I sistemi di controllo dei fumi sono considerati sistemi di sicurezza di protezione attiva e, come tali, necessitano di un alto livello di affidabilità. Purtroppo, può accadere che l’evacuazione dei fumi non sia sempre compatibile con la protezione fornita dagli impianti di spegnimento automatico come quelli che utilizzano gli ugelli sprinkler.

Storicamente, l’utilizzo degli sprinkler ha sollevato specifiche preoccupazioni relative alla gestione dei fumi. Uno dei problemi principali riscontrati è che il getto d’acqua degli sprinkler raffredda e de-stratifica lo strato di fumo, con conseguente riduzione della visibilità e quindi della tenibilità.

Tenibilità
La tenibilità (in inglese, tenability) è un concetto fondamentale nell’ingegneria antincendio e si riferisce all’obiettivo di mantenere un ambiente tollerabile e sicuro per gli occupanti che potrebbero essere esposti al fumo durante un incendio. Tradizionalmente, l’approccio convenzionale al controllo dei fumi si basa sull’uso di meccanismi fisici per impedire, per quanto possibile, il contatto delle persone con il fumo. L’approccio più moderno, basato sulla tenibilità, consiste invece nel valutare gli effetti di più parametri (visibilità, irraggiamento, temperatura, tossicità, ecc.)

Nonostante questo effetto, gli sprinkler mantengono la loro preponderante funzione di controllo dell’incendio, limitando la propagazione del fuoco e inducendo un decadimento nel tasso di rilascio di calore (HRR o RHR) dell’incendio. Di norma, negli edifici coperti da impianti sprinkler, si assume che gli incendi smettano di crescere all’attivazione del sistema.

Esistono comunque delle eccezioni a questa assunzione, come nei casi in cui si può verificare un raffreddamento eccessivo del fumo. Ad esempio, in spazi con soffitti alti, la temperatura del pennacchio di fumo può diminuire a tal punto che gli sprinkler potrebbero non attivarsi o l’attivazione potrebbe essere talmente ritardata che lo spray d’acqua evapori prima di raggiungere il fuoco. Inoltre, se l’altezza è molto elevata (come nei compartimenti di grande volume), si può avere un raffreddamento eccessivo del fumo, ritardando o impedendo l’attivazione.

La fisica nell’interazione tra sprinkler e fumo di combustione

Quando un getto d’acqua raffredda lo strato di fumo se ne riduce la temperatura e, di conseguenza, la spinta di galleggiamento (tradotta “buoyancy” nelle fonti anglosassoni) che mantiene la stratificazione. Questo raffreddamento e la conseguente de-stratificazione possono ridurre la visibilità per lo sviluppo dell’esodo.

Inoltre, le goccioline d’acqua esercitano una forza di trascinamento (drag force) che spinge verticalmente verso il basso lo strato di fumo stratificato. La combinazione di raffreddamento e forza di trascinamento può causare la perdita di stabilità dello strato, portando al fenomeno dello “smoke logging“, dove il fumo scende a livelli inferiori, aggravando i rischi per le strategie di esodo e di operatività antincendio.
Nelle fonti di letteratura tecnica si assume che la lunghezza della colonna di fumo discendente sia influenzata dalla pressione operativa dello sprinkler:

Pressione operativa dell’impianto sprinkler
Si tratta del valore di pressione a cui opera il sistema sprinkler, che determina le proprietà fisiche dello spray (velocità, portata).

K.Y. Li et al. [2] hanno elaborato un modello matematico per predire il comportamento di discesa dello strato di fumo galleggiante quando interagisce con lo spray sprinkler. Le loro simulazioni e risultati sperimentali supportano hanno fornito offerto conferme importanti:

Correlazione con la pressione operativa	La lunghezza della colonna di fumo discendente è stata calcolata e validata sperimentalmente, ed è stato dimostrato, appunto, che essa aumenta con la pressione operativa dello sprinkler.
Relazione lineare	La distanza di movimento verso il basso (o la lunghezza del pennacchio di smoke logging) aumenta in maniera monotona lineare (in linea retta e in una sola direzione) con l’aumento della pressione operativa dello sprinkler. Con il termine smoke logging si descrive proprio il fenomeno di discesa verso il basso dello strato di fumo, quando perde la sua stabilità a causa dell’interazione con il getto d’acqua degli impianti sprinkler
Meccanismo fisico	L’iinterazione è determinata principalmente dalla combinazione di due effetti: – Il raffreddamento dello strato di fumo, causato dallo spray d’acqua, riduce la spinta di galleggiamento (buoyancy) che mantiene la stratificazione. – La forza di trascinamento (drag force) prodotta dalle goccioline d’acqua spinge lo strato di fumo verso il basso.

