Corso di Progettazione Strutturale Antincendio, Facolta' di Ingegneria Civile e Industriale, Universita' degli Studi di Roma La Sapienza - Franco Bontempi.
1. LA MODELLAZIONE
L’AZIONE INCENDIO:
CORSO DI
PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
A.A. 2012 - 2013
www.francobontempi.org
Prof. Ing. Franco Bontempi
Ing. Filippo Gentili
Facoltà di Ingegneria
Sapienza – Università di Roma
2. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
2/72
PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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È il procedimento mediante il quale si determina il valore della temperatura dei gas nei
pressi degli elementi costruttivi.
TECNICHE DI MODELLAZIONE
Il progettista sceglie
In tale fase, in generale, si stabiliscono
• i luoghi ove presumibilmente si possono verificare gli incendi,
• la posizione delle sorgenti di innesco anche rispetto agli elementi strutturali,
• i possibili scenari per la propagazione degli stessi a parti di strutture a non coinvolte
inizialmente,
• i materiali che possono prendere parte alla combustione
• l’andamento delle temperature dei gas negli ambienti e in prossimità degli elementi
strutturali.
approccio deterministico
approccio ingegneristico
con incendi “nominali”
con incendi “naturali”
3. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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TIPOLOGIE DI CURVE TEMPERATURA – TEMPO
• Nominali
Il D.M. 09/03/2007 prende in considerazione due tipi di curve temperatura – tempo:
Applicate per l’intervallo di tempo di esposizione,
senza alcuna fase di raffreddamento,
• Naturali Agiscono sugli elementi costruttivi per tutta la durata dell’incendio
fino al ritorno nel compartimento della temperatura ambiente.
modelli d’incendio
numerici semplificati
modelli d’incendio
numerici avanzati
• Curve parametriche per incendio in compartimento
• Curve parametriche per incendi dalle finestre di
compartimento
• Curve per incendi localizzati
• Modelli a zona
• Modelli di campo
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CURVE NOMINALI
0
200
400
600
800
1000
1200
0 20 40 60 80 100 120
θ[C]
t [min]
Curva incendio standard
Curva incendio idrocarburi
Curva incendio esterno
• CURVA STANDARD – CURVA ISO 834
• CURVA DEL FUOCO ESTERNO
tempo in minuti
temperatura dei gas caldi al tempo espressa in °C
coefficiente di convezione dei gas caldi
• CURVA DEGLI IDROCARBURI
coefficiente di
convezione dei gas caldi
coefficiente di
convezione dei gas caldi
5. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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T
t
Incendioreale
ISO834
CARATTERISTICHE CURVE NOMINALI
Le curve di incendio nominali sono caratterizzate da:
• sono curve che rappresentano essenzialmente la fase post – flashover;
• non prevedono la fase di raffreddamento;
• impongono un unico valore della temperatura ambiente;
• il tratto iniziale è estremamente ripido trascurando, in sostanza, le fasi di
innesco e propagazione.
Lo sviluppo di un incendio reale,
ha un andamento differente
rispetto a quello rappresentato
dalla curva ISO 834
6. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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CURVE PARAMETRICHE DI INCENDIO CONFINATO
Per la schematizzazione di un incendio nella fase di post – flashover
•Carico di incendio specifico;
•Fattore di ventilazione O;
•Caratteristiche delle pareti di delimitazione.
Curva parametrica da Eurocodice 1
fattore di ventilazione fattore di ventilazione di riferimento
inerzia termica inerzia termica di riferimento
tempo fittizio durata di riscaldamento
fattore adimensionale
Dipendono essenzialmente da:
(fase crescente)
7. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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CURVE PARAMETRICHE PER INCENDI DALLE FINESTRE
INCENDI LOCALIZZATI
•Per verifica di elementi strutturali posti all’esterno di compartimenti incendiati
•Previste da EC EN 1991 – 1 – 2
EN 1993 – 1 – 2
EN 1999 – 1 – 2
•Membrature metalliche
Modelli di pennacchio per fase di pre - flashover
Fiamma bassa Fiamma alta → Ceiling Jet
9. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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MODELLI A ZONE
• Sebbene le semplificazioni siano
grossolane, modelli sono semplici e
attendibili in determinate situazioni
le dimensioni del locale
le dimensioni ed il posizionamento delle aperture di ventilazione;
le caratteristiche delle pareti che delimitano il locale;
il potere calorifico, la temperatura di ignizione e la disposizione spaziale dei combustibili;
la frazione della potenza termica totale rilasciata;
concentrazione minima di ossigeno necessaria per far procedere il processo di combustione;
la curva di variazione nel tempo della potenza termica totale rilasciata.
