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L’applicazione delle simulazioni CFD+ esodo ai tunnel sotto i fiumi

Da Cantene, tecniche multiscala per valutare l’interazione degli utenti con i prodotti della combustione in corrispondenza di portali o biforcazioni e con traffico congestionato

Simulazioni Cantene per l'esodo dai tunnel

CFD – L’identificazione delle sfide progettuali

I tunnel stradali sotto i fiumi sono caratterizzati da ridotta estensione longitudinale, forma a U, elevata pendenza. Dovendo realizzare un attraversamento da sponda a sponda senza ridurre la sezione di passaggio del corso d’acqua, il profilo verticale va disegnato secondo una repentina discesa fin sotto il fondo dell’alveo del fiume e una repentina risalita.

Questa tipologia di tunnel, tipicamente di lunghezza ridotta e sezioni trasversali contenute, si presta all’impiego di sistemi di ventilazione longitudinale.

La condizione dimensionante per il sistema di ventilazione risulta essere l’operatività in condizioni di emergenza. Lo scenario di design più gravoso è generalmente l’incendio in prossimità dell’imbocco nell’ipotesi di spingere i fumi per il tratto discendente vincendo la forza di galleggiamento dei fumi caldi.

La lunghezza ridotta limita il numero di jet-fan ponendo pertanto dei vincoli stringenti alla progettazione.

Si rende pertanto necessario uno studio mediante tecniche multiscala che permetta di valutare l’eventuale interazione degli utenti con i prodotti della combustione, in modo particolare in corrispondenza dei punti singolari dove la geometria ha un elevato grado di tridimensionalità (vicino ai portali o biforcazioni) e in condizioni di traffico congestionato.

L’interazione utenti-fumi
1. L’interazione utenti-fumi durante l’esodo dal tunnel

Il metodo di progettazione

L’approccio classico alla progettazione del sistema di ventilazione longitudinale consiste in simulazioni 1D attraverso cui identificare il set minimo di batterie di jet-fan che consentono di raggiungere la velocità critica a monte dell’incendio.

La verifica è svolta per diverse posizioni di incendio lungo la galleria. Il dimensionamento tiene conto della resistenza fluidodinamica dovuta alla presenza di veicoli (traffico congestionato), dell’eventuale presenza di vento ai portali e della massima potenza di incendio (https://www.cantene.it).

La progettazione del sistema di ventilazione

Nella progettazione del sistema di ventilazione bisogna anche tenere conto che un certo numero di jet-fan possono non essere disponibili perché in manutenzione o perché all’interno dello strato dei fumi caldi oltre la temperatura di soglia.

Il numero di jet-fan non disponibili per effetti termici può essere determinato con metodi computazionali.

Anche se la gestione del traffico è finalizzata a evitare situazioni di congestione, la progettazione deve tenere conto dell’eventuale presenza di veicoli a valle dell’incendio, anche in condizioni di traffico fluido, ad esempio, nel caso in cui l’incendio sia un evento incidentale secondario dopo che si è formata una coda di traffico a seguito di un incidente.

L’interazione fumi caldi e jet-fan
2. L’interazione tra fumi caldi e jet-fan

Le condizioni critiche di incendio ai portali

L’incendio al portale di imbocco risulta essere critico ai fini del dimensionamento del sistema di ventilazione longitudinale per la presenza di cambi di sezione a distanza ravvicinata tipica delle strutture di Cut&Cover.

Si tratta di punti singolari caratterizzati da grandi sezioni trasversali dove l’applicazione del criterio della velocità critica porterebbe a un sovradimensionamento del sistema di ventilazione in contrasto con i limiti imposti dalla lunghezza ridotta di questa tipologia di tunnel.

Tipicamente, per i tunnel subalvei, nel caso di incendio in prossimità del portale occorre analizzare in dettaglio l’evoluzione dei fumi valutando l’estensione del back-layering dalla progressiva in cui si ammette posizionato il focolare e il portale.

L’analisi mediante CFD+ esodo permette di escludere l’interazione tra i prodotti della combustione e gli utenti e le condizioni di operabilità delle squadre di soccorso. 

