PSA - Azione Incendio: caratteristiche del fenomeno fisico - Gentili

IL FENOMENO FISICO

L’AZIONE INCENDIO:

Prof. Ing. Franco Bontempi

Ing. Filippo Gentili

Facoltà di Ingegneria

Sapienza – Università di Roma

CORSO DI

PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO

A.A. 2012 - 2013

www.francobontempi.org

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PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIOwww.francobontempi.org

Indice

• L’incendio: generalità

• Fattori

• La combustione

• Le fasi dell’incendio

• Meccanismi di trasmissione del calore

• Parametro di intensità

• Modelli pre-flashover

• Modelli post-flashover

• I prodotti della combustione

• La propagazione dell’incendio

• Effetti dell’incendio

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Indice


• Fattori

• La combustione


• I meccanismi di trasmissione del calore







• Fuoco non controllato

• Velocità

• Cause

• Ambiente

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Fire Safety

Con il termine incendio si indica il processo di combustione libera che siinstaura e si sviluppa in modo incontrollato con reazioni di ossidazione dimateriali combustibili e rilascio di energia termica, fiamme, fumi e gas caldi.

IncendioPuò minacciare la sicurezza delle

persone (inalazione dei fumi, ustioni) e l’integrità delle strutture.

FuocoFenomeno controllato che causa il rilascio di calore, luce e prodotti di

reazione.

Sicurezza antincendio si riferisce alle precauzioni che vengono prese per

prevenire o ridurre la probabilità di un incendio che può provocare la morte,

lesioni o danni alla proprietà, o per ridurre i danni causati da un incendio.

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In relazione alla velocità di combustione, si può avere:

• Normale combustione

• Deflagrazione (1/800 metri al secondo)

• Detonazione (1500/2000 di metri al secondo)

Dalla velocità di ossidazione dipendono:

• La velocità di decomposizione e la successiva combinazione dei

prodotti ottenuti

• Quantità di calore sviluppato

Si possono manifestare:

• Incendi con propagazione di fiamma

• Incendi covanti

L’incendio: generalità

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• Termiche (es. surriscaldamento)

• Meccaniche (es. attriti , guasti)

• Elettriche (es. scariche elettriche)

• Comportamento umano (es. negligenza)

• Termiche (es. irraggiamento)

• Elettriche (es. fulmini)

• Dolo (es. azioni volontarie)

CAUSE INTERNE

CAUSE ESTERNE

Cause innescanti

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Ambiente di sviluppo

Outdoor Fire

Tunnel Fire

Compartment Fire

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Indice


• Fattori

• La combustione









• Compartimento

• Ventilazione

• Combustibile

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Tipologia e quantità di combustibile contenuto nel compartimento;

Superficie di ventilazione

Caratteristiche dei materiali di pareti, pavimenti e solai

porosità, dimensione, forma, orientamento e distribuzione spaziale

grandezza, forma, posizione aperture

densità, calore specifico, conduttività termica

Fattori

• COMBUSTIBILE

o Ventilazione

• COMPARTIMENTO

L’evoluzione dell’incendio dipende da:

o Materiali

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Compartimento

b = √ ( · c · [J / (m2··K·s½)]

thermal conductivity [W/(m·K)]

density [kg/m3]

specific heat capacity [J/(kg·K)]

Thermal inertia:

Analogy with mechanical inertia: difficulty in being accelerated / heated!

ENCLOSURES WITH HIGHER THERMAL INERTIA LOWER GAS TEMPERATURE

Volumetric heat capacity of the enclosures:

amount of heat required to increase the enclosure temperature of a T (heat capacity), per unit volume of the enclosure (walls, floors, ceiling…)

· c [J / (m3··K)]

Thermal conductivity of the enclosure:

ability to conduct heat:refers to the heat transfer along the thickness of the enclosures!

[W / (m··K)]

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Ventilazione

O = A √hav / At [m½]Opening factor:

total area of the enclosure [m2]air flow factor [m5/2]

Total enclosure area:

sum of the area of all the enclosures walls (walls, ceiling, floors)

At = 2BW + 2BH + 2WH [m2]

Horizontal opening factor:USE THE NOMOGRAM FOR CALCULATING fk!(depends on the distance of the midpoint of the window to the ceiling)

Oh = fk Ov [m½]B

H

W

O = Ov + Oh [m½]Global opening factor:

IN PRESENCE OF HORIZONTAL OPENINGS!

