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I modelli di calcolo per l’esodo

Approfondimento antincendio - RTV 10 Edifici Tutelati

Fire Safety Engineering – I modelli di calcolo per l’esodo

L’avvento del codice con il D.M. 3 agosto 2015 e s.m.i. ha dato ancora più risalto alle potenzialità dell’applicazione della Fire Safety Engineering nell’ambito della prevenzione incendi.

L’introduzione del codice amplia il campo di soluzioni a disposizione del professionista antincendio, oltre alle consuete soluzioni conformi o soluzioni in deroga, è stata introdotta la possibilità di utilizzare soluzioni alternative.

La Fire Safety Engineering o Ingegneria della sicurezza antincendio è definita sia nella sezione G.1.21 del Codice sia all’art. 1 lett. d del D.M. 7 agosto 2012 come “Applicazione di principi ingegneristici, di regole e di giudizi esperti basati sulla valutazione scientifica del fenomeno della combustione, degli effetti dell’incendio e del comportamento umano, finalizzati alla tutela della vita umana, alla protezione dei beni e dell’ambiente, alla quantificazione dei rischi di incendio e dei relativi effetti ed alla valutazione analitica delle misure antincendio ottimali, necessarie a limitare, entro livelli prestabiliti, le conseguenze dell’incendio,  secondo le indicazioni del capitolo M.1 del codice di prevenzione incendi o ai sensi del D.M. 9 maggio 2007”.

La verifica delle soluzioni alternative, in altre parole delle soluzioni in cui è compito del professionista dimostrare il raggiungimento del collegato livello di prestazione, è possibile impiegando uno dei metodi di progettazione della sicurezza antincendio ammessi per ciascuna misura antin­cendio tra quelli del paragrafo G.2.7.

Al fine di consentire la valutazione delle soluzioni alternative da parte del Corpo na­zionale dei Vigili del fuoco, ne è ammesso l’impiego solo nelle attività con valutazione del progetto.

 

Metodi Descrizione e limiti d’applicazione
Applicazione di norme o documenti tecnici Il progettista applica norme o documenti tecnici adottati da organismi europei o in­ternazionali, riconosciuti nel settore della sicurezza antincendio. Tale applicazione, fatti salvi gli obblighi connessi all’impiego di prodotti soggetti a normativa comunita­ria di armonizzazione e alla regolamentazione nazionale, deve essere attuata nella sua completezza, ricorrendo a soluzioni, configurazioni e componenti richiamati nelle norme o nei documenti tecnici impiegati, evidenziandone specificatamente l’idoneità, per ciascuna configurazione considerata, in relazione ai profili di rischio dell’attività.
Soluzioni progettuali che prevedono l’impiego di prodotti o tecnologie di tipo innovativo L’impiego di prodotti o tecnologie di tipo innovativo, frutto della evoluzione tecnolo­gica, è consentito in tutti i casi in cui l’idoneità all’impiego possa essere attestata dal professionista antincendio, in sede di verifica ed analisi sulla base di una valu­tazione del rischio connessa all’impiego dei medesimi prodotti o tecnologie, sup­portata da pertinenti certificazioni di prova riferite a:

  • norme o specifiche di prova nazionali;
  • norme o specifiche di prova internazionali;
  • specifiche di prova adottate da laboratori a tale fine autorizzati.

 

Ingegneria della sicurezza antincendio Il professionista antincendio applica i metodi dell’ingegneria della sicurezza antin­cendio, secondo procedure, ipotesi e limiti indicati in particolare nei capito­li M.1, M.2 e M.3 oppure in base a principi tecnico-scientifici riconosciuti a livello nazionale o internazionale.
Prove sperimentali Il professionista antincendio esegue prove sperimentali in scala reale o in scala adeguatamente rappresentativa, finalizzata a riprodurre ed analizzare dal vero i fe­nomeni (es. chimico-fisici e termodinamici, esodo degli occupanti, …) che caratte­rizzano la problematica oggetto di valutazione avente influenza sugli obiettivi di prevenzione incendi.

Le prove sperimentali sono condotte secondo protocolli standardizzati oppure con­divisi con la Direzione centrale per la prevenzione e la sicurezza tecnica del Corpo nazionale dei Vigili del fuoco.

