Progettazione antincendio: le procedure per una corretta esecuzione

Nella progettazione o verifica di una struttura occorre considerare anche le azioni eccezionali che tengono conto dei fenomeni quali incendio, urti o esplosioni. Definito il livello di prestazione e la classe di resistenza al fuoco richiesta che il fabbricato deve avere, occorre seguire le seguenti procedure individuate in 4 fasi:

individuazione dell’incendio di progetto appropriato alla costruzione in esame;
analisi dell’evoluzione della temperatura all’interno degli elementi strutturali;
analisi del comportamento meccanico delle strutture esposte al fuoco;
verifiche di sicurezza.

La fase preliminare di definizione della classe di resistenza al fuoco è necessaria per individuare l’intervallo di tempo durante il quale la struttura, o parte di essa, deve garantire la prestazione richiesta in caso di incendio. La classe di resistenza al fuoco valuta a partire dal livello di prestazione richiesto, individuato in relazione alla destinazione d’uso dell’edificio, alla tipologia e quantità di combustibile presente in esso, al massimo affollamento previsto e alle misure di protezione all’incendio presenti.

I livelli di prestazione nella progettazione antincendio

Per ogni livello il Decreto del Ministro dell’interno del 9 Marzo 2007 individua la classe di resistenza, cioè il tempo, espresso in minuti, durante il quale deve essere garantita la resistenza al fuoco. I livelli sono 5, così definiti:

Al Livello I non corrisponde nessun requisito specifico di resistenza al fuoco oppure dove le conseguenze della perdita dei requisiti siano accettabili e dove il rischio sia trascurabile. In questi casi non è necessario prevedere una verifica all’incendio, poiché non è ammesso per le costruzioni classificate a rischio incendio.
Al Livello II corrisponde un mantenimento dei requisiti di resistenza al fuoco per un periodo sufficiente all’evacuazione degli occupanti in luogo sicuro all’esterno della costruzione. La classe di resistenza al fuoco vale 30 per costruzioni ad un piano e fuori terra, 60 per costruzioni a due piani e un piano interrato.
Il Livello III prevede che sia garantito il mantenimento dei requisiti di resistenza al fuoco per un periodo congruo con la gestione dell’emergenza. Per tale livello, che può ritenersi adeguato, per gli edifici da destinare ad attività classificate a rischio incendio, la classe dipende dal valore del carico d’incendio specifico di progetto q_fd, calcolato sulla base del suo valore nominale q_f.
Il Livello IV prevede che i requisiti di resistenza al fuoco siano tali da garantire, dopo la fine dell’incendio un danneggiamento limitato della costruzione.
Il Livello V prevede che requisiti di resistenza al fuoco siano tali da garantire, dopo la fine dell’incendio il mantenimento della totale funzionalità della costruzione. Questo livello, così come il precedente, può essere richiesto per costruzioni destinate ad attività di particolare importanza.

Per il calcolo del valore nominale del carico di incendio specifico q_f [MJ/m²] (carico di incendio per unità di superficie) si fa riferimento al decreto del Ministro dell’Interno del 09/03/2007:

$q_{f}=\frac{1}{A}\stackrel[i=1]{n}{\sum}g_{i}\cdot H_{i}\cdot m_{i}\cdot\psi_{i}$

dove g_i[kg] è la massa dell’i-esimo materiale combustibile presente all’interno del compartimento; H_i[MJ/kg] il relativo potere calorifero inferiore; m_iè il fattore di partecipazione alla combustione (pari a 0,80 per il legno e altri materiali di natura cellulosica e 1 per tutti gli altri combustibili); ψ_i è il fattore di limitazione della partecipazione alla combustione dell’i-esimo materiale (pari a 0 se il materiale è contenuto in un contenitore progettato per resistere al fuoco, a 0.85 se contenuto in un contenitore non combustibile ma non progettato per resistere al fuoco e pari a 1 in tutti gli altri casi); A [m²] è la superficie in pianta lorda del compartimento.

A partire dal valore di q_f si calcola il carico d’incendio specifico di progetto e, successivamente, si valuta la classe di resistenza.