• Si risolvono separatamente le equazioni
differenziali di conservazione dell’energia
termica, della massa e della quantità di
moto in un piccolo numero di zone
• Le varie zone si scambiano tra
loro massa e energia solo in
corrispondenza di una terza zona,
che rappresenta il plume,
• Si ipotizza l’ambiente suddiviso in zone
all’interno delle quali la temperatura, la densità e
la pressione siano uniformi ma variabili nel tempo;
• La suddivisione è lecita finché si è lontani da
flashover, meno valida per spazi molto vasti o per
ambienti lunghi e strettiDati necessari
10. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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In output il modello fornisce:
• la temperatura (media) in ciascuno dei due strati;
• la posizione dell’interfaccia delle due zone;
• la concentrazione di ossigeno
CFAST
È stato sviluppato e distribuito freeware dal National Institute of Science and Technology (NIST)
• un indice di visibilità;
• le portate di massa ed energia scambiate con l’ambiente
esterno e/o con altri compartimenti.
12. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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MODELLI DI CAMPO
I modelli di campo sono dei complessi modelli
fluidodinamici di flussi turbolenti derivanti
dalle classiche teorie della termodinamica.
I modelli numerici euleriani implementati in software commerciali di
fluidodinamica computazionale (CFD) costituiscono di gran lunga la più
raffinata possibilità di simulazione di incendio attualmente disponibile
(CFD)
tramite integrazione numerica delle equazioni
differenziali rappresentative dei bilanci
accoppiati di quantità di moto, energia e materia
campi vettoriali di velocità
e scalari di temperatura e
concentrazione
Il compartimento è diviso in una griglia tridimensionale di piccoli cubetti.
Calcola le condizioni fisiche
in ciascun cubetto come una
funzione del tempo.
Si tiene conto dei cambiamenti fisici del cubetto
e dei cambiamenti di stato che si generano per
effetto delle variazioni nei cubetti circostanti.
13. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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CENNI DI FLUIDODINAMICA COMPUTAZIONALE
Le equazioni che governano il comportamento dei fluidi sono conosciute da 150 anni.
Le difficoltà sono legate a tre aspetti:
• enorme numero di scenari possibili d’incendio
• il potere computazionale è limitato
• il combustibile non sempre è quello previsto
• Flessibilità
• Fenomeni turbolenza
• Onere computazionale
Dati di input: Dati di output:
Vengono risolte set di equazioni differenziali tridimensionali, dipendenti dal tempo,
non lineari, note come equazioni di Navier – Stokes
Caratteristiche della CFD:
• Geometria
• Materiali
• HRR
• Evoluzione del fenomeno
• Temperatura
• Altezza dei fumi
• Portate
14. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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AFFIDABILITÀ DEI MODELLI DI INCENDIO
• ISO 13387: • Verifica riguardo l’aderenza della rappresentazione del fenomeno fisico
• Verifica riguardo l’accuratezza matematica
ASTM E 1355 - 97:
• Analisi di sensibilità
• Accuratezza della previsione
• Caratteristiche di incertezza e di flessibilità rispetto ai dati sperimentali
• Caratteristiche principali di un modello (studi di fattibilità, descrizione basi teoriche,
definizione del tipo di incendio, ipotesi principali, limiti di applicazione)
Standard guide for evaluating the capability
of deterministic fire models
15. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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FDS: GENERALITÀ
Fire Dynamic Simulator (FDS) è stato sviluppato dalla Fire Research Division
presso il Building and Fire Research Laboratory (BFRL) del National Institute
of Science and Technology (NIST).
