U A D E R N I · Mauro CACIOLAI · Direzione Centrale per la Prevenzione e la Sicurezza Tecnica ......

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2005

MINISTERO DELL’INTERNO

Dipartimento dei Vigili del Fuocodel Soccorso Pubblico e della Difesa Civile

Direzione Centrale per la Formazione

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Supplemento alla Rivista ufficiale dei Vigili del Fuoco:

ESPLOSIONI: UTILIZZO DI MODELLI PER LA PREVISIONE DEGLI EFFETTIE PER L’INVESTIGAZIONE di Baldassare Genova, Luigi Ripani, Massimo Silvestrini

PREMESSA – MODELLI – BIBLIOGRAFIA

MODELING A REAL BACKDRAFT INCIDENT FIRE di Alberto Tinaburri, Massimo Mazzaro

ABSTRACT – 1 INTRODUCTION – 2 FIRE SCENARIO – 3 CAUSE AND ORIGIN – 4 MODEL RESULTS5 LESSONS LEARNED – REFERENCES

QUADERNI DI SCIENZA & TECNICA

1

Quelli che s’innamorandi pratica sanza scienzia,

son come ‘l nocchierich’entra in naviglio

sanza timone o bussola,che mai ha certezza

dove si vada

Leonardo da Vinci

3

29

MINISTERO DELL’INTERNO

Dipartimento dei Vigili del Fuoco, del Soccorso Pubblico e della Difesa Civile

ISTITUTO SUPERIORE ANTINCENDI · Via del Commercio, 13 · 00154 Roma

PRESIDENTE

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Mauro CACIOLAI · Direzione Centrale per la Prevenzione e la Sicurezza Tecnicae-mail: [email protected]

Claudio DE ANGELIS - Direzione Centrale per le Risorse Logistiche e Strumentalie-mail: [email protected]

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Daniele NARDI · Prof. Dipartimento Sistemi Informativi · Università La Sapienzae-mail: [email protected]

Francesco NOTARO · Direzione Centrale per la Formazionee-mail: [email protected]

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Sergio SCHIAROLI · Direzione Centrale per la Prevenzione e la Sicurezza Tecnicae-mail: [email protected]

Giuseppe M. VECA · Prof. Ordinario di Elettrotecnica · Facoltà di Ingegneria · La Sapienzae-mail: [email protected]

SEGRETERIA DI REDAZIONE

Istituto Superiore Antincendi · Via del Commercio, 13 · 00154 Roma · tel.fax 0657064234

Maria FERRARA · Istituto Superiore Antincendie-mail: [email protected]

Cristiana VITTORINI · Istituto Superiore Antincendie-mail: [email protected]


2

COMITATO SCIENTIFICO


3

Il modello di un fenomeno consiste in una descrizione esemplificata in gra-do di cogliere gli aspetti caratterizzanti del fenomeno stesso.

Il settore delle esplosioni è stato oggetto di molteplici sforzi nel tentativo direalizzare una modellistica adeguata a rappresentare il fenomeno esplosivo nei suoiaspetti significativi.

Nell’ambito di questa memoria sugli esplosivi solidi si vogliono riproporreall’attenzione quei modelli utili alla previsione degli effetti di un’esplosione nonché al-l’investigazione di un evento in cui sia coinvolto un esplosivo solido.

I modelli trattati riguardano sostanzialmente i seguenti aspetti:- trasmissione dell’onda d’urto e suoi effetti;- dimensioni del cratere;- velocità dei frammenti;- distanza di proiezione dei frammenti;- profondità di penetrazione di un frammento nel target;- distribuzione del materiale inesploso (residui).Il primo degli schemi sotto riportati mostra l’utilizzo dei modelli come stru-

mento di previsione degli effetti d’esplosione.Le applicazioni possono spaziare dall’analisi del rischio relativo ad in-

cidenti potenziali negli impianti a rischio d’incidente rilevante in campo civile, allavalutazione delle misure di difesa d’installazioni militari, ad esempio, da attacchiterroristici.

Il secondo schema invece si riferisce ad una delle fasi dell’analisi investiga-tiva (fase induttiva) che a partire dai dati rilevati sullo scenario elabora, anche facendouso di modelli, l’ipotesi investigativa che dovrà trovare conferma nel prosieguo dell’in-vestigazione: che tipo di esplosivo?, quanta la carica impiegata?, quale l’involucro?.

ESPLOSIONI: UTILIZZO DI MODELLI PER LA PREVISIONEDEGLI EFFETTI E PER L’INVESTIGAZIONE

di Baldassare Genova, Luigi Ripani, Massimo Silvestrini

PREMESSA [1] [2] [3]

4


Una precisazione appare a questo punto indispensabile: i modelli non “co-stituiscono” ne “sostituiscono” l’investigazione ma rappresentano un supporto idoneo afornire elementi utili allo svolgimento delle indagini.

1 - Trasmissione dell’onda d’urto e suoi effetti

L’esplosione di una carica di esplosivo ha una durata brevissima, dell’ordi-ne dei millesimi di secondo, ed un rapidissimo build-up della pressione fino al valore dipicco che localmente può raggiungere diverse centinaia o migliaia di bar.

Il tracciato pressione-tempo di una tale esplosione ha l’andamento rappre-sentato in figura, in cui il picco è seguito da un rapido decadimento della sovrappressio-ne con una fase di depressione o risucchio ed un’oscillazione della pressione fino allaquiete definitiva.

