In questa pagina riportiamo i contributi della rivista Antincendio in materia di resistenza al fuoco delle strutture in acciaio, a cura degli esperti della rivista, presentati da Donatella de Silva
Nell'articolo
Riqualificazione di edifici realizzati con strutture in acciaio: analisi della capacità di resistenza al fuoco
L’articolo, tratto dalla rivista Antincendio è di Corrado Romano – (Antincendio Agosto 2021) e viene presentato in estratto a cura di Donatella De Silva.
L’articolo affronta la problematica inerente al recupero strutturale, alla luce della vigente normativa, delle strutture in acciaio anche nell’ambito di riqualificazioni edilizie per le quali è necessario mantenere lo stato di conservazione delle strutture per vincoli di archeologia industriale.
La resistenza al fuoco degli elementi strutturali
In particolare viene posta l’attenzione sulla resistenza al fuoco degli elementi strutturali e sull’affidabilità di essi in condizioni di incendio, considerando gli approcci proposti dalla normativa antincendio unitamente alle innovazioni normative per la progettazione delle strutture in acciaio a freddo.
A tal proposito vengono presentati i risultati di analisi numeriche semplificate e avanzate rispettivamente articolate su un incendio generalizzato ed uno localizzato.
Excursus normativo: dalla Circolare n. 91 del 1961 fino al nuovo codice di Prevenzione Incendi
Nella prima parte dell’articolo si illustra un excursus normativo mettendo in luce i cambiamenti avvenuti dalla Circolare n. 91 del 1961 fino al nuovo codice PI, sottolineando, in quest’ottica che una delle problematiche rilevanti che emerge nell’ambito di una riqualificazione di complessi edilizi con ridotto carico di incendio, progettati ai sensi della Circolare n.91/61, è quella relativa alla classe R15 per la quale la norma non prevedeva alcuna verifica strutturale, qualora gli ambienti costituenti i compartimenti antincendio fossero caratterizzati da basso carico di incendio.
La progettazione delle strutture metalliche negli anni 60’/70’
Inoltre, si sottolinea che negli anni 60’/70’ gli edifici con strutture metalliche venivano progettati tenendo conto delle quantità di materiale stoccato o in lavorazione diversi da quelli che sono gli attuali cicli e processi produttivi.
Pertanto al fine della presentazione della SCIA è necessario osservare i requisiti stabiliti dalla vigente norma, dovendo in alcuni casi, adeguare la struttura.
Progettazione con il livello di prestazione II
In particolare, nel caso si scelga la strada della progettazione con il livello di prestazione II, è necessario applicare un rivestimento protettivo adeguato a conferire la classe R30 alle strutture, comportando l’impiego di ingenti risorse economiche per proteggere tutti gli elementi strutturali e, talune volte, non sempre attuabili per difficoltà di posa dei rivestimenti stessi.
Progettazione con il livello di prestazione III
Nel caso della progettazione con il livello III (ipotizzando una resistenza al fuoco pari a R15/R20), è ragionevole procedere ad una analisi della struttura in dettaglio, sottoposta all’azione di un fuoco generalizzato o localizzato in relazione ai possibili scenari di incendio.
Confronto tra le varie possibilità di modellazione di un incendio
A tal proposito, nella seconda parte del lavoro, viene effettuato un confronto tra le varie possibilità di modellazione di un incendio, partendo da curve di incendio nominali, di cui la ISO834 è la più utilizzata per verifiche strutturali di edifici, per poi passare a curve di incendio parametriche, che, seguendo la metodologia proposta dall’Eurocodice 3, forniscono la relazione temperatura-tempo per qualsiasi possibilità di carico d’incendio, di fattore di ventilazione e di materiale per il rivestimento delle pareti.
Gli incendi localizzati
Infine vengono descritti gli incendi localizzati, che, in presenza di ampi spazi e di materiale combustibile più o meno concentrato in una zona, possono avere un effetto disomogeneo sulle strutture e pertanto sul loro comportamento in condizioni di incendio.
Dopo aver presentato un confronto tra i modelli di incendio e le curve ottenute, esse vengono applicate a differenti sistemi tipologici strutturali in acciaio, ponendo l’attenzione sull’iperstaticità strutturale e sulla possibilità di ridistribuire le sollecitazioni in condizioni di incendio, grazie alla differente rigidezza delle varie parti della struttura, soprattutto se si tratta di incendio di tipo localizzato, nel caso di un edificio in acciaio monopiano.
