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La valutazione della sicurezza delle vie di esodo dal singolo edificio alla scala urbana
20/04/2017
Stefano Marsella
Nicolò Sciarretta

La possibilità di raggiungere un luogo sicuro è uno dei principali requisiti di sicurezza in caso di incendio di un edificio. I criteri di progettazione delle vie di esodo e la verifica della loro adeguatezza sono sempre stati oggetto di particolare attenzione normativa. In particolare, lo studio dei meccanismi dell’esodo in emergenza dagli edifici è stato avviato alla fine dell’800 negli Stati Uniti in concomitanza con la realizzazione dei primi edifici a torre. Dalle considerazioni di tipo geometrico messe alla base delle prime norme, nel corso del tempo si è giunti a considerare anche comportamento umano in caso di incendio, che comprende non solo la risposta dell’organismo ai prodotti della combustione, ma anche i meccanismi mentali che governano le azioni svolte delle persone, da quando percepiscono l’esistenza di condizioni di pericolo a quando raggiungono il luogo sicuro. Più recentemente, la ricerca ha permesso di sviluppare modelli per supportare le valutazioni ingegneristiche basati sul confronto tra il tempo necessario per l’esodo e il tempo disponibile per raggiungere un luogo sicuro. Tale concetto è conosciuto a livello globale con la formulazione ASET>RSET e considera sia la risposta fisiologica ai prodotti della combustione, sia la valutazione dei meccanismi mentali che governano il comportamento in emergenza.
Un’evidenza dell’importanza dell'aspetto comportamentale si ha, ad esempio, nell'attentato del 1993 e alle Torri Gemelle di New York, in cui i parametri puramente meccanici dell’esodo non riescono a descrivere il reale svolgimento dell’esodo. Durane quell'evento, la durata spropositata dell’esodo dalle torri (superiore alle dieci ore) non può essere spiegabile in termini di tempo di movimento, ma può trovare giustificazione solo analizzando la risposta delle persone rispetto alla condizione di assoluta incertezza in cui si sono trovate [1].  

Figura 1: Nell'attentato a WTC di New York del 1993 le ultime persone hanno lasciato l'edificio dopo più di 10 ore. L'immagine mostra i principali effetti dell'esplosione. (da: The World Trade Center bombing: Report and Analysis New York City, New York USFA-TR-076/February 1993)

Sulla base di ricerche su eventi avvenuti è cresciuta l’enfasi attribuita agli aspetti che coinvolgono i profili psicologici e sociologici dell’esodo, anche perché è stato dimostrato che, al crescere del numero di persone coinvolte in un’emergenza, cresce il peso delle caratteristiche che possono essere ricondotte al settore dei comportamenti [2]. Al contrario, la valutazione degli aspetti di tipo meccanico (il rapporto tra velocità delle persone e spazi da percorrere) è stata già sviscerata attraverso la misurazione svolte in casi reali oppure in sperimentazioni che hanno riguardato anche le persone con disabilità motoria, ma risulta essere pesantemente condizionata dal primo aspetto [3].
Per questi motivi lo studio delle caratteristiche di comportamento in emergenza dei gruppi (ad esempio, familiari, lavorativi, occasionali) ha condotto a orientare la ricerca da un ambito ristretto agli edifici o, al massimo, agli spazi confinati (stazioni interrate, grandi complessi commerciali) alla valutazione delle caratteristiche di esodo a scala urbana, per rispondere almeno a due necessità:
- migliorare la valutazione degli edifici soggetti a grande affollamento: la valutazione completa della sicurezza di questo edifici deve riguardare le criticità legate all’esodo delle aree esterne agli edifici;
- quantificare i tempi di esodo delle persone nei percorsi urbani: la pianificazione di emergenza esterna degli impianti a rischio di incidente rilevante e i piani comunali di protezione civile potrebbero essere significativamente migliorati se, oltre alle valutazioni qualitative sulla necessità di procedere all’esodo della popolazione, contenessero anche indicazioni quantitative.
Un ulteriore uso dei modelli di esodo a scala urbana può riguardare le manifestazioni in cui sono previsti grandi affollamenti. Anche in questo caso, l’ipotesi di utilizzare un approccio ingegneristico per la pianificazione dell’emergenza o per la sua gestione inizia ad essere presa in considerazione. Infatti, utilizzando gli strumenti di simulazione dell’esodo, si può trattare un grande evento con gli stessi strumenti concettuali degli edifici, verificando se gli spazi a disposizione sono adeguati ad un flusso in emergenza sicuro entro limiti temporali compatibili con le esigenze delle persone interessate. Ipotesi di questo tipo sono contenute anche nei documenti pubblicati dal Cabinet Office del governo britannico [4].
In generale diversi fatti avvenuti (tra i più rilevanti, quelli di Duisburg nel 2010 e l’attacco all’edificio del Pentagono nel 2001) mostrano la necessità di disporre di strumenti che superino i consueti piani di emergenza. Quando le strutture sono molto complesse, infatti, il numero di scenari possibili e la loro complessità non è più compatibile con ipotesi di gestione predefinite e rende necessario consentire agli operatori di prendere le decisioni più adeguate in tempi estremamente ridotti. A queste esigenza è possibile dare risposta solo con una simulazione molto rapida dell’evoluzione dell’esodo.