Ai

hi

Total opening area:sum of the area of all the openings (windows, doors, …)

A = Σi Ai [m2]

Average opening height:

average of the height of all the opening, weighted by the opening area

hav = Σi Ai hi / Σi Ai [m½]

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Opening factor:

Horizontal opening factor:

USE THE NOMOGRAM FOR CALCULATING fk!(depends on the distance of the midpoint of the window to the ceiling)

Oh = fk Ov [m½]

Ventilazione

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Combustibile

Effective calorific value:

heat developed by combustion of a mass unit of the combustible material

H [J/kg]

Tab. E.3 - EN 1-2 :

List of net calorific valuefor different material

Tab. 3.1 – SW52:

List of net calorific valuefor different materials

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Valore nominale del carico di incendio

�� = �� ∙ � ∙ �

�� potere calorifico inferiore

� massa del combustibile

� fattore di limitazione

• D. M. 09.03.2007

• EC 1

�� =∑ �� ∙ �� ∙ �� ∙ ��=1

�

�� massa dell’iesimo combustibile

�� potere calorifico inferiore dell’iesimo combustibile

�� fattore di limitazione alla combustione

�� fattore di partecipazione alla combustione

� superficie del compartimento

Table E.4 – Fire load densities

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D.M. 08

Carico di incendio specifico

300 MJ/m2 for car parks 200 MJ/m2 for buildings

AS SIMPLE RULE APPLY

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Table E.1

EUROCODES

Table E.2

Carico di incendio specifico

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• incendi aventi sviluppo controllato dalla superficie di ventilazione

• incendi aventi sviluppo controllato dal combustibile

BIG OPENING / FEW FUEL FUEL CONTROLLED FIRE

SMALL OPENINGS / MUCH FUEL VENTILATION CONTROLLED FIRE

Rate of combustion can reach the maximum!Fire developing is governed by fuel properties (exposed area and quantity)!

Rate of combustion can’t reach the maximum because limited oxygen inflow!Fire developing is governed by fuel compartment properties (air flow factor)!

Incendi controllati da ventilazione o dal combustibile

HRR [W]

t [s]

ventilation controlled

fuel controlledHRR1 = HRRmax (fuel)

HRR1

HRR2

tmax,1 tmax,2 t1 t2

HRR2 < HRRmax (fuel)

VENTILATION CONTROLLED FIRE

HIGHEST TEMPERATUREIN THE ELEMENTS

SAFE SIDE ASSUMPTION!

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• Fattori

• La combustione









Indice

• Triangolo del fuoco

• Quadrilatero del fuoco

• Classificazione

• Parametri fisici

• Combustibili

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Comburente

TRIANGOLO DEL FUOCO

Processo di combustione

È il materiale che è in grado di combinarsi

chimicamente con l’ossigeno con emissione di

energia termica

Rilascia un adeguato valore di

energia termica che è in grado di

dare avvio al processo di combustione

È la sostanza che alimenta la combustione mediante ossidazione del combustibile

C’è formazione o liberazione di gruppi atomici chimicamente attivi (radicali) capaci di produrre reazioni a catena

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Quadrilatero del fuoco

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Classificazione

COMBUSTIONE

Combustione degli esplosivi

Combustione eterogenea

Combustione omogeneacombustibile gassoso comburente gassoso

combustibile solido comburente gassoso

combustibile liquidocomburente gassoso

sostanze che contengono nella composizione parte

del comburente

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Parametri fisici

Temperatura di ignizione

È la minima temperatura alla quale, in presenza di innesco, la miscela combustibile – comburente inizia localmente a bruciare.

Temperatura di infiammabilità – Flash Point

Calore di Combustione

È la quantita di calore prodotta dalla combustione di un grammoatomo o di una grammomolecola di un elemento o composto chimico definito in rapporto a una reazione chimica.

Sostanze Temperatura [°C]

Gasolio 65

Acetone -18

Benzina -20

Alcool metilico 11

È la minima temperatura alla quale, in presenza di innesco, i liquidi combustibili emettono vapori che miscelati con l’ossigeno si incendiano.

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frazione del flusso termico creato dalla stessa fiamma che si origina dalla combustione dei prodotti e reirradiatasulla superficie del combustibile

quantità di energia termica necessaria per produrre la pirolisi in 1 kg di combustibile

il potere calorifico del combustibile

flusso di massa critico dei prodotti di pirolisi che si liberano dalla superficie del combustibile

flusso termico disperso per convezione ed irraggiamento

flusso termico prodotto dalla sorgente termica che agisce sul combustibile

Condizione per la stabilità della combustione

Temperatura di accensione – Fire Point Sostanze Temperatura [°C]

Gasolio 220

Acetone 540

Benzina 250

Alcool metilico 455

Temperatura alla quale la miscela combustibile – comburente inizia a bruciare in modo continuo senza ulteriore apporto di calore.

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Ossidazione Completa

Si intende la reazione nel corso della quale si ha

C CO2 H H2O S SO2 N N2

Potere calorifico

Il potere calorifico superiore è la quantità di calore che si rende disponibile per effetto della combustione completa a pressione costante della massa unitaria del combustibile, quando i prodotti della combustione siano riportati alla temperatura iniziale del combustibile e del comburente.

Il potere calorifico inferiore è il potere calorifico superiore diminuito del calore di condensazione del vapore d'acqua durante la combustione".

Parametri fisici

SostanzePotere Calorifico Inferiore [MJ/Kg]

Gasolio 42.7

Benzina 42

PVC rigido 15 – 21

Legno 17 – 20

Si misurano in MJ/kg per solidi e liquidi, in MJ/nm3 per gas.

