Diagnosi del danno da incendio su strutture in calcestruzzo armato

Le strutture in calcestruzzo armato hanno buone probabilità di sopravvivere ad un incendio, rendendo frequente la necessità di valutarne la capacità portante residua. Tuttavia, gli effetti irreversibili del fuoco sono di difficile lettura, a causa della forte stratificazione del danno e dell'incertezza circa la sua profondità all'interno degli elementi strutturali.

Un primo valido aiuto viene fornito da un uso consapevole delle tecniche diagnostiche tradizionali e da alcuni metodi innovativi appositamente sviluppati. Un ulteriore supporto è rappresentato dalla modellazione dello scenario di incendio, che si avvantaggia dei metodi sempre più frequentemente utilizzati nella progettazione della sicurezza delle strutture al fuoco.


La valutazione delle strutture in c.a. post incendio

La valutazione della capacità portante e della durabilità residue di strutture in calcestruzzo armato sopravvissute ad un incendio è un problema complesso che coinvolge diverse discipline, dalla Scienza dei Materiali all’Ingegneria Strutturale, dalla diagnostica mediante tecniche di indagine non distruttive (NDT) alla Fire Engineering.

Come è noto, le strutture calcestruzzo armato mostrano un buon comportamento al fuoco, grazie alla natura non combustibile del materiale ed alla sua bassa diffusività termica, che garantiscono una lenta diffusione del calore all’interno degli elementi strutturali. Queste proprietà, unitamente alla frequente iperstaticità degli schemi statici e alla minore incidenza dei fenomeni di instabilità, spesso evitano il collasso, rendendo necessaria una valutazione del danno subito e della sua riparabilità. Tuttavia, a causa dei forti gradienti termici e delle fessurazioni che si sviluppano nel copriferro, oltre alla frequente assenza di evidenti fenomeni deformativi (che viceversa caratterizzano le strutture in carpenteria metallica), l'identificazione dell'effettiva severità dell'evento risulta particolarmente difficoltosa.

Nel contempo, la disponibilità di modelli semplificati capaci di descrivere le condizioni termiche che è probabile si sviluppino in un comparto, rende meno aleatoria la quantificazione degli effetti di un incendio.

In questo testo viene proposta una strategia generale di indagine, basata sull'osservazione a più scale degli effetti dell'incendio, sulla descrizione del possibile scenario mediante i modelli semplificati correntemente usati nella progettazione della sicurezza strutturale al fuoco e, infine, sulla validazione dello scenario ipotizzato mediante il confronto con i risultati puntuali forniti dalle tecniche di controllo non distruttivo.

 

Ricognizione della struttura ed identificazione del tipo di scenario di incendio  

Il primo sopralluogo generale sulla struttura va effettuato non appena sia stata verificata visivamente l'assenza di pericoli di crollo imminente ed eventualmente dopo aver messo in sicurezza i percorsi di accesso mediante puntellamenti e ponteggi (Figura 1).

L'obiettivo è di riconoscere la diversa intensità dei focolai, stimare le massime temperature raggiunte, verificare la realizzazione o meno delle condizioni di incendio generalizzato (flashover) ed effettuare una prima classificazione dei livelli di danneggiamento subìto dalle membrature.

In questa fase è di estrema utilità l'esame degli elementi non strutturali presenti nel comparto incendiato, quali arredi, partizioni, serramenti e impianti (corpi illuminanti, canalizzazioni, scambiatori di calore, ecc.). Il livello di degrado dei materiali che li compongono (Tabella 1) permette di stimare la temperatura massima raggiunta alle diverse quote da terra, in virtù della tendenza del fumo a stratificarsi (Figura 2). Più difficile è risalire all'effettiva durata dell'evento, testimoniata in alcuni casi dalla profondità di carbonizzazione degli elementi lignei e di rotoli o pile di materiale cellulosico (tessuti e carta).

I dati raccolti, uniti ad una descrizione sintetica della geometria del comparto ed alla cronologia degli eventi (entrata in funzione di impianti antincendio, intervento dei vigili del fuoco, apertura di porte, rottura di finestre e lucernari) permettono di effettuare alcune valutazioni quantitative sulla possibile evoluzione nel tempo delle temperature a cui sono stati esposti gli elementi strutturali.

A tal fine si rivelano particolarmente utili i modelli semplificati e gli strumenti di calcolo che si stanno sempre più diffondendo nel campo della progettazione della sicurezza al fuoco secondo l’approccio prestazionale (modelli a zone, incendio localizzato). Diventa così possibile un primo inquadramento della possibile storia termica vissuta dagli elementi strutturali, eventualmente nella forma di un'analisi parametrica che tenga conto dei possibili campi di variazione dei parametri più incerti (tipicamente il carico di incendio e la velocità di combustione, descritta dalla curva di rilascio termico).

Sempre nell’ambito dei rilievi su scala strutturale, un esame delle frecce e delle deformazioni residue delle membrature principali fornisce già qualche indicazione sull’eventuale raggiungimento di situazioni critiche nei materiali.

In particolare, il riscaldamento delle armature produce inizialmente un aumento della loro deformazione viscosa e plastica, che si manifesta con una diffusa fessurazione del copriferro e con un aumento della flessione degli orizzontamenti. Quest’ultimo aspetto è particolarmente significativo nel caso delle strutture prefabbricate, dove l’isostaticità degli schemi strutturali e la possibilità di confrontare la deformata di elementi nominalmente identici, ma diversamente esposti alle alte temperature, facilitano l’interpretazione dei risultati e l’identificazione delle zone più danneggiate (Figura 3).

