Programma di ricerca Promesis (prima parte)

Premessa

Durante gli incendi al chiuso gli edifici limitano gli scambi tra i compartimenti dove si sta sviluppando l’incendio e l’ambiente circostante. A causa di questo si vengono a creare, tra le altre cose, due fenomeni:

  1. Produzione di grandi quantità di fumi dovuti alla combustione ma anche dalla degradazione termica dei combustibili;
  2. Scarso scambio termico con l’esterno.

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1. Il fumo è un insieme complesso composto da una quantità variabile di gas, vapori e composti solidi incombusti del combustibile. Esso tende a muoversi all’interno delle strutture seguendo le leggi della fisica (1: causa la minore densità un fluido caldo va verso l’alto, 2: causa della pressione che tende ad equilibrarsi). All’interno di un compartimento  vi rimane intrappolato creando quindi una situazione instabile. Il fumo è un pericoloso propagatore dell’incendio e deve essere trattato come un elemento estremamente pericoloso.

2. A causa dello scarso scambio termico con l’esterno vi è un innalzamento dell’energia “potenziale” all’interno del compartimento.

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Programma di ricerca

Sulla base delle considerazioni in premessa e in una  prospettiva di progresso e di miglioramento della lotta all’incendio, l’Agenzia nazionale Francese per l’energia atomica CEA, e la ditta Gimaex hanno sviluppato in partnership un programma di ricerca per la studio dei metodi di spegnimento in compartimenti chiusi il cui nome è PROMESIS.  PROMESIS è un acronimo che sta per: Programme de Recherche sur l’Optimisation des Moyens Extincteurs pour la Suppression des Incendies en Structures  (programma di ricerca per lo studio dei mezzi estinguenti più idonei per gli incendi al chiuso).

Il programma di ricerca è stato sviluppato per avere ricadute positive per quanto riguarda la sicurezza degli operatori sia all’interno di impianti industriali che per quanto riguarda l’incendio civile, che con il passare del tempo, causa il miglioramento delle tecniche costruttive,  si avvicina sempre più ad un incendio di compartimento chiuso. Su queste basi, nel settembre del 2007,  nasceva il progetto di ricerca PROMESIS. La sede venne stabilita a Rouanne.

I partners

Nel corso dei primi incontri informativi ci si rese conto che un progetto di questa portata non era mai stato sviluppato nel passato. Grazie alle molteplici possibilità possedute dalla struttura sviluppata per le ricerche, venne stabilito di monitorare anche le condizioni di lavoro degli operatori durante le operazioni di spegnimento. I partners principali vennero ricercati tra i produttori leader del settore, centri di ricerca universitari,  e vigili del fuoco professionisti.

La definizione dei test

La struttura del campo prove e la definizione dei parametri ritenuti interessanti sono stati definiti di comune accordo dagli attori principali. Il layout del sistema è stato pensato in maniera tale da poter essere implementato e modificato in base all’esperienza che si andava maturando.

Il simulatore S.E.R.A.F.IN 

Campo prove SERAFIN. Al fine di rendere riproducibili gli esperimenti è stata posta molta attenzione nello sviluppo dello strato isolante delle pareti dei container.

Campo prove SERAFIN. Al fine di rendere riproducibili gli esperimenti è stata posta molta attenzione nello sviluppo dello strato isolante delle pareti dei container.

SERAFIN è un acronimo che sta per: Structure d’Etude, de Recherche et d’Attaque sur Feux Instrumentés  (simulatore per lo studio e la ricerca sulle operazioni di attacco all’incendio).

Il simulatore è una combinazione di container di tipo marino di varie dimensioni collegati uno all’altro per formare una struttura complessa. Il tetto di un container da 40′ (12 m) è stato rimosso per una lunghezza di 6 m. Un container  da 20′, a cui precedentemente era stato tolto il pavimento, è stato posizionato al di sopra dell’apertura creatasi in precedenza. È stato così predisposto uno spazio alto 5 m, all’interno del quale  durante i test si ottiene l’accumulo di grandi quantità di gas di combustione. Questi gas spostandosi verso il soffitto e successivamente  muovendosi in direzione della porta posteriore del container inferiore, creano delle condizioni limite per gli operatori. La camera di combustione è posta in un ulteriore container posizionato trasversalmente rispetto ai primi due. Per ragioni di sicurezza il terzo container è posizionato su dei supporti che lo tengono sollevato di circa mezzo metro rispetto al container inferiore.

