ANALISI DI RISCHIO INCENDIO IN STAZIONI METROPOLITANE PROFONDE

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1 ANALISI DI RISCHIO INCENDIO IN STAZIONI METROPOLITANE PROFONDE A. Raffetti *, B. Faragona D Appolonia SpA, via San Nazaro 19, Genova Introduzione I parametri progettuali ed i processi di gestione determinanti per lo sviluppo degli scenari di emergenza incendio nelle sezioni interrate di un moderno sistema di trasporto urbano metropolitano sono complessi ed interdipendenti. I fattori chiave che possono, se propriamente e prontamente considerati durante tute le fasi di sviluppo del progetto, contribuire alla mitigazione del rischio sono, fra gli altri, il carico di incendio ( in termini di potere calorifico) del materiale rotabile, la progettazione dei percorsi di evacuazione/accesso per i passeggeri e per le squadre di emergenza, la progettazione ed il corretto dimensionamento dei sistemi di controllo/evacuazione fumi così come di altri sistemi coinvolti nella gestione dell emergenza (sistemi di rilevamento fumi(fuoco, sistemi di soppressione/combattimento incendio, sistemi di comunicazione, etc.), la definizione di procedure di emergenza per i passeggeri ed il personale operativo che siano chiare ed efficaci. La presente relazione si propone due obiettivi principali: illustrare un approccio metodologico per la validazione di sicurezza di sistemi metropolitani sotterranei in merito al rischio incendio; presentare un caso studio relativo ad una stazione metropolitana profonda recentemente svolto. Approccio Metodologico Il seguente approccio metodologico viene proposto con l obiettivo di pervenire ad una completa ed esaustiva validazione di sicurezza di un sistema metropolitano in merito al rischio incendio: 1. definizione del carico di incendio del veicolo e studio dei possibili sviluppi di incendio a bordo; 2. caratterizzazione degli scenari incidentali; 3. analisi revisionale dello sviluppo dei parametri ambientali durante lo svolgersi dello scenario di emergenza incendio mediante l utilizzo di tecniche di simulazione; 4. analisi del processo di evacuazione dei passeggeri; 5. valutazione di rischio finale mediante l integrazione dei risultati. La terza fase viene condotta sviluppando un modello di simulazione CFD (Computational Fluid Dynamics). L ultima fase consiste nel confronto dei risultati della simulazione CFD con le condizioni di sostenibilità minime definite dai requisiti di sicurezza in modo da stabilire se il processo di evacuazione potrà essere condotto adeguatamente dai passeggeri. In caso negativo, sarà necessario provvedere ad introdurre ulteriori misure di prevenzione/mitigazione a livello di progetto e valutare nuovamente il rischio mediante l applicazione della stessa metodologia. È importante sottolineare che il processo metodologico illustrato si basa sui risultati di recenti applicazioni svolte da D Appolonia sui seguenti sistemi metropolitani: * andrea.raffetti@dappolonia.it

