Validation and assessment of a CFD methodology for fire safety engineering applications

The aim of the present work is to validate and assess a CFD methodology to optimize the design of fire protection systems in Fire Safety Engineering applications. These applications rely in particular on tunnel fire-fighting strategy because of their rapid increase in urban transportation design and the lack of standards and regulation that affect them. For this reason there is an increasing demand for performance-based design in this field, due to the various benefits from this approach. Fire performance strategy is highly assessed to maintain a safe environment for occupants to escape and to preserve structures. To determine whether the system is effective the criteria is defined and scrutinized. Anytime the hypothesis significantly changes during its lifecycle, the system’s performance needs be checked to verify that the safety criteria are met.  Numerical simulations play a significant role when analyzing fire consequence, specifically to address different problems where complex flows need to be resolved (urban underground links, complex buildings with interconnected atria, historical buildings). A code compliant tunnel ventilation system design can be investigated with numerical simulations to verify its performance because design fires may vary significantly. There is not one simple procedure when evaluating different operating conditions because of the many variables; therefore a comprehensive overview of all aspects involved is the aim of this work. This paper provides a numerical set-up presented and applied to evaluate the consequences of design parameters as a tool for system’s performance optimization. Buoyancy driven flows are induced by fire with the formation of hot products, therefore, the primary intent of this research is to establish a validated numerical set up to forecast natural ventilation scenarios: a small-scale compartment fire test and a large scale tunnel fire test. In each case a rigorous methodology have been applied in order to ensure, where possible: grid independence, reproducibility, sensitivity of the model (with particular reference to water spray simulation) and results were backed by experimental validation whenever it was possible.

In assenza di regole tecniche o della loro chiara applicabilità, l’approccio ingegneristico all’ingegneria antincendio (Fire Safety Engineering, FSE) si contraddistingue, nel calcolo e nella determinazione dei parametri di sicurezza mediante l’analisi termofluidodinamica (cosiddetti modelli di campo) come lo strumento di riferimento per la dimostrazione della sicurezza equivalente della soluzione proposta. In Italia, con il decreto del 9 Maggio 2007 si introduce formalmente l’analisi prestazionale nell’ingegneria antincendio e si gettano le basi per il suo sviluppo. Più in generale il Performance Based Design è una tendenza che investe molti altri settori, ma nello specifico della FSE, è di rilievo che definizioni in materia dei requisiti e delle caratteristiche dei codici di calcolo impiegati siano oggetto di norme e prassi condivise (ISO/TR 13387, BS 7974, etc..), proprio per l’importanza che ha nel settore l’omogeneità dei criteri di valutazione impiegati e quindi dei livelli attesi di rischio residuo nelle attività protette. Oggi la FSE è applicata e vista più in associazione alla deroga, ma per quanto sostenuto è probabile che non solo diventi sempre più una prassi, ma possa addirittura intervenire e orientare la normazione verticale, soprattutto dove l’ottimizzare e l’adeguamento dei requisiti di sicurezza comporterebbe la conduzione di un eccessivo numero di sperimentazioni in scala reale. Infatti, mentre la sicurezza ambientale e strutturale riguardano essenzialmente interventi definitivi o straordinari nel corso della vita dell’insediamento, la sicurezza in caso di incendio (e in senso lato la sicurezza nell’uso) richiedono strategie e procedure costantemente aggiornate. Infatti l’analisi di rischio alla base della definizione degli scenari e la definizione dei criteri di sicurezza e quindi di progetto, ha come presupposto la raccolta di tutte le informazioni che concorrono alla definizione dello scenario (vincoli progettuali, condizioni ambientali, disposizione quantità e qualità del combustibile, ventilazione, resistenza al fuoco delle strutture, presidi..) e la definizione dello scenario stesso è funzione dell’obiettivo di sicurezza da raggiungere. Pertanto se da una parte l’approccio prestazionale permette di ridurre i costi o trovare soluzioni equivalenti rispettando opportuni vincoli progettuali, dall’altro non è certo uno strumento che può avere come unico scopo la riduzione dei coefficienti di sicurezza nella progettazione. Invece può essere un utile strumento per alzare il livello significativamente il livello di sicurezza e garantire il suo mantenimento nel tempo al variare delle condizioni progettuali.