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Le Origini - LA SCOPERTA DEL FUOCO. L'INGEGNERIA ANTINCENDIO NELLA STORIA

Autore Gianfranco Rocchi | Chief Communication Officer | 15 Dicembre 2021 |

* in copertina: tratto dal calendario Mozzanica 2021 – Leonardo Da Vinci, studio della pompa centrifuga, 1508.

La prima ingegneria antincendio si può far risalire a quando gli urbanisti – intesi non nel senso di cultori della disciplina che conosciamo oggi ma nel senso lato di coloro che regolavano lo sviluppo cittadino e quindi sovrani, funzionari statali, militari, etc.- idearono norme di buon senso per evitare che edifici, quartieri o un'intera città bruciasse, come accadeva, purtroppo, talvolta.

Nerone non stava suonando la lira mentre le fiamme divoravano l’Urbe, nel 64 d.C. – questa è una leggenda – ma dopo l’incendio la sua amministrazione promulgò delle norme che regolavano i metodi di costruzione, prevendendo l'uso di materiali ignifughi per le mura esterne nella ricostruzione della città (e furono specificati anche i tipi di pietra ignifuga consentita), strade più larghe e spazi aperti per evitare che il fuoco si propagasse. Impose restrizioni di altezza alle insulae, veri e propri condomini, che si erano rivelate trappole micidiali. Furono anche poste delle guardie alle fontane ed alle mostre dell’acqua per prevenire che questa venisse attinta illegalmente dalla rete idrica. I regolamenti imponevano per giunta che le attrezzature antincendio (secchi, ganci, etc.; ne abbiamo già parlato in altri articoli di questa collana) dovessero essere tenuti in vista del pubblico. 

 

Potremmo fare la storia dell’ingegneria antincendio ripercorrendo i grandi incendi che ne hanno costellato l’evoluzione; potremmo ricordare il grande incendio di Londra, Chicago, o quelli del Triangle Shirtwaist Factory o del Cocoanut Grove o altri, alcuni dei quali già raccontati in queste pagine. Sarebbe una narrazione possibile e corretta, molte innovazioni furono forgiate tra quelle fiamme. Tuttavia in questo articolo abbiamo scelto un’altra chiave di lettura. Quella della lunga impresa scientifica della comprensione del fuoco e delle misure per proteggersi dai suoi danni, e lo faremo attraverso alcune biografie. Inevitabilmente si tratterà di una cronaca incompleta ma ci auguriamo che riesca a rendere l’idea delle fondamenta su cui poggia la moderna ingegneria antincendio. Questa, infatti, fa tesoro della ricerca, spesso empirica ed affidata a inventori ed industriali, che ha condotto allo sviluppo di sistemi di prevenzione, rilevazione e soppressione ma, per fare il salto quantico che ha iniziato a fare, verso un approccio prestazionale e predittivo, deve affidarsi sempre più ad una comprensione teorica delle dinamiche fisiche e chimiche in gioco.

 

la scoperta del fuoco

Combustione, fuoco e fiamma sono stati osservati e studiati fin dai tempi più antichi. Ogni civiltà ha avuto la sua spiegazione. I greci interpretavano la combustione in termini di dottrine filosofiche, una delle quali era che un certo "principio infiammabile" era contenuto in tutti i corpi combustibili e questo principio sfuggiva quando il corpo veniva bruciato per reagire con l'aria.

Nel suo Sylva Sylvarum, or a Natural History, in Ten Centuries: Whereunto Is Newly Added, the History Natural and Experimental of Life and Death, or of the Prolongation of Life, già nel 1658, Sir Francis Bacon descriveva una serie di esperimenti sulla combustione osservando diverse proprietà delle fiamme e intuendo che il  calore  era nient’altro  che:

“movimento,  rapida e vigorosa  agitazione  delle particelle  di cui è composta  la materia”.

Ma questo non fu sufficiente per scalfire la fede nei principi classici di Empedocle e Aristotele, da cui derivò la teoria del flogisto , formulata nel XVII secolo.

Trattata dapprima come una qualità puramente metafisica , il flogisto fu poi concepito come una sostanza materiale avente peso e, talvolta, peso negativo.

Johann Joachim Becher nel 1669 espose la sua opinione secondo cui le sostanze contenevano tre tipi di terra, che chiamò rispettivamente vetrificabile, mercuriale e combustibile. Quando una sostanza bruciava, era la supposizione, si liberava la terra combustibile (dal latino terra pinguis, terra grassa).  A questa ipotetica sostanza Georg Ernst Stahl , all'incirca all'inizio del XVIII secolo, applicò il nome flogisto (dal greco, che significa "bruciato"). Stahl riteneva che anche la corrosione dei metalli nell'aria fosse una forma di combustione , così che quando un metallo veniva convertito in calx o cenere metallica (il suo ossido, in termini moderni), il flogisto andava perduto. Pertanto, i metalli sarebbero stati composti da calx e flogisto. La funzione dell'aria era, in questa  teoria, semplicemente quella di portare via il flogisto liberato.

La principale obiezione alla teoria, che la cenere delle sostanze organiche pesava meno dell'originale mentre il calx era più pesante del metallo, era di scarso significato per Stahl, che pensava al flogisto come un "principio" immateriale piuttosto che come una sostanza reale. I successori, che considerarono il flogisto come una vera sostanza si arrovellarono per giustificare i cambiamenti di peso derivanti dalla combustione, elaborando la teoria in maniera che in certi casi il flogisto nei metalli avesse un peso negativo e, fuoriuscendo durante la combustione, lasciasse la cenere del metallo più pesante di quanto non fosse prima.

 

► scopri di più: PROGETTAZIONE ANTINCENDIO MOZZANICA

 

Fu Antoine-Laurent Lavoisier  tra il 1770 e il 1790 che si occupò di demolire definitivamente la teoria del flogisto. Lavoisier studiò proprio questi cambi di peso e mostrò che l'elemento l'ossigeno, appena scoperto, era sempre coinvolto1.

La ricerca di Lavoisier si era concentrata sull'aumento e la perdita di peso nella calcinazione . Si sapeva che quando i metalli si trasformavano lentamente in polveri (calx), come si osservava nell'arrugginimento del ferro, il calx in realtà pesava più del metallo originario, mentre quando il calx veniva “ridotto” a metallo, si verificava una perdita di peso. Lavoisier ipotizzò che fosse probabilmente la fissazione e il rilascio di aria, piuttosto che il fuoco, a causare gli aumenti e le perdite di peso osservati. Questa idea ha impostato il corso della sua ricerca per il decennio successivo2.

Ricco, nobile ed enormemente ambizioso, Lavoisier va ricordato, più che per delle scoperte, per lo sforzo, coronato dal successo, nel sistematizzare la chimica. Nel 1785 la sua nuova teoria della combustione stava guadagnando credito. Una tattica per aumentare l'ampia accettazione della sua nuova teoria era proporre un metodo correlato per nominare le sostanze chimiche. Nel 1787 Lavoisier e tre eminenti colleghi pubblicarono una nuova nomenclatura della chimica, che fu presto ampiamente accettata. Due anni dopo Lavoisier pubblicò un programmatico Traité élémentaire de chimie  che descriveva i metodi precisi che i chimici avrebbero dovuto impiegare indagando, organizzando e spiegando i loro argomenti.

Quando iniziò la Rivoluzione francese nel 1789, Lavoisier, come molti altri illuministi, la vide come un'opportunità per razionalizzare e migliorare la politica e l'economia della nazione. Tale ottimismo fu però presto mitigato da sconvolgimenti che mettevano a rischio l'esistenza stessa dello Stato. Lavoisier, forse sopravvalutando l'autorità della scienza e il potere della ragione , continuò a consigliare i governi rivoluzionari sulla finanza e su altre questioni, e né lui né sua moglie fuggirono all'estero quando la rabbia popolare si rivolse contro coloro che avevano esercitato il potere e godevano di privilegi sociali nel vecchio regime. Mentre la Rivoluzione diventava sempre più radicale, Lavoisier continuò a sostenere che l'Accademia delle Scienze doveva essere salvata perché i suoi membri erano fedeli e indispensabili servitori dello stato. Questa azione di retroguardia non ebbe successo e presto si trovò imprigionato. La Repubblica veniva epurata dal suo passato monarchico. Nel maggio 1794 Lavoisier, suo suocero e altri 26 esattori delle tasse furono ghigliottinati. Riconoscendo la statura scientifica di Lavoisier, suo contemporaneo, Joseph-Louis Lagrange , ha commentato:

"Ci è voluto solo un istante per tagliare quella testa, e cento anni potrebbero non produrne un'altra simile".

Dal 1815 al 1819 chimico inglese Sir Humphry Davy fece esperimenti sulla combustione, comprese misurazioni della temperatura della fiamma, indagini sull'effetto sulle fiamme di gas rarefatti e diluizione con vari gas; ha anche scoperto la combustione catalitica ovvero l'ossidazione di combustibili su una superficie catalitica accompagnata dal rilascio di calore ma senza fiamma.

Nonostante queste scoperte, la teoria materialistica della combustione mancava di una chiara comprensione del ruolo critico che l’energia gioca in nel fenomeno.

