di D’Orazio, Marco; Bernardini, Gabriele; Quagliarini, Enrico
1: Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Architettura, Università Politecnica delle Marche,
e-mail: m.dorazio@univpm.it, web: http:www.univpm.it
La sicurezza di coloro che occupano uno spazio architettonico, durante una emergenza, è fondamentalmente connessa alle modalità di sviluppo dei processi di evacuazione ed in particolare al tempo che intercorre tra la segnalazione e/o la percezione dell’evento ed il tempo che si impiega per raggiungere l’esterno o uno spazio sicuro. Le attuali strategie per garantire la sicurezza degli individui sono oggi connesse ad approcci schematici e deterministici. Si assume in particolare che la disponibilità di un “layout” (pianta esposta) dell’edificio e di dispositivi di way-finding possono direttamente indurre comportamenti a favore di sicurezza. Come conseguenza di tale assunzione, gli interventi sugli edifici sono considerati adeguati a ridurre il rischio per gli utenti dato che gli occupanti “sicuramente” si comporteranno nel “modo corretto” (es.: usando le corrette procedure di emergenza ed i percorsi predisposti dai piani, a minore lunghezza). Questo approccio, tuttavia, esclude del tutto gli aspetti comportamentali, ed in particolare il fatto che a seguito della segnalazione o della percezione di un pericolo (incendio, evento sismico, alluvione, ecc…) tutti gli individui si comporteranno allo stesso modo, assumendo comportamenti similari a quelli attesi. In realtà, numerose sperimentazioni dimostrano come esistono differenze enormi tra i comportamenti teorici e quelli reali durante processi di evacuazione degli spazi, sia che questi avvengano a piccola scala (edifici, ad esempio per incendio) che a grande scala (porzioni di centri urbani per eventi sismici o alluvioni). In caso di emergenza, ciascun individuo è portato innanzitutto a interrogarsi su cosa stia avvenendo, a cercare conferme sulla reale esistenza di un pericolo interagendo con altri individui e ad assumere poi comportamenti differenziati in relazione tanto alla propria cultura e stato fisico quanto in relazione all’influenza che su di lui hanno sia lo spazio sia i comportamenti degli individui che insieme a lui vivono tale evento.
L’attività di ricerca[1] del nostro gruppo circa tali temi si focalizza pertanto sull’analisi dei comportamenti che mettono in atto gli individui durante emergenze di diverso tipo, quali incendi, terremoti, alluvioni, al fine di identificare specifici pattern comportamentali. Identificati tali pattern si sono prodotti specifici modelli analitici, con i quali è stato possibile verificare l’influenza di “perturbazioni” sui comportamenti messi in atto dagli individui durante specifici eventi.
Infine, si sono realizzati dispositivi da integrare negli edifici allo scopo di indurre specifici comportamenti al fine di ridurre il tempo di evacuazione di edifici o porzioni di spazi urbani e garantire così la sicurezza degli individui, interagendo direttamente con gli effettivi comportamenti messi in atto dalle persone. La progettazione dello spazio architettonico e dei suoi elementi, quindi, è svolta con un approccio di “behavioural design”.
L’attività di ricerca ha compreso problematiche connesse a diverse tipologie di evento, quali incendi, terremoti e più recentemente alluvioni. Di seguito si riportano alcuni dei risultati ottenuti nell’attività connessa all’evacuazione di porzioni di spazio urbano a seguito di eventi sismici.
La sicurezza di un centro urbano in caso di evento sismico
La sicurezza delle persone nei contesti edilizi storici risente particolarmente delle condizioni al contorno proprie di questi spazi architettonici [1]. Questa affermazione è vera soprattutto per l’emergenza terremoto nei centri storici [2], specie per le loro caratteristiche intrinseche come: tessuto urbano intricato e compatto, con alti edifici prospicienti vie spesso molto strette; presenza di edifici storici con alto valore artistico e culturale; attività economiche che sono presenti in essi; elevate densità di popolazione, spesso composta da turisti che non conoscono effettivamente gli spazi entro cui si muovono. Il problema è pressante in Italia, dove la maggior parte dei centri storici è peraltro posta in zone ad alto rischio sismico.
Mentre la vulnerabilità degli edifici e la loro propensione a subire danno in seguito a terremoti sono state ampliamente indagate [3], [4], il “fattore umano” è stato sempre tenuto in secondo piano. Il comportamento delle persone in caso di evacuazione post-sisma, tuttavia, è uno dei fattori chiave per determinare il livello di sicurezza degli abitanti, come già dimostrato anche per altre emergenze [5]. Ad esempio, un numero sensibile di morti e feriti è legato ai comportamenti “pericolosi” all’interno degli edifici, con le persone che rimangono coinvolte in incidenti per non aver seguito le corrette procedure di sicurezza[2]. Inoltre, quando le persone hanno raggiunto l’esterno, hanno il problema di raggiungere il luogo dove i soccorsi vengono effettivamente prestati: il processo di evacuazione su scala urbana è fortemente influenzato dall’interazione tra persone ed elementi dello spazio modificato dalle macerie[3].
