Sicurezza delle costruzioni in caso di incendio

Il tema della sicurezza delle costruzioni non può prescindere dall’analisi di casi eccezionali quanto catastrofici come il presentarsi di un incendio. Ne è, infatti, testimonianza la corposa normativa di riferimento che riguarda proprio la prevenzione incendi e la verifica di resistenza al fuoco delle strutture. In questo articolo facciamo quindi il punto su tutti i riferimenti normativi e calcoliamo la resistenza al fuoco di elementi strutturali in calcestruzzo armato., legno e acciaio.

Quali sono le misure di prevenzione e protezione in caso di incendio?

Con “Prevenzione incendi” si intende definire in modo del tutto generale quegli accorgimenti atti a ridurre l’eventualità di innesco di un incendio e minimizzarne gli effetti una volta che esso ha avuto inizio. Le azioni che mirano a diminuire la probabilità di innesco dell’incendio sono quindi le azioni di prevenzione. Invece quelle che intervengono per diminuire il danno sono azioni di protezione.

Analizziamo in primo luogo le misure di protezione. Esse possono essere attive o passive:

• Protezione attiva richiede l’intervento dell’uomo e sono tutti quei dispositivi che, in caso di incendio, svolgono un ruolo attivo nell’estinzione dello stesso (estintori, idranti, sprinkler, evacuatori di fumo e calore, rilevatori,..)
• le misure di protezione passiva non richiedono l’intervento dell’uomo e sono misure che, in caso di incendio, fanno in modo che esso abbia difficoltà a propagarsi (strutture in materiali poco combustibili o dotate di sistemi di protezione, compartimentazioni resistenti al fuoco,…)

Nell’ambito delle misure di protezione passiva il progettista strutturale gioca un ruolo chiave. Definisce infatti la classe di rischio della costruzione progettata e prevede, in particolari condizioni, anche specifici sistemi di protezione per garantire adeguata resistenza al fuoco.

Sicurezza in caso di incendio: quali effetti nelle strutture e nelle costruzioni?

Il calore che si produce e si propaga durante l’incendio agisce infatti su alcuni fattori che risultano determinanti nel definire il comportamento degli elementi strutturali:

Incremento di temperatura

Innanzitutto si registra un incremento di temperatura nei vari punti della sezione. La variazione della temperatura all’interno della sezione resistente dipende essenzialmente dalla forma e dalla conduttività termica dei materiali. Inoltre, per elementi sottili in materiali ad elevata conducibilità la temperatura si distribuisce in modo uniforme. Nel caso di sezioni di dimensioni maggiori ed in materiale più isolante (come il calcestruzzo) la distribuzione di temperatura è meno uniforme: la parte più interna tende a scaldarsi più lentamente

Degrado delle proprietà dei materiali

Un altro effetto è il degrado delle proprietà dei materiali che, con l’aumentare della temperatura, compromette le capacità di resistenza degli elementi e ne aumenta quindi la loro deformabilità. Infine citiamo l’incremento dello stato di sollecitazione per effetto di dilatazioni termiche impedite.

Il progettista ha un ruolo fondamentale nel garantire la sicurezza delle costruzioni in caso di incendio. Valuta infatti la resistenza al fuoco delle strutture tenendo conto proprio di questi effetti.

Progettare la resistenza al fuoco delle strutture: dalla normativa alla pratica

Le Norme Tecniche per le Costruzioni costituiscono il riferimento normativo principale per la progettazione delle strutture: esse recepiscono infatti i principi della normativa per la prevenzione incendi e li declinano poi in termini tecnici nell’attività specifica di progettazione strutturale. Le Norme Tecniche richiedono infatti per ciascuna tipologia strutturale la verifica di resistenza al fuoco e definiscono al capitolo 3.6 i livelli di prestazione attesi per i diversi tipi di costruzione.

Con questo articolo facciamo quindi il punto sul tema delle prestazioni delle strutture portanti soggette a incendio e forniamo alcuni spunti teorici direttamente derivabili dalla normativa. Infine, svolgeremo alcuni esempi pratici utilizzando il Modulo FUOCO di TRAVILOG che verifica la resistenza al fuoco di sezioni in cemento armato, acciaio e legno secondo le Norme Tecniche per le Costruzioni e gli Eurocodici 2, 3 e 5.

