ANALISI NUMERICA DI UN IMPIANTO DI ILLUMINAZIONE DI UNA GALLERIA AUTOSTRADALE: CODICI DI CALCOLO A CONFRONTO E PROPOSTE DI INTERVENTO

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1 P. Di Filippo, M. Paroncini, B. Calcagni 117 ANALISI NUMERICA DI UN IMPIANTO DI ILLUMINAZIONE DI UNA GALLERIA AUTOSTRADALE: CODICI DI CALCOLO A CONFRONTO E PROPOSTE DI INTERVENTO P. Di Filippo, M. Paroncini, B. Calcagni Dipartiento di Energetica, Università di Ancona Via Brecce Bianche, Ancona SOMMARIO Lo studio in oggetto ha coe obiettivo la valutazione dell ipianto di illuinazione presente in una galleria autostradale attraverso l ausilio del software Radiance; quest ultio, attraverso una tecnica di ray-tracing utilizzata per il calcolo, consente di ottenere una riproduzione realistica tridiensionale dello scenario risultante ed un analisi quantitativa del fenoeno. Infatti, una volta riprodotta in 3D la galleria autostradale, posizionati i corpi illuinanti, ognuno caratterizzato dalla propria curva fotoetrica, ed iposte le condizioni esterne è possibile ottenere i livelli di luinanza sulle corsie di arcia della galleria stessa oltre che i valori di illuinaento. I risultati così ottenuti sono quindi stati confrontati con una precedente indagine nuerica condotta con l applicazione Radio-Ray del prograa coerciale 3D Studio Max R2, che oltre a realizzare un rendering tridiensionale perette di effettuare calcoli illuinotecnici, e con i dati presenti in bibliografia. La siulazione al coputer dell'ipianto di illuinazione ha consentito, in questo caso, di verificare a posteriori la validità dell'ipianto realizzato e di studiare particolari soluzioni in odo da ottiizzare l'ipianto esistente. 1. INTRODUZIONE L illuinazione di una galleria autostradale ha lo scopo di assicurare agli autoobilisti condizioni di cofort visivo tali da garantire la sua percorrenza in condizioni di sicurezza. Le condizioni di guida in galleria risentono dell abiente chiuso e, soprattutto nelle ore diurne, delle condizioni di ridotta luinanza interna a confronto con gli elevati valori esterni; infatti, percorrendo il tratto autostradale precedente la galleria a velocità sostenuta, si passa repentinaente dalle condizioni visive esterne a quelle interne più ridotte, con conseguente necessità di un significativo tepo di adattaento dell apparato visivo ai nuovi livelli di luinanza. Pertanto la difficoltà aggiore è quella relativa all illuinaento del tratto iniziale di galleria (tratto di adattaento ) che deve consentire al guidatore che si trova all esterno di percepire la presenza di eventuali ostacoli all interno della stessa, ad una distanza pari a quella di frenatura. La più diffusa tecnica di illuinazione delle gallerie autostradali è attualente quella a controflusso; tale tecnica consiste nell indirizzare la luce in direzione contraria al verso di arcia creando una forte condizione di contrasto delle luinanze in odo tale che gli oggetti sulla carreggiata risulteranno scuri su fondo chiaro. Un vantaggio non trascurabile dell illuinazione in controflusso è quello di fornire un efficienza luinosa igliore in particolare se accopagnato da una pavientazione chiara. All interno di una galleria si possono distinguere tre zone: una tratto di soglia, una tartto di adattaento che si estende da circa quindici etri dall ingresso fino ad una distanza pari a quella di arresto ed un tratto di transizione cioè di raccordo fra la zona di adattaento e quella interna. Nel tratto di adattaento, si può prevedere un graduale abbassaento della luinanza nel verso di percorrenza della galleria in odo da consentire un progressivo adattaento degli occhi ai bassi valori caratteristici dell ultio tratto; l andaento della luinanza consigliato dall Associazione Italiana di Illuinazione (AIDI, 13) è descritto dalla forula sottostante (1):