Il transitorio

Per questa tipologia di tunnel, è inoltre molto importante studiare attentamente il transitorio di ventilazione, in particolare il passaggio tra il regime di ventilazione normale e quello in emergenza. In condizioni di ventilazione normale, infatti, si realizzano elevate velocità dell’aria per diluire gli inquinanti e pertanto l’effetto pistone non si smorza automaticamente e si rischia di perdere il controllo dei fumi.

I casi studio

Di seguito, per due tunnel subalvei è mostrata la potenzialità offerta dal calcolo contestuale CFD+ esodo per la valutazione di dettaglio, in regime transitorio, del comportamento del sistema in condizioni di emergenza a supporto del dimensionamento.

L'estensione del back-layering
3. La massima estensione del back-layering
Il primo esempio

Nel primo caso si tratta di un tunnel extra-urbano con elevata presenza di mezzi pesanti per il trasporto merci lungo 1,6 km con pendenza massima pari al 4%. Il tunnel è a doppia canna con traffico monodirezionale.

La sezione utile per installare i jet-fan è di 95 m2 per circa 1,1 km. Sotto l’alveo, la sezione è ristretta e non è possibile installare jet-fan. La potenza di incendio massima considerata è pari a 100 MW.

La logica di ventilazione nel caso di traffico congestionato prevede:

  • di non attivare il sistema di ventilazione e di lasciar stratificare i fumi per tutta la durata dell’evacuazione degli utenti;
  • di attivare la ventilazione a esodo terminato per spingere i fumi verso il portale più vicino limitando l’area in cui i fumi vengono a contatto con veicoli fermi e sfruttando la spinta di galleggiamento.

Spingerli verso il portale di uscita non avrebbe apportato vantaggi di sicurezza alla gestione dell’emergenza, ma avrebbe stressato maggiormente il sistema di ventilazione che deve spingere i fumi verso la parte bassa del tunnel.

Gli utenti vicini all’incendio si trovano a completare l’esodo in condizioni di visibilità ridotta, che ne riducono la velocità di camminamento, ma riescono comunque a raggiungere le uscite di sicurezza. I risultati sono presentati sotto forma di mappe che mostrano contestualmente i risultati della simulazione fluidodinamica e di esodo.

Il secondo esempio

Nel secondo caso, si ha un tunnel in contesto urbano caratterizzato dal passaggio di un’elevata percentuale di autobus, lungo 1,4 km e pendenza massima 4,8%. Il tunnel è a doppia canna con traffico monodirezionale. La sezione utile per installare i jet-fan è di 67 m2.

Sono previste sezioni in Cut&Cover a entrambi i portali. In questo tunnel è stato previsto un sistema di spegnimento che consente di limitare la potenza massima dell’incendio a 43 MW.

L’applicazione delle simulazioni CFD

  • L’applicazione delle simulazioni CFD
    L’applicazione delle simulazioni CFD
    4A. L’esempio 1 di visibilità nel tunnel
  • L’applicazione delle simulazioni CFD
    L’applicazione delle simulazioni CFD
    4B. L’esempio 2 di visibilità nel tunnel

La strategia di ventilazione in condizione di traffico congestionato prevede:

  • di controllare la stratificazione dei fumi con una velocità dell’aria compresa tra 1 e 1,5 m/s nel verso del traffico durante l’esodo;
  • una volta completata l’evacuazione degli utenti, di realizzare velocità critica a monte dell’incendio nella direzione del traffico.

In questo caso, il tunnel è pieno di fumi per più tempo e per una porzione maggiore rispetto al caso 1. Il controllo dei fumi nella direzione del traffico, pur essendo operato in opposizione al verso di spinta di galleggiamento, è sostenibile grazie al sistema di spegnimento che limita la potenza di incendio.

Gli utenti che si trovano in prossimità dell’incendio al momento dell’incendio sono esposti a fumi densi. Se il veicolo in prossimità dell’incendio fosse l’autobus, alcuni utenti potrebbero essere esposti a valori critici di irraggiamento e temperatura. 

La potenzialità delle simulazioni combinate

Il dimensionamento del sistema di ventilazione per tunnel sotto i fiumi richiede un attento studio multiscala in modo da valutare nel dettaglio il comportamento del sistema nei punti singolari, nel rispetto dei vincoli imposti dalla tipologia di infrastruttura e in condizioni di traffico congestionato.

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