Sarà per merito degli esperimenti di Sir Benjamin Thompson, nel 1798, che il concetto di calore come movimento di particelle comincerà ad assumere una veste scientifica. Infine lo sviluppo della teoria cinetica dei gas, della termodinamica e della termochimica lungo il XIX secolo, ha finalmente diradato le nebbie che ancora aleggiavano sulla comprensione della combustione; in particolare ci riferiamo alle indagini sulle velocità di combustione e agli studi sulla luce emessa dalle fiamme, che hanno portato alle teorie sugli spettri atomici e molecolari, che a loro volta hanno contribuito alla comprensione della natura delle fiamme. L’Ottocento vedrà anche il primo scientifico controllo della detonazione, prima con le misure di precauzione (come la lampada di Davy e dispositivi analoghi di cui abbiamo già parlato diffusamente nell’articolo dedicato ai sistemi di rilevazione) e quindi, all'inizio del XX secolo, ad una vera e propria teoria della detonazione basata sul presupposto che un gas si comporti come un fluido in determinate condizioni. Dopo gli anni '30 la cinetica chimica divenne una parte indispensabile della teoria della propagazione della fiamma.

La complessità del meccanismo di reazione di combustione,  le temperature e le concentrazioni rapidamente variabili nella miscela rendono ancor’oggi difficile e spesso impossibile derivare un'equazione utile per prevedere i fenomeni di combustione su ampi intervalli di temperatura e concentrazione. Si utilizzano invece espressioni empiriche derivate per condizioni di reazione specifiche.

 

sulle pagine dei giornali

Uno dei primi riferimenti all'ingegneria della protezione antincendio come disciplina apparve nel Worcester Polytechnic Institute Journal nel 1898. Henry Lucian Phillips3, scriveva che era sicuro profetizzare che non sarebbero passati molti anni prima che l’ingegneria della protezione antincendio entrasse a far parte di lezioni o regolari corsi universitari. Phillips non sapeva che 81 anni dopo, nel 1979, la sua alma mater avrebbe istituito il primo master of science in ingegneria antincendio4.

 

In quell’epoca in cui la sicurezza antincendio stentava ancora a definire il suo ruolo, si accese un faro che illuminò la scena e che oggi ci consente una ricostruzione storica.  Era il 1877, sei anni dopo il grande incendio di Chicago che uccise 250 persone e distrusse 196 milioni di dollari in proprietà. La guerra di secessione era terminata da appena 12 anni e le ferite non si erano rimarginate, ma l'America andava avanti, si industrializzava, cresceva. Le città fiorenti avevano portato nuove sfide alla lotta antincendio. I grattacieli si estendevano oltre la portata delle scale dei vigili del fuoco, gli stabilimenti produttivi costellavano il paesaggio urbano e le città affollate erano piene di case popolari. L'America stava diventando una sfrenata potenza industriale mondiale, con tutte le insidie ​​della sicurezza antincendio che ne derivavano.

Queste pressioni hanno portato a progressi nella messa a punto di autorespiratori e nuove scale aeree, rilevatori di calore telegrafici venivano installati negli spazi commerciali, così come i nuovi sprinkler di Henry Parmelee. 

In questo clima Peter Y. Everett e Clifford Thomson pubblicarono il primo giornale nazionale dei vigili del fuoco in America, "dedicato agli interessi dei vigili del fuoco del paese". Lo chiamarono, appropriatamente, National Fireman`s Journal.

Everett e Thomson, entrambi newyorkesi, si occupavano di editoria ma erano anche "Old Vamps", come venivano chiamati i vigili del fuoco volontari di New York City prima che la città organizzasse un servizio municipale a tempo pieno retribuito nel 1865; Everett aveva avuto una lunga collaborazione con il vecchio dipartimento di volontariato e si era ritirato come assistente ingegnere.

Fu quindi con la passione per i vigili del fuoco che i due formarono la “Everett & Thomson Co., Publishers” e, come co-editori, produssero il 17 novembre 1877 la loro prima fatica. 

“Iniziamo la pubblicazione del Journal perché crediamo che un tale documento sia necessario….“

Thomson, in una brillante orazione intitolata "The Literature of Fire Service", pronunciata al convegno del 1878 della National Association of Fire Engineers osservò che, nonostante lo status crescente della professione di vigile del fuoco la letteratura sui vigili del fuoco era ancora trascurabile:

“i nostri pompieri hanno bisogno di una conoscenza tecnica più approfondita e completa dell'arte (perché è un'arte) di spegnere gli incendi. Come ottenere questa conoscenza tecnica?

…Il nostro servizio non ha letteratura – nessuna storia scritta, nessun trattato scientifico, nessun libro di testo, nessun manuale di esercitazione, nessuno standard di regole e regolamenti…. Mentre le perdite per incendio nel Paese sono pari a 100.000.000 di dollari l'anno, chi può dire quanto si ridurrebbe se ogni vigile del fuoco avesse una conoscenza scientifica dei migliori mezzi di estinzione degli incendi, nonché l'esperienza pratica maturata sul campo? Affinché il nostro servizio antincendio possa raggiungere il più alto grado di efficienza possibile, spero di vedere presto la nostra letteratura antincendio ampiamente arricchita dai contributi stampati di molti vigili del fuoco capaci ed esperti.”

Dopo questo discorso la National Association of Fire Engineers ha nominato il National Fireman's Journal il suo "organo ufficiale". Gli imprimatur ufficiali delle associazioni statali dei vigili del fuoco, hanno avuto una notevole influenza e hanno coinciso con un brusco aumento degli spazi pubblicitari a pagamento, poiché i produttori hanno iniziato a rendersi conto dei vantaggi del marketing attraverso un giornale nazionale sponsorizzato, che la gente leggeva.

 

► scopri di più: MOZZANICA PER LA CULTURA ANTINCENDIO 

 

Divenne presto un settimanale di 16 pagine, ricco di numerosi servizi e articoli in ogni numero, tra cui una serie di storie principali, la corrispondenza, notizie, editoriali, documenti tecnici e interessanti miscellanee5.

Gli editori del National Fireman`s Journal hanno rapidamente identificato l'edificio e il suo contenuto come il nemico dei vigili del fuoco e della sicurezza della vita in generale. Nel numero inaugurale, scrivono,

“Non ultimo tra i tanti pericoli che i Vigili del fuoco sono chiamati ad affrontare è quello che deriva dall'erezione di edifici mal costruiti e insicuri…. Non c'è quasi un resoconto pubblicato di gravi incendi che si verificano nelle nostre grandi città che non facciano menzione di vigili del fuoco uccisi o mutilati a vita dalla caduta di muri…. Nella maggior parte delle città ci sono leggi edilizie che dovrebbero disciplinare la costruzione degli edifici, ma queste leggi sono ampiamente ignorate o applicate con il massimo grado di lassismo.”6.

Anche le compagnie di assicurazione erano in cima alla “lista dei cattivi” del Journal. Thomson biasimava la pratica comune di sovraassicurare le proprietà contro gli incendi, che promuoveva l'incendio doloso a scopo di lucro. 

"Le compagnie di assicurazione devono essere considerate come gli incendiari più pericolosi in mezzo a noi, non le persone che effettivamente appiccano il fuoco, ma forniscono il movente all'autore e sono complici sia prima che dopo il fatto". 

Thomson definì le compagnie di assicurazione nemiche dei vigili del fuoco efficienti. E citò il presidente di una compagnia di assicurazioni

"Non vogliamo rendere i vigili del fuoco troppo efficaci; Se lo diventano, i cittadini faranno affidamento su di loro per salvare la loro proprietà piuttosto che pagarci i premi per l'assicurazione".

Un problema che dovette probabilmente riscontrare anche Zachariah Allen, un produttore tessile del Rhode Island.

 

mutuo soccorso e ricerca

Allen nel 1822 costruì un lanificio a North Providence sulle rive del fiume Woonasquatucket, in cui adottò caratteristiche innovative di sicurezza antincendio e miglioramenti meccanici, alcuni di sua stessa invenzione7.

L'Allendale Mill è stata una delle prime fabbriche tessili statunitensi ad incorporare la cosiddetta costruzione "a combustione lenta", che consisteva in un sistema di colonne in ghisa che sostenevano grandi travi ricoperte da pesanti assi di legno per i pavimenti e il tetto e l'insieme di scandole in malta, in contrasto con il sistema tradizionale di travetti più leggeri e pavimentazione più sottile. L'impianto conteneva anche altre caratteristiche innovative di sicurezza antincendio, tra cui il primo utilizzo di pesanti porte tagliafuoco, un sistema sprinkler, una pompa antincendio rotativa.

Ma non ricordiamo qui Allen per il suo ruolo di inventore, quanto piuttosto per un altro aspetto che lo resero un pioniere dell'antincendio. Intorno al 1834, dopo aver preso le numerose misure, che abbiamo visto, per proteggere la sua fabbrica dal fuoco, l’imprenditore fece appello alla sua compagnia di assicurazioni per abbassare i suoi premi. La compagnia di assicurazioni affermò di

"non sapere nulla della sua fabbrica né dei suoi sistemi"

e si rifiutò di adeguare il premio. Allen studiò il problema e nel 1835 si unì a diversi altri industriali per fondare la Providence Manufacturers Mutual Fire Insurance Company, introducendo un sistema di premi basati sull'efficacia delle attrezzature di sicurezza in base alla natura dell'attività, all'adeguatezza dell'apparato antincendio e ai metodi di costruzione della fabbrica.

