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La ventilazione meccanica connessa
alla sicurezza delle gallerie autostradali
di Vincenzo Ferro
1. PREMESSA
L’incendio di una galleria autostradale è un evento che deve essere
considerato in fase di progettazione e che deve essere gestito
in fase di esercizio.
Di fatto i criteri della sicurezza in una galleria idonei a limitare
quanto più possibile le conseguenze di un incendio, possono essere
ripartiti secondo due indirizzi fondamentali.
Il primo indirizzo è di tipo passivo ed include:
- la scelta di materiali da costruzione non combustibili (in classe
M0 od al limite M1);
- la progettazione di strutture stabili per un tempo atto a garantire
l’evacuazione degli utenti, nonché di idonei sistemi di drenaggio
di liquidi infiammabili;
- la disponibilità di luoghi sicuri o di vie di fuga, con ambienti
pressurizzati rispetto alla galleria;
- impianti protetti o resistenti ai gradienti termici causati dall’incendio;
Il secondo è di tipo attivo e comprende:
- sistemi di comunicazione per i passeggeri (telefoni di emergenza,
messaggi su frequenza radio dedicate, segnaletica luminosa
fissa ed a messaggio variabile per informazioni e per indirizzamento,
impianti di diffusione sonora) e per il personale
di soccorso;
- controllo degli automezzi a sufficiente distanza degli imbocchi
con portali termografici, specie per gallerie con pedaggi agli
ingressi;
- sistema di rivelazione : allarmi con pulsante, impianto televisivo
a circuito chiuso abbinato alla rivelazione automatica di incidente,
sistema di rilevamento di temperature anomale;
- impianti di estinzione : ad idranti alimentati da rete di pressurizzazione,
estintori disponibili da rete di pressurizzazione, estintori
disponibili lungo il traforo, automezzi mobili per estinzione
dotati di sistemi ottici ad infrarossi per la guida;
- transito di merci pericolose con convogli scortati;
- sistema di controllo dei fumi attraverso impianti di ventilazione
meccanica.
La ventilazione meccanica può giocare un ruolo importante nel
caso di un incendio in galleria, ruolo che dipende dal sistema di
ventilazione e da altre circostanze, nella fattispecie della lunghezza
e dal tipo di galleria (a traffico uni o bidirezionale o,
come si suol dire, ad un od a due canne di percorrenza) dalla
ripartizione percentuale del traffico fra veicoli leggeri e pesanti,
dalla intensità del traffico, dagli effetti dei moti convettivi
(tiraggio) risultanti fra l’ambiente interno ed esterno
della galleria, dalla portata dei prodotti della combustione,
dalle differenze di condizioni meteo agli imbocchi, dalla magnitudo
(potenza ed energia) dell’incendio.
In particolare l’incendio può andare da una potenza di ª3 MW
a 100 MW ed oltre.
Fondamentalmente si impiegano due sistemi di ventilazione
meccanica entro un traforo:
- il sistema longitudinale, nel quale l’aria viene fatta fluire lon-
Adeguamento, manutenzione e arredo in gallerie lunghe e profonde
Fig. 2.1 – Schema del sistema di ventilazione longitudinale con
ventilatori ad induzione
Fig. 2.2 – Sistema di ventilazione longitudinale con ventilatori ad
induzione – Sezione trasversale della galleria
Fig. 3.1 – Schema di un sistema di ventilazione trasversale
gitudinalmente secondo l’asse del traforo;
- il sistema trasversale, nel quale l’aria viene immessa e ripresa
trasversalmente in modo da ventilare la galleria per sezioni
trasversali.
I due sistemi possono essere combinati, in modo da offrire soluzioni
idonee al tipo di ventilazione, che si ritiene di poter applicare.
SICUREZZA

PRE-PRINT INFRAVIA 2001
Seconda giornata
2.VENTILAZIONE LONGITUDINALE
La fig. 2.1 e 2.2 illustrano schematicamente il sistema di ventilazione
longitudinale attuata medianti ventilatori assiali ad induzione
(jet fans) installati a soffitto della galleria.
Il flusso d’aria longitudinale è dovuto alla spinta meccanica dei
ventilatori ed è influenzato dall’effetto di pistonamento dei veicoli,
dalle differenze di pressione fra i portali, oltreché ovviamente
dalle resistenze fluidodinamiche presenti in galleria.
