Introduzione

Una fra le più importanti competenze dello strutturista antincendio è l’accurata fase di progettazione al fuoco, fondata su l’esperienza e la conoscenza tecnica.

Il fine ultimo è quello di progettare e costruire la struttura che sollecitata dal carico d’incendio, in condizioni eccezionali, deve garantire la resistenza e la stabilità strutturale per un lasso di tempo congruo al raggiungimento degli obiettivi di prevenzione.

I metodi di calcolo, oltre a permettere notevoli risparmi in alcuni casi, possono essere utilizzati per dimostrare il rispetto in delle richieste prestazionali particolari condizioni. I metodi di calcolo avanzati (tipicamente analisi non lineari con metodo agli elementi finiti) possono essere utilizzati quando la struttura è molto complessa, altrimenti si può fare riferimento, per strutture semplici, alle classiche verifiche analitiche semplificate.

Al fine di rispondere alle richieste prestazionali attribuite dai diversi livelli (S.2.2) secondo gli Eurocodici, l’iter progettuale prevede la determinazione di carichi, informazioni e meccanica.

Al capitolo 3.6 delle NTC19 e nella Circolare, sono discusse e analizzate le azioni eccezionali relativamente ai carichi, evidenziando come debbano essere prese in considerazione per assicurare la robustezza generale. In accordo con queste, una combinazione di carico è definita eccezionale sia sulla base di quanto affermato nel capitolo 2.5.3 delle NTC19, sia in corrispondenza del suo impiego negli stati limite ultimi.

Dove:

• G_k è il valore caratteristico delle azioni permanenti;

• P_k è il valore caratteristico dell’azione di precompressione;

• Q_k,1 è il valore caratteristico dell’azione variabile principale;

• Ψ_2,1 è il coefficiente di combinazione per il valore frequente dell’azione variabile principale;

• Q_k,i  è il valore caratteristico delle altre azioni variabili;

• A_d è il valore di progetto dell’azione termica indiretta dovuta all’incendio.

Si evidenzia come i coefficienti di combinazione dei carichi variabili siano assunti come un valore quasi permanente Ψ_2,1, mentre i coefficienti parzializzanti siano di valore unitario.

I metodi di calcolo prestazionali proposti dagli Eurocodici necessitano della determinazione della variazione termica, basata su modelli avanzati di incendio (modelli semplificati a zone o più complessi modelli di fluidodinamica computazionale) per le singole sezioni degli elementi costruttivi oppure di una parte o della totalità della struttura.

Una volta che le temperature sono state rilevate, è possibile verificare a caldo, con metodi analitici avanzati, i diversi elementi, oppure studiare il collasso della struttura.

Soluzioni alternative

Dal paragrafo S.2.4.6 al S.2.4.9 si descrivono le soluzioni alternative per ogni livello di prestazione.

Per quanto concerne il livello di prestazione I, le soluzioni alternative prevedono:

• Compartimentazione rispetto ad altre costruzioni;
• Assenza di danneggiamento ad altre costruzioni per effetto di collasso strutturale

Queste due richieste rappresentano la domanda minima da soddisfare anche negli altri livelli prestazionali.

Relativamente al secondo punto, si deve analizzare il collasso dell’intera struttura e verificare che sia di tipo implosivo, visto che in soluzione conforme si richiedeva una distanza di separazione su spazio a cielo libero: in questo modo si dimostra come tale distanza può essere trascurata.

Per soddisfare questo scopo, si può impostare un’analisi FEM per tutta la durata dell’incendio naturale, compresa la fase di raffreddamento.

Nel livello di prestazione II per soluzioni alternativesono richiesti oltre al soddisfacimento dei due requisiti precedenti anche il:

• Mantenimento della capacità portante in condizioni di incendio per un periodo sufficiente all’evacuazione degli occupanti in luogo sicuro all’esterno della costruzione. La capacità portante deve essere comunque tale da garantire un margine di sicurezza t_marg non inferiore a 100%*RSET e comunque non inferiore a 15 minuti.

