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Protettivi antincendio per le strutture in acciaio e loro progettazione

La verifica dei requisiti di resistenza al fuoco delle strutture sono rese obbligatorie al fine di garantire, in condizioni di incendio, la sicurezza degli occupanti e delle squadre di soccorso nonché un limitato danneggiamento strutturale ove e quando richiesto. I continui aggiornamenti normativi testimoniano l’elevato impatto sociale del tema della sicurezza in condizioni d’incendio delle strutture di nuova progettazione, sia a destinazione industriale e commerciale che ad uso civile.
Infatti, in caso di incendio i materiali strutturali subiscono un degrado delle proprietà meccaniche (resistenza e rigidezza) per effetto delle alte temperature con conseguente diminuzione di capacità portante rispetto alle condizioni ordinarie.
In particolare, per le strutture in acciaio, tale diminuzione di rigidezza e resistenza è particolarmente repentina e può causare notevoli deformazioni a seconda anche dei carichi applicati e delle condizioni di vincolo. L'aumento delle temperature nell’elemento di acciaio dipende dall’intensità e dalla tipologia di incendio nonché dall'area di acciaio direttamente esposta al fuoco. Le strutture non protette tendono ad avere scarso rendimento negli incendi anche perché gli elementi in acciaio sono solitamente molto sottili e l'acciaio ha una conducibilità termica elevata rispetto alla maggior parte degli altri materiali strutturali.
Tuttavia, così come numerose prove sperimentali dimostrano, le strutture in acciaio, se ben progettate, possono resistere ad incendi anche notevoli senza collassare, ma in molti casi vengono utilizzati sistemi di protezione passiva per proteggere la struttura dalle alte temperature.
Si descrivono nel seguito le tipologie di protezione passiva usate per le strutture in acciaio e le modalità di calcolo delle stesse.
 

I sistemi di protezione passiva


I sistemi di protezione passiva dal fuoco vengono spesso applicati alle strutture in acciaio per limitare l’incremento di temperatura raggiunta dall’acciaio 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: a) schermi o membrane; b) rivestimenti. Più nello specifico gli schermi (Figura 1) si dividono in base all’orientamento: membrane orizzontali o controsoffitti; membrane verticali o schermi. I rivestimenti (Figura 2), invece, vengono suddivisi in base alle tipologie applicative: intonaco a spruzzo; lastre in calcio-silicato (carter); vernici intumescenti.
 
Protettivi
Figura 1 - membrane per la protezione passiva

Protettivi
Figura 2 - rivestimenti per la protezione passiva

Affinché un sistema protettivo possa essere impiegato per la protezione dal fuoco delle strutture, è necessario che esso sia “certificato” mediante una campagna di prove sperimentali, capace di verificarne l’efficacia in condizioni di incendio. Quest’ultima è fortemente dipendente dalle sue caratteristiche termiche alle alte temperature, oltre che, nel caso di profili di acciaio, dalle sue capacità di aderenza al profilo sotto carico, per la specifica durata di esposizione al fuoco, soprattutto se si tratta di vernici intumescenti.
A seguito della direttiva 89/106/CEE, aggiornata con il Regolamento (UE) n. 305/2011, sono state concordate e armonizzate tra i Paesi membri della Comunità Europea le metodologie di prova sperimentale, con i relativi metodi di valutazione dei risultati, per la qualificazione dei sistemi protettivi, al fine di poter determinare il loro contributo alla resistenza al fuoco degli elementi di acciaio.
I test vengono eseguiti in forno attraverso procedure standardizzate con curve di incendio di tipo nominale e dai risultati delle prove sperimentali vengono estrapolate tutte le informazioni necessarie per l’estensione dei risultati ai casi reali. In questa fase vengono calcolate anche le caratteristiche termiche del protettivo che consentono l’applicazione di modelli di calcolo avanzati per la valutazione della resistenza al fuoco di elementi strutturali protetti. Infatti, l’analisi termica di un elemento strutturale può essere condotta solo se si conoscono le caratteristiche termiche dei materiali che lo costituiscono, ivi compresi i protettivi, se presenti; tali caratteristiche devono essere note anche se si vuole effettuare una analisi termica più semplificata della sezione, in accordo al metodo proposto nell’Eurocodice EN 1993-1-2.
È possibile trovare tutte le caratteristiche termiche del materiale protettivo nel “rapporto di prova” che è una parte integrante del “Certificato di Resistenza al fuoco” e deve essere messo a disposizione dal produttore.
 