$q_{f,d}=q_{f}\cdot\delta_{q1}\cdot\delta_{q2}\cdot\delta_{n}$

dove:

δ_q1è un fattore che tiene conto del rischio di incendio in relazione alla superficie del compartimento; δ_q2è un fattore che tiene conto del rischio di incendio in relazione all’attività svolta nel compartimento; δ_n = Π δ_ni è un fattore che tiene conto delle varie misure di protezione dall’incendio presenti all’interno del compartimento.

*Tabella 1. Classe di resistenza al fuoco al variare del carico di incendio*

Applicazione con IperSpace BIM

Definito l’intervello di tempo durante il quale garantire la resistenza, le 4 fasi di progettazione e verifica elencate in precedenza sono completamente compatibili con la procedura implementata per le verifiche all’incendio in IperSpace BIM, software per il calcolo strutturale agli elementi finiti in cemento armato, acciaio, legno di Soft.Lab.

La procedura descritta di seguito fa riferimento alle verifiche antincendio condotte su un edificio in cemento armato (Figura 1), rettangolare in pianta, che si sviluppa su tre livelli, costituito da tre telai a tre campate in una direzione e tre telai a due campate nell’altra.

*Figura 1. Struttura da analizzare in IperSpace BIM*

A titolo di esempio, si è ipotizzato che l’incendio si sviluppi al primo piano: si effettuerà pertanto la verifica del pilastro 4 (evidenziato in Figura 2).

*Figura 2. Vista dell’elemento da verificare all’incendio*

Definizione dell’incendio

La prima fase ha l’obiettivo di definire lo scenario d’incendio di progetto e la corrispettiva azione termica da considerare nelle analisi successive. L’incendio di progetto è rappresentato da una curva temperatura-tempo che esprime l’andamento temporale della temperatura media dei gas di combustione nell’intorno della superficie degli elementi strutturali. Tali curve possono essere, sostanzialmente, di due tipi: nominali, per effettuare una verifica di tipo convenzionale, o naturale, se ottenuta attraverso modellazione di tipo sperimentale.

Le curve nominali rappresentano idealmente un incendio ma non tengono in considerazione nessuno dei parametri fisici che ne influenzano lo sviluppo e la crescita: ciò significa che la curva è la stessa a prescindere dalla tipologia di compartimento e combustibile presente all’interno dello stesso.

Tali curve trascurano la fase di innesco dell’incendio e non presentano un ramo discendente, rappresentativo della fase di raffreddamento: pertanto, la fine dell’evento coincide con lo sviluppo della temperatura massima all’interno dell’ambiente.

All’interno delle NTC2018 sono riportate tre differenti curve nominali, da applicare a un comportamento dell’edificio alla volta:

la curva nominale standard ISO 834, nel caso di incendi di materiali combustibili di natura cellulosica,
la curva nominale degli idrocarburi, nel caso di incendi di rilevanti quantità di idrocarburi,
la curva nominale esterna, nel caso di incendio che si sviluppano all’interno del compartimento ma coinvolgono strutture poste all’esterno.

*Figura 3. Rappresentazione delle curve d’incendio nominale proposte dalle NTC*

Le curve naturali si determinano tenendo conto della durata totale dell’incendio, compresa la fase di raffreddamento fino al ritorno alla temperatura ambiente. Per la loro costruzione si possono utilizzare sia modelli semplificati che avanzati.

All’interno dei modelli semplificati rientrano le curve parametriche, di facile determinazione, che tengono conto di alcuni parametri che caratterizzano il comportamento all’interno del quale si sviluppa l’incendio, quali le proprietà termiche dei materiali che lo compongono, la geometria dell’ambiente, le aree di ventilazione, ecc.

L’espressione generale della curva parametrica è riportata all’interno dell’appendice A della EN 1991-1-2.

Si tenga presente che le curve nominali e parametriche possono essere utilizzate solo nell’ipotesi che la temperatura raggiunta a seguito dell’incendio sia uniforme all’interno del compartimento.