Questa perturbazione si propaga nello spazio circostante a velocità superio-re a quella del suono (340 m/s) riducendo il valore della sovrappressione di picco via viache si allontana dall’origine.

Per il TNT (Trinitrotoluene) la riduzione della pressione con la distanzapuò essere valutata con una legge del tipo:

ricavata per interpolazione [1] dei dati Pressione-Distanza ridotta per esplosioni di TNT(Brasie e Simpson - 1968 e Baker et al. – 1996),o del tipo:

tratta dal Blaster’s Handbook della Du Pont [4].


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MODELLI

La variabile Z, denominata distanza ridotta, è espressa come:

con il significato dei simboli e le unità di misura sotto riportate:

P [KPa] Sovrappressione di picco (si ricorda che 1 KPa = 10 mbar)M [Kg] Massa della carica di TNTR [m] Distanza dall’epicentro dell’esplosione.

Il grafico seguente mostra l’andamento della sovrappressione calcolata conla (1) e la (2) al variare della distanza ridotta.


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In tal modo è possibile conoscere il valore della sovrappressione ad ogni di-stanza dall’epicentro, nota la carica esplosiva e la distanza di riferimento.

Per contro è anche possibile risalire al valore della carica, nota la distanzadi riferimento ed il valore della sovrappressione in quel punto.

Valori della sovrappressione raggiunti in particolari punti dello spazio cir-costante il luogo dell’esplosione possono essere desunti dai cosi detti “indicatori di pres-sione” cioè da tutti quegli elementi costruttivi e non, materiali, oggetti e quant’altro re-chi in sé l’impronta dell’onda d’urto e quindi del suo picco di pressione.

La seguente tabella [2] [5] costituisce un punto di riferimento in tal senso.Essa riporta gli effetti del picco di sovrappressione su tutto ciò che l’onda

d’urto ha incontrato lungo il suo cammino.


7

Un indicatore di rilievo in relazione al suo livello di diffusione è rappresen-tato dai vetri di finestra.

Frequentemente questo indicatore è utilizzato per mappare il livello di so-vrappressione in relazione alla distanza dal punto d’esplosione, consentendo così la va-lutazione della carica.

I grafici seguenti [6] [7] mostrano l’andamento della pressione statica dirottura di vetri di finestra in funzione dello spessore e della superficie di questi.

Quando l’onda d’urto investe l’ostacolo il valore di pressione esercitato è al-l’incirca il doppio (per limitate sovrappressioni) della sovrappressione di picco in quan-to si verifica una riflessione del fronte d’onda sull’ostacolo stesso.

Pertanto, in riferimento ai seguenti grafici, si ha che una pressione staticadi 60 mbar è necessaria a rompere un vetro di finestra spesso 3 mm e grande 1.0 m x0.50 m , mentre nel caso di shock-wave il valore di picco della sovrappressione sufficien-te a rompere lo stesso vetro sarà di 30 mbar in quanto grazie alla riflessione il suo effet-to è praticamente raddoppiato (30 mbar x 2).

Nel caso si tratti di un esplosivo diverso dal TNT, si può procedere come peril TNT salvo un adeguamento successivo effettuato mediante i “coefficienti di utilizza-zione pratica” dei due esplosivi.

Si ricorda che il coefficiente di utilizzazione pratica di un’esplosivo quanti-fica il “lavoro” da esso compiuto rispetto ad un’esplosivo di riferimento.

Come esplosivo rappresentativo del TNT si può prendere il Tetrile (coeffi-ciente 114).

Ciò sta a significare che 1Kg di TNT equivale approssimativamente a (114/ 146) = 0.78 Kg di Pentrite.


8

2 - Dimensioni del cratere

Un secondo effetto associato alla detonazione di un esplosivo è la produzio-ne di un cratere le cui dimensioni dipendono dalla carica.


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Una formula [8] che lega il diametro del cratere (in piedi) alla massa diesplosivo (in libbre) è:

dove la costante k è compresa tra i due limiti estremi:k = 1.7 per suolo molto duro; k = 6.0 per suolo molto soffice.

La formula presenta evidenti difficoltà legate alla scelta del valore della co-stante.

Un approccio più completo è possibile con l’utilizzo del seguente gruppo direlazioni [9] che consentono una quantificazione dei principali parametri geometrici delcratere in relazione a varie tipologie di suolo:

dove V0 è il volume di substrato asportato per unità di massa di esplosivo posto a con-tatto con il suolo [feet3/ton]

M è la massa di esplosivo [ton]V è il volume del cratere [feet3]

Noto il volume del cratere V, si può calcolarne le dimensioni riferite alloschema, con l’ausilio delle seguenti relazioni:

r = 1.20 • V1/3

R = 1.25 • rH = 0.50 • V1/3

h = 0.25 • H


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Valori del volume specifico V0[feet3/ton] [9] per vari tipi di substrato sono:

Argilla umida 10000

Sabbia umida 6000

Argilla scistosa umida 4000

Argilla asciutta 1500

Sabbia asciutta 1500

Materiale alluv. asciutto 1100

Roccia leggera 700

Roccia dura 500

Per il “piede” o “foot” e la “libbra” si possono assumere le seguenti equiva-lenze delle unità di misura:

un foot = 0.305 muna libbra = 0.454 kg

3 – Distanza percorsa dai frammenti

Per quanto riguarda la distanza percorsa dai frammenti il discorso non èsemplice in quanto i fattori che influenzano questo parametro sono molteplici.