2 la metropolitana di Copenhagen, dove il processo è stato accettato dal gruppo di lavoro MSURR, composto dalle industrie costruttrici (Ansaldo Trasporti e COMET), il comando dei vigile del fuoco e le agenzie preposte alla gestione delle emergenze, il dipartimento di polizia, il Ministero dei Trasporti Danese ed il Ministero dei Lavori Pubblici Danese; Il sistema metropolitano di Oporto, dove il processo è stato accettato dal consorzio costruttore NORMETRO (Bombardier Transportation, Balfour Beatty Rail, Transmetro, Transdev) e dall istituto Nazionale per il Trasporto Ferroviario, l ente ministeriale preposto alla certificazione di sicurezza del sistema; il sistema metropolitano di Roma, dove la metodologia è stata applicata sia alla Linea A attualmente in esercizio, sia nella fase preliminare di progettazione della futura Linea C. Ciascuna fase dell approccio metodologico proposta viene brevemente illustrata nei paragrafi seguenti. Analisi del Carico di Incendio e del suo sviluppo nel tempo Il carico totale di incendio è definito in base al contenuto calorifico dei materiali costituenti il veicolo e che possono partecipare al fenomeno della combustione. L approccio utilizzato per l analisi dello sviluppo della combustione si basa sull utilizzo di ratei standard di crescita del rilascio energetico dell incendio, su dati relativi al soddisfacimento dei requisiti associati a prove standard di comportamento al fuoco, su dati provenienti dal campo e cioè relativi ad eventi accaduti in passato, su dati sperimentali ottenuti da prove sui materiali/componenti effettivamente impiegati. Il fine ultimo è di definire una curva di sviluppo del rilascio energetico di progetto. In generale, il fenomeno può essere analizzato come composto da due fasi o meglio regimi di combustione distinti: la fase di pre-flashover e quella di post-flashover. Durante la prima fase l incendio procede dall ignizione alla combustione localizzata di un pacchetto di combustibile. Già in questa fase, le emissioni tossiche posso raggiungere livelli tali da rendere insostenibili le condizioni di abitabilità per i passeggeri. In presenza di combustibile ed apporto di ossigeno sufficienti, al termine di questa fase iniziale si assiste ad un repentino innalzamento delle temperature e del rilascio energetico che conduce l incendio da combustione localizzata a combustione istantanea di tutto il materiale presente a bordo. Questo evento viene chiamato flashover. Se l incendio si sviluppa in carenza di combustibile o in carenza di ossigeno, il flashover non si verifica ed in questo caso l incendio procede mediante combustione localizzata fino all estinzione. Molto frequentemente, l analisi del fenomeno condotta per valutare il rischio per i passeggeri, considera solamente la prima fase di pre-flashover, in quanto i processi di evacuazione in genere vengono conclusi prima che il fenomeno del flashover accada. La normativa americana NFPA 72 [1], definisce in appendice curve standard di rilascio energetico (HRR Heat Release Rate) per diverse classi di incendio denominate come Slow, Medium e Fast. Tali curve possono essere prese a riferimento per la costruzione della curva HRR di progetto. Caratterizzazione degli scenari incidentali Questa fase consiste nella definizione delle condizioni operative che caratterizzano lo sviluppo dello scenario incidentale. Questa caratterizzazione si rende necessaria al fine di disporre di una base per la valutazione delle conseguenze associate a ciascuno scenario incidentale. In generale sono presi in considerazione come minimo i seguenti scenari:

3 fuoco a bordo di un veicolo fermo in stazione; fuoco a bordo di un veicolo immobilizzato in galleria. Una volta identificati gli scenari, ciascuno di essi deve essere analizzato al fine di definire lo stato di tutti i parametri caratterizzanti lo sviluppo incidentale. Tra gli altri, ricordiamo nel seguito alcuni dei principali: le dimensioni dell incendio nel momento in cui il processo di evacuazione può avere inizio (cioè nel momento in cui il veicolo è fermo e tutte le condizioni necessarie per supportare l evacuazione in sicurezza sono verificate); lo stato e la posizione relativa degli altri veicoli al momento dell incendio; la configurazione dei percorsi di sicurezza, delle scale di emergenza e delle zone sicure; la disponibilità di sistemi di rilevamento incendio/fumo; la disponibilità di mezzi di comunicazione tra il conducente ed il centro di controllo, tra il conducente ed i passeggeri e tra i passeggeri ed il centro di controllo; la strategia di evacuazione e di intervento da seguire a seguito di un allarme incendio a bordo (tipicamente consiste nel cercare di portare il veicolo alla stazione successiva); lo schema di esercizio previsto dal futuro operatore del sistema. Analisi del processo di evacuazione Questa fase comprende in generale due passi successivi: la definizione delle condizioni ambientali minime per garantire la sopravvivenza dei passeggeri. Tali condizioni vengono identificate sulla base dei contenuti tossici dei fumi e sulla base di temperature e ratei di rilascio energetico. L obiettivo è anche di identificare un area sicura per i passeggeri; il calcolo dei tempi previsti per l evacuazione dei passeggeri verso l area sicura. Analisi dell evoluzione dei parametri ambientali Le tecniche di simulazione mediante l applicazione di modelli CFD tridimensionali prevede i seguenti passi: costruzione del modello tridimensionale; definizione della griglia di calcolo (operazione di meshing ) che definisce i volumi di controllo per i quali dovrà essere risolta l equazione termodinamica; definizione delle condizioni al contorno, alle frontiere del dominio, in termini di movimentazione d aria; modellazione della curva di rilascio energetico definita nella fase precedente. Il modello fornisce come risultato la distribuzione nello spazio e nel tempo dei parametri legati all evoluzione dell incendio quali: le concentrazioni di elementi tossici nei fumi, le temperature, i campi di velocità, la visibilità, etc. Valutazione finale del rischio Confrontando i risultati delle simulazioni CFD con le condizioni di sostenibilità definite in precedenza per i passeggeri durante il processo di evacuazione, il processo permette di valutare l efficacia delle misure di mitigazione previste a progetto. Tale valutazione può essere inserita in