Nella prevenzione incendi si fa sempre riferimeno al potere calorifico inferiore.

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Parametri fisici

Aria necessaria alla combustione

Il volume di aria teoricamente necessario per la combustione completa di 1 kg o di 1 m3 di combustibile prende il nome di potere comburivoro ed è espresso in m3/kg per i combustibili solidi e liquidi e in m3/m3 per combustibili gassosi.

Vta = 4.76 Vto

dove

Vta = volume teorico di aria Vto = volume teorico di ossigeno

L’utilizzazione massima di un combustibile si può avere quando esso bruciacompletamente. L’aria teorica è sufficiente solo in presenza di una totalemiscelazione comburente – combustibile.

Vea = E Vta

dove

Vea = volume effettivo di aria E = coefficiente E = 1.5-2 combustibili solidi

E = 1.15-1.3 combustibili liquidiE = 1.05-1.2 combustibili gassosi

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Parametri fisici

Difetto di aria

Eccesso di aria

Si forma monossido di carbonio invece di anidride carbonica. Non si sviluppa tutto il calore possibile.

Si sviluppa la massima energia termica possibile ma con temperature inferiori perché il calore si distribuisce su una massa di aria più grande.

Energia rilasciata da un combustibile per unità di massa di aria consumata

Nella maggior parte dei combustibili il rapporto tra il potere calorifico sull’aria teorica

di combustione è pari a circa 3MJ/kgaria

Quantità di energia termica liberata in una combustione completa per ogni kg di aria consumata

Pc

Su tale proprietà si basano le misure della potenza termica rilasciata da un combustibile durante la combustione

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Parametri fisici

Oxigen-fuel mass ratio r0

Quantità in grammi di ossigeno necessaria per la combustione completa di 1 grammo di combustibile

00aria r29.4r

32

8.28

21.0

1r

Concentrazione volumetrica di O2 in aria

Massa di una mole di ossigeno

Massa di una mole di aria

Combustibile completa

Combustibile incompleta

ecombustion_prodottiariaariaarialecombustibi kgr1kgr1kg

ecombustion_prodotti

ariaaria

arialecombustibi kg

r1kg

r1kg

ariarPuò valutarsi non appena nota la formula del combustibile

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Materiali si dividono in:

• Incombustibili (sostanze che non bruciano);

• Difficilmente combustibili (sostanze che smettono di bruciare se non a contatto con una sorgente di ignizione);

• Combustibili (sostanze capaci di bruciare da sole, dopo l’ignizione);

• Facilmente accendibili (sostanze capaci di bruciare per un’ignizione debole);

• Difficilmente accendibili (sostanze capaci di bruciare solo con una sorgente forte).

CLASSE A

CLASSE B

CLASSE C

CLASSE D

CLASSE E

CLASSE F

Materiali solidi

Liquidi infiammabili

Gas infiammabili

Metalli combustibili

Innesco sotto tensione

Incendi di oli e grassi vegetali

Norma UNI EN2 del 2005 classifica i fuochi:

Combustibili: classificazione fuochi

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Combustibili

COMBUSTIBILI

Sostanze gassose

Sostanze liquide

Sostanze solide

Oli minerali grezzi

Benzine, kerosene

Naturali: legno – torba – antracite

Derivati: carbone di legna – coke

Naturali: metano

Illuminanti: idrogeno, acetilene

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Combustibili solidi

Dipende da: • pezzatura

• umidità

per piccoli valori della pezzatura sono sufficienti basse quantità di energia per l’innesco

si rallenta l’ignizione perché è necessaria l’evaporazione dell’acqua dal combustibile

densità temperatura di ignizione

calore specifico temperatura iniziale del combustibile

conduttività termica thermal response parameter

TRP

parametro per la resistenza offerta da un materiale combustibile sottoposto all’azione di un flusso termico radiante, a creare prodotti di pirolisi e ad iniziare a bruciare

tig: tempo dopo il quale un materiale combustibile sul quale incide un flusso termico radiante q, costante nel tempo, raggiunge la temperatura di ignizione

flusso termico flusso critico

materiale termicamente sottile materiale termicamente spesso

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Pirolisi:

passaggio in fase di vapore (sublimazione) dei

componenti più leggeri che formano con l’aria una miscela in grado di

bruciare

sostanza solida

ossigeno

calore

fiamma

combustione

prodotti di pirolisi

calore

Combustibili solidi

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Combustibili liquidi

Bruciano come vapori originati al di sopra della superficie del liquido che si comportano come i gas combustibili.

Limite di infiammabilità inferiore: limite al di sotto del quale i vapori prodotti dalliquido sono insufficienti a innescare emantenere la combustione.

Limite di infiammabilità superiore: limite al di sopra del quale l’aria èinsufficiente per innescare e mantenere lacombustione.

