Progettazione di Sistemi SEFC: caratteristiche dei fumi d'incendio

Ing. Alessandro Temperini

Sabato, 18 Giugno 2016
Scritto da  Ing. Alessandro Temperini
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Tempo di lettura stimato: 14 minuti

Per progettare Sistemi di Controllo del Fumo in grado di svolgere efficacemente le proprie funzioni occorre innanzitutto conoscere la qualità e la quantità dei fumi che devono essere controllati e smaltiti.

Infatti, qualità e quantità dei fumi dell'incendio sono dati fondamentali per poter dimensionare e selezionare correttamente i componenti dell’intero Sistema del Controllo del Fumo e del Calore.

Questi componenti sono condotte, ventilatori, serrande, barriere fisse e mobili, griglie di aspirazione ed immissione, logiche di funzionamento e serramenti asserviti ad esso (leggi il nostro articolo sulla classificazione dei componenti.

In questo articolo esamineremo come calcolare la quantità, qualità e temperatura del fumo derivante da incendio, in base a diversi scenari possibili.

I principali parametri che caratterizzano la qualità dei fumi ai fini della sicurezza in caso di incendio sono:

  • la temperatura;
  • l’opacità;
  • la tossicità.

La quantità di fumo prodotta da un incendio non è una costante ma una variabile che dipende dalle condizioni al contorno, cioè dallo "scenario di incendio", ovvero la descrizione completa ed univoca di quella che potrebbe essere l’evoluzione dell’incendio in relazione ai suoi aspetti fondamentali, quali:

  • caratteristiche fisiche del materiale combustibile: potere calorifico, temperatura di accensione, percentuale di particolato prodotta;
  • modalità di stoccaggio del materiale: compattezza, imballaggi, impilamento, distanze reciproche;
  • caratteristiche del locale e dell’edificio sede dell’incendio: altezza, dimensioni in pianta, superficie e disposizione delle aperture tra i locali e con l’esterno, presenza di corridoi, di atrii.

Ovviamente gli scenari di incendio sono molteplici, essi infatti "rappresentano la schematizzazione degli eventi che possono ragionevolmente verificarsi nell'attività in relazione alle caratteristiche del focolare, dell’edificio e degli occupanti" (CodicePI p.to M.1.3.4).

Leggi anche il nostro approfondimento su Principi di progettazione per lo Smoke Management

Locali confinati (singolo locale)

Il caso più semplice da affrontare nella progettazione dei Sistemi di Controllo Fumo e Calore è quello di un singolo locale interessato dall’incendio: per questo caso nella figura che segue è rappresentata una sintesi dei principali parametri che contribuiscono a definire lo scenario di incendio.

fig8 locali confinati incendio controllo fumo calore

Dove:

- Af (superficie del fuoco) e P (perimetro del fuoco) costituiscono i due parametri ai quali sono collegate le grandezze principali che servono per identificare un incendio.

Potenza massima raggiunta dall'incendio

Moltiplicando l'area del fuoco Af per la potenza specifica stabilita per l'incendio HRRPUA in kW/m2 (ricavata sperimentalmente o tabellata dalle normative tecniche, come ad esempio nella Norma UNI 9494 che riporta un valore pari a 300 o 600 kW/m2) si ottiene la potenza massima raggiunta dall'incendio (HRR).

Quantità di fumo prodotta dall'incendio

La quantità di fumo prodotta è invece proporzionale al perimetro dell'incendio, come esemplificato nella successiva equazione:

- Plume (o pennacchio): identifica la colonna di fumo che sale sopra il fuoco fino ad entrare nello stato di fumo soprastante;

- Irraggiamento: una quota parte dell'energia prodotta dall'incendio (in genere circa il 30%) viene trasmessa all'ambiente circostante per irraggiamento;

- Y: altezza di risalita del fumo, dalla base delle fiamme alla base dello strato di fumo;

- Volume superiore: volume superiore del locale invaso dai fumi;

- Volume inferiore: volume non ancora saturato dai fumi;

- Layer: superficie, considerata convenzionalmente piana, che separa il volume superiore invaso dai fumi dal volume inferiore;

- h : altezza della cortina fissa o mobile utilizzata per delimitare, all'interno di un comparti- mento, più serbatoi a soffitto per il contenimento dei fumi (volume superiore);

- Profilo del soffitto: l'andamento del profilo del soffitto nel locale sede dell'incendio e gli eventuali collegamenti con i locali adiacenti sono aspetti da considerare per valutare le effettive modalità di propagazione dei fumi;

- STC: Aperture per l’ingresso dell’aria;

- SUT: Aperture per la fuoriuscita dei fumi;

- Qout : rappresenta la portata degli estrattori meccanici;

- Qin : la portata in immissione nei sistemi forzati.

