Progettazione e Verifica Resistenza al Fuoco

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4. Criteri di progetto: Principali metodi di progetto e verifica
(con semplice esempio applicativo tramite software)
Per progettare la resistenza al fuoco delle strutture bisogna sempre
verificare che queste possano sempre garantire una resistenza maggiore
della capacità distruttiva dell’incendio che potrebbe venirsi a creare.
Per fare questo bisogna ricorrere a delle misure preventive che
assicurino la salvaguardia delle persone e minimizzino i danni arrecabili
alle strutture.
4.1.
Sicurezza antincendio
Il concetto di sicurezza antincendio è un qualcosa che non riguarda
solo la progettazione iniziale ma tutta la durata della struttura al fine di
garantire la corretta gestione di una eventuale emergenza.
In base alla struttura da salvaguardare e su cui operare le misure
preventive, il codice di prevenzione incendi indica i livelli di prestazione
minimi da attribuire all’attività.
Fig. X Livelli di prestazione
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Ogni opera deve garantire che in caso di incendio le strutture
portanti restino integre per il tempo che occorre agli occupanti di lasciare
l’opera.
Ciò presuppone la progettazione del maggior numero di elementi
con materiali incombustibili, impianti a regola d’arte e collegamenti
elettrici a terra, il tutto abbinato a una manutenzione puntuale e
programmata.
Non meno importante è la formazione delle persone che operano
all’interno di strutture quali negozi, magazzini, autorimesse, e non da meno
deve essere la prevenzione anche in ambito privato.
Infatti per ogni abitazione privata si prevede la certificazione di un
tecnico riguardo agli impianti, per quanto concerne le attività commerciali
invece si prevede l’emissione del certificato di prevenzione incendi (CPI)
da parte dei vigili del fuoco.
Per quanto riguarda l’ambito progettuale che ci concerne, invece,
non possiamo parlare di progettazione attraverso materiali ignifughi ma
possiamo
comunque
adottare
soluzioni
che
mitighino
eventuali
problematiche legate all’incendio.
4.2.
Resistenza al fuoco degli elementi in cemento armato
La norma UNI 9502 dà le indicazioni per lo studio delle strutture
composte da cemento e armature metalliche soggette al fuoco.
Si distinguono quindi due casi, da una parte il conglomerato
cementizio e dall’altra le armature.
Nel primo elemento si assiste ad un decadimento della resistenza
meccanica, espresso dalle relazioni:
 fck(Q) = kc(Q)*fck(20°)
dove kc(Q) indica il fattore di riduzione della resistenza a compressione.
 fctk(Q) = kct(Q)*fctk(20°)
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dove kct(Q) indica il fattore di riduzione della resistenza a trazione.
I valori di kc(Q) e kct(Q) sono tabellati.
Tab. 1 Valori di kc(Q)
kc(Q)=1
20° ≤ Q < 100°
kc(Q)=(1600-Q)/1500 100° ≤ Q < 400°
kc(Q) =(900-Q)/625 400° ≤ Q < 900°
kc(Q) =0
Q ≥ 900°
Tab. 2 Valori di kct(Q)
kct(Q)=1
20° ≤ Q < 100°
kct(Q)=(600-Q)/500 100° ≤ Q < 600°
kct(Q) =0
Q ≥ 600°
Per quanto riguarda le armature si studia il decadimento della
resistenza caratteristica analoga a quella del calcestruzzo ma con valori
diversi.
 fyk(Q) = ks(Q)*fyk(20°)
dove ks(Q) indica il fattore di riduzione della resistenza caratteristica delle
armature ed è distinto in due sezioni: ks1 quando le armature si trovano in
zona compressa (pilastri ed elementi compressi) e ks2 quando si trovano in
zona tesa (travi e solette e con una deformazione ultima minore del 2%).
Anche in questo caso i valori di ks1 e ks2 vengono tabellati.