Categoria A:

LIQUIDI INFIAMMABILI Punto di infiammabilità ≤ 21°C

Categoria B:

LIQUIDI COMBUSTIBILI Punto di infiammabilità fra 21°C e 65°C

Categoria C:

OLII MINERALI COMBUSTIBILI Punto di infiammabilità fra 65°C e 125°C

OLII MINERALI LUBRIFICANTI Punto di infiammabilità superiore a 125°C

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Combustibili gassosi

Limite di infiammabilità inferiore: concentrazione minima in volume del gas combustibile della miscela al di sotto della quale l’ignizione non può propagarsi a tutta la miscela.

Limite di infiammabilità superiore: concentrazione massima in volume del gas combustibile della miscela al di sopra della quale l’ignizione non può propagarsi a tutta la miscela.

PESANTI: densità maggiore di quella dell’aria (g.p.l.)

MEDI: densità uguale a quella dell’aria (etilene)

LEGGERI: densità minore di quella dell’aria (metano)

COMPRESSO: allo stato gassoso ad una pressione superiore a quella atmosferica

LIQUEFATTO: allo stato liquido a temperatura ambiente mediante compressione

REFRIGERATO: allo stato liquido alla temperatura di equilibrio liquido-vapore

DISCIOLTO: allo stato gassoso disciolto entro un liquido ad una determinata pressione

Classificazione per proprietà fisiche

Classificazione per modalità di conservazione

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Indice


• Fattori

• La combustione









• Ignizione

• Crescita

• Pieno sviluppo

• Decadimento

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Fasi dell’incendio

Si distinguono 4 fasi nell’evoluzione di un incendio:

Ignizione Crescita Incendio pienamente sviluppato Decadimento

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Attività delle persone coinvolte nelle varie fasi dell’incendio


Fase

Ignizione Crescita

Incendio

pienamente

sviluppato

Decadimento

pre – eventocombustione

iniziale

incendio di

piccole

dimensioni

intero ambiente

coinvolto

propagazione a

tutti i materiali

distruzione di

tutti i beni

persone

presentiinformazione esodo

squadra di

emergenzaformazione osservazione

intervento

soccorso alle persone

intervento dei

Vigili del Fuoco

sistemi

automaticimonitoraggio ambientale

rilevazione ed

allarme

intervento di impianto

di estinzione

chiusura porte

controllo fumi

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Effetti su persone e beni nelle varie fasi dell’incendio


Fase Ignizione CrescitaIncendio pienamente

sviluppatoDecadimento

Eventi

Innesco del primo

oggetto, produzione

di fumo e gas

Produzione

di fumo e gas

I materiali partecipano alla

combustione completamente,

le temperature superano i

1000 °C

Le temperature si

abbassano

Effetti

sulle

persone

L’aria inizia ad

essere contaminata

L’aria diventa

progressivamente intollerabile

fino ad essere letale

L’atmosfera è letale

Effetti sui

materialiEffetti trascurabili

I materiali sono contaminati ed

anneriti dal fumo compaiono

bolle sulla vernice

Le rifiniture sono distrutte, il

legno strutturale brucia, la

muratura non strutturale cede

Gli elementi protetti

dall’incendio

resistono

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La durata della fase di ignizione

dipende dai seguenti fattori:

• infiammabilità e caratteristiche superficiali del combustibile

• umidità, porosità, distribuzione e orientamento spaziale del combustibile;

• velocità di decomposizione del combustibile;

• possibilità di dissipazione del calore nel combustibile.

Ignizione

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Lo sviluppo dell’incendio produce:

• produzione di gas tossici, irritanti e corrosivi;

• riduzione di visibilità a causa dell’emissione dei prodotti di combustione;

• aumento della velocità di combustione nel tempo;

• aumento della temperatura e dell’energia termica irradiata nell’ambiente.

Crescita

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Fattori da cui dipendono la propagazione e

l’intensità di un incendio:

• tipologia, quantità ed orientamento spaziale del materiale combustibile

contenuto nel locale;

• la superficie di ventilazione di ciascun compartimento;

• posizionamento delle varie aperture presenti;

• le proprietà termoisolanti di muri e solai del compartimento;

• caratteristiche di partecipazione all’incendio dei materiali di arredo e di

rivestimento di pavimenti, pareti e soffitti.

Crescita

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Transizione da un incendio in crescita ad uno

pienamente sviluppato nel quale tutti i materiali

combustibili presenti nel compartimento sono

coinvolti simultaneamente nell’incendio

soprattutto a causa dell’irraggiamento

provocato dai prodotti della combustione.

Sviluppo è

influenzato da

FLASHOVER

entità della superficie di ventilazione

distribuzione e posizione delle varie aperture

Incendio pienamente sviluppato

CRITERIO: Temperatura al soffitto 600°C e flusso termico al pavimento 20 kW/m2

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forte innalzamento della velocità di

combustione

elevato rilascio di calore e, quindi,

brusco aumento della temperatura

rilevante crescita della produzione di

fumo e gas di combustione

temperatura non uniforme: sul

pavimento è inferiore

Cambiamenti:

quantità e caratteristiche dei materiali combustibili presenti

posizionamento e dimensioni delle aperture di ventilazione

caratteristiche delle pareti di delimitazione del locale

Temperatura massima:

Incendio pienamente sviluppato

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Raggiunta l’ignizione completa di tutti i

combustibili, il fenomeno rallenta per il

progressivo esaurimento combustibile

Si riduce:

• flusso di calore generato;

• la velocità di combustione;

• la temperatura.