Le prove sono svolte alla presenza di rappresentanza qualificata del Corpo nazio­nale dei Vigili del fuoco, su richiesta del responsabile dell’attività.

Le prove devono essere opportunamente documentate. In particolare i rapporti di prova dovranno definire in modo dettagliato le ipotesi di prova ed i limiti d’utilizzo dei risultati. Tali rapporti di prova, ivi compresi filmati o altri dati monitorati durante la prova, sono messi a disposizione del Corpo nazionale dei Vigili del fuoco.

Tabella G.2-1: Metodi di progettazione della sicurezza antincendio

 

Campo di applicazione

Una possibile applicazione dell’ingegneria antincendio è nella verifica della strategia S.4 Esodo, soprattutto nei casi di attribuzione del livello di prestazione II, dove non sono previste soluzioni conformi.

Secondo il D.M. 3 agosto 2015 e s.m.i. la finalità del sistema d’esodo è di assicurare che gli occupanti dell’attività pos­sano raggiungere un luogo sicuro o permanere al sicuro, autonomamente o con assistenza, prima che l’incendio determini condizioni incapacitanti negli ambiti dell’attività ove si trovano.

Esistono situazioni ove questo criterio non è applicabile, in particolare per gli occupanti che si trovano nel compartimento di primo innesco dell’incen­dio.

Ribadiamo che gli occupanti raggiungono l’incapacitazione quando diventano inabili a mettersi al sicuro a causa degli effetti dell’incendio (capitolo M.3).

Questo concetto è riportato nel paragrafo S.4.8 Progettazione del sistema di esodo, dove si ribadisce che il sistema d’esodo è dimensionato in modo da consentire agli occupanti di abbandonare il compar­timento di primo innesco dell’incendio e raggiungere un luogo sicuro temporaneo (es. comparti­mento adiacente) o direttamente il luogo sicuro, prima che l’incendio determini condizioni inca­pacitanti negli ambiti dell’attività ove si trovano, come descritto nei riferimenti del paragra­fo S.4.12.

I criteri e le soglie di prestazione per la verifica dell’esodo non possono che prescindere da riferimenti a norme internazionali, il paragrafo S.4.12 così come i corrispondenti delle sezioni M riporta un estratto delle principali norme d i riferimento.

Un principio fondamentale per la verifica della strategia S.4 è costituito dal calcolo dell’RSET (required safe escape time), ovvero dell’intervallo di tempo calcolato tra l’innesco dell’incendio ed il momento in cui gli occupanti dell’attività raggiungono un luogo sicuro.

Per la verifica dell’RSET si fa riferimento alla determinazione dell’ASET (available safe escape time), ovvero dell’intervallo di tempo calcolato tra l’innesco dell’incendio ed il momento in cui le condizioni ambientali nell’attività diventa­no tali da rendere gli occupanti incapaci di porsi in salvo raggiungendo o per­manendo in un luogo sicuro.

Si considera efficace il sistema d’esodo se ASET > RSET, se cioè il tempo in cui permangono condizioni ambientali non incapacitanti per gli occupanti è su­periore al tempo necessario perché essi possano raggiungere un luogo sicuro, non soggetto a tali condizioni ambientali sfavorevoli dovute all’incendio.

Confronto tra ASET ed RSET

Cosa cambia tra i modelli di simulazione

Con il termine simulazione, si intende generalmente la realizzazione di un modello della realtà che consente di valutare e prevedere lo svolgersi dinamico di una serie di eventi consequenziali all’imposizione di predeterminate condizioni al contorno.

La simulazione è una tecnica molto importante di ricerca, forse la più usata a supporto di qualsiasi processo decisionale; negli ultimi anni è diventata un importante strumento di pianificazione con applicazioni molteplici in diversi ambiti, dall’economico-aziendale fino all’ingegneria ed alla gestione dell’esodo in emergenza.

Una simulazione consente seppur con elevati oneri computazionali:

  • Lo studio del comportamento del sistema nelle condizioni presenti od in condizioni modificate, senza modificarlo realmente;
  • Soluzioni a problemi non affrontabili in altro modo, neanche attraverso la sperimentazione diretta;
  • Riduzione di costi e tempi rispetto alla fase sperimentale;
  • Maggior comprensione del fenomeno, ripetibilità e scalabilità;
  • Sicurezza e legalità nella ricerca di soluzioni innovative.

