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L’analisi di rischio nelle gallerie stradali

Uno strumento software flessibile che unisce analisi probabilistica e deterministica e permette diversi livelli di approfondimento nello studio della sicurezza del sistema galleria

La sicurezza nelle gallerie della rete stradale transeuropea di lunghezza superiore a 500 m è disciplinata dalla Direttiva europea 2004/54/EC, recepita in Italia dal D.Lgs. 264/2006.

La Direttiva, che fissa i requisiti progettuali, nel caso in cui uno o più requisiti di sicurezza non possano essere realizzati per ragioni di forza maggiore tecniche o economiche, stabilisce di procedere all’individuazione di soluzioni alternative a patto che la loro efficacia sia dimostrata mediante un’analisi del rischio.

Il rischio, rappresentato attraverso una curva sul piano FN (probabilità/danno), è confrontato con la curva ALARP (As Low As Reasonably Possible), che definisce il confine tra rischio accettabile e inaccettabile, e la cui definizione è a cura di ciascun Paese membro.

Il rischio associato alla galleria oggetto di analisi deve essere equivalente a quello della “galleria di riferimento”, ovvero la galleria ideale realizzata in modo strettamente conforme alla disciplina.

  • Cantene
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    1. La curva ALARP definita da ANAS per l’Italia

L’analisi di rischio è pertanto uno strumento fondante del progetto di una galleria autostradale, ma soprattutto è lo strumento rigoroso di riferimento attraverso il quale possono essere valutate in modo comparativo alternative progettuali, in particolare quando si interviene su gallerie esistenti per procedere alla loro riqualificazione e/o ammodernamento.

Lo studio di una galleria richiede di combinare considerazioni di tipo probabilistico con analisi quantitative relative alla fluidodinamica dei prodotti della combustione e all’esodo degli utenti.

Occorre quindi disporre di strumenti per l’analisi statistica e di fluidodinamica computazionale, quest’ultimi tipicamente molto onerosi dal punto di vista dei tempi di calcolo.

In commercio esistono una varietà di software sviluppati da Enti di ricerca e/o Società di ingegneria che si basano esclusivamente su di una metodologia di tipo probabilistico.

Attraverso l’esecuzione di un elevato numero di simulazioni è setacciato l’intero campo di scenari di emergenza (incendio in galleria). La forza di questi software consiste nella possibilità di esplorare migliaia di scenari in un tempo contenuto.

Il punto di debolezza è che non è possibile una descrizione completa dei sistemi di sicurezza presenti in galleria (ventilazione, semafori, allarmi), limitandosi a una rappresentazione molto semplificata.

In particolare, nei codici di tipo probabilistico, il sistema di ventilazione è modellato attraverso un ventaglio di valori di velocità che si assume possano presentarsi nelle diverse condizioni di funzionamento. Questa descrizione prescinde dal tipo di ventilatori utilizzati e dalla loro effettiva interazione con il sistema galleria (incendio, condizioni al contorno, ecc.).

Altrettanto forte è la semplificazione del comportamento degli utenti e della loro interazione con i prodotti della combustione, che non prende in esame la condizioni ambientali (visibilità, presenza di altre persone) ad ogni istante, ma fa una stima basata sulla posizione iniziale dell’utente e sulla distribuzione dei fumi in galleria.

  • software
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    2. Il software ARTU

ARTU, il software per l’analisi di rischio

Cantene (http://www.cantene.it/products/artu/) ha sviluppato il software per l’analisi di rischio ARTU (Analisi di Rischio Tunnel). Si tratta di un software che integra l’approccio puramente probabilistico con una serie di calcoli deterministici ottenuti mediante l’uso di simulazioni fluidodinamiche 1D e simulazioni avanzate di esodo.

ARTU utilizza la metodologia probabilistica per gestire, sulla base di distribuzioni statistiche, gli aspetti aleatori come la posizione dell’incendio, il tipo di veicolo coinvolto, la quantità di persone all’interno del tunnel e le loro caratteristiche fisiche e comportamentali.