4 una più ampia analisi di rischio che conduca alla stima dell accettabilità dei livelli di rischio previsti a livello di sistema, considerando cioè anche tutti quei rischi non direttamente associabili allo sviluppo di incendio. Applicazione della metodologia ad una stazione metropolitana profonda L approccio metodologico descritto al capitolo precedente è stato applicato per lo studio di una stazione metropolitana profonda recentemente realizzata. La stazione presenta due banchine, una per ciascuna via di marcia, ciascuna dotata di uscite/accessi normali e di emergenza costituiti da un insieme di scale fisse, scale mobili, ascensori e corridoi. Le scale mettono in comunicazione il livello banchina con un mezzanino basso, da dove una serie di scale mobili ed ascensori permettono di accedere ai livelli più alti della stazione. Carico di incendio Sulla base dell analisi delle proprietà dei materiali impiegati per la realizzazione del veicolo, sono state ipotizzate due curve appartenenti alla classe slow delle curve standard proposte dalla NFPA 72. Sono state selezionate due curve corrispondenti a valori del parametro alpha (ovvero il coefficiente che interviene nella dipendenza di tipo quadratico dei valori di HRR dal tempo) pari a 1 W/s 2 e 3.4 W/s 2 (Figura 1). Figura 1: Curve di Rilascio Energetico (HRR) del Veicolo Caratterizzazione dello scenario incidentale Lo scenario analizzato è quello relativo ad un veicolo incendiato che sia in grado di raggiungere la stazione successiva, dove l evacuazione dei passeggeri possa essere gestita in modo ottimale. La presenza di un secondo veicolo fermo in stazione è una condizione peggiorativa considerata al fine di adottare un approccio conservativo in particolare per quanto concerne il calcolo dei tempi di evacuazione. Il sistema di ventilazione di emergenza viene attivato immediatamente all arrivo del

