari a 40 kg/m3.

Poiché il codice di calcolo accetta solo la densità del materiale reale e nonquella apparente, che tiene conto del volume vuoto per pieno, nella specificadel materiale “abiti” si è impostata una densità reale pari a 400 kg/m3 checorrisponde ad una densità media di fibra tessile.Se si fossero rispettate le quantità e quindi i volumi di materiale tessile comedichiarato dalla Ditta, si sarebbe dovuta impostare una densità del materiale,secondo i criteri sopra illustrati, talmente alta da impedire l’innesco e lasuccessiva propagazione della combustione.Pertanto non è possibile modellare gli abiti secondo le quantità dichiarate.


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Nello specifico si riportano le quattro simulazioni più significative:

• “0” : ipotesi di due simultanei focolai localizzati in due punti diversidel corridoio longitudinale creato tra la scaffalatura metallicabifacciale ed i cesti metallici per maglieria. Tempo di simulazionepari a 3.600 s.

• “1” : ipotizzati di due simultanei focolai localizzati in due puntidiversi del corridoio longitudinale creato tra la scaffalaturametallica bifacciale ed i cesti metallici per maglieria. Tempo disimulazione pari a 10.000 s.

I focolai, di ridotte dimensioni (60 x 60 cm), per queste due simulazioni sonostati caratterizzati come uno strato sottile di n‐eptano che prendeimmediatamente fuoco ed innesca il materiale combustibile adiacente .La differenza tra le due simulazione consiste nei differenti tempi simulati, paria 3.600 secondi per la n. 0 e pari a 10.000 secondi per la n. 1.


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• “2” è stato invece ipotizzato uno sversamento più generalizzato,sempre di n‐eptano, per un volume totale di 20 litri con caricod’incendio Q pari a circa 83.000 kg, di cui 15.800 kg relativi ad abitidisposti in 13 file trasversali.

• “3” è stato invece ipotizzato uno sversamento, sempre di n‐eptano, di 20 litri con carico d’incendio dimezzato Q/2

L’adozione del n‐eptano come combustibile è giustificata dal fatto che taleprodotto rappresenta il combustibile di riferimento per incendi dacombustibile liquido (tipo B) nella normativa UNI‐CEN.


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Risultati delle prime due simulazioni “0” e “1”Nella slide seguente si riporta la situazione dopo 20 secondi dall’innesco, dovesi può osservare il posizionamento dei due focolai.


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La slide seguente mostra la situazione delle temperature a circa 170 s, su unpiano orizzontale posto a 4,6 m e pertanto quasi a ridosso dell’intradosso delsolaio di copertura.


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Si può osservare che i vetri delle finestre dei prospetti sud ed estrisultano già rotti, a differenza degli altri due prospetti.Il fatto è da imputare alla distribuzione delle temperature deiprodotti da combustione che costituiscono lo strato superiore difumi caldi. Dall’immagine si può vedere che i prospetti sud ed estsono interessati da temperature più elevate.

Si precisa che la rottura dei vetri non è immediata al raggiungimentodella temperatura fissata di 120 °C ma occorre tenere contodell’inerzia termica e del raffreddamento del materiale versol’esterno.Pertanto il raggiungimento della rottura del vetro è un fenomenoche si manifesta, in maniera diversa per ogni finestra.L’immagine successiva mostra la situazione a 2.000 s. In questo casoil piano orizzontale di temperatura è posto alla quota di m 3,0.


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In questa immagine si può osservare come la temperatura media della zonacentrale, alla quota di m 3.00, non supera i 160 °C.Questo valore è giustificabile solo in condizioni di sottoventilazione.La superficie di ventilazione disponibile, (9 finestre rotte su 21 per un totale disuperficie aperta pari a circa 20 m2), non fornisce sufficiente comburente epertanto l’incendio, in questa fase, è “controllato dalla ventilazione” epertanto non sviluppa sufficiente energia termica per far innalzare letemperature in maniera consistente, anche in considerazione della vastasuperficie di trasmissione termica per conduzione rappresentata dal solaio edalle pareti.Questa situazione perdura fino alla fine della simulazione “0” che è stataportata avanti sino a 3.600 secondi come si può evincere dalla slide seguente.

Risulta comunque difficile, stante i risultati ottenuti, relazionare lo sviluppodell’incendio con:• i danni strutturali che si sono avuti;• con la dinamica dell’incendio che si deduce dalle dichiarazioni dei vari

testimoni.