Cosa dicono le norme sulla sicurezza delle costruzioni in caso di incendio

Il concetto di sicurezza delle costruzioni in caso di incendio è stato definito in ambito comunitario dalla Direttiva 89/106/CEE del 21 dicembre 1988 (Construction Product Directive) fissandone i principi base:

Allegato I – Requisiti essenziali. Sicurezza in caso di incendio:
L’opera deve essere concepita e costruita in modo che in caso di 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 delle opere 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.

Gli stessi concetti sono stati recepiti a livello nazionale con il Decreto del Presidente della Repubblica n. 246 del 1993.

I requisiti essenziali della Direttiva Europea sono inquadrati e definiti in ambito nazionale mediante norme di settore che stabiliscono da una parte i livelli prestazionali richiesti alle strutture portanti, dall’altra specificano i criteri di calcolo necessari a garantire i livelli di sicurezza prefissati. Ulteriore comparto normativo è quello dedicato alla qualificazione e dimensionamento dei rivestimenti protettivi.

Di seguito entriamo nel dettaglio proprio delle principali norme vigenti in Italia per la sicurezza di strutture e costruzioni soggette a carico di incendio.

Sicurezza costruzioni e incendio: le norme che definiscono i livelli di prestazione

Tra le norme che specificano il livello di prestazione richiesto alle strutture portanti troviamo in primis il D.M. 9 marzo 2007 “Prestazioni di resistenza al fuoco delle costruzioni nelle attività soggette al controllo del Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco” che chiarisce come la sicurezza al fuoco delle strutture possa essere garantita se le strutture portanti hanno adeguata capacità portante e capacità di compartimentazione. Ovvero se conservano una sufficiente resistenza meccanica sotto l’azione del fuoco e un sufficiente isolamento termico ed una sufficiente tenuta ai fumi e ai gas caldi della combustione.

Al fine di limitare i rischi derivanti dagli incendi, le costruzioni devono essere progettate, realizzate e gestite in modo da garantire:

• la stabilità degli elementi portanti per un tempo utile ad assicurare il soccorso agli occupanti;
• la limitata propagazione del fuoco e dei fumi, anche riguardo alle opere vicine;
• la possibilità che gli occupanti lascino l’opera indenni o che gli stessi siano soccorsi in altro modo;
• la possibilità per le squadre di soccorso di operare in condizioni di sicurezza.

Il DM 16/02/2007 “Classificazione di resistenza al fuoco di prodotti ed elementi costruttivi di opere da costruzione” stabilisce cinque livelli di sicurezza a cui corrispondono le suddette prestazioni richieste ad una costruzione:

Per ciascun livello di prestazione gli elementi costruttivi portanti e/o separanti devono garantire fissati requisiti per un certo intervallo di tempo di esposizione al fuoco. I requisiti sono indicati con i simboli:

R : attitudine di un elemento strutturale a conservare una sufficiente resistenza meccanica sotto l’azione del fuoco;
E : attitudine di un elemento strutturale esposto al fuoco su un lato a non lasciar passare né produrre fiamme, vapori o gas caldi sul lato non esposto;
I : attitudine di un elemento strutturale a ridurre la trasmissione del calore.

Sicurezza, costruzioni e incendio: Le classi di resistenza

Le classi di resistenza esprimono, in minuti primi, la durata minima di resistenza al fuoco per cui l’elemento strutturale manifesta adeguate capacità di resistenza e/o compartimentazione. Le classi di resistenza al fuoco sono le seguenti: 15; 20; 30; 45; 60; 90; 120; 180; 240; 360.

Componendo il simbolo del requisito con il tempo di esposizione al fuoco si può stabilire la classe di resistenza dell’elemento (R30, REI90, EI120,…). Il requisito di resistenza al fuoco per elementi strutturali in genere è limitato alla sola stabilità (Rx); per gli elementi che assolvono ad una funzione propria di compartimentazione ma che sono dimensionati per essere sottoposti a determinate sollecitazioni statiche il requisiti di resistenza è REI xx; per gli elementi che invece hanno esclusivamente compito di compartimentazione, il requisito è infine EI xx oppure E xx.

