La descrizione qualitativa della dinamica di un incendio effettuata nel capitolo precedente può essere tradotta in termini quantitativi assumendo come riferimen-to l’heat release rate o rateo di rilascio di energia (indicariferimen-to con HRR o ˙Q), che dal punto di vista fisico rappresenta la potenza termica rilasciata dall’incendio.
6.2.1 Heat release rate
L’HRR è la grandezza che meglio esprime la pericolosità posta dall’incendio di un generico oggetto combustibile o da un insieme di oggetti e consente di descrivere la gravosità delle condizioni che l’incendio determina nella cella in cui si sviluppa (Babrauskas e Peacock 1992; Quintiere 1998). L’HRR, infatti, è in relazione con i più importanti fenomeni che caratterizzano l’evoluzione di un incendio: la propagazione del fuoco ad altri oggetti per effetto dell’irraggiamento dalle fiamme, le caratteristiche del plume e dell’hot gas layer e l’instaurarsi del flashover in un locale.
Valutare l’HRR di un incendio in pratica significa valutarne la grandezza in termini quantitativi (Babrauskas e Peacock 1992).
6.2. Dinamica dell’incendio
Figura 6.1: Curve HRR sperimentali per diverse tipologie di materassi (Sundstrm 1996).
A partire dall’HRR, infatti, possono essere stimate le condizioni ambientali causate da un incendio all’interno di una generica cella, tra queste la stima delle temperature dello strato caldo, detta Hot Gas Layer Temperature (HGLT) è di fondamentale importanza, infatti ha un effetto diretto sulla sicurezza delle persone e sulla capacità portante delle strutture. La stima di HGLT è anche necessaria per la previsione del feedback termico verso altro materiale combustibile presente e quindi la previsione della propagazione dell’incendio a oggetti remoti rispetto a quello da cui origina l’incendio.
Da un punto di vista teorico l’HRR può essere calcolato come prodotto del burning rate o flusso di massa del combustibile che brucia ˙mf uel (kg/s) per il potere calorifico ∆Hef f (kJ/kg) dello stesso materiale (Karlsson e Quintiere 2000):
HRR = ˙mf uel· ∆Hef f (6.1)
L’HRR di uno specifico oggetto o materiale o di un gruppo di oggetti può essere determinato direttamente attraverso vari tipi di prove sperimentali, si vedano ad esempio Babrauskas (2016a) e Janssens (2016).
Numerosi studi sono stati finalizzati alla definizione dell’HRR per i materiali più comuni presenti in attività civili come sedie, cuscini, materassi, tessuti vari, apparecchi e componenti elettrici, computer, elettrodomestici, postazioni di lavoro, ecc. (si vedano ad esempio Babrauskas (2016a), Kim e Lilley (2000), NFPA 92b (2009) e Sardqvist (1993)).
In generale, nelle curve HRR sperimentali si possono individuare le fasi caratterizzanti l’evoluzione dell’incendio: una fase di crescita, seguita da una di decrescita e tra queste un picco o una fase con andamento più o meno costante come mostrato in Figura 6.1.
Gli HRR ottenuti sperimentalmente possono essere adottati come riferimento per la stima dell’HRR di altri oggetti dalle caratteristiche simili presenti nello
6. Caratterizzazione delle situazioni avverse attraverso gli scenari di avversità potenziale
Tabella 6.2: Valori del growth factor α e classificazione della velocità di crescita dal fuoco (Karlsson e Quintiere 2000).
Velocità di crescita α
Lenta o Slow (S) 0.003
Media o Medium (M) 0.012
Rapida o Fast (F) 0.047
Ultra-rapida o Ultra-fast (UF) 0.188
specifico contesto da valutare (Anderson e Ezekoye 2014; Babrauskas 2016a; Karlsson e Quintiere 2000).
In molti casi tuttavia questo approccio può non essere adeguato sia per la mancanza di dati a disposizione in letteratura, in questi casi è più utile fare riferimento a curve HRR convenzionali.
Le curve HRR convenzionali sono costruite a partire da una schematizzazione delle curve HRR sperimentali.