2 Congresso Nazionale ATI L( x) = L( x o ) x D f 3 (1) dove: L(x) = luinanza ad una distanza x dall inizio del tratto di adattaento; L(x o ) = luinanza nel punto di inizio del tratto di adattaento; Df = distanza di frenatura (si considera pari a 160 per una velocità di percorrenza superiore a 100 K/h E pertanto opportuno che nella progettazione di un ipianto di illuinazione di una galleria autostradale si prendano in considerazione le probleatiche esposte irando al raggiungiento di un opportuno cofort visivo che garantisca adatte condizioni di sicurezza stradale. La galleria autostradale analizzata coe caso studio presenta un ipianto di illuinazione in controflusso per tutto il tratto di adattaento (circa 180 ) ed un sistea a flusso sietrico per il resto del percorso; inoltre la particolarità dell ipianto è di essere collocato esclusivaente sulla corsia di sorpasso con la finalità di ottenere un significativo rispario energetico oltre che per otivi di praticità durante le anutenzioni che potrebbero avvenire senza il blocco del traffico su entrabe le corsie. L ipianto di illuinazione è stato sottoposto a diverse capagne di isure ed è stata effettuata, in un precedente lavoro, una valutazione del sistea attraverso siulazioni al coputer con software basato sulle tecniche del ray-tracing e del radiosity. Il presente lavoro ha coe obiettivo un confronto fra i risultati delle siulazioni con diversi codici di calcolo per verificarne l attendibilità, anche in confronto alle isurazioni effettuate, e ad effettuare una proposta di intervento agendo sulla curva fotoetrica dei corpi illuinanti in controflusso. 2.L IMPIANTO DI ILLUMINAZIONE La galleria autostradale ha una lunghezza di 1200 con carreggiata a due corsie larga 9.4 ed un altezza di circa 6. I corpi illuinanti, con ottica counter bea (contro flusso) e/o stradale sono posizionati ad una altezza di 5.5 dal piano stradale, con asse della lapada orizzontale e perpendicolare all asse longitudinale della galleria, in corrispondenza della corsia di sorpasso coe ostrato qualitativaente in figura 1. Corpi illuinanti Direzione norale di arcia Fig. 1 Rappresentazione qualitative della posizione dei corpi illuinanti in galleria Le caratteristiche dei corpi illuinanti con lapade al sodio ad alta pressione tubolari chiare sono riassunte in Tab. 1 Tab. 1 Caratteristiche dei corpi illuinanti: Distanza Corpi illuinanti (N o ) Potenza (W) Flusso Luinoso (l) fine Interdistanza

