Per un'etica nella modellazione antincendio

La diffusione degli strumenti software di modellazione fluidodinamica, strutturale e di esodo fa emergere un'esigenza di onestà intellettuale del progettista. In questo articolo una proposta di un sistema di validazione volontaria.

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Il Codice di prevenzione incendi (DM 03/08/2015 – Norme tecniche di prevenzione incendi) ha introdotto un nuovo criterio di progettazione comprendente le cosiddette soluzioni alternative che hanno offerto nuova linfa all’ingegneria della sicurezza antincendio, già sdoganata con il DM 09/05/2009 (Direttive per l’attuazione dell’approccio ingegneristico alla sicurezza antincendio).

Problemi di edifici con geometrie complesse, presenza di vincoli storico-architettonici, lay out industriali critici, quantitativi di materiale combustibile importanti, possono trovare una soluzione “su misura” analizzando lo scenario d’incendio reale, per tarare le misure di sicurezza antincendio più adeguate al livello di rischio presente.

Anche se la Fire Safety Engineering (FSE) comprende un ampio spettro di metodi (analitici e numerici) a disposizione del progettista, i software di modellazione numerica si stanno affermando come i principali e più validi strumenti di verifica disponibili per approssimare il comportamento dell’incendio di progetto.

Parliamo quindi del noto FDS (Fire Dynamics Simulator del NIST) per la modellazione fluidodinamica dell’incendio o del programma open-source OPENFOAM entrambi gratuiti e scaricabili online, dei software avanzati per la modellazione strutturale a caldo (SAFIR, ADINA, ANSYS, etc), dei modelli di gestione dell’esodo in emergenza (EVAC, EXODUS, PATHFINDER, altri).

Senza entrare nel merito delle caratteristiche e delle specificità di ciascun software, è possibile sviluppare alcune considerazioni sul corretto uso e sull’abuso (più o meno consapevole) di questi strumenti di verifica.

Sicurezza antincendio: Scelta del modello, margini di errore, verifica di convergenza

Non esistono modelli universali e ciascun software di modellazione ha dei limiti di applicabilità e di affidabilità che il progettista deve conoscere a priori, per poter scegliere lo strumento più adatto ad analizzare il caso specifico.

Ad esempio, per sviluppare analisi di resistenza al fuoco con i metodi della FSE, il progettista dovrà scegliere un codice di calcolo che gli consenta di tenere conto di diversi aspetti; per esempio svolgere analisi non lineari in grandi spostamenti e deformazioni ed attribuire ai materiali strutturali il decadimento delle proprietà termiche e meccaniche, in funzione delle variazioni della temperatura sull’elemento strutturale (sia nelle fasi di riscaldamento che di raffreddamento).

Non è possibile trascurare questi effetti!!

Tuttavia è ormai frequente rilevare in pubblicazioni o in relazioni tecniche di lavori depositati, l’uso improprio di software per la verifica di resistenza al fuoco con analisi strutturale a caldo, in cui si trascura la corretta modellazione del materiale, o casi in cui ci si affretta a definire il collasso strutturale confondendolo con meri problemi legati alla convergenza del solutore.

E’ necessaria da parte del progettista una conoscenza profonda del problema per poter interpretare in maniera opportuna i risultati che il codice di calcolo restituisce.

Il progettista deve essere inoltre sempre ben conscio del margine di errore insito nei risultati del modello, derivanti dalla combinazione tra l’approssimazione dei dati di input e l’effetto moltiplicativo introdotto dall’algoritmo di elaborazione dei dati stessi, che tendenzialmente amplifica il margine di errore iniziale.

Si deve poi tener conto dell’errore insito nel software di costruzione del modello stesso, ma soprattutto del margine di aleatorietà (introdotto dal progettista) nella definizione dello scenario di progetto e delle sue condizioni al contorno.

I risultati dell’analisi saranno pertanto condizionati, nel migliore dei casi, da un range di errore dell’ordine di almeno il 20% rispetto ai parametri dello scenario reale che si vuole approssimare; ma nell’ambito della modellazione ingegneristica un errore di questa consistenza rappresenta comunque un ottimo risultato di riferimento, se utilizzato ed interpretato in forma corretta.

Un ulteriore fattore determinante nella disciplina della modellazione sono le cosiddette analisi di sensitività del modello fluidodinamico, strutturale o di esodo che si sta costruendo, ponendo attenzione a specifiche verifiche di convergenza, che consentono di valutare l’affidabilità del modello in funzione della variazione dei parametri in gioco. Si veda ad esempio la dimensione della mesh in un modello CFD o la discretizzazione degli elementi strutturali nei modelli FEM.

Nell’ambito delle analisi strutturali al fuoco, ad esempio le parti fuoco degli Eurocodici ci vengono incontro prevedendo la necessità di effettuare una verifica dell’accuratezza dei modelli di calcolo sulla base di specifici risultati sperimentali, raccomandando di controllare i parametri critici mediante l’analisi di sensitività.