Si considera concluso quando la temperatura media è inferiore a 200°

Decadimento

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ACTIVEMEASURES

(systemic approach)

Time t

Temperature course after success of active measures

Tem

per

atu

re T

(t)

PASSIVEMEASURES

(structural approach)

fla

sho

ver

Pustorino, 2006

Strategia sicurezza antincendio

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• Fattori

• La combustione









Indice

• Convezione

• Conduzione

• Irraggiamento

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l’aria aumentando di temperatura diventa meno densa e tende a muoversi verso l’alto, venendo rimpiazzata dall’aria circostante più

fresca

È associata al moto di un fluido

Effetto del vento

Fondamentale

nell’afflusso d’aria che alimenta un incendio

nell’evacuazione dei fumi da un ambiente.

si manifestano di flussi d’aria e di fumi sia all’interno che

all’esterno dell’edificio

possibile propagazione di incendi tra edifici vicini, anche non contigui.

Negli incendi la convezione è di tipo

naturale:

Convezione

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• È un processo di propagazione del calore tra corpi aventi differente temperatura.

• Il flusso di calore avviene dai punti a temperatura più alta a quelli a temperatura più bassa.

• Esso si propaga gradualmente lungo tutto il corpo ed è accompagnato dall’uniformarsi della temperatura in tutta la massa.

• Può causare la propagazione di un incendio anche in ambienti non direttamente investiti dalle fiamme.

Conduzione

Equazione di Fourier: Vddt

dTcdV

dx

dT

dx

d wp,ww

Tg

To

T1

T2

TkTn

È funzione di

diffusività termica inerzia termica

dove

densità calore specifico conduttività termica

wp,w

w

c

wp,ww c

w w wp,c

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• Non richiede la presenza di un mezzo interposto.• Si propaga con leggi analoghe a quelle della trasmissione della luce.

è tanto più pericoloso quanto più vicini sono i corpi

interessati.

La potenza specifica ricevuta da una superficie diminuisce con il quadrato

della distanza dalla sorgente

La quantità di calore emessa è proporzionale alla quarta potenza

della temperatura assoluta

per corpi molto caldi è preponderante rispetto alla

conduzione e alla convezione

Irraggiamento

4r

4e TTq

42

8

km

W1067.5

q

erre

re

flusso termico

2m

Wfattore di configurazione compreso tra 0 e 1

emissività compreso tra 0 e 1

costante di Stefan-Boltzmann

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Indice


• Fattori

• La combustione









• Burning Rate

• Potenza termica totale rilasciata HRR

• Variazione nel tempo della curva HRR

L’a

zione ince

ndio

: il

fenom

eno f

isic

o

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Burning rate

Il burning rate è definito come la massa di combustibile solido o liquido

che partecipa alla combustione per unità di tempo.

In incendi di grandi quantità di combustibile

In sovrabbondanza di ossigeno o nella combustione di quantità

limitate di combustibili

burning rate < mass loss rate burning rate = mass loss rate / tempo

Vaporizzazione sì, ma non combustione totale

L’a

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: il

fenom

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o

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Burning rate

"m

"" qm

L

L’area di combustibile interessata dalla combustione è controllata dallatemperatura di accensione e dalla velocità di propagazione e quindi il burning ratepuò non esser uniforme su tutta la superficie interessata.

dove q” flusso termico netto verso la superficie del combustibileL il calore di gassificazione (kJ/g).

Si usa il mass burning flux (portata massica specifica di combustione)

mass burning flux = burning rate / area [g/m2 s]

[W/m2 ]

L’a

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: il

fenom

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velocità

dove

Indica la rapidità con la quale l’energia termica viene rilasciata

flusso termico convettivo generato dalla fiamma

flusso termico disperso per irraggiamento dal combustibile

flusso termico radiante generato dalla fiamma

quantità di energia termica necessaria per produrre la pirolisi in 1 kg di combustibile

potere calorifico del combustibile

Necessaria la stima della variazione del valore di RHR durante un incendio

Al generico istante vale

RHR → Rate of Heat Released HRR → Heat Release Rate

Potenza termica totale rilasciata

L’a

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: il

fenom

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Velocità di combustione

Letteratura specializzata

Prove sperimentali

Modelli teorici

Modelli avanzati di simulazione di incendi richiedono la HRR come dato di input

Potenza termica totale rilasciata

L’a

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Modelli di curva HRR

t

HRR

t

HRR

t

HRR

t

HRR

L’a

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FASE DI CRESCITA

Potenza termica rilasciata

Velocità mc di combustione

Quattro curve predefinite di sviluppo

• lento

• medio

• veloce

• ultraveloce

Tempo in corrispondenza della potenza massima

Variazione nel tempo della curva RHR

L’a

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L’INCENDIO PIENAMENTE SVILUPPATO

• Le correlazioni esistenti per prevedere il valore di RHR al momento del flashover

forniscono stime al ribasso. Dal momento che le previsioni ingegneristiche sono

cautelative, questo tipo di previsione si accorda con le caratteristiche di sicurezza

richieste al progetto ingegneristico.