Edifici di nuova progettazione


Come è noto, la condizione di collasso dell’elemento strutturale si raggiunge quando la resistenza a caldo, che decresce con l’aumentare della temperatura, è uguale all’effetto corrispondente alle azioni (Figura 3). Una volta determinata la temperatura dell’elemento strutturale in acciaio è necessario calcolare la temperatura critica, in corrispondenza della quale si verifica la condizione di collasso. Ciò è chiaramente applicabile solo a quegli elementi caratterizzati da una distribuzione uniforme della temperatura, condizione che, per gli elementi in acciaio risulta particolarmente veritiera essendo, da un lato le sezioni particolarmente sottili, dall’altro la conducibilità termica particolarmente elevata.
 
Collasso fuoco
Figura 3 - verifica di sicurezza nel caso di esposizione alla curva standard

Pertanto, lo scopo dei materiali protettivi è proprio quello di abbattere la tempertura all’interno del profilo in acciaio (Figura 4), in modo da ridurne, complessivamente, la probabilità di collasso in caso di incendio. La Figura 4 mostra chiaramente che, nel caso di una colonna protetta ed esposta su quattro lati, a parità di tipologia di protettivo, all’aumentare del suo spessore, le temperature all’interno della sezione in acciaio si abbattono maggiormente.
 
Protettivi
Figura 4 - risultati di una analisi FEM di una colonna protetta in acciaio

Si riassumono nel seguito i passi da seguire per progettare un elemento in acciaio protetto da uno dei protettivi sopra elencati.
 

Figura 5 - progettazione di un protettivo - cliccare sull'immagine per ingrandire

La Figura 5 mostra che, nel caso si scelga una progettazione di tipo prescrittivo, l’iter progettuale è molto semplice ed immediato, in quanto basta attenersi alle indicazioni fornite nei rapporti di prova, forniti dal produttore; nel caso in cui non si rientra nella diretta applicabilità dei certificati di prova sarà necessario effettuare un calcolo analitico, verificando l’efficacia del protettivo.
Nell’ambito dell’approccio prescrittivo è possibile adottare, come strumento di progettazione del protettivo, il nomogramma; infatti, fissati l’elemento strutturale da proteggere (fattore di utilizzazione e fattore di sezione), la tipologia di protettivo e la resistenza al fuoco da garantire, è possibile ottenere lo spessore di protettivo necessario; si precisa che tale procedura non è valida per i protettivi reattivi quali vernici intumescenti.
Tuttavia, per le vernici intumescenti è possibile, avendo a disposizione i risultati delle prove di certificazione (forniti dal produttore calibrare una conducibilità termica equivalente del protettivo:



Tale conducibilità termica può essere sfruttata nei calcoli analitici per la modellazione dell’elemento protetto.
Qualora si voglia adottare un approccio di tipo prestazionale sarà necessario invece acquisire tutte le caratteristiche termo-fisiche del protettivo in esame, che in molti casi variano al variare della temperatura, per poter effettuare un modello della struttura protetta, soggetta ad una curva di incendio naturale. Dopo aver effettuato le verifiche di sicurezza sarà possibile confermare la tipologia di protettivo supposta, scegliere uno spessore maggiore oppure cambiare proprio tipologia di protettivo.
 

Figura 6 - effetto del protettivo su una struttura

La Figura 6 mostra come, all’aumentare dello spessore di protettivo applicato alla struttura (in questo caso si tratta di una struttura in acciaio protetta con vernice intumescente), aumenta il tempo di collasso della struttura stessa, passando da 22 min (assenza di protettivo) a 79 min (con 1200 μm di vernice intumescente).