1. L’ESODO DAGLI EDIFICI. EVOLUZIONE DEI METODI DI VALUTAZIONE E VERIFICA

In Italia, nel settore della sicurezza dell’esodo, le norme che per la prima volta hanno regolato la scelta delle misure di sicurezza compaiono negli anni ’50 del ventesimo secolo e non sembrano essere state precedute da attività di ricerca. Per questo motivo, è ragionevole pensare che l’origine delle norme nazionali sia stata ispirata a quanto, da diversi decenni, si era andato affermando negli Stati Uniti, dove la regolamentazione antincendio dagli edifici in epoca moderna ha avuto inizio con i codici studiati alla fine del diciannovesimo secolo, in concomitanza con la realizzazione dei primi edifici alti . Da più di un secolo, questa impostazione costituisce la base delle norme di prevenzione incendi nel mondo. L’assunto delle prime norme, in particolare, si fondava sul fatto che le vie di esodo dovessero essere dimensionate in base alla loro “capacità”. La capacità, a sua volta, si riferiva alla popolazione presente su un piano, che in caso di incendio doveva poter trovare rifugio nelle vie di esodo. Pertanto, la larghezza delle rampe di ogni singolo piano doveva essere tale da contenere il numero di persone previsto sul piano stesso. Nel 1913, dunque, la larghezza di riferimento fu ipotizzata in 22 pollici (55,88 cm), secondo la previsione che le persone dovevano rimanere in piedi affiancate su ogni gradino. Questi studi portarono a definire nel 1927 la larghezza minima delle vie di esodo a 44 pollici (111,76 cm). Ulteriori studi vennero finanziati a partire dal 1935 per verificare la possibilità di adottare misure meno impegnative, portando ad aggiungere al metodo capacitivo quello di flusso, la loro combinazione, il metodo probabilistico e quello legato alla superficie dei piani. Il criterio, quindi, era passato da quello puramente capacitivo a quello di flusso delle persone durante l’incendio, con una correlazione tra larghezza dei percorsi e velocità di persone. Inizialmente, fu accettato un flusso di 45 persone al minuto per 22 pollici di larghezza nelle scale e di 60 persone al minuto per 22 pollici di larghezza nelle vie di uscita. Negli anni ’40 e ’50 il dibattito si allargò ad altri paesi e fu evidenziato che in corrispondenza di densità maggiori di 1 persona/m2 la velocità di flusso decresceva sensibilmente (fino a 26 persone/min per 22”).
Dagli anni ’50 dello scorso secolo, quindi, le misure di sicurezza dell'esodo in caso di incendio degli edifici non sostanzialmente cambiate. I modelli seguiti dalla maggior parte dei paesi hanno avuto come elemento comune la previsione di una larghezza minima delle vie di esodo variabile intorno al valore di 110 cm e un numero di uscite proporzionale all'affollamento dell’edificio. Sotto il punto di vista regolamentare, l’unico vero elemento di novità è quello portato dall'uso dell'approccio ingegneristico, in cui la verifica del livello di sicurezza consiste nel confronto tra i tempi di esodo e i tempi di compatibilità della permanenza delle persone nell’ambiente. La complessità degli ambienti e il numero di persone coinvolte incidono in modo sempre più rilevante quando ci si allontana dagli scenari ordinari: in questi casi l’applicazione del metodo convenzionale, che non può tenere conto degli effetti dei comportamenti e delle interazioni tra le persone, riduce progressivamente la precisione dei risultati e la loro aderenza ai comportamenti che possono ragionevolmente attendersi. Il calcolo dei tempi di esodo nel processo ingegneristico, invece, è svolto con modelli simulativi di tipo deterministico, che utilizzano i dati di velocità di marcia delle persone e, nei casi più raffinati, i dati sul loro comportamento per stimare i tempi di allontanamento dalle aree a rischio. Solo in questi ultimi, peraltro, possono essere introdotti elementi di una certa complessità. Ad esempio, le relazioni interpersonali o lo scambio di informazioni tra persone a supporto delle scelte di movimento che queste compiono [6] sono fondamentali per una previsione dei tempi di movimento più aderente alle esigenze. Questi modelli di simulazione presentano un grado di complessità crescente con il numero e il tipo delle caratteristiche che cercano di simulare e, di conseguenza, il loro uso è inutilmente gravoso nei casi di strutture ordinarie, mentre assume un significato considerevole nei casi in cui sono coinvolte migliaia di persone in scenari in cui il tempo di esodo e la variabilità delle scelte che possono essere assunte pongono rilevanti problemi di sicurezza.