Nel 1848, Allen formò un'altra compagnia di mutua assicurazione, la Rhode Island Mutual Fire Insurance Company. Due anni dopo, James Read e altri, dopo aver consultato Allen, fondarono la Boston Manufacturers Mutual Insurance Company. Il sistema di mutua assicurazione di fabbrica sarebbe stato duplicato in dozzine di altre località entro la fine del XIX secolo.

Il moderno discendente della Mutual Fire Insurance Company di Zachariah Allen, ora nota come FM Global, mantiene la sua sede a Johnston, nel Rhode Island , non lontano da Allendale Mill.

Perché parliamo di un assicuratore, per quanto pionieristico, in un articolo dedicato all’ingegneria antincendio? Il modello della sua compagnia assicurativa e di quelle che nacquero ispirandosi a quel modello, era basata sul concetto di assicurare solo le fabbriche che erano buoni rischi e che alla fine avrebbero pagato meno per l'assicurazione perché ci sarebbero probabilmente state meno perdite.

Per mettere in pratica il modello era necessario valutare il rischio della singola realtà produttiva e non solo applicare dei principi statistici. Era in altre parole necessario conoscere (ed in seguito sviluppare) metodi di prevenzione degli incendi adeguati e regolari ispezioni antincendio. Nel 1878, l'ingegnere del MIT, C.J.H. Woodbury fu assunto come ispettore per Boston Manufacturers' Mutual Fire Insurance Company, una delle compagnie di assicurazione mutualistiche. Questo uso di un ingegnere come ispettore antincendio rende Woodbury uno dei primi (se non IL primo) vero ingegnere della protezione antincendio. Il secondo ingegnere del MIT ad unirsi a Factory Mutual (FM) fu John R. Freeman.

 

► scopri di più: MOZZANICA PER LA SICUREZZA ANTINCENDIO 

 

Nato nella fattoria di suo padre ed educato nella scuola di campagna nella sua città natale e poi le scuole pubbliche a Portland, nel Maine e Lawrence, nel Massachusetts, ciononostante John Ripley Freeman era uno studente così brillante che riuscì ad essere ammesso al prestigioso Massachusetts Institute of Technology nel 1872, laureandosi in ingegneria civile nel 1876. La sua carriera presso la società di energia idrica dell'Essex come assistente dell'ingegnere della società, lo portò a conoscere altri importanti ingegneri tra cui una nostra vecchia conoscenza, James B. Francis. Nel 1886 si trasferì a Boston, dove fu nominato ingegnere e ispettore presso la Associated Mutual Fire Insurance Company.  Nei decenni successivi sarebbe stato ingegnere progettista per diversi progetti idrici negli Stati Uniti e non solo (vale la pena ricordare almeno il suo contributo alla progettazione del Canale di Panama). Se l’idraulica rimase la sua grande passione, tuttavia, l’antincendio fu un ambito in cui diede contributi decisivi.

Come detto, nel 1886 divenne Ingegnere e Ispettore Speciale per la Associated Mutual Fire Insurance Company dove sviluppò innovazioni per la prevenzione ed il controllo degli incendi che lo renderanno famoso a livello internazionale. Il suo modello si basava sulla riorganizzazione del servizio di ispezione, su una serie di esperimenti progettati per migliorare e standardizzare gli apparati antincendio ed infine sull’indagine scientifica sulle cause degli incendi8.

Nel 1896 il Dr. Freeman fu eletto fondatore e Presidente della Massachusetts Mutual Fire Insurance Company9.

Tra il 1896 e il 1932, l’anno della sua morte, i profitti dei  soci-assicurati aumentarono di più di quaranta volte, mentre le perdite si ridussero a un quattordicesimo del loro importo nel 1896. La restituzione, ai  soci-assicurati, dei dividendi salì al 96% dei premi. 

Il laboratorio istituito da Freeman per testare le attrezzature antincendio è stato l'umile inizio degli sforzi di ricerca di Factory Mutuals per sostenere l’ingegneria della protezione antincendio.

Factory Mutuals è cresciuta in influenza e dimensioni fino a diventare uno dei principali assicuratori di proprietà a rischio altamente protetto (HPR) in tutto il mondo, portando avanti l’impiego dell'ingegneria antincendio per ottenere la prevenzione della perdita di proprietà. Factory Mutuals ha anche continuato ad espandere le sue attività di ricerca per soddisfare le esigenze dell'ingegneria antincendio, compresa la continua espansione della sua capacità di test antincendio a grande scala.

Nel 1890, 11 compagnie di assicurazione azionaria si unirono per formare la Factory Insurance Associazione (FIA) mettendosi in concorrenza con Factory Mutuals con cui condivideva la stessa premessa di base: le proprietà industriali potevano essere assicurate in modo redditizio se le perdite venivano ridotte al minimo utilizzando una buona protezione antincendio e frequenti ispezioni da parte di persone qualificate.

FM e FIA sono state le prime organizzazioni assicurative a utilizzare ingegneri come ispettori, cosa che le ha spinte a creare programmi di formazione specialistici. Un corso di laurea formale in ingegneria antincendio è stato istituito per la prima volta, negli Stati Uniti, però, solo nel 1903, quando diversi importanti dirigenti di assicurazioni antincendio e il fondatore di Underwriters Laboratories, William Merrill, unirono le forze per proporre l'istituzione del primo corso di laurea in Fire Protection Engineering negli Stati Uniti presso l’Armour l'Illinois Institute of Technology di Chicago, IL. Da qui, al già citato master del Worcester Polytechnic Institute il passo fu breve. Negli anni, un certo numero di corsi di laurea FPE sono stati istituiti intorno al mondo, compresi i programmi in Canada, Nuova Zelanda, Svezia, Australia, Scozia, Hong Kong e Irlanda del Nord. Oggi, tuttavia, ci sono ancora meno di una dozzina di corsi di laurea in Fire Protection Engineering, in tutto il mondo.

 

intanto in Europa…

L’approccio "reattivo" alla sicurezza antincendio rappresentava la consuetudine fino al XX secolo quando lo sviluppo della scienza e della tecnologia aumentò esponenzialmente e, in particolare dopo il secondo conflitto mondiale, nuovi materiali sintetici furono stati rapidamente adottati come sostituti ai materiali tradizionali, e ben presto divenne ovvio che non si comportavano allo stesso modo, in termini di reazione al fuoco, dei materiali che avevano sostituito10. Era emersa, nel frattempo, anche una migliore comprensione del comportamento delle strutture e la crescente disponibilità di acciaio fornì ad architetti e ingegneri strutturali nuove opportunità per progettare edifici grandi e relativamente leggeri. Anche questi rispondevano in modo diverso nel fuoco rispetto ai precedenti manufatti. In risposta ad alcuni di questi problemi, oltre che, come abbiamo visto negli Stati Uniti, anche altri diversi paesi stabilirono strutture di ricerca antincendio per fornire supporto scientifico e tecnico alle autorità che dovevano presiedere alla sicurezza antincendio.

Nel Regno Unito, fu già dalla fine della prima guerra mondiale che mosse i primi passi una forma istituzionalizzata di ingegneria antincendio, quando il 31 ottobre 1918, dirigenti dei vigili del fuoco britannici tennero una riunione presso il quartier generale dei vigili del fuoco a Leicester, con lo scopo di creare un'associazione professionale di ingegneri antincendio. L'incontro successivo, del neonato Institute of Fire Engineers ebbe luogo il 2 gennaio 1919, a Londra, quando fu annunciato che 40 Chief Officer avevano accettato di diventarne membri. Negli anni successivi, furono aperte filiali all'estero conosciute come consigli coloniali. Gli obiettivi dell'Istituzione erano promuovere la scienza e la pratica dell'ingegneria antincendio e consentire ai membri di incontrarsi e corrispondere tra loro per scambiare idee per il miglioramento di tale scienza e per pubblicare informazioni su questi argomenti.

Nel corso degli anni, l’Institute of Fire Engineers ha collaborato con vari dipartimenti governativi del Regno Unito e non solo per migliorare i regolamenti e la legislazione antincendio.

Un anno prima della fondazione dell’Institute of Fire Engineers, nel 1917, l'allora Department of Scientific and Industrial Research (DSIR) propose la creazione di un'organizzazione per studiare vari materiali e metodi di costruzione adatti all'uso nelle nuove abitazioni dopo la prima guerra mondiale. Oltre a quello per la ricerca sull'edilizia, sotto il DSIR furono formati un certo numero di altri comitati di ricerca, tra cui, dal 1909 uno dedicato alla prevenzione incendi. Non fu per diverso tempo una priorità, tuttavia, infatti sebbene il DSIR avesse raccomandato nel 1920 la costituzione di un Fire Research Board, a differenza di altri, questo non fu creato per un altro quindicennio. A quell'epoca, la funzione era, in un certo qual modo, coperta dal Fire Offices’ Committee (FOC), che rappresentava gli interessi di prevenzione dei sinistri di varie compagnie di assicurazione, e che effettuava prove antincendio a Manchester, in modo indipendente. La situazione cambiò nel 1935 quando DSIR e FOC, insieme ad altre parti interessate, aprirono una Fire Testing Station a Elstree nell'Herfordshire. Questa struttura era a disposizione del personale della Building Research Station (BRS), che effettuò una serie di prove sulla resistenza al fuoco delle strutture. I piani presentati nel 1936 per formare un Comitato di ricerca sulla prevenzione degli incendi finanziato a livello centrale furono interrotti dalla seconda guerra mondiale. Nel 1946, DSIR e FOC istituirono la Joint Fire Research Organization per condurre ricerche su tutti gli aspetti della prevenzione e dell'estinzione degli incendi. Questo divenne, finalmente, il Fire Research Board nello stesso anno e 1949 il sito di Elstree fu ribattezzato Fire Research Station.