Il progettista definisce lo scopo della progettazione, quindi specifica gli obietti­vi di sicurezza antincendio che intende garantire e li traduce in soglie di presta­zione quantitative. Successivamente identifica gli scenari d’incendio di proget­to, i più gravosi eventi che possono ragionevolmente verificarsi nell’attività.

Dopodiché, grazie a strumenti di modellazione analitici o numerici, descrive o calcola gli effetti degli scenari d’incendio di progetto in relazione alla soluzione progettuale ipotizzata per l’attività. Se gli effetti così calcolati conservano un adeguato margine di sicurezza rispetto alle soglie di prestazione precedentemen­te stabilite, allora la soluzione progettuale analizzata è considerata accettabile.

La sezione M.1.9 Criteri di scelta e d’uso dei modelli e dei codici di calcolo riporta un elenco non esaustivo dei vari modelli di calcolo che le conoscen­ze tecniche di settore mettono a disposizione, sulla base di valutazioni inerenti la complessità del progetto.

Allo stato attuale i modelli più frequentemente utilizzati sono:

  • modelli analitici
  • modelli numerici tra cui:
    • modelli di simulazione dell’incendio a zone per ambienti confinati
    • modelli di simulazione dell’incendio di campo
    • modelli di simulazione dell’esodo
    • modelli di analisi termostrutturale.

I moderni sistemi di calcolo permettono di modellare l’esodo tenendo conto dell’interazione continua tra l’espressione fisica del moto ed i fattori comportamentali.

Nel loro campo di applicazione, i modelli analitici garantiscono stime accurate di effetti specifici dell’incendio (es. il calcolo del tempo di flashover in un loca­le). Per analisi più complesse che coinvolgano interazioni dipendenti dal tempo di più processi di tipo fisico e chimico presenti nello sviluppo di un incendio si ricorre generalmente ai modelli numerici.

È ammesso l’utilizzo contemporaneo di più tipologie di modelli.

Tra tutti i modelli non ne esiste uno giusto o sbagliato e i risultati non possono essere generalizzati, poiché ogni strumento è soggetto all’esperienza di chi lo applica ed alle priorità individuate dal professionista.

  • Modelli disponibili al pubblico: EVACNET4, WAYOUT, STEPS, PedGo, PEDROUTE, Simulex, GridFlow, ASERI, FDS+Evac, Pathfinder, SimWalk, PEDFLOW, buildingEXODUS, Legion, SpaceSensor, Evacuation Planning Tool (EPT), e MassMotion.
  • Modelli disponibili su base consulenziale: PathFinder, Myriad II, ALLSAFE, CRISP, EGRESS, e SGEM.
  • Modelli che non sono ancora stati rilasciati: EXIT89, MASSEgress, e EvacuatioNZ.

Il National Institute of Standards and Technology ha pubblicato un report di comparazione dei sistemi di calcolo più diffusi nell’ambito della ingegneria prestazionale.


Report di comparazione dei sistemi di calcolo

 

Prendendo come parametri di comparazione

  • Metodo di modellazione
  • Scopo
  • Griglia
  • Prospettiva modello/occupante
  • Comportamento degli occupanti
  • Movimento
  • Dati sull’incendio
  • CAD
  • Visualizzazione
  • Validazione

Con aspetti specifici relativamente all’evacuazione:

  • Controcorrente;
  • Blocco di uscita/ostacoli;
  • Le condizioni di incendio influenzano il comportamento;
  • Tossicità degli occupanti;
  • Definizione dei gruppi;
  • Disabilità/gruppi di occupanti lenti;
  • Tempi di ritardo/pre evacuazione;
  • Uso dell’ascensore;
  • Scelta del percorso degli occupanti.

Per rappresentare il processo decisionale impiegato in caso di evacuazione, il modello deve incorporare un metodo appropriato di simulazione del comportamento delle persone esposte. Il fattore comportamentale è sempre influenzato dalle caratteristiche dalla popolazione e dalla geometria considerata.

Attualmente si impiegano comunemente due famiglie di modelli per il calcolo del tempo di movimento: modelli idraulici e modelli agent based.