L’evoluzione tecnologica delle macchine di calcolo ha fortemente influenzato l’adozione di algoritmi di simulazione sempre più complessi e raffinati capaci di rappresentare verosimilmente i comportamenti umani; la possibilità di adottare queste tecniche in ambienti confinati può essere ragionevolmente estesa anche in differenti ambiti quali ad esempio la valutazione quantitativa del rischio e la gestione delle emergenze su larga scala.
L’esodo di massa pone problemi di valutazione diversi da quelli che riguardano gli edifici e gli spazi ristretti, pertanto se la massa di persone risulta essere costituita da un’alta densità, allora gli aspetti comportamentali dei singoli sarà meno rilevante ai fini della previsione dei movimenti. In situazioni di alta densità di persone (per esempio, per valori superiori a 3 p/m2), i movimenti non dipendono più dalla volontà dei singoli ma sono guidati dalla pressione che i corpi esercitano su quelli circostanti. Ovviamente, anche il movimento complessivo non è casuale, ma risponde a specifiche regole. Queste regole, però, attribuiscono maggior peso ad aspetti come i legami di familiari, l’influenza sociale ed il modo in cui le informazioni vengono veicolate.
In generale, con il termine simulazione s’intende la realizzazione di un modello della realtà che consente di valutare 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, ed è forse la più usata in senso assoluto a supporto di qualsiasi processo decisionale; negli ultimi decenni è diventato lo strumento di pianificazione con applicazioni in molteplici ambiti, dall’economico-aziendale fino appunto all’ingegneria ed alla gestione dell’esodo in emergenza [7].
Attualmente, grazie anche al miglioramento delle prestazioni dei computer ed alla disponibilità di linguaggi di programmazione adeguati, è possibile condurre esperimenti virtuali su qualunque modello con lo scopo di valutare la miglior soluzione progettuale.
Simulazione significa riprodurre una realtà virtuale, pertanto è necessario definire il volume di calcolo e quindi la costruzione di un modello capace di funzionare nel tempo in modo simile al sistema in esame. Tale modello deve essere in grado di generare diversi scenari al fine di dedurre il comportamento nel tempo del sistema reale sotto condizioni prefissate, ed inoltre, deve saper concepire delle alternative partendo dai risultati parziali della simulazione.
In alcuni studi condotti dai più importanti centri di ricerca [8][9] risulta che in tutti i modelli d’evacuazione attualmente disponibili coesistono dei fattori comuni, come ad esempio la necessità di dover definire lo spazio, la popolazione presente ed il comportamento della popolazione. Nelle rassegne citate sono stati analizzati parte dei 64 modelli di esodo classificati sul portale “evacmod.net” . I gestori del sito precisano che i modelli proposti e recensiti non rappresentano la lista completa poiché il crescente processo di sviluppo in atto richiederebbe aggiornamenti continui. Di seguito vengono riportate le schematizzazioni tipologiche delle caratteristiche dei software per la modellazione dell’esodo analizzati dai ricercatori del Nist (National Institute of Standards and Technology) e dell’Università di Greenwich.

Figura 2: Schematizzazione delle caratteristiche tipologiche dei software per la modellazione dell'esodo. (Galea et al. 1998)

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