 

Tutti questi parametri, alcuni dei quali sono di seguito approfonditi, incidono direttamente sulla quantità, qualità e temperatura del fumo prodotto dall’incendio.

La quantità di fumo prodotta dall’incendio ed immessa nel “plume” (o pennacchio) è il parametro principale da determinare. Questo valore non è sufficiente da solo per completare la progettazione di un Sistema di Controllo del Fumo, ma è il primo valore a cui fare riferimento per definire l’ordine di grandezza del problema.

Ci sono molti metodi per calcolare la quantità di fumo prodotta dall’incendio.

Alcuni autori negli anni passati, sulla base di sperimentazioni in scala reale, hanno elaborato degli algoritmi, più o meno complessi, per risolvere il problema. Questi algoritmi hanno successivamente rappresentato il riferimento anche per la costruzione dei software di calcolo automatico, sviluppati nel corso degli anni.

Oggi i software rappresentano lo strumento più utilizzato per la progettazione dei sistemi di controllo del fumo.

Alcuni sono di semplice e rapido impiego per problemi specifici, altri risultano più sofisticati e adatti alla soluzione di problemi complessi quali ad esempio la valutazione dell’interazione del fumo con gli impianti sprinkler o con le più diverse condizioni ambientali interne ed esterne.

L’equazione più semplice per stimare la quantità di fumo prodotta da un incendio all’interno di un singolo locale (proposta ad esempio in CEN/TR 12101-5 e in BRE 3688), è la seguente:

Mf = Ce . P . Y 3/2

Dove:

Mf è la quantità di fumo prodotta [kg/s];

Cè un coefficiente che dipende dalle caratteristiche del locale in cui si sviluppa l’incendio e che può assumere i seguenti valori:

» C = 0,19 per ambienti di grande superficie, come auditorium, stadi, atri, dove il soffitto è ben al di sopra del fuoco;

» C = 0,21 per ambienti di grande superficie, come uffici open space, nei quali il soffitto è vicino al fuoco;

» C = 0,34 per piccoli ambienti come negozi, uffici unità cellulari, camere d'albergo (prima del flashover), con aperture di ventilazione prevalentemente su un lato dell’ambiente (ad esempio una finestra dell'ufficio su una sola parete). Così la maggior parte delle piccole stanze avranno questo valore;

» C = 0,38 costituisce un caso di semplificazione specifica per centri commerciali monopiano con mall i cui soffitti non sono troppo alti rispetto alle aperture dei negozi che si affacciano in essa;

P è il perimetro dell’incendio [m];
Y è l’altezza dalla base dell’incendio all’inizio dello strato di fumo a soffitto (altezza di salita dei fumi) [m].

L’importanza dell’equazione 1 per il settore di applicazione è talmente grande che, talvolta, è stata paragonata alla ben più nota equazione di Einstein E=MC2.

L’equazione 1 è applicabile alle colonne di fumo che si sviluppano al di sopra di fuochi grandi “large fire” e nel caso di più frequente utilizzo, rappresentato da fuochi per i quali il valore della grandezza Y, cioè dell’altezza di salita dei fumi all’interno del plume [m] è proporzionale all’area del fuoco Af secondo la relazione seguente:

formula2

Questa equazione mette in evidenza un concetto fondamentale: la quantità di fumo prodotto dall’incendio dipende principalmente dall’area dell’incendio e, in particolare, dal perimetro dello stesso. Le dimensioni, o meglio, la volumetria del locale in cui si sviluppa l’incendio, non incide direttamente sulla quantità di fumo prodotta per cui non ha senso fare riferimento ai volumi/ora di ricambio d’aria per l’evacuazione del fumo e del calore, come a volte si tende a fare anche in alcune normative, a meno che il valore indicato non rappresenti un riferimento pratico proposto come sintesi di studi precedenti effettuati nell’ambito di uno specifico campo di applicazione (ad esempio per le autorimesse).

