GALLERIE E GRANDI OPERE SOTTERRANEE La ventilazione del traforo Internazionale del Gran San Bernardo Risultati delle verifiche prestazionali del sistema di ventilazione Roberto ARDITI SINA Luc DARBELLAY Tunnel Massimiliano FRESTA Sina Claudio REAL Sitrasb 1. Sinossi L articolo Nuovo approccio alla ventilazione del Traforo Internazionale del Gran San Bernardo (BHrG 11 simposio 2003) illustra i criteri di progettazione e di configurazione del nuovo impianto di ventilazione del traforo. Attualmente l impianto si trova in una fase intermedia, in funzione dalla seconda metà del 2004. Questo documento riporta i risultati delle misure in campo eseguite a seguito dell attivazione funzionale del nuovo impianto di ventilazione e del sistema di controllo del Traforo del Gran San Bernardo. Più precisamente, prima della messa in funzione del nuovo impianto di ventilazione, è stata realizzata una vasta serie di misure al fine di verificare le prestazioni e il comportamento del nuovo impianto. Questi test hanno inoltre consentito la messa a punto delle nuove procedure di ventilazione, sia per il normale esercizio, sia per le condizioni di emergenza. Come detto in precedenza, l attuale impianto di ventilazione è in una fase intermedia facente parte di un progetto più articolato che prevede la costruzione di una galleria di servizio e di sicurezza parallela al Traforo principale. L attuale fase intermedia ha comportato il passaggio da un sistema di ventilazione misto a un sistema semitrasversale, con estrazione dei gas di scarico attraverso botole installate nel contro soffitto del Traforo, soluzione quindi più appropriata alle gallerie bidirezionali. Inoltre il canale di ventilazione di aspirazione è stata diviso in quattro tratte di lunghezza pressoché uguali ed è stato dotato di speciali serrande di compartimentazione delle tratte che consentono una migliore concentrazione della capacità di estrazione nella zona dell incendio. I test hanno peraltro dimostrato che questa soluzione tecnica ha ampiamente migliorato le prestazioni del sistema rispetto alle soluzioni tradizionali. 2. Il traforo del Gran San Bernardo: l attuale impianto di ventilazione fase intermedia Il Traforo del Gran San Bernardo, inaugurato nel 1964, é una galleria di valico, a doppio senso di marcia della lunghezza di 5.798 m. L imbocco lato Italia si trova ad una quota di 1.875 metri s.l.m. mentre l imbocco svizzero si trova a 1.918 metri s.l.m. Le due Società Concessionarie del Traforo italo-svizzero del Gran San Bernardo, volendo offrire ai propri utenti un livello di sicurezza sempre crescente e confacente ai migliori standard internazionali vigenti, hanno deciso di procedere alla costruzione di una galleria di servizio e di sicurezza parallela al traforo principale. In considerazione della durata dei lavori di costruzione della galleria di sicurezza, e avendo verificato la possibilità di anticipare alcuni tra i lavori di ammodernamento, è stato deciso di avviare una prima fase funzionale intermedia per l impianto di ventilazione, totalmente compatibile con l intero progetto, allo scopo di ammodernare l impianto di ventilazione in modo tale da incrementare la capacità di estrazione dei fumi, conformemente alle più recenti raccomandazioni applicabili alla sicurezza nelle gallerie stradali. La fase intermedia, in funzione dal mese di ottobre 2004, ha trasformato l impianto di ventilazione in un sistema semitrasversale lungo tutto il Traforo del Gran San Bernardo, con estrazione dell aria inquinata o dei fumi (in caso d incendio) attraverso botole da 2m 2 installate nel contro soffitto ogni 80 metri circa. Il canale di estrazione, illustrato nella figura 1 e nella???, è stato diviso in 4 tratte di circa 1500 metri l una per mezzo di serrande (vedere figura 1 posizioni s1 s5), al fine di concentrare la massima capacità di estrazione delle centrali di ventilazione sulla zona interessata dall incendio. Le serrande sono, dal punto di vista funzionale delle valvole a farfalla con la stessa sezione del canale di aspirazione, in modo che quanto aperte apportano una resistenza minima al passaggio del flusso d aria e quanto chiuse, permettono in breve tempo di compartimentale il canale di ventilazione sia aeraulicamente sia come coibentazione termica. 80
