Valutazione della sicurezza strutturale antincendio di un edificio esistente in acciaio con i criteri della FSE

La disciplina dell'ingegneria della sicurezza antincendio (Fire Safety Engineering - FSE) riguarda la definizione delle strategie di sicurezza antincendio per gli edifici, considerando vari aspetti come la stabilità strutturale e il controllo della propagazione dell'incendio, in presenza di sistemi di protezione antincendio attivi e/o passivi.

Di seguito sono mostrati gli aspetti principali dell'FSE per i controlli di sicurezza strutturale antincendio di una struttura esistente in acciaio, che è stata progettata e costruita più di trenta anni fa. Sono state condotte analisi fluidodinamiche con riferimento a diversi scenari di incendio al fine di ottenere le curve di incendio naturali.

Per poter applicare un approccio avanzato come quello della FSE, è necessario conoscere le caratteristiche termiche di tutti i materiali e nel caso di edifici esistenti, tali caratteristiche spesso non sono disponibili. In questo caso infatti, poiché la struttura è protetta con vernice intumescente (VI), per definire le proprietà termiche del materiale protettivo, sono stati effettuati una serie di test sperimentali. Grazie ad una procedura di modellizzazione della conducibilità termica della VI, come mostrato dagli autori in precedenti lavori, sono state condotte analisi termomeccaniche della struttura protetta nei diversi scenari di incendio.

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La valutazione della sicurezza antincendio mediante la Fire Safety Engineering (FSE)  

L’attuale quadro normativo italiano riguardante la valutazione della sicurezza antincendio, trova un importante strumento di approfondimento in una disciplina che si è affermata, in Italia, negli ultimi decenni: la Fire Safety Engineering (FSE) [1].
Infatti, con l’emanazione del nuovo “Codice di Pre- venzione Incendi” - D.M. 03/08/2015, entrato in vigore il 18/11/2015 si è provveduto, da un lato, alla razionalizzazione del corpus legislativo in materia di Prevenzione Incendi, dall’altro alla formalizzazione dell’uso dell’approccio prestazionale, introducendo un futuro in cui il sistema norma- tivo di tipo prescrittivo lascerà il posto ad un insieme di soluzioni tecniche flessibili ed aderenti alle specifiche esigenze delle diverse attività, finalizzato a raggiungere elevati livelli di sicurezza antin- cendio. Da una parte, quindi, c’è l’approccio di tipo deterministico che si concretizza nell’emana- zione di norme prescrittive e nel ricorso da parte del progettista a strumenti di calcolo semplici. Tale approccio, per quanto concerne la resistenza al fuoco, consiste in una verifica anche per singoli elementi della struttura con riferimento ad una curva di incendio standard a temperatura strettamente crescente (in genere la ISO 834) per un periodo limitato di tempo (prescritto dalla norma verticale specifica in funzione dell’attività).

Dall’altra parte, c’è l’approccio della FSE, che permette un più preciso adeguamento delle misure di sicurezza antincendio al rischio specifico della costruzione. Ciò si ottiene eseguendo un'analisi della sicurezza di tipo prestazionale.

Questo approccio, basato non sull'obbligo di adozione di misure tecniche ma sul raggiungimento dei risultati, è uno strumento importante per la progettazione, in quanto determina un’accurata verifica dei livelli di sicurezza prefissati e consente una maggiore libertà e flessibilità nelle possibili scelte progettuali. Seguendo questa strada, le norme tecniche vigenti (in particolare il D.M. 03/08/2015 e l’Eurocodice) hanno introdotto la possibilità di eseguire procedure di calcolo avanzato per valutare la capacità portante di una struttura in caso di incendio, stabilendone determinati campi di applicazione.

L'applicazione di questo approccio comprende l'opportuna valutazione:

  • del fenomeno dello sviluppo dell'incendio, con il conseguente moto ed evacuazione dei fumi;
  • dell'efficacia degli eventuali sistemi di rilevazione, di allarme e di estinzione presenti;
  • delle prestazioni della struttura portante e di compartimentazione alle alte temperature.