Le conclusioni
Esaminando le valutazioni finali si conclude che, con riferimento alla tipologia di edificio in acciaio monopiano, che è tra le più usate in contesto nazionale:
- per un incendio generalizzato, effettuando un’analisi numerica semplificata, per alcuni elementi la resistenza al fuoco è risultata inferiore a 15 minuti, mentre per altri, dove lo stato di sollecitazione a freddo era più favorevole, la resistenza è superiore a 15 minuti;
- per un incendio generalizzato, effettuando un’analisi numerica avanzata, tenendo conto delle risorse plastiche e dell’iperstaticità strutturale, si evidenzia che la resistenza al fuoco risulta inferiore ai 15 minuti a causa delle dilatazioni termiche impedite che causerebbero il collasso;
- per un incendio localizzato, effettuando un’analisi numerica avanzata, è emerso che essendo la struttura non totalmente soggetta all’azione del fuoco (fatto alquanto probabile per ambienti di notevoli dimensioni), l’intero edificio resisterebbe all’azione del fuoco fino all’estinzione dell’incendio anche se potrebbe verificarsi localmente il danneggiamento della capacità portante di qualche elemento strutturale.
Il ruolo del progettista
Da questo lavoro emerge quanto sia importante che il progettista analizzi in maniera dettagliata tutte le peculiarità strutturali, osservando con particolare attenzione quegli elementi costruttivi con basso valore di resistenza al fuoco, poiché un errore di qualche minuto può compromettere l’incolumità degli occupanti.
Risulta utile poter effettuare calcoli progettuali e verifiche su strutture inserite in ambienti con basso carico di incendio, in quanto è possibile provare una affidabilità di resistenza al fuoco degli elementi costruttivi per tempi superiori ai 15 minuti, senza ricorrere ai rivestimenti protettivi che non in tutti i casi risulterebbero efficaci per la difficoltà di posa e anche per gli elevati costi previsti per tali interventi.
Le costruzioni in acciaio sono opere edili la cui struttura portante è realizzata interamente nel materiale strutturale acciaio.
L’acciaio, materiale dalle ottime caratteristiche strutturali, va sempre verificato anche nei confronti dall’azione dell’incendio, che può ridurre le sue capacità di resistenza e rigidezza, generando fenomeni di instabilità e collasso. Per questo motivo, spesso le strutture in acciaio devono essere protette nei confronti dell’incendio, ovvero riprogettate adeguatamente per resistere a tale azione.
I sistemi di protezione passiva dal fuoco vengono spesso applicati alle strutture in acciaio per limitare l’incremento di temperatura raggiunta durante un incendio, grazie alla loro ridotta conducibilità termica e/o funzionando come elementi di compartimentazione verticale e orizzontale, consentendo un conseguente aumento del tempo di resistenza al fuoco degli elementi strutturali. L’adozione di sistemi di protezione passiva per le strutture di acciaio è spesso necessaria quando si eseguono le verifiche con l’approccio prescrittivo ai sensi delle regole tecniche emanate per le varie attività soggette al controllo dei Vigili del fuoco. Applicando l’approccio prestazionale, invece, basato sulla definizione realistica del modello di incendio, relativo all’effettivo carico di incendio, e su una modellazione strutturale avanzata, capace di considerare anche la ridistribuzione delle sollecitazioni consentita dalla duttilità delle strutture metalliche, si possono ottimizzare le scelte dei sistemi di protezione passiva ed, in alcuni casi, eliminarli del tutto.
I più comuni sistemi di protezione passiva di elementi strutturali di acciaio sono riconducibili alle seguenti due famiglie principali: schermi o membrane, rivestimenti. Più nello specifico gli schermi si dividono in base all’orientamento: membrane orizzontali o controsoffitti, membrane verticali o schermi. I rivestimenti, invece, vengono suddivisi in base alle tipologie applicative: intonaco a spruzzo, lastre in calcio-silicato (carter); vernici intumescenti.
L’acciaio e il cemento armato sono tra i materiali strutturali più utilizzati nel settore edile. La loro diffusione in edilizia è dovuta alle qualità intrinseche di questi due materiali, che comportano ciascuno una serie di vantaggi e di svantaggi nell’utilizzo.
Alcune caratteristiche delle strutture in acciaio fanno sì che esse abbiano una serie di benefici rispetto alle analoghe in calcestruzzo armato; se ne elencano alcune di queste:
– le costruzioni con struttura portante in acciaio sono leggere (cinque/sei volte meno di strutture analoghe in calcestruzzo armato) e duttili, garantendo l’assorbimento dell’energia sismica, grazie alle elevate riserve plastiche dell’acciaio;
– elevato rapporto resistenza peso, consentendo di ottimizzare la dimensione delle sezioni e di ridurre gli ingombri;
– l’acciaio è un materiale riciclabile, che può essere recuperato al 100%, aspetto fondamentale per la sostenibilità ambientale;
– l’acciaio è chimicamente poco vulnerabile agli agenti esterni, ma comunque esistono appositi processi di zincatura o applicazione di vernici protettive, conformemente all’aggressività dell’ambiente per ridurne l’ossidazione;
– Il sistema costruttivo stratificato delle strutture in acciaio è a secco, consentendo una messa in opera in cantiere rapida e precisa.