Con l’emanazione del D.M. 9 maggio 2007 “Direttive per l’attuazione dell’approccio ingegneristico alla sicurezza antincendio” diventa applicabile una strategia più efficace per l’applicazione dell’approccio prestazionale che supera la visione di norma ‘prescrittiva’. Esso introduce infatti il cosiddetto “approccio ingegneristico” alla sicurezza antincendio delineando metodologie progettuali adottabili per lo studio e la verifica delle opere e costruzioni che possiedono un rischio di incendio. Tale impostazione viene rafforzata e ulteriormente aggiornata dal nuovo D.M. 3 Agosto 2015: “Approvazione di norme tecniche di prevenzione incendi, ai sensi dell’art.15 del decreto legislativo 8 marzo 2006, n. 139” e dagli ultimi aggiornamenti di gennaio 2023.

Approccio prescrittivo o ingegneristico

Ecco allora che, con le limitazioni previste dalla norma vigente, è possibile perseguire la valutazione della sicurezza delle costruzioni in caso di incendio mediante un approccio prescrittivo (con la verifica della “REI” da parte degli elementi strutturali) o ingegneristico. Mentre il primo approccio si sostanzia in una verifica anche per singoli elementi della struttura con riferimento ad una curva nominale di incendio a temperatura uniforme strettamente crescente (curva nominale “standard”) per un periodo limitato di tempo, il secondo tiene conto di un incendio verosimilmente attribuibile alla struttura (incendio “naturale”) e non può prescindere da un’analisi dell’intera struttura da effettuarsi per tutta la durata dell’incendio (compresa la fase di raffreddamento).

Sicurezza costruzioni, le norme che specificano i criteri di calcolo in caso di incendio

Il passaggio dai requisiti prestazionali richiesti alla concreta progettazione delle strutture esposte al fuoco avviene tramite norme tecniche specifiche in cui si delineano i processi metodologici di calcolo. Esse sono:

D.M. 17 gennaio 2018: definisce l’incendio come azione eccezionale applicabile a tutti i tipi di costruzione e recepisce le richieste di prestazione delle strutture definendo le procedure di analisi della resistenza al fuoco. Per i criteri di calcolo si richiamano gli Eurocodici – Parte Fuoco.

D.M. 16 febbraio 2007 introduce 3 metodi per la determinazione della resistenza la fuoco:

• sperimentale (classificazione in base a risultati di prove)
• analitico (classificazione in base a risultati di calcoli)
• tabellare (classificazione in base a confronti con tabelle)

Eurocodici Strutturali parti 1-2 Regole generali – progettazione strutturale contro l’incendio, da applicarsi con le relative appendici nazionali. Essi contengono le procedure di calcolo di dettaglio per garantire quindi le prestazioni richieste dalle NTC. Nel seguito si prenderanno in considerazione gli Eurocodici relativi al progetto delle strutture di calcestruzzo, acciaio e legno:

• UNI EN 1992-1-2-“Eurocodice 2: Progettazione delle strutture di calcestruzzo-Regole generali- Progettazione strutturale contro l’incendio.
• UNI EN 1993-1-2-“Eurocodice 3: Progettazione delle strutture di acciaio-Regole generali- Progettazione strutturale contro l’incendio.
• UNI EN 1995-1-2-“Eurocodice 5: Progettazione delle strutture di legno-Regole generali- Progettazione strutturale contro l’incendio.

Procedura per la verifica di resistenza al fuoco (capacità portante)

La resistenza al fuoco è la capacità di una costruzione, di una parte di essa o di un elemento costruttivo di mantenere, per un tempo prefissato, la capacità portante, l’isolamento termico e la tenuta alle fiamme, ai fumi e ai gas caldi della combustione nonché tutte le altre prestazioni se richieste.

Ai fini della sicurezza, la procedura di calcolo per determinare la capacità portante di strutture e costruzioni esposte ad incendio può essere articolata secondo le seguenti fasi (par. 3.6.1.5 NTC2018):

1. Definizione del modello di incendio (incendio di progetto appropriato alla costruzione)
2. Analisi della evoluzione della temperatura all’interno degli elementi strutturali
3. Analisi del comportamento meccanico delle strutture esposte al fuoco
4. Verifiche di sicurezza.