Le curve HRR sperimentali della maggior parte dei materiali mostrano come alla fase di ignizione segua una fase di crescita caratterizzata da incrementi di HRR più o meno accentuati nel tempo in funzione delle caratteristiche dei materiali combustibili, della loro forma, superficie esposta e orientamento (Karlsson e Quintiere 2000)). In questa fase la crescita del fuoco generalmente segue un andamento parabolico e viene comunemente semplificata adottando i cosiddetti fuochi "t quadro" o "t squared fires". In base a questo modello, l’HRR varia secondo l’equazione:
HRR = α · t2 (6.2)
Dove α rappresenta il growth factor del fuoco (kW/s2) e t il tempo trascorso dall’ignizione (s). Il coefficiente α individua quattro classi di fuochi come indicato in Tabella 6.2.
La durata della fase di crescita può essere stimata con l’equazione:
tmax=r HRRmax
α (6.3)
Il valore massimo dell’HRRmax dipende oltre che dalle caratteristiche del-l’oggetto o degli oggetti combustibili in termini di tipologia di materiale e dalla superficie esposta, anche dalle caratteristiche della cella in cui l’incendio si svilup-pa, infatti l’HRR dell’oggetto può essere tale da causare il flashover e l’instaurarsi di condizioni di incendio pienamente sviluppato all’interno della cella. In termini generali si può quindi scrivere:
HRRmax= min (HRRmaxvent; HRRp) (6.4) Dove HRRp rappresenta l’HRR massimo proprio dell’oggetto o del gruppo di oggetti considerati e HRRmaxvent rappresenta l’HRR massimo in funzione delle condizioni di ventilazione. Metodi per stimare HRRp verranno presentati nel prossimo capitolo, mentre HRRmaxvent può essere determinato attraverso la relazione:
HRRmaxvent= ˙mO2· ∆Hc,O2 (6.5) 53
6.2. Dinamica dell’incendio
Figura 6.2: Esempio di curva HRR convenzionale.
Dove ˙mO2 = 0.23 · ˙mairè il flusso di ossigeno che entra nella cella ipotizzando che la sua concentrazione in aria sia pari al 23% (Karlsson e Quintiere 2000) e
˙
mair = 0.5 · A0√
H0è il flusso d’aria in ingresso nella cella attraverso le aperture (Kawagoe 1958). ∆Hc,O2 ∼= 13200 MJ/kg(O2)è l’energia rilasciata per ogni
chilo-grammo di ossigeno consumato (Tewarson 2002) il quale è approssimativamente costante per tutti i materiali. Da qui si ottiene:
HRRmaxvent= 1518 · A0pH0 (6.6) La durata di questa fase è legata alla quantità di materiale combustibile presente. ISO/TR 13387-2 (1999) indica che la fase di decrescita ha inizio quando viene raggiunta la soglia dell’80% dell’energia totale Etot:
tdecay= tmax+0.80 · Etot−13· α · t3max
HRRmax (6.7)
Dove tdecay rappresenta l’istante in cui inizia la fase di decrescita, 1
3· α · t3max
è l’energia prodotta durante la fase di crescita del fuoco. Segue la fase di decadimento e spegnimento caratterizzata da una riduzione dei valori di HRR nel tempo, la quale viene in genere schematizzata con un andamento lineare ISO/TR 13387-2 (1999). Il tempo trascorso il quale l’incendio si estingue e la potenza termica rilasciata si annulla, viene calcolato considerando che nella fase di decadimento viene consumato il restante 20% dell’energia termica inizialmente disponibile:
ttot= tdecay+ 2 ·0.20 · EHRR tot
max
(6.8) La schematizzazione così introdotta porta a definire curve HRR convenzionali (Figura 6.2) che possono essere utilizzate ai fini del metodo proposto.
In generale è possibile determinare la velocità di crescita di un incendio e il picco di HRR a partire dalla destinazione d’uso del locale (NFPA 92b 2009; UNI EN 1991-1-2 2004).
6. Caratterizzazione delle situazioni avverse attraverso gli scenari di avversità potenziale Tale approccio può essere utile ai fini della progettazione della sicurezza in caso di incendio per nuove attività, dove le caratteristiche del contenuto combustibile non sono note a priori o sono note solo indicativamente.
Tuttavia, poiché lo scopo del metodo INSPECT è quello di valutare l’esistente per caratterizzarne l’effettiva pericolosità in caso di incendio, questo approccio non è adottabile in quanto non consente di fare riferimento alle specifiche caratteristiche riscontrate, quanto piuttosto a caratteristiche medie proprie della destinazione d’uso.
Questo aspetto fa nascere l’esigenza di identificare i criteri che consentono di stimare la velocità di crescita dell’incendio espressa attraverso il growth factor e il picco di HRR, a partire dagli elementi che si possono raccogliere attraverso una ispezione visiva dell’attività.