Sicurezza Antincendio negli edifici storici: un esempio pratico di approccio prestazionale.
Introduzione
Secondo le stime del Ministero dei Beni Culturali, in Italia si contano 46025 Beni Architettonici sottoposti a vincolo. Tale patrimonio culturale è costantemente soggetto, tra gli altri, al rischio incendio. A differenza di molti altri elementi di rischio, l’incendio presenta due differenti problematiche: il danneggiamento dei beni e, ancor più grave, il rischio immediato per gli occupanti dell’edificio interessato.
Tali problematiche comportano, conseguentemente, una certa difficoltà nell’adeguare tali strutture agli standard di sicurezza, soprattutto nell’ottica di consentire la fruizione di tali beni al vasto pubblico. Per questi motivi, anche se la frequenza di accadimento degli eventi connessi al fuoco, siano essi dolosi o accidentali, è relativamente bassa, il tema della protezione dall’incendio deve essere considerato fondamentale in tutte le valutazioni relative ai beni architettonici.
Lo studio promosso dall’Università del Salento, in collaborazione con il Comando Provinciale dei Vigili del Fuoco di Lecce, mira ad analizzare le conseguenze di un incendio sugli occupanti di un edificio storico. L’obiettivo di tale studio è duplice: da un lato si vuole analizzare la fruibilità in termini di sicurezza antincendio di uno spazio pubblico siffatto, prendendo come test case il Palazzo Baronale di Giurdignano (LE), dall’altro si vuole contribuire alla letteratura in materia raccogliendo dati che resteranno a disposizione di future ricerche, analisi e applicazioni.
Il software CFAST
Per far ciò, si ricorre all’utilizzo degli strumenti propri della Fire Safety Engineering (FSE). In particolare, lo studio dell’incendio prevede che le conseguenze dello stesso sull’evacuazione in sicurezza del Palazzo siano analizzate tramite l’utilizzo del software CFAST, basato su un modello a zone che attraverso i dati di input (tra cui geometria del dominio di calcolo, condizioni di ventilazione, tipologia e quantità del combustibile, curva HRR vs. tempo, ecc), da assegnare anche in base all’accuratezza del modello, consente di ottenere una serie di dati di output caratterizzanti lo scenario analizzato.
Allo stato attuale in Italia il ricorso alla Fire Engineering è di fatto circoscritto alle applicazioni per le quali non esiste una specifica norma prescrittiva, su tutte la valutazione del rischio in attività a rischio di incidente rilevante e la fire investigation; talora essa è impiegata anche per la valutazione della sicurezza equivalente in occasione di richiesta di deroga a norme prescrittive.
Uno strumento utile alla FSE è la modellizzazione tramite software degli scenari d’incendio.
Nel presente lavoro è stato adoperato il software commerciale CFAST versione 6.2., sviluppato e distribuito freeware dal National Institute of Science and Technology (NIST). La sigla CFAST è l’acronimo di Consolidated Fire and Smoke Transport Model.
E’ un “modello di simulazione a zone”. I modelli a zone suddividono ogni locale in un piccolo numero di volumi di controllo (chiamati “layer”), lo stato di ognuno dei quali è ipotizzato uniforme al suo interno, cioè i valori di temperatura, quantità di fumo e concentrazione dei prodotti della combustione sono uguali in ogni punto all’interno dello stesso volume.
La sua applicazione è limitata alla modellazione di incendi in ambiente confinato di geometria semplice. Tipicamente, in incendi di questo tipo, all’interno del compartimento possono identificarsi tre zone: uno strato caldo superiore, uno strato freddo inferiore ed una zona, detta plume, in cui si ha la combustione e il risucchio dell’aria (air entrainment) dallo strato inferiore allo strato caldo superiore.
Il Palazzo Baronale di Giurdignano
Il Palazzo in questione, situato in piazza Municipio nel Comune di Giurdignano in provincia di Lecce, risale agli inizi del XVI secolo e fu edificato come luogo fortificato contro le incursioni dei Saraceni.
Del nucleo originale cinquecentesco resta solo una parte del Piano Terra. In questo ambiente vi erano stalle, magazzini, cucine e prigioni, mentre al piano superiore vi è la “galleria” e, tutto intorno al palazzo, il giardino. Si tratta di un vero e proprio ‘labirinto architettonico’, poiché è un palazzo ottenuto attraverso la colmatura dei fossati e l’inserimento, negli anni, di diversi elementi architettonici adatti ad ingentilirlo.
