Tecnologie avanzate e modelli matematici a garanzia della sicurezza equivalente negli edifici storici

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1 Tecnologie avanzate e modelli matematici a garanzia della sicurezza equivalente negli edifici storici Due sono le esigenze che la relazione tenterà di conciliare: da un lato l obbligo di garantire la protezione delle persone e dei beni da eventuali rischi di incendio, dall altro l identico obbligo di garantire che edifici pregevoli per arte e storia non siano stravolti nella loro integrità da misure di sicurezza che possono apparire invasive. La salvaguardia dal rischio di incendio in relazione ad ogni tipologia di attività ha come suo principale riferimento la Direttiva 89/106/CEE sui prodotti da costruzione, in particolare il Documento Interpretativo n. 2 in cui si evidenziano gli obiettivi di sicurezza previsti quali: a) garantire la stabilità delle strutture portanti per un determinato periodo di tempo; b) limitare la produzione e la propagazione di un incendio all interno dei locali; c) limitare la propagazione di un incendio ad edifici e/o locali contigui; d) assicurare la possibilità che gli occupanti lascino i locali indenni o che gli stessi siano soccorsi in altro modo; e) garantire la possibilità per le squadre di soccorso di operare in condizioni di sicurezza Per i beni storici ed artistici è necessario aggiungere altri obiettivi legati alla specificità delle costruzioni e al loro relativo utilizzo: - salvaguardia del contenuto storico ed artistico (opere d arte, arredi, beni ecc.); - salvaguardia del contenitore, spesso anch esso opera di notevole valore storico o artistico (chiese, musei, palazzi storici ecc.) - salvaguardia della continuità nella fruizione del bene; - riduzione al minimo indispensabile dell impatto delle misure di sicurezza, sia in termini di prevenzione che di protezione, in modo da ridurre il più possibile l invasività. Le norme prescrittive disponibili attualmente hanno già recepito tale necessità, ma dato il necessario rigore, non sempre possono essere applicate in maniera sufficientemente flessibile, pur nel rispetto dell efficacia. Per rispondere alla necessità di flessibilità che è indispensabile soprattutto nel caso dei beni storici ed artistici assumono un ruolo determinante le più recenti tecniche e metodologie di FIRE MODELLING ed EVACUATION MODELLING, parte integrante del nuovo approccio della sicurezza, quale può definirsi la Fire Safety Engineering. Tali strumenti, altamente specializzati, permettono di elaborare una nuova strategia di intervento che consente di predisporre efficaci misure di sicurezza equivalente, in grado di soddisfare gli obiettivi previsti dalla normativa per la salvaguardia della vita umana, delle strutture e delle opere, soprattutto nel settore dei beni storici ed artistici. La relazione prenderà in esame questo problema affrontandolo attraverso casi pratici e presentando alcune soluzioni intraprese, che si offrono come riferimento utile per gli addetti ai lavori, consentendo una collaborazione, quale punto di incontro delle diverse necessità. Prima di entrare nello specifico dell argomento MODELLING, una breve puntualizzazione sulla Fire Safety Engineering. A differenza delle norme prescrittive attuali, che si basano principalmente su un approccio storicoempirico, la Fire Safety Engineering si fonda su una prospettiva di tipo scientifico-predittivo. Attraverso l utilizzo di modelli matematici e attingendo con precisione ai sempre più definiti e meglio definibili principi di sicurezza equivalente, è in grado di trovare soluzioni specifiche a una serie di difficili quesiti e di problemi scottanti come, ad esempio: - quali sono la velocità e le direttrici di sviluppo di un incendio;