Infatti esso dipende dalla carica cioè dal quantitativo di esplosivo, ma an-che dal materiale costituente il guscio della carica e dunque dalla sua densità nonchédal peso stesso del frammento.

Inoltre la distanza percorsa, trattasi di problematiche balistiche, dipendedall’angolo di inclinazione iniziale della traiettoria (direzione di lancio) ed infine l’aero-dinamicità del “proiettile” condiziona, attraverso la resistenza del mezzo, l’evoluzionedella sua velocità e perciò della distanza percorsa .

Una relazione tra la massima distanza orizzontale percorsa e la quantità diesplosivo deriva dal lavoro sperimentale di Clancey (1972) [10] effettuato con cariche diTNT ad involucro di basso peso e poste a livello del suolo.


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con M in [Kg] e D in [m].D è la massima distanza orizzontale di proiezione ma la maggior parte dei

frammenti ricadono all’interno di un intervallo tra il 30 e l’80% della distanza massima.La predizione del massimo range di ricaduta di frammenti di forma regola-

re, con le tre dimensioni comparabili tra loro, è stato fornito da Bishop (1958) grazie al-la sua attività sperimentale su cariche rivestite da involucri metallici di una certa robu-stezza (bombe) [11].

Il grafico seguente mostra la distanza di ricaduta di frammenti di ordignicon involucro di acciaio e di alluminio di diversi spessori.


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4 - Velocità e profondità di penetrazione di frammenti per carichedotate di involucro metallico (cased).

È di particolare interesse nell’indagine investigativa riguardante le esplo-sioni dovute a esplosivi convenzionali, riuscire ad ottenere in tempo reale, dal sempliceesame del sito ed utilizzando un algoritmo di calcolo, informazioni il più possibile atten-dibili riguardanti la dinamica dell’evento. In particolare è di sicura utilità, estrapolareprevisioni sul tipo e sulle quantità di esplosivo utilizzato (che comunque dovranno esse-re successivamente confermate dall’esame dei residui di esplosione in laboratorio), sul-la forma e sulla tipologia del contenitore o della bomba, sull’innesco.

Nelle righe che seguiranno, si tenterà, partendo dalla numerosissima ecomplessa bibliografia, di estrapolare semplici formule di carattere sperimentale checonsentano la definizioni di un algoritmo di calcolo utilizzabile con un foglio elettronico.

A. Balistica degli esplosivi [12]

Per balistica degli esplosivi si intende la capacità che ha un esplosivo di im-primere una certa velocità di insieme al mezzo a contatto. Questo effetto balistico ha uncarattere asintotico e può essere schematizzato in diverse fasi:


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- il fronte di detonazione avanza nell’esplosivo seguito dal fascio d’onde diespansione dei prodotti di detonazione;

- il fronte di detonazione attacca il rivestimento e vi induce un’onda d’ur-to caratterizzata da una velocità U e da una pressione P;

- le onde di pressione, che seguono il fronte di detonazione nell’esplosivo,penetrano nel rivestimento raggiungendo le onde di detonazione ed abbassandone pro-gressivamente l’intensità;

- l’onda d’urto raggiunge la superficie libera ( superficie esterna) del rive-stimento metallico;

- il fascio d’onde di espansione proveniente da tale superficie libera ritor-na indietro ed interferisce con quello proveniente dall’esplosivo, creando nel solido delletensioni di trazione che possono provocarne la frammentazione.

Se però ci si pone nell’ipotesi che il materiale sia indeformabile il bilancioenergetico, al momento che l’onda d’urto inizia a propagarsi nel materiale, è tale che tut-ta l’energia disponibile si converte in energia cinetica dei frammenti

Col proseguire del fenomeno, nel rivestimento si succedono fasi di compressio-ne e di tensione che tenderanno a zero asintoticamente in tutto lo spessore del rivestimento.

Questo significa che tutta l’energia interna del rivestimento scompare a fa-vore della sua energia cinetica che assumerà una velocità v in tutta la sua massa.

È evidente l’approssimazione che si introduce. Essa è definita approssimazioneasintotica ed in pratica considera lo studio della proiezione di un rivestimento o di un fram-mento di una particolare capsula contenente esplosivo o di un missile, tenendo conto esclusi-vamente dello stato iniziale e di quello finale del sistema trascurando gli stati intermedi.

Da queste ipotesi è stata tratta una legge approssimata detta di Gurneydalla quale risulta:

In essa al simbolo µ corrisponde il rapporto tra la massa dell’elemento pro-iettato (involucro) e la massa dell’esplosivo, mentre ad n corrisponde il numero di dimen-sioni del sistema considerato.


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Nel caso della sfera esplosiva contenuta all’interno di una capsula (sistemachiuso), la formula di Gurney diventa:

Nel caso di esplosivo contenuto in tubo cilindrico (n = 2) avremo:

Il coefficiente (2Eοο)0,5 è stato tabellato per numerosi esplosivi ed è conosciu-

to come “costante di Gurney” o “Energia di Gurney”[13].Il termine Eοο da adesso in poi sarà indicato con ∆E.