• Fino ad ora la ricerca ha approfondito più gli effetti del flashover che le cause che

ne determinano le condizioni. È ancora necessario, quindi, caratterizzare le condizioni

geometriche del plume (colonna di fumo e di gas caldi che si eleva dal focolaio), dello

strato di gas caldi e delle superfici del compartimento per facilitarne la comprensione;

• Il flashover è largamente determinato dal rapporto RHR – tempo. In un intervallo di

curve di crescita la forma della curva è di importanza sostanzialmente secondaria, come

pure le curve con picchi multipli di RHR.

.

Va considerato che:

LA POTENZA TERMICA NEL FLASHOVER


L’a

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fenom

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L’INCENDIO PIENAMENTE SVILUPPATO. Metodo di Thomas LA PREVISIONE DEL FLASHOVER

è l’area della apertura equivalente

rappresenta la differenza in m tra l’altezza del punto più alto e quella

del punto più basso fra tutte le aperture di ventilazione presenti nella

pareti

è la larghezza della apertura equivalente ottenuta imponendo

l’uguaglianza tra il fattore di ventilazione del locale sia pari alla

somma dei fattori di ventilazione delle singole aperture

è la differenza fra la superficie totale del locale e l’area


L’a

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L’INCENDIO PIENAMENTE SVILUPPATO. LA PREVISIONE DEL FLASHOVER Metodo di Babrauskas

Dal bilancio energetico:

calore specifico a pressione costante dei gas di combustione potenza termica perduta

portata massica dei prodotti della combustione che fuoriesce dalle aperture

temperatura dei gas di combustione temperatura ambiente

Si ipotizza che:

• la portata massica di aria entrante durante il flashover:

• la perdita di potenza maggiore sia dovuta all’irraggiamento termico verso il 40% della superficie delle pareti a temperatura ambiente;

• il valore dell’energia termica rilasciata per ogni kg di aria consumata sia pari a 3000

• la potenza massima sia pari a circa la metà di quella stechiometrica,


L’a

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EVOLUZIONE NEL TEMPO DELLA POTENZA TERMICA


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INCENDIO CONTROLLATO DA COMBUSTIBILE

Potenza termica dipende da quantità di combustibile totale e durata incendio

• EC 1

• Drysdale • Babrauskas (legno)

sviluppo medio sviluppo lento sviluppo veloce

flusso termico nella fase post-flashover

superficie del combustibile esposta densità del combustibile

calore necessario per pirolisi di 1kg di combustibile

potere calorifico del combustibile

velocità di carbonizzazione


L’a

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CONFRONTO TRA

INCENDI CONTROLLATI DA COMBUSTIBILE E

INCENDI CONTROLLATI DA VENTILAZIONE


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PROCEDIMENTO PER IL CALCOLO DELLA CURVA RHR

Si deduce

Se Si può sviluppare pienamente l’incendio

2) Si valuta la

Si deduce

1) Si valuta il minimo valore di RHRF (Metodo di Thomas e Metodo di Babrauskas)


L’a

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4) Si calcola

3) Si calcola l’intervallo di tempo


L’a

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• Quantitativo di combustibile carico di incendio

• Superficie di ventilazione

Modifica della curva RHR

L’a

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• Azione di estinzione

Effetti acqua

Soffocamento

Raffreddamento sostanze

Priva l’incendio dell’ossigeno

Superficie idrica esposta

Diametro medio delle gocce

Coefficiente di convezione aria-acqua

Velocità relativa aria gocce

SprinklerControllo dell’incendio attraverso una mirata

progettazione

Modifica della curva RHR

L’a

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• Fattori

• La combustione









Indice

• Fire plume

• Ceiling Jet

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Fire plume: low flame

Crosti et al. 2009

Ceiling jet: high flame

Crosti et al. 2009

Pre-flashover models

the flame doesn’t reach the ceiling plume expands and becomes cooler

the flame touches the ceiling and ceiling jet develops

DIFFERENT TEMPERATURES IN UPPER AND LOWER LAYERS

Modelli pre-flashover

L’a

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• Fiamme a diffusione quando la miscelazione combustibile-comburente avviene al momento della combustione.

• Fiamme premiscelate quando la miscelazione avviene prima della combustione.

