Fra le tematiche della progettazione strutturale rientra anche la verifica della resistenza al fuoco delle strutture, la quale implica un approccio sostanzialmente diverso dalla classica analisi strutturale “a freddo” 

Fra i vari tipi di sistemi costruttivi vi sono differenze importanti, in quanto certe strutture sono più sensibili di altre alla azione termica dovuta all’ incendio.

L’approccio all’analisi strutturale in caso di incendio parte da una analisi termica delle strutture, che normalmente utilizza curve di incendio standard applicate alla superficie esterna degli elementi strutturali. La prima difficoltà sta nel capire se l’analisi strutturale può essere ricondotta alla verifica dei singoli elementi considerati separati, caso tipico delle strutture isostatiche, oppure si deve considerare la struttura nel suo insieme, caso tipico delle strutture iperstatiche.

L’output dell’analisi è stabilire, con apposite metodologie, per quanto tempo la struttura è in grado di resistere al fuoco senza collassare.

Nel seguito si tratteranno i seguenti tipi:

• Strutture in calcestruzzo armato;
• Strutture metalliche;
• Strutture in muratura;
• Strutture in legno.

Le norme utilizzate, normalmente sono gli Eurocodici, i quali prevedono metodi utilizzabili per ogni tipologia strutturale e, in molti casi, anche metodi semplificati.

Vediamo qualche approfondimento.

Strutture in Calcestruzzo armato

Queste strutture hanno, in genere, una buona resistenza all’incendio, sfruttando la bassa conducibilità termica del calcestruzzo il quale funge da “isolante” rispetto alle barre di armatura. E’ usuale, quindi, raggiungere una resistenza di almeno 60 minuti se le armature (barre longitudinali e staffe) presentano un copriferro minimo di 2,5 cm.

Il metodo di analisi classico prevede normalmente la analisi termica della struttura, tramite una discretizzazione delle sezioni, in modo tale da analizzare la trasmissione del calore secondo le leggi di Fourier; a valle dell’analisi si ottengono le temperature nella sezione stessa.È  possibile ovviamente considerare anche rivestimenti protettivi.

Esempio di analisi termica di un pilastro (a sinistra) e di una trave (a destra) al tempo t=60 minuti

Fatto questo si possono ricavare i valori della resistenza degradata dei materiali (calcestruzzo e acciaio) per verificare la sezione stessa.

I carichi da considerare sono quelli della combinazione eccezionale, in cui si hanno sostanzialmente solo i permanenti, mentre per le resistenze dei materiali si considerano senza fattori di sicurezza.

Strutture in Acciaio

Queste strutture hanno una limitatissima resistenza all’incendio. Esse sono normate nell’EC3 parte fuoco.

Nelle strutture metalliche reali, i parametri di resistenza e modulo elastico degradano rapidamente a partire dai 350-500 °C, a causa anche dell’alta conducibilità termica del materiale.

Di massima, si considera il limite di 500 °C per la resistenza del materiale. Tuttavia, per le sezioni in Classe IV la temperatura scende a circa 350 °C.

In pratica è difficile che una struttura metallica non protetta sopporti l’incendio per più di 10 minuti. Ne consegue che, normalmente, non si fanno analisi termiche su queste strutture e si passa direttamente alla progettazione dei protettivi (spesso vernici intumescenti).

Strutture in Muratura

Queste strutture hanno, in genere, un’ottima resistenza all’incendio, in quanto il laterizio ha bassa conducibilità termica. Con spessori di 15 cm si raggiungono facilmente i 90 minuti di resistenza al fuoco, a condizione che il muro non sia eccessivamente caricato e la snellezza non superi il valore 20.

L’ analisi termica è sempre consigliata, in quanto consente di escludere dalle verifiche di resistenza le porzioni di sezione che superano i 500 °C. Spesso sono utilizzabili metodi tabellari (vedere EC6).

Esempio di analisi termica di un muro portante. A sinistra la mappa termica; a destra l’andamento delle temperature,

dall’asse mediano verso l’esterno

Ulteriori limitazioni sono generate dalla snellezza del muro, dalle condizioni di vincolo e dal carico applicato.

Strutture in Legno 

Queste strutture hanno, in genere, una buona resistenza all’incendio, in quanto il legno, a seguito della combustione, forma uno strato carbonizzato protettivo. 

Occorre ricordare, infatti, che ciò che brucia, nel legno, sono i vapori generati dalla cellulosa riscaldata quando supera i 300 °C, per cui lo strato carbonizzato funge da barriera, sia dal punto di vista della conducibilità termica che per l’ossigeno (comburente).

Normalmente le verifiche al fuoco si effettuano con il “metodo della sezione ridotta”, considerando uno spessore residuo della sezione (quella contenuta nell’isoterma a 300 °C). Questo metodo considera una velocità di combustione in mm/minuto, che varia in funzione delle varie essenze lignee, da 0.5 mm/min a 0.8 e oltre. Un valore cautelativo è quindi di 1 mm/min.

Di fatto, quindi, a una sezione portante in legno si può conferire una certa resistenza al fuoco sovradimensionando la sezione stessa rispetto al dimensionamento “a freddo”.

La breve trattazione appena fatta, che tratta la verifica delle strutture in caso di incendio, vale solamente per strutture isostatiche. Nel caso di strutture iperstatiche, la resistenza al fuoco deve comprendere un’analisi termica di tutta la struttura.

Inoltre, in molti casi, per poter ottenere delle stime di resistenza non eccessivamente cautelative delle resistenze all’incendio, occorre avvalersi del cosiddetto “approccio ingegneristico”, che simula lo sviluppo nel tempo dell’incendio, dall’innesco al flashover, e consente di stimare un andamento realistico delle temperature nei vari elementi strutturali.

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