LA VENTILAZIONE DEL TRAFORO INTERNAZIONALE DEL GRAN SAN BERNARDO Fig. 1 Impianto di ventilazione del traforo. Fig. 3 nuova stazione di ventilazione lato Italia. configurazione sopra descritta è valida fino a quando non saranno installati gli acceleratori per il controllo della ventilazione longitudinale, intervento previsto nel progetto della galleria di servizio e di sicurezza. 3. Specifiche del progetto Fig. 2 Serrande di compartimentazione. Un aspetto interessate della progettazione della serrande riguarda il sistema di sostegno ed il sistema di azionamento e riduzione, nonché l elevata resistenza alla pressione. Tutta la serranda è appesa alla soffittatura della galleria in modo da evitare di trasmettere carichi assiali alla controsoffittatura, a tutto vantaggio della stabilità di una struttura non pensata per resistere a elevati carichi concentrati, in particolare in condizioni di emergenza. Inoltre è stato necessario creare una nuova centrale di ventilazione sul versante italiano, denominata E (figura 1), in sostituzione della precedente centrale, la quale aveva la funzione di immettere aria nel traforo. Durante la costruzione della nuova centrale, i ventilatori presenti nella vecchia centrale sono stati provvisoriamente commutati sull estrazione. Ciò significa che, con limitate modifiche alla struttura generale, è stato possibile avere lo stesso impianto di ventilazione per l intera opera (con una capacità di estrazione limitata nella tratta 4), consentendo di attuare e testare le nuove procedure di ventilazione. La suddivisione del traforo in 4 tratte omogenee e indipendenti offre maggiori possibilità di controllo della ventilazione e principalmente la componente longitudinale dell aria generata dalla differenza di pressione tra gli imbocchi del traforo. La In considerazione delle disposizioni e delle raccomandazioni internazionali in materia di sicurezza nelle gallerie stradali, per il progetto intermedio sono stati fissati i seguenti requisiti: Capacità di estrazione di 150 m 3 /s su 600-800 metri; Botole di estrazione da 2m 2 nel contro soffitto, con un interdistanza pari a circa 80 metri; Velocità nella zona interessata dall incendio limitata a circa 2 m/s; Considerando che le merci pericolose sono vietate al transito nel traforo, il va- Fig. 4 Schema del funzionamento del nuovo impianto di ventilazione. 81
R. ARDITI - L. DARBELLAY - M. FRESTA - C. REAL lore di riferimento della potenza d incendio è stato fissato a 30MW. Soltanto per testare la sensibilità del sistema è stato simulato un incendio da 100MW. Le Società Concessionarie del Traforo, la Sitrasb per l Italia e la Tunnel SA per la Svizzera, hanno anche stabilito i seguenti ulteriori criteri: Utilizzare per quanto possibile i sistemi di ventilazione esistenti; Garantire la compatibilità degli interventi con il progetto di ventilazione finale; Limitare i lavori d ingegneria civile al fine di minimizzare le interferenze con il traffico in questa prima parte del progetto. Un altro aspetto che ha richiesto particolare attenzione è la definizione delle specifiche di collaudo dei principali componenti dell impianto di ventilazione (in particolar modo i ventilatori e le botole di aspirazione). Per quanto riguarda le botole di aspirazione, in assenza di uno standard di test specifico, è stato necessario indicare nel progetto le procedure di collaudo in modo da verificare la loro resistenza e funzionalità ad una temperatura di 400 C per due ore. Inoltre è stata verificata l affidabilità della struttura dopo un improvviso raffreddamento a seguito dell esposizione ad una curva d incendio ISO, al fine di verificare che non cadano dei pezzi delle botole di aspirazione in caso d incendio reale e di intervento d emergenza con impiego di idranti. Il collaudo ha anche interessato la verifica di stabilità del telaio delle botole di aspirazione a vari gradienti di temperatura, per verificare i movimenti delle alette in condizioni di funzionamento critico. 4. Sistema di controllo della ventilazione L ammodernamento dell impianto di ventilazione ha inoltre comportato l esecuzione di studi specifici finalizzati alla migliore procedura di gestione e d impiego della ventilazione in caso di emergenza, tenendo in considerazione l insieme delle attività di avvio, gestione e controllo in caso d incendio a carico dell operatore senza considerare lo stato emotivo nei primi minuti che seguono un incidente. La procedura di ventilazione in condizioni di emergenza è stata completamente ridefinita, rendendone automatica l attivazione. In seguito al rilevamento di un incendio da parte del sistema di rilevamento incendi, il sistema di controllo chiederà all operatore di confermare l incendio e la relativa posizione all interno del traforo, lasciando all operatore le successive manovre sull impianto di ventilazione una volta attivate le altre procedure di emergenza. Il sistema di controllo suggerirà eventualmente all operatore la manovra correttiva sull impianto di ventilazione, ad esempio in caso di eccessiva componente longitudinale dell aria da un lato dell incendio oppure nel caso di una richiesta specifica dalle unità preposte al soccorso. La procedura di ventilazione per l esercizio è stata modificata al fine di ottimizzare l operatività del nuovo impianto di ventilazione. È stato inoltre deciso di valutare l utilizzo della ventilazione naturale, basata sul gradiente di temperatura tra l interno del traforo e i due camini della centrale di ventilazione all