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I maggiori pericoli per gli utenti in caso di incendio in galleria

Un’analisi del fenomeno dello spalling del calcestruzzo in una galleria stradale in caso di incendio

sfondo unisa

In linea con gli studi svolti presso l’Università degli Studi di Salerno, si riportano in questo articolo i primi risultati di una ricerca finalizzata a quantificare l’entità del probabile fenomeno dello spalling del calcestruzzo che può essere causato dalle alte temperature che si sviluppano nelle gallerie stradali nel caso di incendio rilevante. I maggiori pericoli per gli utenti in caso di incendio in galleria derivano da alte temperature generate dal veicolo incendiato, fumo che progressivamente riempie la galleria riducendo la visibilità per l’evacuazione, produzione di monossido di carbonio e di sostanze tossiche che, associata al consumo di ossigeno, può provocare intossicazione e, conseguentemente, perdita di conoscenza e di anossia.

Vi sono numerosi studi in letteratura che, basandosi su modelli di fluidodinamica computazionale, hanno investigato le conseguenze di incendi in galleria sugli utenti, alcuni dei quali sono riportati anche in [1, 2, 3 e 4].

Tuttavia, oltre alle conseguenze sulla salute degli occupanti la galleria, occorrerebbe considerare anche gli effetti negativi sulle strutture dovuti alle altissime temperature causate dall’incendio, nonché i costi sia diretti per la riparazione delle strutture danneggiate sia indiretti associati alla chiusura temporanea della galleria e all’utilizzo di itinerari alternativi.

La Direttiva 2004/54/CE [5], recepita in Italia dal D.Lgs. 264 [6], prevede, oltre a un’analisi quantitativa del rischio finalizzata a determinare la salvabilità degli utenti in caso di incendio, la verifica di resistenza al fuoco della struttura nei casi in cui un cedimento locale della stessa possa causare conseguenze catastrofiche, come ad esempio a importanti strutture adiacenti o a gallerie sommerse.

La maggior parte delle gallerie esistenti sono in calcestruzzo non armato o armato, quelle nuove sono prevalentemente in calcestruzzo armato. Quando il calcestruzzo è esposto alle altissime temperature conseguenti un incendio, si possono verificare distacchi più o meno violenti di materiale dall’intradosso della volta e/o dalle pareti della galleria.

Galleria
1. Una galleria per la quale eventuali cedimenti localizzati possono causare cedimenti agli edifici soprastanti

Tale fenomeno, conosciuto come spalling, può portare nel caso di calcestruzzo armato al distacco del copriferro, quindi un’area di calcestruzzo più o meno estesa potrebbe presentare le armature a vista.

Di conseguenza, le barre di armatura in acciaio restano esposte ad altissime temperature e, avendo l’acciaio una minore resistenza al fuoco rispetto al calcestruzzo, esse potrebbero non essere più in grado di svolgere la loro funzione di assorbire gli sforzi di trazione, contribuendo quindi a un collasso di tipo strutturale seppur localizzato.

Ciò, oltre a un peggioramento del livello di sicurezza degli utenti non ancora evacuati e a ostacolare i soccorsi, potrebbe essere causa vista di una galleria durante le verifiche di difettosità di cedimenti di edifici ubicati sopra la volta della galleria o di venute d’acqua.

Alla luce delle considerazioni sopra esposte, si riportano nella presente nota i primi risultati di una ricerca basata su una modellizzazione fluidodinamica finalizzata ad investigare con maggiore dettaglio il fenomeno dello spalling.

Descrizione della galleria investigata e scenario di incendio

La galleria investigata è caratterizzata da traffico unidirezionale (TGM = 10.000 veicoli/giorno per corsia, con una percentuale di veicoli pesanti del 5%) con lunghezza di 1 km. Essa è a sezione rettangolare con due corsie di marcia, banchine laterali e marciapiedi su entrambi i lati.

L’area della sezione trasversale della galleria è di 63 m2 (10,50×6 m). Le pareti e il soffitto della galleria sono in calcestruzzo armato di spessore 0,50 m.