Resistenza al fuoco: l’impatto della Circolare DCPREV 9962 sulla progettazione secondo il Codice di Prevenzione Incendi
L’articolo riguarda un approfondimento dei diversi punti della DCPREV Circolare 9962 “Implementazione di soluzioni alternative di resistenza al fuoco. Chiarimenti e indirizzi applicativi” e fornisce spiegazioni e possibili soluzioni ai professionisti.
Inoltre, è stato analizzato il suo potenziale impatto sulla progettazione antincendio e sull’utilizzo di elementi strutturali e di protettivi da parte dei professionisti antincendio.
L’articolo, tratto dalla rivista Antincendio è di Marco Antonelli, Daniele Andriotto, Diego Cecchinato – (Antincendio Ottobre 2020) e viene presentato in estratto a cura di Donatella De Silva.
La resistenza al fuoco nel Codice di prevenzione incendi
La prima parte del lavoro riguarda una descrizione dettagliata del Codice di Prevenzione Incendi, focalizzando l’attenzione sul capitolo S.2, cioè quello relativo alla resistenza al fuoco.
Cosa si intende per resistenza al fuoco?
Si parte con la definizione di resistenza al fuoco, precisando che essa si determina sulla base della capacità portante propria degli elementi strutturali singoli, di porzioni di struttura o dell’intero sistema costruttivo, comprese condizioni di carico e vincoli e tenendo conto dell’apporto di eventuali protettivi.
Come si esprime la resistenza al fuoco di una struttura?
Dall’articolo si evince che, alla luce delle nuove normative antincendio la resistenza al fuoco si esprime con il superamento di un dato livello di prestazione richiesto e sono rese disponibili alcune soluzioni conformi che, per loro natura, non necessitano di particolari approfondimenti o valutazioni da parte dei professionisti antincendio oppure soluzioni alternative, nell’ambito delle quali si applicano i criteri della Fire Safety Engineering.
Si evidenzia la procedura per il progetto e la verifica delle strutture, sottolineando che per conseguire il livello di prestazione richiesto, sono disponibili sia soluzioni conformi che alternative.
Cosa si intende per livello di prestazione antincendio?
Il Codice di Prevenzione Incendi associa ad ogni misura antincendio un determinato livello di prestazione. Per Livello di prestazione (performance requirement) si intende una specificazione oggettiva della prestazione richiesta all’attività per realizzare la misura antincendio.
Quanti livelli di prestazione sono previsti nella nuova normativa antincendio?
Per la misura relativa alla resistenza al fuoco, sono previsti cinque livelli di prestazione. Il livello III, che rappresenta una larga porzione degli edifici e delle attività, ad esempio, richiede che la struttura mantenga i requisiti di resistenza al fuoco per un periodo congruo con la durata dell’incendio.
Quando si ricorre a una soluzione alternativa per il livello di prestazione di resistenza al fuoco?
Le SOLUZIONI CONFORMI, per loro natura, non hanno bisogno di particolari approfondimenti o valutazioni da parte dei professionisti antincendio, mentre per le SOLUZIONI ALTERNATIVE è necessario che il professionista abbia una conoscenza profonda non solo del problema termo-meccanico, ma anche del problema fluidodinamico che consente, attraverso dei modelli d’incendio, di costruire la curva di incendio naturale per ogni scenario di incendio di progetto.
A tal proposito gli autori affermano che quando si analizza e si valuta la resistenza al fuoco secondo curve d’incendio naturali, che spesso prevedono cimenti termici meno severi degli incendi standard, è necessario estendere le verifiche a sottostrutture significative o all’intera struttura. Inoltre si evidenzia che nell’utilizzo di soluzioni alternative devono essere sempre considerate le sollecitazioni indirette che si generano per deformazioni o espansioni imposte e impedite durante l’esposizione alle curve naturali di incendio, così come indicato nel punto S.2.8.1 del Codice, salvo i casi in cui è riconoscibile a priori che esse siano trascurabili o favorevoli.