I modelli idraulici predicono con ragionevole precisione alcuni aspetti del movi­mento degli occupanti (es. flussi attraverso le uscite), ma non includono fattori importanti del comportamento umano, come la familiarità con l’edificio, le inte­razioni persona-persona e l’effetto del fumo sul movimento.

Caratteristiche dei modelli di simulazione FDS EVAC e PATHFINDER

La seguente tabella riporta un estratto della comparazione tra i modelli agent-based, cioè basati sul comportamento (modelli comportamentali o parzialmente comportamentali – FDS EVAC)  e i modelli basati sul movimento (idraulici – PathFinder), che sono tra i sistemi di calcolo per la modellazione dell’esodo di uso più comune.

CRITERIO FDS+EVAC PathFinder
Metodo di modellazione

B : modello di tipo comportamentale, si considerano le azioni degli occupanti durante il movimento verso l’uscita e le loro capacità di decisione in funzione delle condizioni ambientali

B-RA: il modello può valutare il rischio derivante da una determinata situazione

M: il modello è basato sul movimento e simula lo spostamento degli occupanti da un certo punto ad un altro (luogo sicuro) e viene usato soprattutto per identificare aree di congestione

MO: il modello è in grado di individuare una configurazione ottimale di distribuzione degli ambienti, ecc..

PB: il modello è parzialmente comportamentale, cioè calcola principalmente il movimento degli occupanti ma può simularne parzialmente anche il comportamento

PB PB, M
Scopo

1: applicabile ad ogni tipo di edificio
2: specializzato nella simulazione di edifici residenziali
3: specializzato per ambiti connessi col trasporto pubblico
4: utilizzabile in edifici con altezza massima pari a 20 metri
5: consentono la simulazione con un solo percorso di fuga

1 1

 

Griglia

C: lo spazio quando si simula il movimento è suddiviso in una griglia a maglia larga con unità ambientali estese in termini di superficie, come stanze, corridoi, ecc.. attraverso le quali gli occupanti possono muoversi

F: lo spazio quando si simula il movimento è suddiviso in una griglia a maglia stretta con piccole celle che rappresentano porzioni di unità ambientali

Co: lo spazio quando si simula il movimento è rappresentato in modo continuo (per esempio per piani), simulando eventualmente la presenza di ostacoli e barriere all’interno dell’edificio che possano influenzare la scelta del percorso di fuga da parte degli occupanti.

Co Co, F
Prospettiva modello/occupante

G: l’insieme degli occupanti viene visto dal software come un gruppo omogeneo di persone che si muove verso l’uscita

I: viene rappresentata la posizione di ogni singolo individuo nel tempo, mostrando come ognuno scelga il percorso di esodo basandosi sulle informazioni  presenti nel piano, l’esperienza personale e le informazioni ricevute dagli altri occupanti presenti.

I I/G
Comportamento degli occupanti

N: il comportamento degli occupanti non viene considerato ma vengono considerati solo gli aspetti relativi agli spostamenti

I: il comportamento degli occupanti viene considerato in modo implicito, assegnando ritardi nei tempi di reazione all’allarme o caratteristiche degli occupanti che influenzano i movimenti e gli spostamenti durante l’evacuazione

R/C: il comportamento degli occupanti viene considerato in modo condizionale, differenziando i modelli che assegnano azioni individuali a persone o gruppi di occupanti influenzate da condizioni ambientali durante l’evacuazione

AF: i modelli utilizzano un insieme di equazioni (analogia funzionale) per rappresentare tutti gli occupanti

IA: i modelli si basano su simulazioni artificiali dell’intelligenza umana

P: i software fanno ricorso a modelli comportamentali probabilistici per cui ripetendo la stessa simulazione diverse volte si ottengono risultati diversi

I, C, P I, N
Movimento

D: a seconda della situazione di congestionamento la velocità di flusso viene assegnata agli individui o ai gruppi di persone in funzione della loro densità nello spazio

UC: per ogni area dell’edificio l’utilizzatore del modello di simulazione può assegnare valori di velocità, flusso e densità

ID: si considera ogni individuo come sfera, imponendo così dei vincoli di distanza minima tra gli occupanti, gli ostacoli e le parti dell’edificio