Da un punto di vista qualitativo la regione del fire plume è la zona dove le fiammesono presenti per oltre il 50% del tempo,Da un punto di vista quantitativo l’apice delle fiamme è definito come l’altezza allaquale entra ancora aria sufficiente per ossidare le sostanze volatili e può essercalcolata mediante la relazione funzionale

dove H è l’altezza di fiamma sopra la superficie del combustibile, D è il diametrocaratterizzante la superficie su cui si sviluppa un incendio, e sono la portatamassica (burning rate) e la densità dei vapori di combustibile, T è la temperaturamedia di fiamma, g e sono l’accelerazione di gravità ed il coefficiente diespansione dell’aria. Il gruppo gT è indicativo dell’importanza delle spinte digalleggiamento.

TDg

m

D

H

52

2

f

m

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Fire Plume

L’a

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• Diametro equivalente della base della fiamma Df

Suppunendo uno sviluppo quadratico dell’incendio nel tempo si ricava

s

fRHR

RHR4tD

4

tDRHRRHR f

s

4

tDRHR

t

t1000RHR

2f

s

2

g

La variazione nel tempo del diametro equivalente Df della base della fiamma può calcolarsi se è nota la RHRs rilasciata per unità di superficie del pavimento, espressa in kW/m2. Si ha

Si ottiene quindi

ttRHR

9.1273tD

2gs

f

L’a

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• Altezza media visibile della fiamma Lf

4.0ff RHR235.0D02.1tL

8.0

2g

2gs

f tt

8.26t

tRHR

3.1325tL

Miglior campo di applicabilità è 5.16D

RHR

f

4.0

m93.21.1161235.0102.1L 4.0legno

m73.01.151235.0102.1L 4.0legno

m13.41.2245235.0102.1L 4.0legno

L’a

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• Origine virtuale dell’incendio z0

8.0

2g

2gs

0 tt

2t

tRHR

3.1325tz

4.0f0 RHR083.0D02.1z

Nei modelli di calcolo l’incendio è schematizzato come una sorgente puntiforme.

Questo può essere accettabile solo nelle fasi iniziali. Durante lo sviluppo si può assimilare l’incendio ad una sorgente puntiforme concentrata in una origine virtuale posta a profondità z0 sotto il pavimento.

L’a

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Ceiling Jet

2 / 3

5 / 3

16,9QT T

H

1/ 30,96( )Q

UH

2 / 35,38( / )Q rT T

H

1/ 3 1/ 2

5 / 6

0,195Q HU

r

per r/H<0,18

per r/H<0,15

per r/H>0,18

per r/H>0,15

dove la temperatura T è espressa in °C, la velocità U è espressa in m/s, lapotenza termica emessa è espressa in kW, l’altezza del soffitto H e la posizioneradiale r sono espresse in m

.

Q

Appena il pennacchio urta contro il soffitto si ha una propagazione laterale dei gas caldi che

lambiscono l’intradosso con formazione di un jet circolare dotato di notevole quantità di moto.

Una teoria generalizzata per predire velocità e temperatura dei gas caldi, e lo spessore di un

flusso di ceiling jet in condizioni stazionarie è stata sviluppata da Alpert.

L’a

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• Fattori

• La combustione









Indice

• Bilancio energetico

• Bilancio di massa

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76

PRE-FLASHOVER POST-FLASHOVER

Post-flashover models

DESIGNmonotonically increasing

PARAMETRICwith cooling phase

DECAY:fire temperature decreases –NOT structure temperature!

analyticalmodels

fire tests(conventional)

Modelli post-flashover

L’a

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Trasmissione del calore

L’a

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Bilancio termico

HRRw

HRRw

HRRw

HRRirr

HRRc

HRR

HRR= HRRc + HRRw + HRRirr + HRRgas

HRR

HRRc

HRRw

HRRirr

HRRgas

Potenza termica totale generata dall’incendio

Potenza termica dispersa per convezione dai gas caldi di combustione che fuoriescono dal locale dalle aperture (60%-70%)

Potenza termica dispersa per convezione e irraggiamento alle strutture che delimitano il locale (25%-30%)

Potenza termica dispersa per irraggiamento attraverso le aperture (10%)

Quantità di calore che si accumula nei gas combusti (di solito si trascura)

L’a

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Bilancio di massa

ma

mu

mu = mc + ma

mu Portata massica di aria uscente

mc

yp

Portata massica di ariaentrante

Portata massica del combustibile

mc

ma

Piano neutroyp

Le equazioni di bilancio termico e di massa sono un sistema Equazioni differenziali

L’a

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Indice



• La combustione

• I combustibili

• La ventilazione

• Le proprietà del compartimento

• Potenza termica rilasciata




L’a

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Prodotti della combustione

fumo;

gas tossici ed irritanti;

fiamma e calore.

• si ostacola lo sviluppo dell’incendio;

• si evita la propagazione dei prodotti della combustione oppure si indirizzano

verso predeterminati ambienti;

• si favorisce la rapida evacuazione dei locali.