Dallo studio balistico degli esplosivi abbiamo dunque a disposizione unaformula che consente il calcolo della velocità iniziale dell’elemento proiettato in funzio-ne del tipo di esplosivo noto il calore di esplosione, la geometria dell’ordigno ed il rap-porto Ì tra la massa dell’involucro e quella della carica.

Qualora non sia disponibile il valore misurato della costante di Gurney(2Eοο)

0,5, è possibile utilizzare con ottima approssimazione il valore 0.338Vdetonazione co-me suggerito da Cooper e Kurowski (1996), ove per velocità di detonazione si intende lavelocità con cui la reazione di decomposizione si propaga nel mezzo esplosivo. La veloci-tà di detonazione è un dato sperimentale ben noto che per la maggior parte degli altiesplosivi si attesta sui valori compresi tra i 6000 e gli 8000 m/s.


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B. Resistenza dell’aria al moto di avanzamento di un proiettile.

Consideriamo a questo punto il frammento o il proiettile che viene lancia-to in aria dall’impulso di pressione.

Ad esso è impressa, per i motivi sopra richiamati, la velocità iniziale che siricava dalla formula approssimata di Guerney: v0.

A questo punto il movimento del frammento è condizionato dalla resisten-za dell’aria che esplica il suo effetto di rallentamento sulle componenti orizzontale e ver-ticale del moto.

La formula che segue [14] fornisce approssimativamente il valore della ve-locità del proiettile, dopo una certa distanza percorsa dal punto di origine, tenendo inconsiderazione l’effetto viscoso dell’aria:

In essa AProiettile è la sezione del frammento, normale alla direzione del mo-to, proiettato dall’esplosione; ρa =~ 1.23 [Kg/m3] è la densità dell’aria e CW è l’indice diresistenza.

Seguono alcuni valori tipici dell’indice di resistenza per diverse “forme” ae-rodinamiche:

Resistenza di un semicilindro Resistenza di cilindri con vari corpi d’efflussosecondo Barth [15] – Kramer [15](generatrici normali alla direzione di moto) (generatrici normali alla direzione di moto)

Cw = 1.16 Cw = 1.20

Cw = 0.70 Cw = 0.88

Cw = 0.58 Cw = 0.73


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Cilindro a sezione circolare con basi normali alla direzione di moto [16]L = lunghezza ; D = diametro basi

L/D =1 Cw = 0.912 0.854 0.87

[17] Sfera: Cw = 0.47

[17] Disco: Cw = 1.17

[17] Cubo: Cw = 1.05

[17] Cubo: Cw = 0.80

È così possibile determinare la velocità v con cui un proiettile incontra unostacolo situato a distanza x dal punto di lancio, nota la velocità iniziale vo.

C. Profondità di penetrazione di un proiettile.

Un “proiettile”, si muove nello spazio seguendo la sua traiettoria fino alpunto, potremmo dire, di atterraggio o collisione con ostacoli quali: abitazioni, struttu-re, persone, automobili e via dicendo, prima della naturale conclusione della sua corsa.

Quando il “proiettile” collide con l’obiettivo da luogo ad un danno da impat-to o “penetrazione”, consistente in uno schiacciamento o rientranza o craterizzazione,che può spingersi sino allo sfondamento e perforazione, della superficie colpita.

La letteratura tecnica fornisce sostanzialmente due equazioni la cui fonteè l’High Pressure Safety Code di B.G. Cox e G. Saville (1975) [10].


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La prima è applicabile per piccoli frammenti smussati di acciaio, di massanon superiore al chilogrammo e massima velocità d’impatto di 1000 m/s (per velocità su-periori ai 1000 m/s il meccanismo di penetrazione si configura diversamente a causa delcosiddetto fenomeno di melting del proiettile e del target), e fornisce lo spessore del cor-po obiettivo sufficiente ad arrestare la corsa del frammento.

Detto spessore, definito profondità di penetrazione è dato da:

La seconda formula invece è valida per frammenti di massa superiore alchilogrammo e prende in considerazione anche l’area d’impatto:

dove:xPnt [m] è la profondità di penetrazionem [Kg] è la massa del frammentovimpatto [m/s] è la velocità del frammento al momento dell’impattoAimpatto [m2] è l’area d’impatto frammento-obiettivo

I valori della costante C sono riportati nella tabella seguente per alcuni co-muni materiali da costruzione.


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Il grafico mostra l’andamento della profondità di penetrazione in funzione dellavelocità d’impatto per un proiettile di acciaio di 200 grammi di massa su tre diversi obiettivi.

Il calcolo è stato effettuato utilizzando la prima formula dell’High Pressu-re Safety Code (Cox and Saville - 1975).

D. Dal sopralluogo all’ipotesi investigativa sull’ordigno.

Siamo ormai in grado di risalire, dalla semplice constatazione degli effetti in-cidentali, all’origine delle cause scatenanti. Supponiamo infatti di dover risalire al tipo dibomba utilizzata per un evento che abbia prodotto un cratere di dimensioni note, con fram-menti derivanti dall’involucro dell’ordigno che sono penetrati per circa 21 millimetri all’in-terno di una muratura esterna, di mattoni pieni, di un edificio posto a 60 metri dal cratere.

Dati:Frammento di acciaio dell’involucro:densità ρ = 8 g/cm3

spessore 0.5 cmdimensioni 0.707 cm x 0.707 cm


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Utilizzando la (11) si calcola una velocità d’impatto di 493.6 m/s necessariaa far penetrare di circa 21 mm il frammento in questione.