2 - quanto fumo e in quale direzione viene prodotto, - se si verifica il flashover, e quando; - quanto tempo è in grado di resistere la struttura, - quanto tempo impiegano le persone per evacuare e quali sono i loro prevedibili comportamenti. Sulla scia delle interessanti scoperte e verifiche tecniche già concretizzate, i laboratori di ricerca stanno realizzando sperimentazioni in grado di fornire risposte sempre più precise ed utili in relazione alla conoscenza dello sviluppo di incendi reali. Il Documento Interpretativo n 2 posto in allegato alla direttiva 89/106/CEE, evidenzia già l approccio ingegneristico della sicurezza antincendio e definisce gli ambiti di intervento che possono essere influenzati dai dati derivanti dall analisi tecnica e dalla modellazione informatica. In tale quadro di riferimento, in Italia il Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco ha rotto ogni indugio ed ha ufficializzato non solo l opportunità, ma anche la necessità, di ricorrere ai principi della Fire Safety Engineering. A tal fine nell ambito del comitato centrale tecnico scientifico è stato istituito un gruppo di lavoro con il mandato di individuare una metodologia che consenta di stabilire, secondo criteri di oggettività, anche con il ricorso alle metodologie di analisi e di modellazione tipiche della FSE, le misure di sicurezza equivalente per il raggiungimento degli obiettivi FIRE MODELLING La FIRE MODELLING si basa sulla modellazione (o simulazione) di un processo o di un fenomeno attraverso lo sviluppo di una serie di algoritmi matematici correlati ad equazioni più o meno complesse, sfruttando modelli di simulazione che vengono applicati tramite dei software. Tali modelli possono essere divisi in diverse categorie. Quelle più note sono: 1. i modelli a zona 2. i modelli di campo 1 I modelli a zona I modelli a zona dividono il volume dell ambiente considerato in un numero definito di macrozone, all interno delle quali le condizioni che si sviluppano nel tempo sono considerate uniformi. In genere vengono considerate due zone (o volumi di controllo): UPPER LAYER o VOLUME SUPERIORE e LOWER LAYER o VOLUME INFERIORE. All interno di questi vengono risolte le equazioni di conservazione di massa, energia e momento. L UPPER LAYER è il volume che si sviluppa a seguito dei fenomeni della combustione e prende in esame i gas caldi che si raccolgono a partire dal soffitto. All interno di tale volume esiste un gradiente in relazione a temperatura, composizione dei gas, ecc., ma tale gradiente non è significativo se confrontato con le caratteristiche del volume inferiore (LOWER LAYER), non ancora invaso dal fumo. Le due zone sono quindi separate da una superficie ideale detta INTERFACCIA che consente di valutare il volume invaso dai fumi e, di conseguenza, le condizioni di pericolosità. Questi modelli sono in grado di calcolare, e fornire come dati in uscita, i valori di numerose variabili in ciascuna delle due zone, utili alla comprensione dei fenomeni ed alla analisi degli effetti (altezza dei fumi da terra, concentrazioni delle specie chimiche, temperatura media degli strati,

3 ecc.). Tali dati possono essere raccolti in grafici e tabelle o inseriti in file di output compatibili con ulteriori software in grado di rendere visualizzazioni grafiche semplificate. I vantaggi dei modelli a zona possono essere riassunti principalmente in: - facilità nell utilizzo e nella definizione dello scenario di incendio - rapidità nello sviluppo dei calcoli - impiego di computer anche non troppo potenti Tuttavia non possono essere utilizzati in ogni caso. Essi sono maggiormente indicati in scenari nei quali gli ambienti possiedono caratteristiche planovolumetriche non troppo complesse e con volumetrie relativamente ridotte. 2 I modelli di campo I modelli di campo (CFD Computational fluids dynamics) suddividono l ambiente in migliaia o anche centinaia di migliaia di celle base tridimensionali. Per ogni cella vengono valutate tutte le grandezze di interesse (temperatura, composizione dell aria, velocità e direzione dei flussi, ecc.) come campi tridimensionali. Si basano su una serie di equazioni appropriatre per i flussi termici a bassa velocità di fumi e gas generati in un incendio, conosciute ormai da oltre un secolo (serie di equazioni non lineari, parzialmente differenziali, tridimensionali e in funzione del tempo), note come equazioni di Navier - Stokes, che esprimono la conservazione della massa, del momento e dell energia In genere i modelli di campo permettono la modellazione dell'incendio a partire da un database di materiali definiti in base alle relative caratteristiche chimico-fisiche ed ai dati di incendio sperimentali. La dinamica dell'incendio è poi simulata in relazione ai parametri che caratterizzano ciascun materiale presente nel dominio di simulazione, ciascuno con le proprie caratteristiche di infiammabilità e combustione o di reazione all'incendio. Infatti, conseguentemente a questi dati, i modelli di campo risolvono numericamente (con un metodo a volumi finiti) le equazioni che modellano la reazione di combustione ed i fenomeni di trasporto, tenendo conto dinamicamente delle mutue interazioni tra i processi. Questi software possono calcolare e conseguentemente fornire come dati di uscita, i valori di numerose variabili, scalari e vettoriali, calcolate in ciascuna delle celle del dominio, utili alla comprensione dei fenomeni ed alla analisi degli effetti (concentrazioni delle specie chimiche, distribuzioni delle temperature / pressioni / velocità dei gas / fumi, visibilità,..). I vantaggi dei modelli di campo possono essere riassunti principalmente in: - applicabilità in ogni situazione - previsioni molto precise Tuttavia sono piuttosto complessi e richiedono molto tempo sia per la preparazione dello scenario di incendio che per lo sviluppo dei calcoli (anche alcune decine di ore) e necessitano di computer veloci e potenti. Un esempio di applicazione I modelli di campo sono stati applicati allo studio dell andamento degli scenari di incendio all interno di un palazzo storico della provincia di Ancona sede di uffici pubblici.