L’approccio deterministico è invece utilizzato per identificare e simulare solamente gli scenari che possono avere effettivamente luogo all’interno del tunnel. Ad esempio per la velocità dell’aria, ARTU non utilizza un valore casuale tra un ventaglio di valori probabili, bensì il valore che corrisponde alle condizioni di funzionamento del sistema di ventilazione, dato lo specifico incendio preso in esame.

La descrizione deterministica è applicata ai seguenti fenomeni:

  • distribuzione delle portate d’aria nella galleria, data dalle caratteristiche dell’impianto di ventilazione (numero, posizione e potenza dei ventilatori installati), e del focolaio;
  • comportamento degli utenti durante la fase di auto-esodo, calcolato sulla base di modelli di letteratura che permettono di tracciare il percorso seguito da ciascun utente, tenendo conto dell’interazione tra i diversi utenti e della visibilità all’interno della galleria;
  • calcolo del danno, cioè il numero di utenti che subisce lesioni a causa dell’incendio, che è stimato sulla base delle condizioni di vivibilità, mediante il monitoraggio, per ciascun utente, del parametro FED (Fractional Effective Dose).

  • ARTU
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    3. Il software ARTU tiene conto delle interazioni tra i diversi fenomeni che caratterizzano il fenomeno di incendio in galleria
  • incendio
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    4. L’output del software di analisi di rischio
  • Galleria
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    5. Il risultato dell’analisi fluidodinamica-esodo su specifiche posizioni di incendio

Un aspetto caratterizzante di ARTU è che può fornire una serie di risultati aggiuntivi che richiederebbero l’esecuzione di ulteriori analisi fluidodinamiche e di esodo come:

  • indicazioni sul raggiungimento della velocità critica a monte incendio;
  • descrizione dettagliata del danno subito dagli utenti (analisi della FED);
  • vulnerabilità specifiche della galleria (per esempio, la valutazione di una o più posizioni d’incendio più gravose).

Con ARTU i risultati sopra elencati si ottengono congiuntamente alla definizione della curva FN, senza bisogno di ulteriori passaggi di calcolo.

ARTU esegue inoltre un’analisi di sensitività sui parametri di input in modo automatico, restituendo un’indicazione del peso che le ipotesi di calcolo hanno sui risultati.

ARTU è stato validato nel senso della definizione dell’International Standard Organization (ISO). Lo standard definisce “validazione” il processo che valuta se le equazioni e i metodi di calcolo scelti sono implementati correttamente e se tali metodi sono idonei per dare una rappresentazione accurata del mondo fisico.

La validazione, che ha riguardato tutti i moduli di cui si compone il SW, è stata svolta dall’Università di Lund (Svezia). I risultati ottenuti attraverso l’utilizzo di ARTU sono stati confrontati sia con risultati teorici (correlazioni di letteratura) sia con risultati sperimentali rilevati attraverso test in campo opportunamente selezionati.

Sono stati utilizzati i test svolti tra il 2000 e il 2001 nei Paesi Bassi dal Ministero dei Trasporti e del Centro per le Ricerche sugli incendi TNO. I test hanno riguardato 14 prove d’incendio di autoveicoli del Second Benelux tunnel di lunghezza pari a 840 m. I test hanno esplorato diverse condizioni di ventilazione (naturale e longitudinale) e diverse potenze di incendio.

  • validazione
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    6. L’analisi di sensitività sul tempo di pre-movimento
  • Analisi
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    7. I risultati della validazione

Per ciascuna prova in campo sono stati rilevati sperimentalmente i valori di temperatura, velocità dell’aria e concentrazioni di inquinanti, che sono poi confluite nel paper di Lemaire & Kenyon del 2006.

La validazione ha avuto esito positivo: i Ricercatori di Lund hanno trovato un forte accordo tra i risultati ottenuti in campo e gli output del software.

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