Nota la velocità d’impatto, la geometria ed il peso del frammento (si è as-sunto un coefficiente di resistenza Cw = 1.0) è possibile risalire alla velocità iniziale me-diante la (10) che fornisce una velocità iniziale del frammento (velocità di Gurney) paria 1763 m/s.

Se si ipotizza una carica sferica attraverso la (8) si può determinare il va-lore del rapporto µ tra la massa dell’involucro e quella della carica.

Tale rapporto, per una carica sferica è:

L’equazione precedente consente di calcolare il raggio della carica esplosi-va conoscendo il rapporto µ , le densità del materiale dell’involucro e dell’esplosivo, non-ché lo spessore dell’involucro noto dai frammenti rinvenuti.

Calcolato il raggio della carica è possibile determinare la quantità d’esplo-sivo:

Nel caso specifico, avendo ipotizzato una carica di Composition B con co-stante di Gurney pari a 2700 m/s e densità di 1.71 g/cm3, si ottiene un raggio della cari-ca di 4.5 cm e conseguentemente una massa di esplosivo di circa 650 grammi.

In questo modo è possibile dare un contributo alla conoscenza del tipo di or-digno in questione in concomitanza alle informazioni provenienti dalle analisi chimichecirca il tipo di esplosivo o miscuglio esplosivo utilizzato.

Nel caso si tratti di un ordigno cilindrico (tubo), per determinare la caricae la forma dell’ordigno, si può procedere in via approssimata nel seguente modo.

Con la (9) si calcola il rapporto µ per una carica di tipo cilindrico ed in se-guito con la formula:


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si calcola il raggio della carica esplosiva cilindrica di lunghezza L , conoscendo: il rap-porto µ, lo spessore del tubo (dai frammenti) e le densità dei componenti l’ordigno.

A questo punto si calcolano il rapporto µ ed il raggio della carica sferica, ingrado di fornire la stessa velocità di Gurney, con la (8) e la (13) e di conseguenza il vo-lume della carica sferica.

Dall’uguaglianza tra i volumi della carica sferica e di quella cilindrica si ri-cava il valore di L:

L’algoritmo proposto è schematizzato nel Flow-Chart di seguito rappresen-tato.


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5 – Residui dell’esplosione [18] [19].

È noto che ogni esplosione è caratterizzata dalla presenza / produzione diuna certa quantità di sostanze caratteristiche tra le quali si annoverano:

- prodotti della combustione più o meno completa quali CO, CO2 e H2O;- Nitrati NO2 dovuti alla decomposizione delle sostanza esplosiva;- frazioni di sostanza esplosiva “inesplosa” dette residui.

I Nitrati e i residui si distribuiscono sul terreno e su tutte le superfici pre-senti entro un certo spazio circostante l’epicentro dell’esplosione.

Inoltre tracce di residui (cioè la frazione di inesploso) possono essere loca-lizzate sulla superficie dei frammenti appartenenti all’involucro nel caso di cariche rive-stite (cased).

Si comprende dunque l’importanza di tutte quelle conoscenze finalizzate al-la repertazione dei nitrati e dei residui la cui analisi consente di individuare la compo-sizione dell’esplosivo utilizzato.

I grafici che seguono mostrano l’andamento dei residui depositati a terraper ordigni di tipo militare.

Da essi si evince sostanzialmente:- una riduzione della concentrazione con la distanza dal cratere;- uno proiezione dei residui intorno al cratere a distanze tanto maggiori

quanto più elevata è la massa di esplosivo;- una concentrazione di picco all’interno del cratere almeno per certe ti-

pologie di residuo.

Un comportamento analogo si verificherebbe anche nel caso dei nitrati lacui distanza massima di deposizione al suolo a partire dal cratere, Phillips (2000), sem-brerebbe non poter superare i 60 metri indipendentemente dalla carica con massimaconcentrazione all’interno del cratere.


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6 – Conclusioni.

L’esplosione è una rapida trasformazione di sostanze allo stato liquido, so-lido e gassoso (denominate combustibili e comburenti) in prodotti della combustione conla determinazione di un’istantanea dissipazione di energia che si sprigiona sotto formadi pressione e calore.

L’esplosione di un ordigno comporta indagini altamente complesse e il suc-


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cesso delle stesse dipende, in modo determinante da una corretta attività di sopralluo-go e repertamento condotta sul luogo dell’esplosione: a seguito di un evento esplosivo lascena che si presenta è caotica, pertanto da parte degli investigatori, si richiede un ap-proccio sistematico basato sulla razionalità e l’attenzione ai particolari per poter preli-minarmente identificare e definire il problema, raccogliere i dati e infine analizzarli alfine di poter sviluppare anche delle ipotesi.

In questo contesto andrebbe individuata la figura del “Bomb scene mana-ger”, figura già ampiamente affermata nel mondo anglosassone che ha il compito di ge-stire e coordinare le diverse attività sul luogo dell’attentato e che quindi dovrebbe attua-re una serie di procedure volte alla completa gestione dell’intervento al fine di poter rac-cogliere e acquisire tutte le informazioni relative alle indagini.