4 Vista esterna Vista interna La moderna struttura portante interna è costituita da 4 torri di servizio di cemento armato collegate fra loro da travi reticolari alle quali sono appesi i piani interni. Particolare struttura Ricostruzione struttura Tra i vari scenari prendiamo in esame il possibile incendio di in un archivio e di in un ufficio. Incendio ufficio Incendio archivio Si è studiato lo sviluppo dei fenomeni sia all interno del locale di origine del fuoco che all interno della struttura nel suo complesso e sono stati analizzati gli effetti dei diversi sistemi di protezione dei locali quali impianti sprinkler o impianti water mist per la protezione degli ambienti.

5 Impianto sprinkler Impianto water mist Si sono verificati anche gli effetti dei sistemi di protezione globale dell edificio quali sistemi di evacuazione dei fumi convenzionali o con estrattori per specifiche valutazioni in ordine all evacuazione del personale e del pubblico. Evacuatori convenzionali Estrattori Simulazioni del tutto simili sono state realizzate anche per il Palazzo del Quirinale, che per ovvi motivi di riservatezza non è possibile diffondere. Foto Ricostruzione grafica 3d

6 Sviluppo incendio Salone delle Feste Ricostruzione 3d Salone delle Feste Salone delle Feste EVACUATION MODELLING L evacuazione in sicurezza delle persone presenti in una struttura è uno degli obiettivi di salvaguardia dal rischio di incendio più importanti, tanto che viene espressamente citato tra gli obiettivi del documento interpretativo n. 2 della Direttiva 89/106/CEE. L EVACUATION MODELLING, attraverso un approccio multidisciplinare che, mediante la modellazione matematica, integra diverse discipline quali architettura, fisica, statistica, fisiologia, psicologia e metodi computazionali, è il mezzo che la Fire Safety Engineering utilizza per affrontare questa problematica. I modelli di simulazione di evacuazione possono essere divisi in diverse categorie, quali: 1. i modelli che assimilano le persone a oggetti che reagiscono automaticamente a stimoli esterni: ball-bearing models ; 2. i modelli che invece prendono in considerazione anche il comportamento delle persone: movement and behaviour models. 1 Ball-bearing models Come indicato dalla definizione stessa questi modelli assimilano le persone a oggetti non senzienti, le sfere, appunto, che reagiscono automaticamente agli stimoli esterni. Essi assumono che: - tutte le persone inizino immediatamente l evacuazione; - la direzione e la velocità di evacuazione sia determinata da considerazioni di tipo fisico quali densità di popolazione, visibilità, capacità di deflusso, ecc.;

7 2 Movement and behaviour models In questo caso il modello è più complesso prende in esame diversi elementi, quali: - le caratteristiche fisiche dell ambiente, - le caratteristiche fisiche delle persone; - le capacità di risposta agli stimoli delle persone e il loro comportamento (tempo di reazione all allarme, conoscenza delle vie di fuga, uscite preferite, ecc.) - il comportamento adattativo delle persone (risposte diverse a stimoli diversi) All interno di queste due categorie sono disponibili metodologie diverse di approccio: a) il metodo di ottimizzazione, che tende a prendere in esame popolazioni piuttosto grandi e le considera come un insieme omogeneo. Questo metodo prevede che: - l evacuazione degli occupanti sia efficiente; - i percorsi di evacuazione utilizzati e le caratteristiche di flusso e movimento delle persone siano quelli ottimali; b) i modelli di simulazione propriamente detti, che cercano di rappresentare il comportamento e il movimento sulla base di osservazioni reali e di fornire risultati più realistici possibile; c) i modelli di valutazione del rischio, che cercano invece di identificare i pericoli associati all evacuazione in caso di incendio e di quantificare il rischio. Nello specifico, con riferimento all esempio del già citato palazzo storico della provincia di Ancona, utilizzando un modello di simulazione propriamente detto sono stati valutati i tempi di evacuazione degli occupanti in relazione alle condizioni ambientali che si potevano creare nei vari scenari di incendio e applicando diversi metodi di protezione.

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