Un applicazione della FSE

L'analisi della propagazione dei fumi in un centro commerciale
 

Articolo pubblicato nella rivista ANTINCENDIO 03/19 pagg. 42-60.

Nel presente articolo si riassumono le scelte progettuali e i risultati di calcolo derivanti dalla simulazione di incendio, effettuata attraverso l'utilizzo del codice di calcolo FDS (Fire Dynamics Simulator), finalizzata alla verifica della propagazione dei fumi in un settore di un Centro Commerciale di prossima realizzazione, nell'ipotesi di incendio in uno dei negozi al piano terra affacciati alla "mall".

In particolare, si intende verificare l'efficacia del sistema di evacuazione naturale e forzata di fumo e calore a servizio del compartimento evitando l'installazione di tende tagliafumo in corrispondenza degli accessi alle varie unità commerciali.

Scelta dello scenario di incendio

La prima fase prevista dall'FSE consiste nella determinazione degli scenari di incendio di progetto ovvero quelli realisticamente più gravosi che potrebbero verificarsi. La scelta è stata condotta considerando i seguenti aspetti:

L'UBICAZIONE DELL'INCENDIO Si ritiene che l'incendio al piano terra sia più gravoso in termini di propagazione del fumo in quanto, nel raggiungere gli evacuatori naturali, i fumi potrebbero invadere anche i ballatoi dei piani superiori che si affacciano nella mall, ritardando l'esodo degli occupanti. All'interno del locale preso in considerazione, il fuoco è stato posizionato in prossimità dell'ingresso. Tale situazione è peggiorativa in quanto il fumo si propagherebbe più rapidamente verso la principale via di esodo rappresentata dalla mall stessa.

CARATTERISTICHE GEOMETRICHE A parità di altezza, i compartimenti con superficie inferiore, in caso di incendio, tendono a saturarsi più velocemente.

DISTANZA DAGLI EVACUATORI NATURALI Nello scenario preso in esame si è valutato che il percorso dei fumi attraverso la mall, per raggiungere gli evacuatori naturali posti in sommità, è superiore rispetto ad altre situazioni.

EVACUATORI FORZATI L'incendio è stato ipotizzato nella posizione di maggior distanza dalle griglie di aspirazione dell'impianto di evacuazione forzata a servizio del centro commerciale.

VIE DI ESODO Il negozio ha un'unica via di esodo verso la mall. Il posizionamento dell'incendio nei pressi dell'ingresso dell'unità commerciale, rende più difficoltoso l'esodo degli occupanti.

Valutata la combinazione più gravosa degli aspetti sopra riportati, si è scelto quale scenario di progetto l'incendio all'interno del negozio A03, al piano terra, come riportato nella Figura 1. La simulazione è stata condotta per un tempo pari a 15min, adeguato a verificare che le condizioni ambientali durante la fase di evacuazione siano coerenti con i valori limite imposti dalla Normativa.

Compensazione del rischio incendio 

Modellazione dell'incendio 

L'incendio è simulato assegnando ad una superficie (detta "bruciatore") la proprietà di rilasciare calore in modo controllato in funzione di una curva che indica il rilascio termico nel tempo (HRR Heat Release Rate). Tale curva è definita come input al codice di calcolo ed è, a sua volta, suddivisa in due curve semplificate che rappresentano le fasi principali di sviluppo dell'incendio.

• Fase 1) Propagazione: in tale fase la potenza termica (HRR) varia al variare del tempo con un andamento che, semplificando, può essere rappresentato da una curva ad andamento quadratico del tipo:

HRR (t) = α t²

Dove:

- HRR (kW) è il valore del rilascio termico all'istante di tempo t;

- t (s) è l'istante di tempo;

- α (kW/s²) rappresenta la velocità di crescita dell'incendio, con riferimento al tempo per raggiungere un rilascio termico pari a 1055 kW (1000 btu); tale parametro può assumere quattro diversi valori a seconda della tipologia di materiale coinvolto nell'incendio (Figura 3). 

Per le attività commerciali, il prospetto E.5 dell'Eurocodice 1, UNI 1991-1-2 (richiamato anche dall'all.to alla lettera circ. VV.F. n° DCPST/427 del 31/03/2008), indica di considerare curve di propagazione del tipo "FAST" (Tabella 2).

• Fase 2) Incendio stazionario: si suppone che, all'attivazione dell'impianto sprinkler, il rilascio termico rimanga costante per un tempo pari alla durata del funzionamento; in tal modo si simula il controllo dell'incendio da parte del sistema di protezione attiva.
  