La ventilazione longitudinale è particolarmente indicata per
un galleria a traffico unidirezionale (a due canne) dove il flusso
veicolare ed il flusso dell’aria hanno versi concordi. In una
galleria ad un fornice (ad una canna) con traffico bidirezionale
si possono verificare difficoltà, quando il flusso del traffico prevalente
ha direzione opposta a quello di flusso dell’aria spinta
dai ventilatori ad induzione ovvero da differenti condizioni meteorologiche
fra i due potali.
Fig. 3.2 – Sistema di ventilazione trasversale – Sezione trasversale
della galleria
Fig. 3.3 – Sezione longitudinale galleria con canale di estrazione fumi
Fig. 3.4 – Sezione normale galleria con estrazione fumi
In questa situazione può essere opportuno usare dei ventilatori
a flusso reversibile, che possono invertire la spinta e quindi il
verso dell’aria in funzione della pressione prevalente dovuta al
traffico, alle condizioni meteorologiche esterne o per altre circostanze.
Il sistema di ventilazione longitudinale è particolarmente idoneo
nel caso di incendio su un fornice a traffico unidirezionale,
in quanto il traffico a monte dell’incendio viene fermato e
protetto dal flusso d’aria che fluisce nel verso del traffico, mentre
il traffico a valle dell’incendio lascia il traforo con velocità
maggiore a quella del flusso dei fumi e quindi non viene investita
da quest’ultimi.
Inoltre il controllo della spinta longitudinale dei ventilatori e
quindi della velocità dell’aria può impedire il fenomeno del riflusso
(back layering) dell’aria verso il tronco in galleria a monte
dell’incendio, riflusso che rappresenta uno dei problemi critici
in questo caso.
3. VENTILAZIONE TRASVERSALE
La ventilazione trasversale è prevalentemente utilizzata per lunghe
gallerie ad un fornice con traffico bidirezionale ovvero per
gallerie urbane ad un fornice con denso traffico bidirezionale.
In questo sistema di ventilazione, l’aria fresca (AF) viene mandata
in un condotto, parallelo all’asse della galleria, ed immessa
attraverso bocchette posizionate con passo costante lungo il
condotto (generalmente ogni 5 ∏ 10 m). L’aria viziata (AV) viene
estratta da un altro condotto, anch’esso parallelo all’asse della
galleria, attraverso serrande di estrazione disposte con passo
costante (generalmente ogni 10 ∏ 50 m). (V. Fig. 3.1 ∏ 3.2).
L’AF immessa e l’AV estratta ‘‘lavano’’trasversalmente la galleria,
ma la distribuzione uniforme dell’aria nel caso di traffico
bidirezionale è ostacolata dall’effetto pistone, dalla distribuzione
stocastica del flusso veicolare, dalle differenti condizioni meteorologiche
e del vento ai portali.
I canali dell’AF e dell’AV hanno usualmente una lunghezza
compresa fra i 1000 ed i 2000 m con sezione trasversale costante.
Il flusso di AV estratta è di solito circa l’80% del flusso di AF
immesso; il flusso di AV restante viene espulso attraverso i portali.
Il canale di estrazione AV per le gallerie bidirezionali, viene oggi
modificato ed impiegato essenzialmente per l’estrazione dei
fumi da incendio, aumentando le sezioni delle serrande di estrazione
da ª1 a ª2,5 m_ con passo di installazione sul canale di circa
50÷100 m [1], [2].
Il sistema di comando delle serrande viene automatizzato e attuato
dal posto di controllo.
Ogni serranda è comandata da un motoriduttore, che apre totalmente
un certo numero di serrande (ad es. 5÷10 serrande) centrate
sulla posizione dell’incendio (fig. 3.3 e 3.4) e chiude le
restanti, in modo da aspirare i fumi sviluppati nella zona dell’incendio
stesso.
L’incendio di riferimento per il proporzionamento dell’impianto
di estrazione ha la potenza ª30 MW con portata di miscela
aria fumi di ª110÷150 m_/s [3]. Si tende attualmente verso potenze
superiori (ª100 MW) con maggiori portate di fumi in estrazione.
Naturalmente l’estrazione trasversale dell’aria viziata resta possibile,
parzializzando automaticamente le luci delle serrande
in funzione della loro distanza dal ventilatore.
Attualmente però in molti trafori con impianto di ventilazione
trasversale, si attua il funzionamento semitrasversale, con l’im-

Fig. 4.1 – Schema parziale del grafo (rete) utilizzato per lo studio dell’incendio in galleria
missione trasversale dell’AF e l’espulsione longitudinale dell’AV
attraverso la galleria. Il sistema di aspirazione trasversale viene
fatto intervenire nel caso di formazione in galleria di tappi di
fumo, dovuti alla emissione dei veicoli, ovvero in corrispondenza
dei portali, quando l’aria effluisce all’esterno con velocità
superiore a 10 m/s.
