In quest’articolo vedremo come eseguire la verifica di resistenza al fuoco per travi e pilastri in calcestruzzo armato, quali metodi di verifica è possibile utilizzare e quali sono le prescrizioni normative sul tema. Analizzeremo nel dettaglio gli effetti che il calore, prodotto da un incendio all’interno di un edificio, ha sulla riduzione di resistenza degli elementi strutturali in calcestruzzo armato e come tenerne conto in fase di progettazione strutturale e di verifica.
Nel corso dell’articolo potrai scaricare gratuitamente il Focus Normativo PDF contenente tutte le prescrizioni delle NTC2018 e della Circolare 2019 sulla verifica di resistenza al fuoco. Buona lettura!
Verifica di resistenza al fuoco: curve d’incendio e livelli di prestazione
La normativa tecnica definisce matematicamente l’incendio attraverso una curva di incendio che rappresenta l’andamento, in funzione del tempo, della temperatura media dei gas di combustione nell’intorno della superficie degli elementi strutturali.
Le prestazioni richieste alle strutture di una costruzione, in risposta agli effetti di un incendio, sono individuate nelle NTC2018 tramite 5 livelli di prestazione. Al crescere del livello di prestazione (dal livello I al livello V) aumentano i requisiti di sicurezza richiesti alle strutture.
Nel livello I ricadono strutture senza nessun requisito specifico di resistenza al fuoco, per le quali le conseguenze del collasso sono accettabili o il rischio di incendio risulta essere trascurabile. Al livello V, il più alto, appartengono costruzioni con requisiti di resistenza al fuoco idonei a garantire il mantenimento della totale funzionalità delle strutture dopo la fine dell’incendio.
Per definire il livello di prestazione e la connessa classe di resistenza al fuoco bisogna fare riferimento al D.M. 3/08/2015, aggiornato al 27/12/2022. Questi due parametri sono individuati nel documento tecnico in relazione alla destinazione d’uso dell’edificio, al tipo e al quantitativo di materiale combustibile in esso presente, alla sua estensione/altezza, al massimo affollamento ipotizzabile e alle misure di protezione antincendio presenti.
Gli effetti del fuoco sugli elementi strutturali in calcestruzzo armato
La combustione di elementi infiammabili all’interno di un edificio genera calore e tale calore si trasferisce agli elementi strutturali. In presenza di un incendio gli elementi strutturali in calcestruzzo armato non manifestano una riduzione di resistenza immediata, ma tale riduzione evolve in un determinato lasso di tempo.
Il calcestruzzo e l’acciaio hanno un coefficiente di dilatazione termica molto simile, rendendo compatibile il comportamento termico dei due materiali. Tuttavia, l’aumento di temperatura ha i seguenti effetti negativi sugli elementi strutturali in calcestruzzo armato:
- riduzione delle proprietà meccaniche del calcestruzzo: a temperature superiori ai 300°C, la matrice cementizia che lega gli aggregati inizia a deteriorarsi. Le fasi cristalline della matrice cementizia si disgregano, comportando una perdita di coesione che compromette la capacità portante del calcestruzzo;
- rottura del calcestruzzo (spalling): distacco di porzioni superficiali del calcestruzzo. Il rapido riscaldamento induce una pressione interna dovuta all’evaporazione dell’acqua contenuta nel calcestruzzo, causando esplosioni locali con conseguente esposizione dell’acciaio al calore;
- riduzione di resistenza dell’acciaio. Le temperature elevate provocano l’alterazione della microstruttura cristallina dell’acciaio;
- diminuzione dei moduli di elasticità del calcestruzzo e dell’acciaio in maniera proporzionale all’aumento di temperatura;
- diminuzione dell’aderenza laterale tra barre di rinforzo in acciaio e calcestruzzo.
Resistenza al fuoco degli elementi strutturali: parametro REI
La classe di resistenza al fuoco di un elemento strutturale viene solitamente indicata tramite una sigla composta da lettere e numeri, come ad esempio: REI90, R30, RE15 etc. Cosa vogliono dire questi simboli?
I parametri per la valutazione della resistenza al fuoco sono i seguenti, ciascuno indicato tramite la sua lettera iniziale:
- resistenza (R): attitudine a conservare la resistenza meccanica sotto l’azione del fuoco;
- ermeticità (E): attitudine a non lasciar passare né produrre fiamme, vapori o gas caldi sul lato non esposto;
- isolamento termico (I): attitudine a ridurre la trasmissione del calore.