Tab. 3 Valori di ks1(Q)
ks1(Q)=1
20° ≤ Q < 350°
ks1(Q)=(6650-9*Q)/3500 350° ≤ Q < 700°
ks1(Q) =(1200-Q)/5000 700° ≤ Q < 1200°
ks1(Q) =0
Q ≥ 1200°
Tab. 4 Valori di ks2(Q)
ks2(Q)=1
20° ≤ Q < 100°
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ks2(Q)=(1100-Q)/1000
100° ≤ Q < 400°
ks2(Q) =(8300-12*Q)/5000 400° ≤ Q < 650°
ks2(Q) =(1200-Q)/5000
650° ≤ Q < 1200°
ks2(Q) =0
Q ≥ 1200°
Fig.X Andamento di kc e kct
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
kc
0,4
kct
0,3
0,2
0,1
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
90
80
70
60
50
40
30
20
0
Fig.X Andamento di ks1 e ks2
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
ks1
0,4
ks2
0,3
0,2
0,1
20
30
40
50
60
70
80
90
100
200
300
350
400
500
600
650
700
800
900
1000
1100
1200
0
Il calcolo della resistenza al fuoco si traduce nella distribuzione
delle varie temperature all’interno di ogni elemento.
È possibile quindi studiare e anche graficare una mappatura delle
temperature a cui l’elemento è soggetto, aggiungendo dei paramenti qualora
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fossero presenti dei rivestimenti che aumentano o diminuiscono l’effetto
ignifugo.
Ciò può essere fatto attraverso metodi semplificati oppure
modellazione agli elementi finiti.
La determinazione della distribuzione delle temperature è un
problema non lineare in quanto si è in presenza di un regime transitorio di
conduzione che avviene all’esterno di una struttura sulla quale agiscono
variabili fisiche anch’esse non dipendenti linearmente con la temperatura.
4.3.
Progettazione e verifica delle strutture sottoposte ad incendio
Come criteri generali per la progettazione di strutture resistenti al fuoco
compaiono tre fattori:
 Criterio di capacità portante R (resistenza meccanica mantenuta per
tutto il tempo di esposizione al fuoco);
 Criterio di tenuta E (non lasciar passare fiamme o fumi nella
superficie non esposta al fuoco)
 Criterio di isolamento I (aumento della temperatura media, sulla
superficie non esposta, inferiore a 140K e aumento della temperatura
massima, sulla superficie non esposta, di 180K) .
La procedura per la verifica di resistenza al fuoco è descritta nelle
NTC2018, che descrive l’incendio come un’azione eccezionale al capitolo
3.6.1, e che dà proprio la definizione di capacità portante di una struttura
sottoposta a incendio come “…l’attitudine di una struttura, di una parte
della struttura o di un elemento strutturale a conservare una sufficiente
resistenza meccanica sotto l’azione del fuoco con riferimento alle altre
azioni agenti… “ .
Le verifiche di sicurezza possono essere affrontate considerando tre
diversi aspetti:
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 il dominio delle resistenze: Ed,fi ≤ Rd,t,fi (1)
L’azione che agisce sull’elemento durante l’incendio deve essere minore
della resistenza esplicitata in funzione del tempo.
 il dominio delle temperature: θd,t ≤ θcr,d
Si confronta la temperatura limite dell’elemento con la massima
temperatura dell’incendio di progetto.
Si considera quindi la temperatura limite che si raggiunge quando la
capacità portante dell’elemento è uguale ai carichi di progetto oppure la
temperatura al di sopra della quale è previsto il collasso dell’elemento.
 il dominio del tempo: tfi richiesto ≤ tfi,d
Si considera il tempo equivalente di un incendio standard della stessa
gravità, spesso indicata come classe di resistenza.
La classe di resistenza si può ottenere da elenchi di valori sperimentali
legati a specifici prodotti o da valori fondati su pareri di esperti
qualificati.
La valutazione della resistenza al fuoco si esegue sulla base di
molteplici aspetti:
 si determina un incendio di progetto adeguato alla struttura da
analizzare;
 si determinano le distribuzioni di temperature a seconda del tempo di
esposizione dell’elemento strutturale;
 si studia la variazione delle proprietà meccaniche al variare della
temperatura;
 si deve verificare la capacità portante allo stato limite ultimo con il
metodo agli stati limite.
Condizione essenziale è che le caratteristiche meccaniche si
mantengano per tutta la durata dell’incendio.
Le forze agenti vengono calcolate come avviene solitamente nella
progettazione strutturale, aggiungendo però alcuni parametri adeguati alla
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condizione di incendio. Si valuta la combinazione meno gravosa di carico
eccezionale
Ffi,d= gG,A*G1 + G2 + P + Ad + y2,1*QK,1 + Sy 2,i*QKi
Dove:
Ffi,d = Azione di progetto
gG,A = Coefficiente parziale di sicurezza per azioni eccezionali (in caso di
incendio gG,A =1)
G1 = Peso proprio elementi strutturali
G2 = Peso proprio elementi non strutturali
P = precompressione
Ad = Valori di progetto derivanti dall’esposizione al fuoco
y2,1 = Coefficiente associate all’azione variabile principale
QK,1 = Valore caratteristico dell’azione variabile principale
y 2,i = Coefficiente di combinazione delle azioni variabili secondarie
QK,i = Valore caratteristico di altre azioni variabili
y2,1 e y 2,i sono tabellati in base alla categoria e all’azione variabile.
