Resistenza al fuoco dei sistemi strutturali

1. Resistenza al fuoco dei sistemi strutturali arch. Roberto Lenzi Corpo permanente dei vigili del fuoco Provincia Autonoma di Trento

2. La resistenza al fuoco rappresenta un requisito tecnologico, concorrente al raggiungimento d’un risultato globale di sicurezza all’incendio Attività di gestione della qualità all’interno del processo edilizio

3. Qualità delle opere di costruzione Risposta adeguata in termini prestazionali • Approccio esigenziale-prestazionale • Obiettivi ed indirizzi generali (politica per la qualità) • Ricerca di soluzioni progettuali • Qualità dei prodotti da costruzione • Qualità dell’esecuzione

4. Sicurezza Classe che raggruppa una serie d’esigenze Insieme delle condizioni relative all’incolumità degli utenti, nonché alla difesa e prevenzione di danni in dipendenza da fattori accidentali, nell’esercizio del sistema edilizio.

5. Sicurezza Requisito: resistenza al fuoco Dall’esigenza sicurezza si possono derivare serie logiche di caratteri tecnici, tra i quali è possibile isolare quelli connessi con la conservazione, durante l’evento incendio, entro limiti determinati e durante un intervallo di tempo determinato, le prestazioni fornite dal sistema tecnologico, o anche dal singolo elemento tecnico.

6. Normazione • Regola tecnica:disposizione cogente emanata da un organismo pubblico al quale è riconosciuta potestà legislativa o regolamentare. Ha lo scopo di stabilire un livello di sicurezza e l’affidabilità generale del sistema al quale si riferisce, in conformità a scelte d’ordine pubblico e d’interesse generale. • Norma:specificazione tecnica volontaria, emanata da organi tecnici non facenti parte della pubblica amministrazione ma riconosciuti. Ha lo scopo di stabilire come si procede per raggiungere un determinato obiettivo di qualità o di standardizzazione.

7. Normazione • Verticale:il suo campo d’applicazione è limitato a determinate fattispecie. • Orizzontale:trova applicazione generale in tutta la materia. La tradizione italiana è orientata alla normazione di tipo verticale, mentre quella comunitaria, di derivazione anglosassone, è orientata alla normazione di tipo orizzontale.

8. Regolamentazione comunitaria • Norme armonizzate (EN):specificazioni tecniche adottate dal CEN su mandato della Commissione europea. • Benestare tecnici:valutazioni tecniche positive dell’idoneità d’un prodotto all’impiego previsto. • Documenti interpretativi:precisano i requisiti essenziali e costituiscono il riferimento per la definizione di norme armonizzate e d’orientamenti per il rilascio del benestare tecnico.

9. Direttiva Prodotti da Costruzione 89/106/CE (modificata dalla Direttiva 93/68/CE – Recepita in Italia con DPR 21/04/1993 n° 246) Le opere d’ingegneria civile siano concepite e realizzate in modo da non compromettere la sicurezza delle persone e dei beni.

10. Direttiva Prodotti da Costruzione 89/106/CE Allegato I - Requisiti essenziali Enunciati in termini di obiettivi, costituiscono criteri generali e specifici per conferire alle opere un congruo grado di sicurezza. Sono precisati in documenti interpretativi, i quali danno forma concreta ai requisiti di cui sopra. Requisito essenziale n° 2: Sicurezza in caso d’incendio

11. Direttiva Prodotti da Costruzione 89/106/CE Documento interpretativo per il requisito essenziale n° 2 Approccio ingegneristico alla sicurezza antincendio Impostazione di carattere nordeuropeo, contrapposta all’impostazione oggettuale di stampo levantino. Si valuta il livello di sicurezza necessario e si progettano le conseguenti misure.

12. Sicurezza in caso d’incendio L’opera deve essere concepita e costruita in modo che, in caso d’incendio: • La capacità portante dell’edificio possa essere garantita per un periodo di tempo determinato • La produzione e la propagazione del fuoco e del fumo all’interno dell’opera siano limitate • La propagazione del fuoco ad opere vicine sia limitata • Gli occupanti possano lasciare l’opera o essere soccorsi altrimenti • Sia presa in considerazione la sicurezza delle squadre di soccorso

13. Sicurezza in caso d’incendio Nei paesi UE i requisiti di sicurezza antincendio costituiscono parte essenziale della normativa sulle opere di costruzione La sicurezza antincendio nelle opere di costruzione comprende requisiti sulla configurazione degli edifici e sulle prestazioni strutturali, sui prodotti da costruzione, sui servizi ed installazioni e sugli impianti di protezione antincendio