In un ambiente fortemente connotato da edilizia storica, un’ottimizzazione della sicurezza non può essere raggiunta solo intervenendo su ogni unità urbana per mitigarne il rischio, proprio perché la componente umana riveste un ruolo fondamentale. I caratteri di risposta degli edifici, e quindi i danni che essi subiscono, possono fortemente mettere in crisi il sistema di relazioni [2]. In aggiunta, i legami e l’attaccamento sociale tra le persone va a complicare il quadro di risposta dell’individuo [6], che si muove nello spazio anche considerando il comportamento degli altri membri del proprio gruppo di appartenenza. D’altro canto, proprio in ambito storico, bilanciare preservazione del patrimonio e sicurezza degli abitanti è un problema con ampli conflitti interni [1].
Pertanto, comprendere e simulare come le persone reagiscono “dinamicamente” alle situazioni d’emergenza [5] divengono elementi essenziali per definire strumenti che riescano effettivamente a valutare il livello di sicurezza della popolazione, realizzando “mappe di rischio” che combinano la previsione comportamentale con le valutazioni tradizionali [3], [7], e per proporre soluzioni di riduzione del rischio. In quest’ottica “behavioural design”, si è definito EPES (Earthquake Pedestrians’ Evacuation Simulator) [8], un simulatore dell’evacuazione post-sisma in ambito urbano basato sulle tecniche multi agente (ABM) [9], che coniuga aspetti comportamentali [10] con strumenti di previsione del danno post-sisma [3], [7].
Il “behavioural design”: progettare partendo dal comportamento umano
Come per gli altri campi di indagine, la metodologia del “behavioural design” per l’emergenza sisma si articola in: comprensione del comportamento umano con prove sperimentali e/o analisi di casi reali; formulazione di modelli del processo evacuativo; implementazione in simulatore; validazione; analisi del processo per individuarne le criticità su casi di studio rappresentativi; proposta di soluzioni e valutazione dell’impatto tramite simulatore (e/o prove reali).
Per il caso evacuazione post-sisma, oltre 70 video di reali evacuazioni post-sisma di tutto il Mondo sono stati raccolti in un unico database[4] per poter delineare i pattern comportamentali. In letteratura, l’analisi comportamentale era limitata essenzialmente a campioni di scarsa numerosità e ad aspetti di percezione della scossa e partecipazione all’evacuazione [7]. Le nostre osservazioni quantitative (come: velocità di evacuazione, criteri di scelta del percorso) e qualitative (per evidenziare le interrelazioni con elementi ambientali, modifiche post-sisma del costruito e altre persone) hanno usato un approccio statistico proprio delle scienze sociali e tecniche di “motion analysis” [11], includendo centinaia di persone. Parallelamente, la definizione degli scenari post-sisma si è basata su correlazioni tra intensità sismica e vulnerabilità dell’edificato, grazie a metodi speditivi basati su tipologia strutturale e fattori correttivi legati a componenti peculiari dell’edificio [3].
I dati sono poi stati organizzati in un modello di simulazione. L’organizzazione dei dati sperimentali in un modello di simulazione ha visto l’integrazione innovativa tra simulazione comportamentale e scenari post-sisma grazie ad un approccio combinato di modelli microscopici di dinamica pedonale e tecniche ABM [9]. Questi approcci condividono una logica lagrangiana: le scelte operative sono applicate a ciascun individuo all’interno della popolazione (e del sistema, quindi), e l’interazione tali “agenti” produce, globalmente, i fenomeni qualitativi e quantitativi riscontrati sperimentalmente. Tra i modelli microscopici, si è scelta come base quello alle forze sociali, che considera come il pedone è guidato nel moto da una serie di “forze” invisibili (“sociali”) dovute alla sue interazioni (repulsioni ed attrazioni) con l’ambiente e con gli altri individui. L’approccio ABM consente invece l’immissione di fattori socio-psicologici in tale formulazione: desideri e necessità delle persone regolano le scelte d’evacuazione [9].
Il modello è stato poi implementato nel software di simulazione EPES. La sua applicazione ad un caso di studio ha permesso di validare lo strumento e di mostrarne le potenzialità nel descrivere i fenomeni d’evacuazione e le principali criticità correlate. La validazione ha visto una comparazione tra i dati sperimentali e quelli del simulatore (valori medi su una serie di simulazioni).