Edifici esistenti


Per la valutazione della vulnerabilità all’incendio degli edifici esistenti, per i quali non esiste al momento una definizione unificata dell’approccio e delle procedure da utilizzare, è possibile far riferimento ai metodi già previsti nei codici per gli edifici nuovi (metodi prescrittivo e prestazionale). La scelta del metodo di verifica, influisce sul livello di conoscenza delle caratteristiche geometriche e delle proprietà termo-meccaniche dei materiali costituenti la struttura in esame. Quindi, c’è una forte correlazione tra il metodo di verifica e l’entità delle informazioni che è necessario ottenere dalla documentazione cartacea e digitale di progetto, certificazione e manutenzione, ovvero dai risultati di prove in situ e/o in laboratorio. A metodi prescrittivi corrisponde un livello di approfondimento inferiore rispetto ai metodi prestazionali.
Per le analisi di valutazione della resistenza al fuoco, così come per le analisi di valutazione della capacità sismica, è necessario caratterizzare i materiali strutturali, ovvero l’acciaio da carpenteria, il calcestruzzo che spesso coadiuva l’acciaio strutturale nei sistemi composti e non, e le armature generalmente presenti nel calcestruzzo stesso. In aggiunta, è necessario caratterizzare dal punto di vista termo-meccanico i materiali strutturali e definire la presenza e l’efficacia degli eventuali sistemi di protezione antincendio presenti, siano essi di tipo reattivo o passivo.
Le NTC 2018 e la Circolare consentono di svolgere un’analisi semplificata se si conoscono i dettagli strutturali: qualora essi fossero incompleti, è necessario integrarli con limitate verifiche in situ (per limitate si intende almeno il 15% degli elementi). Se invece sono a disposizione tutti i dettagli costruttivi, basta un rilievo visivo a campione per verificarne la compatibilità.
Nel caso di un’analisi avanzata è ovviamente necessario avere una conoscenza più completa della struttura. Se sono disponibili i dettagli strutturali in modo completo è sufficiente svolgere limitate verifiche in situ (per limitate si intende che la geometria e le caratteristiche dei collegamenti siano verificate per almeno il 15% degli elementi). In caso contrario è necessario svolgere estese verifiche in situ (per estese si intende un limite inferiore pari al 35% degli elementi).
Per le proprietà meccaniche dei materiali costruttivi si può fare riferimento alle specifiche originali di progetto e ai certificati di prova originali integrate con limitate prove in situ (1 provino di acciaio per piano dell’edificio, 1 campione di bullone o chiodo per piano dell’edificio, 1 prova distruttiva o non per il calcestruzzo). In assenza di certificazioni, è necessario svolgere estese prove in situ (2 provini di acciaio per piano dell’edificio, 2 campioni di bullone o chiodo per piano dell’edificio, 2 prova distruttive o non per il calcestruzzo).
Per le proprietà termo-meccaniche dei materiali strutturali si può fare riferimento a documenti di comprovata validità (ad esempio, gli Eurocodici strutturali), ovvero ai risultati di esaustive prove in situ e/o di laboratorio nel caso di materiali non classificabili all’interno di quelli standard.
Le percentuali di elementi da verificare ed il numero di provini da estrarre e sottoporre a prove di resistenza riportati hanno valore indicativo e vanno adattati ai singoli casi, tenendo conto di alcuni aspetti già contemplati dalle normative antisismiche. In particolare, nel controllo del raggiungimento delle percentuali di elementi indagati ai fini del rilievo dei dettagli costruttivi si può tener conto delle eventuali situazioni ripetitive. È , quindi, possibile estendere ad una più ampia percentuale i controlli effettuati su alcuni elementi strutturali facenti parte di una serie con evidenti caratteristiche di ripetibilità, per uguale geometria e ruolo nello schema strutturale.
Ai fini delle prove sui materiali costruttivi e sui protettivi è consentito sostituire alcune prove distruttive, non più del 50%, con un più ampio numero, almeno il triplo, di prove non distruttive, singole o combinate, tarate su quelle distruttive.
Per i protettivi (controsoffitti, schermi, intonaci a spruzzo, lastre antincendio, vernici intumescenti) è necessario verificare sia la congruenza con le indicazioni progettuali che lo stato di conservazione al fine di valutarne preliminarmente l’efficacia.
La tabella 1 mostra un una corrispondenza tra il metodo di analisi e le informazioni necessarie sulla struttura esistente, ovvero geometria, dettagli costruttivi, proprietà dei materiali e proprietà dei sistemi di protezione.
 