Risolve una forma approssimata delle equazioni
di Navier – Stokes appropriata per le
applicazioni con basso numero di Mach
È scritto in linguaggio Fortran 90/95
UTILIZZI PREVISTI
• trasmissione a bassa velocità di calore e prodotti di combustione dal fuoco;
• trasmissione di calore per irraggiamento e convezione tra gas e superfici solide;
• pirolisi;
• diffusione della fiamma e crescita dell’incendio;
• sprinkler, rilevatori di calore e di fumo.
16. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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FDS: GENERALITÀ
MODELLI DEL SOLUTOREDATI DI INPUT DATI DI OUTPUT
I parametri in file di testo
• Dimensioni della griglia
• Ambiente circostante
• Geometria dell’edificio
• Proprietà dei materiali
• Caratteristiche della combustione
• Quantità di output richieste
La griglia è una o più mesh di celle
uniformi Tutti gli elementi devono
avere dimensioni conformi alla griglia
• Temperatura dei gas
• Velocità di gas
• Concentrazione dei gas
• Concentrazione dei prodotti
di combustione
• Visibilità
• Pressione
• Tempo di attivazione di
erogatori sprinkler e di
rivelatori di calore o di fumo
• Flussi di massa e di energia
• Modello idrodinamico
• Modello di combustione
• Trasmissione per irraggiamento
• Sprinkler e rilevatori
19. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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LIMITAZIONI
• Bassa velocità del flusso
• Geometria rettilinea
Tecnica del SAWTOOTH per gli effetti al contorno
• Combustione
Modello di combustione basato
sulla mixture fraction
• Irraggiamento
Equazioni di trasporto per irraggiamento
risolte sulla tecnica della FVM
Affidabile per valori del numero
di Mach inferiore a 0.3
Solo fluidi incomprimibili
No per detonazioni ed esplosioni
• Buona affidabilità se è conosciuta la curva RHR
Se l’ambiente è poco ventilato,
il combustibile e l’ossigeno
sono miscelati ma non bruciano
Distribuzione non uniforme lontano
dalla sorgente di irraggiamento
20. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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PRE PROCESSOR: struttura del file
Group Name Namelist Group Description Group Name Namelist Group Description
BNDF Boundary File Output PROF Profile Output
CTRL Control Function Parameters PROP Device Property
DEVC Device Parameters RADI Radiation
DUMP Output Parameters RAMP Ramp Profile
HEAD Input File Header REAC Reactions
HOLE Obstruction Cutout SLCF Slice File Output
INIT Initial Condition SPEC Species Parameters
ISOF Isosurface File Output SURF Surface Properties
MATL Material Property TIME Simulation Time
MESH Mesh Parameters TRNX Mesh Stretching
MISC Miscellaneous VENT Vent Parameters
OBST Obstruction ZONE Pressure Zone Parameters
PART Lagrangian Particle
NAMELIST
TIME
SPACE
25. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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FDS: SOLVER
Le derivate parziali delle equazioni
della conservazione della massa, del
momento e della energia sono
approssimate alle differenze finite
Modello
fluidodinamico
Modello di
combustione
Irraggiamento
termico
Rilevatori
di incendio
Modello
di fase solida
La soluzione è valutata nel
tempo nelle tre dimensioni
con una griglia rettangolare.
L’irraggiamento termico è valutato
usando una tecnica ai volumi finiti
che sfrutta la stessa griglia
utilizzata per lo studio del flusso.
Il simulatore utilizza inoltre un
approccio di tipo Lagrangiano per
simulare il movimento dei fumi e
l’iniezione di acqua allo stato
liquido dagli sprinklers.
26. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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SOLVER
Conservazione
della massa
Seconda legge
di Newton
Entalpia
Equazione di stato
per i gas perfetti
Modello
fluidodinamico
Modello di
combustione
Irraggiamento
termico
Modello di fase
solida
Rilevatori di
incendio
densità accelerazione di gravità
vettore velocità tensore delle tensioni viscose
quantità di massa prodotta di
particolato
coefficiente di calore rilasciato per
unità di volume
pressione vettore delle forze esterne
entalpia k conduttività termica
energia trasferita ai gas evaporati peso molecolare della miscela gassosa
costante universale dei gas temperatura
dove:
27. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
27/72
PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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Modello
fluidodinamico
Modello di
combustione
Irraggiamento
termico
Modello di fase
solida
Rilevatori di
incendio
Metodo della mixture fraction: il calcolo di una
quantità scalare Z che in ogni cella del campo
stabilisce, ad ogni passo di calcolo, se ha lo
combustione oppure no: in presenza di combustione
l’elemento di volume viene riscaldato dal rilascio
termico e poi colorato in modo da mostrare la
presenza della fiamma
SOLVER
29. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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Modello
fluidodinamico
Modello di
combustione
Irraggiamento
termico
Modello di fase
solida
Rilevatori di
incendio
densità del solido calore specifico del solido
coefficiente di calore rilasciato
per unità di volume del solido
coefficiente di rilascio termico specifico
per unità di area definito dall’utente
conducibilità del solido numero di Reynolds
temperatura del solido numero di Prandtl
rampa temporale costante di Stefan – Boltzmann
coefficiente di rilascio termico specifico
calore di
conduzione
coefficiente di rilascio
termico specifico
conduttività
capacità di calore
volumetrico
trasferimento di calore per irraggiamento
trasferimento di calore per convezione
condizioni al contorno
SOLVER
30. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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Attivazione dello
sprinkler
Rilevatore di
calore
Modello
fluidodinamico
Modello di
combustione
Irraggiamento
termico
Modello di fase
solida
Rilevatori di
incendio
temperatura del collegamento
temperatura dei gas nell’intorno
velocità del flusso
temperatura dello sprinkler (ambiente)
tempo di risposta (sperimentale)
costante sperimentale
frazione volumetrica di acqua presente nel flusso di gas
costante empirica
dove
SOLVER
34. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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0
100
200
300
400
500
600
0 200 400 600 800 1'000
θ[ºC]
t [s]
100 cm 50 cm 25 cm 20 cm
0
100
200
300
400
500
600
700
0 200 400 600 800 1'000
θ[ºC]
t [s]
100 cm 50 cm 25 cm 20 cm
Mesh 100 cm Mesh 50 cm Mesh 25 cm Mesh 20 cm
Numero celle 360 2880 23040 45000
Tempo di
elaborazione
20 sec 2 min 35 min 2 ore
∂t iniziale 0.5 s 0.31498 s 0.12500 0.10
Modello
Celle
sorgente
Mesh 100 cm 1
Mesh 50 cm 4
Mesh 25 cm 16
Mesh 20 cm 25
MODELLAZIONE SORGENTE
TEMPERATURA SORGENTE TEMPERATURA APERTURA
35. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
35/72
PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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Mesh 100 cm Mesh 50 cm Mesh 25 cm Mesh 20 cm
Numero celle 180 1440 11520 22500
Calcolatore
Intel Pentium M
CPU 1.73 GHz
RAM 2.00 GHz
Intel Pentium M
CPU 1.73 GHz
RAM 2.00 GHz
Intel Xeon
CPU 3.6 GHz
RAM 3.93 GHz
Intel Xeon
CPU 3.6 GHz
RAM 3.93 GHz
Tempo di
elaborazione
1 min 1 min 4 min 11 min
∂t iniziale 0.91287 s 0.45644 s 0.22822 s 0.18257 s
&MATL ID = 'PLASTIC‘
CONDUCTIVITY = 0.2
SPECIFIC_HEAT = 1.5
DENSITY = 1500.
N_REACTIONS = 1
HEAT_OF_REACTION = 3000.
HEAT_OF_COMBUSTION = 25000.
REFERENCE_TEMPERATURE = 400.