3 P. Di Filippo, M. Paroncini, B. Calcagni MISURE Le isure dell illuinaento sono state effettuate con sensori LASTEM aventi le seguenti caratteristiche: Tab.2 Caratteristiche dei sensori di isura Sensori Risposta spettrale Tolleranza Capo di isura Posizionaento del sensore DPA501 C.I.E. 1.5% klx Esterno DPA501 C.I.E. 1.5% 0 10 klx Interno La luinanza interna ed esterna è stata isurata con un luinanzoetro HAGNER odello S2 con ub accuratezza del 5%. La luinanza esterna, individuata coe il valore edio copreso nel capo visivo deliitato da un cono di apertura di 20 avente coe vertice l osservatore e coe asse la retta orizzontale che congiunge gli occhi dell osservatore con l asse del portale del tunnel, è stata isurata a 160 di distanza dall ibocco della galleria ed è stato rilevato un valore di 480 cd/ 2 circa. L illuinaento edio esterno, sepre a 160 dall ibocco, è stato di lx. L illuinaento interno è stato isurato utilizzando tre sensori LASTEM DPA 501 per interni collegati, coe il sensore esterno ad un sistea di acquisizione dati. 4. MISURE E CODICI DI CALCOLO A CONFRONTO La galleria autostradale è stata ridisegnata in 3D con il software 3D Studio che consente di associare alle superfici disegnate le caratteristiche dei ateriali utilizzati nella realtà. Le curve fotoetriche dei corpi illuinanti sono state riprodotte attraverso la creazione dei files in forato I.E.S.. In pria analisi tutto il sistea galleria-ipianto è stato analizzato con il pacchetto 3D Studio con l applicazione plug.in Radio-Ray per il calcolo delle grandezze illuinotecniche; i risultati di tale studio (Paroncini, 18) hanno evidenziato un buon accordo con i dati sperientali. L analisi attuale dell ipianto di illuinazione della galleria autostradale è stato realizzato con il software Radiance. Radiance effettua un backward ray-tracing rendering che perette di ottenere una ottia qualità dell iagine non a discapito però dell accuratezza dei risultati. Infatti il realiso delle iagini ottenute risulta coe conseguenza degli algoriti utilizzati, basati in gran parte sulle stesse leggi che regolano il coportaento e l interazione della luce con l abiente circostante. Il backward raytracing è una tecnica versatile di rendering che utilizza lo stesso algorito per il calcolo di tutte le interazioni tra luce ed abiente (riflessione, trasissione, calcolo delle obre, riozione delle superfici non visibili all osservatore ecc.). Breveente la tecnica consiste nel tracciare per ogni pixel dell iagine da realizzare il percorso dei raggi riflessi e trasessi all interno dell abiente, partendo dal punto di vista dell osservatore fino ad arrivare alle sorgenti luinose. Si considera cioè un percorso che è l opposto di quello seguito dalla luce naturale che parte dalle sorgenti per raggiungere dopo una serie di riflessioni la retina dell occhio. Le ragioni di ciò vanno ricercate in una aggiore efficienza dell algorito. Partendo dal punto di vista dell osservatore, infatti, si è sicuri di considerare solo quei raggi che contribuiscono alla forazione dell iagine visiva. Il odulo di descrizione dell abiente, fornisce tutti i paraetri fisici, diensioni geoetriche, caratteristiche delle superfici e paraetri delle sorgenti di cui ha bisogno il odulo di siulazione che infine è responsabile della deterinazione del livello di illuinaento all interno dell abiente Analisi dei risultati I risultati ottenuti con il software Radiance sono stati confrontati con la precedente siulazione e con i dati delle diverse capagne di isura. E evidente coe i dati rilevati nelle ultie capagne di isura rispetto a quelli del 97 siano inferiori a seguito del naturale deterioraento dei coponenti dell ipianto oltre che ad una scarsa anutenzione. La siulazione nuerica è stata effettuata considerando l ipianto in piena efficienza pertanto, coe evidenziato nei grafici seguenti, i risultati sono più vicini alla pria capagna di isure e non si discostano di olto dalla precedente valutazione con l applicativo Radio-Ray di 3D Studio Max.

4 Congresso Nazionale ATI In tabella 3 sono riportati i dati di illuinaento rilevati nelle diverse capagne di isura e i dati ottenuti con i due software sopra enzionati. Tab. 3 Illuinaento sul piano stradale per le due corsie di arcia () dic-97 feb- Corsia di arcia Centro carreggiata Corsia di sorpasso ar- Dati dic-97 feb- Dati dic-97 Feb- Mar- Radiance Radiance Calcolo con Radio- Ray ar- Calcolo con Radio- Ray Calcolo con Radio- Ray Dati Radiance ,00 418,76 210,50 936, ,00 823,60 851, ,50 854,44 851, , ,69 241,23 860,00 558,00 819,83 891, ,50 653,00 836, , , ,53 151,69 783, ,76 757,57 950, ,22 833, ,32 155, ,00 576, ,55 757, , ,63 159,88 350, ,42 658,16 403, ,68 576, ,37 141,08 159,38 369,81 348,42 533,31 422,16 388,37 658, , ,25 128,44 450, ,00 281,22 507,13 412, ,00 296,49 532, , ,59 106,23 346, ,05 562,46 355, ,96 310, , ,77 103,03 307, ,00 474,34 298, ,00 316, , ,20 110,60 303, ,41 434, , ,11 521, , ,24 66,25 298, ,1 544,33 326, ,37 423, , ,40 246, ,00 158,2 265, ,00 156,71 521, , ,79 193, ,85 188, ,65 290, , ,04 184, ,43 169, , ,71 165,17 165, , ,09 22,16 89, ,00 55,21 84, ,00 32, ,41 34,41 34, ,63 36,67 31,91 (lux) (lux) (lux) (lux) (lux) (lux) (lux) (lux) (lux) (lux) (lux) (lux) (lux) (lux) (lux) Le figure 2, 3 e 4 evidenziano il confronto fra i dati derivanti dalle siulazioni e quelli risultanti dalla pria capagna di isura.