Tabella 1

Tabella 1 - definizione della geometria e caratterizzazione dei materiali - cliccare per ingrandire

In assenza di certificazioni dei materiali si rende necessaria la completa caratterizzazione del protettivo, che varia per ciascuna tipologia.
In caso di sistemi protettivi antincendio in controsoffitti, schermi e lastre è necessario eseguire:
  • misure di spessore (in situ);
  • caratterizzazione di densità, conducibilità, calore specifico (in situ e/o in laboratorio);
  • prove di resistenza al fuoco su campioni prelevati dalla struttura esistente (in laboratorio).

Talvolta i sistemi di protezione dal fuoco possono prevedere collegamenti e giunti; in tal caso, laddove è necessario, bisogna prevedere anche specifici test sulle singole parti o sull’intero sistema protettivo.

Per i sistemi isolanti costituiti da intonaci a spruzzo è necessario svolgere:
  •   misure di spessore ( in situ);
  • misure dell’adesione/coesione (in laboratorio ed in situ);
  • caratterizzazione di densità, conducibilità, calore specifico (in situ e/o in laboratorio);
  • caratterizzazione in forno di campioni prelevati dalla struttura esistente (in laboratorio);
  • prove di resistenza al fuoco su elementi strutturali prelevati dalla struttura esistente (in laboratorio).
Anche in questo caso è possibile prevedere la verifica di accessori di montaggio ed eventuali trattamenti di finitura applicati, in accordo alla norma UNI 10898-3.

Nel caso di vernici intumescenti è necessario prevedere:
  • misure di spessore (in situ);
  • misure dell’adesione (in laboratorio ed in situ);
  • caratterizzazione in forno di campioni prelevati dalla struttura esistente con curve ISO834 e smouldering (in laboratorio);
  • prove di resistenza al fuoco su elementi strutturali prelevati dalla struttura esistente (in laboratorio);
  • valutazione della stickability.
Tra le prove elencate in precedenza, per le prime due si può far riferimento alla procedura di controllo e ai criteri di accettabilità della norma UNI 10898-1 tenendo comunque presente che tale norma riguarda la verifica della corretta posa in opera del prodotto a valle dell’installazione.
Si osserva che per le prove in forno (che ovviamente devono essere svolte in laboratorio) sorge il problema del prelievo dei campioni quando si tratta di elementi rappresentativi dal punto di vista strutturale).
È opportuno osservare che la vernice intumescente ha bisogno di essere accuratamente manutenuta nel tempo, attraverso controlli periodici e certificati che ne attestino il mantenimento dell’integrità. In tal caso, quindi, può essere necessario unicamente verificare che essa abbia mantenuto le sue caratteristiche di reattività (rigonfiando con le alte temperature) attraverso una prova in situ con appositi strumenti che consentano di concentrare il calore in una zona circoscritta. In tal senso, la redazione di un protocollo di prova (in situ o in laboratorio) sarebbero auspicabile.
Nel caso in cui si abbiano a disposizione tutte le certificazioni sui protettivi è possibile utilizzare sia approcci semplificati (metodo tabellare, metodo analitico, metodo sperimentale) che metodi più sofisticati previsti dall’approccio prestazionale. Se invece non si hanno a disposizione tali certificati è necessario effettuare delle prove di caratterizzazione. La tabella 2 mostra un quadro sinottico delle tipologie di prove che possono essere condotte per la caratterizzazione di diverse tipologie di protezioni.
 
Tabella 2
Tabella 2 - tipologie di prove richieste per la caratterizzazione dei materiali


Contenuti a cura della Commissione per la Sicurezza delle Costruzioni in Acciaio in caso d'Incendio di Fondazione Promozione Acciaio - Riproduzione riservata

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