Questa struttura fu incorporata nel Building Research Establishment nel 1972, ancora in funzione da Elstree, e continua anche a utilizzare un ex hangar per dirigibili a Cardington nel Bedfordshire per test di incendio ed esplosione su larga scala. Nel 1975 la Joint Fire Research and Testing Organization fu suddivisa in Fire Research Station (di proprietà del governo) e Fire Insurers Research and Testing Organization (FIRTO, in seguito diventato il Loss Prevention Council).

La Fire Research Station si è rapidamente affermata come un centro chiave di ricerca sulla prevenzione e il controllo degli incendi e un precursore nello sviluppo dell'ingegneria della sicurezza antincendio. La sua ricerca straordinariamente diversificata ha spaziato dall'indagine sugli incendi di importanza nazionale, tra cui il Bradford City Football club e il Castello di Windsor, allo sviluppo pionieristico della modellazione computerizzata degli incendi, che è oggi la base della progettazione dell'ingegneria della sicurezza antincendio in tutto il mondo11.

Nel 2000 BRE ha acquisito il Loss Prevention Certification Board (LPCB) - istituito nel 1985 per valutare e approvare i prodotti antincendio e di sicurezza.

Nel 1994, FRS lasciò Elstree e si trasferì nella sede della BRE a Watford. Contemporaneamente, nel sito BRE è stata costruita una nuova burn hall per prove antincendio, che ospita un calorimetro da 10 MW, il più grande del suo tipo in Europa.

 

la prova del fuoco

Tuttavia questo percorso non fu esente da ostacoli ed errori. Una parte delle prime ricerche, ad esempio, è stata dedicata allo sviluppo metodi di prova antincendio, ma progettati solo per "classificare" i materiali in base alle loro prestazioni nel test a fuoco, con il tacito presupposto che questa classifica fosse rilevante per il loro comportamento in incendi reali. Queste classifiche sono diventate il mezzo con cui i materiali sono stati selezionati per l'uso, secondo alle normative di riferimento. Tuttavia, i risultati erano estremamente dipendenti dall'apparato e diversi test, che si proponevano di valutare le stesse caratteristiche, hanno fornito risultati molto diversi tra loro.

Inoltre, la maggior parte dei test erano in ritardo rispetto all’introduzione, nella costruzione e nell’arredamento, di nuovi materiali.

Negli Stati Uniti, lo Steiner Tunnel Test (ASTM E84) fu sviluppato per valutare la velocità di diffusione della fiamma di materiali di rivestimento combustibili. Inventato nel 1922 dall'ingegnere UL Albert J. Steiner, il forno a tunnel era utilizzato per determinare la velocità di propagazione di una fiamma su superfici di materiali che includevano diversi tipi di materiali da costruzione, fili e cavi, per testare le finiture di pareti e soffitti interni di edifici per la loro capacità di sostenere e propagare il fuoco e per la loro tendenza a emettere fumo. Si trattava di un tunnel rettangolare chiuso lungo 7,3 metri e largo 0,56 metri. L'apparato era dotato di due bruciatori a gas che fornivano un'intensità di fiamma di 89 kilowatt e l'aria e i prodotti della combustione venivano  spostati attraverso il tunnel da un sistema di ventilazione a una velocità controllata di 73 metri al minuto. Gli ingegneri registravano la velocità della fiamma mentre si muoveva sulla superficie del materiale guardando attraverso piccole finestre sul lato del tunnel, mentre il fumo emesso dall'estremità del gruppo di prova veniva misurato secondo un fattore di densità ottica. Sia l'indice di propagazione di fiamma, sia quello dei fumi sviluppati, erano calcolati rispetto ad una scala arbitraria in cui il pannello di cemento-amianto ha un valore di 0 e il legno di quercia rossa ha valore 100.

Nonostante il fatto che i materiali di rivestimento fossero per la maggior parte usati su superfici verticali (pareti, ecc.), il tunnel riproduceva uno scenario di propagazione orizzontale.

Purtroppo il test si è rivelato totalmente inappropriato per una schiuma di plastica rigida; una applicazione acritica del test ha registrato una diffusione della fiamma inferiore a 20 per questo materiale, consentendone l'utilizzo nel mercato, inclusa la sua posa il verticale come rivestimento a parete. A causa di ciò, due gravi incendi nei primi anni 1970, hanno portato a gravi perdite di vite umane e successivi importanti contenziosi e l'industria delle materie plastiche fu giudicata negligente e multata di ben cinque milioni di dollari. Questi fondi furono destinati alla ricerca sulle proprietà antincendio delle materie plastiche e finanziarono lo sforzo di ricerca sul comportamento al fuoco dei materiali. Queste ricerche indussero una rivalutazione della metodologia di prova antincendio e alla fine portarono allo sviluppo di una nuova generazione di test, i reaction to fire tests, progettati molto di più scientificamente12.

Nello stesso decennio, edifici di dimensioni e complessità crescenti, compresi i grattacieli, centri commerciali e grandi terminal aeroportuali stavano diventando sempre più comuni.

Molti di questi non potevano essere resi "conformi al codice", in particolare per quanto riguarda le vie di fuga, e le deroghe applicate non si basavano su metodologie quantitative per avvalorare le decisioni. La soluzione era, normalmente, quella di introdurre qualche protezione antincendio aggiuntiva all'edificio, come ad esempio il rilevamento automatico e allarme, un sistema sprinkler o una maggiore resistenza al fuoco delle compartimentazioni. Il 2 agosto  1973 il Summerland Leisure Complex sull'Isola di Man fornì esempio di quello che poteva andare storto con questo approccio. Fondamentalmente, il complesso era molto grande, senza compartimentazioni e progettato per consentire la libera circolazione degli ospiti, fornendo allo stesso tempo il massimo possibile illuminazione naturale. Quest'ultimo aspetto era stato ottenuto realizzando vetrate su due pareti esterne e sul tetto. Poiché il vetro sarebbe stato troppo pesante per la struttura proposta, gli architetti hanno cercato una soluzione tra le pieghe delle normativee individuarono dei pannelli in Oroglas, un polimetilmetacrilato, ammesso all’uso sulla base del fatto che aveva superato l'allora esistente British Standard Ignitability Test, BS 467 Part 5. Per superare questo test, un campione del materiale veniva tenuto in posizione verticale e sottoposto a un piccola fiamma applicata al centro della faccia del campione per 10 secondi. Se, quando la fiamma veniva rimossa, la combustione cessava entro 10 secondi, il materiale aveva superato il test. Quasi tutti i materiali combustibili densi, di spessore superiore a circa 4 mm, avrebbero superato questo test che nulla diceva, però, riguardo ai tempi di esposizione più lunghi, alla presenza di più fonti di innesco, etc.. Altre deroghe erano state concesse al progetto, come ammettere la sostituzione di un tipo di fibra di legno con del cartongesso all'interno di un’intercapedine dove, poi, ha avuto origine l'incendio, che si portò via 56 vite umane.

 

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Non solo non c'era un metodo con cui le conseguenze delle deroghe potevano essere testate, ma coloro che erano responsabili della loro concessione non erano a conoscenza delle debolezze del sistema. L’accettazione cieca del risultato di un singolo "test standard" era una chiara indicazione della mancanza di comprensione del comportamento del fuoco.

Era anche chiaro, nel 1960, che i vigili del fuoco dovevano affrontare sfide per le quali erano mal preparati. La maggior parte di queste erano associate al nuovo patrimonio edilizio ma crescenti difficoltà si incontravano anche nel settore chimico e industrie petrolchimiche. Un esempio lampante è l'incendio che si è verificato nel deposito di stoccaggio del carburante a Feyzin in Francia nel 1966, dove persero la vita 9 vigili del fuoco che erano di fronte a un pericolo che non avevano mai incontrato prima, vale a dire l’incendio di un horton sphere, un grande serbatoio di stoccaggio pressurizzato sferico contenente GPL; l’intraprendere azioni inappropriate ha permesso a un serbatoio di cedere durante le operazioni antincendio con un conseguente, devastante, BLEVE13. Stava diventando sempre più chiaro che era necessario un nuovo approccio.

 

Una fase chiave dell'evoluzione è stata avviata dal Chief Fire Officer di Edimburgo e del Sud Est Scozia, Firemaster Frank Rushbrook. Rushbrook riconobbe i cambiamenti  e giunse alla conclusione che era giunto il momento di incoraggiare l’ingresso di laureati nel servizio antincendio per aiutare ad affrontare queste nuove sfide. Persuase l'Università di Edimburgo a istituire un Dipartimento di Ingegneria Antincendio. L'obiettivo principale di fondo era quello di sviluppare la disciplina accademica – includendo come componente principale la scienza del fuoco – per sfornare ingegneri antincendio con sufficiente conoscenza per poter interagire su un piano di parità con architetti, ingegneri, designer e manager di grandi strutture.

Rushbrook  raccolse fondi da un certo numero di imprese industriali e commerciali, tuttavia furono sufficienti solo per iniziare un programma post-laurea nel 1974. Questa fu una delusione per lui ed inoltre c'erano seri dubbi sul fatto che i giovani che lasciavano la scuola potessero essere attratti da una disciplina a cui mancava uno status accademico. Il corso prese comunque il via e fu condotto dal professor David Rasbash, cui fu assegnata la nuova cattedra di ingegneria antincendio nel 1973. In precedenza, Rasbash, era stato capo della divisione antincendio presso la Research Fire Station di Borehamwood.