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Risulta chiaro che esiste una contraddizione tra i risultati della simulazionefluidodinamica e le osservazioni visive dei VVF che si reputano attendibili.Applicando alcune relazioni di Fire Engineering per la stima della potenzatermica minima necessaria per ottenere il flash‐over in funzione dellesuperficie di ventilazione presenti si ottengono valori che oscillano tra i 27 MWed i 40 MW, dove il valore minore è relativo alla superficie aperta di 9 finestre.Il grafico seguente riporta l’andamento del rilascio di potenza termica relativoalla simulazione “1” che è stata portata avanti fino a quasi 10.000 secondi e daesso si può rilevare che, ad eccezione di due picchi a circa 250 e 950 secondi, lapotenza rilasciata si mantiene costante intorno ala valore di circa 7 MW con lecaratteristiche fluttuazioni dell’incendio sottoventilato.Alla lunga, dopo i 6.500 secondi, si ha un innalzamento consistente del RHR chesi attesta intorno ai 20 MW.Questo ultimo innalzamento è dovuto alla rottura di un’altra finestra edanche all’accumulo di energia termica nell’ambiente che prova un lentoinnalzamento della temperatura interna provocando l’accensione dimateriale.


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Sotto questo aspetto sono interessanti le seguenti quattro slides che illustranorispettivamente la potenza radiante ricevuta dall’intradosso del soffitto e la temperaturadello stesso a 6.000 e a 7.000 secondi.


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Si può rilevare come la situazione termica cambi drasticamente tra 6.000 e7.000 secondi, cioè nella zona di transizione riportata nel grafico del RHR dove siha un innalzamento del valore intorno ai 6.500 secondi.

Poichè la simulazione n. 1 è stata arrestata a circa 10.000 secondi, nonpossiamo trarre conclusioni sugli eventuali sviluppi della situazione termicama è plausibile ipotizzare che qualsiasi situazione che possa alterare il regimedi ventilazione, (rottura finestra o apertura portone), possa far cambiarerepentinamente e verso valori più alti il rilascio di potenza termica e quindiverso quei valori minimi compresi tra 27 e 40 MW necessari per innescare ilflash‐over e quindi dar luogo all’incendio generalizzato.

Ma la contraddizione tra quanto testimoniatodai VVF ed i risultati delle simulazioni risiedeproprio nella tempistica diversa, (e relativivalori di potenza), indicata dalle simulazioni.


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Infatti l’apparire di fiamme alle finestre è indice di avvenuto flash‐over in quantodimostrazione che nell’ambiente sotto incendio c’è una tale produzione disostanze combustibili pirolizzate che le stesse non riescono a trovare ossigenosufficiente per bruciare nel luogo dove sono prodotte ma migrano insieme aifumi verso le aperture.Qui incontrano sufficiente concentrazione di ossigeno e sono abbastanza caldida innescarsi e dar luogo alle classiche lingue di fuoco che fuoriescono dallefinestre.

Pertanto il fatto che i testimoni dichiarano l’avvistamento di fiamme tra un’oraed un’ora e mezza dopo l’inizio dell’evento dimostra che le condizioniall’interno del capannone erano diverse da quellesimulate e fanno ipotizzare odifferenti condizioni di ventilazione odifferenti condizioni di combustione.


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Risultanze della simulazione “2”

Questa simulazione è stata portata avanti per 750 secondi e quindi arrestata,per motivi temporali.

Il carico d’incendio “Q”, in questa modellizzazione è pari a circa 83.000 kg(calcolato), di cui 15.800 kg relativi ad abiti disposti in 13 file trasversali.

E’ stata imposta, come condizione al contorno, la presenza di vento che spirada nord‐est con una velocità media di 5 m/s (18 km/h) con profilo parabolicoper tener conto delle resistenza del terreno.

La slide seguente mostra l’andamento vettoriale della velocità del vento a 10 s,su un piano orizzontale posto a 4,0 m.


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Questa simulazione presenta un andamento molto diverso dalle precedenti inconseguenza della presenza di vento (brezza debole).

La combustione risulta incrementata e la potenza termica rilasciata ènotevolmente superiore a quella osservata nelle due precedentimodellizzazioni.

Di seguito sono riportate alcune slides che illustrano l’evoluzionedell’incendio e le relative temperature registrate su un piano orizzontaleposto a m 4,6.


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Risulta evidente dalle immagini come l’incendio si molto più vivace. Le nuovecondizioni di ventilazione influiscono sulla velocità di combustione e quindisulla potenza termica rilasciata. Di conseguenza le temperature delcompartimento raggiungono valori elevati.

Pertanto quindi ampiamente dimostrata la correlazione che esiste tra tassodi combustione (e quindi potenza rilasciata) e ventilazione.

L’incendio nella fase di pre flashover non è governato dalla quantità dimateriale presente bensì dalle aperture di ventilazione e dalla portata diaria che penetra nell’interno.