L’applicazione dell’approccio ingegneristico richiede l’analisi e la trattazione di una serie di fenomeni che riguardano sia le fasi dello sviluppo degli incendi che possono realmente verificarsi nell’edificio oggetto dello studio, sia il conseguente comportamento della struttura portante durante l’evoluzione del fenomeno. Per la corretta applicazione della FSE è necessario che siano note tutte le caratteristiche termiche dei materiali strutturali e dei protettivi, qualora presenti; tuttavia tali caratteristiche non sempre sono disponibili ed è necessario effettuare prove sperimentali [1] alle alte temperature per poterne conoscere le proprietà termiche come ad esempio la conducibilità. Anche nel caso in esame è stato necessario effettuare una campagna sperimentale per poter caratterizzare la VI con cui la struttura è protetta, per poter procedere ad una analisi del comportamento della struttura in condizioni di incendio.

La descrizione dell'edificio realizzato con sistema misto acciaio e calcestruzzo 

L'edificio in esame fa parte del complesso della Caserma dei Vigili del Fuoco di Napoli ed è costituito da una struttura sospesa composta da elementi di acciaio e calcestruzzo armato. In particolare, il calcestruzzo armato è utilizzato per realizzare gli elementi verticali (nuclei) prevalentemente compressi, mentre l’acciaio per realizzare gli elementi inflessi e semplicemente tesi che costituiscono l’ossatura sospesa, a cui sono affidati prevalentemente i carichi verticali.
La struttura quindi è sospesa ed è costituita da un sistema misto di acciaio e calcestruzzo; in particolare l’ossatura in acciaio è sospesa ad un graticcio di travi reticolari poggiante su nuclei scale ed ascensori in cemento armato, come mostrato nelle sezioni longitudinale e trasversali (Fig. 1) [2].

Sezioni e pianta della struttura in esame

 

La pianta dell'edificio è sostanzialmente rettangolare, articolata longitudinalmente in cinque sotto-strutture rettangolari indipendenti (26x18 metri) e una sottostruttura trapezoidale, come mostrato in Fig. 2. L’edificio in esame si sviluppa su quattro piani in elevazione, oltre al piano terra completamente libero da pilastri; in particolare, i 4 livelli sono presenti solo in 4 nuclei, mentre in altri 2 sono presenti solo due livelli, con lo scopo di creare spazio per l’innesto del corpo di guardia.
I principali vantaggi di questo tipo di sistema composto sono che il cemento armato viene utilizzato principalmente per assorbire le azioni di compressione, fornendo la principale funzione di supporto verticale; infatti, le forze orizzontali sono basse grazie all'isolamento ed ai sistemi dissipativi presenti. L'acciaio viene utilizzato per le travi ed i tiranti verticali, formando lo scheletro sospeso che resiste a carichi verticali.

Protezioni strutturali antincendio e caratterizzazione termica della vernice intumescente

Ai fini dell’applicazione della FSE, è stato necessario effettuare un rilievo della struttura, con particolare attenzione alla distribuzione degli spazi, alle destinazioni d’uso dei vari piani e all’eventuale presenza di sistemi di protezione passiva all’incendio.

In particolare, il complesso è dotato di sistemi di protezione costituiti da VI, lì dove si vuole lasciare a vista l’acciaio, e da controsoffittature, nascondendo quindi il sistema strutturale dell’impalcato, mentre l’involucro esterno in acciaio non presenta protezione al fuoco. È stato necessario effettuare una serie di prove sperimentali per poter valutare da un lato l’efficacia della VI (trattandosi di una VI di circa trent’anni) e dall’altro le caratteristiche termiche. Le prove sperimentali in forno sono state effettuate su elementi angolari (controventi di piano) prelevati direttamente dalla struttura protetti sia con la VI esistente (Reference), sia applicando una nuova VI in alcuni casi direttamente su quella esistente (Repainted) in altri rimuovendo quella esistente (Restored). Dalle prove sperimentali è risultato evidente che la VI esistente ha conservato una scarsa efficacia e pertanto è necessario riprogettare il protettivo. Tuttavia, i campioni “Repainted” hanno mostrato un comportamento molto simile a quelli “Restored”, sebbene in alcuni casi la VI si sia distaccata prematuramente [4].

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Articolo tratto dagli atti del XXVII Congresso CTA - Bologna 2019