Il master durò nove anni, laureando 53 studenti di Master e 15 studenti di diploma post-laurea. Cessò nel 1983 quando i fondi si esaurirono e per i successivi 17 anni il restante personale si concentrò sulla ricerca, la consulenza e la fornitura di corsi brevi per l'industria e moduli specialistici per studenti dell'ultimo anno in Ingegneria Civile e Architettura. Sebbene sia durato poco, è stato abbastanza lungo da stabilire la  Fire Safety Engineering come disciplina accademica all'interno dell'ingegneria nel panorama accademico britannico.

L'emergere della disciplina dell’ingegneria antincendio coincise con l'introduzione di codici di costruzione performance-based in molti paesi, tra cui Regno Unito, Australia e Nuova Zelanda, nei primi anni ‘90.

 

Questo emergere dell'ingegneria antincendio come disciplina a se stante, distinta dall'ingegneria civile, dall’ingegneria meccanica e chimica, avvenne grazie principalmente allo sviluppo di un corpo di conoscenze specifiche che si è verificato dopo il 1950, in gran parte sviluppato come risultato dei test antincendio su larga scala condotti per determinare la protezione antincendio necessaria per proteggere i nuovi rischi industriali e le tecniche di stoccaggio in magazzino.

Come risultato di questi test, sono stati sviluppati nuovi sprinkler con un'ampia varietà di dimensioni degli orifizi, elementi termici, etc. oltre che nuovi agenti estinguenti e sistemi di rilevazione, come abbiamo ricordato nei diversi articoli che precedono questo.

In questo sforzo di ricerca e sistematizzazione teorica, una figura spicca tra le altre, quella di Howard Wilson Emmons.

 

 

Howard Wilson Emmons

Ogni Boy Scout sa che un ramoscello secco di per sé non fa un falò, ma con una disposizione triangolare di tre rami ed un accendino se ne può accenderne uno. Questo è quello che  Howard Emmons era solito ricordare ai suoi allievi e collaboratori; in altre parole era l'interazione complessiva tra tutti gli ingredienti di un fuoco che Emmons voleva che i suoi allievi ricordassero.

Howard Wilson Emmons nacque il 30 agosto 1912 a Morristown, nel New Jersey, e studiò nelle scuole pubbliche locali. Suo padre era un falegname e armaiolo che aveva costruito personalmente la casa in cui Howard e suo fratello erano nati e cresciuti. Da lui Howard imparò l'autosufficienza, le abilità nel fai-da-te (utile per mantenere la casa del 1817 che acquistò, anni dopo, a Sudbury, nel Massachusetts) e l'etica del lavoro che praticava ogni giorno, sia nei laboratori universitari che in quello domestico, che si era allestito. Qui poteva realizzare esperimenti di chimica, elettronica e informatica.

Che fosse un ragazzo sveglio lo si capì da subito; i  suoi compagni di classe della Morristown High School, lo chiamavano "il nostro eminente matematico... che un giorno diventerà famoso",

Si laureò allo Stevens Institute con una laurea in ingegneria meccanica nel 1933 e un master nel 1935 ed infine perfezionò la sua formazione con un dottorato in scienze ad Harvard nel 193814.

Per due anni si impiegò presso la  Westinghouse Electric and Manufacturing Co. a Essington in Pennsylvania nel 1937, lavorando sulle turbine a vapore ma se ne andò per condurre ricerche presso l'Army Ballistic Research Laboratory quando gli Stati Uniti entrarono nella seconda guerra mondiale oltre a insegnare un anno come professore associato presso l'Università della Pennsylvania.

Il suo contributo allo sforzo bellico consistette tra l’altro nella partecipazione alla costruzione di una delle prime grandi gallerie del vento supersoniche presso l’Aberdeen Proving Grounds, nonché di una delle prime gallerie a cascata ad alto numero di Mach15.  

In uno dei suoi esperimenti, Emmons faceva scorrere un sottile strato d'acqua lungo una lastra di vetro leggermente inclinata di diversi metri di lunghezza e larghezza, in maniera da poterla osservare dall'alto o dal basso. Ad un certo numero di Reynolds, notò che il flusso laminare sviluppava aree visibilmente turbolente che andavano alla deriva e crescevano lentamente a valle. Aveva identificato una firma della transizione alla turbolenza in flussi di strato limite ora noti come "macchie di Emmons"16.  Con l’esodio del volo a reazione e il raggiungimento di velocità prossime a quella del suono, questi fenomeni giocavano un ruolo critico nell’efficacia delle superfici di controllo degli aerei. Emmons divenne un’autorità in materia di propulsione a getto, negli anni in cui questa tecnologia stava cambiando il mondo17.

Questi impegni hanno preceduto il suo ritorno alla Harvard Engineering School, dove si sarebbe stabilito definitivamente, diventando professore emerito nel 1983 e dove rimase fino alla sua morte nel novembre 1998, all'età di 86 anni.

Fu proprio ad Harvard che proseguì le sue ricerche pionieristiche sui flussi comprimibili.

Erano gli anni in cui gli ingegneri potevano iniziare a sfruttale la potenza dei primi calcolatori meccanici; Emmons fu un pioniere nei metodi numerici per i calcoli scientifici, utilizzando questi nuovi dispositivi per risolvere equazioni differenziali alle derivate parziali applicate allo studio della conduzione del calore per configurazioni di materiali complesse, già nel 1944, molto prima che fosse sviluppato il moderno calcolo elettronico. Le sue ricerche hanno contribuito alla comprensione di fenomeni in ambiti diversi che andavano dal  riscaldamento aerodinamico, all’ l'essiccazione della carta, fino ai problemi sorti nel rientro atmosferico dei veicoli spaziali18.

 

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Il suo interesse per i fenomeni del fuoco iniziò negli anni '50, in parte grazie alle sollecitazioni del professor Hoyt Hottel del MIT19. Fu l'interesse per i plasmi che lo condusse ad approfondire la scienza della combustione, la sua principale preoccupazione per quarant'anni, e lo portò ad essere riconosciuto a livello internazionale come "Mr. Fire Research", ovvero il padre della moderna scienza del fuoco per il suo contributo alla comprensione della propagazione della fiamma e della dinamica del fuoco20.

Entro la metà del ventesimo secolo, la dinamica classica, la chimica quantistica classica e la potenza di calcolo erano tutti progrediti al punto che le soluzioni dei problemi più semplici della scienza del fuoco divennero possibili per la prima volta. Un gran numero di materie plastiche e altri nuovi materiali, lo abbiamo detto, veniva utilizzato in mobili ed elettrodomestici. Molti di questi materiali erano ricavati dal petrolio ed erano tutti altamente infiammabili a meno che non venissero inseriti nella composizione dei ritardanti di fiamma - alogeni, fosfati, ammonio – che in seguito avrebbero causato problemi di pirolisi liberando gas tossici. L'amianto era stato inequivocabilmente dichiarato cancerogeno e gli innumerevoli materiali espansi rigidi e flessibili a base minerale non combustibili così comuni oggi non erano ancora stati scoperti.

La natura delle reazioni chimiche, la stechiometria e la termodinamica erano ben sviluppate, ma la cinetica chimica era allora un campo di ricerca di frontiera. Sebbene la meccanica quantistica dell'epoca potesse risolvere tali problemi in linea di principio, era del tutto inadeguata per la scienza del fuoco. Quindi la comprensione della pirolisi e della combustione erano essenzialmente empiriche. I codici antincendio dell’epoca specificavano i vari cosiddetti test di infiammabilità come se questa fosse una proprietà del materiale piuttosto che una proprietà del sistema.

L'approccio principale alla ricerca sugli incendi prima di Emmons era lo sviluppo di tecniche di soppressione degli incendi, mentre, il suo contributo reindirizzò l'approccio sulla combustione, la convezione dei gas riscaldati, i sottoprodotti della combustione, la radiazione tra i componenti e verso gli oggetti vicini, il controllo dell'alimentazione dell'aria e la chimica delle reazioni coinvolte. Nel 1956 pubblicò un articolo, "The Film Combustion of Liquid Fuels", che sarebbe diventato un riferimento classico nel campo della scienza della combustione e ora viene indicato semplicemente come il problema di Emmons. Howard aveva poco più di 40 anni quando pubblicò questo lavoro (seguito immediatamente da altri fondamentali articoli) e non era ancora al culmine della sua abilità tecnica, tuttavia aveva già conquistato una reputazione internazionale che lo avrebbe portato a fondare una disciplina a sé stante, con il suo lavoro della metà degli anni '50: la scienza dell'ingegneria antincendio.

Nel 1961 Emmons pubblicò un altro lavoro fondamentale nel Journal of Fluid Mechanics, sulla crescita di una sorgente lineare di un incendio. Questo fu uno dei primi trattamenti analitici del problema della dinamica del fuoco utilizzando la teoria della fluidodinamica viscosa. Scrisse questo articolo con il suo studente S. Lee. Il documento è, ancora, uno dei più citati nella ricerca sulla dinamica del fuoco e si trova nell'elenco di riferimento di praticamente tutti i manuali di modellazione digitale antincendio.