Allo stesso modo la verifica di convergenza in ambito CFD ad esempio richiede lo studio e l’iterazione di ciascun modello con numerosi scenari d’incendio, analizzando la coerenza dei risultati e la loro convergenza verso un esito ragionevolmente atteso, scartando criticamente tutti gli altri. Si procede variando ad esempio parametri quali: innesco, tipo di focolaio, propagazione, tipo e disposizione dei materiali combustibili, curve di crescita, afflussi aria, intervento dispositivi, creazione di eventi, al fine di valutare come e di quanto cambia la risposta dello scenario in esame.

A tal proposito il sito del NIST mette a disposizione, nel manuale del codice FDS, la guida al processo di validazione del modello che si sta costruendo permettendo così al professionista di quantificare eventuali limiti e decidere se il modello risulta appropriato o meno al caso che si intende riprodurre.

Anche semplici controlli sul diametro, l’altezza della fiamma e sulla temperatura dei gas lungo l’asse della fiamma, possono essere facilmente svolti dal Progettista che si approccia a svolgere un’analisi in CFD, mostrando così conoscenza del problema e testando in maniera teorica quanto si vuole riprodurre con il modello fluidodinamico.

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Figura 1. Risultati in termini di slice di temperatura di analisi CFD con il codice FDS.

Queste considerazioni e questi limiti non riducono comunque il valore ed il grande contributo che possono offrire gli strumenti numerici di verifica, che si rivelano estremamente utili, potenti e significativi rispetto ad ogni altra valutazione basata sul “giudizio esperto”. 

Si pensi al beneficio in termini economici e di gestione di strutture metalliche che, con una verifica attraverso metodi analitici semplificati, risultano quasi sempre avere classe di resistenza al fuoco 0, mentre con studi approfonditi del corretto cimento termico e della corretta modellazione strutturale si riescono ad ottenere risultati che vanno ben oltre ogni previsione. Di seguito si riporta ad esempio la deformata di un capannone metallico a t= 2300 secondi, svolto con analisi fluidodinamiche in FDS e analisi termo-strutturali con SAFIR. (Crosti e Marino, Antincendio Dicembre 2019).

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Figura 2. Deformata ultima di un capannone in acciaio a 2300 secondi.

Come già ribadito queste modellazioni hanno in sé un potenziale enorme che tuttavia risulta poco fruttuoso se non accoppiato alla necessità da parte del progettista di interpretare criticamente tutti i risultati, conoscendo a priori l’ordine di grandezza del risultato atteso ed il comportamento generale dell’evento analizzato, evitando di “affezionarsi troppo” al primo risultato che apparentemente risolve il problema.

Etica della modellazione antincendio e proposta di validazione

Questo impegno etico determina inevitabilmente un costo progettuale in termini di risorse e di tempi di elaborazione con cui il professionista antincendio si deve confrontare quotidianamente, senza cedere alla tentazione di comode scorciatoie.

Il rischio di “delirio di onnipotenza”, che pervade il progettista nel tentativo di trovare una soluzione a qualsiasi problema e ad ogni costo, rappresenta la peggiore insidia per il futuro della disciplina della FSE e della credibilità degli attori che vi si cimentano.

Se non si riesce in breve tempo ad arginare questi comportamenti scorretti, che gratificano in forma effimera ed apparente il progettista, che viene invece squalificato dalla comunità scientifica, si rischierà la perdita di credibilità sia nei confronti dell’organo di controllo (Vigili del Fuoco) che dei Committenti.

Allora sarà sempre più difficile proporre queste soluzioni progettuali, che verrebbero marginalizzate e squalificate.

Né giova la concorrenza sul piano del ristoro economico, che piuttosto induce al sospetto di una prestazione non adeguatamente curata ed approfondita.

Anche il ruolo dei Vigili del Fuoco, in fase di valutazione del progetto e di definizione dello scenario, non può essere considerato determinante e selettivo; sarebbe necessaria una disponibilità di risorse e di tempi che i Comandi provinciali dei VVF purtroppo non dispongono, pur annoverando casi di eccellenza nella disciplina della FSE.

Il meccanismo progressivo della sussidiarietà, con lo spostamento del carico di responsabilità sempre più sulle spalle del progettista, peggiorerà questa situazione se i professionisti della modellazione non si autodetermineranno in nome di una coscienza etica che definisca i protocolli ed i contenuti minimi delle prestazioni, come sta già accadendo sul fronte normativo per la progettazione di alcuni impianti e sistemi antincendio.

Ma un passo fondamentale, da qui la proposta, potrà essere l’adesione volontaria ad un sistema di validazione, sottoponendo i progetti ed i modelli ad un giudizio terzo (professionisti antincendio esperti o organismi di categoria, non istituzionali) che offra una garanzia di qualità, completezza ed affidabilità della prestazione professionale.

Il requisito di volontarietà e terzietà del sistema assicurerebbe la libertà di giudizio e di selezione, con un meccanismo virtuoso di collaborazione e trasparenza: aumenterebbe l’impegno ma ne guadagnerebbe la qualità.

Il dibattito è aperto …