I risultati dell’analisi al simulatore, infine, permettono di individuare i punti critici dell’evacuazione, potendo quindi derivarne le opportune soluzioni, che poi possono essere testate sempre grazie ad EPES, in maniera da stimarne l’effettiva validità prima della loro applicazione.
Pattern comportamentali nell’evacuazione post-sisma: il modello di simulazione
In base all’analisi comportamentale, la Figura 1 traccia le interazioni, durante l’evacuazione, tra la singola persona, le altre persone vicine ed l’ambiente circostante, mentre l’Equazione 1 le sintetizza in termini matematici. Un simile modello è possibile anche per altre emergenze.
Alcuni comportamenti sono presenti anche in altre emergenze, come quella incendio [5], mentre altri sono peculiari dell’evento sismico [6]. L’ambiente è definito da: percorsi di esodo (strade e altri spazi pubblici); zone sicure (spazi ampi e con basso livello di danneggiamento dove può terminare l’evacuazione, come piazze e slarghi nel tessuto urbano), edifici (con una determinata vulnerabilità al sisma) ed elementi bassi (come alberi ed arredi urbani) che sono presenti nel tessuto urbano; dati sismici (intensità EMS98, durata e accelerazione percepita). L’ambiente si modifica (formazione macerie) poiché possono essere prodotte macerie in base a vulnerabilità dell’edificato ed intensità sismica [7].
La persona i è il soggetto attuale di valutazione: è caratterizzato da una tipologia (adulto, bambino, disabile) ovvero da certi parametri caratteristici di moto (velocità preferita, raggio, massa). i si muove nell’ambiente interagendo con esso: nella decisione di evacuazione in seguito ad eventi sensibili; nell’influenza degli ostacoli, tenendosi lontano da macerie ed edifici o fuggendo velocemente da essi (forza di repulsione da ostacoli Frep,iw (N)), ma potendo dirigersi verso elementi bassi o verso elementi di way-finding particolari (forza di attrazione Fattr,is (N)); nella scelta del percorso, preferendo i percorsi più sgombri da macerie, più larghi e che conducono verso zone sicure (seguendo una forza di guida verso il punto desiderato Og (N)) [5], [10]. Subisce inoltre l’influenza delle altre persone j, poste entro un raggio significativo da esso [5], [6]: vuole evitare il contatto fisico (forza di repulsione da altre persone Frep,ij (N)), ma allo stesso tempo evitare separazioni dal gruppo cui esso appartiene (altri familiari o membri del suo stesso gruppo di evacuazione, con forza di attrazione Fattr,ij (N)). Infine, è prevista ad ogni istante una variazione randomica ε(t) (N) delle interazioni (forze) per differenti reazioni umane. Il vettore velocità di fuga v(t) (m/s) è funzione di tali interazioni (calcolo spostamento):
(1)
Le potenzialità di EPES: dal comportamento umano alla progettazione comportamentale
Il modello è stato implementato in EPES ottenendo un applicativo Java, ed è stato validato in alcuni contesti [8]. EPES utilizza un approccio microscopico e probabilistico, come mostrato anche dall’Equazione 1 e dalla Figura 1, pertanto i risultati vengono presi come valori medi su un set di simulazioni, come anche per altri tipi di simulatori di evacuazione.
La prima valutazione di EPES evidenzia l’efficace descrizione del moto delle persone, rappresentando i fenomeni più significativi in evacuazione, come interazioni di gruppo (coesione tra familiari) e relazioni con l’ambiente modificato dal sisma (repulsione della macerie, scelta del percorso più largo). EPES si presenta come uno tra i primi strumenti in grado di prevedere, a micro e macro scala, come le persone si possono comportare in emergenza post-sisma in un ambiente urbano. Può essere quindi proposto come strumento per l’analisi di fenomeni di evacuazione post-sisma a scala urbana al fine di una più corretta pianificazione degli interventi, individuando in maniera mirata i luoghi dove effettivamente sono utili ad aiutare le persone (riducendo le interazioni “pericolose” in evacuazione). Ad esempio, lo strumento permette di analizzare i percorsi più usati, e gli snodi tra essi, nonché i punti di aggregazione spontanea delle persone, e i tempi impiegati da esse per raggiungerli. Le possibili decisioni delle persone in diversi scenari possono essere anche studiate considerando eventi di diversa intensità (grazie alla possibilità di previsione di danno post-sisma) o l’organizzazione della scelta del percorso (scelta libera o congruente a piani di evacuazione). Mappe integrate di rischio potranno quindi combinare vulnerabilità dei tronchi stradali, pericolosità del sito (che incide sia sull’edificato, sia sulle infrastrutture), grado di deflusso delle persone e livello di servizio del tronco (da libero a forzato; “colli di bottiglia”), tempo di raggiungimento delle zone sicure da parte degli abitanti.
Infine, l’approccio “behavioural design” e i risultati possono essere rapidamente applicati anche ad altri tipi di emergenza, come alluvioni in contesti urbani, od incendi all’interno di edifici, tramite alcune modifiche al modello per includere le peculiarità dell’emergenza considerata. Gli strumenti di progetto che ne derivano saranno utili a proporre e testare soluzioni di riduzione del rischio (su aree esistenti o di nuova progettazione): interventi di riduzione del rischio su elementi collocati in punti realmente strategici per l’evacuazione (sia in indoor che outdoor), minimizzando così l’impatto (anche in termini economici) sul patrimonio storico; definizione di piani di evacuazione e procedure di soccorso, con la localizzazione di punti di raccolta in base all’effettivo processo; progettazione di innovativi sistemi di guida in evacuazione [1], [12] per interagire con le persone e convogliarle lungo i percorsi desiderati.
Bibliografia e spunti di approfondimento
[1] M. D’Orazio, G. Bernardini, S. Tacconi, V. Arteconi, and E. Quagliarini, “Fire safety in Italian-style historical theatres: How photoluminescent wayfinding can improve occupants’ evacuation with no architecture modifications,” Journal of Cultural Heritage, Jan. 2016.
[2] C. Gavarini, “Seismic risk in historical centers,” Soil Dynamics and Earthquake Engineering, vol. 21, no. 5, pp. 459–466, Jul. 2001.
[3] S. Lagomarsino and S. Giovinazzi, “Macroseismic and mechanical models for the vulnerability and damage assessment of current buildings,” Bulletin of Earthquake Engineering, vol. 4, no. 4, pp. 415–443, Sep. 2006.
[4] E. Quagliarini, G. Bernardini, C. Wazinski, L. Spalazzi, and M. D’Orazio, “Urban scenarios modifications due to the earthquake : ruins formation criteria and interactions with pedestrians’ evacuation,” Bulletin of Earthquake Engineering, 2016.
[5] D. Helbing and A. F. Johansson, “Pedestrian, Crowd and Evacuation Dynamics,” in Encyclopedia of Complexity and Systems Science, vol. 16, no. 4, Springer, 2010, pp. 6476–6495.
[6] M. D’Orazio, L. Spalazzi, E. Quagliarini, and G. Bernardini, “Agent-based model for earthquake pedestrians’ evacuation in urban outdoor scenarios: Behavioural patterns definition and evacuation paths choice,” Safety Science, vol. 62, pp. 450–465, Feb. 2014.
[7] G. Grünthal, “European Macroseismic Scale 1998,” European Center of Geodynamics and Sismology, vol. 15, p. 100, 1998.
[8] M. D’Orazio, E. Quagliarini, G. Bernardini, and L. Spalazzi, “EPES– Earthquake pedestrians׳ evacuation simulator: A tool for predicting earthquake pedestrians׳ evacuation in urban outdoor scenarios,” Int. Journal of Disaster Risk Reduction, vol. 10, pp. 153–177, Aug. 2014.
[9] D. Helbing and S. Bialetti, “Agent-Based Modeling,” in Social Self-Organization – Understanding Complex Systems, Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2012.
[10] D. Alexander, “Behavior during earthquakes: a southern italian example,” Int. Journal of Mass Emergencies and Disasters, vol. 8, no. 1, pp. 5–29, 1990.
[11] G. Bernardini, E. Quagliarini, and M. D’Orazio, “Towards creating a combined database for earthquake pedestrians’ evacuation models,” Safety Science, vol. 82, pp. 77–94, Feb. 2016.
[12] M. D’Orazio, S. Longhi, P. Olivetti, and G. Bernardini, “Design and experimental evaluation of an interactive system for pre-movement time reduction in case of fire,” Automation in Construction, vol. 52, pp. 16–28, 2015.
[1] L’attività qui presentata è stata condotta con le collaborazioni dei proff.ri Sauro Longhi, Luca Spalazzi, Raffaele Zanoli, e degli ing. Francesco Ferracuti e Gilberto Taccari dell’Università Politecnica delle Marche.
[2] Per esempio: rimanere in posizione riparata durante la scossa e attendere il termine per uscire dall’edificio.
[3] La Protezione Civile Italiana indica come fino al 25% delle morti in caso di sisma non sia legato a danni e crolli strutturali, ma alla possibilità di evacuare “in sicurezza” l’edificio e l’ambiente urbano prossimo, per giungere alle aree di attesa predisposte (fonte: www.protezionecivile.gov.it/jcms/it/descrizione_sismico.wp;jsessionid=F5D27C1681510C9963A14E7E05737C10?pagtab=3#pag-content ; ultimo accesso: 01/08/2015).
[4] Disponibile su https://drive.google.com/folderview?id=0B91jqaXLKo5LTFlqbnplS0tJLTQ&usp=sharing