5 P. Di Filippo, M. Paroncini, B. Calcagni CORSIA di MARCIA arcia_radiance dati isurati '97 arcia_radio-ray 600 E (lux) Fig. 2 - Illuinaenti sulla corsia di arcia CENTRO CARREGGIATA centro_radiance dati isurati '97 centro_radio-ray E (lux) Fig Illuinaenti al centro della carreggiata

6 Congresso Nazionale ATI CORSIA di SORPASSO sorpasso_radiance dati isurati '97 sorpasso_radio-ray 700 E (lux) Fig Illuinaenti sulla corsia di sorpasso La tabella successiva presenta i valori delle luinanze rilevati sul fondo stradale e sulle pareti durante le isurazioni ed il confronto con le luinanze calcolate con il software Radiance (tab. 4 e Fig. 5). Tab. 4 Luinanza del fondo stradale Corsia di arcia Centro carreggiata Corsia di sorpasso () dic- 97 feb- ar- Media Lu Radiance dic- 97 feb- ar- Media Lu Radiance dic- 97 Feb- ar- Media Lu Radiance , ,5 116, ,5 116, ,5 33, , ,5 142, , , , ,29 78,86 103, , , , ,5 21, , , , ,5 72, , ,3 76, ,7 42, , ,5 64, , ,7 15, ,3 59, ,7 71, ,8 3,9 9, ,5 10,7 74, ,5 10,7 57, ,8 9 4,9 9 6,5 12 9, , ,6 3,3 9 5,2 7,1 9 5,8 7,4 39, ,9 2, , , ,8 0,6 2,2 3,2 0,5 1,8

7 P. Di Filippo, M. Paroncini, B. Calcagni CONFRONTO DI LUMINANZE L (cd/ 2 ) arcia_radiance arcia_97 centro_radiance centro_97 sorpas_radiance sorpas_97 AIDI Fig. 5 - Confronto delle luinanze sul piano stradale Nella valutazione dell ipianto è stato considerata anche l uniforità longitudinale di luinanza (UI) definita coe il inore dei rapporti fra la luinanza inia e assia rilevata. I dati couneente accettati prevedono un valore di UI 0,4; in tabella 5 sono riportati i dati della uniforità longitudinale dei diversi casi analizzati. Tab. 5 UI Uniforità longitudinale delle luinanze Distanza UI corsia arcia_rad UI corsia arcia UI corsia centro_rad UI corsia centro UI corsia sorpasso_rad UI corsia sorpasso ,63 0,4 0,85 0,6 0,80 0, ,80 0,67 0,67 0,45 0,64 0, ,60 0,45 0,77 0,45 0,59 0,45 La disparità rilevata nella valutazione della Uniforità longitudinale, così coe per la stessa luinanza, fra il caso reale e quello siulato risulterebbe dovuto all utilizzo nella riproduzione tridiensionale, di ateriali che, se pur rispettando le caratteristiche di quelli reali, risultano senz altro privi di tutte quelle disuniforità proprie delle lavorazioni e soprattutto degli effetti dovuti alla presenza delle polveri provocate dal passaggio degli autoveicoli che si sono depositate sulle superfici nel corso del tepo. Coe si evidenzia dalla figura 5 le luinanze rilevate e calcolate, soprattutto sulla corsia di arcia, presentano un forte scostaento dai valori consigliati dall AIDI per il tratto di adattaento. Poiché l ipianto di illuinazione della galleria è in controflusso e disposto solo sulla corsia di sorpasso è opportuno inserire un paraetro che valuti il rapporto fra le luinanze in direzione trasversale al senso di percorrenza in odo da valutare l uniforità tra la corsia di sorpasso e quella di