Lo stesso carico d’incendio e le stesse aperture di ventilazione, in assenza edin presenza di vento, conducono a risultati quantitativi molto diversi epertanto non risulta sempre automaticamente soddisfatta l’equazione“tanto materiale presente”= “grande incendio”.


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Nel nostro caso, in funzione della geometria del compartimento e del suotipico fattore di ventilazione il flashover avviene circa quando la potenzarilasciata è intorno ai 50 MW.

L’incendio poi passa nella fase generalizzata in cui le temperatureraggiungono picchi notevoli, pur tenendo conto delle incertezze del modellofluidodinamico computazionale adottato le cui numerose validazioni incampo internazionale hanno mostrato un margine di errore del 15%,normalmente in sovrastima.

Si riportano di seguito i grafici della potenza termica rilasciata edell’andamento delle temperature all’intradosso.


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Risultarti della simulazione “3”

Anche questa simulazione è stata portata avanti per 750 secondi e quindifermata, per motivi temporali.

Il carico d’incendio, in questa modellizzazione, è stata ridotta del 50% erisulta pari a circa 7.000 kg di abiti, ferme restando le quantità di maglieria eballe di tessuti.

E’ stata imposta, come condizione al contorno, la presenza di vento che spirada nord est con una velocità media di 5 m/s (18 km/h) con profilo parabolicoper tener conto delle resistenza del terreno.

La slide seguente mostra l’andamento vettoriale della velocità del vento a 10s, su un piano orizzontale posto a 4,6 m.


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La slide seguente mostra la situazione delle temperature a 120 s, su un pianoorizzontale posto a 4,5 m e pertanto quasi a ridosso dell’intradosso del solaio dicopertura.


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Si può osservare che anche in questa simulazione i vetri delle finestre deiprospetti sud ed est risultano già rotti, a differenza di quelli degli altri dueprospetti. Il fatto è da imputare alla distribuzione delle temperature a deiprodotti di combustione che costituiscono lo strato superiore di fumi caldi.Dall’immagine si può vedere che i prospetti sud ed est sono interessati datemperature più elevate.

Le due immagini successive mostrano la situazione a 180 s e a 240 s.Anche in questo caso il piano orizzontale di temperatura è posto alla quota dim 4,60.

Si può notare una temperatura dei fumi caldi intorno a 180 °C e che tende acrescere.

Le slides seguenti concorrono a chiarire ulteriormente la situazione termicain quanto sono relative a piani di temperatura orizzontali posti a quota m4,6.


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In questa simulazione, a parità di tempo analizzato, le temperature dellostrato dei fumi caldi a soffitto risulta più elevato rispetto alle simulazioni n.“0” e n. “1”. In questo caso influisce notevolmente la maggiore ventilazionedovuta alla presenza del vento che incrementa il tasso di combustione.

Questa situazione è ben illustrata dal grafico del rilascio della potenzatermica che mostra valori di potenza nettamente superiori a quelli riportatinel grafico relativo alle simulazioni “0” e “1” ma comunque inferiori a quantoottenuto nella simulazione “2” in virtù della maggiore quantità di abitipresenti.Anche il grafico successivo, relativo all’andamento delle temperatureall’intradosso, mostra temperature in linea con le potenze espresse ecomunque superiori di diverse centinaia di gradi rispetto a quelle riscontratenelle simulazioni “0” e “1” nello stesso intervallo temporale.


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Conclusione and reportingDalle simulazioni portate a termine risulta evidente che ciò che èrealmente accaduto può essere giustificato unicamente sotto le seguentiipotesi:

• carico d’incendio relativo all’area di deposito destinata ai capiconfezionati ridotto del 88% rispetto al dichiarato (16.000 Kg contro133.000 Kg). Si rammenta infine che una quantità di vestiarioconfezionato pari a 133 tonnellate non sarebbe stata materialmenteimmagazzinabile nel volume a disposizione e comunque secondo illayout fornito dalla Ditta stessa, anche in considerazione dellanatura e consistenza dei portabiti che sono stati rinvenuti.


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Conclusione and reporting

• esistenza di condizioni atmosferiche che potessero assicurare unasufficiente ventilazione, pur in presenza di ridotta superficieventilante;


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Conclusione and reporting

• spargimento di benzina a terra in quantità non inferiore ad alcunedecine di litri.

• presenza di una certa quantità di accelerante sparso a pavimento osugli abiti, unitamente alla presenza di vento, può far evolvere unincendio altrimenti a lenta crescita, (vedi simulazioni 0 e 1), in unevento di magnitudo elevata fino a giustificare il collasso strutturaledi elementi portanti di resistenza al fuoco REI 120.

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