NU_FUEL = 1.0 /
SCENARIO SCALATO
36. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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0
100
200
300
400
500
600
700
0 100 200 300 400 500
θ[ºC]
t [s]
100 cm 50 cm
25 cm 20 cm
0
200
400
600
800
1000
1200
0 100 200 300 400 500
θ[ºC]
t [s]
100 cm 50 cm
25 cm 20 cm
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0 50 100 150 200
HRR[kW]
t [s]
100 cm 50 cm
25 cm 20 cm
TEMPERATURA SOFFITTO
SCENARIO SCALATO
TEMPERATURA SORGENTE
RHR
860
880
900
920
940
960
980
1000
1020
0 5000 10000 15000 20000 25000
θ[ºC]
Numero elementi
100 cm 50 cm
25 cm 20 cm
CONVERGENZA TEMPERATURA
44. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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• Il focolaio di incendio viene ben rappresentato anche ricorrendo a pochi elementi;
• La dimensione della griglia è un aspetto fondamentale per lo sviluppo dell’incendio:
un infittimento non sufficiente può simulare un evento non realistico;
• Per cogliere l’interazione tra due oggetti FDS ha bisogno di avere più di una cella
tra i due elementi compresi;
• Lo sviluppo dell’incendio non dipende esclusivamente dal picco di temperatura
raggiunta: un ruolo centrale lo svolge il quantitativo di ossigeno; questo aspetto
viene colto bene da FDS.
RIEPILOGO BENCHMARK
45. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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APPLICAZIONE IN UN BLIND TEST
8120
400040016604001660
13000
6700
400
200
4000
1780
6700
750 2150 500 2400 900
1050
2150
1300
5200
3000
2000
1000
1060
Roof opening 1
Roof opening 2
Door
Fire Room
Hole
Window between
Room and Atrium
Atrium
500
• Altezza dello strato dei fumi;
• Portata volumetrica d’aria
fresca alla porta dell’atrio;
• Temperatura media dei fumi
all’apertura 1;
• Portata volumetrica
all’apertura 1;
• Temperatura media dei fumi
all’apertura 2;
• Portata volumetrica
all’apertura 2.
58. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
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PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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CONDIZIONI AL CONTORNO: MODELLI STUDIATI
Modello Uno Modello Due Modello Tre Modello Quattro Modello Cinque
Numero celle 288000 372000 392000 424500 435750
Calcolatore
Intel Xeon
CPU 3.6 GHz
RAM 3.93 GHz
Intel Xeon
CPU 3.6 GHz
RAM 3.93 GHz
Intel Xeon
CPU 3.6 GHz
RAM 3.93 GHz
Intel Xeon
CPU 3.6 GHz
RAM 3.93 GHz
Intel Xeon
CPU 3.6 GHz
RAM 3.93 GHz
Tempo di
elaborazione
20 ore 22 ore 22 ore 24 ore 25 ore
iniziale
61. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
61/72
PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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PUNTO
cc 2m cc 6m cc 10m cc 14m cc 18m
[°C] [°C] [°C] [°C] [°C]
A
MEDIA 202.84 106.13 87.31 72.08 71.71
MIN 193.68 78.25 53.85 34.40 31.80
MAX 212.73 142.36 126.76 118.27 121.17
PUNTO
cc 2m cc 6m cc 10m cc 14m cc 18m
[°C] [°C] [°C] [°C] [°C]
B
MEDIA 89.26 42.36 26.78 23.67 23.23
MIN 84.82 40.23 26.60 23.70 23.25
MAX 93.23 44.09 26.88 23.55 23.11
CONDIZIONI AL CONTORNO: PUNTI ESTERNI
70. L’azioneincendio:ilfenomenofisico
70/72
PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
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0
50
100
150
200
250
300
0 100000 200000 300000 400000 500000
θ[ºC]
Numero celle
AFC 1
AFC 2
ETH
Prova A
Prova B
Imtech
COWI
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
0 100000 200000 300000 400000 500000
Q[m3/h]
Numero celle
AFC 1
AFC 2
ETH
Prova A
Prova B
Imtech
0
50
100
150
200
250
300
0 100000 200000 300000 400000 500000
θ[ºC]
Numero celle
AFC 1
AFC 2
ETH
Prova A
Prova B
Imtech
COWI
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
0 100000 200000 300000 400000 500000
Q[m3/h]
Numero celle
AFC 1
AFC 2
ETH
Prova A
Prova B
Imtech
Temperatura – Apertura 1
Portata – Apertura 2
CONFRONTO DEI RISULTATI
Temperatura – Apertura 2
Portata – Apertura 1