La formazione del plume è fortemente influenzata dalle caratteristiche dell’ambiente e dalla posizione di inizio dell’incendio in relazione ad altre grandezze quali l’altezza del locale e di conseguenza la risalita del fumo (che incide in maniera esponenziale) e le dimensioni del locale rispetto a quelle dell’incendio.

Standard NFPA 92b

Lo standard statunitense NFPA 92b propone una equazione diversa ma che sostanzialmente riprende gli stessi parametri e gli stessi concetti dell'equazione 1 già vista. Introduce inoltre altre tipologie di plume oltre a quello che si sviluppa verticalmente direttamente sopra alla sede dell’incendio. Di seguito è riportata la traduzione di un estratto significativo del suddetto Standard.

(…omissis…)

“Quando il plume è verticale e si sviluppa senza impedimenti, quindi in maniera simmetrica rispetto al proprio asse verticale di risalita, la quantità di fumo prodotta, espressa in termini di massa [kg/s] è calcolata usando la seguente equazione:

Form3

Form4

Dove:

Zl altezza massima di risalita del fumo [m];

Qc potenza convettiva rilasciata dall’incendio [kW](quota parte della potenza totale, al netto della parte irraggiata) [kW];

z distanza tra la base della fiamma e la superficie inferiore (layer) del volume occupato dal fumo [m];

m quantità in massa del fumo prodotta dall’incendio per una data altezza z [kg/sec].

La parte convettiva della Potenza rilasciata dall’incendio è determinata con l’equazione:

Qc = x . Q

Dove:

x percentuale della Potenza convettiva rispetto a quella totale; (normalmente viene utilizzato il valore 0,7) [adimensionale] rilasciata dal l'incendio;

Q potenza totale rilasciata dall’incendio [kW]”.

Nello Standard NFPA 92b al posto del perimetro P dell’incendio viene considerata la Potenza dell'incendio. Di fatto però i due parametri sono riconducibili allo stesso concetto. La Potenza specifica dell’incendio viene infatti espressa in kW/m2 mentre la Potenza totale dell’incendio (Heat Release Rate, HRR o RHR) si ottiene moltiplicando la Potenza specifica dell’incendio per la superficie che si ritiene potrà essere interessata dalle fiamme. Ci si riconduce dunque all’area e, di conseguenza, al perimetro dell’incendio.

Riassumendo, la quantità di fumo prodotta è proporzionale al perimetro dell’incendio e all’altezza di risalita del plume, mentre la Potenza dell’incendio ha influenza sulla temperatura dei fumi che rappresenta l’altro parametro fondamentale per il dimensionamento di Sistemi di Controllo del Fumo.

I risultati dell’applicazione delle suddette equazioni sono comunque molto simili, con differenze che aumentano al crescere dell’altezza di risalita dei fumi (Y o z).

Per ciò che concerne la determinazione della temperatura dei fumi, è possibile applicare la relazione tratta dagli stessi standard a cui si è fatto riferimento per la potenza:

form5

Dove:

simbolo1 temperatura dei fumi [K];

M quantità dei fumi prodotta [kg/s];

Cp calore specifico dei gas [kJ /(kg*K)].

A partire da queste semplici equazioni, il calcolo della quantità di fumo prodotta varia e si complica al mutare delle possibilità di movimento del fumo stesso.

 

Nel paragrafo successivo si farà riferimento, ad esempio, al caso dell’incendio in un locale che si affaccia in un atrio verso il quale defluiscono i fumi.

Da quanto sopra risulta che per determinare la quantità di fumo prodotto dall’incendio occorre innanzitutto disporre del valore della Potenza totale raggiunta dall’incendio stesso e l’andamento nel tempo di tale parametro.

Questo è infatti il primo ed il più importante dei problemi da risolvere, perché influenzerà tutte le altre valutazioni che saranno fatte sulla base di questa prima e fondamentale determinazione.

Stabilita la Potenza totale raggiunta e, quindi, la potenza specifica dell’incendio (in kW/m2) si potrà valutare sia il perimetro dell’incendio, per calcolare la quantità di fumo prodotta, sia l’energia immessa nei fumi per valutarne la temperatura.

Propagazione fumo incendio in atrii (MALL)

In questo paragrafo si illustra più approfonditamente il caso in cui il fumo generato da un incendio all’interno di un locale si propaga ad una locale adiacente, ad esempio, la mall (atrio) di un centro commerciale, di un albergo o di un ospedale, incontrando una balconata (Balcony Spill Plumes).