È evidente che affinché siano soddisfatte le finalità di un sopralluogo giudi-ziario sarebbe necessaria la disponibilità di una squadra di specialisti che abbracci i piùvasti campi della tecnica: per citarne solo alcuni, sarebbe utile ad esempio l’intervento diun ingegnere meccanico, di un chimico, di un ingegnere elettrico e elettronico, di un esper-to sismico etc.; in ogni caso è prassi comune che in un’attività di sopralluogo ci si pongadelle domande che possano aiutare a individuare la causa o l’origine dell’esplosione:

• CHI: chi è la vittima trovata, chi è la vittima predestinata, chi ha crea-to l’esplosione, chi ha piazzato l’ordigno;

• QUALE: quale materiale è stato utilizzato per fabbricare l’ordigno, qua-le conoscenza in campo tecnico-scientifico doveva avere l’attentatore per costruire l’ordi-gno, quale era il probabile bersaglio dell’esplosione, quale campo riveste l’indagine: è unincidente o un atto criminoso;

• QUANDO: quando è stato costruito il dispositivo, quando è stato piaz-zato, quando è stato innescato, quando è esploso;

• DOVE: dove è stato fabbricato il dispositivo, dove è stato posizionato,dove sono stati presi i componenti necessari alla sua fabbricazione;

• COME: come è stato piazzato il dispositivo, come è stato costruito, comeè stato innescato.

Da un punto di vista investigativo chimico-forense l’investigatore è prepo-sto ad un’attenta e scrupolosa attività di sopralluogo e di repertamento, la quale me-diante l’ausilio di riprese fotografiche e planimetriche, supportata dall’analisi chimica,possa ricondurre ad un’ipotesi di dinamica dei fatti, alla localizzazione dell’ordigno e so-prattutto alla composizione chimica dello stesso. Il rinvenimento di parti che costituiva-no il meccanismo, ad esempio, possono fornire informazioni sul sistema di detonazione


24

adoperato, così come il rinvenimento di parti del contenitore dell’ordigno potrebbero for-nire informazioni sia per l’indagine di polizia giudiziaria che per quella tecnico-scienti-fica; il tipo di frammentazione prodottasi invece, consente di fornire una prima ipotesisul tipo di esplosivo impiegato: di norma infatti a parità di consistenza dell’involucro, lecaratteristiche chimiche della carica e la sua potenzialità sono direttamente proporzio-nali al numero di frammenti generati dall’esplosione e inversamente proporzionali allaloro grandezza.

In linea generale, l’attività di sopralluogo ha inizio con l’individuazione delpunto di origine dell’esplosione e, in relazione ad esso, del punto più lontano dove sonopresenti i frammenti originati dall’impatto, si delimita quindi un’area pari alla distan-za sopra detta addizionata del 50%. Tale zona viene successivamente suddivisa o a spic-chi o in porzioni rettangolari, come riportato in figura, e sottoposta a rastrellamento alfine di poter individuare e quindi repertare tutti gli oggetti ritenuti significativi.

Nel caso in cui nel sito di esplosione vi siano strutture, materiali, oggettiinamovibili, ma che potrebbero aver trattenuto tracce di esplosivo incombusto, si effet-tuano sul posto dei tamponamenti e lavaggi mediante l’impiego di acqua e solventi or-ganici al fine di poter verificare sugli stessi la presenza rispettivamente di residui or-ganici e inorganici dell’esplosione.

A tal proposito, viene riportato in figura uno schema volto al repertamentoe all’individuazione di tracce di esplosivi organici e inorganici e analisi ad essi correlati.


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Baldassare GenovaCoordinatore antincendi. Direzione centrale per l’emergenza ed il soccorso tecnicoLuigi RipaniTenente Colonnello. Responsabile RIS (Raggruppamento Investigazione Scientifica)dell’Arma dei Carabinieri di RomaMassimo SilvestriniCoordinatore antincendi. Direzione centrale per l’emergenza ed il soccorso tecnico


26

Frammentazione

[1] Genova B. - Silvestrini M.Investigazione delle Esplosioni – pagg. 130Serie “Le Monografie” – Ottobre 2003 Ministero Interno – Dipartimento dei Vigili del Fuoco – Roma

[2] NFPA 921 – Fire and Explosion Investigation

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Genova B. – Silvestrini M.Esplosioni: Investigazione – Analisi del Rischio – Modelli – IncidentiEditore Dario Flaccovio Palermo (prossima pubblicazione)


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This paper reports the fire conditions that occurred in a townhouse and theresults of software simulations performed to provide insight on the peculiar thermalconditions that developed. Fire rescue was called by the occupants of the house, whenthey became aware that smoky conditions were developing on the second floor. Two ofthe firefighters entered the bedroom originating the smoke and a short time after aflame front invested them while propagating backward into the stairwell. The fireinvestigation which followed determined that the fire started as a consequence of thesmoldering combustion of the material contained in a wardrobe located adjacent to oneof the room walls. A simulation scenario was developed based on the informationobtained on the actual building geometry, material thermal properties and the firebehaviour. The calculations that best represent the actual fire conditions indicatethat the partial opening of the window and of the bedroom door provided outside air(oxygen) to a pre-heated, under ventilated fire compartment.

Keywords: smouldering combustion, backdraft, fire models, fireinvestigation.