I gas di combustione si muovono attraverso un’apertura che mette in comunicazione la camera di combustione con il container superiore. Grazie a questo è possibile avere un incendio protetto che non sarà raggiunto direttamente dai getti e potrà essere utilizzato durante l’intero sviluppo della prova. Gli operatori saranno così a contatto con i soli gas sviluppati dall’incendio e non con il combustibile che lo ha originato.

serafin 2Una grande apertura nel tetto controllata da remoto permette una ventilazione immediata in caso di emergenza all’interno del container dove operano gli addetti. Alcuni flaps montati lateralmente permettono la regolazione dell’altezza dei livelli dei gas garantendo l’esatta riproducibilità dei test. Uno speciale strato isolante, appositamente studiato, garantisce un minimo dispendio di calore verso l’esterno attraverso le pareti dei container.

Grazie al layout del sistema è possibile riprodurre fino a 30 scenari incidentali possibili.

Grazie al layout del sistema è possibile riprodurre fino a 30 scenari incidentali possibili.

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Strumenti di misurazione e punti di osservazione

SERAFIN è stato dotato di 225 termocoppie in grado di documentare la temperatura esatta. In prossimità del pavimento sono stati posizionati tre flussimetri. Grazie a questi è possibile registrare i movimenti dei gas all’interno dei container. Sono stati inoltre installati strumenti in grado di registrare umidità e pressione nonché  immagini video e termografiche.

Disposizione sensori.La particolare e capillare disposizione permette di rilevare i dati in 3D.

Disposizione dei sensori.La particolare e capillare disposizione permette di rilevare i dati in 3D.

Svolgimento dei test.

Il fuoco

Per ogni test è stato utilizzato un focolare standard generante un energia di 4 MW. Il combustibile è composto da pallets di legno. La scelta è ricaduta sui pallets in quanto vi sono molte prove documentate con questo combustibile. Il peso e l’umidità del combustibile è il medesimo per ogni prova.

carico d'incendio

I gas di combustione

La dinamica dei gas di combustione è mantenuta simile per tutte le prove grazie al fatto che i parametri sono costanti (potere calorifico del combustibile, scambio di calore con l’esterno e flussi governabili all’interno del container). Il gas accumulato nella parte superiore del container più alto sarà utilizzato come riserva e permetterà di verificare gli effetti estinguenti dei getti effettuati anche da distanze maggiori. Grazie ai parametri misurati istantaneamente sarà possibile determinare quale l’agente estinguente più efficace.

Gli agenti estinguenti

Saranno testati i seguenti agenti estinguenti:

  • Acqua, portata 500 l/min, media pressione;
  • Acqua, portata 150 l/min, media pressione;
  • Acqua, portata 50 l/min, media pressione;
  • polveri speciali;
  • acqua e schiumogeno classe A;
  • sistemi CAFS;
  • sistemi acqua alta pressione;
  • sistemi definiti come “cutting extinguisher”.

Le tattiche d’attacco all’incendio

I team d’attacco (in seguito definiti Oscar) utilizzano le metodologie d’attacco conosciute dagli operatori e comunque in accordo con le direttive dei produttori del sistema estinguente in uso.

Parametri monitorati concernenti il processo d’estinzione

Sono esaminati e documentati i seguenti parametri:

  • capacità di raffreddamento dei vari agenti estinguenti;
  • quantità utilizzata dell’agente estinguente in uso;
  • quantità degli eventuali additivi;
  • quantità dell’eventuale acqua residua sul pavimento;
  • sequenza delle temperature all’interno della struttura durante lo spegnimento;
  • variazioni di pressione all’interno del Serafin;
  • condizioni  metereologiche;
  • tempistica delle prove, inizio durata e fine;
  • efficacia delle tecniche d’attacco;
  • maneggevolezza ed ergonomia dei vari sistemi estinguenti utilizzati.