Il tempo di attivazione dell'impianto sprinkler, ipotizzando la tipologia ad umido e l'utilizzo di erogatori con temperatura di attivazione di 68°C, è di circa 180s. A tale istante di tempo, il rilascio termico ottenuto è pari a:

HRR(t₁₈₀) = 0,0444 x 180² = 1440 kW

Approssimando, in via cautelativa, si considera un rilascio di 1500 kW.

Per la descrizione quantitativa dell'incendio si sono utilizzati i parametri riportati al capitolo M.2.7 del Codice che vengono riassunti in Tabella 3.  Nella Figura 4, si riporta la curva di rilascio termico utilizzata nella simulazione, confrontata con quella in assenza dell'impianto sprinkler.

Sistema di evacuazione fumo e calore

Il centro commerciale è servito da un sistema di evacuazione naturale e forzata di fumo e calore.

Sistema di evacuazione naturale di fumo e calore (SENFC)

Il SENFC si compone di 9 evacuatori posizionati nella porzione di tetto vetrato che sovrasta la mall. La funzione è quella di estrarre il fumo che, in caso di incendio, stratifica nella mall a partire dal punto più alto del soffitto.

Sistema di evacuazione forzata di fumo e calore (SEFFC)

Il centro commerciale è servito da un SEFFC finalizzato all'estrazione del fumo eventualmente presente nei negozi.

Nel settore del centro commerciale preso in esame saranno presenti due estrattori con portata minima pari a 27500 m³/h. In ogni unità commerciale saranno presenti più griglie di estrazione opportunamente dislocate.

Sistema di immissione d'aria

Per il corretto funzionamento del sistema di estrazione, è prevista l'immissione dell'aria esterna attraverso un impianto meccanico e l'apertura automatica delle porte scorrevoli principali di ingresso al centro commerciale.

In caso di incendio in un negozio, l'attivazione di due rivelatori di fumo in esso presenti, comporta:

• l'apertura automatica delle porte scorrevoli presenti all'ingresso principale.

• l'attivazione automatica di tutti gli evacuatori naturali della mall.
• l'attivazione della serranda tagliafuoco nella condotta di estrazione del negozio in cui si verifica l'allarme.
• l'attivazione dell'estrattore a servizio del "blocco negozi" in cui si trova l'unità commerciale in allarme.

Le Figure 5 e 6 evidenziano il posizionamento degli evacuatori naturali e delle bocchette di aspirazione utilizzati nella simulazione. 

Risultati

Dall'analisi dei dati in output, si osserva che i rivelatori di fumo nel locale incendiato (A03) si attivano ad un tempo di circa 30s dall'inizio della simulazione. Il doppio consenso dei rivelatori di fumo presenti nel negozio, comanda l'apertura di tutti gli evacuatori naturali della mall e l'attivazione di uno dei due estrattori. L'altezza libera da fumo, misurata dai sensori posizionati come in Figura 2, è mediamente superiore ai 2m (soglia di prestazione limite per gli occupanti) in tutti e tre i piani, come rilevabile dai grafici sottostanti. Tale limite è superato solamente all'interno del negozio A03, dopo circa 5 minuti dall'inizio dell'incendio. 

Analizzando l'andamento puntuale dell'altezza di interfaccia dello strato di fumo, misurato da ciascun sensore, si osserva che:

• Nella mall al piano terra (Figura 11), si può ritenere che il valore limite dell'altezza dello strato libero da fumo, pari a 2m, sia verificato per quasi tutti i punti di misura. Solo il sensore D2, ubicato all'uscita del negozio in cui si verifica l'incendio, rivela il superamento del limite in alcuni istanti di tempo; ciò è sicuramente dovuto alla turbolenza creata dall' " effetto camino" indotto dall'apertura degli evacuatori naturali.

Inoltre, per tutta la durata della simulazione, lo strato di fumo non scende al di sotto di 1,5m (limite imposto per l'accessibilità ai soccorritori).

• Al piano primo (Figura 12), si può osservare che i sensori posizionati nella mall, D12 e D18, registrano la posizione dell'interfaccia inferiore al limite di 2m, dopo un tempo di 6,5 min e comunque mai sotto i 1,5m, valore da garantire per l'intervento dei soccorritori. Tale situazione è imputabile alle turbolenze create nell'intorno del "plume" di fumo in arrivo dal piano terra che parzialmente si allarga nell'attraversare il piano primo.

