I modelli di simulazione sono uno degli strumenti più utilizzati nelle valutazioni ingegneristiche. Spesso utilizzati senza la dovuta consapevolezza, dovrebbero invece essere utilizzati entro i loro limiti. Nelle righe che seguono riportiamo alcune indicazioni minime essenziali sui principali tipi di modello.
Modelli a zone
Un modello a zone calcola le condizioni che si determinano nell’ambiente dividendo ogni compartimento in due zone omogenee. Una è quella superiore, dei fumi e gas caldi dove sono presenti i prodotti della combustione. L’altra è la zona inferiore, libera da fumo e più fresca di quella superiore.
Il rapporto di altezza tra le due zone cambia con lo sviluppo dell’incendio.
I modelli a zona stimano in funzione del tempo:
- le temperature (medie) dello strato inferiore e superiore;
- la posizione dell’interfaccia tra le zone;
- la concentrazione di ossigeno;
- la concentrazione di ossido di carbonio;
- la visibilità;
- il flusso in entrata ed in uscita da aperture verso l’esterno o verso altri locali.
Tali informazioni sono essenziali per stimare le condizioni di sostenibilità di un compartimento o per determinare se si può verificare il flashover.
I modelli a zone si applicano sia a ambienti semplici, sia ad ambienti collegati tra loro da aperture.
I dati di input per i modelli a zone variano dal modello e dalle informazioni che si desidera ottenere. Generalmente, in questi modelli i dati di input sono molto più esigui rispetto a quelli richiesti per i modelli di campo. Sono necessari dati sulla geometria del compartimento e sulle dimensioni delle aperture.
La conoscenza delle proprietà termiche delle pareti di confine del compartimento é necessaria per stimare la dispersione del calore attraverso muri, soffitto, solai ecc. . Inoltre, deve essere fornita, tra i dati di input, anche la dimensione del focolaio iniziale.
Tra i modelli a zone si ricordano: CFAST, FASTLite, ASET-B, BRI-2 e BRANZFIRE.
I modelli di campo
I modelli di campo forniscono la stima dell’evoluzione dell’incendio in uno spazio per via numerica, risolvendo le equazioni di conservazione (della massa, dell’energia, della diffusione delle specie ecc.) che risultano da un incendio.
Questo approccio è sviluppato attraverso i metodi delle differenze finite, degli elementi finiti o degli elementi di confine. Come noto, questi metodi sono già stati utilizzati in altri settori dell’ingegeria, in campo civile, meccanico ecc.
I modelli di campo, quindi, dividono uno spazio in un numero elevato di elementi e risolvono le equazioni di conservazione all’interno di ciascuno di essi.
Maggiore il numero di elementi, più dettagliata sarà la soluzione. I risultati sono tridimesionali e, se comparati con i modelli di a zone, molto più dettagliati.
I modelli di campo generano stime dettagliate degli effetti dell’ambiente del compartimento interessato dall’incendio, ma richiedono molto tempo di calcolo , mentre alcun effetti possono essere trattati solo in modo semplificato.
Per molte applicazioni, inoltre, non è necessario un livello di dettaglio cosi’ spinto.
I modelli di campo si sono rivelati utili in caso di investigazione dell’incendio o nella ricerca, e sono necessari quando gli altri modelli forniscono soluzioni eccessivamente conservative.
Così come per i modelli a zone, i modelli di campo richiedono la descrizione del compartimento e delle aperture, ma in realtà permettono di simulare anche spazi non compartimentati, come i plume (cioé ilpennacchio di fiamme e gas caldi che si eleva dalla regione di combustione) ed i camini.
Si deve specificare il valore dell’RHR (rate of heat release - velocità del rilascio termico), che tali modelli non modificano al diminuire del livello di ossigeno.
Per questo motivo si deve verificare che l’RHR sia compatibile con l’ossigeno presente nell’ambiente. Attraverso le proprietà dei materiali di interfaccia, inoltre, si valuta la quantità di dispersione termica.
Tra i modelli di campo si ricordano: JASMINE, FLOW3D, PHENICS, SOFIE e LES3D.