Proprio come nei precedenti livelli, anche nel livello di prestazione III per soluzioni alternative non si forniscono verifiche della capacità di compartimentazione all’interno dell’attività.

Al contrario, si richiede di verificare le prestazioni di resistenza al fuoco, sia sulla base degli scenari d’incendio di progetto, sia di quelli convenzionali espressi dalle curve naturali d’incendio mostrate nel secondo paragrafo S.2.6.

Nei livelli di prestazione IV e V sono ammesse soluzioni alternative nel rispetto delle NTC e si devono verificare i parametri di danneggiamento e di funzionalità previsti dal progettista e dalla committenza di cui al paragrafo S.2.4.8.

I criteri generali di progettazione, proposti nel paragrafo S.2.8, sono validi anche per le soluzioni alternative.

Oltretutto, nell’osservanza delle NTC, è possibile verificare i livelli prestazionali appena elencati in base ai risultati di calcoli, come riportato nel paragrafo S.2.14.

Il principale fine dei metodi di calcolo della resistenza al fuoco è quello di permettere la progettazione di elementi costruttivi portanti, separanti o non separanti, che siano in grado di resistere al fuoco, in particolari condizioni di esposizione (basati sugli scenari di incendio di progetto), sia nelle mutue interazioni con altri elementi, sia nei collegamenti, sempre nel rispetto dei criteri prestazionali e nell’adozione di particolari costruttivi.

Ci permette inoltre di avvalersi degli Eurocodici durante le fasi di progettazione e verifica.

Il processo di verifica dei livelli di prestazione per soluzione alternativa, è possibile grazie agli Eurocodici, utilizzando metodi di verifica analitici avanzati, in quanto in essi è possibile utilizzare le curve naturali d’incendio.

Analisi termica strutturale

Per la determinazione della distribuzione di temperatura, al variare del tempo, all’interno dell’elemento strutturale possiamo utilizzare due approcci:

–           Riferimento a dati pubblicati

–           Attraverso calcoli

Naturalmente non possiamo prescindere dal tipo di materiale costruttivo utilizzato.

E’ da tenere presente che, grazie al Nuovo Codice di Prevenzione Incendi, è possibile l’ausilio del calcolatore grazie a specifici software agli elementi finiti, come esplicato nella sezione M 1.9.

Inoltre, nella sezione relativa ai modelli di calcolo avanzati presente negli Eurocodici, si raccomanda che tali metodologie comprendano modelli di calcolo separati per la determinazione di:

•           Sviluppo e distribuzione della temperatura all’interno degli elementi strutturali (modello di risposta termica)

•           Comportamento meccanico della struttura o di una qualsiasi parte della stessa tenendo conto delle diverse condizioni al contorno (modello di risposta meccanica)

In virtù di ciò, si analizzeranno le variazioni termiche dovute a convezione e irraggiamento dei gas caldi che ne lambiscono la superficie, per calcestruzzo, acciaio e legno; e separatamente i modelli di risposta meccanica.

Calcestruzzo

Il calcestruzzo è un materiale non omogeneo, solitamente raggruppato in ordinario e alleggerito in base alla densità degli inerti utilizzati.

Le prestazioni di questo materiale, infatti, variano a seconda di quelle degli inerti e della matrice cementizia.

Il calcestruzzo si riscalda in maniera molto lenta, avendo una conducibilità termica 50 volte inferiore a quella dell’acciaio e quindi molto bassa.

Per quanto riguarda le proprietà del calcestruzzo calcareo e siliceo, si può far riferimento alla UNI EN1992-1-2.

L’analisi termica transiente agli elementi finiti deve essere impostata tenendo conto della variazione delle proprietà termiche con la temperatura dei gas riportate nella UNI EN 1992-1-2:

• Dilatazione termica (3.3.1)
• Calore specifico (3.3.2)
• Conducibilità termica (3.3.3)

In questo caso la curva di temperatura che andremo ad assegnare agli elementi sarà quella naturale d’incendio.

L’analisi da condurre è del tipo transitoria termica in modo da vedere l’evoluzione nel tempo della temperatura nella sezione.