Definizione del modello di incendio

L’incendio è un processo di reazione chimica detto combustione nel quale il combustibile (il materiale che può bruciare) ed il comburente (l’ossigeno presente nell’aria), in presenza di una fonte di innesco (fiamma, scintilla, surriscaldamento), danno luogo ad una reazione chimica con la contemporanea emissione di calore e vari gas: questo processo si autoalimenta in maniera incontrollata finché sono presenti in proporzioni adeguate il combustibile ed il comburente; il processo si estingue quando uno dei due elementi si esaurisce.

Cos’è la curva di incendio

Lo sviluppo di un incendio all’interno di un ambiente confinato può essere modellato con riferimento all’andamento temporale della temperatura media durante l’incendio. In tale curva, detta curva di incendio, possiamo individuare più stadi specifici durante lo sviluppo dell’incendio:

Nella curva di sviluppo dell’incendio, fino al momento di inizio dell’incendio generalizzato agisce principalmente la reazione al fuoco dei materiali, ovvero il “Grado di partecipazione di un materiale combustibile al fuoco a cui è sottoposto”. Da quando l’incendio è completamente sviluppato interviene la resistenza al fuoco degli elementi strutturali. Con questa si intende “l’attitudine di un elemento da costruzione a conservare, quando sottoposto ad un carico termico prestabilito e per un determinato tempo, la stabilità strutturale, la tenuta al passaggio di fiamme e/o gas caldi e l’isolamento termico”.

L’andamento della curva di incendio ha una forma dipendente da diversi fattori fisico chimici riconducibili ai seguenti parametri fondamentali:

• il carico di incendio (definito nel paragrafo 3.6.1.1 delle NTC)
• tipologia e distribuzione del materiale combustibile
• fattore di ventilazione
• geometria del compartimento
• inerzia termica delle pareti.

Sicurezza delle costruzioni: i principali scenari di incendio

Ai fini delle verifiche strutturali si richiede di determinare le azioni del fuoco sugli elementi. Per farlo devono essere definiti i principali scenari di incendio ed i relativi incendi convenzionali di progetto. Le NTC fanno riferimento ad un incendio convenzionale di progetto definito attraverso una curva di incendio che può essere:

– NOMINALE: è adottata per la classificazione delle costruzioni e per le verifiche di resistenza al fuoco di tipo convenzionale per scenari differenziati; è una curva convenzionale generalmente monotona crescente che non tiene conto della fase di raffreddamento. Le curve nominali di incendio sono analiticamente definite nel paragrafo 3.6.1.5.1 delle NTC 2018.

– NATURALE: determinata in base a modelli d’incendio e a parametri fisici che definiscono le variabili di stato del compartimento antincendio quest’ultimo definito come la parte della costruzione delimitata da elementi costruttivi resistenti al fuoco. Tali modelli descrivono quindi sia la fase di riscaldamento, sia la fase di raffreddamento.

La curva naturale di incendio può essere quindi utilizzata nel caso in cui il progetto sia condotto con un approccio prestazionale, secondo le indicazioni contenute in specifici provvedimenti emanati dal Ministero dell’Interno. L’azione termica della curva naturale di incendio, applicata per l’intervallo di tempo necessario al ritorno della temperatura ordinaria, può essere determinata mediante tre modelli di incendio:

• sperimentali;
• numerici semplificati (incendio parametrico, incendio localizzato,….)
• incendio numerici avanzati (modelli a zone, modelli di campo)

Analisi della evoluzione della temperatura all’interno degli elementi strutturali

L’evoluzione della temperatura è senz’altro un fattore chiave per la sicurezza delle costruzioni in caso di incendio.

Il campo termico all’interno dei componenti della struttura viene valutato risolvendo il corrispondente problema di propagazione del calore, tenendo conto del trasferimento di calore per irraggiamento e convezione dai gas di combustione alla superficie esterna degli elementi e considerando l’eventuale presenza di materiali protettivi. (par. 3.6.1.5.2 NTC 2018)

La determinazione della distribuzione delle temperature all’interno di un elemento strutturale sottoposto all’azione termica di un incendio, richiede in generale la soluzione di un problema non lineare di diffusione. Si è infatti in presenza di un regime transitorio di conduzione interna per condizioni di tipo radiativo – convettivo sulla superficie esterna di un elemento dalla geometria complessa e di caratteristiche fisiche virabili non linearmente con la temperatura.