interno del traforo. Il gradiente di temperatura ha crea un flusso d aria attraverso l imbocco del traforo che ha porta l aria viziata nella condotta d aspirazione per mezzo delle botole e poi all esterno per mezzo dei camini. Nonostante un miglioramento complessivo della qualità dell aria all interno del traforo, i primi dati sul consumo energetico indicano un risparmio medio del 40% (vedi figura 5). Un tale miglioramento è dovuto all insieme degli elementi di miglioramento insiti nel nuovo sistema di ventilazione ovvero: un sistema strutturalmente più semplice e quindi governabile in modo più efficace da un sistema automatico, un sistema di regolazione basato su criteri nuovi e su una più fitta ed articolata rete di sensori, l utilizzo della ventilazione naturale per coprire l insieme delle condizioni di traffico meno gravose. 5. Test di prestazione Terminati i lavoro di implementazione e ammodernamento dell impianto di ventilazione e di programmazione del sistema di gestione della ventilazione, una accurata campagna di misure ha permesso di determinare le prestazioni del nuovo impianto di ventilazione. Fig. 5 Consumo d energia e flusso di traffico. 82
LA VENTILAZIONE DEL TRAFORO INTERNAZIONALE DEL GRAN SAN BERNARDO Fig. 6 punti di esecuzione delle misurazioni. Conformemente alla specifica definita dalla SINA, la consociata SINECO ha formato il team incaricato di misurare i parametri di ventilazione indicati nella procedura e di valutare la funzionalità e le prestazioni del nuovo impianto. Più precisamente, sono stati fissati i seguenti obiettivi: Seguendo le specifiche di prova stilate da SINA, la società SINECO, ha organizzato una campagna di misura sull insieme dei parametri atti a valutare il funzionamento e le prestazioni del sistema. In particolare si è proceduto a: Verificare l accuratezza degli anemometri nella zona carrabile del traforo: è stato ritenuto necessario valutare l accuratezza degli anemometri presenti nel Traforo per permettere durante le successive prove di avere un corretto riscontro attraverso il sistema di gestione della ventilazione dell andamento del flusso d aria (velocità e direzione) all interno della sezione carrabile, senza richiedere la presenza continuativa di personale nella zona carrabile del traforo; verifica della portata complessiva dell impianto di ventilazione: sono state misurate le portate di aspirazione complessiva dell impianto di ventilazione in tutte le configurazione di funzionamento e confrontate con i dati di progetto; verifica delle portate attraverso ogni singola botola di aspirazione attiva: la misura della portata di ogni singola botola è di fondamentale importanza per valutare l andamento della portata nell area di aspirazione che deve essere il più possibile omogenea, ma anche per valutare il trafilamento nel canale di aspirazione, che deve essere trascurabile rispetto alle altre grandezze. verifica dell efficacia delle compartimentazioni inserite sopra la controsoffittatura: sono state effettuate delle misure con le paratie superiori aperte per verificare la validità della concezione generale dell impianto. La campagna di misura è iniziata all interno del traforo ed è stata proseguita nella canale di aspirazione per valutare le prestazioni dell impianto di ventilazione. Il seguente schema illustra i punti in cui sono state eseguite le misurazioni (figura 6). La campagna di misura ha avuto inizio dalla zona carrabile del Traforo per poi proseguire con la verifica delle prestazioni all interno del canale di aspirazione nelle posizioni indicate in (figura 6). Per permettere una interpretazione più immediata dei dati si è scelto di rappresentare la portata in m 3 /s; per ottenere ciò, per ogni sezione di misura, è stato rilevato il valore della velocità in più punti, per poi calcolare la portata media ponderata della sezione. Per agevolare le operazioni di misura nel condotto di aspirazione, che come immaginabile, particolarmente disagevole per i tecnici visto che la velocità media dell aria è superiore ai 15 m/s (54 km/h) è stato ritenuto opportuno diminuire il numero di punti da misurare e per ovviare all errore dovuto Fig. 7 punti di misurazione nella condotta e coefficiente correttivo. alla minore velocità dell aria nelle vicinanze delle pareti e stato rilevato il coefficiente correttivo che tenesse conto della variazione longitudinale della velocità (figura 7). Di conseguenza le misurazioni nella condotta sono state ridotte da 8-10 punti a soli 5 punti, senza diminuire notevolmente la precisione delle misurazioni. figper verificare l efficacia della concezione generale del progetto, ed in particolare dell inserimento delle serrande di compartimentazione, con l occasione della campagna di misura, é stato anche verificato l apporto delle serrande di compartimentazione all impianto di ventilazione. È stata pertanto 83