In ogni istante la temperatura via in funzione della condizione
dell’elemento stesso sia in funzione della temperatura degli elementi attigui.
Fig. X Valori dei coefficienti di combinazione in caso di azione eccezionale (incendio)
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Per la valutazione delle azioni a freddo, i valori di progetto
vengono tutti sottoposti ad un fattore di riduzione hfi a seconda della
situazione di incendio.
𝜂𝑓𝑖 =
𝐺𝑘 + 𝜓𝑓𝑖 ∙ 𝑄𝑘,1
𝛾𝐺 ∙ 𝐺𝑘 + 𝛾𝑄,1 ∙ 𝑄𝑘,1
Nella peggiore delle ipotesi, il valore massimo che può assumere
𝜂𝑓𝑖 è di 0.70. Questo si traduce in una riduzione di sollecitazione del 30%
rispetto alla valutazione di azioni a caldo.
Non esiste un metodo assoluto per studiare il comportamento degli
elementi, ragion per cui ci si affida a delle procedure che utilizzano:
1. metodi tabellari e basati sull’esperienza (il calcolo viene fatto sui
componenti direttamente esposti al fuoco. Le azioni termiche si
applicano per una durata massima di 120 minuti e si ipotizza che su
tutto l’elemento agisca la stessa distribuzione di temperatura.
Quando si utilizza questo metodo non si procede alla verifica di
resistenza a taglio o torsione né dello spalling. Le tabelle forniscono
le dimensioni minime che devono avere gli elementi in caso di un
determinato evento e in funzione di 𝜂𝑓𝑖 ).
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Fig. X Allegato D.5.1 al DM16/02/2007: Valori minimi di altezza H di solai e solette e distanza dall’asse
delle armature alle superfici esposte al fuoco per garantire il requisito di classe R
Fig. X Allegato D.6.1 al DM16/02/2007: Valori minimi della base b della sezione, della distanza a dall’asse
delle armature alla superficie esposta al fuoco per garantire il requisito di classe R.
2. metodi di calcolo semplificati con particolari tipi di membratura
(usati per determinare la capacità portante allo SLU di una sezione,
con metodi di riduzione della sezione, e confrontarla con la
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combinazione di azioni di calcolo. Tra questi va annoverato il
metodo dell’ Isoterma 500°) .
Per i metodi di calcolo avanzati ci si deve affidare a software di
calcolo che possano effettuare analisi non lineari.
4.4.
Iperstatiticità nelle strutture sottoposte ad incendio
Le strutture che presentano molteplici iperstaticità riescono a
distribuire meglio il carico verso elementi più resistenti.
Maggiore è il grado di iperstaticità, maggiori sono i percorsi di
ridistribuzione del carico, di conseguenza risulta improbabile il collasso
dell’intero edificio a causa di un incendio localizzato.
Una struttura iperstatica è sempre considerata vantaggiosa nella
progettazione strutturale all’incendio: nelle costruzioni in calcestruzzo
questo aspetto è garantito dalla natura stessa del cemento armato, nelle
costruzioni metalliche va invece tradotta nel progetto dei collegamenti fra
gli elementi.
4.5.
Metodo Tabellare
A livello nazionale la normativa di riferimento è il D.M. 16/02/2007
(Classificazione di resistenza al fuoco di prodotti ed elementi costruttivi di
opere da costruzione), che riporta alcune tabelle contenute nel UNI EN
1992-1-2.
Per gli elementi in cemento armato sono disponibili tabelle per la
progettazione di:
 Murature non portanti in blocchi realizzati con calcestruzzo normale
con funzione di compartimentazione e isolamento: le prescrizioni
riguardano lo spessore della parete (escluso l’intonato) e valgono per
altezze di solai inferiori a 4 m.
 Murature non portanti in blocchi realizzati con calcestruzzo
alleggerito con funzione di compartimentazione e isolamento:
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valgono le stesse prescrizioni dei blocchi non alleggeriti, ma a parità
di classe questi permettono una riduzione di spessore, poiché la
resistenza meccanica è maggiore e la diffusività termica minore.