L’evoluzione dei prodotti della combustione può essere prevista adottando

correttamente i sofisticati modelli d’incendio numerici avanzati

Per impedire che il contatto con le persone:

Prodotti della combustione

L’a

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Indice



• La combustione

• I combustibili

• La ventilazione






• All’interno del locale

• Al resto dell’edificio

• All’esterno dell’edificio

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• Velocità di propagazione della fiamma

In un ambiente chiuso dipende da:

• Possibilità di coinvolgimento di altri materiali

densità

spessore

orientamento della superficie

temperatura iniziale

calore specifico

ossigeno presente

flusso termico

conduttività termica

direzione moti convettivi

Velocità V di propagazione laterale

attraverso contatto diretto con fiamma

attraverso irraggiamento del flusso termico

Propagazione dell’incendio

L’a

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Estensione dell’incendio all’interno del locale incendiato

Estensione al resto dell’edificio

Propagazione all’esterno dell’edificio

• estensione del locale• posizione della sorgente di ignizione in relazione alla distanza da muri e finestre• stato di apertura delle porte e delle finestre (ventilazione)• natura e distanza reciproca degli oggetti soggetti ad irraggiamento termico• tipologia dei rivestimenti delle superfici del locale

• per distruzione della porta d’ingresso da parte delle fiamme o dei gas caldi• per passaggio da cavità non chiuse o fessure (solai, canalizzazioni collettive) e attraverso cavità destinate ad alloggiare mezzi e servizi tecnici (scale, ascensori)

• irraggiamento termico prodotto dalle fiamme;• convezione a causa dei gas caldi che l’incendio libera; • contatto diretto di parti riscaldate dall’incendio con materiali combustibili (conduzione)


L’a

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Valore minimo della potenza termica che provoca l’ignizione di un materiale per irraggiamento secondo la NFPA 555

Materiali facilmente accendibili

Materiali normalmente resistenti all’ignizione

Materiali difficilmente accendibili

�� = 30 ∙ 10(�+0.08) 0.89⁄

�� = 30 ∙ (� + 0.05) 0.019⁄

�� = 30 ∙ (� + 0.02) 0.0092⁄


L’a

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Propagazione dovuta ad uncedimento dell’isolamentotermico o della strutturaoppure attraverso la parete adun elemento adiacentepresente prima dell’incendioo determinatosi per imovimenti differenziali deglielementi durante l’incendio

Propagazione attraversosuperfici a minoreresistenza al fuoco, qualiporte o serrande nonresistenti al fuoco

Propagazione dovutaall’irraggiamento dall’altoverso il compartimentoadiacente delle fiammesovrastanti o allospostamento delle fiammesulla copertura o algocciolamento dimateriali che bruciano aseguito del cedimentodella copertura


L’a

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Propagazione permessa dalpassaggio dei gas chepenetrano nella strutturadel tetto e che determinanoil gocciolamento o lacombustione dei materialicontenuti

Propagazione che utilizza ilcontrosoffitto, nei casi in cuil’elemento di separazione nonraggiunga l’elementoseparante orizzontalesuperiore

Propagazione che utilizza ilsolaio sottostante, nei casiin cui l’elemento diseparazione non raggiungal’elemento separanteorizzontale inferiore

Propagazione di un incendio esterno perirraggiamento, contatto diretto dellefiamme o lapilli

Propagazione da un edificio esterno perirraggiamento o lapilli


L’a

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o

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Propagazione permessa dai condotti orizzontali, verso i compartimenti adiacenti

Propagazione permessada condotti verticali,normalmente favorita daimoti d’aria dovuti alledifferenze di pressionetra ambienti a quotediverse

Propagazione permessa dallapresenza di vani scala oascensori


L’a

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Propagazione permessadalla presenza di aperturesul solaio, di discontinuitàtra solaio e parete o dicedimenti dell’isolamentotermico

Propagazione permessa dallefinestre o da altre aperturepresenti sulla facciata nel casoin cui il flusso termico dei gaso delle fiamme è in grado diinnescare la combustione alpiano sovrastante

Propagazione permessa dallafacciata continua attraversole sue cavità


L’a

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ndio

: il

fenom

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Indice



• La combustione

• I combustibili

• La ventilazione






• Sull’uomo

• Sui materiali

L’a

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fenom

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o

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Conseguenze

PERSONE MATERIALI DA COSTRUZIONE

• Calore

• Fiamma

• Fumo

• Gas di combustione

o Ossido di carbonio

o Anidride carbonica

o Anidride solforosa

o Idrogeno solforato

o Acido cianidrico

o Ammoniaca

o Acido fluoridrico

• Effetti sul legno

• Effetti sull’acciaio

• Effetti sul cemento armato

• Effetti su laterizi

93

StroNGER S.r.l. Research Spin-off for Structures of the Next Generation

Energy Harvesting and Resilience

Rome – Athens – Milan – Nice Cote Azur

Sede operativa: Via Giacomo Peroni 442-444, Tecnopolo Tiburtino, 00131 Roma (ITALY) – [email protected]

PSA - Azione Incendio: caratteristiche del fenomeno fisico - Gentili

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