Le fasi di sviluppo di un incendio

di Enrico Manieri - Henry62
 
Da un punto di vista chimico, l'incendio è semplicemente una reazione rapida di ossidazione fra combustibile e comburente, in cui viene liberata energia e vengono creati dei prodotti - solidi / liquidi / aeriformi - della combustione.
 
Durante la combustione si hanno emissioni di vapori (vapore acqueo), gas (monossido e biossido di carbonio, per esempio), aerosol (cioè particelle liquide o solide disperse in un gas) e particelle solide non combuste (fumo).
La creazione di radicali chimici, molto attivi, consente l'instaurazione di reazioni a catena difficilmente controllabili.
 
L'esperienza comune insegna a temere per senso innato di autoconservazione il fenomeno della combustione, perchè è una delle manifestazioni della natura verso cui l'uomo è più indifeso, al punto che la sola prospettiva di una morte atroce fra le fiamme spinse più di 200 persone a gettarsi nel vuoto nella tragedia del World Trade Center.
Un caso particolare di combustione, caratterizzata dalla elevata velocità di ossidazione, è l'esplosione per deflagrazione.
 
"Le esplosioni chimiche vengono suddivise in deflagrazioni, nelle quali la propagazione della reazione chimica di esplosione è una forma di combustione endogena che procede nel materiale a velocità subsonica, e detonazioni, nelle quali la reazione chimica di esplosione non è una combustione ma una decomposizione diretta della molecola di esplosivo, innescata direttamente dall'onda d'urto: la reazione di esplosione procede quindi alla velocità del suono in quella particolare sostanza attraverso tutto il materiale, e la pressione e temperatura finale dei prodotti di reazione sono quindi molto più elevate."
(da: Wikipedia)
 
Le fireballs generatesi nell'impatto degli aeroplani contro le Twin Towers e contro il Pentagono nacquero dalle deflagrazioni delle nuvole di carburante avio nebulizzato nell'atmosfera.
Nonostante l'evidente pericolo che l'incendio provoca, c'è la tendenza diffusa a sottovalutare i rischi connessi alle scelte quotidiane nella valutazione della capacità di prevenzione degli incendi e ciò deriva, in massima parte, dalla non adeguata conoscenza della dinamica e della grande velocità di propagazione del fuoco negli edifici.
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La tragedia del World Trade Center, in cui tre grattacieli crollarono per effetto di incendi incontrollabili e diffusi su più piani, lascia molti increduli, soprattutto chi non ha dimestichezza con questi fenomeni da un punto di vista tecnico, perchè sembra davvero impossibile che possenti strutture in acciaio abbiano potuto cedere in modo così catastrofico provocando migliaia di vittime a causa degli incendi.
 
In realtà il principale nemico delle strutture in acciaio è proprio il calore degli incendi, motivo per cui vengono previsti dalle norme specifici livelli di protezione che garantiscano periodi di tempo di protezione dal calore sufficienti a consentire l'evacuazione delle persone e l'intervento dei Vigili del Fuoco.
 
 
In questa celebre immagine si dimostra una realtà contro-intuitiva:
travi in acciaio si appoggiano piegate dal calore su una trave di legno,
 che ha retto all'incendio conservando una inaspettata resistenza strutturale.
 
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Nel caso del World Trade Center, l'analisi del livello di protezione passiva antincendio è stato da me approfondita in questo articolo.
 
Nello specifico delle Torri Gemelle, il vero problema nacque dalla combinazione degli effetti di impatto e del successivo incendio, dato che una delle conseguenze secondarie dell'impatto degli aerei fu il distacco delle protezioni antincendio, come documentato in modo inoppugnabile in questo articolo. Per poter valutare in seguito gli effetti degli incendi nelle diverse realtà (incendi nei tunnel, in strutture in cemento armato e in presenza di tiranti in acciaio), è necessario premettere un'analisi delle fasi in cui si sviluppano gli incendi nei locali chiusi.
Ogni incendio si caratterizza per quattro ben distinte fasi:

  • inizio;
  • espansione;
  • incendio generalizzato;
  • estinzione.
Il grafico temperatura-tempo nel caso di un incendio in un locale chiuso segue questo andamento, in cui le quattro fasi si distinguono per i diversi valori di inclinazione della curva, cioè per la diversa velocità di variazione della temperatura nel tempo. .
 

Le caratteristiche specifiche di ciascun incendio dipendono dalla geometria dei volumi, dal tipo e quantità di materiale combustibile, dalla ventilazione e dalle caratteristiche di diffusione del calore dei diversi materiali.
 