 Solette piene e solai alleggeriti con funzione portante e di
compartimentazione e isolamento: è richiesto uno strato pieno di
materiale isolante con conducibilità termica inferiore a quella del
calcestruzzo.
Tab. X Solette e solai: confronto tra D.M. 16/02/2007 e UNI EN 1992-1-2
CLASSE
EI30
EI60
EI90
EI120
EI180
EI240
SPESSORE MINIMO (mm)
UNI EN 1992-1-2
D.M. 16/02/2007
60
60(40)
80
60(40)
100
100(50)
120
100(50)
150
150(60)
175
150(60)
 Travi
 Pilastri
 Pareti portanti e non portanti.
Per le verifiche di resistenza di solette piene, solai alleggeriti, travi e
pilastri, il valore minimo indicato dalla normativa è
4.6.
Progettazione al fuoco secondo l’Eurocodice
Secondo quanto espresso dalle relazioni precedenti (1), deve essere
sempre soddisfatta l’equazione secondo cui l’azione sollecitante in caso di
incendio deve essere sempre minore della variazione di resistenza (funzione
del tempo).
Questo studio può essere fatto sui singoli elementi, analizzando
delle sottostrutture oppure per l’intera struttura, considerando sia le
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deformazioni termiche sia le variazioni delle caratteristiche termomeccaniche dei materiali durante l’incendio.
A seconda degli elementi da considerare esistono delle tabelle nelle
quali sono esplicitati i valori di spessore e distanza minima delle armature
per garantire una resistenza al fuoco degli elementi per 120’.
Nell’eurocodice sono nominati vari metodi semplificati per la
verifica al fuoco degli elementi, come l’ “Isoterma 500°C” e quello “a
zone”.
4.6.1.
Metodo dell’isoterma 500°C
Si considera una sezione trasversale ridotta, nella quale si ipotizza
che il calcestruzzo che abbia raggiunto temperature maggiori di 500 °C non
possa più dare alcun contributo alla resistenza. La restante sezione
trasversale mantiene i suoi valori di resistenza e modulo d’elasticità iniziali.
Se ad esempio consideriamo una trave rettangolare esposta al fuoco
su tre lati, la sezione trasversale efficace in situazione di incendio viene
individuata determinando un nuovo spessore bfi e una nuova altezza efficace
dfi della sezione, trasversale escludendo il calcestruzzo al di fuori
dell’isoterma dei 500 °C.
Dopo aver stimato la temperatura, si calcola la resistenza a rottura
della nuova sezione ridotta.
Questo metodo trova validità con spessori minimi di sezione
tabellati:
4.6.2.
Metodo a zone
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Si considera una sezione trasversale ridotta e si ognora la parte
deteriorata sottoposta a incendio (di spessore az).
Per la valutazione di az, la sezione viene divisa in elementi
rettangolari di uguale spessore in cui si andrà a misurare la temperatura
media e la resistenza a compressione media fcd(Q).
4.7.
Calcolo della resistenza al fuoco di una sezione rettangolare
Per allegare una valida attestazione delle disquisizioni riportate in
questo capitolo, si è voluto aggiungere un breve esempio di calcolo che
mostra, tramite l’utilizzo di un software commerciale, le varie isoterme e
l’eventuale riduzione di sezione.
Il software utilizzato fa parte della suite Namirial, e in particolare si
è usato “CPI win REI” per la risposta della sezione.
Dati iniziali:
 Sezione 30x50 cm
 Elemento di protezione impostato: REI 60
 Fronti fuoco: 4 lati esposti
 Sollecitazioni: momento Mx= 2000 daN m
 Incendio da idrocarburi (Tmax=1100 °C)
 Rck calcestruzzo: C25/30
 Acciaio da armatura: B450C
 Armatura: 5ϕ16
 Tempo di incendio: 120 minuti
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Si è avviata una verifica con Eurocodice 1992-1-2 che ha dato
come restituzione l’andamento delle isoterme con le varie temperature
raggiunte.
Oltre alle temperature si è potuto calcolare se tale sezione, nelle
condizioni sopra esposte, si sarebbe ridotta.
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Così è stato e nell’immagine che segue è possibile vedere la sezione
ridotta (in giallo) a confronto con quella iniziale.
Inoltre è stato possibile prevedere il tempo di spalling e la
profondità.
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