P: per ogni cella della griglia di rappresentazione viene assegnato un valore di potenziale rispetto ad un punto di riferimento dell’edificio, per guidare gli occupanti verso una direzione

E: il movimento degli occupanti dipende dalla disponibilità delle celle adiacenti ad essi, per cui qualora tali celle siano occupate, gli occupanti dovranno mettersi in coda ed aspettare che si liberino, muovendosi poi in un ordine definito arbitrariamente dal modello

C: il movimento degli occupanti dipende dalle condizioni ambientali, dalla struttura, dagli altri occupanti e dallo stato di propagazione dell’incendio,

FA: vengono applicate equazioni per determinare il movimento, assimilato all’evoluzione di un fenomeno fisico come per esempio il moto di un fluido

Ac K: il movimento non è desunto da algoritmi di simulazione ma da dati di altre evacuazioni

ID D, ID
Dati sull’incendio

Y1: il modello può importare informazioni sull’incendio da un altro modello

Y2: consente all’utilizzatore di inserire specifici dati sull’incendio, riferiti a specifici istanti di tempo

Y3: ingloba al suo interno un modello di simulazione dell’incendio

N: non può considerare informazioni sull’incendio ma elabora la simulazione come se fosse un’esercitazione antincendio nell’edificio

Y3 N
CAD

Y: il software consente di utilizzare file CAD provenienti di un altro programma in modo da risparmiare tempo ed aumentare il livello di precisione nella rappresentazione grafica dell’edificio

N: non è possibile importare file da programmi CAD

F: la possibilità di utilizzo di file CAD è in corso di sperimentazione

N/Y Y
Visualizzazione

2-D: il modello permette di visualizzare i punti di congestionamento ed i punti critici all’interno dell’edificio in modo bidimensionale

3-D: il modello permette di visualizzare i punti di congestionamento ed i punti critici all’interno dell’edificio in modo tridimensionale

N: il modello non permette di visualizzare i punti di congestionamento ed i punti critici all’interno dell’edificio

2,3-D 2,3-D
Validazione

C: i modelli vengono validati rispetto a normative codificate

FD: i modelli vengono validati rispetto a dati provenienti da esercitazioni antincendio ed esperimenti di evacuazione

PE: i modelli vengono validati rispetto a dati presenti in letteratura specializzata su esperimenti di evacuazione

OM: i modelli vengono validati rispetto ad altri modelli

N: per i modelli non è prevista alcuna validazione

FD, PE, OM C, FD, PE, OM

I modelli agent-based, cioè basati sul comportamento possono essere ulteriormente suddivisi in base ai sistemi comportamentali adottati:

  • Nessuna regola comportamentale: questi modelli non applicano regole di comportamento e affidano le scelte decisionali solo sulla base di influenze fisiche, il movimento della popolazione e la rappresentazione fisica della geometria influenzano e determinano il processo d’evacuazione;
  • Analogia funzionale del comportamento: i modelli di analogia funzionale del comportamento applicano delle equazioni alla popolazione, che complessivamente governano la risposta, minando il comportamento individuale;
  • Comportamento implicito: è dichiarato l’uso di metodi fisici complessi basati sull’applicazione di dati secondari, che incorporano le influenze psicologiche o sociologiche;
  • Regole basate sul sistema comportamentale: i modelli in cui sono riconosciuti esplicitamente i tratti comportamentali dei singoli occupanti solitamente adottano il modello con regola basata sul sistema comportamentale, permettendo di adottare scelte decisionali in base al set predefinito di regole. Queste regole possono essere attivate in circostanze specifiche e solo in tali circostanze, hanno effetto;
  • Intelligenza artificiale basata su sistema comportamentale: intelligenza artificiale applicata ai modelli di comportamento dove gli occupanti individuali sono progettati per mimare l’intelligenza umana, o approssimativamente ad essa, nel rispetto dell’ambiente circostante.

Nel calcolo dell’RSET, un parametro fondamentale è il tempo di movimento ttra.