Molto importante nel caso di incendio è il controllo della velocità
longitudinale dell’aria della galleria, che nel sistema trasversale
si verifica in modesta parte come risultante dell’effetto
di pistonamento dei veicoli, ma in parte prevalente a causa
delle differenti condizioni meteo ai portali, specie nel caso di
trafori che attraversano elevati massicci montani.
Una ridotta velocità longitudinale (£ 1÷1,5 m/s) consente una
buona e stabile stratificazione dei fumi verso la volta della
galleria, facilitandone l’estrazione nella zona delle serrande
aperte.
Una stratificazione stabile in volta mantiene, per un certo intervallo
di tempo, la zona sottostante con aria respirabile, circostanza
molto importante per gli utenti presenti e fermi in attesa
dei soccorsi.
Per alcuni lunghi trafori con ventilazione trasversale, il controllo
della velocità longitudinale a bassi valori nella zona dell’in-
Adeguamento, manutenzione e arredo in gallerie lunghe e profonde
cendio, può essere fatto mediante gruppi di ventilatori ad induzione
(jet fans) installati in alto sulla parete od in volta.
I gruppi che vengono messi in funzione, debbono essere a sufficiente
distanza dall’incendio in modo da contrastare il verso
di una velocità longitudinale eccessiva, senza peraltro destratificare
i fumi nella zona dell’incendio stesso.
4. UN MODELLO DI CALCOLO DELLA VELOCITA’
LONGITUDINALE
Nel seguito viene esposto sinteticamente un modello di calcolo
per il controllo della velocità longitudinale in una galleria autostradale.
L’analisi del comportamento fluidomeccanico e termico di una
galleria nel caso di un incendio viene eseguito descrivendo la
galleria come un sistema complesso di componenti interconnesso.
Il modello adottato deriva dalla teoria dei grafi orientati;
quest’ultima è utilizzata per la rappresentazione spaziale,
mentre le relazioni della fluidodinamica e della termocinetica
monodimensionale sono utilizzate per la rappresentazione dei
fenomeni fisici.
Uno schema parziale del grafo, che viene utilizzato per lo studio,
è riportato a titolo di esempio nella figura 4.1. Il grafo è sta-
Figura 4.2 – Andamento delle temperature dell’aeriforme nella zona dell’incendio. L’ascissa x=0 coincide con la serranda centrale posizionata
sotto l’incendio rispetto a 7 serrande aperte in estrazione
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Seconda giornata
Figura 4.3 - Andamento della velocità longitudinale dell’aria in galleria - Incendio sulla metà di un tronco intermedio - Pressione agli imbocchi
dovuta alle sole condizioni climatiche della mezza stagione - Centrale intermedia in aspirazione sul canale intermedio con ventilatore AV –
Configurazione corrispondente alle serrande di aspirazione 39÷45 - A.F. in mandata al 20% di portata sui tronchi 1, 2, 3, 4, 5, 6.
Figura 4.3’ - Andamento della temperatura dell’aria in galleria, nelle condizioni corrispondenti al caso di Fig. 3

Adeguamento, manutenzione e arredo in gallerie lunghe e profonde
Figura 4.4 - Andamento della velocità longitudinale dell’aria in galleria - Incendio sulla metà di un tronco intermedio - Pressione agli imbocchi
dovuta alle condizioni climatiche della mezza stagione e sovrapressione di 100 Pa all’imbocco a progressiva 0 m - Centrale intermedia in
aspirazione sul canale intermedio con il ventilatore AV – Configurazione corrispondente alle bocche di aspirazione 39÷45 - A.F.in mandata al
20% di portata sui canali 1, 2, 3, 4, 5 ed all’80% sul canale 6.
Figura 4.4’ - Andamento della temperatura dell’aria in galleria, nelle condizioni corrispondenti al caso di Fig. 4
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Figura 4.5 - Andamento della velocità longitudinale dell’aria in galleria - Incendio sulla metà di un tronco intermedio - Pressione agli imbocchi
dovuta alle condizioni climatiche della mezza stagione e sovrapressione di 100 Pa sull’imbocco alla progressiva 12.800 m - Centrale intermedia
in aspirazione sul canale intermedio con il ventilatore AV – Configurazione corrispondente alle serrande di aspirazione AV72÷78 - A.F. in
mandata all’20% di portata sui canali 1, 2, 3, 4, 5, 6.