Part of the mission of the Department of the firefigthers, public rescue andcivil defence is to conduct basic and applied fire research, including fire investigation,with the purpose of understanding fundamental fire behaviour and to reduce lossesfrom fire. On February 3, 2003, a fire in a townhouse near Lucca caused two firefightersto be injured. Investigation on fire causes were conducted by the local fire brigade andpolice station. Computer simulations were made to provide insight on the firedevelopment and thermal conditions that may have existed in the townhouse during thefire.


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MODELING A REAL BACKDRAFTINCIDENT FIRE

di Alberto Tinaburri, Massimo Mazzaro

Articolo originale tratto dagli atti del convegno internazionale “Safe 2005” organizzato dalla Facoltà di Ingegneria dell’Università degli Studi di Roma “La Sapienza”.

ABSTRACT

1 INTRODUCTION

The fire occurred in a masonry dwelling of ordinary construction. Thebuilding was inserted between two others (not involved) and contained only oneapartment on three stories, connected through an enclosed stairway, with the basemententrance on the access road (Figure 1).

The occupants of the house, while staying in the first floor rooms, beganaware that, starting from a closed bedroom, smoky conditions were developing on thesecond floor. They abandoned their house via the front door at ground level and calledfor the fire rescue. The first engine arrived on the fire scene in approximately 20minutes and entered the house via the front door. Conditions on the second floor weredescribed as smoky, with smoke coming from the doorway and the window of a roomlocated in the second floor. To reduce the smoke level and provide ventilation, thefirefighters partially opened the front window.

Figure 1: External view of the 2nd floor room originating the fire and of the window that vented out thebackdraft flame (pointed by the arrow).All the pictures have been taken about one hour later the fire event.


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2 FIRE SCENARIO

After some minutes, two of the firefighters, entered the house and throughthe stairs, reached the second floor room. They reported that the second floor was atthat time fully charged with smoke. They opened the door, entered the bedroom andwhile orienteering to reach the window, one of them saw in the dark a small flame.Soon after a flame front invested them, while propagating backward to the doorwayand then into the stairwell. The flame vented out through a window left open locatedin proximity of the first floor on the front of the house and then extinguished after fewseconds. Thanks to the personnel protection equipment, the two firefighters did notsuffer appreciable burn injuries. An amateur video recorded the scene and became animportant source of information when later reviewed by the fire department. The tapeshowed the flame venting out through the only fully open window, without appreciableflame persistence.

Damage to the house was mainly limited to the bedroom originating thefire - closed door prevented fire spreading. There was no fire extension to the otherrooms or to the adjacent buildings and no structural damage observed.


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Figure 2: Detail of the 2nd floor stairwaylamp showing cover destruction.

Figure 3: 2nd floor stairway. The roomoriginating the fire is on the left side.

The stairway from the first to the second floor showed only few appreciableeffects of the backdraft flame impingement on the ceiling and walls except for thedestruction of the lamp cover located on the second floor ceiling (Figure 2), the partialmelting of the light switch located on the left side, near the bedroom doorway (Figure3). The ladder shown in Figure 3 was used by the firefighters to access the wooden roofstructure, after extinguishing the fire, to verify that no fire propagation and smolderingcombustion had occurred.

The bedroom had significant deposits of soot throughout, with limitedthermal damage. The gypsum board walls and ceiling remained intact. A wardrobe andsome furniture located adjacently two walls were completely destroyed by the fire(Figures 4, 5 and 6).

Figure 4: Detail of one wall in the room originating the fire. The wardrobe gone completely destroyed waslocated near this wall.


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Figure 5: Detail of one room wall (nextto the Figure 4).

Figure 6: Detail of the bedroom door(next to Figure 5).

The bed showed signs of pyrolysis and limited burning on the upperportions of the back cushions (Figure 7). The triangular shape of the combusted partwas attributed to the fire propagation from an adjacent furniture, gone completelycarbonized.

Figure 7: Detail of the bed.

The information provided by the firefighters involved and the evidencedescribed was of a classic backdraft, usually persisting only few seconds beforeexhausting its fuel supply. The fire investigation determined that the fire started as aconsequence of the smoldering combustion of the material contained in a wardrobe,located adjacent to a wall, that contained inside a flue gas duct of an adjacent housechimney. A slow soot combustion fire occurred in the flue gas duct. This initial eventprovided the heat source that, by thermal conduction through the poor insulating wall,originated the smoldering combustion inside the wardrobe. It was witnessed that thewardrobe got usually warm even during normal chimney operation. The occupants and


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3 CAUSE AND ORIGIN

the firefighters confirmed that the bedroom door and the window were initially keptclosed, so that there were negligible external source of combustion air. After thefirefighters opened slightly the bedroom window, acting from the outside, the videoshows an increase in the smoke production. However, when the firefighters opened thedoor, the resulting fire gases, rich in carbon monoxide, flowed downward into thestairwell with high velocity and exited through the only open window located inproximity of the first floor.

NIST (National institute of standards and technology) has developed acomputational fluid dynamics (CFD) fire model using large eddy simulation (LES)techniques, called fire dynamics simulator (FDS).