I parametri R, E, ed I indicano fondamentalmente la misura di tempo nel quale la proprietà del corrispondente parametro viene mantenuta. Ad esempio, con il simbolo REI (seguito da un numero n) si identifica un elemento costruttivo che conserva per n minuti la resistenza meccanica, la tenuta alle fiamme e ai gas caldi, l’isolamento termico;
Le classi di resistenza al fuoco sono: 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240 e 360 ed esprimono il tempo, in minuti primi, di esposizione alla curva nominale d’incendio ISO 834, durante il quale la resistenza al fuoco deve essere garantita.
Verifica di resistenza al fuoco: quando è obbligatoria ai sensi della Normativa Tecnica
La Normativa Tecnica prescrive l’esecuzione della verifica di resistenza al fuoco solo per alcune categorie di costruzioni. Il Codice di Prevenzione Incendi (D.M. 3/08/2015, aggiornato al 27/12/2022) specifica, caso per caso, la quantificazione dell’affollamento o del carico d’incendio che determina l’obbligatorietà della verifica. Gli edifici per i quali è richiesta la verifica di resistenza al fuoco possono essere raggruppati come segue:
- edifici di uso pubblico: scuole, ospedali, alberghi, uffici, teatri e altre strutture dove è previsto un alto livello di affollamento;
- edifici industriali e commerciali: fabbriche, magazzini, centri commerciali e altre strutture destinate alla produzione o vendita di beni, dove è presente un rischio elevato di incendio;
- impianti e altre infrastrutture: centrali elettriche, impianti chimici e altre installazioni dove un incendio potrebbe avere conseguenze gravi o catastrofiche;
- edifici residenziali multipiano: specialmente quelli di grande altezza, come grattacieli e complessi residenziali con un numero di piani superiore a quanto specificato dettagliatamente nel Codice di Prevenzione Incendi;
- strutture con materiali pericolosi o infiammabili: qualsiasi edificio o struttura che immagazzini o utilizzi grandi quantità di materiali combustibili o pericolosi.
Ai fini del calcolo delle sollecitazioni allo Stato Limite Ultimo, va utilizzata la combinazione eccezionale prescritta dalle NTC2018. In tale combinazione l’azione del fuoco va considerata agente in concomitanza con i valori caratteristici dei carichi permanenti strutturali e non strutturali e delle azioni accidentali ridotte tramite opportuni coefficienti di combinazione. L’azione del fuoco non va considerata agente in combinazione con l’azione sismica.
Scarica il Focus Normativo PDF sulla verifica di resistenza al fuoco
Tutte le prescrizioni della Normativa Tecnica NTC2018 e della Circolare 2019 riguardanti la verifica di resistenza al fuoco raccolte in unico documento PDF scaricabile gratuitamente. Compila i campi qui sotto, riceverai all’istante un’email contenente il link per eseguire il download.
Metodi per la verifica di resistenza al fuoco
Esistono tre differenti metodi per la verifica della resistenza al fuoco. Te li elenco di seguito.
- Metodo tabellare: in base alla resistenza al fuoco richiesta alla struttura, espressa in termini di tempo, dovranno essere rispettate delle limitazioni geometriche sulle dimensioni degli elementi strutturali e sul copriferro;
- metodo analitico: prevede l’uso di simulazioni mediante modelli matematici per simulare il comportamento delle strutture durante un incendio. Questo metodo prende in considerazione le proprietà meccaniche dei materiali in funzione della temperatura e gli effetti delle dilatazioni termiche;
- prove sperimentali: tale metodo consiste nell’analisi in forno del comportamento a caldo di elementi strutturali, protetti o non.
Metodo analitico
Il metodo analitico è un metodo di verifica avanzato che richiede l’utilizzo di software di analisi ad-hoc per l’esecuzione della verifica di resistenza di elementi strutturali. Di seguito trovi i passi principali di questo metodo di verifica.
- Definizione della curva di incendio per descrivere la variazione di temperatura nel tempo;
- determinazione della distribuzione di temperatura all’interno dell’elemento strutturale per ogni istante di tempo, mediante un modello matematico che riproduce la propagazione del calore;
- analisi meccanica della sezione tenendo conto delle caratteristiche resistenti del calcestruzzo e dell’acciaio modificate in base alla temperatura in ciascun punto della sezione. Maggiore sarà la temperatura, minore sarà la resistenza e il modulo elastico locale in quel punto della sezione.
- verifica della capacità portante della sezione confrontando le sollecitazioni interne nella combinazione di carico eccezionale con la resistenza della sezione determinata mediante il metodo analitico.