La soluzione del problema si ottiene risolvendo l’equazione del bilancio locale di energia, con le relative condizioni al contorno. Nell’ipotesi che il mezzo sia omogeneo, isotropo e Foureriano, il campo di temperatura è individuato dalle seguenti equazioni:

Il modello di trasmissione del calore per la progettazione strutturale potrà essere determinato mediante modelli semplificati (mappature termiche, normogrammi, …) oppure avanzati, come nel caso di analisi FEM.

La variazione della temperatura nell’elemento strutturale provoca, come accennato nell’introduzione, una modifica del comportamento meccanico dell’elemento stesso.

Analisi del comportamento meccanico delle strutture esposte al fuoco

Il comportamento meccanico della struttura viene analizzato tenendo conto della riduzione della resistenza meccanica dei componenti dovuta al danneggiamento dei materiali per effetto dell’aumento di temperatura. L’analisi del comportamento meccanico deve essere effettuata per lo stesso periodo di tempo usato nell’analisi dell’evoluzione della temperatura. (par. 3.6.1.5.3 NTC 2018). Inoltre, per avere indicazioni specifiche riguardo alla variabilità delle proprietà meccaniche dei materiali in funzione della temperatura si deve far riferimento agli Eurocodici Strutturali parti 1-2.

In riferimento alle azioni di progetto, le NTC 2018 forniscono le seguenti indicazioni: si deve tener conto della presenza delle azioni permanenti e di quelle azioni variabili che agiscono contemporaneamente all’incendio secondo la combinazione eccezionale.
Non si prende in considerazione la possibilità di concomitanza dell’incendio con altre azioni eccezionali e con le azioni sismiche.
Si deve tener conto, ove necessario, degli effetti delle sollecitazioni iperstatiche dovute alle dilatazioni termiche contrastate, ad eccezione dei seguenti casi:

• è riconoscibile a priori che esse sono trascurabili o favorevoli;
• sono implicitamente tenute in conto nei modelli semplificati e conservativi di comportamento strutturale in condizioni di incendio. (par. 3.6.1.5.3 NTC 2008)

Verifiche di sicurezza di strutture e costruzioni sotto carico di incendio

Le verifiche di sicurezza della struttura devono essere effettuate allo Stato Limite Ultimo in riferimento alla combinazione eccezionale dei carichi e possono essere eseguite

• nel dominio delle resistenze: E_d,fi ≤ R_d,t,fi
• nel dominio delle temperature: θ_d,t ≤ θ_cr,d
• nel dominio del tempo: t_{fi richiesto} ≤ t_fi,d

Di seguito si condurranno, a titolo esemplificativo, verifiche nel dominio delle resistenze e si verificherà pertanto che durante l’esposizione al fuoco per il tempo t si abbia:

E _d,fi ≤ R _d,t,fi

dove:
E _d,fi azione sollecitante in condizioni di incendio;
R _d,t,fi variazione della resistenza, in condizioni di incendio, in funzione del tempo.

Il progetto in condizioni di incendio si svolge analogamente a quello strutturale con le seguenti ipotesi di base:

• utilizzando la combinazione eccezionale dei carichi statici;
• considerando le variazioni delle caratteristiche meccaniche e della rigidezza del materiale;
• considerando azioni indirette dovute all’espansione termica in strutture iperstatiche;
• utilizzando coefficienti parziali di sicurezza dei materiali inferiori rispetto alle verifiche a freddo;
• non sono necessarie verifiche delle deformazioni salvo che in casi particolari, mentre devono essere tenuti in conto gli effetti di grandi spostamenti.

Esempi di calcolo per la sicurezza di costruzioni in caso di incendio

A corredo della trattazione teorica sulla sicurezza delle costruzioni in caso di incendio, si propongono alcuni esempi di verifica della sicurezza al fuoco di strutture in cemento armato, acciaio e legno. Le valutazioni sono condotte con TRAVILOG – Modulo FUOCO, il software che permette di progettare la sicurezza delle costruzioni in caso di incendio.

Resistenza al fuoco di una sezione in CALCESTRUZZO ARMATO

Si esegue la verifica di resistenza al fuoco R120 di una trave di solaio in calcestruzzo armato a T rovescia (calcestruzzo C25/30 e acciaio B450C), armata con 2φ12 superiori e 4φ16 inferiori e soggetta a momento di 40kN e taglio di 50kN in condizioni di incendio.