5 veicolo incendiato in stazione in modo da permettere l estrazione dei fumi attraverso due prese posizionate alle due estremità della stazione capaci ciascuna di estrarre 75 m 3 /s. In aggiunta, le seguenti assunzioni contribuiscono ulteriormente a determinare un approccio conservativo alla valutazione di rischio: Rilevamento dell incendio quando la potenza liberata supera il valore di 360 kw, valore che viene raggiunto dopo 10 minuti dall ignizione nel caso di curva molto lenta (parametro alfa pari a 1 W/s 2 ) e dopo 5 minuti nel caso di curva lenta (parametro alfa pari a 3.4 W/s 2 ); in realtà è molto probabile che il rilevamento avvenga prima, vista la distanza media tra le stazioni, dove un eventuale principio di incendio verrebbe quasi sicuramente avvertito dai passeggeri in banchina o a bordo; arrivo del veicolo in stazione e conseguente inizio del processo di evacuazione in corrispondenza del raggiungimento di 500 kw di potenza liberata, approssimativamente dopo 2 minuti dal rilevamento (si veda Figura 2). Immediatamente dopo l avvenuto rilevamento, il conduttore, informato dai passeggeri dell accaduto, si mette in contato con l operatore al centro di controllo, comunicando la posizione del veicolo e la presenza di fuoco a bordo. L operatore quindi attiva la strategia di ventilazione di emergenza predeterminata in funzione dello scenario. Quando il veicolo giunge in stazione, la manovra di ventilazione ha inizio. Questo è l istante zero considerato per le successive simulazioni CFD. Figura 2: Scenario Incidentale Potenza Liberata Analisi di Evacuazione La Norma NFPA 130 [2] fornisce un modello per il calcolo dei tempi di evacuazione in base alla configurazione delle uscite di emergenza. Fornisce inoltre i valori da considerare come soglie di sostenibilità per i passeggeri durante il processo di evacuazione, principalmente in termini di temperatura (60 C) e concentrazioni di monossido di Carbonio (2000 ppm).

6 Analisi dell evoluzione dei parametri ambientali Le condizioni ambientali alle quali vengono sottoposti i passeggeri durante l evoluzione dello scenario incidentale sono analizzate attraverso l osservazione delle variabili termodinamiche ottenute in uscita dalla simulazione mediante modello CFD tridimensionale. Per il caso studio in oggetto è stato utilizzato il Fire Dynamic Simulator (FDS) [3] [4] sviluppato dal National Institute of Standard and Technologies (NIST) Statunitense. Le Figure 3 e 4 mostrano a titolo di esempio i valori di temperatura ottenuti come risultato delle simulazioni nel campo 20 C 100 C in corrispondenza di un percorso di evacuazione a livello banchina ed in una sezione orizzontale del dominio a livello 2 m dal livello banchina, rispettivamente. Le temperature sono presentate a 240 secondi dall inizio del processo di evacuazione, quando, in accordo al calcolo dei tempi di evacuazione, il livello banchina dovrebbe essere ormai sgombero di persone. Figura 3: Campo di Temperature a 240 s in corrispondenza di un percorso di evacuazione

7 Figura 4: Campo di Temperature a 240 s ed a 2 m dal piano banchina Valutazione del Rischio La valutazione finale è condotta confrontando i valori delle variabili termodinamiche ottenute come risultato delle simulazioni CFD con le condizioni limite di sostenibilità definite in precedenza. Le aree sicure (aree nelle quali si assume che i passeggeri possano sostare per un tempo indefinito senza incorrere in valori critici dei parametri ambientali) vengono raggiunte dai passeggeri dopo 240 secondi dall inizio del processo di evacuazione. Da un rapido esame delle Figure 3 e 4 si evince chiaramente che i valori di temperatura si mantengono sotto i limiti di accettabilità (60 C). Analogo risultato si ottiene esaminando i parametri relativi alle concentrazioni delle componenti nocive dei fumi. Le simulazioni CFD sono condotte inoltre utilizzando l ipotesi più conservativa anche per quanto riguarda la curva di rilascio della potenza termica (parametro alfa pari a 3.4 W/s 2 ). Riferimenti [1] NFPA 72, National Fire Alarm Code, 1999 Edition [2] NFPA 130, Standard for fixed guideway transit and passenger rail systems, 2000 Edition [3] Fire Dynamics Simulator (Version 3), User s Guide, Technical Report NISTIR 6784, 2002 Edition, National Institute of Standards and Technology [4] Fire Dynamics Simulator (Version 3), Technical Reference Guide, Technical Report NISTIR 6783, 2002 Edition, National Institute of Standards and Technology