Volte in muratura soggette a fuoco

Gli archi e le volte in muratura sono elementi strutturali ancora presenti nelle infrastrutture (e.g., ponti), negli edifici esistenti ad uso civile, nonché quelli di interesse storico-culturale. Sempre più sovente, nuove destinazioni d’uso degli ambienti circostanti, o più in generale nuovi requisiti di progetto, ne richiedono la verifica in condizioni eccezionali (i.e., condizioni di incendio).

Per questi elementi strutturali, al contrario di quanto invece accade per muri e colonne in muratura, appropriati modelli di calcolo non sono tutt’oggi disponibili. Una delle cause principali può essere attribuita all’assenza di adeguate campagne sperimentali, generalmente condotte per validare i modelli di calcolo. Per questa ragione, nuove prove sperimentali sono state condotte su due volte a botte, sottoposte a diverse tipologie di carico all’estradosso e incendio standard all’intradosso.

In questo articolo, vengono descritte le prove sperimentali a fuoco delle volte in muratura e i risultati sperimentali vengono confrontati con quelli ottenuti numericamente combinando l’analisi limite e il metodo delle sezioni ridotte.


Verificare le volte in muratura in condizione di incendio

Gli archi e le volte in muratura appartengono a una tecnologia antecedente all’epoca romana. Grazie ad essa, si potevano realizzare orizzontamenti in cui gli sforzi si riconducevano a uno stato tensionale di compressione lungo la loro estensione, impiegando materiali aventi una trascurabile resistenza a trazione. Sebbene gli archi e le volte siano state largamente sostituiti da orizzontamenti piani realizzati con materiali capaci di resistere a trazione (i.e., acciaio e calcestruzzo armato), questo genere di strutture risulta ancora vastamente diffuso all’interno del patrimonio architettonico tra cui ponti [1], edifici ad uso civile, nonché di carattere culturale [2, 3]. 

La conservazione ed il restauro del patrimonio edilizio, particolarmente sostenuta in Italia, fa sì che nuovi standard prestazionali richiedano spesso di verificare queste strutture anche in presenza di azioni eccezionali, quali ad esempio le condizioni di incendio [4].

Se nelle situazioni di carico ordinarie i codici normativi [5] indicano adeguati modelli di calcolo, in condizioni eccezionali ciò non sempre accade.

Infatti, sono generalmente tre i metodi di verifica  che consentono di calcolare la resistenza al fuoco R delle strutture[6]: il metodo tabellare, il metodo semplificato e il metodo avanzato.

In tutti i casi, l’Eurocodice 6 Parte 1-2 [6] limita il campo di applicazione a colonne e muri (portanti e non portanti) in muratura, escludendo di fatto le volte e gli archi. Questo risultato è in gran parte attribuibile alla carenza di prove sperimentali al fuoco che permetterebbero di estendere il metodo tabellare e/o di validare modelli numerici (semplificati o avanzati) [7].

Una ricerca condotta sul database di Scopus (Parole chiave: “Masonry materials”, “Arches” e “Fire resistance”), ci dice che all’interno della letteratura internazionale non esistono prove sperimentali a fuoco su strutture ad arco in muratura, né modelli di calcolo semplificato e/o avanzato.

La sola indagine sperimentale disponibile è quella condotta nel 2015 dal Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco [8]. Quest’ultima ha esaminato una volta a botte in muratura sottoposta, oltre al peso proprio, a due carichi concentrati all’estradosso e all’incendio standard in intradosso [9].

Al fine di arricchire il database delle prove sperimentali, nuovi test sono stati condotti analizzando diversi scenari di carico. In questo articolo, tutti i test disponibili, compreso il precedente [8], sono riassunti e descritti. Inoltre, i risultati sperimentali vengono confrontati con quelli ottenuti numericamente da un nuovo modello di calcolo [10] in grado di combinare l’analisi limite (i.e., tracciamento delle curve delle pressioni [11]) e il metodo delle sezioni ridotte [12-13].

 

Prove al fuoco su volte a botte

In questa sezione vengono descritte tre prove eseguite su strutture ad asse curvilineo, ovvero la volta a botte esaminata nel 2015 dai VV.F. [8] (da qui in avanti chiamata volta #1) e i due nuovi test (volta #2 e volta #3) condotti dal VV.F. in collaborazione con il Politecnico di Torino - DISEG.

 

Geometria delle volte

I prototipi di volta sono stati realizzati sulla copertura del forno sperimentale del DCPST presso Capannelle (Roma) (vedi Fig.1). 

 

Prove al fuoco su volte a botte

Figura 1 Forno di prova, estradosso ed intradosso della volta a botte #2 (misure espresse in metri)

Come mostrato in Fig. 2a, la volta #1 è caratterizzata da una luce netta di 1610 mm, un raggio interno di 930 mm, una freccia di 465 mm e una sezione trasversale di 2070 × 120 mm2 (otto blocchi per corso). Invece, la volta #2 (Fig. 2b) e la volta #3 (Fig.2c) sono caratterizzate da una luce netta di 2285 mm, un raggio interno di 1490 mm, una freccia di 483 mm e una sezione trasversale di 1030 × 120 mm2 (quattro blocchi per corso).

 

Disposizione dei carichi

A differenza della prima prova [8], le volte #2 e #3 sono state sottoposte a carichi distribuiti (oltre al peso proprio), poiché ciò simula con maggiore efficacia gli ordinari scenari di carico. Come si evince dalla Fig.2, la volta #1 è stata sottoposta a una coppia di carichi concentrati di 9.2 kN ciascuno (con punto di applicazione distante 500 mm rispetto alla mezzeria). La volta #2 è stata invece sottoposta a un carico di riempimento ordinario (sabbia sciolta di densità ρs= 13.75 kN/m3). Infine, la volta #3 è stata caricata con un calcestruzzo alleggerito di riempimento (ρc= 20 kN/m3) e, in aggiunta, da un carico variabile Qv= 2.1 kN/m2.

In tutte le prove al fuoco, la camera interna del forno è stata riscaldata secondo la curva di incendio standard [9]: 

T = 20 + 345 log(8 t+1) [°C] (1)

dove t = tempo espresso in minuti.

nuovi test su volte in muratura analizzando diversi scenari di carico

Figura 2 Le indagini sperimentali: (a) volta #1 [8]; (b) volta #2 and (c) volta #3 (misure in mm)

 

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Chi è CDM DOLMEN 

CDM DOLMEN e omnia IS srl nasce grazie ad un gruppo di ingegneri civili laureati al Politecnico di Torino ed è una software house che sviluppa e distribuisce programmi di calcolo per l’ingegneria strutturale e geotecnica da più di 30 anni

CDM DOLMEN e omnia IS srl è impegnata nella produzione, nella distribuzione e nell’assistenza di software per il calcolo strutturale e geotecnico, per la verifica ed il disegno di opere in c.a., c.a.p., muratura portante, legno ed acciaio e per la verifica di resistenza al fuoco.