Figura 4.5’ - Andamento della temperatura dell’aria nella galleria, nelle condizioni corrispondenti al caso di Fig. 5

to realizzato in modo da rappresentare tutte le serrande (TD)
di estrazione fumi, nonché la distribuzione di aria fresca (AF),
le centrali di ventilazione, il canale di aria viziata (AV), etc.
E’stata adottata, come andamento della temperatura nella zona
dell’incendio, una curva tipo, corrispondente a quella riprodotta
sul progetto Eureka [Eureka-Project EU 499, Maggio 1995]
e riportata in fig. 4.2.
Può essere in alternativa assunto l’andamento dell’incendio di
riferimento, con potenza di 30 MW e con una produzione di
fumi di 80 m_/s, secondo le indicazioni del PIARC.
L’analisi del comportamento del sistema di estrazione dei fumi
in caso di incendio è stata eseguita considerando le seguenti
variabili:
- condizioni climatiche esterne (estate, inverno, mezza stagione).
- posizione dell’incendio in galleria.
- ventilatore di centrale utilizzato nell’estrazione dei fumi.
- sovra-pressione su una testata del Traforo dovuta a fenomeni
meteo.
- portata di aria fresca introdotta attraverso i vari canali.
I diversi casi considerati per l’apertura delle serrande di estrazione
corrispondono alle posizioni stabilite per l’incendio.
Per quanto riguarda la sovra-pressione sulle testate, essa è stata
imposta su una o sull’altra delle testate della galleria;l’influenza
di questo fattore può essere meglio indagata, se si considerano
due diversi valori di sovra-pressione: 50 Pa e 100 Pa
sono stati qui utilizzati.
Per l’aria fresca sono stati considerati i due casi di immissione
di aria, solo sulla zona d’incendio e su tutta la galleria.
Per entrambi i casi i valori di portata AF introdotta sono stati
ottenuti ipotizzando per ogni tronco una portata pari al 20%
ed in altri casi all’80% della portata totale, a seconda della posizione
dell’incendio e della differenza di pressione fra gli imbocchi.
Sono stati simulati 23 casi di incendio in diversi tronchi della
galleria e per ognuno di essi, in funzione dei parametri anzidetti
Adeguamento, manutenzione e arredo in gallerie lunghe e profonde
è stata determinata quale strategia della ventilazione AF ed AV
è necessaria per mantenere la velocità longitudinale al di sotto
di 1,5 m/s, ed in ogni caso per evitare che i fumi sfuggano all’aspirazione,
uscendo verso imbocchi.
Atitolo di esempio vengono riportate nelle fig. 4.3, 4.4 e 4.5 gli
andamenti delle velocità longitudinali lungo la galleria per tre
dei casi esaminati. Le figure 4.3’, 4.4’ e 4.5’ illustrano i corrispondenti
andamenti delle temperature dell’aria nel Traforo.
E’ importante notare come siano state ricercate per ogni caso
le condizioni per cui la miscela aria-fumi sia sempre aspirata e
l’aria priva di fumi possa uscire dalla galleria solo a valle dei
punti di velocità longitudinale zero in galleria.
Per tutti i casi esaminati sono state definite le condizioni per cui
la miscela aria-fumi viene sempre aspirata nella zona dell’incendio
ed i fumi non invadono mai l’aria in galleria, quando quest’ultima
fluisce longitudinalmente, uscendo dagli imbocchi.
Va tenuto presente che in questo caso la ventilazione meccanica
è trasversale e pertanto è diverso il controllo rispetto a quello
in cui la velocità critica deve essere regolata mediante una
ventilazione meccanica longitudinale.
Bibliografia
(1) Lacroix, D. - “Smoke Control in Road Tunnels in Case of Fire: Issues
and Current Methods Research Ways” CETU, Bron, France, 1995.
(2) Ferro, V. – Dupont, F.“Estrazione trasversale dei fumi nella galleria
autostradale del Frejus” 1th Conference “Protection from Fire in Rail
and Road Tunnels” Dept. of Civil Protection – Roma – 1996.
(3) PIARC “Fire and Smoke Control in Road Tunnels” XXI World Congress,
T.C. Road Tunnels - Kuala Lunpur – Malesia 1999.
(4) Ferro, V.“Impianti fissi nelle gallerie autostradali” Convegno “La
sicurezza per l’esercizio delle gallerie autostradali, stradali, ferroviarie
e metropolitane” SIG – IGI; Assergi (L’Aquila), Novembre 1999, Vol. 1,
pag. 41÷64.
(5) Borchiellini, R. – Ferro, V. – Giaretto, V.“Longitudinal Air Velocity
Control in Road Tunnel during Fire Event” in corso di stampa.
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