 

Diagnosi del danno da incendio su strutture in calcestruzzo armato      

Figura 1 - Possibile crollo per perdita dell'appoggio dovuta a flessione eccessiva o per rottura dei trefoli nelle anime di tegoli TT, realizzazione di un percorso protetto contro la caduta delle controsoffittature. 

  

Tabella 1 - Effetto dell'alta temperatura sui materiali di componenti non strutturali.

Effetto dell'alta temperatura sui materiali di componenti non strutturali.

 

Indicazioni fornite dall'esame di materiali e reperti circa la stratificazione delle temperature in comparti dove non sono state raggiunte le condizioni per l'incendio generalizzato

Figura 2 - Indicazioni fornite dall'esame di materiali e reperti circa la stratificazione delle temperature in comparti dove non sono state raggiunte le condizioni per l'incendio generalizzato.

 

Corrispondenza tra flessione residua e resti delle lastre ondulate traslucide sulla copertura di un edificio industriale, mappa delle frecce nell'intorno del focolaio e livellazione idrostatica con asta estensibile.    

Figura 3 - Corrispondenza tra flessione residua e resti delle lastre ondulate traslucide sulla copertura di un edificio industriale, mappa delle frecce nell'intorno del focolaio e livellazione idrostatica con asta estensibile. 

 

Va però osservato che, in presenza di elementi precompressi soggetti al solo peso proprio, l'inversione dello stato tensionale dovuta alla presollecitazione può condurre ad un ulteriore inarcamento degli elementi, a causa della viscosità transitoria del calcestruzzo compresso sottoposto a riscaldamento (Transient Thermal Creep).

Il rilievo delle frecce residue può essere effettuato con i tradizionali metodi topografici (stazione totale, laser scanner), mediante semplici livelli idrostatici da cantiere (particolarmente versatili in condizioni di scarsa visibilità e praticabilità), con tecniche fotogrammetriche e, in tempi più recenti, mediante dispositivi per l'acquisizione di immagini tridimensionali.

 

Interpretazione dei quadri fessurativi

Scendendo ad una scala di maggior dettaglio è possibile riconoscere gli effetti delle deformazioni locali e delle coazioni termiche dovute a disomogeneità di temperatura e di spessore delle sezioni. La comprensione dei meccanismi che ne scaturiscono è essenziale per la valutazione delle possibili conseguenze sulla sicurezza strutturale.

In primo luogo, il rapido riscaldamento dello strato superficiale facilita l'insorgere di fessure da delaminazione, con distacco parziale o completo del copriferro. I casi più evidenti sono rappresentati dallo sfondellamento dei laterizi di alleggerimento dei solai, dal distacco dell'intradosso dei pannelli alveolari precompressi, dallo scartellamento delle pareti di compartimentazione in blocchi vibro-compressi (Figura 4).

Nel caso di calcestruzzi di buona qualità soggetti a compressione (pilastri, anime di travi precompresse, segmenti del rivestimento di gallerie), la concomitante presenza di elevate pressioni interne dovute all'evaporazione dell'acqua contenuta nei pori rende le fessure particolarmente instabili, con l'espulsione violenta di frammenti di calcestruzzo e la significativa erosione delle sezioni (fenomeno dello spalling esplosivo). In corrispondenza degli spigoli e di marcate convessità del perimetro delle sezioni, la spinta a vuoto generata dalla dilatazione termica porta frequentemente al distacco di grosse scaglie longitudinali (spalling d'angolo).

Nei casi meno evidenti, la presenza di fessure da delaminazione può essere accertata mediante la battitura del copriferro con martello e l'esame della risposta acustica. Si tratta di una importante verifica non solo per quantificare i necessari ripristini, ma anche in preparazione delle indagini locali con tecniche diagnostiche quali lo sclerometro e gli ultrasuoni, i cui esiti perdono significatività in presenza di distacchi. 

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Figura 4 - Scartellamento di un solaio in laterocemento, di una parete in blocchetti vibro-compressi e dell'intradosso di un pannello alveolare; spalling esplosivo nell'anima di una trave precompressa e in un pilastro; spalling d'angolo in un pilastro e in una trave di un edificio prefabbricato.

 

Un altro effetto della dilatazione termica del copriferro è l'accentuazione dei quadri fessurativi dovuti a flessione e taglio, dal momento che viene indotta una trazione isotropa degli strati più interni e freddi (Figura 5).

Nelle nervature sottili, la dilatazione radiale facilita lo spacco nelle zone di ancoraggio, con possibile perdita di equilibrio all'appoggio. Infine, l'impedimento della dilatazione del copriferro produce una contrazione plastica (Transient Creep) che può confliggere con la dilatazione termica delle barre sottostanti, portando alla loro instabilizzazione. Con il raffreddamento, questa deformazione irreversibile può tradursi in una diffusa cavillatura superficiale a mosaico, nella quale la taglia delle tessere è correlata alla profondità del riscaldamento.

 

Interpretazione dei quadri fessurativi

Figura 5 - Fessurazione da taglio all'appoggio di una trave prefabbricata, spacco longitudinale della nervatura di un pannello di copertura, instabilizzazione delle barre all'intradosso di una trave continua in zona d'appoggio e cavillatura a mosaico del rivestimento di una galleria.

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L'articolo continua con la trattazione delle:

  • Indagini locali con tecniche diagnostiche
  • Interpretazione coordinata dei risultati delle indagini diagnostiche
  • Esempi applicativi

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