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La valutazione della resilienza di una galleria stradale in caso di evento incidentale

I risultati di uno studio finalizzato a valutare quantitativamente la resilienza di una galleria autostradale a doppio fornice in caso di incidente o incendio all’interno di uno dei fornici

Una galleria

La galleria stradale, come parte di un sistema di trasporto, sono essenziali per la mobilità di merci e persone. Affinché una galleria possa assolvere alle proprie funzioni sociali ed economiche, essa dovrebbe restare aperta al traffico il più a lungo possibile.

Tuttavia, il verificarsi di un evento incidentale (incidente o incendio) in una galleria potrebbe causare la sua parziale o completa chiusura al transito veicolare per diverse ore o giorni, con conseguenze negative sulla circolazione veicolare lungo la rete di trasporto contenente la struttura stessa.

Pertanto, il processo di recupero della funzionalità di una galleria stradale interessata da un evento incidentale, anche in relazione alla possibile presenza di percorsi alternativi, è una questione di rilevante importanza.

Una galleria stradale, o più in generale la rete di trasporto che la contiene, che mostra una risposta adattiva a una perturbazione è di solito definita come resiliente.

Una galleria autostradale
1. Una galleria autostradale parzialmente chiusa al traffico

Esistono differenti definizioni di resilienza nella letteratura internazionale. Comunque, con riferimento a una rete di trasporto stradale, la resilienza potrebbe essere intesa come “la capacità del sistema di mantenere il suo livello di servizio o di recuperare esso in uno specifico intervallo di tempo dopo che un evento di disturbo si è verificato” [1, 2 e 3].

La resilienza può essere anche trattata in termini di capacità adattiva o ristorativa. La capacità adattiva è nell’abilità del sistema di trasporto stradale di adattarsi gradualmente ad una perturbazione.

Ad esempio, nel caso di una galleria stradale a doppio fornice con traffico unidirezionale, il verificarsi di un evento incidentale su una corsia di un fornice con conseguente chiusura della stessa al traffico, può portare l’infrastruttura a recuperare la sua funzionalità utilizzando le corsie rimanenti, oppure a impiegare il fornice adiacente per traffico bidirezionale nel caso in cui il fornice interessato dall’incidente venisse chiuso.

La capacità ristorativa può essere, invece, quando la perdita di funzionalità del sistema galleria in seguito ad una perturbazione è recuperata mediante l’esecuzione di specifiche attività, da parte delle squadre di emergenza, sulla carreggiata interrotta.

Una curva di funzionalità (F) di un generico sistema di trasporto, in seguito a un evento incidentale, può essere schematicamente rappresentata come riportato in Figura 2. Da questa si evince il cosiddetto trapezio di resilienza.

Generico sistema di trasporto
2. Una schematica rappresentazione di una curva di funzionalità (F) di un generico sistema di trasporto nel caso di un evento incidentale e parametri relativi alla resilienza

In particolare, il primo vertice del trapezio rappresenta il 100% del livello di funzionalità del sistema in condizioni ordinarie (F0 = 100%); il lato F0 – Fa indica la riduzione del livello di funzionalità all’istante di tempo t = t0 quando si verifica l’evento incidentale; il lato tr – t0 rappresenta il periodo di tempo durante il quale la riduzione del livello di funzionalità rimane costante (Fa = costante); infine, il lato inclinato th − tr individua il periodo di tempo durante il quale il sistema recupera la sua funzionalità iniziale (F0), e la sua pendenza rappresenta la velocità di recupero.

Sempre in Figura 2, sono altresì riportate le espressioni analitiche di alcuni parametri relativi alla resilienza.

Vi sono svariate metriche per misurare la resilienza. Tuttavia, poiché la resilienza di una rete di trasporto stradale è prevalentemente legata alla sua funzionalità, metriche legate alla qualità del servizio dovrebbero essere soprattutto utilizzate.

Dato che un evento incidentale in una galleria potrebbe significativamente incrementare il tempo di viaggio degli utenti sulla rete contenente la struttura, il tempo di ritardo appare essere un’appropriata metrica per lo scopo.

Le analisi di resilienza possono essere condotte con metodi qualitativi o quantitativi. I primi, fornendo solo una valutazione descrittiva della resilienza di un’infrastruttura (bassa, media o alta) non sono adatti a definire la resilienza di sistemi complessi come le reti di trasporto stradale.