8 Congresso Nazionale ATI arcia; tale paraetro è l Uniforità trasversale (Ut) definito coe il inore dei rapporti tra i valori di luinanza inia e assia isurati sulla corsia di sorpasso, al centro della carreggiata e sulla corsia di arcia. I valori di Ut sono riportati in tabella 6 dove è evidente la disuniforità tra la corsia di arcia e quella di sorpasso. Tab. 6 Ut Uniforità trasversale delle luinanze Distanza Ut isurata Ut _ Rad ,29 0, ,14 0, ,25 0,12 5. PROPOSTA DI INTERVENTO L interesse per un ipianto di illuinazione in controflusso su unica corsia per una galleria autostradale è dettato sicuraente da otivazioni di carattere organizzativo, di rispario energetico e di sicurezza per quanto riguarda le operazioni di anutenzione pertanto, pur antenendo l attuale distribuzione dei corpi illuinanti con le edesie potenze, si è tentano di igliorare le condizioni di illuinazione interna ed in particolar odo l uniforità di luinanza sulla carreggiata agendo sulla curva fotoetrica dell apparecchio da 600 W. In figura 6 è riportato il diagraa polare della curva fotoetrica in oggetto con la odifica apportata. La curva originale presenta sul seipiano (cioè sul piano perpendicolare alla direzione di arcia) una distribuzione dell intensità luinosa sietrica a con valori piuttosto ridotti che non garantiscono sul piano stradale una unifore illuinazione coe evidenziato dal rendering di figura 7 ed 8 dove sono riportati rispettivaente i dati di illuinaento e di luinanza. La odifica apportata alla curva fotoetrica consiste in una variazione dei dati dell intensità luinosa sui seipiani copresi fra180-0 e coe evidenziato nella rappresentazione polare (fig. 6/b) in odo da antenere un sistea in controflusso a con una distribuzione degli illuinaenti indirizzata anche verso la corsia di arcia Tale soluzione consente di igliorare le condizioni di illuinazione sulla corsia di arcia provocando una aggiore uniforità nella distribuzione delle luinanze, auentandone il livello verso i valori consigliati dall AIDI coe si evidenzia dalle figure 9 e Fig. 6/a - Curva fotoetrica dell apparecchio da 600 W

9 P. Di Filippo, M. Paroncini, B. Calcagni 125 Fig. 6/b - Curva fotoetrica dell apparecchio da 600 W odificata Fig. 7 Illuinaento nelle condizioni norali

10 Congresso Nazionale ATI Fig. 8 Illuinaento con la soluzione proposta Fig. 9 Luinanza

11 P. Di Filippo, M. Paroncini, B. Calcagni 127 Fig. 10 Luinanza con la soluzione proposta CORSIA di MARCIA arcia_radiance dati isurati '97 arcia_proposto 800 E (lux) Fig. 11 Confronto di illuinaento sulla corsia di arcia

12 Congresso Nazionale ATI CENTRO CARREGGIATA centro_radiance centro_nuovo dati isurati ' E (lux) Fig. 12 Confronto di illuinaento al centro della carreggiata CORSIA di SORPASSO sorpasso_radiance sorpasso_new dati isurati ' E (lux) Fig. 13 Confronto di illuinaento sulla corsia di sorpasso