Nel 1962 presiedette uno studio estivo della National Academy of Science sulla ricerca sul fuoco a Woods Hole. Le sue raccomandazioni davanti al Congresso portarono all'approvazione del Fire Research and Safety Act del 1968, che il presidente Johnson firmò, alla Casa Bianca, alla presenza di Emmons. Questo a sua volta ha portato alla creazione di programmi coordinati di ricerca sul fuoco; sono stati istituiti programmi di ricerca presso la National Science Foundation e il Bureau of Standards. In particolare il lungo legame del professor Emmons con il National Bureau of Standards, in seguito diventato National Institute of Standards and Technology (NIST), lo condusse ad occuparsi specificatamente di trasferimento di energia e calore dal 1967 al 1976.

A metà degli anni '60 lui e sua moglie Dorothy intrapresero un giro del mondo sabbatico per comprendere lo stato mondiale della ricerca sulla sicurezza antincendio. Trovò pochi risultati di ricerca scientifica di base, se non un elenco di prodotti classificati in funzione dei loro livelli di combustibilità. Le classifiche degli articoli da paese a paese erano quasi casuali. Tornò ad Harvard e con i finanziamenti del National Science Foundation avviò l’Home Fire Project. Emmons aveva anche la capacità di convincere l’industria privata ad investire in ricerca.

Paul Fitzgerald, futuro CEO di Factory Mutual Research, ricorda la storia del primo progetto di Emmons con Factory Mutual intorno al 1960: Howard disse ai sette amministratori delegati della compagnia assicurativa e al General Manager di Factory Mutual, riuniti nel Factory Mutual Joint Affair Committee, che avrebbero dovuto investire nella ricerca fondamentale sugli incendi, qualcosa su cui nessuno dei loro concorrenti stava spendendo un centesimo in quel momento. Li persuase a pensare "fuori dagli schemi" e li convinse del valore della ricerca che stava proponendo21. Fu allora che fu decisa la creazione di un laboratorio di ricerca antincendio presso la Factory Mutual Research Corporation, dove è stato possibile condurre test su vasta scala per convalidare la teoria del fuoco. Seguirono indagini complesse, come studi sulla propagazione del fuoco in varie circostanze di accensione e propagazione degli incendi negli edifici22. Ciò ha portato a revisioni delle tecniche di valutazione dell'infiammabilità per i materiali combustibili, allo sviluppo di nuovi concetti di sprinkler e, infine, allo sviluppo del "Harvard Computer Fire Code", un modello computerizzato in grado di prevedere lo sviluppo di incendi, prototipo per tutti i successivi software.

Emmons ha scritto anche il primo manuale per gli ingegneri antincendio, il manuale SFPE di ingegneria della protezione antincendio e si è occupato dell'idraulica per ugelli antincendio degli sprinkler e delle loro geometrie, delle prese d'aria, porte, finestre, etc., per la determinazione pratica dei flussi di ventilazione degli edifici. Uno degli ultimi contributi di Emmons alla scienza del fuoco è stato un eccellente articolo che ha scritto sull'idrodinamica del flusso dell'orifizio universale volto a sviluppare una formula generale per l'uso nei flussi attraverso le bocchette antincendio.

Le cinquantadue relazioni tecniche (senza contare le pubblicazioni d'archivio) preparate sotto i suoi auspici documentano, lo sviluppo sistematico dei primi modelli predittivi dello sviluppo degli incendi al chiuso. I rapporti descrivono un'ampia gamma di accurati esperimenti e analisi teoriche volte a fornire una rigorosa base scientifica alla modellazione computerizzata.

 

le sfide di fine secolo

La ricerca sulla cinetica chimica, come aveva avvertito Emmons, era necessaria per comprendere appieno la scienza del fuoco. Ci si rese conto che nei grandi incendi, la radiazione era la forma più pericolosa di trasferimento di calore. Le proprietà della fiamma erano in gran parte sconosciute, così come altri pericoli, come la tossicità della combustione incompleta, che è responsabile di un numero significativo di morti durante gli incendi. Le leggi fisiche appropriate e la loro incarnazione nelle equazioni di flusso multicomponente erano complete ma la turbolenza rimaneva ancora un problema irrisolto. Anche la conoscenza dell'interazione tra radiazione e materia era sufficientemente avanzata per calcolare il trasferimento radiativo se si conoscevano la specie chimica, la temperatura e le distribuzioni della pressione. Tuttavia, sostanzialmente non si sapeva nulla delle proprietà statistiche delle fiamme, anche empiricamente. Anche le proprietà medie delle fiamme erano state misurate solo in circostanze così limitate che per un vero incendio potevano essere fatte solo ipotesi grossolane. Le fiamme erano, per scopi teorici, di solito coni o cilindri di temperatura ed emissività uniformi, ben lontane da quello che sono nella realtà.

Sebbene si sapesse che i prodotti tossici della combustione incompleta erano la causa primaria di morte per incendio, la conoscenza sia della produzione e del trasporto dei gas tossici sia dei dettagli del loro effetto fisiologico era allo stato più elementare. Non erano disponibili informazioni su come le proprietà tossiche dei gas emessi da un incendio cambiassero man mano che si accumulavano sul soffitto, bruciavano e scorrevano attraverso una via di fuga.

Per questi e altri limiti nella conoscenza, la modellizzazione matematica pratica degli incendi, iniziata alla fine degli anni '70  non era ancora in grado di supportare un codice di prestazione a causa dell'assenza di dati empirici adeguati.

Nonostante le difficoltà di base, sono stati fatti grandi progressi verso la comprensione della crescita degli incendi. L'uso di formule di trasferimento del calore radiante nella progettazione è stato un ulteriore passo avanti nella scienza del fuoco. 

 

C’è di più; l’ingegneria antincendio non si occupa esclusivamente di chimica e fisica. Anche la psicologia doveva dare il suo contributo. I primi sforzi per studiare le decisioni umane e il movimento delle persone in un edificio in fiamme è avvenuto principalmente a causa di disastrosi gravi incendi con perdita di vite umane, tra cui l’incendio del Teatro Irochese, del Triangle Shirtwaist del 1911 che uccise 145 persone e quello del Coconut Grove del 1942 che uccise 492 persone. Indagare la mente umana ed i comportamenti collettivi, tuttavia, pone sfide forse anche più ardue di quelle che devono affrontare chimici e fisici.

 

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Dal punto di vista della disciplina accademica, tra il 1970 e la fine del secolo, la ricerca si è concentrata maggiormente sull'affrontare le esigenze pratiche. Sono stati sviluppati gli elementi essenziali della metodologia e un vocabolario proprio della materia. Questo processo è stato facilitato dalla pubblicazione di numerosi standard, linee guida e manuali FSE. Hanno cominciato ad emergere regolamenti edilizi basati sulle prestazioni in numerosi paesi23. ma lo sviluppo è rimasto in gran parte scoordinato, con rapidi progressi in alcune aree e progressi incrementali o nulli in altre, con lacune significative.

L'ultimo ventennio del XX secolo ha visto ad esempio un notevole progresso negli strumenti di calcolo, portando ad un uso diffuso della fluidodinamica computazionale  per la modellazione degli effetti del fuoco, dei metodi degli elementi finiti per la risposta al fuoco, delle analisi delle strutture e del comportamento umano e dei modelli di evacuazione. Tuttavia, quanto bene funzionassero e, cosa più importante, quanto bene venissero impiegati, era rimasto un problema.

Il risultato netto delle diverse carenze e delle potenzialità dei nuovi strumenti allora disponibili era che gli ingegneri della sicurezza antincendio venivano lasciati liberi di selezionare dati, strumenti e metodi di loro scelta, in considerazione di scenari che ritenevano importanti, valutati in base a criteri da loro selezionati, con il potenziale di sottovalutare l'incertezza del modello e le variazioni che potevano occorrere durante la vita dell'edificio.

Anche sul fronte dell'istruzione rimanevano dei limiti nei percorsi formativi. In alcuni casi mancavano i corsi di laurea universitari, in altri i controlli normativi per definire le qualifiche minime e l'applicazione delle competenze in campo.

Sebbene si sia assistito a una crescita significativa nella disponibilità di strumenti di analisi computazionale, la disponibilità di dati da utilizzare in questi strumenti e nell'analisi ingegneristica in generale era ancora un problema, in tutte le aree dell'ingegneria antincendio, dalle proprietà antincendio dei materiali ai fattori umani. In alcuni casi c'era la convinzione che i progressi negli strumenti computazionali avessero ridotto la necessità di dati sperimentali, quando in realtà era esattamente l'opposto: i dati sperimentali erano e sono necessari per supportare lo sviluppo, la verifica e la convalida del modello. La mancanza di dati utilizzabili per l'analisi ingegneristica è anche influenzata dalla riluttanza all'interno del settore a sviluppare o accettare test standard più scientificamente fondati per le proprietà antincendio dei materiali24.

Ancora all'inizio del XXI secolo, Brian J. Meacham, professore proprio in quel Worcester Polytechnic Institute che ancora è un punto di riferimento per la ricerca in fire engineering, scriveva, in un suo contributo al VI Simposio internazionale sulla scienza della sicurezza antincendio, elencando le carenze poc'anzi citate, che sebbene la disciplina fosse stata ampiamente accettata in tutto il mondo, mancavano ancora diversi attributi che ci si potrebbe aspettare di vedere in una disciplina matura, incluso un robusto framework di ingegneria analitica. Tali carenze ledevano la credibilità della professione, determinando in alcuni casi un maggiore controllo normativo sull'analisi ingegneristica della sicurezza antincendio e sulla progettazione degli edifici.