Al contrario, i metodi quantitativi sono più appropriati. Questi ultimi sono spesso basati sull’utilizzo di modelli di simulazione del traffico che, confrontando diversi scenari e le relative criticità, rappresentano un utile strumento di supporto decisionale [2, 3 e 4].

In questo contesto si pone il presente studio che, basato sullo sviluppo di un modello di macro-simulazione del traffico ed assumendo come metrica il tempo di ritardo, ha quantitativamente stimato la perdita di resilienza di una galleria autostradale a doppio fornice nel caso di un evento incidentale in uno dei fornici, e proposto strategie di gestione più appropriate.

Rete stradale investigata
3. Una schematica rappresentazione della rete stradale investigata

Descrizione della galleria e dell’area di studio

La galleria a doppio fornice investigata è ubicata lungo un’autostrada italiana. Ciascun fornice è rettilineo, in piano, lungo 850 m e ha due corsie utilizzate per traffico unidirezionale in condizioni ordinarie di funzionalità. Vi sono by-pass ai portali per lo scambio di carreggiata, nonché un by-pass di collegamento tra i due fornici posto a metà della lunghezza della galleria.

Nello studio, si è ipotizzato il verificarsi di un incidente su una corsia di uno dei due fornici che causa la parziale o completa chiusura del fornice stesso. Ciò comporta inevitabilmente ritardi nel tempo di viaggio per i veicoli che percorrono la tratta autostradale nel verso del fornice interessato, il che potrebbe estendersi anche sulla viabilità ordinaria in particolare nel caso in cui essa sia utilizzata come itinerario alternativo.

L’estensione della rete stradale (includendo il tratto autostradale in questione) che può essere interessata dall’evento incidentale fu stimata, sulla base di diverse macro-simulazioni preliminari del traffico, per essere di una lunghezza di circa 25 km e larghezza di 8 km.

Essa è schematicamente riportata in Figura 3 sopra, dalla quale si può rilevare:

  • il tratto autostradale contenente la galleria a doppio fornice analizzata;
  • il fornice Nord (direzione di marcia da A verso D) che potrebbe essere interessato da un evento incidentale con conseguente sua parziale o completa chiusura;
  • il fornice Sud (direzione di marcia da D verso A) che potrebbe essere utilizzato per traffico bidirezionale nel caso di completa chiusura del fornice Nord;
  • i by-pass ai portali per il cambio di carreggiata;
  • un itinerario alternativo individuato sulla viabilità ordinaria che, in virtù dei due svincoli autostradali (B e C), potrebbe essere utilizzato dai veicoli diretti verso Nord.

Gli scenari investigati

Al fine di simulare le conseguenze peggiori sulla fluidità del traffico, si è ipotizzato che l’evento incidentale si verificasse alle ore 7:00 del mattino, cioè allorquando dai dati forniti si registra il massimo volume di traffico orario.

Si è inoltre ipotizzato che la durata della parziale o completa chiusura del fornice Nord fosse a partire dall’istante in cui si è verificato l’incidente rispettivamente di un’ora (dalle ore 7:00 alle 8:00), due ore (dalle ore 7:00 alle 9:00) oppure tre ore (dalle ore 7:00 alle 10:00).

Gli scenari investigati sono:

  • scenario 0 relativo al sistema galleria nelle sue ordinarie condizioni di funzionalità, ovvero in assenza di perturbazioni e con le due corsie di ogni fornice utilizzate per traffico unidirezionale;
  • scenario 1 corrispondente alla chiusura parziale del fornice Nord (solo 1 corsia rimane aperta al traffico in caso di incidente);
  • scenario 2 relativo alla completa chiusura del fornice Nord e utilizzo del fornice adiacente per traffico bidirezionale; l’apertura dei by-pass ai portali per il cambio di carreggiata è assunta di verificarsi entro 10 minuti dall’evento incidentale;
  • scenario 3 simile allo scenario 1, ma con i veicoli pesanti diretti verso Nord deviati sul percorso alternativo della viabilità ordinaria;
  • scenario 4 simile allo scenario 2, ma con la deviazione dei veicoli pesanti sull’itinerario alternativo;
  • scenario 5 corrispondente alla chiusura completa del fornice Nord e con tutti i veicoli (autovetture e veicoli pesanti) diretti verso Nord deviati sul percorso alternativo.
La metodologia seguita
4. Il diagramma di flusso della metodologia seguita

L’approccio metodologico

L’approccio metodologico seguito si è articolato in varie fasi principali. Si è individuata prima la rete infrastrutturale che può essere interessata dalle perturbazioni sul traffico causate da un incidente nel fornice Nord, con la sua conseguente parziale o completa chiusura, e si sono reperiti i dati di traffico orari relativi ad un periodo di tempo a cavallo dell’istante in cui l’evento incidentale si è verificato.