I modelli avanzati, tra i quali si ricordano i modelli a zona e i modelli di campo, sono basati sulla risoluzione delle equazioni di conservazione della massa e dell’energia; queste possono essere utilizzate per fornire informazioni in vari punti all’interno della zona di analisi. Tali modelli tengono conto di tutti i parametri fisici, termodinamici e aerodinamici che entrano in gioco durante la durata dell’incendio.

Al termine di questa prima fase fissata la durata dell’incendio, che dipende dalla classe di resistenza al fuoco della struttura, è nota la temperatura che si raggiunge all’interno del compartimento da analizzare.

In IperSpace Bim questa procedura è completamente automatizzata. All’elemento da verificare si assegna un criterio di verifica ad hoc, all’interno del quale specificare quale tipologia di curva di incendio prendere in considerazione, la tipologia di materiale, l’intervallo di tempo rispetto al quale effettuare la verifica (parametro noto dopo aver definito la classe di resistenza al fuoco della costruzione), quante e quali sono le facce dell’elemento esposte al fuoco. (Figura 4)

*Figura 4. Sezione relativa alle verifiche incendio all’interno del criterio di verifica*

Analisi della trasmissione del calore

Note le temperature all’interno del compartimento, la seconda fase ha l’obiettivo di valutare il flusso termico all’interno dei componenti della struttura, in modo da individuare la distribuzione di temperatura che questi raggiungono per effetto dell’incendio. Il campo termico è valutato risolvendo il problema della propagazione del calore, tenendo conto sia della trasmissione di calore per irraggiamento che per convezione dei gas di combustione degli elementi; è necessario, inoltre, considerare l’eventuale presenza di materiali protettivi. Il flusso termico netto h_net[W/m²] è dato dalla relazione:

$h_{net}=\alpha_{c}(\Theta_{g}-\Theta_{m})+\Phi\cdot\varepsilon_{r}\cdot\sigma(\Theta_{g}^{4}-\Theta_{m}^{4})$

somma di un termine convettivo e uno radiativo. αc è il coefficiente convettivo, Θ_g la temperatura che si raggiunge per effetto dell’incendio, Θ_m la temperatura della superficie dell’elemento, Φ il fattore di configurazione, ε_rl’emissività relativa e σ la costante di Stefan-Boltzmann.

A partire dal valore di h_net, gli Eurocodici forniscono tutte le indicazioni per calcolare la variazione di temperatura ΔT all’interno della sezione dell’elemento da analizzare.

Analisi del comportamento meccanico della struttura

Nota la distribuzione di temperatura all’interno dell’elemento strutturale, si valutano le sue resistenze tenendo conto che queste ultime sono ridotte per effetto del danneggiamento dei materiali conseguente all’aumento di temperatura. Per la determinazione dei fattori di riduzione delle resistenze dei materiali le NTC2018 fanno riferimento agli Eurocodici che forniscono tutte le indicazioni sulle proprietà dei materiali acciaio e calcestruzzo.

*Figura 5. Riduzione della resistenza in funzione della temperatura per varie tipologie di cls*

*Figura 6. Riduzione dei parametri di resistenza per l’acciaio laminato a caldo in funzione della temperatura*

In fase di analisi del comportamento meccanico del materiale si deve tener conto anche degli effetti delle sollecitazioni indirette dovute alle dilatazioni termiche contrastate.

La fasi 2 e 3 possono essere portate a compimento in IperSpaceBIM attraverso l’apposita sezione “Verifiche termiche“, contenuta all’interno menù contestuale alle “Verifiche“.

È necessario, quindi, eseguire preliminarmente il calcolo della struttura e la progettazione delle armature. Per procedere alla verifica all’incendio si deve comunque definire un’apposita combinazione di carico all’interno degli scenari di calcolo, scegliendo “Eccezionale Incendio”come “Tipo di Analisi”.

Progettazione antincendio: combinazioni di carico con IperSpace BIM — *Figura 7. Combinazioni di carico*

Al termine del calcolo, e disposizione delle armature per gli elementi in c.a., è possibile già visualizzare i risultati delle verifiche di resistenza.