I parametri di calcolo in caso di incendio sono:

Curva	Temperatura-tempo normalizzata
Contenuto di umidità:	1.5%

LATO ESPOSTO AL FUOCO:

Curva	Temperatura-tempo normalizzata
Fattore di convezione:	α = 25 W/m2K
Emissività relativa alla superficie del calcestruzzo:	ε = 0,7
Emissività del fuoco:	ε = 1
Fattore di correzione per l’effetto ombra:	ksh = 1,0

LATO NON ESPOSTO AL FUOCO:

Curva	Temperatura-tempo normalizzata
Fattore di convezione:	α = 6 W/m2K
Fattore di correzione per l’effetto ombra:	ksh = 1,0

ESPOSIZIONE AL FUOCO

La sezione è esposta al fuoco su 3 lati. Il lato superiore è in condizioni adiabatiche.

Al fine di determinare la capacità portante allo stato limite ultimo di una sezione a caldo il modulo FUOCO di TRAVILOG permette di condurre una valutazione con metodo semplificato “Metodo dell’isoterma dei 500° C” o con il metodo analitico (Eurocodice 2 “UNI EN 1992-1-2).
Il metodo di calcolo semplificato comprende una riduzione generale della sezione trasversale rispetto a una zona danneggiata dal calore situata in corrispondenza delle superfici del calcestruzzo. Lo spessore del calcestruzzo danneggiato si pone uguale alla profondità media dell’isoterma dei 500° C nella zona compressa della sezione trasversale. Il calcestruzzo danneggiato, vale a dire il calcestruzzo che abbia raggiunto temperature maggiori di 500 °C, si presuppone non contribuisca alla capacità portante della membratura, mentre la restante sezione trasversale mantiene i suoi valori di resistenza e modulo d’elasticità iniziali.

Con il metodo analitico, al contrario, in ogni punto della sezione vengono valutati i reali decadimenti delle proprietà meccaniche della sezione in funzione delle temperature raggiunte, pertanto, il calcestruzzo non viene ignorato se raggiunge temperature maggiori di 500°C ma ne viene valutata la reale resistenza.

Calcolo con il metodo semplificato

La procedura di calcolo con il metodo semplificato è la seguente:

1. definizione dell’isoterma dei 500 °C per la specifica esposizione a incendio normalizzato o parametrico;
2. definizione di un nuovo spessore bfi e di una nuova altezza efficace dfi della sezione trasversale escludendo il calcestruzzo al di fuori dell’isoterma dei 500 °C;
3. definizione della temperatura delle barre d’armatura nelle zone tese e compresse;
4. definizione della resistenza ridotta dell’armatura in funzione della temperatura;
5. determinazione della capacità portante ultima della sezione trasversale ridotta, utilizzando la resistenza delle barre d’armatura ottenuta;
6. confronto tra la capacità portante ultima calcolata con le azioni di progetto.

Per determinare la distribuzione di temperatura per il tempo di esposizione al fuoco desiderato, si utilizza un solutore agli elementi finiti non lineare che produce la mappa delle temperature. Sulla base di essa si determina la sezione ridotta sull’isoterma a 500°, si calcolano i fattori di riduzione delle resistenze delle armature e si eseguono le verifiche di resistenza a 120 minuti.
Nelle immagini che seguono si mostrano i risultati ottenuti dall’analisi. Le verifiche di resistenza sono condotte mediante i metodi convenzionali considerando la sezione ridotta e la riduzione della resistenza dei ferri d’armatura secondo le espressioni di cui all’Eurocodice 2 “UNI EN 1992-1-2”.
Per le sollecitazioni previste, la sezione risulta verificata sia a flessione che a taglio.

Procedura di calcolo con metodo analitico

La procedura di calcolo con il metodo analitico è la seguente:

1. Analisi della diffusione delle temperature all’interno della sezione
2. Calcolo dei parametri di riduzione delle proprietà termico-meccaniche della sezione in calcestruzzo in funzione delle temperature raggiunte
3. Calcolo della riduzione di resistenza delle barre di acciaio presenti
4. Valutazione della resistenza della sezione in funzione delle proprietà dei materiali decadute.