Si è poi assunto un periodo di analisi nelle simulazioni pari complessivamente a sette ore (dalle ore 6:00 alle 13:00), cioè un’ora prima del verificarsi dell’incidente per simulare la rete di trasporto infrastrutturale già caricata dal traffico veicolare quando l’evento si verifica, e un extra-time di alcune ore dopo la fine della parziale o completa chiusura del fornice Nord al fine di continuare a investigare gli effetti sui flussi di traffico successivi al processo di recupero di funzionalità del fornice Nord.

Quindi si è sviluppato un modello di macro-simulazione da traffico della rete interessata, il quale è stato calibrato e validato. Implementati gli scenari sopra menzionati, si sono calcolati i relativi tempi medi di viaggio e quindi costruite le relative curve di funzionalità (F) in funzione del tempo t.

Successivamente, si sono determinati i parametri di resilienza riportati nella sopramenzionata Figura 2, quali la perdita di resilienza, l’indice di resilienza e la velocità di recupero.

I risultati ottenuti sono stati commentati e le conclusioni possono essere utilizzate come un supporto decisionale nella scelta della strategia di gestione più appropriata delle gallerie a doppio fornice in caso di incidente in uno dei fornici. L’approccio metodologico seguito è schematicamente riportato in Figura 4 sopra. 

Le analisi dei risultati

Il livello di funzionalità (F) del sistema durante il periodo di tempo in cui il fornice Nord è parzialmente o completamente chiuso è stato calcolato, in particolare, come rapporto tra il tempo medio di viaggio richiesto per raggiungere una determinata destinazione a partire da una specifica origine sia prima sia dopo il verificarsi dell’incidente nel fornice Nord (ovviamente, il livello di funzionalità del sistema è assunto pari al 100% in assenza dell’evento incidentale (scenario 0)).

  • Chiusura di un’ora
    5A Chiusura di un’ora
    5A. Le curve di funzionalità relative al flusso di traffico diretto verso il fornice Nord interessato dall’incidente, caratterizzato da una chiusura parziale o completa della durata di un’ora con e senza l’utilizzo dell’itinerario alternativo
  • Chiusura di due ore
    5B Chiusura di due ore
    5B. Le curve di funzionalità relative al flusso di traffico diretto verso il fornice Nord interessato dall’incidente, caratterizzato da una chiusura parziale o completa della durata di due ore con e senza l’utilizzo dell’itinerario alternativo
  • Chiusura di tre ore
    5C Chiusura di tre ore
    5C. Le curve di funzionalità relative al flusso di traffico diretto verso il fornice Nord interessato dall’incidente, caratterizzato da una chiusura parziale o completa della durata di tre ore con e senza l’utilizzo dell’itinerario alternativo

Con riferimento al flusso di traffico veicolare diretto verso il fornice Nord interessato dall’incidente (direzione di marcia da A verso D), le Figure 5A, 5B e 5C mostrano le curve di funzionalità nel caso di chiusura parziale o completa del fornice Nord per una durata dell’evento incidentale di una, due oppure tre ore, rispettivamente.

La perdita di resilienza (RLOSS) è rappresentata dall’estensione dell’area del trapezio di resilienza (quanto più piccola è l’area del trapezio, tanto minore è la perdita di resilienza del sistema e viceversa).

Confrontando le Figure 5A, 5B e 5C, si può notare che la perdita di resilienza aumenta con la durata del tempo di chiusura (parziale o completa) del fornice Nord.

A parità di altri fattori, le perdite di resilienza sono minori nel caso di chiusura parziale del fornice Nord (scenario 1) rispetto alla chiusura completa (scenario 2).

Inoltre, dalle suddette figure, si può notare come l’attivazione dell’itinerario alternativo per i soli veicoli pesanti, sia nel caso di chiusura parziale (scenario 3) sia completa (scenario 4) del fornice Nord, porta a minori perdite di resilienza rispetto ai corrispondenti scenari in cui non è utilizzato l’itinerario alternativo (scenari 1 e 2).

