Magazzini Automatici Verticali: il ruolo della FSE tra estrazione fumi e impianto sprinkler nella riduzione dei costi di adeguamento antincendio

Nei moderni hub logistici, i Magazzini Automatici Verticali (MAV) rappresentano il punto più avanzato dell'ottimizzazione spaziale e dell'efficienza operativa. Sviluppandosi in altezza su impronte a terra ridotte, concentrano densità di carico e valori economici ingenti all'interno di volumi fortemente compartimentati e confinati.

Tuttavia, dal punto di vista della sicurezza antincendio, i MAV pongono una sfida complessa: come conciliare la salvaguardia strutturale delle scaffalature metalliche e dell'involucro con prescrizioni tradizionali concepite per magazzini convenzionali a sviluppo orizzontale?

La risposta risiede nell'approccio prestazionale della Fire Safety Engineering (FSE). Attraverso la modellazione termo-fluidodinamica computazionale (CFD) e le verifiche termo-meccaniche avanzate di Resistenza al Fuoco delle strutture in acciaio, è possibile descrivere la reale fenomenologia dell'incendio, tenendo conto dell'interazione critica tra limitazioni di ventilazione e sistemi automatici a controllo o a spegnimento dell’incendio a quota di piano.

1 - La fenomenologia termica nei MAV: effetto camino e carenza d'aria

A differenza di un capannone tradizionale, un MAV (stand-alone o autoportante) presenta un rapporto altezza/base marcatamente elevato e un involucro spesso caratterizzato da una permeabilità all'aria minima, dettata da esigenze di efficienza energetica o di climatizzazione.

Nelle fasi iniziali di un potenziale innesco, l'incendio sfrutta i canali verticali tra le unità di carico e i vani del trasloelevatore generando un rapido effetto camino. Il forte richiamo d'aria dal basso alimenta la risalita del pennacchio termico, accelerando il movimento dei gas caldi verso la sommità.

Tuttavia, all'interno di un involucro a bassa permeabilità, subentra rapidamente un fattore limitante: la disponibilità volumetrica di ossigeno.

• Il volume confinato esaurisce velocemente l'ossigeno libero necessario a sostenere la combustione stechiometrica.
• L'incendio compie una transizione da un regime controllato dal combustibile a un regime controllato dalla ventilazione.
• La riduzione della frazione volumetrica di O₂ induce un progressivo decadimento della curva di rilascio termico (HRR, Heat Release Rate): la combustione perde vigore, le fiamme vive tendono ad attenuarsi e il fenomeno evolve verso una fase di soffocamento.

Se da un lato questo fenomeno frena le temperature globali dell'ambiente, dall'altro comporta una stratificazione termica fortemente eterogenea lungo l'altezza e la generazione di composti incombusti caldi, che richiedono una modellazione spaziale accurata.

2 - Il limite delle curve standard e i fondamenti della CFD

Affidare la verifica strutturale delle scaffalature alle curve nominali d'incendio standard (come la curva ISO 834) presuppone l'ipotesi di temperature uniformi nell'intero compartimento, con valori superiori a 900 °C già dopo pochi minuti. Nei profili sottili in acciaio tipici delle scaffalature industriali, questa assunzione imporrebbe spessori di vernici intumescenti o protezioni passive non compatibili con le tolleranze millimetriche delle baie di carico e delle guide dei trasloelevatori.

Per quantificare lo scenario reale, la Fire Safety Engineering ricorre alla Fluidodinamica Computazionale (CFD) tramite codici di campo validati come FDS (Fire Dynamics Simulator).

Il motore fisico: le equazioni di Navier-Stokes

La modellazione CFD non si basa su correlazioni empiriche globali, bensì sulla risoluzione numerica diretta delle leggi fondamentali della meccanica dei continui, le equazioni di Navier-Stokes, in particolare attraverso la formulazione LES (large eddy simulation):

1. Conservazione della massa: governa la continuità complessiva del fluido e il trasporto delle singole specie chimiche gassose (ossigeno, azoto, combustibile volatilizzato e prodotti di reazione come CO₂, CO, vapore acqueo e particolato/fuliggine).
2. Conservazione della quantità di moto (equazioni di Navier-Stokes): descrive il campo di moto dei fumi e dell'aria, guidato principalmente dalle forze di galleggiamento termico, dalla gravità e dalle dissipazioni viscose e turbolente lungo pareti e montanti metallici.
3. Conservazione dell'energia: calcola il bilancio termico accoppiando il rilascio di calore della combustione, il trasporto convettivo dei gas riscaldati e lo scambio radiativo.