Il decadimento della resistenza del calcestruzzo dipende, oltre che dalla temperatura, anche dalla tipologia di aggregato: siliceo o calcareo:

Resistenza al fuoco di una sezione in ACCIAIO

Si esegue nel seguito la verifica di resistenza al fuoco R20 di una trave di lunghezza 3m in acciaio S275, semplicemente appoggiata, avente come sezione il profilo HEB 200 e sollecitata con:

momento flettente attorno all’asse forte	M(Ed,y) = 150 kNm
azione di taglio	V(Ed,z) = 190 kN

Si conducono le verifiche di resistenza a flessione retta e taglio.

I parametri di calcolo in caso di incendio sono:

Curva	Temperatura-tempo normalizzata
Fattore di convezione	α = 6 W/m2K
Emissività relativa alla superficie dell’acciaio	ε = 1
Fattore di correzione per l’effetto ombra	ksh = 1,0

La variazione di temperatura in elementi in acciaio viene determinata con l’assunzione che la distribuzione delle temperature nelle sezioni trasversali sia uniforme; tale ipotesi è giustificabile dal fatto che i materiali metallici sono caratterizzati da una conducibilità termica elevata e che gli spessori utilizzati in strutture metalliche sono molto inferiori rispetto a quelli in calcestruzzo o legno.
La variazione di temperatura in elementi in acciaio non protetti viene dunque determinata mediante la formula 4.25 di cui al paragrafo 4.2.5.1 dell’Eurocodice 3 in ipotesi di distribuzione di temperatura uniforme nella sezione trasversale:

Il parametro A _m/V può essere determinato mediante il prospetto 4.2 dell’Eurocodice 3 e valido per elementi non protetti.

L’ipotesi di sezione per il caso studio

Per il caso in studio, nell’ipotesi di sezione esposta su tutti i lati:
A _m/V = perimetro/area della sezione = 145,5 m ^-1
a cui corrisponde una temperatura T = 710° per un’esposizione al fuoco di 20 minuti.

I parametri di resistenza di una trave in acciaio soggetta a incendio, vengono determinati a partire dai corrispondenti parametri a temperatura ordinaria ridotti mediante un fattore dipendente dalla temperatura raggiunta dall’acciaio durante l’esposizione al fuoco.
A tal scopo si utilizza il Prospetto 3.1 dell’Eurocodice 3 parte 1-2.
Per il caso in studio, il fattore di riduzione della resistenza di snervamento effettiva, k _y,φ, associato alla temperatura T = 710° , può essere determinata mediante interpolazione lineare e vale: k _y,φ = 0,218.

Sicurezza, costruzioni e incendio: le resistenze di calcolo

Le resistenze di calcolo in condizioni di incendio, distinte per sollecitazioni, per la sezione in studio (ricadente in classe 1) sono determinate conformemente al par. 4.2.3 “Resistenza” dell’EC3 per un valore di k _y,φ = 0,218:

Note le resistenze di calcolo, vengono condotte ora le verifiche di resistenza a flessione e taglio. Inoltre, la verifica a flessione retta si esegue confrontando il momento agente con il momento resistente:
M _Ed,y/M _fi,φ,Rd,y = 150 / 194 = 0,77 < 1

La verifica è pertanto soddisfatta.
La verifica a taglio viene quindi condotta confrontando il taglio agente con il taglio resistente:
V _Ed,z/V _fi,t,Rdz = 190 / 242,7 = 0,78 < 1

Anche in questo caso la verifica è soddisfatta.

Resistenza al fuoco di una sezione in LEGNO

Si esegue di seguito la verifica di resistenza al fuoco R60 di una trave in legno lamellare GL24h, semplicemente appoggiata, avente sezione rettangolare 10 x 24 cm sollecitata con:

azione assiale di compressione	NEd = 3 kN
momento flettente attorno all’asse forte	MEd,y = 4,2 kNm
azione di taglio	VEd,z = 4,2 kN

Verranno condotte le verifiche di resistenza a pressoflessione e taglio.

Si ipotizza una durata di applicazione del carico di 60 settimane in ambiente caratterizzato da una temperatura di 20° C ed una Umidità Relativa pari al 75%, si determinano così:

• Classe di servizio: 2
• Durata del carico: Lunga durata.