Comunque, le maggiori perdite di resilienza sono riscontrate quando il fornice Nord è completamente chiuso e i veicoli (sia autovetture sia veicoli pesanti) che sono diretti verso Nord sono deviati sull’itinerario alternativo della viabilità ordinaria (scenario 5).

Le Figure 5A, 5B e 5C mostrano anche che le velocità di recupero della funzionalità, per un’assegnata durata del tempo di chiusura (parziale o completa) del fornice Nord, restano pressocché le stesse in tutti gli scenari investigati (tratti inclinati dei trapezi di resilienza quasi paralleli tra loro).

Allo scopo di definire la resilienza anche attraverso un valore numerico, è stato calcolato anche l’indice di resilienza così come esso è stato definito in Figura 2. L’indice di resilienza è ampiamente utilizzato in letteratura per le analisi di resilienza delle infrastrtture di trasporto.

Il suo valore può variare tra 0 e 1 (un indice di resilienza uguale a 1 rappresenta una perdita di resilienza uguale a 0). La Figura 6 riporta l’andamento dell’indice di resilienza computato.

Da essa si può evincere che l’indice di resilienza diminuisce all’aumentare della durata di chiusura (parziale o completa) del fornice Nord. Indici di resilienza più alti sono trovati con la parziale chiusura del fornice rispetto a quella completa e con l’utilizzo dell’ itinerario alternativo per i soli veicoli pesanti.

In altre parole, i risultati dell’indice di resilienza confermano i nostri commenti inerenti la perdita di resilienza in tutti i casi esaminati. 

L’indice di resilienza
6. L’indice di resilienza relativo al flusso di traffico diretto verso il fornice Nord interessato dall’incidente, caratterizzato da una chiusura parziale o completa della durata di una, due oppure tre ore, con e senza l’utilizzo dell’itinerario alternativo

Conclusioni e futuri indirizzi di ricerca

Questo studio è stato soprattutto motivato dalla necessità sia di stimare quantitativamente la perdita di resilienza di una galleria autostradale a doppio fornice, nel caso di un incidente in uno dei due fornici con conseguente chiusura parziale o completa dello stesso, sia di identificare strategie di gestione più appropriate per contenere il tempo di ritardo.

I risultati hanno dimostrato che lo scenario migliore corrisponde alla chiusura parziale del fornice rispetto a quella completa (minore perdita di resilienza o maggiore indice di resilienza).

Un ulteriore miglioramento potrebbe essere ottenuto deviando i soli veicoli pesanti su un itinerario alternativo individuato nella viabilità ordinaria. Comunque, quando il fornice è completamente chiuso al traffico, non appare consigliabile deviare tutti i veicoli (sia autovetture sia veicoli pesanti) su un percorso alternativo della viabilità ordinaria per l’eccessivo tempo di ritardo associato al corrispondente flusso veicolare.

Nonostante questo studio fornisca un importante contributo allo stato delle conoscenze, ulteriori studi dovrebbero essere basati sull’analisi simultanea della resilienza e sicurezza degli utenti. In merito, i primi risultati sono riportati in [3].

Tuttavia, sviluppi addizionali che coinvolgano le gallerie più lunghe, i sistemi innovativi per contrastare potenziali incendi dovuti a collisioni, le analisi delle incertezze, nonché l’interdipendenza tra i differenti sistemi di trasporto, aprono nuovi e stimolanti temi di ricerca nel campo della resilienza delle gallerie stradali. 

Bibliografia

[1]. D. Freckleton, K. Heaslip, W. Louisell, J. Collura – “Evaluation of resiliency of transportation networks after disasters”, Transportation Research Record 2284 (1), 109-116, 2012.

[2]. C. Caliendo, L. Russo, G. Genovese – “Resilience assessment of a twin-tube motorway tunnel in the event of a traffic accident or fire in a tube”, Applied Sciences 12 (1), 513, 2022.

[3]. C. Caliendo, G. Genovese, L. Russo – “A simultaneous analysis of the user safety and resilience of a twin-tube road tunnel”, Applied Sciences 12 (7), 3357, 2022.

[4]. PIARC Literature Review – “Improving road tunnel resilience, considering safety and availability”, Technical Committee on Road Tunnels, the World Road Association, Paris, France, 2021.

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