14. Sicurezza in caso d’incendio I singoli stati dell’Unione sono responsabili della sicurezza sul proprio territorio Il livello di sicurezza dev’essere garantito con una probabilità accettabile e per una vita d’esercizio economicamente ragionevole Gli stati possono adottare provvedimenti di supervisione della progettazione e dell’esecuzione delle opere, nonché provvedimenti concernenti le qualifiche dei soggetti interessati

15. Capacità portante della costruzione 1. Stabilità complessiva della struttura principale: • Nessun requisito per fabbricati con basso carico d’incendio o dove le conseguenze del crollo siano accettabili • Requisiti per un periodo limitato, dove è sufficiente garantire l’evacuazione degli occupanti in luogo sicuro • Requisiti specifici per garantire che la struttura possa reggere la combustione completa di tutti i materiali combustibili presenti nell’edificio o in una determinata parte di esso

16. Sicurezza in caso d’incendio La normativa nazionale cogente (regole tecniche) dovrebbe contenere solo gli obiettivi e le prescrizioni generali, intesi a garantire la sicurezza nelle opere di costruzione La norma tecnica volontaria dovrebbe contenere le indicazioni prestazionali e le modalità applicative

17. Verifiche Le verifiche alla situazione accidentale sono condotte allorquando ritenute necessarie, dal progettista, in relazione all’importanza, alla destinazione d’uso ed alle caratteristiche della costruzione Indipendentemente dalle valutazioni del progettista, dette verifiche sono obbligatorie dove imposte da una regola tecnica o da un criterio tecnico di prevenzione incendi

18. Sicurezza in caso d’incendio (EC 1) Le funzioni richieste ed i livelli di prestazione sono generalmente specificati dalle competenti autorità nazionali, soprattutto in termini di tipo di valutazione di resistenza al fuoco Dove è accettata l’ingegneria della sicurezza al fuoco per la valutazione delle misure attive e passive, le richieste delle autorità saranno meno prescrittive e possono aggiungersi come strategie alternative

19. Capacità portante della costruzione 2. Tenuta della compartimentazione: • Limitare lo sviluppo e la propagazione del fuoco e del fumo all’interno delle opere di costruzione • Ritardare lo sviluppo dell’incendio, la propagazione del fuoco e del fumo nelle opere, in modo da lasciare agli occupanti il tempo sufficiente per mettersi in salvo • Consentire alle squadre di soccorso di domare l’incendio prima che questo assuma proporzioni maggiori

20. Durata di resistenza al fuoco Analisi del rischio incendio Il danno strutturale è strettamente interrelato alla durata e all’intensità dell’incendio L’energia termica sviluppata dall’incendio è in diretta relazione con la quantità di materiale combustibile presente

21. Cause di danno d’un sistema strutturale durante l’incendio • Superamento della velocità di deformazione • Superamento della deformazione massima ammissibile (freccia, spostamento in prossimità dei vincoli) • Perdita della capacità portante della singola sezione • Instabilità flessionale di elementi compressi • Combinazioni anomale di azioni flettenti e taglio • Scarsa duttilità delle sezioni, con comportamenti di tipo fragile • Riduzione delle sezioni resistenti

22. Limitazione del danno potenziale • Evitare, limitare o ridurre i rischi a cui la struttura può essere soggetta • Scegliere una forma strutturale che abbia una minore sensibilità al rischio considerato • Selezionare una forma strutturale ed una progettazione che può sopravvivere adeguatamente alla rimozione eccezionale d’un singolo elemento o d’una parte limitata della struttura, o all’occorrenza di accettabile danno limitato • Evitare il più possibile sistemi strutturali che possano collassare senza avvertimento • Connettere la struttura

23. Limitazione del danno potenziale Gli edifici devono essere progettati in modo che il sistema strutturale principale possa sopportare danneggiamenti locali senza subire un collasso totale

24. Progetto delle strutture all’incendio Fasi della progettazione: • Scelta degli scenari d’incendio significativi per il caso in esame • Determinazione dei relativi incendi di progetto • Calcolo dell’evoluzione della temperatura all’interno degli elementi strutturali • Calcolo del comportamento meccanico delle strutture esposte al fuoco

25. Approccio alla resistenza strutturale all’incendio • Determinazione, attraverso convenienti schematizzazioni, di uno o più modelli rappresentativi della realtà • Analisi del comportamento dei modelli, con particolare riguardo alla sicurezza al fuoco • Trasferimento della sicurezza dai modelli alla realtà, mediante l’individuazione di soluzioni applicabili (strutturali e tecnologiche), nonché di opportuni controlli