Il caso di una trave cerniera-cerniera di sezione HEB
Nella seconda parte del lavoro, vengono riportati due esempi: il primo in cui è stato sviluppato il caso di una trave cerniera-cerniera di sezione HEB interessata da una curva tempo-temperatura che aumenta costantemente con variare del tempo, finalizzato a definire un ordine di grandezza delle sollecitazioni indotte dalle dilatazioni termiche impedite per sottolinearne l’importanza e l’entità e il secondo finalizzato a evidenziare l’importanza di tali effetti sull’intera struttura, o almeno su una sottostruttura significativa estratta da un capannone in acciaio delle dimensioni di 51m x14m ed altezza 7 metri.
I risultati ottenuti nel caso specifico, oltre a sottolineare l’entità delle sollecitazioni indotte dalle dilatazioni termiche impedite, mostrano come la stabilità strutturale sia garantita per l’intera durata dell’incendio e non si raggiungano mai le condizioni di collasso.
La resistenza al fuoco degli elementi strutturali protetti
Un aspetto interessante trattato nell’articolo è sicuramente quello riguardante gli elementi strutturali protetti; la Circolare ricorda innanzitutto che sono in corso attività di ricerca sia nell’industria e sia nel mondo accademico, finalizzate ad appurare se e come si potrà procedere alle verifiche di elementi protetti esposti ad incendi naturali.
Sfortunatamente questo ad oggi non è ancora attuabile, infatti, essendo i protettivi valutati sperimentalmente con curve nominali, non è possibile certificare in alcun modo le proprietà di aderenza e coesione e il loro comportamento a temperature, e soprattutto, con gradienti termici, differenti da quelli di una curva nominale. Inoltre, non è noto il comportamento di tali protettivi durante le fasi di raffreddamento.
Come vengono identificati gli scenari di incendio di progetto?
Continuando nella lettura, l’articolo esamina ulteriori aspetti contenuti nella Circolare 9962 come il fatto che spesso non vengono correttamente considerate le distribuzioni di materiale combustibile localizzate in un compartimento, che normalmente determinano prestazioni superiori rispetto a quelle valutate sul quantitativo considerato se inteso come distribuito sull’intera superficie lorda del compartimento.
Pertanto, nell’individuazione degli altri scenari di incendio di progetto, così come nella progettazione con soluzioni conformi, è necessario tenere conto di tali distribuzioni localizzate di materiale combustibile, che sono tra l’altro molto ricorrenti, al fine di addivenire ad una corretta progettazione strutturale antincendio.
La valutazione del rischio incendio per individuare gli scenari di incendio per la resistenza al fuoco
Si chiarisce inoltre la possibilità progettuale di modificare la curva HRR grazie all’utilizzo di sistemi o impianti a disponibilità superiore, ma ciò non esime il professionista antincendio da una valutazione del rischio specifica, sempre di tipo quantitativo, mediante un’analisi di sicurezza funzionale che stabilisca, in maniera tecnicamente e professionalmente valida, la caratteristica di disponibilità superiore del sistema, nonché da una valutazione del rischio complessiva, ai fini della corretta individuazione degli scenari di incendio di progetto per la resistenza al fuoco.
Cosa rappresenta la curva RHR?
Si evince che la curva RHR rappresenta la potenza massima espressa dall’incendio, durante il transitorio termico, ovvero nel tempo. Essa costituisce uno degli input per le analisi fluidodinamiche degli scenari di incendio.
Quando può ritenersi adatto il contributo di sistemi e impianti a disponibilità superiore?
Solo a questo punto, a valle di tale valutazione e di una successiva analisi in termini previsionali di conseguenze, nonché di riferimenti sperimentali consolidati in cui sono state misurate le effettive riduzioni di potenza termica dovuta al sistema d’impianto, il professionista potrà stabilire se uno scenario in cui è considerato il contributo di sistemi e impianti a disponibilità superiore possa essere ritenuto adeguato.
Il collasso strutturale implosivo
Viene infine analizzata l’importante tematica del collasso implosivo delle strutture ovvero se l’incendio è di proporzioni tali da determinare il collasso della struttura, questa dovrà implodere, concentrando energia e materiali verso uno spazio ridotto, all’interno di una superficie limitata considerata non pericolosa.
A tal proposito, gli autori sottolineano che occorre un’analisi termo-strutturale, nella quale valutare il cimento termico in termini di scenari d’incendio di progetto, tenendo conto delle fondamentali misure gestionali, valutando anche lo stato di sollecitazione e di deformazione al variare di gradienti termici negli elementi in funzione del tempo, in modo da definire il cinematismo di collasso e dimostrare che, nelle condizioni di incendio considerate, esso sia implosivo o meno. Viene anche fornito un esempio di struttura con collasso implosivo.
Per approfondire sulla sicurezza antincendio delle costruzioni in acciaio
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