La progettazione dei sistemi di controllo longitudinale della ventilazione
I sistemi per il controllo longitudinale della ventilazione all’interno dei tunnel autostradali sono dimensionati per garantire, in caso di emergenza, l’esodo degli utenti, l’operatività delle squadre di soccorso e la diluzione degli inquinanti in condizioni di normale esercizio. Il dimensionamento è svolto, tipicamente, facendo riferimento agli scenari più gravosi.
La comunità tecnica e scientifica si sta interrogando se questo modo di procedere di tipo deterministico sia ancora in grado di interpretare la complessità delle sfide tecnologiche e ambientali che il contesto attuale e futuro stanno ponendo, o se debba essere rivisto.
Le nuove tecnologie per la mobilità, ovvero l’impiego di nuovi combustibili quali l’idrogeno e il GNL, così come l’incremento sulla rete viaria di veicoli elettrici alimentati con batterie introducono nuovi hazards e nuovi potenziali scenari incidentali di magnitudo superiore.
Parallelamente, l’emergenza climatica impone che tutti i sistemi che richiedono energia siano ridisegnati nell’ottica della sostenibilità per ridurre l’impronta di carbonio.
L’approccio che propone Cantene è quello di combinare metodologie di tipo deterministico, quale l’approccio multiscala che si avvale di simulazioni fluidodinamiche 1D-3D e di simulazioni di esodo per valutare quantitativamente il peso delle conseguenze di un evento incidentale (incendio) sugli utenti e sulle squadre di soccorso, con un approccio probabilistico (https://www.cantene.it/products#prod-3).
Attraverso un approccio basato sul metodo Montecarlo sono esaminati – preliminarmente – un elevato numero di scenari incidentali in modo da individuare i più probabili tra quelli che producono un danno maggiore. Questo tenendo conto delle eventuali misure di mitigazione adottate (attive: sistema di spegnimento; passive: presenza di rifugi).
In questo modo, le analisi di tipo deterministico su cui è poi svolto il dimensionamento del sistema di controllo longitudinale della ventilazione sono svolte su un sotto-insieme di scenari e non necessariamente sul “peggiore”.
L’approccio dell’analisi di rischio
L’analisi di rischio è stata introdotta dalla Direttiva Europea 2004/54/EC ed è stata recepita in Italia dal D.Lgs. 264/2006. La Direttiva fissa i requisiti progettuali per le gallerie. Quando i requisiti di sicurezza non sono rispettati, l’efficacia delle soluzioni alternative è verificata attraverso un’opportuna analisi di rischio.
In fase progettuale, l’analisi di rischio può essere impiegata in modo combinato all’approccio progettuale classico in modo da valutare, anche se con un dettaglio inferiore rispetto a un approccio deterministico, su un campione di scenari statisticamente rappresentativo, gli effetti complessivi che possono avere le scelte progettuali sulla sicurezza globale dell’infrastruttura.
L’analisi di rischio è inoltre legata al concetto ALARP (As Low As Reasonalby Praticable) che stabilisce un intervallo di accettabilità in modo da poter identificare soluzioni che siano appunto ottime sia sotto il profilo tecnico ma anche economico che va connotato anche in senso di sostenibilità.
ARTU
ARTU è un software sviluppato da Cantene in collaborazione con il Dipartimento di Fire Engineering dell’Università di Lund (Svezia) che calcola il rischio sociale legato all’evento d’incendio in galleria e lo quantifica su una curva FN correlando il danno provocato in termini di perdita di vite umane con la probabilità che tale danno si verifichi.
Il codice studia in modo deterministico ogni scenario al fine di quantificare l’interazione tra gli utenti e i prodotti della combustione durante l’evacuazione. La dinamica di esodo degli utenti che si muovono in condizioni di scarsa visibilità è valutata in funzione dell’andamento dei fumi nel tunnel. Il calcolo del danno è stimato tramite la FED (Fractional Effective Dose) che gli utenti accumulano quando entrano in contatto con gli effetti termici e chimici dell’incendio.
Il confronto tra la curva FN e la curva ALARP (se la Normativa nazionale la prevede) permette di valutare l’accettabilità della soluzione.
Un caso studio
Il caso studio si riferisce a un tunnel a doppia canna con traffico monodirezionale, dotato di un impianto di controllo longitudinale della ventilazione, un sistema di spegnimento automatico a zone, e di by-pass di collegamento ogni 160 m. Il tunnel è inoltre dotato di un sistema di gestione del traffico in modo da ridurre le condizioni di traffico congestionato.
Il dimensionamento è stato svolto in modo deterministico attraverso il ricorso alla tecnica multiscala. Il sistema di ventilazione longitudinale è stato dimensionato per realizzare la velocità critica in caso di incendio in condizioni di traffico fluido.
La gestione dell’emergenza in condizioni di traffico congestionato prevede che il sistema di ventilazione realizzi una velocità dell’aria ridotta in modo da favorire la stratificazione dei fumi fino alla fine della fase di auto-evacuazione.
L’approccio proposto da Cantene è stato applicato a valle del dimensionamento per valutare il peso sul numero di fatalities di alcune misure di mitigazione del rischio quali:
- l’utilizzo del sistema di spegnimento;
- l’interdistanza dei by-pass;
- la gestione dell’allarme (tempo di pre-movimento)
considerando un vasto numero di scenari (centinaia) rispetto a quelli utilizzati in fase di design.
A titolo di esempio si riporta lo studio svolto facendo variare il tempo di pre-movimento. Sono state analizzate tre diverse situazioni. Per ciascuna si assume una distribuzione uniforme del pre-movimento:
- senza allarme: gli utenti partono tra 300 s e 570 s (in funzione della distanza dall’incendio);
- allarme di tipo 1: entro 60 s dall’innesco, in questo caso gli utenti partono tra 150 s e 360 s;
- allarme di tipo 2: entro 120 s dall’innesco, in questo caso gli utenti partono tra 210 s e 420 s.
La Figura 2 permette di pesare la modalità di gestione sulla curva FN. Lo studio può essere ripetuto considerando le soluzioni singolarmente o combinate (es. tempo di pre-movimento e interdistanza dei by-pass). In questo modo, è possibile valutare l’impatto delle soluzioni in termini di efficacia.
La Figura 3 mette in relazione le configurazioni esaminate relative alla gestione dell’emergenza (tempo di pre-movimento) attraverso analisi di tipo deterministico in modo da confrontare i risultati con quelli ottenuti attraverso ARTU. Il confronto mette in evidenza la coerenza e la consistenza dell’approccio.
In Figura 4 è riportato un diagramma nel quale si evidenzia la correlazione tra i risultati delle simulazioni multiscala (1D+CFD3D ed esodo) svolte a design e la curva FN ottenuta attraverso l’impiego di ARTU:
- i casi congestionati con valori di HRR più elevato corrispondono ai casi meno frequenti ma con più vittime (parte destra della curva);
- i casi più frequenti e con poche vittime sono quelli corrispondenti alla parte più estesa della curva a pendenza minore (la FN è una curva cumulata).
Quello che si deduce è che, in fase di dimensionamento, i casi di riferimento sono stati quelli che sulla curva FN determinata attraverso ARTU presentano valori cumulati di frequenza più bassi.
L’approccio dell’analisi di rischio può pertanto contribuire a definire in modo rigoroso gli scenari di dimensionamento evitando di basare il design solo sugli scenari “peggiori”.
ARTU può essere impiegato per valutare un set di alternative progettuali identificando la relazione tra l’introduzione di una precisa misura di sicurezza e la riduzione del rischio che ne consegue.
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