In particolare, la forza di trascinamento verticale esercitata su un elemento della colonna di fumo (rettangolo grigio in fig. 2) è influenzata dalla velocità verticale della gocciolina, la cui condizione iniziale di velocità di scarico è determinata dalla pressione operativa dello sprinkler

In ogni caso non dobbiamo scordarci che gli sprinkler hanno una doppia funzione, agendo sia come rivelatori che come dispositivi di controllo degli incendi, e sono molto affidabili nel controllare o sopprimere i focolari. Perciò, forse starai già per intuire quello che ti dirò al prossimo paragrafo.

Cosa accade nell’interazione con i sistemi di evacuazione di fumi e calore

Iniziamo con l’evidenza più importante: non ci sono effetti negativi sulla performance degli sprinkler: Gli studi sperimentali dimostrano che l’evacuazione di fumo e calore non ha un effetto negativo sulla performance idraulica degli sprinkler, anzi.

L’uso combinato di sprinkler e sistemi di gestione dei fumi ha invece sollevato preoccupazioni su:

1. ritardo di attivazione delle testine sprinkler;
2. peggioramento della stratificazione dei fumi dall’alto verso il basso.

C’è in ballo la questione che lo smaltimento dei fumi possa limitare il numero di sprinkler attivati, dove si sono prodotti risultati contrastanti e non siamo riusciti a trovare una uniformità di pareri in merito. Possiamo però dire che, a causa dello smaltimento del fumo, possono attivarsi meno testine e si può ritardare l’attivazione della prima.

A questo punto, forse starai pensando che se il fumo esce dal compartimento con l’incendio vuol dire che entra la stessa portata di aria fresca. Questo flusso d’aria può accelerare la combustione?

Certamente le aperture possano aumentare significativamente il tasso di combustione ma le concentrazioni di ossigeno misurate durante le prove sperimentali in aree protette da impianti sprinkler restano generalmente nell’intervallo 17-21% [5], un livello sufficiente per permettere la combustione della gran parte dei materiali (e si considerasse un compartimento senza protezione sprinkler il discorso sarebbe diverso, perché il consumo di ossigeno sarebbe più elevato).

Bisogna anche considerare il ruolo delle barriere al fumo (UNI EN 12101-1) che possono trovarsi nei soffitti:

Sono fondamentali per creare riserve di fumo e limitare l’estensione dell’area di incendio, possono contribuire a limitare le dimensioni del fuoco e, di conseguenza, ridurre il numero di sprinkler che si attivano. Le barriere taglia fumo possono ritardare la partenza degli spinkler se il fumo non sale nel serbatoio in cui si trova la testina sopra il focolare di incendio.

Un altro aspetto importante: se abbiamo compartimenti di grande volume ed altezze elevate, si può avere un raffreddamento eccessivo del fumo, ritardando o impedendo l’attivazione. Nello specifico, il getto di estinguente raffredda e destratifica il fumo, generando il fenomeno dello “smoke logging” (discesa del pennacchio) se la forza di trascinamento dell’acqua supera la spinta di galleggiamento. Più l’altezza è elevata, più il trascinamento del flusso di estinguente ha effetto.

Un ultimo aspetto da considerare è il diametro delle gocce: più sono grandi e meglio è.

Ad esempio, gli sprinkler ESFR (Early Suppression Fast Response) sono sistemi caratterizzati da una risposta rapida e sono destinati alla soppressione degli incendi (anziché al semplice controllo). Sebbene il meccanismo fisico del trascinamento del fumo rimanga lo stesso, l’entità del trascinamento cambierà rispetto a un impianto sprinkler standard, poiché gli sprinkler ESFR presentano caratteristiche operative che modificano direttamente i fattori che determinano la forza di trascinamento.