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Team per l’attacco all’incendio (Oscar)

Biometria

Diverse sonde di misura sono posizionate sugli operatori in intervento. Esse sono in grado di misurare lo stress fisico durante le operazioni di spegnimento. Gli operatori saranno sotto stretta sorveglianza medica. I risultati saranno parte integrante della pubblicazione scientifica che verrà prodotta a fine delle campagne di ricerca.

L’obbiettivo dei test è di raggiungere dei risultati che siano conseguibili non solo da membri di squadre super specializzate, ma anche da vigili del fuoco operativi con idonea formazione. Per soddisfare tale scopo i team d’attacco sono composti da vigili del fuoco e da ricercatori operanti nel campo dell’antincendio. Tutti gli operatori sono stati formati in Lussemburgo in maniera da raggiungere tutti il medesimo livello di preparazione. Il Lussemburgo è stato scelto grazie alla sua posizione geografica e per la diffusione dei sistemi di spegnimento CAFS e ad alta pressione. L’istruttore nelle tecniche di attacco con alta pressione è  Paul Grimwood (istruttore di fama mondiale e autore di alcuni best seller nell’ambito dell’antincendio). La formazione per i sistemi CAFS è stata tenuta dagli istruttori dell’East Sussex Fire & Rescue Service.  Un’importante caratteristica che contraddistingue i membri delle squadre d’attacco è che devono essere in grado di scoprire, osservare e interpretare i fatti che emergono durante le prove.

Finalità e scopi del programma PROMESIS

Lo scopo è quello di documentare il comportamento degli agenti estinguenti utilizzati e delle tattiche messe in atto, durante il raffreddamento dei gas caldi nelle fasi precedenti un flashover. Le ricadute pratiche delle ricerche possono essere sommariamente elencate:

  • determinare quale agente estinguente è più efficace in questa tipologia di incendi;
  • determinare quale metodo d’attacco all’incendio è più conservativo per quanto riguarda la sicurezza degli operatori;
  • affinare  le tecniche d’attacco e le metodologie di spegnimento;
  • definizione di nuove linee guida.

Finanziamento.

I costi notevoli del programma di sviluppo sono sostenuti dai singoli partner e dall’OSEO. OSEO è un ente pubblico francese che sostiene e assicura i finanziamenti alle aziende che sono disposte ad investire in ricerca.

Pubblicazione dei risultati.

I risultati saranno resi pubblici tramite l’ENSOSP.  ENSOSP è un istituzione neutrale riconosciuta per la sua grande esperienza e capacità pedagogica. Questo permette di garantire la massima diffusione dei dati, in maniera tale che il maggior numero possibile di addetti ai lavori possa trarre vantaggio dai risultati conseguiti.

Genesi del progetto

Le centrali nucleari sono degli ambienti che devono, per quanto possibile, essere isolati dall’esterno. Questa compartimentazione estrema è garanzia di protezione dell’ambiente circostante in caso di problemi (fuga di materiale contaminato) che si dovessero verificare all’interno dell’impianto. La protezione è affidata a spessori di muratura notevoli per quanto riguarda la possibile emissione di raggi gamma del combustibile nucleare e da filtri posti sugli impianti di trattamento dell’aria, per la protezione da possibili dispersioni di aeriformi contaminati.

In caso d’incendio in questa tipologia di strutture si presentano delle problematiche di difficile soluzione:

  • la sicurezza degli operatori. Se fosse possibile intervenire con impianti fissi o dall’esterno del compartimento essa aumenterebbe in maniera esponenziale;
  • l’acqua usata per lo spegnimento deve essere raccolta e non dispersa nell’ambiente per evitare possibili contaminazioni;
  • l’incendio è quasi sicuramente regolato dal comburente dal momento che siamo in compartimenti chiusi;
  • le pressioni, positive o negative, legate all’incendio e allo spegnimento mettono in crisi l’impianto di trattamento dell’aria.