Un punto particolarmente interessante da valutare, è il passaggio fra la fase di espansione e quella di incendio generalizzato.
Nella fase di espansione, la temperatura cresce velocemente (maggiore pendenza della curva temperatura-tempo) e anche zone non direttamente lambite dalle fiamme vengono a raggiungere temperature che innescano, col passar del tempo, la liberazione per degradazione termica di gas infiammabili.
 
Questo è un punto importante che deve essere ben compreso: sottoposti a calore ed in assenza di combustione, i materiali solidi contenenti composti del carbonio si decompongono per effetto termochimico ("omolisi termicamente indotta"), cioè si scindono i legami chimici e si liberano dei gas caratterizzati da molecola più semplice.
Questo processo è il medesimo, fatte le debite proporzioni, che viene messo in atto dal processo industriale di cracking.
 
Per fare un esempio, dal legno, per effetto di degradazione termica, si libera il metanolo.
Nel locale si accumulano quindi gas infiammabili, che in genere salgono e si concentrano presso il soffitto, fino a quando, raggiunta la temperatura detta di flash-over, si assiste alla combustione generalizzata degli stessi, caratterizzata da grande velocità di reazione e dall'immediato aumento dei gas surriscaldati, che si espandono sia in senso orizzontale che verticale (moti ascendenti).
 
E' il fenomeno più pericoloso in assoluto, in cui lingue di fuoco saettano con grande velocità in tutto il volume disponibile; proprio per il timore di innescare il flash-over, i pompieri mettono in atto particolari accorgimenti nell'aprire le porte chiuse delle stanze in fiamme.
La temperatura media di flash-over, per un normale incendio domestico, è di circa 500°C; fino a questa temperatura, i materiali solidi presenti nel locale liberano componenti gassose con velocità sempre maggiore, fino a quando la temperatura delle superfici solide sale al punto da provocare l'accensione dei gas da esse stesse rilasciati.
 
A questo punto l'incendio non è più limitato ai materiali solidi, ma prendono fuoco i gas infiammabili che si sono fino a quel momento accumulati nella stanza; é l'intero volume dei gas ad essere interessato dalle fiamme e l'effetto è un immediato e violentissimo aumento dell'intensità delle fiamme e della velocità di combustione, che a sua volta provoca una vera e propria espansione termica dei gas che può anche, in casi particolarmente gravi, dare origine a shock ondulatori sulla struttura portante.
 
Credo sia importante sapere che in brevissimo tempo un incendio può raggiungere dimensioni tali da non essere più controllabile e a tal fine presento il seguente filmato che mostra un test di laboratorio in cui si può verificare concretamente l'andamento dell'incendio nel tempo nel caso di incendio di un comune salotto domestico, ricostruito con materiali del tutto simili a quelli normalmente utilizzati nelle nostre abitazioni.
 
video

La temperatura raggiunta dai materiali solidi in un incendio domestico di un locale chiuso varia fra i 700°C e i 1.200°C, mentre le temperature di fiamma sono comprese fra i 1.700°C ed i 2.500°C.

La temperatura di fumo in prossimità del soffitto si mantiene all'inizio fra i 300°C e i 400°C, per poi raggiungere bruscamente i circa 1.000°C al raggiungimento del flash-over.
In media, quindi, le temperature raggiunte nei comuni incendi domestici sono di circa 700°C, ma con hot-spot di temperature anche di gran lunga maggiori.
Ovviamente, la temperatura di fiamma è nel range indicato in precedenza (1.700°C-2.500°C), per cui le zone direttamente lambite dalle fiamme raggiungono agevolmente temperature prossime o maggiori ai 1.000°C.
 
Nel caso delle Torri Gemelle, questo fenomeno è stato particolarmente importante, perchè l'impatto dell'aereo privò la maggior parte dei piani impattati della protezione passiva antincendio ma, per effetto dell'energia cinetica delle masse di rottami, si ebbe anche un effetto "bulldozer" che portò ad accumulare il materiale combustibile degli uffici in prossimità delle colonne del core e, soprattutto, della fascia perimetrale della facciata opposta alla zona di prima penetrazione.
 
In questo modo, l'acciaio di queste colonne perimetrali si trovò esposto direttamente alle fiamme del materiale combustibile accumulato in prossimità delle stesse e raggiunse temperature che portarono alla perdita delle caratteristiche meccaniche di resistenza ai carichi, superando rapidamente i llimiti di sicurezza garantiti dalla ridondanza progettuale della struttura portante.
 
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DOSSIER "EFFETTI DEGLI INCENDI"
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