Con una metafora estremamente chiara, Meacham definiva l'ingegneria della sicurezza antincendio un "adolescente sana".

L'applicazione di uno strumento di ingegneria, come un modello computazionale degli effetti del fuoco, non costituisce ingegneria, continuava il ricercatore del Worcester, bensì modellazione. L'ingegneria, sosteneva, invece, consisteva nell'indagare un problema, definendolo adeguatamente e sviluppando soluzioni utilizzando la conoscenza e la tecnologia disponibili, tenendo in adeguata considerazione l'incertezza intorno alla questione oggetto di analisi e l'implementazione della soluzione. Secondo Meacham era necessario trovare un equilibrio tra l’appropriatezza di metodi "semplificati" e la necessità di un'analisi "completa", e tra cosa rende buona l’analisi rispetto a cosa rende buona la progettazione.

Con una limpida dichiarazione di relatività del suo giudizio, Meacham, affermava:

"Potresti non essere d'accordo con la mia valutazione sullo stato attuale della FSE. La mia conoscenza dei progressi nella scienza dell'ingegneria della sicurezza antincendio è incompleta. La mia conoscenza della pratica in tutto il mondo è incompleta. Inoltre, come tutti, osservo la situazione attraverso filtri personali. Tuttavia, è una visione di dove siamo. Cercare di guardare avanti è ancora più impegnativo. Non ho una sfera di cristallo attraverso la quale divinare il futuro. Posso solo postulare possibilità basate su dove penso che siamo e cosa potrebbe accadere se scegliamo percorsi diversi."

Le traiettorie individuate riguardavano lo status della disciplina (requisiti educativi minimi, standard occupazionali e qualifiche di competenza), la promozione della ricerca, riducendo la concorrenza all'interno della comunità accademica e aumentando la collaborazione. Dal punto di vista puramente ingegneristico veniva proposto un approccio olistico, che integrasse i molti aspetti in gioco.

 

Questo esercizio sul futuro della disciplina aveva un predecessore illustre, in un articolo del 1984 scritto con brillante ironia, narrativamente fingendo d’essere un abitante del 2300, da quello stesso Howard Wilson Emmons di cui abbiamo raccontato l’impegno per la fondazione della disciplina.

 

visioni di futuro

Ci sembra un commiato adatto, celebrando una figura fondamentale nella storia dell’antincendio, e con lui tutte quelle figure che abbiamo incontrato nel corso di questi 12 mesi in cui si è snodata la collana di articoli su Le Origini dell’antincendio, gettare uno sguardo su un futuro possibile; un futuro che in parte oggi stiamo già vivendo.

 

In quell’articolo - The Further History of Fire Science, apparso su Combustion Science and Technology, una rivista internazionale che pubblica ricerche nelle varie discipline nel campo della combustione, Emmons prevedeva una teoria completa del pennacchio con la fiamma per il 2020, e preconizzava che le questioni relative alle previsioni di crollo dell'edificio non sarebbero state nemmeno prese in considerazione fino al 2020 e che solo al volgere del 2050 sarebbe stata aggiunta ai software di previsione del fuoco una teoria strutturale termica sufficiente per consentire ai vigili del fuoco di ricevere informazioni calcolate di backup per aiutarli nelle decisioni critiche rispetto alla sicurezza durante, gli interventi di spegnimento.

Nello scenario dipinto da Emmons, il XX secolo avrebbe visto il chiarimento degli effetti di base di tutti i fenomeni e l’avvento dei primi pratici software antincendio. Nuove apparecchiature di analisi chimica relativamente economiche e di alta precisione, immaginava, avrebbero cominciato ad apparire nei metodi di prova antincendio intorno al 2010, rendendo disponibili dati empirici adeguati sulla natura chimica delle emissioni durante la pirolisi, la combustione con e senza fiamma.

Emmons si spingeva a dipingere uno scenario altamente complesso quando prevedeva che il primo importante passo avanti nella sicurezza antincendio sarebbe stato causato dall'aumento dei prezzi e dalla diminuzione dell'offerta di petrolio e quindi dal tramonto dell’era della plastica a base di petrolio a basso costo.

“Così numerosi tentativi di produrre una plastica cellulare completamente minerale, flessibile o rigida, iniziarono a dare i loro frutti.”

Continua Emmons, che sembra descrivere l’avvento delle bioplastiche.

Immaginava anche il computer ottico, più piccolo ed efficiente, che riteneva potesse esordire nel 2030 (descriveva la prima fase di rapida crescita che ha seguito l'invenzione del transistor negli anni '50 come declinante quasi fino a fermarsi entro l'anno 200025). Le nuove unità ottiche che immaginava Emmons avrebbero avuto minori necessità di dissipazione del calore e questo avrebbe consentito supercomputer entro il 2080. Man mano che la potenza di calcolo migliorava, nel futuro immaginato da Emmons, sarebbe diventato gradualmente possibile capire e calcolare molti dei coefficienti, precedentemente stimati empiricamente; la fiamma in un pennacchio e il burnout dello strato caldo sarebbero potuti essere previsti utilizzando sia i modelli di turbolenza 3D che le previsioni dettagliate delle specie cinetiche chimiche.

Dai progressi della fisiologia, Emmons si attendeva per il XXI secolo, che sarebbero stati chiariti molti degli effetti a breve e lungo termine dei gas tossici anche grazie a metodi di prova nuovi e più rapidi nei quali, sia i topi che i ratti, sarebbero stati sostituiti da una serie di batteri e test chimici speciali.

Infine, il XXII secolo avrebbe portato la conoscenza della turbolenza e della cinetica della chimica quantistica allo stato che la maggior parte della dinamica di un incendio sarebbe stata prevedibile, rendendo necessarie solo poche prove empiriche.

Solo con la quarta grande svolta, segnata dalla chimica quantistica nel 2200 gran parte dell'enorme raccolta computerizzata di dati di pirolisi, combustione con e senza fiamma sarebbe stata definitivamente verificata mediante calcolo. Profeticamente immaginava delle difficoltà nel dare i dati raccolti in pasto ai calcolatori quantistici.

A quel punto la chimica e la dinamica del fuoco sarebbero state così avanzate da non essere più campi di ricerca interessanti. Tuttavia, la fisiologia dei gas tossici degli incendi avrebbe necessitato ancora di ulteriori studi.

“Così entro l'anno in corso, 2300, ereditiamo un grande sviluppo ingegneristico che ci assicura una vita quasi senza fuoco.”

Conclude Emmons

“Se guardiamo indietro agli sviluppi, molti di essi avrebbero potuto essere disponibili decenni prima che apparissero effettivamente se solo la società attraverso i governi avesse compreso l’importanza del processo scientifico mentre si sviluppava la scienza del fuoco e avesse fornito i fondi adeguati per svolgere il lavoro necessario.

Nessuno può prevedere l'imminente verificarsi di un importante progresso rivoluzionario, ma il progresso avrebbe potuto essere molte volte più veloce se solo una minima frazione dei fondi spesi per altri problemi della società fosse stata utilizzata per far progredire la scienza del fuoco.”

Le previsioni di Emmons sulle magnifiche sorti e progressive dell'ingegneria della sicurezza antincendio erano incoraggianti, sebbene, alla luce dei risultati raggiunti possano sembrare troppo ottimistiche. Tuttavia la modellizzazione da un lato e la sintesi di nuovi materiali con reazioni al fuoco sempre migliori avvicina ogni giorno quel traguardo.

 

note

[1] Lo stesso Joseph Priestley , uno degli scopritori dell'ossigeno, cercò di far coincidere il qualche modo il flogisto con l’ossigeno, tanta era convinzione in questa teoria, che resistette fino alla fine del XVIII secolo. È curioso notare come un altro sperimentatore che contribuì a determinare, con un esperimento sulla combustione in un contenitore chiuso, il ruolo dell’ossigeno, Robert Fludd fosse uno strenuo oppositore del razionalismo e dell’approccio scientifico del XVII secolo. Derivando le sue idee da fonti  come l'Antico Testamento, la Kabbala ebraica, l'alchimia, l'astrologia, la magia e la chiromanzia, Fludd era principalmente interessato a stabilire parallelismi tra l'uomo e il mondo, entrambi considerati immagini di Dio.

[2] Lungo la strada, Lavoisier ha incontrato fenomeni correlati che dovevano essere spiegati come ad esempio le reazioni che producevano acidi minerali a partire da riscaldamento di minerali nel fuoco e poi mescolando il calcare risultante con acqua.

[3] Henry Lucian Phillips laureato alla Worcester Polytechnic Institute in ingegneria meccanica ha contribuito con importanti progressi alla scienza della protezione antincendio dell'inizio del XX secolo. Ha avanzato pratiche di ispezione di ingegneria civile mentre era impiegato come manager presso la Factory Insurance Association ad Hartford. In seguito ha ricoperto più mandati come presidente del comitato esecutivo della National Fire Protection Association.

[4] Al Worcester Polytechnic Institute (WPI), David Lucht, diventato il primo direttore del Center for Firesafety Studies nel 1978, avrebbe supervisionato l'avvio del corso di laurea in Ingegneria della protezione antincendio e lanciato il primo programma di dottorato nel suo genere nel 1991. Queste pietre miliari hanno aiutato WPI a essere riconosciuto come leader mondiale nella formazione universitaria in ambito dell’ingegneria della protezione antincendio.

[5] Dal 1878, anno in cui Everett lasciò il giornale, Thomson spostò il baricentro delle tematiche mettendo sempre più enfasi sulla scienza del fuoco. Divennero dominanti argomenti come filettature dei tubi flessibili, metodi di estinzione, test di flusso, tipi di ugelli e tubi, nuove variazioni tattiche, fisica della combustione, approvvigionamento idrico, innovazioni nelle apparecchiature e lezioni tratte dagli incendi oltre ad una fitta corrispondenza con i lettori.

[6] Mentre il Journal chiedeva un maggiore coinvolgimento dei vigili del fuoco nell'applicazione del codice, dalla corrispondenza pubblicata c'erano poche prove che i vigili del fuoco fossero pronti a cogliere l'opportunità. La maggior parte degli ispettori erano dipendenti del dipartimento edilizio della città o dello stato e, sebbene il Journal abbia occasionalmente applaudito sforzi notevoli, non era timido nell'esporre i dipartimenti edilizi come terreno fertile per la corruzione.

[7] Nel 1833, Zachariah Allen brevettò il suo dispositivo più noto, la valvola di intercettazione automatica per motori a vapore. L'invenzione di Allen è stata successivamente proclamata "una delle più grandi invenzioni mai realizzate nei motori a vapore" da Stephen Roper nel suo Manuale dell'ingegnere del 1884.

[8] Freeman ha presentato all'American Society of Civil Engineers, ad esempio, un documento su "Esperimenti relativi all'idraulica dei flussi di fuoco", per la quale ricevette la Norman Medal della Società nel 1890, e un altro su "L'ugello come contatore accurato dell'acqua", per che ricevette una seconda medaglia nel 1891.

[9] A Freeman fu offerta la presidenza del Massachusetts Institute of Technology, senza ottenere il suo assenso – non si sentiva un insegnante ma un ingegnere sul campo – così come per due volte declinò gli inviti a servire ad Harvard come professore di ingegneria civile. La sua unica attività di insegnante è stata come docente di idraulica, antincendio e di costruzione ignifuga, presso il MIT, negli anni 1890-1902.

[10] Quella di definire le caratteristiche di reattività al fuoco di diversi materiali non era una esigenza nuova, se il National Fireman`s Journal, fin dai suoi primi anni, si occupò di richiedere leggi che imponessero test antincendio specifici per misurare l'idoneità del cherosene per l'uso domestico "Abbiamo leggi che controllano lo stoccaggio e la manipolazione di polvere da sparo e altri materiali esplosivi, tuttavia, i registri mostrano che centinaia di persone vengono uccise o mutilate e milioni di dollari di proprietà distrutte, dal cherosene”.

[11] Le iniziative della FRS contribuirono alla cultura della sicurezza antincendio anche in modo più generale. Il video "Front Room Fire", https://youtu.be/86zRGLZoTk8 ha sorprendentemente dimostrato quanto rapidamente e in modo devastante un incendio possa diffondersi da un piccolo incendio di mobili per inghiottire una stanza e questo, insieme alla ricerca antincendio, ha avuto un impatto importante sulla sicurezza della vita delle persone all'interno e intorno agli edifici e trasporto.

[12] ad esempio il Calorimetro a Cono.

[13] BLEVE ovvero il Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion, indica un tipo di esplosione che avviene in concomitanza con la rottura un recipiente in pressione contenente un liquido. Questa tipologia di esplosione può essere estremamente pericolosa a causa dell'onda d'urto e della proiezione dei frammenti del recipiente che sono associati all'esplosione; inoltre la nuvola di vapore che si genera da tale esplosione può fungere da innesco per altre sostanze infiammabili presenti in un raggio anche molto ampio. Non necessariamente il BLEVE deve coinvolgere sostanze infiammabili; alcune di queste sono l'acqua, l'azoto liquido, l'elio liquido e altri liquidi refrigeranti o criogenici.

[14] La sua tesi riguardava la promozione chimica della condensazione a gocce del vapore, un modo per aumentare la efficienza della generazione elettrica.

[15] Emmons partecipò anche alla missione tecnica della Marina in Europa nel 1945, incaricata di valutare i progressi tecnologici tedeschi nella seconda guerra mondiale

[16] A quel tempo i ricercatori del NACA, l’ente da cui in seguito si originò la NASA, che avevano osservato solo la transizione turbolenta nelle gallerie del vento dalla crescita di onde di instabilità laminare bidimensionale, dubitavano che la transizione potesse avvenire a macchie. Ricerche più approfondite da parte loro hanno dimostrato non solo che le "macchie di Emmons" esistevano ma che si trattava di un meccanismo universale di transizione della turbolenza. Emmons fu inoltre il primo, in una ricerca supportata da supportati da Pratt & Whitney Aircraft, ad osservare lo stallo del compressore nei turbocompressori a basse portate, che era responsabile delle forze distruttive che agivano sulle pale dei primi motori a reazione

[17] Emmons è stato editore di Fundamentals of Gas Dynamics, volume III della serie di libri Princeton University Press sull'aerodinamica ad alta velocità e la propulsione a getto nonché membro dello Space Science and Technology Panel del President's Scientific Advisory Council dal 1958 al 1970.

[18] in particolare questa sfida condusse Emmons e i suoi allievi a intraprendere studi sperimentali e teorici sui plasmi ad alta temperatura e pressione.

[19] Hoyt Clarke Hottel, professore nel dipartimento di ingegneria chimica del Massachusetts Institute of Technology, esperto di energia, trasferimento di calore radiante, fuoco, combustibili e combustione. Nel 1984 scrisse le parole spesso citate "Si può sostenere che il fuoco è, accanto ai processi vitali, il più complesso dei fenomeni da comprendere". Hottel è stato responsabile del programma di ricerca sull'energia solare al MIT dalla fine degli anni '30 alla metà degli anni '60. Il suo lavoro ha portato allo sviluppo dei primi modelli analitici accurati per i collettori di calore solare. Durante la seconda guerra mondiale, è stato capo del gruppo del National Defense Research Committee che ha studiato e sviluppato armi incendiarie. Dal 1956 al 1967 ha presieduto il comitato per la ricerca sugli incendi dell'Accademia nazionale delle scienze, che ha studiato le tattiche per combattere i grandi incendi, compresi gli incendi boschivi e le tempeste di fuoco nelle aree urbane. Continua ad essere ricordato attraverso la Hottel Lecture, il premio più prestigioso ai simposi internazionali del The Combustion Institute.

[20] Alla morte del professor Emmons, il professor Patrick Pagni ha scritto: "Non è possibile riassumere correttamente la grandezza dei contributi unici del professor Emmons all'istituzione della scienza della sicurezza antincendio come disciplina, se non chiamarlo «Mr. Fire Research» ".

[21] Emmons ha contribuito in maniera importante , ad Harvard, nell'attrarre docenti eccezionali alla Division of Engineering and Applied Physics (DEAP) subito dopo la seconda guerra mondiale ed a lui va assegnato il merito principale dell’esprit-de-corps che esisteva negli anni 1950 e 1960 il quel dipartimento.

[22] Uno in particolare dei tanti studi sperimentali che Emmons e i suoi colleghi hanno ideato non sarà mai dimenticato da nessuno che ha assistito al "vortice di fuoco". Una piccola tazza di acetone in fiamme con una fiamma alta pochi centimetri posta al centro inferiore di una gabbia metallica di due metri di diametro viene messa in lenta rotazione alcune volte al minuto; a questo punto la fiamma, con un boato, balza improvvisamente a tre metri di altezza, una spettacolare dimostrazione di improvvisa transizione nella miscelazione aria/carburante, sotto l'influenza combinata della galleggiabilità e della rotazione.  Tra i meriti di Emmons, c’è inoltre il riconoscimento dell'importanza di uno strato di gas caldo sopra uno strato freddo, nella dinamica del gas in uscita da una stanza, modellandolo in esperimenti su piccola scala con cherosene galleggiante su dell’acqua. Questi esperimenti, con il suo ex studente Joseph Prahl in 1975, hanno prodotto risultati molto accurati, verificati da esperimenti di incendio a scala reale nel 1984.

[23] La Nuova Zelanda è stato uno dei primi paesi al mondo a introdurre metodi di valutazione basati sulle prestazioni nei propri regolamenti edilizi in materia di sicurezza antincendio. Ciò si è verificato con l'introduzione della legge sull'edilizia del 1991; quattro anni dopo il professor Andy Buchanan, della Università di Canterbury, ha istituito il primo post-laurea

in Nuova Zelanda in ingegneria della sicurezza antincendio.

[24] A tal proposito, si suggerisce un’interessante lettura comparata di Fire safety engineering at a crossroad di Brian J.Meacham, che citiamo in queste pagine e Fire Modeling: Where Are We? Where Are We Going? di Kevin B. Mcgrattan di cui ci occuperemo nell'ultima uscita di TR/ del 2021.

[25] A tal proposito, si confronti questo scenario con quello descritto nelle teorie di Robert Gordon, professore di economia alla Northwestern University il quale sostiene che dagli anni ’70 assistiamo ad un sostanziale rallentamento del tasso di innovazione nelle aree fondamentali che sono critiche per la maggior parte degli individui, ad esempio cibo, abbigliamento, alloggio e trasporti, con un relativo declino nell'utilità delle invenzioni.

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