L’ambiente grafico associato alle Verifiche Termiche (Figura 9), permette di caricare in automatico la sezione da analizzare, definire lo step temporale di analisi e qualora si voglia effettuare una verifica grafica immediata della sezione attraverso la costruzione dei domini di resistenza è possibile anche inserire le sollecitazioni a cui questa è sottoposta.

*Figura 9. Finestra di dialogo associata alla verifiche termiche*

Al termine si ottiene l’andamento delle isoterme all’interno della sezione (Figura 10). Qualora le verifiche di resistenza non risultassero soddisfatte, attraverso un processo iterativo è possibile costruire diversi domini di resistenza al variare dell’intervallo di tempo di esposizione al fuoco in modo da individuare quale sia la condizione limite, cioè la massima durata dell’incendio rispetto alla quale l’elemento garantisce la capacità di resistenza.

Progettazione antincendio: isoterme — *Figura 10. Andamento delle isoterme*

Verifiche di sicurezza

Le verifiche di sicurezza possono riguardare l’intera struttura, parti significative di essa o elementi strutturali singoli, nelle loro condizioni di vincolo e di carico. Se la struttura è isostatica il collasso avviene esclusivamente a causa della riduzione dei resistenza, conseguente al degrado del materiale. Se invece la struttura è iperstatica il degrado del materiale provoca sia una riduzione delle resistenza che della rigidezza con una modifica della ripartizione delle sollecitazioni. Tali verifiche possono essere condotte:

nel dominio delle resistenze,
nel dominio del tempo,
nel dominio delle temperature.

Nel dominio delle resistenze, la verifica è condotta controllando che, durante l’esposizione al fuoco per il tempo t, la capacità dell’elemento sia non minore della domanda: in altri termini la sollecitazione di progetto in caso di incendio E_d,finon deve superare la resistenza di progetto R_d,t,fi in nessuno istante dell’intervallo t.

$E_{d,fi}\leq R_{d,t,fi}$

La capacità di una sezione durante l’incendio è rappresentata attraverso i domini di resistenza M-N allo stato limite ultimo; le prestazioni variano in funzione del degrado del materiale surriscaldato: ciò significa che il dominio si riduce man mano che aumenta l’intervallo di tempo durante il quale l’elemento è esposto al fuoco.

Progettazione antincendio: domini di resistenza — *Figura 11. Domini di resistenza per le sezioni in c.a. al variare del tempo di esposizione al fuoco*

Nel dominio del tempo la verifica è condotta controllando che il tempo necessario per raggiungere il collasso sia maggiore dell’intervallo di tempo richiesto dalla classe di resistenza. Analogamente nel dominio delle temperature si controlla che la tempera raggiunta sia minore di quella critica, che porta al collasso l’elemento.

La temperatura critica Θ_cr è definita come la temperatura alla quale la capacità resistente dell’elemento raggiunge il valore del carico applica. L’espressione di Θ_cr, valida per elementi tesi in acciaio con una distribuzione uniforme di temperatura, è riportata all’interno della EN1993 1-1.

$\upsilon_{cr}=39.19ln\left[\frac{1}{0.9675\mu_{0}^{3.833}}-1\right]+482$

Dove μ₀ rappresenta il grado di utilizzo dell’acciaio, definito come il rapporto tra carico applicato e capacità resistente dell’elemento a temperatura ambiente.

*Figura 12. Andamento della temperatura critica per gli elementi in acciaio*

I tre criteri esposti portano tutti al medesimo risultato. Tuttavia, la verifica nel dominio delle resistenze risulta essere più agevole dal momento che la procedura è analoga a quella che si effettua a temperatura ambiente; inoltre, a differenza degli altri due criteri, è possibile valutare il margine di sicurezza della struttura in qualsiasi istante.

È da osservare, infine, che durante la fase di decadimento dell’incendio, la struttura si raffredda con conseguente aumento di resistenza: ciò significa che le verifiche andrebbero condotte anche per intervalli di tempo superiori a quelli richiesti dalla classe di resistenza in modo da valutare il margine di sicurezza della struttura anche dopo la completa combustione di tutti i materiali presenti al suo interno.

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