La peculiarità di questo fenomeno sta nel fatto che il fumo scaricato nell’atrio incontra il balcone e tende ad allargarsi aumentando il proprio perimetro; conseguentemente la quantità del fumo prodotta cresce notevolmente come mostrato nel fotogramma ricavato da una simulazione FDS di un caso specifico.

simulazione propagazione fumo incendio locale adiacente


Per questa situazione lo Standard NFPA 92b propone, ad esempio, la seguente equazione:

form7

Dove:

m  massa di fumo prodotta[kg/s]; 

Q  potenzarilasciatadalfuoco[kW];

W  larghezza del plum sotto il balcone [m];

Zw  distanza tra la parte inferiore del balcone e lo strato di fumo[m],<15m;

H  altezza del balcone dalla base del fuoco [m].

 

Le figure di riferimento tratte da NFPA sopracitato sono le seguenti:

atrii mall propagazione fumo incendio

 

Lo Standard BRE 368 sviluppa in maniera più articolata lo studio di questo caso, proponendo diverse metodologie di calcolo.

Di seguito si riporta il metodo che usa le equazioni determinate da “Poreh et al” sulla base di una serie di dati sperimentali.

Il procedimento di calcolo si basa su una serie di equazioni che servono per determinare:

  1. la quantità di fumo prodotta dall’incendio all’interno del locale che si affaccia sull’atrio;
  2. lo spessore dello strato di fumo all’interno del locale;
  3. la quantità di fumo prodotta dal “nuovo” plume che si crea a partire dal bordo dell’apertura o del balcone che si affacciano verso l’atrio (“spill edge”).

strato di fumo plume incendio

Con riferimento alle grandezze indicate nella soprastante figura, per determinare la quantità di fumo prodotta all’interno del locale si utilizza la seguente equazione:

fig8

Dove:

m   Quantità di fumo prodotta dall’incendio[kg/s];

W   dimensione dell’apertura[m];

H    altezza dello strato superiore dell’apertura rispetto al pavimento [m];

Cd coefficiente di efficacia di smaltimento per l’apertura;

Ce coefficiente di trascinamento nel modello di incendio generalizzato.

 

Per calcolare la profondità dello strato di fumo si usa la seguente equazione:

fig9

Dove:

Db profondità dello strato di fumo sotto il soffitto o il balcone [m];

Mb massa di fumo presente sotto la copertura o il balcone [kg/s];

Wb larghezza del corridoio a soffitto [m];

Cd è un coefficiente di valore pari a 1 W se non c’è nessun ostacolo a soffitto (senza cortine); 0,6 se ci sono barriere di contenimento laterale del fumo (cortine);

T temperatura dei fumi [K];

T0 temperatura ambiente [K];

temperatura dei fumitemperatura dei fumi nel layer [K].

Infine per calcolare la quantità di fumo che andrà a riempire il serbatoio a soffitto dell’atrio si utilizza la seguente equazione in cui sono presenti i parametri determinati con le precedenti equazioni:

fig10

Dove:

Ml quantità dei fumi entrato nel serbatoio a soffitto della mall all’altazza h [kg/s];

Qc quantità di calore convettivo [kW];

C costante [kgms-1kW-1/3];

hb altezza di risalita del plume, dal balcone allo strato fumo nell’atrio [m];

Db profondità dello strato di fumo sotto il balcone (m);

Mw massa dei fumi sotto il balcone [kg/s].

C è una costante dipendente dall’atrio e dall’ambiente. Per determinarla viene utilizzata l’equazione:

fig11

Dove:

Ccoefficiente di trascinamento adimensionale, sperimentalmente ha valore 0,44 per un plume in campo libero e 0,21 per un plume vincolato ai lati (con cortine di contenimento);

simbolo2 densità dell’aria in ambiente [kg/m3](aria=1,2kg/m3);

W larghezza del plum sotto il balcone [m].

Quello di “Poreh et al” è il metodo più semplice per calcolare la quantità di fumo e può essere considerato efficace dato che è stato ricavato sulla base di sperimentazioni reali.

Ha comunque dei limiti nel suo campo di applicazione e, in particolare, può essere utilizzato per atrii di dimensioni ampie rispetto all’altezza di risalita di fumi e per “Free plumes”, cioè per pennacchi che si distaccano dalla parete dell’atrio e non scorrono lungo la parete verticale (“adhered plume”).

adhered plume free plume incendio

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