La galleria è dotata di un impianto di ventilazione longitudinale costituito da cinque ventilatori (jet-fan) opportunamente distanziati. In condizioni di traffico ordinario, la ventilazione longitudinale assicura un flusso d’aria all’interno della galleria ad una velocità dell’ordine di 1 m/s, mentre in caso di incendio essa è in grado di garantire un flusso d’aria con velocità media di circa 5 m/s.

Lo scenario di incendio simulato coinvolge un veicolo pesante (massa > 3,5 t) in grado di sviluppare una potenza di incendio pari a 100 MW. Il veicolo simulato è lungo 12 m, largo 2,5 m e alto 3,6 m dal piano viabile. La localizzazione peggiore del veicolo incendiato si verifica quando esso è a metà della lunghezza della galleria.

Direttiva 2004/54/CE
2. La sezione trasversale della galleria studiata con la mesh computazionale ottimizzata

Con riferimento alla posizione trasversale, si è assunto che il veicolo al momento dell’incendio si affianchi al marciapiede in destra, quindi la distanza minima della sua sagoma limite dalla parete di destra è pari a 1,0 m.

La distanza minima della sagoma limite del veicolo dal soffitto è, invece, di 2,4 m. Nella simulazione si è assunto che i veicoli entranti in galleria, quando ha inizio l’incendio, non superino il veicolo incendiato formando una coda su entrambe le corsie a monte dello stesso, fino a riempire il tratto di galleria tra la posizione dell’incendio e il portale di entrata.

La modellizzazione fluidodinamica

I modelli di fluidodinamica computazionale sono lo strumento comunemente utilizzato per valutare le condizioni ambientali all’interno di una galleria in caso di incendio.

In tali modelli, le equazioni fondamentali di conservazione (quantità di moto, massa ed energia), in combinazione con i sottomodelli impiegati per descrivere i fenomeni di turbolenza, combustione e radiazione termica, sono generalmente risolti mediante il metodo dei volumi finiti all’interno di ciascuna cella in cui il volume della galleria viene discretizzato.

L’accuratezza dell’analisi dipende soprattutto dai modelli fisici utilizzati, dallo scenario di incendio e dalla finezza della mesh. Tra i diversi codici di calcolo disponibili per la modellizzazione fluidodinamica di scenari di incendio, gli autori della presente nota hanno utilizzato la versione 6.7.3. di FDS (Fire Dynamics Simulator), sviluppato dal NIST (National Institute of Standards and Technology) [7].

I principali dati di input di FDS riguardano: geometria della galleria, localizzazione della sorgente di fuoco, potenza di incendio, proprietà termiche dei materiali, prodotti della combustione, traffico stradale, meccanismo di formazione delle code dei veicoli, e sistema di ventilazione.

L’analisi di sensibilità ha portato ad individuare come mesh ottimale, per lo spessore del calcestruzzo del soffitto e della parete destra, delle celle di forma parallelepipeda aventi spessore di 0,10 m e le altre due dimensioni (espresse in metri) di 0,5×0,5, mentre per la parete di sinistra (più lontana dall’incendio) si sono utilizzate mesh cubiche di dimensioni 0,5 m.

calcestruzzo
3. Vista del modello sviluppato con schematica rappresentazione di distacco di calcestruzzo dal soffitto

Nel modello proposto si è assunto che lo spalling possa iniziare alla temperatura di 380 °C come riportato in [8]. La variazione delle proprietà termiche del calcestruzzo con la temperatura è stata assunta come riportato in [9].

La Figura 2 sopra mostra la sezione trasversale della galleria investigata con la mesh computazionale ottimizzata, nonché la posizione assunta per il veicolo incendiato.

I sopraccitati studi [1, 2, 3 e 4] hanno mostrato che gli effetti negativi più rilevanti di un incendio, in una galleria meccanicamente ventilata, si possono registrare in genere fino ad una distanza dell’ordine di 50 m a valle dell’incendio, per poi diminuire lungo la restante parte della galleria e restare quindi quasi costanti fino

al portale di uscita; inoltre, al fine di constatare l’eventuale verificarsi del fenomeno del back-layering, andrebbe considerata una distanza di almeno 15 m a monte dell’incendio.