R. ARDITI - L. DARBELLAY - M. FRESTA - C. REAL Fig. 8 scheda delle misurazioni per ciascuna sezione del traforo. misurata l aspirazione della tratta con la serranda chiusa (indicazioni di progetto) e con la serranda aperta. Il risultato della prova ha confermato le previsioni di progetto, ossia una diminuzione della portata di aspirazione nella tratta di interesse di oltre il 50%. In altre parole, l utilizzo delle serrande ha consentito di concentrare la potenza dei ventilatori esistenti, raggiungendo le prestazioni definite dagli standard di sicurezza del progetto senza modificare gli attuali ventilatori; inoltre quando si deciderà di sostituire gli attuali ventilatori, sarà possibile adottare ventilatori caratterizzati da dimensioni e consumi energetici ragionevoli per la struttura del Traforo del Gran San Bernardo, limitando i lavori d ingegneria civile e consentendo l utilizzo degli attuali impianti di distribuzione elettrica. La campagna di misure ha anche interessato l aspirazione attraverso ogni singola botola di aspirazione, volendo verificare l uniformità di aspirazione (entro una tolleranza) e l entità del trafilamento. Come meglio descritto nel primo articolo (BHrG 11 simposio 2003), le botole utilizzate hanno tre posizioni di funzionamento: Fig. 9 vista durante la procedura di misurazione nel traforo e nella condotta. chiusa, mezza aperta (regolabile) e totalmente aperta; queste tre posizioni di funzionamento consentono un impostazione più precisa dell apertura della botola. Quando la nuova centrale di ventilazione sarà attiva, sarà realizzato uno studio specifico per definire una procedura semplice da introdurre nel sistema di controllo al fine di determinare l apertura più adeguata della botola in funzione della distanza dell incendio rispetto alla centrale di ventilazione. Il traffilamento è un dato importante durante la fase di progetto per un traforo come quello del Gran San Bernardo, in quanto può raggiungere il 18-20% in un canale lungo 1.500m con sezione pari a 10-12 m 2. Questo valore è stato confermato dalle misurazioni eseguite ed è stato utile anche per intervenire, laddove necessario, con la chiusura di eventuali fori o aperture nel canale di aspirazione. Grazie agli strumenti di misurazione installati nel traforo e al sistema di controllo, è stato possibile registrare e valutare il flusso d aria nel traforo durante le prove di ventilazione. 84
LA VENTILAZIONE DEL TRAFORO INTERNAZIONALE DEL GRAN SAN BERNARDO Tab I Valutazione dell'efficacia delle paratie. Tratta n. Prova n. da progetto 1 1 serranda aperta 1 1a Stazione di ventilazione Prog. (m) Tipo di ventilazione Direzione flusso aria Area (m2) Vcc (m/s) Portata stazione di ventilazione (m3/s) A 100 B CH 1.450 A 100 B CH 1.450 Svizzera 10,13 8,21 83,18 Italia 10,08 12,82 129,19 Svizzera 10,13 8,21 83,18 Italia 10,08 9,25 26,46 Portata totale (m3/s) 212,36 109,64 Fig. 10 misurazione dell aria attraverso la botola. Fig. 11 velocità dell aria all interno del traforo durante le misurazioni. 85
R. ARDITI - L. DARBELLAY - M. FRESTA - C. REAL di emergenza, la velocità è passata a 5 m/ s prima e a 2 m/s dopo l ipotetica zona dell incendio, creando un flusso d aria che converge verso l incendio come indicato dagli attuali standard di sicurezza. Nell interpretare i dati si deve tenere presente che quanto misurato all interno del traforo in mancanza di incendio è da considerarsi, in particolare per la velocità misurata a valle della zona di aspirazione (secondo la direzione naturale dell aria) sovrastimata vista la mancanza dell effetto l incendio. 6. Conclusioni Fig. 12 flusso d aria nel traforo prima e dopo l attivazione della procedura di emergenza. La figura 11, e meglio esemplificata negli schemi della figura 12, evidenzia le variazioni nel flusso d aria all interno del traforo durante le prove d incendio nella 2 a tratta dell impianto di ventilazione, in cui la velocità dell aria è stata di 2 m/s lungo tutto il traforo; dopo l attivazione della procedura I risultati ottenuti hanno fornito informazioni estremamente importanti, sia in termini di dimensionamento dell impianto, per garantire l esercizio in condizioni normali e di emergenza, sia in termini di comprensione del comportamento dell impianto, al fine di definire le necessarie procedure d intervento da seguire in tali circostanze. Un altro aspetto che non deve essere sottovalutato con questo tipo di sistema di ventilazione è la componente longitudinale dell aria immessa nel traforo, che rende ancora più difficile il compito del sistema di estrazione fumi e il controllo della componente longitudinale. Sulla base dei risultati della simulazione, è stato possibile identificare le varie condizioni di esercizio dell impianto di ventilazione sia durante il normale esercizio sia in caso di emergenza, consentendo di individuare le impostazioni di taratura e di regolazione del sistema più appropriate. 86