La sezione M.3.4.4 Tempo di movimento lo definisce come il tempo impiegato dagli occupanti per raggiungere un luogo sicuro dal termine delle attività di pre-movimento, fornendo i criteri base e le variabili da tenere in considerazione per calcolarlo:

  1. la distanza degli occupanti o gruppi di essi dalle vie d’esodo;
  2. le velocità d’esodo, che dipendono dalla tipologia degli occupanti e dalle loro interazioni con l’ambiente costruito e gli effetti dell’incendio. È dimo­strato che la presenza di fumi e calore rallenta notevolmente la velocità d’esodo i funzione delle condizioni di visibilità;
  3. la portata delle vie d’esodo, dovuta a geometria, dimensioni, dislivelli ed ostacoli.

Nella realtà, quando gli occupanti di edifici densamente affollati fuggono lungo le vie d’esodo, si formano lunghe file nei restringimenti, inoltre secondo lo svi­luppo degli scenari di incendio di progetto presi in esame, alcuni percorsi posso­no diventare impercorribili o bloccati.

Il calcolo del ttra deve tenere conto di questi fenomeni.

I modelli idraulici predicono con ragionevole precisione alcuni aspetti del movimento delle persone, ma non includono fattori importanti del comportamento umano, come la familiarità con l’edificio e le interazioni persona- persona, se non indirettamente.

I modelli comportamentali considerano ciascuna persona una particella autonoma, con autonoma capacità di scelta dei percorsi in relazione all’ambiente ed alle altre persone in fuga.

Inoltre ciascuna persona può essere descritta nelle sue abilita secondo lo scenario comportamentale di progetto, per tenere conto delle differenti abilità presenti nella popolazione considerata.

La differenza tra ASET ed RSET rappresenta il margine di sicurezza della pro­gettazione prestazionale per la salvaguardia della vita:

tmarg = ASET – RSET

Nel confronto tra diverse soluzioni progettuali, il professionista antincendio ren­de massimo il margine di sicurezza tmarg in relazione alle ipotesi assunte, al fine di considerare l’incertezza nel calcolo dei tempi di ASET ed RSET.

Tra gli strumenti a disposizione del professionista antincendio per lo studio delle soluzioni alternative attraverso la Fire Safety Engineering CPI win® FSE è sicuramente uno strumento flessibile e nello stesso tempo potente che consente di realizzare uno scenario di incendio da inviare al motore di calcolo FDS EVAC.

CPI win FSE - 001

 

La flessibilità del pre processore verso FDS consente di effettuare un’analisi dell’evoluzione dell’incendio, del solo movimento delle persone o dell’azione combinata incendio più esodo, per il calcolo dell’ASET e la  corretta verifica dell’RSET.

CPI win FSE - 002

 

Una post processore di analisi dei risultati della simulazione consente al professionista antincendio di trarre le proprie valutazioni sulla base di una valutazione analitica dell’incendio.

CPI win FSE - 003

Guarda CPI win® FSE in azione

 

L’applicativo CPI win® FSE è strettamente correlato al prodotto CPI win® Attività che consente di valutare le pratiche di prevenzione incendi, anche secondo il codice, anche secondo l’utilizzo di soluzioni alternative verificate attraverso l’applicativo CPI win® FSE.

CPI win Attività - 001

 

La validità del prodotto CPI win® Attività è stata ufficialmente riconosciuta dalla Rete Professioni Tecniche che, dopo aver analizzato nel dettaglio le funzionalità innovative del software CPI WIN® Attività come strumento di supporto alla progettazione, con nota prot. 675/2018 del 30 luglio 2018 ATTESTA che la ditta NAMIRIAL S.p.A. ha sviluppato un programma informatico di ausilio alla progettazione avanzata mediante il Codice di prevenzione incendi (D.M. 03/08/2015), che soddisfa sostanzialmente i requisiti tecnici indicati nell’AVVISO in oggetto.

NAMIRIAL S.p.A. potrà quindi qualificare il programma di progettazione con il Codice di prevenzione incendi con la seguente iscrizione:

Programma rispondente ai requisiti tecnici individuati dalla Rete delle Professioni Tecniche per la progettazione avanzata con il Codice di prevenzione incendi (D.M. 03/08/2015).

AVVISO R.P.T. del 13/09/2017.

 

CPI win FSE - CPI win Attività

 


Autore:

Dott. Pietro Monaco

Pietro Monaco

 


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