The CFD model requires that the room or building of interest is dividedinto small rectangular control volumes or computational cells. The CFD model computesthe density, velocity, temperature, pressure and species concentration of the gas in eachcell based on the conservation laws of mass, momentum, and energy to model themovement of fire gases. FDS utilizes material properties of the furnishings, walls,floors, and ceilings to simulate fire spread. A complete description of the FDS model isgiven in reference [1]. FDS requires as inputs the geometry of the building, thecomputational cell size, the location of the ignition source, the ignition source, thermalproperties of walls, furnishings and the size, location, and timing of vent openings to theoutside which critically influence fire growth and spread. The timing of the ventopenings, used in the simulation, are based on an approximate timeline of the firefighting activities and on a real time video taken by an amateur. The floor plan of thesecond floor of the townhouse and of the stairwell is shown in Figure 8. The placementand size of the interior walls, doorways, and windows were taken from the dimensionedfloor plans drawn by personnel of the Fire Brigade.

As in the fire incident, the bedroom window and door were kept closedduring the simulation, till the firefighters opened them. The front window on the secondfloor was kept closed while the one located on the first floor, where the backdraft wasvented out (see Figure 1), remained opened during the entire simulation. For the FDSsimulation, a specified heat flux from the wall adjacent to the wardrobe was used tostart the fire growth as the ignition source. Starting the simulation with a flamingignition enabled fire development to be modeled within a reasonable computationaltime. The actual fire may have taken several hours to develop to the flaming stage, if


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4 MODEL RESULTS

eventually reached. As the simulated fire spreads from the ignition source, and then toother items in the room, it depletes its supply of oxygen for combustion. When a fireoccurs in a closed room where the only ventilation is due to leakage, it can becomelimited by the available oxygen and produce large amounts of unburned fuel. If theleakage rate is low enough the fire may enter a smoldering stage. Temperatures withinthe bedroom has been estimated much lower than flashover temperatures butsignificantly higher than the ambient. Upon venting, a gravity current carries fresh airinto the compartment. This air mixes with the excess pyrolyzates producing aflammable pre-mixed gas which can be ignited by a flame or a glowing ember,generating a flame front moving through the compartment toward a vent. This entireprocess: the accumulation of unburned gaseous fuel, the propagation of an oxygen richgravity current creating a mixed region and carrying it to the ignition source, theignition and propagation of an eventually turbulent deflagration vented out, altogetherconstitutes a backdraft [2],[3].

The FDS calculations supported the hypothesis that unburned fuel andCO accumulated in the bedroom, resulting in a backdraft after few minutes of venting


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Figure 8: 2nd floor plan view

the bedroom. Reported conditions such as smoke accumulation in the second floor andthe “exotic” propagation of the deflagration downward the stairway were reproduced bythe model (Figure 10). Some assumptions were necessary in performing thesecalculations which may have an impact on the model’s predictions. The results aresensitive to the volume of the apartment and to the size and locations of ventilationopenings. All these elements were known by actual measurements taken by the firedepartment during their investigation and by witness report and a real time amateurvideo. It was reported that the bedroom door and window were closed, up to firefightersarrival. So the assumption of no additional leakage was justified. The combustion waspredominately ventilation controlled, making the results insensitive to fuel loadingand the specific burning characteristics of the fuel. The generation rate of unburnedfuel and CO in poor ventilation conditions should be affected by energy feedback fromthe environment and any flames present during the time of ventilation controlledcombustion. The FDS model does not contain such a self-consistent combustion model,so the quantity of unburned fuel and CO production has been estimated and subject to


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Figure 9: Perspective view of townhouse.

a sensitivity analysis. The field data of the heat release per unit volume duringbackdraft evolution are reported in Figure 10.

A temperature profile inside the bedroom during backdraft is shown inFigure 11. The values are in the range of 200°C-250°C, much lower than flashovertemperatures, as expected. These figures are compatible with the observed fire scenario


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Figure 10: Field data of the heat release per unitvolume (kW/m3) during backdraft evolution.

and are indeed necessary to support the production of relatively dense unburned fuel,prior to cold air mixing, necessary to allow downward flame propagation from second floorto the first floor window, were the deflagration was vented out.

The fire service community has long recognized the hazards associated withbackdrafts. Typically firefighters are involved in initial search and rescue or suppressionoperations when the backdraft occurs. Current tactics for reducing the backdraft hazardsare to vent the structure prior to entry. However, the ventilation process is often a secondpriority to the rescue operation. Indeed, unless it is restricted to roof venting, ventilationmay facilitate rather than prevent a backdraft. Even if neither the occupant nor thefirefighters get seriously injured, it is fundamental to analyze the incident to increase theoverall consciousness of safety culture and avoid the risk that valuable information get


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5 LESSONS LEARNED

Figure 11: Temperature profile inside thebedroom (°C) during backdraft.

lost unreported as if no one had been injured. It has also pointed out the benefits of theuse of modern computer fire modeling in the reconstruction of fire incidents tounderstand critical factors for mitigating their impacts.

Alberto TinaburriDirettore antincendi. Direzione centrale per la Prevenzione e la sicurezza tecnicaMassimo MazzaroDirettore antincendi. Direzione centrale per la Prevenzione e la sicurezza tecnica

[1] Mc Grattan, K.B., Baum, H.R., Rehm, R.G., Hamins, A. & Forney, G.P., Fire DynamicsSimulator – Technical Reference Guide, NIST Special Publication 1018, Nat. Inst. Stand. Tech.,Gaithersburg, MD, USA, 2004.

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REFERENCES

U A D E R N I · Mauro CACIOLAI · Direzione Centrale per la Prevenzione e la Sicurezza Tecnica ......

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