Per lungo tempo la struttura è risultata in stato di abbandono. I pochi interventi strutturali effettuati negli ultimi anni sono stati finalizzati al consolidamento strutturale e sono risultati di piccola entità, mentre un restauro ad ampio spettro è stato realizzato solo negli ultimi mesi.
Lo studio è focalizzato sul Piano Primo poiché in esso si osserva la maggiore problematica legata alla sicurezza antincendio, ovvero la presenza di un’unica uscita di sicurezza, costituita dalla sola porta che dà sull’esterno; in particolare essa permette di accedere a una scala in muratura che conduce sul retrospetto.
Scopo dell’analisi prestazionale
Lo scopo dello studio è rintracciare soluzioni ingegneristiche a un caso pratico applicando i metodi della Fire Safety Engineering, facendo riferimento alla normativa vigente. Inoltre, si vuole utilizzare un test case come il Castello di Giurdignano, per trarre conclusioni di carattere generale inerenti la sicurezza antincendio all’interno di edifici pregevoli per storia e arte.
Gli obiettivi prefissati da tale studio possono essere, quindi, così elencati:
- Simulare degli scenari di incendio all’interno della struttura;
- Analizzare e interpretare i risultati;
- Formulare proposte ingegneristiche di soluzione delle problematiche.
Il parametro di riferimento sarà la verifica della sicurezza dell’esodo, a partire dalle seguenti condizioni di evacuazione:
- affollamento di 20, 40 e 60 persone;
- velocità esodo di 0.15, 0.35, 0.65, 1.00 e 1.25 m/s.
Nel selezionare tali valori si è fatto riferimento al punto 3.3 della Circolare del Ministero dell’Interno PROT. DCPST/427 del 31 marzo 2008 e alle British Standard, in particolare alla sezione “Occupant Evacuation, behaviuour and condition”.
Pertanto, con gli strumenti propri della FSE, si analizzano gli effetti generati da un incendio all’interno della struttura, verificando che i risultati conseguiti siano compatibili con i livelli prestazionali richiesti per garantire un’evacuazione in sicurezza.
La curva di incendio utilizzata è quella della norma NFPA 914 -Code for Fire Protection of historic structures – 2001 edition. La scelta di detta curva risulta cautelativa, essendo quella più gravosa per un edificio storico; pertanto le indicazioni fornite saranno sicuramente a favore di sicurezza per quanto riguarda lo sviluppo dei fumi e la distribuzione delle temperature. Ovviamente, vista la tipologia di studio effettuato, si prevede di mantenere la curva al di sotto dei valori di flashover, poiché al momento del verificarsi del flashover – fase in cui tutte le superfici dei materiali combustibili bruciano contemporaneamente – si può ritenere completamente compromessa la possibilità di evacuazione per gli occupanti della struttura. In particolare, le grandezze monitorate per ogni ambiente dell’edificio sono:
– l’altezza dell’interfaccia dei fumi, al fine di verificare che la visibilità negli ambienti consenta un’ordinata e sicura evacuazione degli occupanti;
– il valore di flusso termico, al fine di verificare che gli occupanti abbiano la possibilità di raggiungere l’uscita senza subire eccessivi danni dovuti all’irraggiamento.
La normativa di riferimento è la Circolare n. DCPST/427 del 31/03/2008, derivata dalle norme BS 7974 e BS ISO/TR 13387-8 inerenti “la valutazione e la gestione del comportamento degli occupanti durante la fuga, nel corso di un’emergenza incendio e per la valutazione della condizione di ogni occupante, soprattutto in relazione all’esposizione al calore e ai fumi”.
Livelli di prestazione richiesti
Allo scopo di verificare la fruibilità degli ambienti sono stati definiti come limiti i seguenti livelli di prestazione:
- Altezza fumi dal pavimento ≥ 1,80 m
- Temperatura ≤ 60 °C
- Flusso termico al pavimento ≤ 2,50 Kw/m2
Tali livelli di prestazione fanno riferimento al BS-PD- 7974 “Human factors: Life Safety – Occupant Evacuation, behaviuour and condition” e al P.to 3.3 della LETTERA CIRCOLARE del Ministero dell’Interno PROT. DCPST/427 DEL 31 marzo 2008.
La valutazione degli scenari avviene tenendo conto del margine di salvezza, differenza tra il Tempo di evacuazione disponibile (Available Safe Escape Time – ASET) e il Tempo di evacuazione richiesto (Required Safe Escape Time – RSET) e, quindi, dell’intervallo temporale entro il quale gli occupanti possono evacuare in sicurezza.
