Metodo di calcolo avanzato per ASET [Parte Prima]

Esploriamo il paragrafo M.3.3.1 del Codice di Prevenzione Incendi

In questo articolo vedremo come il calcolo avanzato dell’ASET (Available Safe Escape Time) si applica nel contesto della progettazione e verifica dei sistemi di esodo in caso di incendio. In particolare, ci concentreremo sul modello dei gas tossici e dei gas irritanti, successivamente esamineremo il modello del calore e il modello dell’oscuramente della visibilità da fumo.

Comprendere come questi modelli vengono applicati è fondamentale per garantire che i sistemi di evacuazione siano progettati in modo da proteggere adeguatamente gli occupanti degli edifici in caso di emergenza. 

L’ASET (Available Safe Escape Time) rappresenta il tempo disponibile per gli occupanti di un edificio per raggiungere il punto di “luogo sicuro” in caso di incendio, prima che le condizioni ambientali diventino letali o insostenibili. Esso richiede la stima delle concentrazioni dei prodotti tossici, delle temperature e delle densità del fumo negli ambienti a seguito di un incendio. Questa stima, nei casi complessi può essere ragionevolmente elaborata solo con modelli di calcolo fluidodinamici, quindi attraverso la Fire Safety Engineering.

In questo articolo esploriamo come l’FSE applica i modelli gas tossici e gas irritanti per il calcolo avanzato dell’ASET, secondo quanto indicato nella norma ISO 13571.

Concetto di Dose Inalata e FED

Il modello gas tossici valuta il rischio legato all’esposizione a sostanze come monossido di carbonio (CO) e acido cianidrico (HCN). Utilizza due concetti chiave:

• Dose inalata (Exposure Dose): misura la quantità di gas tossico inalato, calcolata integrando la curva concentrazione-tempo durante l’esposizione.
• FED (Fractional Effective Dose): rappresenta il rapporto tra la dose inalata e la dose incapacitante per il soggetto medio. Quando FED = 1, l’occupante è considerato incapacitato.

Ad esempio, la norma indica che il monossido di carbonio diventa incapacitante dopo una dose cumulativa di 35.000 ppm x minuto. Un’esposizione a 3.500 ppm per 10 minuti produce una FED pari a 1, determinando un ASET di 10 minuti per il monossido di carbonio.

La norma ISO 13571 “Life-threatening components of fire – Guidelines for the estimation of time available for escape using fire data”, propone per il calcolo del Fractional Effective Dose la seguente equazione:

$$X_{FED}=\ \sum_{t1}^{t2}\frac{\varphi_{CO}}{3500}\ ∆t \sum_{t1}^{t2}\frac{exp{\left(\varphi_{HCN}/43\right)}}{220}∆t$$

dove

$$\varphi_{CO}$$ è la concentrazione media di monossido di carbonio nell’intervallo di tempo ∆t; $$\varphi_{HCN}$$ è la concentrazione media di acido cianidrico nell’intervallo di tempo ∆t;

Impatto di altri gas e fattori correttivi

Oltre a CO e HCN, anche altri gas influenzano l’ASET:

• Diminuzione dell’ossigeno (O₂): livelli inferiori al 13% causano asfissia.
• Anidride carbonica (CO₂): concentrazioni superiori al 2% amplificano gli effetti dei gas tossici attraverso l’iperventilazione.

Allo scopo di considerare l’aumento della frequenza respiratoria dovuta all’anidride carbonica si applica il seguente fattore moltiplicativo:

$$\nu_{co_2}=\ exp\left[\frac{\varphi_{co_2}}{5}\right]$$

Concentrazioni Frazionarie e FEC

Il modello gas irritanti si concentra sugli effetti immediati di sostanze come cloruro di idrogeno (HCl), ammoniaca (NH₃) e formaldeide.
La valutazione si basa sulla Fractional Effective Concentration (FEC), calcolata sommando le concentrazioni frazionarie dei gas irritanti rispetto ai loro valori incapacitanti.

Effetti Istantanei

I gas irritanti colpiscono direttamente il tratto respiratorio superiore, provocando dolore, tosse o incapacità di respirare normalmente.

La norma ISO 13571 “Life- threatening components of fire – Guidelines for the estimation of time available for escape using fire data”, propone per il calcolo del Fractional effective concentration la seguente equazione:

$$X_{FEC}= \frac{\varphi_{HCl}}{F_{HCl}}\ +\ \frac{\varphi_{HBr}}{F_{HBr}}\ +\ \frac{\varphi_{HF}}{F_{HF}}\ +\frac{\varphi_{SO_2}}{F_{SO_2}}\ +\ \frac{\varphi_{NO_2}}{F_{NO_2}}\ +\ \frac{\varphi_{acrolein}}{F_{acrolein}}\ +\ \frac{\varphi_{formaldehyde}}{F_{formaldehyde}}\ +\sum\frac{\varphi_{irritant}}{F_{c_i}}$$

La norma specifica i limiti di concentrazione incapacitante per ciascun gas o vapore:

• HBr: 1.000 ppm
• HCl: 1.000 ppm
• HF: 500 ppm
• SO₂: 150 ppm
• NO₂: 250 ppm
• C₃H₄O₃: 30 ppm (Acrolein)
• Formaldeide: 250 ppm (Formaldehyde)

Quando FEC = 1, si considera che gli occupanti non siano più in grado di proseguire l’evacuazione.

L’approccio FSE nel calcolo dell’ASET

La Fire Safety Engineering affronta la complessità del calcolo dell’ASET utilizzando modelli fluidodinamici avanzati per simulare l’evoluzione di temperatura, fumi e concentrazioni tossiche in uno scenario d’incendio. Questi modelli tengono conto di:

• Caratteristiche dell’incendio: natura del combustibile e ventilazione.
• Dinamica del fumo: diffusione e stratificazione.
• Occupanti: velocità di movimento, posizione iniziale e condizione fisica.

Le simulazioni forniscono valori numerici dettagliati che guidano il progettista nella definizione di strategie di evacuazione e nella progettazione di sistemi di sicurezza.

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Conclusioni

I modelli gas tossici e gas irritanti sono strumenti essenziali nel calcolo dell’ASET e nella progettazione ingegneristica antincendio. La norma ISO 13571 fornisce le linee guida per un’analisi rigorosa e dettagliata, integrata dal metodo FSE, che consente di garantire la sicurezza in scenari complessi.

Nel prossimo articolo, esploreremo i modelli relativi al calore e all’oscuramento della visibilità da fumo, completando il quadro del calcolo avanzato dell’ASET.