Sebbene i sistemi ESFR tendano a operare a pressioni più elevate (il che, di per sé, aumenta la forza di trascinamento e la lunghezza della colonna di fumo discendente), l’obiettivo primario dei sistemi ESFR è la penetrazione, ottenuta tramite gocce più grandi. Queste gocce grandi, pur avendo la forza per sopprimere l’incendio, sono intrinsecamente meno efficienti nel raffreddamento e destratificazione dello strato di fumo alto.

Al contrario, gli sprinkler con goccioline più piccole (come i tradizionali, se focalizzati sul controllo e massimo raffreddamento) sono più efficaci nel provocare la perdita di stabilità dello strato di fumo e il fenomeno dello smoke logging, proprio perché massimizzano il fattore di raffreddamento/destratificazione.

GOCCE PICCOLE	GOCCE GRANDI
Massimizzano l’assorbimento di calore, grazie ad una maggiore superficie totale per lo scambio termico	Riducono il trasferimento di calore rispetto alle gocce piccole. Sono meno efficienti nel raffreddare e destratificare lo strato di fumo.
Più efficaci nel raffreddare e destratificare lo strato di fumo. Massimizzano la potenziale perdita di stabilità dello strato di fumo.	Non evaporarano prima di penetrare nel pennacchio di fumo. Esercitano comunque una forza di trascinamento.

Accorgimenti per la progettazione

La modellazione numerica è essenziale per comprendere e quantificare l’interazione sprinkler-fumo, specialmente negli ambienti complessi come gli atri con componenti architettoniche fuori dagli standard.

In particolare, bisogna porre attenzione a:

• Determinazione della risposta degli sprinkler (Attivazione);
  Tenendo conto anche dello smaltimento di fumo e calore.
• Definizione del focolare di progetto.
  Attenzione, se si include nello scenario FSE l’impianto sprinkler, è necessario che sia a disponibilità superiore.
• Modellazione della fluidodinamica, anche tenendo conto della forza di trascinamento (drag force) che tende a tirare verso il basso lo strato di fumo stratificato. Questi effetti combinati (raffreddamento e trascinamento) possono portare alla perdita di stabilità dello strato di fumo, causando il fenomeno del “smoke logging” (strato di fumo che si abbassa fino a livelli pericolosi o al pavimento).

Tali aspetti possono essere analizzati accuratamente solo grazie ad un professionista antincendio che si occupa di ingegneria antincendio con approccio prestazionale.

Conclusioni

Capita spesso che si installino, contemporaneamente, sistemi sprinkler e di gestione fumi. Ciò non deve spaventare le aziende e i colleghi meno esperti.

Se è vero che l’integrazione di questi sistemi è complessa a causa dell’azione dell’acqua che può causare l’abbassamento dello strato di fumo fino a livelli pericolosi, è anche vero che la sicurezza di questi sistemi combinati è elevata poiché l’affidabilità degli sprinkler è alta (90-99%) e l’azione dei sistemi di controllo del fumo fornisce protezione vitale anche in caso di fallimento.

Per garantire che i sistemi assicurino la tenibilità nell’emergenza, servono però analisi dettagliate, spesso mediante modellazione numerica avanzata (CFD). La progettazione dovrà considerare scenari d’incendio realistici, evitando il rischio di sottostime.

	RIFERIMENTO	AUTORE
[1]	Interaction of Sprinklers with Smoke and Heat Vents	Craig L. Beyler, Leonard Y. Cooper (2001)
[2]	Mathematical model on interaction of smoke layer with sprinkler spray	K.Y. Li et al. (2007)
[3]	50 Smoke control Capter of SFPE Handbook 5th ed.	John H. Klote
[4]	Handbook Smoke Control Engineering	AA.VV. ASHRAE – SFPE
[5]	Interaction of sprinklers, Smoke and Heat Vents, and draft curtains	AA.VV. FM 1-10
[6]	Modeling of sprinkler, vent and draft curtain interaction	K.B. McGrattan, A. Hamins and G.P. Forney NIST