Acciaio

All interno dell’Eurocodice UNI EN1993-1-2 sono presenti le proprietà termiche degli acciai al carbonio al punto §3.4.1. come:

• Dilatazione termica (§3.4.1.1)
• Calore specifico (§3.4.1.2)
• Conducibilità termica (§3.4.1.3)

Anche in questo caso si ricorre ad analisi agli elementi finiti tenendo in conto la variazione delle caratteristiche termiche del materiale e della curva naturale d’incendio.

L’analisi termica, in ambiente FEM, si svolge in più passi:

1. Discretizzazione degli elementi;
   1. Creazione e attribuzione delle proprietà termiche ai diversi materiali (compresi di sistemi protettivi);
   1. Attribuzione delle condizioni al contorno quali vincoli, forze esterne e sollecitazioni termiche;
   1. Processo di soluzione con analisi termiche statiche o transienti non lineari.

Si vuole sottolineare l’importanza della discretizzazione del problema perché in funzione di essa sarà possibile individuare la temperatura (o altre grandezza) nei nodi di interesse allo studio.

Legno

Il legno è un materiale organico combustibile che, in caso d’incendio, partecipa alla combustione.

Durante questo processo, tale evidenzia chiaramente una perdita di massa dalla superficie esposta al fuoco verso l’interno, con una velocità che dipende dal tipo di legno preso in considerazione e dalle condizioni igroscopiche.

Per ritenere il legno oramai carbonizzato, occorre raggiungere una temperatura minima che si aggira attorno ai 300°C nelle vicinanze dei livelli più esterni.

Per analisi più specifiche e dettagliate, l’Eurocodice 1995-1-2 riporta le proprietà termiche utili a tale scopo.

Nella lotta antincendio, si sollecita una progettazione sulla base di prove e di calcoli.

Oltretutto, nell’appendice B si evidenzia come i metodi di calcolo avanzati siano applicabili alle strutture nel loro complesso, ma anche ad alcune sue parti o ai vari singoli elementi che la compongono. Tali metodi di calcolo sono utilizzati al fine di:

• Sviluppare e distribuire la temperatura;
• Determinare la profondità della carbonizzazione;
• Analizzare il comportamento della struttura presa in considerazione.

Ancora una volta, occorre regolarsi sulla base della teoria del trasferimento del calore.

Inoltre, è raccomandabile assumere i valori del calore specifico, del rapporto di densità e di conducibilità termica che vengono illustrati nelle figure B.1 e B.3 e nei prospetti B.1 e B.2 dell’Eurocodice1995-1-2.

Durante l’analisi FEM ai diversi elementi che compongono il modello, sarà necessario avvalersi di tali proprietà termiche, le quali risultano dipendenti dalla temperatura.

Analisi meccanica

Al termine della determinazione della temperatura per gli elementi, si dovrà analizzare e verificare le diverse sezioni durante le variazioni della temperatura.

All’aumentare della temperatura, si verifica un abbassamento delle resistenze per mezzo di appropriati coefficienti moltiplicativi, i quali interagiscono con il limite di snervamento e con il modulo di elasticità.

Oltretutto, occorre tenere ben a mente la combinazione eccezionale delle azioni permanenti e di quelle variabili, le quali si verificano simultaneamente allo sviluppo dell’incendio, escludendo l’eventualità di ulteriori azioni eccezionali e sismiche.

Ai fini dell’analisi meccanica, gli Eurocodici riportano varie generalità che risultano applicabili indipendentemente dal tipo di materiale in considerazione.

Inoltre, si esorta un’analisi strutturale che sia estesa allo stesso lasso di tempo utilizzato per l’analisi termica: scegliendo, ad esempio, di verificare con una soluzione conforme (capitolo S.2 del Codice), l’analisi continua per quanto indicato dalla classe di resistenza adottata nell’esame specifico, altrimenti sarà verificato per la completa durata dell’incendio naturale, incluso il raffreddamento.