In virtù di queste considerazione, l’ente per l’energia atomica francese ha deciso di sviluppare un progetto di ricerca volto ad individuare il miglior agente estinguente, per interventi in caso di incendi regolati dal comburente nei propri impianti nucleari. Il progetto iniziale si è prefisso due obbiettivi iniziali:

  1. la salvaguardia degli operatori in questa tipologia di interventi;
  2. impianti stazionari d’estinzione.

In seguito all’individuazione dei partner e al via della fase operativa si decise di concentrarsi inizialmente sul punto 1 (la salvaguardia degli operatori in questa tipologia di interventi).

Problematiche riscontrate negli incendi in impianti nucleari

loss of pressure

Variazione di pressione:

  • i locali sono isolati e chiusi;
  • le pareti sono resistenti al fuoco;
  • la ventilazione è assente;
  • un aumento della temperatura si traduce in un aumento di pressione.

Una completa chiusura del locale porta ad un aumento della pressione sulle pareti e alla perdita del confinamento.

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rischio riaccensione1Rischio elevato di riaccensione. Dal momento che l’ossigeno disponibile è limitato dalla scarsa ventilazione vi è una combustione incompleta con conseguente produzione di gas caldi infiammabili. La riaccensione può avvenire come conseguenza dell’apertura di una porta nel punto dove vi è una corretta diluizione dei gas.

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equipment function limitLimiti di funzionamento dell’equipaggiamento.
In un compartimento non è sempre possibile separare il materiale combustibile dai presidi di sicurezza. Anche se non sono direttamente coinvolti dalle fiamme essi soffrono a causa degli effetti indiretti di:
•    temperatura;
•    calore radiante;
•    prodotti incombusti.

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radioactive materials

Materiale contaminato radioattivo che potrebbe essere spinto all’esterno.

I moti convettivi del fumo possono disperdere nell’ambiente del materiale contaminato. Una parte di esso ricadrà al suolo la restante entrerà nell’impianto di condizionamento e filtraggio dell’aria. Un’azione di spegnimento errata può  creare delle falle nel sistema di filtraggio dell’aria.

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risk of water

Rischio di incidenti rilevanti in caso di uso dell’acqua . L’introduzione di acqua in determinati compartimenti potrebbe modificarne le condizioni di equilibrio, il combustibile nucleare potrebbe avere reazioni incontrollate dando inizio ad una reazione a catena.

L’esigenza: identificare dei sistemi estinguenti che limitino l’uso dell’acqua.

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loss of confinement

L’intervento diretto nei compartimenti comporta la perdita del confinamento. La necessità di aprire delle porte per poter intervenire all’interno è causa della perdita dell’isolamento dall’esterno del compartimento.

L’esigenza: identificare dei sistemi estinguenti in grado di permettere l’intervento dall’esterno.

Problematiche riscontrate nell’incendio civile

Alcune problematiche riscontrate negli impianti nucleari  si possono trovare anche negli incendi civili:

  • l’isolamento realizzato per il risparmio energetico che permette un bassissimo scambio termico verso l’esterno in caso d’incendio;
  • i materiali che sono all’interno delle abitazioni e che si decompongono molto facilmente sotto l’effetto delle temperature;
  • le aperture, porte e finestre, hanno una resistenza maggiore alla temperatura rispetto al passato;
  • con incendi sottoventilati vi è un ingente produzione di gas infiammabili;
  • vi è l’obbligo di limitare l’uso dell’acqua al fine di non aumentare i danni collaterali.

Quali dati si possono ricavare dalle prove strumentali?

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In questo grafico è riportata la temp media di tutti i sensori. La procedura ha inizio quando la temperatura ha raggiunto circa 300 °C.

In questo grafico è riportata la temperatura media di tutti i sensori. La procedura ha inizio quando la temperatura ha raggiunto circa 300 °C.

Durante i test molti colpi di lancia vengono effettuati in direzione degli strati di gas combustibili. Dopo ogni impulso vengono registrate le variazioni di temperatura.