26. Controllo di qualità della sicurezza Non è possibile la riduzione dei requisiti, dato che il progresso tecnologico ne aumenta costantemente i valori attesi Miglioramento delle prestazioni, basata sull’accrescimento delle conoscenze relative all’evoluzione del fenomeno incendio Controllo progettuale (maggiore attenzione al problema della resistenza al fuoco)

27. Approccio per sistemi Osservando i danni strutturali conseguenti gli incendi, si notano errori di concezione e di sottovalutazione dei comportamenti. Tendenza a ragionare per singole unità. Esempio: i collegamenti diventano, durante l’incendio, nodi critici in grado di rendere labili sistemi costituiti da elementi di per sé capaci di prestazioni molto elevate.

28. Approccio per sistemi Una struttura è considerata resistente al fuoco se è dimostrato che la resistenza al fuoco dei singoli elementi è come minimo la stessa ed i punti di contatto tra le parti non riducono la capacità di resistenza della struttura principale, tenuto conto delle azioni indirette causate dalla dilatazione termica, dalla deformazione e/o dal cedimento degli elementi strutturali. Compatibilità dimensionale e funzionale tra elementi strutturali, nonché tra elementi strutturali e di completamento.

29. Approccio per sistemi Tendenza a condurre la verifica della resistenza strutturale all’incendio per singoli elementi. Data una catena d’elementi in serie, non è plausibile affermare che se resistono gli elementi singoli allora resiste anche la catena nel suo complesso – meccanismi d’instabilità locale. Le norme UNI CNVVF richiamano l’attenzione del progettista sulla necessità di valutare l’idoneità dell’intero sistema strutturale (unioni, dettagli costruttivi, ogni altra particolarità strutturale). Esclusione di qualsiasi cedimento di tipo fragile.

30. Capacità del sistema strutturale (DM 14/09/2005) La capacità del sistema strutturale in caso d’incendio si determina sulla base della capacità portante propria degli elementi strutturali singoli, di porzioni di struttura o dell’intero sistema costruttivo, comprese le condizioni di carico e di vincolo, tenendo conto dell’eventuale presenza di materiali protettivi

31. Sicurezza - probabilità Dalla sicurezza – certezza alla sicurezza – probabilità. Viene scelta prioritariamente una determinata probabilità (definita accettabile) di raggiungimento di certi stati limite. Metodo semiprobabilistico: si accetta che i valori delle variabili aleatorie abbiano una certa probabilità, assegnata, d’essere superiori o inferiori ad un valore di riferimento detto caratteristico. Ai valori caratteristici sono associati coefficienti di sicurezza, attraverso i quali si ottengono i valori di progetto.

32. Sicurezza all’incendio Relazione simbolica che descrive il confronto tra sollecitazioni applicate durante l’incendio e capacità di prestazione di resistenza ridotta dall’incendio:

33. Sicurezza all’incendio Si confronta la caratteristica di sollecitazione agente con la corrispondente sollecitazione resistente. Sezione di identiche caratteristiche geometriche, ma con caratteristiche meccaniche ridotte a causa dell’innalzamento di temperatura. Noto il campo di temperatura, raggiunto dopo un certo tempo d’esposizione al fuoco, nella sezione oggetto di verifica si associa al suddetto campo una distribuzione di coefficienti riduttivi delle caratteristiche meccaniche.

34. Sicurezza all’incendio • Resistenza: affidabilità nei riguardi dei comportamenti meccanici • Robustezza: affidabilità nei riguardi della stabilità d’insieme (ad esempio rispetto ai collassi a catena) • Durabilità: mantenimento della tenuta, dell’isolamento termico ed eventualmente di altri criteri

35. Sicurezza all’incendio La sicurezza e le prestazioni di una costruzione devono considerare gli stati limite ultimi e d’esercizio, oltre alla robustezza nei confronti di eventi accidentali (incendio)

36. Sicurezza all’incendio • Soluzioni progettuali riconosciute ed accettate (metodi tabellari), per tipi definiti d’elementi strutturali • Metodi di calcolo semplificati per tipi definiti d’elementi strutturali • Modelli avanzati e generalizzati di calcolo per la simulazione del comportamento della struttura nel suo insieme, di parti della struttura o solamente d’un elemento strutturale • Prove di laboratorio

37. Metodo tabellare (DM 16/02/2007) Confronto tra elemento realmente posto in opera ed apposite tabelle, redatte da organismi normatori riconosciuti, purché le caratteristiche dell’elemento rientrino nei limiti specificati. I dati tabellari forniscono risultati a favore di sicurezza rispetto alle prove in forno ed ai modelli di calcolo. Non è ammessa alcuna estrapolazione dei dati, né un uso estensivo delle tabelle al di fuori del loro campo d’applicazione.