Discretizzazione spaziale in mesh e campionamento termico

Poiché questo sistema di equazioni differenziali alle derivate parziali non ammette soluzione analitica in domini geometricamente complessi, il volume interno del magazzino viene discretizzato tramite una griglia tridimensionale (mesh) composta da celle elementari (cubiche o parallelepipede).

All'interno di ciascuna cella, a intervalli temporali dell'ordine delle frazioni di secondo, il solutore aggiorna temperatura, velocità dei fluidi, pressione e concentrazione delle specie.

Per quantificare l'esposizione termica delle strutture in acciaio:

• All'interno del modello numerico vengono posizionati sensori di temperatura in corrispondenza delle celle della mesh che ospitano i montanti e i nodi strutturali, distribuiti a diverse quote altimetriche.
• I sensori campionano l'evoluzione temporale della temperatura locale dei gas a contatto con la carpenteria metallica.
• In questo modo si ottengono curve d'incendio differenziate per quota, che rispecchiano fedelmente sia la stratificazione termica verticale, sia l'effetto di abbattimento indotto dalla carenza d'ossigeno.

3 - Dal campo fluidodinamico all'analisi strutturale

I profili termici estratti dai sensori nella simulazione CFD fungono da input diretto per la verifica meccanica delle strutture in software di analisi strutturale avanzata come SAFIR. Le curve tempo-temperatura campionate alle differenti quote vengono applicate come condizioni al contorno termiche sugli elementi in aciaio, consentendo al codice di calcolare la conduzione transitoria all'interno delle sezioni sottili in acciaio.

Conoscendo l'evoluzione termica del materiale, il modello termo-meccanico non lineare necessario al calcolo della Resistenza al Fuoco quantifica il progressivo degrado delle proprietà meccaniche dell'acciaio (modulo elastico e tensione di snervamento secondo le indicazioni degli Eurocodici) e valuta la capacità portante residua dell'intera struttura sotto carico, analizzando con precisione i fenomeni di instabilità senza dover ricorrere a penalizzanti semplificazioni standardizzate.

4 - L'interazione con gli sprinkler in-rack: soppressione mirata a livello di piano

Per tutelare l'elevato valore economico delle merci e garantire la continuità aziendale, sia i Comandi dei Vigili del Fuoco sia le compagnie assicurative (in aderenza a standard internazionali quali NFPA o FM Global) richiedono sempre più frequentemente sistemi di controllo/soppressione/spegnimento totale dell'incendio.

In un MAV a forte sviluppo verticale, la sola protezione a soffitto (anche con erogatori ESFR) risulta inefficace: la notevole altezza dissipa l'energia del plume o distorce il cono d'acqua, impedendo alle gocce di penetrare tra i livelli inferiori densamente occupati.

La soluzione ingegneristica prevede l'installazione di testine sprinkler su ciascun piano della scaffalatura (in-rack sprinklers):

• Attivazione tempestiva alla sorgente: Anche se l'incendio nell'ambiente confinato tende a perdere intensità per carenza d'aria, nelle immediate adiacenze del focolaio le temperature dei gas rilevate a livello di cella superano rapidamente la soglia termica del bulbo dell'erogatore (es. 93 °C).
• Spegnimento localizzato: L'erogazione diretta d'acqua sul singolo vano pallet abbatte il fronte di fiamma prima che si inneschi la propagazione verticale a catena.
• Sinergia con il regime sottoventilato: L'azione contemporanea della riduzione di O₂ (che limita l'HRR) e del raffreddamento localizzato erogato dalle testine in-rack produce una rapida estinzione del focolaio. Le carpenterie metalliche rimangono così ben al di sotto delle temperature critiche dell'acciaio (fissate solitamente nell'intervallo 450–550 °C), garantendo la stabilità dell'intera torre di stoccaggio.

5 - Caso di studio pratico: Resistenza al Fuoco e Modellazione FSE di un MAV autoportante da 20 metri

A titolo esemplificativo dell'efficacia metodologica illustrata, si riporta l'applicazione dell'approccio FSE alla progettazione antincendio di un magazzino automatico autoportante ad altissima densità di stoccaggio, avente dimensioni in pianta di 85 x 15 metri, altezza sotto trave di 20 metri e altezza massima delle scaffalature di 18 metri. In questo caso è stata simulata la presenza di un sistema automatico sprinkler a controllo dell’incendio. Lo studio è stato sviluppato per la Resistenza al Fuoco ed in particolare per il collasso implosivo, richiesta necessaria ad escludere il danneggiamento del fabbricato adiacente.