13 P. Di Filippo, M. Paroncini, B. Calcagni 129 I grafici di figura 11, 12 e 13 ostrano un increento sostanziale dell illuinaento nei prii 50 etri di galleria. In tabella 7 sono riportati i valori della luinanza sulla carreggiata confrontata con la curva AIDI (fig. 14) Tab. 7 Luinanza sulla carreggiata Centro Centro Corsia Corsia sorpasso Corsia di arcia Corsia di arcia carreggiata carreggiata sorpasso Soluzione Radiance Soluzione proposta Soluzione Radiance Radiance proposta proposta 10 28,81 150,96 155,39 171,83 116,49 121, ,02 142,17 162,57 153,34 142,65 124, ,76 142,17 183,41 172,72 114,06 135, ,29 125,34 200,51 184,37 103,70 119, ,88 72,57 112,45 159,37 78,86 78, ,81 21,29 133,31 78,93 90,07 90, ,58 21,88 115,33 90,07 72,90 72, ,54 21,82 94,91 73,00 42,43 42, ,10 17,58 103,82 69,41 43,27 43, ,14 14,54 87,07 76, 71,39 71, ,068 14,10 82,72 64,93 57,92 57,93 200,0 180,0 160,0 140,0 Confronto luinanza L (cd/ 2 ) 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0, arcia_radiance arcia_proposto centro_radiance centro_proposto sorpas_radiance sorpas_proposto AIDI Fig. 14 Confronto delle luinanze sulla carreggiata

14 Congresso Nazionale ATI Tab. 8 Ut Uniforità trasversale Distanza Ut Ras Ut _ Rad_new ,18 0, , ,12 0,19 L intervento sulla curva fotoetrica ha coportato un avvicinaento dei dati di luinanza ai valori consigliati e beneficio ne ha tratto anche l uniforità trasversale che è increentata nei prii 50 di galleria. 6. CONCLUSIONI Lo studio effettuato sull ipianto di illuinazione di una galleria autostradale ha evidenziato un inefficienza nelle prestazioni illuinotecniche privilegiando l illuinaento sulla corsia di sorpasso rispetto a quella di arcia. L utilizzo di una curva fotoetrica odificata rispetto allo standard dell apparecchio da 600W ha consentito di igliorare le condizioni di illuinazione nei prii 50 di galleria, cioè nella zona dove i 12 corpi da 600 W sono installati, anche in terini di uniforità distributiva delle luinanze in senso trasversale che per i prii 50 etri raggiunge un valore di 0.71 contro il 0.18 dell uniforità trasversale dato dall ipianto standard. Risulterebbe quindi senz altro favorevole l intervento sui successivi corpi illuinanti in odo da estendere l effetto positivo sulle grandezze illuinotecniche fino a 160 di galleria (tratto di adattaento). Bibliografia 3D STUDIO MAX R2, Guida utente, 17 B. Calcagni, C. Di Perna, M. Paroncini, E. Ruffini, Metodo di calcolo per siulare la distribuzione spaziale e superficiale della radiazione luinosa all interno di una galleria, 53 Congresso Nazionale ATI, Firenze Settebre 18 D. A. Schreuder, The Lighting of Veicular Traffic Tunnels, Technological University, Endhoven, 1965; I.E.S., Illuinating Engineering Society, Lighting Handbook, New York, 1987; C.I.E, Coission International de l Eclairage-Pubblication n. 26, International Recoendations for Tunnel Lighting, Parigi, 1973; C.I.E, Coission International de l Eclairage-Pubblication n. 26/2, Guide for the lighting of road tunnels and underpasses, 10; M. Bonoo, L illuinazione delle strade e delle gallerie, a cura dell Associazione Italiana di Illuinazione (AIDI), Milano 1986 P. Di Filippo, M. Paroncini, F. Polonara, L. Zenobi, Lighting Design for Road Tunnels, Light & Engineering, vol. 2, n 4, pp. 6-16, 14.