Per la risoluzione di un modello ai volumi finiti, specie se questo è costituito da moltissimi elementi e nodi, potrebbero essere richiesti tempi di calcolo molto lunghi, in rapporto alle capacità degli attuali personal computer, come nel caso investigato di una mesh molto fitta per l’intera lunghezza della galleria.

Per le considerazioni sopra esposte, un modello di lunghezza ridotta, pari a 65 m (col veicolo incendiato posto a 15 m dalla sezione inziale e 50 m da quella finale), è stato considerato nell’analisi fluidodinamica.

La Figura 3 rappresenta una vista del modello sviluppato, con la rappresentazione della propagazione del calore a valle del veicolo incendiato, e schematica rappresentazione del distacco di materiale dal soffitto quando la temperatura è > 380 °C.

Gli effetti della temperatura > 380 °C sul calcestruzzo (sia al soffitto sia sulla parete in destra) sono stati studiati, nelle simulazioni effettuate, per una durata di 120 minuti [8 e 10].

incendio
4. L’andamento delle massime temperature che si riscontrano in superficie, sia al soffitto sia sulla parete in destra, in funzione del tempo

I principali risultati

I risultati mostrano che per la minore distanza della parete in destra rispetto al soffitto dal veicolo incendiato, si raggiungono valori massimi di temperature proprio su tale parete. In particolare, si sono registrate temperature massime di 1.350 °C sulla parete in destra contro 1.200 °C al soffitto.

La Figura 4 sopra mostra l’andamento delle massime temperature che si riscontrano sulla superficie del calcestruzzo, sia sulla parete in destra sia al soffitto, in funzione del tempo.

Dalla Figura 4 si può anche evincere che il tempo entro il quale la superficie del calcestruzzo raggiunge i 380 °C dall’inizio dell’incendio è di 3 minuti per la parete in destra e 4 minuti per il soffitto.

Quando la superficie del calcestruzzo raggiunge i 380 °C, si è assunto, in accordo con [8], l’inizio del fenomeno dello spalling, ovvero inizia il distacco di materiale dalla superficie del calcestruzzo, distacco che continua poi nel tempo.

In particolare, dalla Figura 5 sotto, si può desumere che per effetto della temperatura di 380 °C si può avere il distacco del copriferro in calcestruzzo (spessore 5 cm) dopo 23 minuti dall’inizio dell’incendio sulla parete in destra e dopo 38 minuti al soffitto.

Ciò può comportare una significativa riduzione sia delle proprietà meccaniche sia del modulo elastico delle barre in acciaio esposte alla temperatura di 380 °C. Se entro i suddetti tempi non inizia lo spegnimento dell’incendio, con la conseguente diminuzione della temperatura, la profondità dello spalling potrebbe raggiungere valori addirittura dell’ordine di 30 cm sulla parete in destra e 15 cm al soffitto dopo 120 minuti dall’incendio.

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5. L’andamento della profondità dello spalling in funzione del tempo

Considerazioni conclusive e indirizzi per la ricerca

Questo studio è stato soprattutto motivato dalla necessità di sviluppare un modello fluido-dinamico in grado di simulare il distacco di porzioni di calcestruzzo dalla struttura della galleria in caso di incendio.

Con riferimento allo scenario di incendio ipotizzato, gli elementi strutturali che maggiormente potrebbero essere interessati dallo spalling sono risultati essere la parete in destra e il soffitto.

La massima entità dello spalling, nel caso investigato, è stata riscontrata sulla parete in destra per le maggiori temperature dovute alla minore distanza dal veicolo incendiato.

Poiché i risultati hanno confermato la significatività della problematica, ulteriori sviluppi della ricerca dovrebbe essere basati sulla valutazione dell’efficacia di sistemi di protezione passiva delle superfici del calcestruzzo, utilizzo di vernici intumescenti, calcestruzzi ad alta resistenza al fuoco da impiegare per la costruzione di nuove gallerie. Pertanto, successivi studi sono necessari per fare ulteriori progressi nella ricerca sulla tematica esposta.

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