38. Metodo sperimentale (DM 16/02/2007) Prova in forno del singolo elemento strutturale secondo un programma termico normalizzato, nelle effettive condizioni d’utilizzo. Le prestazioni rilevate sono certificate dal laboratorio riconosciuto ed il produttore può mettere in commercio l’elemento, accompagnato da una dichiarazione di conformità al prototipo e dalle indicazioni di montaggio ed utilizzo, le quali non devono discostarsi da quelle di prova.

39. Metodo sperimentale Norme UNI EN 1363 – 1364 – 1365: specificano i principi generali ed i metodi per determinare la resistenza al fuoco dei diversi elementi costruttivi, sottoposti a condizioni normalizzate d’esposizione all’incendio. Norme UNI ENV serie 13381: metodi di prova per la determinazione del contributo alla resistenza al fuoco di elementi strutturali a seguito d’applicazione di strati protettivi. Per la prima volta, sono definiti i limiti d’applicabilità dei risultati.

40. Metodo analitico (DM 16/02/2007) Analisi strutturale (globale, di sottostrutture ovvero di singoli elementi), ottenuta attraverso specifiche modellazioni. Metodo di validità generale, ma complesso e, in genere, limitato al criterio capacità portante R. Si effettua calcolando il transitorio termico degli elementi strutturali e la variazione di resistenza associata all’andamento della temperatura. Il procedimento deve dimostrare che la struttura, o i suoi componenti, offriranno una prestazione adeguata in caso d’incendio reale.

41. Metodo analitico Crisi strutturale in condizioni d’incendio: • Rottura delle sezioni • Instabilità di elementi compressi • Trasformazione in meccanismo (formazione di cerniere plastiche) • Eccessive deformazioni • Perdita di congruenza della geometria deformata • Perdita d’equilibrio di tipo rigido

42. Azioni sulle strutture in condizioni d’incendio L’incendio rientra nella categoria degli eventi eccezionali, per cui le azioni di progetto sono calcolate mediante l’applicazione dei coefficienti specifici per le combinazioni eccezionali di azioni meccaniche:

43. Azioni sulle strutture in condizioni d’incendio Combinazione eccezionale semplificata di azioni meccaniche (UNI CNVVF): O anche

44. Resistenza del materiale costitutivo in condizioni d’incendio La resistenza ultima di progetto in condizioni d’incendio è derivata dal valore caratteristico di resistenza del materiale, minorata attraverso l’applicazione d’un coefficiente di sicurezza

45. Resistenza del materiale costitutivo in condizioni d’incendio Azione termica dovuta all’incendio: conduzione interna per condizioni di tipo radiativo - convettivo sulla superficie esterna dell’elemento. Degrado delle caratteristiche fisiche e meccaniche dei materiali da costruzione. Azioni indirette causate dalle deformazioni termiche.

46. Trasmissione del calore all’interno dell’elemento strutturale • Geometria dell’elemento • Esposizione all’incendio • Proprietà termofisiche del materiale costitutivo (calore specifico, conduttività termica, capacità di disperdere calore per irraggiamento) • Massa volumica • Contenuto d’acqua

47. Esempio: conglomerato cementizio armato Mappatura termica d’una sezione al tempo t d’esposizione all’incendio.

48. Esempio: conglomerato cementizio armato La semplice verifica dello spessore di copriferro (temperatura dell’armatura) può essere ammessa nel caso di sezioni massicce, dove il collasso atteso è dovuto al cedimento dell’acciaio. Nel caso di sezioni sottili, dove è prevedibile il rapido riscaldamento del conglomerato, il collasso atteso può determinarsi per sfaldamento del calcestruzzo.

49. Esempio: acciaio da carpenteria La distribuzione di progetto della temperatura nella sezione resistente deve mantenersi inferiore al valore critico (temperatura in corrispondenza della quale, per un assegnato livello di carico e per una determinata configurazione, ci si aspetta il collasso d’un elemento) – Procedimento tipico del metodo tabellare. La temperatura critica è funzione del grado d’utilizzazione, dello schema statico, del fattore di massività.

50. Esempio: acciaio da carpenteria Decadimento meccanico degli elementi d’acciaio: • Riduzione della resistenza a rottura • Riduzione della tensione di snervamento • Riduzione del modulo d’elasticità Coefficiente di riduzione della tensione di snervamento dell’acciaio: