Le basi della progettazione strutturale antincendio

INTRODUZIONE

Il presente contributo presenta, anche se brevemente, quello che deve essere il quadro generale necessario per impostare correttamente e coerentemente la progettazione strutturale antincendio. Tale quadro, che può apparire all’inizio troppo ampio e distante, è essenziale invece, a parere degli autori, per comprendere i vari aspetti della sicurezza antincendio, che coinvolge inevitabilmente e intimamente persone – cose – impianti – strutture, e riflette, tra l’altro, l’esperienza di dieci anni di insegnamento del corso di Progettazione Strutturale Antincendio tenuto nella Facoltà di Ingegneria dell’Università degli Studi di Roma La Sapienza.

1.     AZIONI ACCIDENTALI E ROBUSTEZZA STRUTTURALE

Il riconoscimento della natura specifica delle azioni accidentali e delle relative problematiche è relativamente recente [1]. Probabilmente, il punto di partenza è il clamoroso collasso del 16 maggio 1968 dell’edificio di 22 piani Ronan Point nella parte orientale di Londra [2]. Qui, a seguito di un’esplosione di gas al 18° piano, si ebbe il collasso di una parte rilevante dell’edificio costruito con l’assemblaggio di grandi pannelli prefabbricati (Fig.1). Questo evento ha permesso alla comunità scientifica e tecnica di riflettere su [3]:

1. il concetto di robustezza strutturale: una struttura ha questa proprietà se mostra un danno proporzionale alla causa che lo ha provocato; nel Ronan Point, una esplosione di intensità limitata ha provocato danni alla struttura sensibilmente estesi: il sistema con assemblaggio di grandi pannelli prefabbricati non è risultato in questo caso robusto;

2. il meccanismo di collasso progressivo: la rottura di un elemento si propaga all’interno della struttura in modo incontrollato, con una modalità che alle volte è denominata domino: nel Ronan Point, il collasso del solaio di un piano, ha provocato il collasso del piano sottostante e così via, fino ad arrivare alla perdita di tutti i solai sottostanti quello dell’appartamento dove è avvenuta l’esplosione;

3.l’impossibilità di prevedere tutte le forme di danneggiamento e quindi la necessità di prevedere forme di difesa, ovvero percorsi di carico, alternative e ridondanti; in termini generali, tali misure devono preservare la cosiddetta integrità strutturale;

4.l’importanza dei dettagli costruttivi, in quanto la propagazione del collasso poteva essere, se non evitata, limitata da specifici accorgimenti; questo riguarda in particolare la concezione e il dimensionamento delle connessioni fra i diversi elementi e le differenti parti strutturali.

Queste riflessioni si sono concretizzate dopo qualche mese nel 1970 in un pesante ripensamento normativo in Inghilterra, con l’introduzione di misure per rendere robuste le costruzioni. Infatti, il cosiddetto “?fth amendment” delle U.K. Building Regulations in 1970, recita:

“[it] applies to all buildings over four stories and requires that under speci?ed loading conditions a structure must remain stable with a reduced safety factor in the event of a de?ned structural member or portion thereof being removed. Limits of damage are laid down and if these would be exceeded by the removal of a particular member, that member must be designed to resist a pressure of 34 kN/m2 (51 lb/in2) from any direction. Of special importance in relation to load bearing wall structures is that these conditions should be met in the event of a wall or section of a wall being removed, subject to a maximum length of 2.25 times the story height”. 

Figura 1 – Collasso Roman Point

(http://www.failedarchitecture.com/the-downfall-of-british-modernist-architecture/)

 È interessante notare che nel corso di circa venti anni, la definizione di robustezza strutturale si è allargata includendo - accanto ad azioni accidentali quali fuoco, esplosioni e impatti - anche gli effetti legati all’errore umano [4]. Infatti, nelle basi degli Eurocodici negli Anni ’90, si trova la definizione:

"Robustness is the ability of a structure to withstand events like fire, explosions, impact or the consequences of human error, without being damaged to an extent disproportionate to the original cause."

Inoltre, vale la pena sottolineare che la robustezza strutturale richiede, dal punto di vista intensivo, una perdita di capacità portante che sia regolare e proporzionale alla causa, mentre, dal punto di vista estensivo, una limitata diffusione del danno nella struttura.

In Italia, dal punto di vista normativo, solo nel 2005, nel cosiddetto Testo Unico delle Norme Tecniche delle Costruzioni di cui al D.M. 14 settembre 2005, per la prima volta nel Capitolo 2 – Sicurezza, Prestazioni attese, Azioni sulle costruzioni, è stato introdotto il concetto di robustezza e, contemporaneamente, nel Capitolo 3, le azioni accidentali.

Successivamente, tali concetti sono stati ripresentati nelle Norme Tecniche delle Costruzioni del 2008, in cui le azioni accidentali sono state rinominate azioni eccezionali. Questo cambio letterale, dovuto al fatto di voler evitare ambiguità con la consuetudine italiana per la quale i carichi accidentali erano i carichi non permanenti che possono gravare su di una struttura (per es., per un ponte, il carico dovuto al transito dei pedoni e dei veicoli, mentre è permanente il carico relativo al peso proprio del ponte), denota una certa improprietà nei concetti. Infatti, il termine eccezionale dovrebbe denotare una situazione in cui una azione si presenta con un valore inusuale (ad es. una precipitazione nevosa di un metro in Sicilia), mentre l’aggettivo accidentale dovrebbe riferirsi ad una situazione che avviene per incidente o casualmente (l’incendio di una autocisterna): il termine eccezionale dovrebbe fare, quindi, riferimento all’intensità dell’azione, mentre il termine accidentale al suo meccanismo. Occorre anche riflettere che, mentre la nevicata di un metro in Sicilia in effetti è statisticamente improbabile (outlier), l’incendio di un’autocisterna è più frequente, ma avviene con modalità uniche.

In effetti, questa riflessione può essere approfondita considerando la Fig.2: qui è considerato come può essere analizzata una azione di cui esista una base statistica. Questo può essere il caso di azioni ambientali - come vento, neve, variazioni termiche fino ad arrivare al sisma – o antropiche – come il carico negli edifici per le varie destinazioni d’uso. L’eccezionalità si riferisce dunque ad un valore estremo di questa statistica. Il caso di azioni come l’incendio, che presentano meccanismi di sviluppo specifici, non può essere al contrario trattato in questo modo.

È proprio la mancanza di una base statistica che distingue le azioni accidentali come l’incendio: in effetti, la dinamica di tali eventi si presenta sempre con specifiche caratteristiche di singolarità e unicità.

Su questo punto, in letteratura si trovano distinte due categorie di eventi che possono interessare le strutture:

1. eventi HP-LC (High Probability – Low Consequences), ovvero situazioni che si presentano ripetutamente sulle costruzioni e che, normalmente, hanno basse conseguenze;

2. eventi LP – HC (Low Probability – High Consequences), situazioni al contrario che si presentano raramente ma che possono avere gravi conseguenze.

 

Figura 2 – Analisi statistica di una azione variabile nel tempo.

La Tab.1, sintetizza a grandi linee le peculiarità delle due categorie di eventi:

- le prime tre righe considerano le quantità di energia, rotture e persone che possono essere coinvolte;

- le successive tre righe descrivono le problematiche in termini di analisi dell’evento;

- le ultime due, fanno riferimento alla facilità o difficoltà di previsione della dinamica dell’evento.

Proprio l’intrinseca natura degli eventi LP – HC, può condurre a sviluppi con effetti a cascata, in cui catene di circostanze si susseguono in modo imprevedibile, dando luogo alla cosiddetta situazione di run-away come illustrata in Fig.3: l’effetto dell’azione esce dai limiti del quadro di prevedibilità. È proprio questa caratteristica, questa possibile escalation dell’evento che può portare a situazioni catastrofiche.

Tabella 1 – Caratteristiche principali degli eventi HP – LC e LP – HC.

Eventi

HP - LC

LP - HC

Rilascio di energia

Basso

Alto

Numero di rotture

Basso

Alto

Numero di persone coinvolte

Basso

Alto

Comportamento strutturale

Lineare

Non lineare

Interazioni

Lasche

Strette

Incertezza

Bassa

Elevata

Scomponibilità dell’evento

Alta

Bassa

Prevedibilità dell’evento

Alta

Bassa

 In questa considerazione di eventi imprevisti e effetti imprevedibili, si è aggiunto recentemente il tema dei cosiddetti Black-Swan Events [5]. Questi eventi sono caratterizzati:

I. dall’essere eventi singolari, al di fuori della normale aspettativa in quanto nulla della passata esperienza ha prefigurato la loro possibilità;

II. dall’avere un impatto estremo;

III. dall’essere, a dispetto della loro non previsione e inatteso accadimento, una volta avvenuti, retrospettivamente spiegabili e prevedibili.

È quest’ultima affermazione, che porta a pesanti cambiamenti nella comunità scientifica e tecnica, come quello avvenuto a seguito dell’attentato al World Trade Center del Settembre 2001.

 Figura 3 – Run-away nel tempo in caso di evento LP - HC.

Con tutto ciò indicato, appare evidente che l’impostazione dell’analisi strutturale e delle conseguenti verifiche di sicurezza di costruzioni in caso di azioni accidentali, prima fra tutte l’incendio, non possano essere compiutamente eseguite con impostazioni analoghe ai casi di azioni legate al normale utilizzo o alle normali condizioni ambientali e naturali.

In particolare, è necessario superare il tradizionale concetto di combinazione dei carichi, per arrivare ad una definizione diversa di contesto in cui una situazione è soggetta ad azioni diverse.
Si deve infatti riflettere su quanto illustrato in Fig.4:

1.lungo l’asse orizzontale è riportata in maniera ideale la complessità del problema, che cresce in funzione delle incertezze, delle non linearità e delle interazioni presenti (come da Tab. 1);

2.lungo l’asse verticale sono posizionati i due possibili approcci – deterministico / probabilistico - per l’impostazione e la soluzione del problema strutturale.

È evidente come, mentre nei casi più semplici si possano avere impostazioni deterministiche (anche semplicemente qualitative), si passa poi a situazioni in cui l’approccio probabilistico sia capace di mettere in evidenza risultati più ricchi. Al crescere però della complessità (ovvero non linearità’ – interazioni – incertezze), in particolare anche per la mancanza di basi statistiche, è necessario ricorrere ad un approccio pragmatico, con assunzione deterministica dei vari parametri del problema.

 

Figura 4 – Differenti impostazioni dell’analisi strutturale e delle verifiche di sicurezza al crescere della complessità del problema. 

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