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Il software per l’analisi di rischio delle gallerie stradali

La nuova release di ARTU per una maggiore accuratezza nella descrizione della dinamica dei fumi e più ambiti di applicazione

Impianti di ventilazione in galleria per controllo del rischio

rischio – Foto in primo piano, photo credit: https://it.freepik.com/foto/viaggio, foto creata da freestockcenter da freepik.com

Nell’ambito dell’analisi di rischio per le gallerie stradali, forte dell’esperienza nella modellazione numerica di impianti di ventilazione e sistemi di esodo, Cantene (www.cantene.it) ha sviluppato un software in-house: è ARTU (Analisi di Rischio Tunnel).

ARTU permette di calcolare il livello di rischio legato all’incendio in gallerie esistenti, in fase di progetto o di rinnovo, permettendo di verificare la rispondenza alla Direttiva europea 2004/54/EC, ma anche di confrontare quantitativamente diverse soluzioni progettuali in un’ottica di analisi costi/benefici.

È basato su un approccio probabilistico, cioè permette di esplorare un gran numero di scenari possibili incrociando ipotesi diverse in merito alla posizione d’incendio, al tipo di veicoli coinvolti, al numero e al comportamento degli utenti presenti in galleria.

Una volta definiti gli scenari, essi sono analizzati in modo quantitativo, valutando la dinamica dei prodotti della combustione e la loro interazione con gli utenti. Rispetto ad altri codici per l’analisi di rischio in galleria che modellano il sistema di ventilazione attraverso un ventaglio di valori di velocità che si assume possano presentarsi nelle diverse condizioni di funzionamento, ARTU utilizza una descrizione deterministica della fluidodinamica.

Ad esempio per la velocità dell’aria, 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.

Analogamente, l’esodo è calcolato tenendo conto delle condizioni di ciascun singolo utente (posizione, condizioni fisiche), ottenendo una stima del danno basata sul concetto di FED (Fractional Effective Dose), in accordo alla Normativa NFPA.

Al fine di garantire la qualità delle analisi e dei risultati ottenuti con ARTU, la validazione del software è stata affidata al Dipartimento di Fire Engineering dell’Università di Lund (Svezia), che ha applicato un processo scientifico rigoroso basato sul confronto tra i risultati ottenuti dal software con risultati teorici (correlazioni di letteratura) e con risultati sperimentali rilevati attraverso test in campo.

Il report di validazione è pubblico e può essere reperito sul sito dell’Università di Lund. Dalla sua prima release nel 2019, ARTU è stato utilizzato su una varietà di tunnel stradali con ventilazione naturale e longitudinale.

La Figura 3 rappresenta un esempio relativo ad una galleria autostradale di nuova costruzione, dotata di ventilazione longitudinale (jet-fan). ARTU è stato utilizzato per valutare l’effetto sul livello di rischio di una serie di alternative progettuali legate al numero di uscite di sicurezza e alla gestione del traffico.

La stessa figura confronta il valore atteso del danno (VAD), cioè l’integrale della curva F-N, nelle diverse configurazioni analizzate. Maggiore è il valore del VAD, maggiore è il livello di rischio della galleria.

 

Attualmente Cantene è impegnata nello sviluppo della nuova release del software, con l’obiettivo di una sempre maggiore accuratezza nella descrizione del fenomeno di incendio in galleria. Anche questa fase vede la collaborazione attiva del Dipartimento di Fire Engineering dell’Università di Lund.

Lo sviluppo si concentra sulla descrizione della dinamica dei fumi generati dall’incendio, che in ARTU è basata su una modellazione di tipo 1D. Questo tipo di modellazione è di comune utilizzo nell’ambito della progettazione dei sistemi di ventilazione in galleria, poiché permette di rappresentare in forma di rete il sistema complessivo dato dal tunnel e dai suoi impianti aeraulici, ottenendone una descrizione completa e compatta.

Il principale svantaggio di questa tecnica è dato dal fatto che non è possibile descrivere fenomeni tipicamente tri-dimensionali che riguardano la stratificazione del fumo (back-layering).

I fenomeni di stratificazione sono particolarmente evidenti nella fase iniziale dell’incendio, quando l’impianto di ventilazione non è ancora in funzione. Questa fase può in alcuni casi durare per diversi minuti, laddove la strategia di sicurezza miri a promuovere la stratificazione del fumo per garantire un corridoio di esodo sicuro, rimandando l’accensione dei sistemi di ventilazione al termine della fase di auto-evacuazione degli utenti.

Per poter meglio rappresentare la stratificazione dei fumi, salvaguardando allo stesso tempo la possibilità di analizzare un gran numero di scenari, si è scelto di utilizzare un modello a zone.

La modellazione a zone dell’incendio permette di valutare la stratificazione senza dover ricorrere alla modellazione di campo (svolta ad esempio coi software FDS e Fluent), che richiederebbe tempi di calcolo molto maggiori.

L’utilizzo della modellazione a zone è stato soppesato accuratamente, facendo riferimento alla letteratura scientifica e selezionando un particolare codice che utilizza una suddivisione del dominio più accurata rispetto ai modelli a zone classici.

Un intenso lavoro di ricerca è stato fatto per identificare in quali condizioni è possibile utilizzare il modello a zone con sufficiente sicurezza, considerando la potenza dell’incendio, la presenza di ventilazione naturale indotta da differenze barometriche ai portali, la dimensione della galleria. L’utilizzo del modello a zone è pertanto aggiuntivo, e non alternativo all’utilizzo del modello 1D attualmente implementato in ARTU.

Si tratta di un’implementazione della metodologia multi-scala, che prevede l’utilizzo di diverse tipologie di modello matematico all’interno della stessa analisi, al fine di ottenere da ciascun modello la massima resa nel suo campo di applicazione e sopperire con gli altri modelli laddove esso non fornisca una prestazione soddisfacente.

La nuova release del software è particolarmente adatta per l’analisi di gallerie con specifiche caratteristiche:

  • gallerie con ventilazione naturale;
  • gallerie con ventilazione longitudinale e strategia di sicurezza che prevede l’attivazione del sistema di ventilazione solo in seguito all’auto-evacuazione degli utenti;
  • gallerie con ventilazione trasversale operata mediante estrazione sulla sommità della galleria e controllo dello zero di velocità nei pressi dell’incendio.

Come la precedente, anche la nuova release di ARTU permette di ottenere una serie di risultati aggiuntivi rispetto alla sola curva F-N, senza dover ricorrere all’esecuzione di ulteriori analisi fluidodinamiche e di esodo:

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

La nuova release, come già la precedente, sarà accompagnata da un report di validazione a cura dei Ricercatori dell’Università di Lund.

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