Il confronto dei valori di output ottenuti dalle simulazioni con quelli previsti dalle normative permette di identificare per le diverse parti dell’edificio la possibilità per gli occupanti di raggiungere la via di fuga, in modo da individuare eventuali criticità sui percorsi di sgombero ed intervenire in termini strutturali o tramite presidi antincendio ( es. apertura automatica delle finestre).
In particolare, il confronto dei risultati nei casi di intervento o meno dei sistemi antincendio sopra citati, è di fondamentale importanza ai fini della progettazione. Infatti, trattandosi di un edificio di pregio, le scelte progettuali sono fortemente determinate dalla necessita di mantenere il più possibile invariate le caratteristiche della struttura originale. Di conseguenza ogni intervento va adottato e giustificato in maniera adeguata, soprattutto se di tipo distruttivo (come l’inserimento di lucernari ed evacuatori di fumo, o la rimozione di materiali).
Modellazione dello scenario
Lo studio è focalizzato sul Piano Primo poiché in esso si osserva la maggiore problematica legata alla sicurezza antincendio, ovvero la presenza di un’unica uscita di sicurezza, costituita dalla sola porta che dà sull’esterno; in particolare essa permette di accedere a una
scala in muratura che conduce sul retrospett
o.
Attraverso le coordinate geometriche, il software CFAST ci permette di realizzare lo scenario, approssimando le forme particolarmente complesse a solidi di un volume equivalente.
Per quanto riguarda il materiale, il castello di Giurdignano è interamente realizzato in calcare compatto, tipica roccia della zona ad est del Salento. Le cave da cui è stato estratto sono locali, in particolare nella zona di Caprarica.
Il calcare è una roccia sedimentaria, come tale la sua composizione è sempre molto varia in funzione delle condizioni di formazione.
Abbiamo modellizzato il calcare compatto come materiale da costruzione del nostro edificio, inserendo all’interno del Software le proprietà del suddetto materiale. In particolare:
- Conducibilità 0.00175 KW / (m °C)
- Calore Specifico 0,001 KJ / (Kg °C)
- Densità 1600 Kg/m3
Gli scenari
Abbiamo diviso il nostro test case in due serie di scenari, al fine di ottenere una casistica di eventi più ampia, utile ad individuare precise criticità.
- Scenario A: incendio lontano dal percorso di esodo
- Scenario B: incendio lungo il percorso di esodo.
Ogni scenario si dividerà a sua volta in due modalità On e Off, a seconda che usufruisca o meno dell’impianto di automazione degli infissi.
Per non dilungarci, si riporta lo studio di un solo scenario.
Scenario A: incendio lontano dalle vie di esodo.
Calcolo dei tempi di esodo per lo scenario A: Rset
Per poter lavorare in maniera più agile e veloce, si è realizzato mediante il software Microsoft Excel, una tabella per il calcolo dei tempi di esodo, secondo le formule viste in precedenza.
I tempi comuni sono fissati a partire da considerazioni sul nostro scenario. In particolare il tempo di allarme è considerato nullo poiché l’ambiente è molto piccolo pertanto il tempo di allarme si considera contemporaneo al tempo di rivelazione – pari a 60 secondi.
Il tempo di Pre-movimento è stabilito di 150 secondi.
La tabella è di facile funzionamento e lettura:
- in input inseriamo l’affollamento, la velocità degli occupanti in funzione della categoria oggetto di studio, il numero degli infissi da attraversare e la superficie dell’ambiente occupato in partenza.
- in output otterremo l’Rset, ovvero il tempo richiesto dagli occupanti per raggiungere la salvezza per questo scenario.Inserendo tutte le tipologie di occupanti otteniamo il valore di Rset per ogni percorso.
Calcolati gli Rset, possiamo ora provvedere a calcolarci l’Aset.
Per il calcolo dell’Aset occorre valutare singolarmente i tre parametri che abbiamo selezionato come criteri per la valutazione della sicurezza dell’esodo.
I dati degli ambienti coinvolti dall’esodo vengono forniti dal software Cfast effettuando le simulazioni.
Rielaborando i dati per settori differenziati è possibile tracciare dei grafici che permettano di individuare l’Aset.
Scenario A off : Calcolo del valore di Aset
Analizzando singolarmente lo sviluppo dei parametri a partire dai dati in otuput del Cfast, possiamo calcolare il valore dell’Aset per lo scenario A senza i sistemi di apertura automica degli infissi.
Per differenza tra Aset ed Rset otteniamo il margine di sicurezza.
Per evidenziare i risultati si è realizzata la tabella seguente: in verde si sono colorate le modalità per cui l’esodo è raggiunto in sicurezza, mentre in rosso le categorie che non riescono a raggiungere la salvezza.