Verifica di resistenza al fuoco: come eseguirla (passo-passo)
Ti descrivo di seguito i passi principali da seguire per l’esecuzione della verifica di resistenza al fuoco di strutture in calcestruzzo armato:
- determinare la destinazione d’uso dell’edificio: facendo riferimento al D.M. 3/08/2015 aggiornato al 27/12/2022, si identifica la destinazione d’uso dell’edificio, poiché questo influenzerà i requisiti di resistenza al fuoco. Ad esempio, un edificio residenziale avrà requisiti diversi rispetto a un edificio industriale;
- identificare i requisiti normativi specifici: consulta le NTC2018 e il Codice di Prevenzione Incendi per identificare i requisiti di resistenza al fuoco applicabili al tipo di struttura e destinazione d’uso;
- selezionare la classe di resistenza al fuoco: utilizza le tabelle fornite negli Eurocodici e nelle NTC per determinare la classe di resistenza al fuoco necessaria. Le classi sono solitamente espresse in termini di tempo (es. R30, R60, R120), dove il numero indica i minuti di resistenza al fuoco;
- progettare e verificare la struttura: progetta la struttura seguendo le indicazioni dell’Eurocodice 2 (UNI EN 1992-1-2) per garantire che soddisfi la classe di resistenza al fuoco richiesta. Verifica la struttura utilizzando il metodo tabellare o analitico.
Esempio di verifica di resistenza al fuoco mediante il metodo tabellare
Il metodo tabellare è il metodo più speditivo per l’esecuzione della verifica di resistenza al fuoco. E’ importante ricordare che questo metodo è applicabile solo all’analisi del singolo elemento strutturale. Per opere di una certa rilevanza, sarà necessario ricorrere a metodi di analisi più avanzati, come ad esempio il metodo analitico.
In questo paragrafo vedremo l’esempio di una verifica di resistenza al fuoco eseguita mediante il metodo tabellare. Ipotizziamo che la nostra struttura richieda una resistenza al fuoco di 90 minuti, determinata mediante il D.M. 3/08/2015. Di seguito trovi la verifica tabellare dei singoli elementi strutturali. Le tabelle richiamate nell’esempio le troverai nel Focus Normativo PDF allegato all’articolo e scaricabile gratuitamente.
Verifica delle travi in calcestruzzo armato mediante metodo tabellare
Verifichiamo le travi mediante la tabella S.2-47 (vedi Focus Normativo PDF allegato all’articolo) che riporta i valori minimi espressi in millimetri della larghezza b della sezione, della distanza a fra l’asse delle armature longitudinali e la superficie esposta (copriferro) e della larghezza d’anima bw nel caso di travi con sezione a T.
Nella riga corrispondente alla resistenza al fuoco pari a 90 minuti, si evince che le travi dovranno avere una dimensione minima pari a 40 cm ed un copriferro pari ad almeno 3.5 cm, affinché la verifica di resistenza al fuoco risulti soddisfatta.
Verifica dei pilastri in calcestruzzo armato mediante metodo tabellare
Verifichiamo i pilastri mediante la tabella S.2-48. La tabella S.2-48 riporta i valori minimi espressi in millimetri del lato minore b di pilastri a sezione rettangolare oppure del diametro di pilastri a sezione circolare e della distanza a dall’asse delle armature longitudinali alla superficie esposta sufficienti a garantire il requisito R per le classi indicate di pilastri esposti su uno o più lati.
Nell’ipotesi di pilastri con lato minore di 35 cm, dalla tabella risulta che sarà necessario un copriferro (misurato al centro del rinforzo longitudinale) minimo pari a 5 cm.
Verifica delle pareti in calcestruzzo armato mediante metodo tabellare
Nel caso dovessimo verificare pareti portanti e non portanti in calcestruzzo armato, possiamo applicare lo stesso procedimento usando le tabelle S.2-49 e S.2-50.
Conclusioni
La tecnologia costruttiva in calcestruzzo armato nacque ufficialmente nel 1892, anno in cui l’ingegnere francese François Hennebique brevettò tale sistema costruttivo pubblicizzandolo con lo slogan «Plus d’incendies desastreux» (non più incendi disastrosi), per promuovere le sue capacità di resistenza al fuoco rispetto alle strutture in acciaio o legno dell’epoca. Nonostante le buone proprietà di resistenza al fuoco del calcestruzzo armato, le verifiche di resistenza al fuoco sono richieste dalla Normativa Tecnica, come abbiamo visto nel corso dell’articolo.
La scelta del metodo di verifica di resistenza al fuoco dipende dalla complessità e dall’entità del progetto. Il metodo tabellare è senz’altro il metodo più rapido e meno oneroso, mentre il metodo analitico offre maggiore precisione ed il suo utilizzo è giustificato per opere di una certa rilevanza.
Indipendentemente dal metodo scelto, l’obiettivo ultimo è garantire la sicurezza strutturale e l’incolumità degli occupanti durante un incendio. Spero che quest’articolo ti sia stato utile per chiarire i concetti principali della verifica di resistenza al fuoco ed individuare i riferimenti normativi necessari per eseguirla.
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Marco
Codice articolo: 253. Co-autore: ing. Daniele Tonelli.