Durante i tests molti colpi di lancia vengono effettuati all’interno dei gas combustibili. Dopo ogni impulso vengono registrate le variazioni di temperatura.

Pressione. Per ogni impulso vengono rilevate le variazioni di pressione all’interno del compartimento.

Pressione. Per ogni impulso vengono rilevate le variazioni di pressione all’interno del compartimento.

Angolo di apertura delle porte.  Per ogni prova l’angolo di apertura della porta è monitorato. Inoltre viene registrata anche la posizione nel locale e il tempo di permanenza dei team d’attacco.

Angolo di apertura delle porte. Per ogni prova l’angolo di apertura della porta è monitorato. Inoltre viene registrata anche la posizione al’interno del locale e il tempo di permanenza dei team d’attacco.

Flussi di calore.  Due sensori misuranti il flusso di energia, posizionati nella parte bassa della struttura, mostrano l’evoluzione del flusso nel corso dei test. Sono posizionati in maniera tale da non poter essere colpiti direttamente dagli agenti estinguenti.

Flussi di calore. Due sensori misuranti il flusso di energia, posizionati nella parte bassa della struttura, mostrano l’evoluzione del flusso nel corso dei test. Sono posizionati in maniera tale da non poter essere colpiti direttamente dagli agenti estinguenti.

Analisi degli effetti per ogni impulso.  Per ogni colpo di lancia viene fatta un analisi completa delle temperature. Il tempo 0 corrisponde all’impulso, vengono analizzate le variazioni di temperatura corrispondenti ai 5 sec precedenti e ai 40 sec seguenti. Le temperature registrate sono la media di tutti i sensori presenti nel compartimento.

Analisi degli effetti per ogni impulso. Per ogni colpo di lancia viene fatta un analisi completa delle temperature. Il tempo 0 (zero) corrisponde all’impulso. Vengono analizzate le variazioni di temperatura corrispondenti ai 5 sec precedenti e ai 40 sec seguenti. Le temperature registrate sono la media di tutti i sensori presenti nel compartimento.

Distribuzione temperature.  La termografia mostra la temperatura assoluta all’interno del compartimento. Questo mostra la distribuzione del calore che porta alla temperatura media mostrata nel grafico precedente.

Distribuzione temperature. La termografia mostra la temperatura all’interno del compartimento.

Variazioni di temperatura a seguito dei colpi di lancia.  La termografia mostra la variazione della temperatura nella stanza. Questo visualizza l'effetto di raffreddamento di ogni singolo impulso.

Variazioni di temperatura a seguito dei colpi di lancia. La termografia mostra la variazione della temperatura nella stanza. Questo visualizza l’effetto di raffreddamento di ogni singolo impulso.

Un grafico 3D illustra l'evoluzione degli effetti di raffreddamento per un periodo di 45 sec. Risultano evidenti le zone interessate maggiormente dagli effetti del raffreddamento.

Un grafico 3D illustra l’evoluzione degli effetti di raffreddamento per un periodo di 45 sec. Risultano evidenti le zone interessate maggiormente dagli effetti del raffreddamento.

Quantità in volume interessata dalle variazioni di temperatura.  Il grafico 3D mostra la variazione della temperatura del volume del compartimento durante gli impulsi. L’asse delle X mostra il tempo, l’asse delle Y mostra le variazioni di temperatura e i numeri nel grafico mostrano i volumi interessati dalle variazioni in quell’istante.

Quantità in volume interessata dalle variazioni di temperatura. Il grafico 3D mostra la variazione della temperatura del volume del compartimento durante gli impulsi. L’asse delle X mostra il tempo, l’asse delle Y mostra le variazioni di temperatura e i numeri nel grafico mostrano i volumi interessati dalle variazioni in quell’istante.

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Nel prossimo post si esamineranno i risultati ottenuti.

nda.  È doveroso ricordare che i dati, le foto, i grafici e le tabelle relative al programma di ricerca PROMESIS sono state gentilmente fornite  dal Dr Dirk Schmitz.

Luca

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