I modelli post flashover
I modelli post flashover calcolano la curva tempo-temperatura di un ambiente risolvendo le equazioni su energia, massa e specie.
Anche se non sono utili per la stima della sicurezza delle persone (quando si verifica il flash over le condizioni sono da parecchio tempo insostenibili) questi modelli sono utili per stimare l’esposizione termica delle strutture con un determinato carico di incendio e permettono di valutare la possibilità di crollo della struttura o di propagazione ad altri compartimenti.
I dati di input per questi modelli possono essere vasti. Oltre alle caratteristiche del compartimento e della ventilazione, sono necessarie le caratteristiche del combustibile, l’efficienza nella combustione e la quantità di combustibile disponibile.
Un modello post flashover è COMPF.
Modelli multifunzione
Questi modelli includono un modello di incendio di compartimento e sono utili in quanto permettono di ottenere una prima stima approssimata degli aspetti da analizzare. Le routine presentano anche i flussi di ventilazione, il calore irraggiato degli oggetti, il funzionamento degli sprinkler, il tempo di esodo e la dimensione del plume.
Un altro tipo di modello è quello di propagazione della fiamma, che usa la proprietà dei materiali desunte da test a piccola scala per stimare la propagazione su differenti titpi di sperficie.
Uno dei limiti di questi modelli consiste nel fatto che le geometrie disponibili sono limitate a pochi casi specifici, come il soffitto o il muro verticale. Essi sono usati essenzialmente nella ricerca ma permettono di generare l’andamento di RHR in modo molto realistico.
Normalmente questi modelli richiedono le proprietà termiche dei materiali superficiali, le temperature di innesco ed il parametro di propagazione laterale della fiamma. Alcuni modelli dividono le superfici in aree più piccole in cui simulare i processi di combustione. Al momento non esistono versioni commerciali di questi modelli.
I modelli di combustione simulano la fiamma e la pirolisi dei materiali e sono limitati a configurazioni semplici e non descrivono lo strato di fumi. Essi approssimano i fenomeni della combustione a livello chimico e possono modellare la cinetica chimica e le reazioni. Sono quindi strumenti di ricerca e non sono disponibili versioni commerciali.
Esistono modelli che permettono di prevedere la rottura dei vetri in un ambiente, evento importante perché in molti tipi di simulazione dell’incendio le condizioni di combustione cambiano drasticamente quando varia la superficie di ventilazione. Questi modelli usano una combinazione di equazioni di trasferimento del calore e di stress termico.
Altri modelli simulano l’evoluzione delle faville prodotte in un incendio, e cioè di quelle parti di materiale combustibile che si staccano dalla massa in combustione e sono poi trasportate dal plume verso l’alto. Le faville possono costituire innesco per altri incendi, soprattutto verso l’esterno. I modelli che trattao le faville sono una combinazione di modellazione della dinamica del plume e della combustione. Il modello della combustione è utilizzato per calcolare la dimensione della favilla durante il percorso. L’approccio di solito è empirico e semplificato: la dinamica del plume è usata per calcolare la direzione delle forze ascensionali agenti sulla favilla. La traiettoria e la distanza massima di percorso sono determinate usando l’equilibrio delle forze.
I limiti dei modelli
E’ chiaro che, come in tutte le altre possibili simulazioni di fenomeni reali, nell’uso dei modelli si devono accettare delle limitazioni. Alcune di queste sono state illustrate nei singoli casi descritti. In generale, però, un modello è limitato intrinsecamente per il fatto che è basato su alcune assunzioni, necessarie per la procedura di calcolo. Alcuni sono delle approssimazioni molto semplicie non permettono di dedurre risultati se applicati a casi complessi.
Esiste, pertanto, il rischio di abituarsi ad usare i modelli al di là della sua capacità. Per esempio, usare un modello di simulazione dell’incendio progettato per una stanza, per calcolare le condizioni all’interno di un vano ascensore. Il modello presumibilmente presenterà alcuni risultati, ma le equazioni che li avranno prodotti non sono adatte al caso del vano verticale. Per questo, si deve sempre attentamente analizzare il campo di applicazione del modello prima di utilizzarlo.
Tags: FSE, mini corsi, modelli di simulazione