Figura 1: Modello 3D del MAV (in verde)

Definizione dello scenario e modellazione CFD

L'involucro edilizio, caratterizzato da un'elevata tenuta all'aria, è stato discretizzato tramite una mesh tridimensionale con celle cubiche da 50 cm in prossimità del focolaio teorico e dei montanti della scaffalatura. Lo scenario d'incendio ha ipotizzato l'innesco su un carico interno a quota intermedia, valutando il contributo sia della merce stoccata sia dell'imballaggio in plastica/legno.

Figura 2: Modello 3D di parte del materiale combustibile all'interno del magazzino

Risultati del campo termico e risposta degli impianti attivi

Dalla simulazione CFD condotta con FDS è emerso chiaramente l'effetto combinato del confinamento d'aria e dell'attivazione impiantistica:

1. Sottoventilazione precoce: L'esaurimento rapido dell'ossigeno locale ha limitato il picco di HRR ben al di sotto dei valori teorici in campo aperto.
2. Attivazione in-rack: Le testine sprinkler posizionate sul livello interessato dall'innesco si sono attivate entro i primi 300 secondi (valore ampiamente conservativo), erogando la portata di progetto direttamente sulla matrice di carico in combustione.
3. Profilo termico sull'acciaio: I sensori collocati sulle aste e sui nodi strutturali adiacenti hanno registrato temperature massime locali dei gas ampiamente inferiori a 400 °C, traducendosi in una temperatura superficiale massima dell'acciaio mantenuta stabilmente sotto i 350 °C.

Figura 3: Sensore di temperatura posizionato ad una quota z = 20 m

Verifica termo-meccanica non lineare (SAFIR)

I profili di temperatura calcolati a varie quote sono stati esportati nel solutore termo-meccanico SAFIR. Sottoponendo la struttura non protetta ai carichi permanenti ed d'esercizio combinati con l'azione termica reale:

• La riduzione del modulo elastico e della tensione di snervamento dei profili sagomati a freddo è risultata trascurabile e localizzata.
• È stata ampiamente verificata la stabilità globale e locale per i requisiti di resistenza al fuoco.
• Risultato operativo: È stata dimostrata la completa idoneità dell'acciaio non protetto (senza ricorrere a vernici intumescenti o intonaci protettivi), eliminando qualsiasi rischio di interferenza meccanica con le navette e i trasloelevatori e garantendo un ingente risparmio economico per la committenza.

Figura 4: Analisi termica dei profili della struttura, la curva blu rappresenta la temperatura dei gas caldi, mentre la curva arancione la temperatura sui profili di acciaio del magazzino

6 - Quadro di sintesi: Approccio Prescrittivo vs Approccio Prestazionale FSE

Conclusioni: progettare la sicurezza a misura di automazione

I Magazzini Automatici Verticali rappresentano una delle manifestazioni più avanzate della logistica 4.0. Applicare a queste opere criteri di prevenzione incendi puramente descrittivi o curve termiche standardizzate rischia di generare vincoli tecnici insormontabili o investimenti sproporzionati.

L'integrazione tra la simulazione termo-fluidodinamica CFD (attraverso le equazioni di Navier-Stokes e il campionamento delle temperature di cella), l'analisi strutturale avanzata in software specifici di Resistenza al fuoco delle strutture in acciaio e la protezione attiva con sprinkler in-rack dimostra come l'ingegneria antincendio prestazionale sia lo strumento abilitante per garantire sicurezza strutturale, continuità operativa e sostenibilità economica.

SAFETY-FIRE S.r.l., con sedi a Milano e Rovigo, è specializzata nell’applicazione della Fire Safety Engineering (FSE) e nella verifica del collasso implosivo delle strutture in caso di incendio.
Grazie a oltre dieci anni di esperienza, sviluppa analisi avanzate di resistenza al fuoco e comportamento termo-strutturale.
L’obiettivo è dimostrare il collasso della struttura all’interno dell’impronta del fabbricato, evitando danni agli edifici adiacenti.
La società gestisce inoltre il confronto tecnico con gli Enti di controllo fino all’approvazione della soluzione progettuale.
Completa l’incarico con la documentazione tecnica e certificativa finale, senza necessità di modificare la struttura portante esistente.

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