Con lo scenario A-off si realizza l’esodo in sicurezza solo per 20 persone in piena capacità motoria.
Scenario A on – Calcolo del valore di Aset.
In questo scenario i valori di Rset sono gli stessi del precedente, ma cambia il valore di Aset. Infatti, si osserva come l’intervento del sistema automatico di apertura degli infissi comporta un miglioramento delle condizioni di esodo.
La temperatura aumenta di circa 40°C, pur non superando il limite di normativa; allo stesso tempo il livello dei fumi si alza in maniera tale da permettere il deflusso degli occupanti in sicurezza.
In tabella tutti i valori sono evidenziati in verde poiché in tutte le condizioni esaminate l’esodo avviene in sicurezza
.
Scenario B: incendio lungo la via di esodo
Allo stesso modo si è operato per lo scenario B, che considerava l’incendio lungo la via di esodo. Dall’analisi risultava che anche con l’intervento dei sistemi di evacuazione fumi e calore, i disabili e i soggetti meno veloci non riuscivano a guadagnare l’uscita.
Al fine di mostrare le reali potenzialità della Fire Safety Engineering si propone un terzo scenario alternativo, che prevede una piccola modifica strutturale all’edificio.
In particolare si propone di trasformare l’infisso identificato nella Figura con il numero 2, in una porta. In questo modo, con una minima modifica è realizzata una via di fuga alternativa, che attraversa il balcone, rientra nel castello dall’infisso n.14 e raggiunge la via d’uscita.
Verifichiamo con i metodi della FSE se questa via di esodo risulta sicura per gli occupanti e ci rendiamo conto che con lo scenario C abbiamo ovviato al problema dell’esodo di tutte le categorie di occupanti. Anche in presenza di incendio lungo la via di esodo tutti gli occupanti possono raggiungere l’uscita in sicurezza.
Conclusioni
Il problema principale riscontrato nello scenario è la presenza di un’unica uscita di sicurezza, sita al piano primo dell’edificio, in posizione defilata rispetto agli ambienti occupati.
Pertanto, in assenza di sistemi di sicurezza antincendio il Castello non risulta fruibile dal vasto pubblico.
La presenza di personale accompagnatore in servizio all’interno delle sale non garantisce un margine di salvezza sufficiente per l’esodo degli occupanti: infatti ci sono dei casi in cui nemmeno “occupanti in piena capacità motoria accompagnati” riescono a raggiungere l’uscita.
Risulta necessario inserire dei sistemi di sicurezza, che impediscano lo sviluppo di fumi a basso livello, di temperature eccessive e di flusso termico al pavimento oltre i limiti di normativa.
Essendo vincolati al tipo di edificio dalla normativa per “edifici pregevoli per storia ed arte” – tale per cui è necessario limitare al minimo le modifiche strutturali- si provvede all’installazione di una soluzione poco invasiva: il sistema automatico di apertura degli infissi.
Tale sistema, però, risulta sufficiente a garantire un esodo in sicurezza nel caso di incendio distante dalla via di esodo, ma insufficiente se l’incendio è localizzato lungo la via di esodo.
In particolare, il contesto impedisce la fruizione a un pubblico di diversamente abili, poiché non in grado di abbandonare l’edificio in tempi utili.
Si decide, allora, di effettuare una valutazione architettonica e proporre una minima modifica strutturale per creare una via di fuga alternativa nel caso in cui l’incendio si verificasse tra la stanza dell’esodo e l’uscita di sicurezza.
La modifica consiste nel realizzare una porta che dalla Scuola Bottega 1 porta al balcone, in modo da sfruttare quest’ultimo per l’esodo.
In seguito a questa operazione si verifica che l’esodo avviene in completa sicurezza per tutte le categorie di occupanti.
Con il presente studio si dimostra che i metodi della Fire Safety Engineering rispondono in maniera molto adeguata alla verifica delle condizioni di sicurezza degli edifici esistenti. Il modello risulta versatile ed efficace per progettare la riqualificazione e la ristrutturazione di edifici storici, anche se caratterizzati da particolari conformazioni strutturali o specifici materiali.
Il software Cfast consente di avere in maniera quasi immediata una panoramica delle criticità, senza procedere ad analisi di tipo distruttivo o invasivo sulla struttura.
Risulta, inoltre, molto semplice procedere alla valutazione di alternative architettoniche per il superamento di eventuali criticità.
Tale versatilità permette ai progettisti di procedere alla ricerca di soluzioni anche con metodo iterativo, poiché il software consente una rapida convalida delle proposte progettuali.