Si propone nel seguito il calcolo della resistenza meccanica della trave in legno lamellare sottoposta a incendio mediante il “metodo della sezione efficace” (Eurocodice 5 – par 4.2.2 “Metodo della sezione trasversale ridotta”). Si determina la dimensione della sezione resistente in caso di esposizione ad un incendio su 3 lati per un tempo t di 60 minuti.

La sezione trasversale efficace viene valutata riducendo la sezione trasversale iniziale per la profondità di carbonizzazione efficace d _ef :

Si ottiene pertanto:
d _ef = d _char,n+k ₀ d0 = 49 mm

Le dimensioni della sezione efficace sono:

b _eff = b – 2 × d _ef = 100 – 2 × 49 = 2 mm
h _eff = h – d _ef = 240 – 49 = 191 mm

Larghezza della sezione

La larghezza della sezione non è sufficiente a garantire una resistenza al fuoco per incendio di 60 minuti; si ipotizza pertanto di porre in opera a protezione 2 lastre di cartongesso tipo A di spessore 15 mm.

In tali condizioni si applicano le seguenti considerazioni:

• l’inizio della carbonizzazione è spostato all’istante t_ch;
• fino alla rottura t_f della protezione; la carbonizzazione procede a velocità inferiore;
• dopo la rottura e fino al tempo t_a (quando la profondità di carbonizzazione eguaglia la profondità di carbonizzazione dello stesso elemento senza protezione), la velocità di carbonizzazione aumenta;
• oltre l’istante t_a oppure quando si raggiungono i 25mm, la velocità di carbonizzazione coincide con quella della struttura non protetta.

Quanto detto è riportato efficacemente nel diagramma di cui alla figura 3.6 dell’ Eurocodice 5:

Per i pannelli di cartongesso adottati (tipo A), il momento in cui inizia la carbonizzazione coincide con la rottura della protezione: t _f = t _ch. La curva dunque si semplifica come mostrato in figura 3.4 dell’ Eurocodice 5.
Per il calcolo di t _f = t _ch si fa riferimento all’espressione 3.4.3.3 (3) dell’Eurocodice 5:

t _ch = 2,8 × h _p – 14 = 49 minuti
dove h _p è pari allo spessore dello strato più esterno sommato al 50% dello strato più interno.

Per la valutazione del tempo t _a, si fa riferimento all’espressione 3.8 – § 3.4.3.2 Eurocodice 5. Si ottiene t _a = 66,9 minuti.

Secondo quanto riportato nel § 3.4.3.2 (4) dell’ Eurocodice 5, k ₃ è sempre pari a 2.

Velocità di carbonizzazione

Poiché la verifica di resistenza è condotta in ipotesi di esposizione al fuoco di 60 minuti, ci troviamo nel tratto di curva compreso tra t _f e t _a. La velocità di carbonizzazione della sezione, e quindi il valore di β _n, per la definizione della sezione efficace è moltiplicato per il fattore k ₃ pari a 2. Si ottiene quindi

d _ef = d _char,n+ k ₀d ₀ = k ₃ × β _n × (t-t _f) + k ₀d ₀ = 2 × 0,7 × (60- 49)+ 7 × 1 = 22,4 mm

Le dimensioni della sezione efficace sono:
b _eff = b-2 × d _ef = 100-2 × 22,4 = 55,2 mm
h _eff = h – d _ef = 240 – 22,4 = 217,6 mm

Per la verifica di resistenza a pressoflessione, la norma definisce come criterio di verifica l’imposizione del sistema di condizioni costituito dalle seguenti due disequazioni:

dove:
k _m è un coefficiente ridistributivo delle tensioni e vale
k _m = 0,7 per sezioni trasversali rettangolari
k _m = 1,0 per altre sezioni trasversali.

Per l’esempio in esame, si ha:

In definitiva:

• I disequazione: 0,318 < 1
• II disequazione: 0,222 < 1

La sezione risulta quindi verificata.

Verifica di resistenza al taglio

Infine, per la verifica di resistenza a taglio il criterio riportato in normativa è un confronto diretto tra la tensione massima tangenziale valutata nella sezione maggiormente sollecitata e la resistenza di calcolo a taglio:

τ _d ≤ f _v,d

Per il caso in esame risulta:

La sezione risulta quindi VERIFICATA.

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