Nel capitolo 4 dell’Eurocodice 1991-1-2, sono illustrati gli aspetti generali ai fini dell’analisi strutturale. Alcune conseguenze dell’incendio, quali le deformazioni o le espansioni imposte e vincolate, danno luogo ad effetti di azioni, quali momenti o forze, che saranno sempre considerati, ad esclusione dei casi in cui:

• Sono state introdotte attraverso alcuni modelli e condizioni vincolanti, stabiliti a favore di sicurezza, e/o sono conseguentemente inclusi nel calcolo per mezzo di requisiti di sicurezza al fuoco definiti in maniera conservativa;
• Possono definirsi, fin da subito, a favore di sicurezza, oppure semplicemente trascurabili.

Per ridurre le resistenze proprie dell’acciaio, del legno e del calcestruzzo nel calcolo della capacità portante, occorre utilizzare convenzionalmente determinati valori.

Conglomerato cementizio armato

Per ricavare la riduzione della resistenza tipica del calcestruzzo, si utilizza il coefficiente k_c , per cui è vale:

Per ciò che concerne il deterioramento, causato dalle elevate temperature, a cui sono sottoposte le barre d’acciaio, si fa riferimento al coefficiente k_s .

Il calcestruzzo, realizzato utilizzando del cemento di tipo portland, si dilata fino ai 100°C. Una volta superata tale temperatura e fino ai 1000°C, inizia una continua contrazione.

Tale fenomeno è causato da una disidratazione non reversibile, seguita dalla rottura della struttura cristallina della malta cementizia.

Tutt’altro comportamento presenta, invece, l’acciaio d’armatura, il quale si allunga al crescere della temperatura, modificando sempre di più la sua struttura, fino a perdere la sua elasticità, divenendo plastico.

Inoltre, occorre considerare che gli strati più esterni di qualsiasi manufatto sono ovviamente deteriorati in maniera diretta e più veloce, mentre quelli interni subiscono un processo più lento, indiretto e ad una temperatura inferiore.

Oltretutto, si originano nuovi strati tensionali: ciò è dovuto alle deformazioni impedite, le quali provocano lo spalling, ovvero la rottura di tipo esplosiva, degli strati superficiali vittime delle alte temperature. Un simile evento può essere evitato con un tasso di umidità inferiore al 3%.

Di norma, se il calcestruzzo è esposto a temperature inferiori ai 500°C, gli spessori del calcestruzzo sono tali da permettere agli strati interni di rimanere integri per lunghi lassi di tempo, anche per esposizioni di durata superiore ai 180 minuti.

Acciaio da carpenteria

Per quanto riguarda le diminuzioni del limite di snervamento, della proporzionalità e del modulo di elasticità dell’acciaio di carpenteria, avvengono sempre attraverso coefficienti correlativi, fondati su numerose sperimentazioni e fissati dall’Eurocodice.

Per quanto riguarda l’acciaio, quando questo è esposto a temperature molto elevate, riduce le sue proprietà meccaniche che, a circa 540°C, diventano il 65% di quelle a temperatura ambiente.

Inoltre, la temperatura limite si aggira intorni ai 600-700°C.

Superati i 300°C, l’acciaio perde in maniera notevole la propria resistenza alla rottura: a 500°C si riduce del 50%, a 550°C del 60% e si annulla quasi del tutto attorno i 600°C.

Per tali motivi, una struttura in acciaio, che viene esposta all’incendio senza protezioni, può collassare in un lasso di tempo tra i 10-20 minuti: solitamente, la resistenza di un campione sottoposto ad un carico di prova si definisce come il tempo in cui la sua freccia si mantiene inferiore ad 1/30 della luce.

Per i provini senza protezione ciò avviene dopo 10’ o 20’, con temperature dell’acciaio attorno i 600°C, tenendo anche conto del carico applicato e del fattore di massività.

Legno

Il legno è considerato estremamente pericoloso per la sua elevata infiammabilità.

Il suo utilizzo non può, dunque, accantonare l’eventualità che ha di prendere fuoco fino al suo completo deterioramento.