• Nella mall al piano secondo (Figura 13), le vie di esodo risultano sgombre dal fumo il quale fuoriesce attraverso gli evacuatori naturali. Anche in questo caso, il sensorie D28, verticalmente sovrastante il D8, al piano terra, e il D18, al piano primo, rivela superamenti puntuali del limite di 2m per le stesse motivazioni riportate sopra: il sensore rileva le turbolenze del fumo nel passaggio dal piano primo alla copertura.

• All'interno del negozio in cui si verifica l'incendio, i sensori, distribuiti uniformemente in tutta la lunghezza, rilevano il superamento del limite di 2m ad un tempo medio di circa 5min dall'inizio dell'incendio.

Tenendo conto che il sistema di allarme si attiverà a circa 30-40s dall'inizio dell'evento (coincidente con l'attivazione dei rilevatori di fumo) e che la lunghezza massima di esodo all'interno dell'unità commerciale è di 25-30m, si ritiene che l'esodo in emergenza per raggiungere la mall possa avvenire in sicurezza.

La temperatura rilevata nei percorsi di esodo nei tre piani resta pari (o poco superiore) a quella ambiente per tutto il periodo della simulazione. In corrispondenza del soffitto, la temperatura massima rilevata nei percorsi di esodo è di 90°C, valore raggiunto al piano terra, nelle zone limitrofe al fuoco. L'attivazione dell'impianto di evacuazione fumi agisce quindi positivamente riducendo notevolmente la stratificazione dei gas caldi lungo le vie di esodo. In Figura 15 si riporta l'andamento delle temperature nella mall e nel negozio A03 ad un tempo pari a 5min, 10min e 15min. 

Verifica dell'evacuazione 

Si procede con la verifica dei tempi di evacuazione utilizzando la metodologia riportata al cap. M.3 del Codice.

Il metodo è applicato unicamente per verificare l'esodo dall'interno del negozio A03 alla mall.

La verifica dell'evacuazione si basa sul confronto tra i seguenti parametri:

• ASET (Available Safe Escape Time) ovvero il tempo disponibile per l'evacuazione il quale si ricava dai risultati della simulazione di incendio e, in particolare, rappresenta il tempo oltre il quale sono superati i limiti di sostenibilità ambientale per fumi, gas tossici e/o calore prodotti.
• RSET (Required Safe Escape Time) ovvero il tempo richiesto per l'esodo il quale rappresenta il tempo che impiegano le persone per allontanarsi in sicurezza fino alla mall.

Il sistema di esodo è garantito se ASET è maggiore di RSET di almeno 30s.

Per il calcolo dell'ASET si utilizza il metodo semplificato (ISO/TR 16738:2009) il quale prevede che gli occupanti, nel corso dell'esodo, si muovano in un'aria non inquinata dai prodotti della combustione ("zero exposure"). Tale ipotesi prevede di determinate l'ASET in funzione del tempo di raggiungimento dei valori di soglia dell'altezza dello strato libero di fumi, pari a 2m, e della temperatura media dello strato di fumi caldi, pari a 200°C.

Dai risultati della simulazione, si può osservare che lo strato libero da fumo nel negozio oggetto dell'analisi, scende sotto i 2m ad un tempo pari a circa 5min, valore assunto dall'ASET.

Il tempo RSET è calcolato con la formula seguente: RSET = t_det + t_a + t_pre + t_tra

Nella Tabella 4 è sintetizzato il calcolo dell'RSET e il confronto con l'ASET. Il tempo RSET è inferiore all'ASET pertanto si può ragionevolmente affermare che l'esodo dall'unità commerciale può avvenire in sicurezza.

Conclusioni  

I risultati della simulazione hanno evidenziato che le misure di protezione attiva a servizio del centro commerciale sono adeguate a contenere gli effetti dell'incendio. In particolare, dall'analisi quantitativa dello scenario ipotizzato, si è potuto verificare che l'esodo degli occupanti può avvenire in sicurezza. Gli effetti dell'incendio sono stati limitati sia dall'impianto di estrazione naturale di fumo e calore sia dall'attivazione dello sprinkler il quale, in particolare, ha permesso un fondamentale controllo dell'incendio e, quindi, una riduzione del rilascio termico. L'utilizzo dell'FSE, in questo specifico caso, ha permesso di evitare l'installazione delle tende tagliafumo in corrispondenza degli ingressi delle attività commerciali. Nonostante l'efficacia della combinazione del sistema di evacuazione di fumo e calore meccanico e naturale, ancora una volta, si è appurato che la protezione attiva con impianto automatico di spegnimento sprinkler è fondamentale per il raggiungimento degli obiettivi prefissati.