Durante un incendio, il legno vive tre fasi distinte:

• Il primo stadio, in cui si verifica un elevato riscaldamento del materiale, fino ai 100°C, con perdita d’acqua;
• Il secondo stadio, ovvero la decomposizione del legno con rilascio di sostanze volatili, che, una volta miscelate con l’aria, danno origine a sostanze altamente infiammabili. La temperatura d’ignizione si aggira fra i 200-300°C;
• Il terzo stadio, in cui avviene una combustione dall’esterno verso l’interno con una velocità finita, conosciuta anche come velocità di penetrazione della carbonizzazione.

Si può suddividere la sezione lignea vittima della combustione in tre zone:

• Zona carbonizzata;
• Zona alterata;
• Zona inalterata.

La parte più esterna è quella carbonizzata ed equivale alla parte di legno in completa combustione: in questo strato le caratteristiche meccaniche di resistenza sono azzerate.

La zona alterata, invece, è uno strato intermedio che testimonia l’avanzare della combustione, caratterizzato da un progressivo aumento della temperatura fino a superare i 300°C: le caratteristiche meccaniche diminuiscono, ma non scompaiono.

Infine, nella zona inalterata, ovvero nello strato più interno, dove si registra semplicemente un aumento delle temperature fino ai 100°C, le caratteristiche meccaniche restano inalterate.

Verifica avanzata di resistenza al fuoco

Analisi di membrature

Per analizzare le membrature ricavate da manufatti complessi, si può far riferimento agli Eurocodici, i quali dettano le regole da seguire. Per utilizzare questo livello di semplificazione, le linee guida sono essenzialmente:

• Estrarre la membratura assicurandosi che vi sia un ripristino idoneo delle condizioni al contorno. Oltretutto, le condizioni iniziali di vincolo al tempo (t=1s) devono sempre rimanere uguali, anche durante un incendio. Dunque, si è in grado di modellare la singola membratura prevedendone agli estremi i vincoli equivalenti;
• Ai fini della determinazione delle proprietà della sollecitazione e delle sollecitazioni agli estremi durante l’incendio (E_d,fi), oltre all’analisi strutturale, tenendo conto delle azioni previste, si può diminuire in modo adeguato le sollecitazioni che si sono ottenute per le verifiche a freddo, utilizzando un coefficiente riduttivo η_fi;
• Per definire le azioni sull’elemento, ovvero quelle derivanti da deformazioni termiche impedite, è permesso tenere conto solo di quelle tratte da gradienti termici lungo le sezioni strutturali, tralasciando distorsioni termiche piane o assiali.

L’analisi delle singole membrature con regole semplificate deve essere di tipo conservativo, perciò le possibili analisi riguardanti elementi strutturali singoli sono quelle causate da incendi nominali, facili da riprodurre in laboratorio, oltre che conservativi nei confronti degli incendi reali.

Analisi di sotto-strutture

Un’analisi in condizioni d’incendio è permessa anche per quanto riguarda i sottosistemi strutturali prelevati dai manufatti. Le linee guida riportate negli Eurocodici, se si adotta tale livello di semplificazione, sono:

• Estrarre il sottosistema solo ripristinando delle adeguate condizioni al contorno. Le condizioni iniziali di vincolo al tempo t=1 devono rimanere immutate anche durante l’incendio;
• Al fine della determinazione delle proprietà della sollecitazione e delle sollecitazioni agli estremi in condizioni d’incendio (E_d,fi), si possono diminuire le sollecitazioni ricavate per le verifiche a freddo (E_d) con un coefficiente riduttivo η_fi.
• Nelle strutture si devono considerare le azioni indirette, le rigidezze dei materiali, il possibile collasso e il progressivo decadimento delle proprietà meccaniche dei materiali.

Analisi di intere strutture

Tale tipologia di analisi può essere considerata come la più completa, effettuabile sia con un approccio prestazionale, sia per mezzo di regole prescrittive. Sono utilizzabili esclusivamente i metodi di calcolo avanzati, i quali prendono in considerazione le loro proprietà e le rispettive variazioni in funzione della temperatura, ma anche il verificarsi di meccanismi di collasso parziale, la rigidezza delle strutture e le distorsioni termiche.

Proprio per la loro complessità richiedono una grande potenza di calcolo e un’eccellente specializzazione del progettista.

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