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Il fenomeno dello spalling nel calcestruzzo esposto alle alte temperature
l'articolo fornisce elementi utili a poter descrivere il processo di trasporto del calore all’interno della matrice cementizia che porta al fenomeno dello spalling.
Il calcestruzzo per la sua natura ignifuga, funge da barriera fisica tra l’intenso calore di un incendio dell’edificio e l’elemento strutturale. Questo materiale “protettivo”, durante l’innalzamento della temperatura, è soggetto al dannoso fenomeno dello “spalling”.
Il distacco del calcestruzzo ad alte temperature è un importante fattore di riduzione della resistenza al fuoco che può portare, nei casi più gravi, ad un effetto deleterio sulla resistenza delle strutture in cemento armato. Risulta importante garantire la capacità portante in caso di incendio, per una struttura, per una parte della struttura o per un elemento strutturale nonché la capacità di compartimentazione rispetto all’incendio per gli elementi di separazione sia strutturali, come muri e solai, ed anche non strutturali, come porte e tramezzi. L’obiettivo di questo articolo è quello di fornire elementi utili a poter descrivere il processo di trasporto del calore all’interno della matrice cementizia che porta al fenomeno dello spalling.
LA PROGETTAZIONE ANTINCENDIO
Una buona progettazione antincendio di strutture in calcestruzzo è un aspetto importante che dovrebbe essere preso in considerazione ogni qual volta prende vita una struttura. Infatti, il fuoco rappresenta, per gli elementi strutturali, una delle condizioni più severe e critiche, quindi, la prestazione di adeguate misure di sicurezza antincendio è un requisito di sicurezza fondamentale, al punto che, quando le altre misure per contenere il fuoco falliscono, l’integrità strutturale è l’ultima linea di difesa[1]. Per comportamento al fuoco si intende quell’insieme di trasformazioni fisiche e chimiche di un materiale sottoposto all’azione del fuoco. Il comportamento al fuoco comprende la resistenza al fuoco delle strutture e la reazione al fuoco dei materiali. Con la resistenza al fuoco si fornisce una delle fondamentali strategie di protezione da perseguire per garantire un adeguato livello di sicurezza della costruzione in condizioni di incendio. Si considerano due tipi di protezione: attiva e passiva. Le misure di protezione attiva vengono rappresentate dal monitoraggio delle condizioni all’interno dell’edificio con gli impianti di rivelazione e di segnalazione. Si evidenzia inoltre la presenza degli estintori, la predisposizione di una rete idrica antincendio, il conseguente utilizzo di impianti di spegnimento e gli evacuatori di fumo e calore. La protezione passiva si basa, invece, su come poter evitare di provocare danni ingenti alle strutture, di conseguenza si basa sull’utilizzo dei materiali da dover utilizzare, che devono possedere adeguate caratteristiche di reazione e resistenza al fuoco, per garantire l’integrità strutturale ed evitare l’accrescere del carico d’incendio. Tra le altre misure di sicurezza passive si annoverano: le distanze di sicurezza, il sistema di ventilazione e il sistema di vie d’uscita.
Figura 1 . Misure attive e passive di sicurezza antincendio
L’importanza di poter garantire tali misure, durante e dopo l’evento, è essenziale per la sicurezza degli occupanti, per le zone limitrofe e per l’ambiente. Infatti, al fine di limitare i rischi derivanti dagli incendi, le costruzioni devono essere progettate, realizzate e gestite in modo da garantire:
1. la stabilità degli elementi portanti per un tempo utile ad assicurare che gli occupanti lascino l’opera indenni o che gli stessi siano soccorsi in altro modo e che le squadre di soccorso possano operare in condizioni di sicurezza;
2. la limitata propagazione del fuoco e dei fumi, anche riguardo alle opere vicine per preservare l’interno degli edifici ma soprattutto per consentire l’evacuazione agli occupanti della struttura.
IL CALCESTRUZZO COME DIFESA ANTINCENDIO
Il verificarsi di un incendio mette a dura prova la stabilità portante di una struttura in conglomerato cementizio armato. In virtù delle proprietà, che possiede, quali un’elevata densità ed inerzia termica, viene favorita come la tecnologia costruttiva maggiormente utilizzata nel nostro Paese e non solo, e per la realizzazione di edifici civili ed industriali. Questo materiale, infatti, possedendo un’ottima resistenza al fuoco, non brucia, non aumenta il carico d’incendio fornendo quindi vie di fuga protette dal fuoco in caso di evacuazione, inoltre, impedisce alle fiamme di diffondersi tra le varie aree dell’edificio e ritarda eventuali crolli strutturali, riuscendo, nella maggior parte dei casi, a prevenire il crollo dell’intero edificio. La resistenza al fuoco di un elemento strutturale dipende da diversi fattori tra cui: la geometria, i materiali impiegati nella costruzione, l’intensità del carico e le caratteristiche dell’esposizione al fuoco. I fattori che influenzano il comportamento al fuoco dei materiali da costruzione possono essere raccolti in tre categorie:
1. le caratteristiche del fuoco;
2. le caratteristiche del materiale (compresi i processi di produzione e finitura);
3. le caratteristiche strutturali.
4.
L’utilizzo, ad esempio, di telai strutturali realizzati in calcestruzzo, progettati per soddisfare l’esigenza di stabilità globale in caso d’incendio, a volte, si comportano in modo addirittura superiore alle aspettative. La non combustibilità e il basso livello con cui aumenta la temperatura all’interno del calcestruzzo significano che la sua resistenza non viene intaccata in maniera significativa in caso d’incendio. Inoltre, la resistenza al fuoco intrinseca offre una protezione passiva nel tempo. È l’unico materiale da costruzione che non ha bisogno di misure di protezione attiva, quali la predisposizione di particolari tipi di impianti di spegnimentoper migliorare il suo comportamento in caso d’incendio[2]. Tra l’altro, è uno tra i pochi materiali da costruzione che può essere successivamente recuperato e riutilizzato. L’utilizzo consiste nel rivestimento esterno della sezione per ritardare il trasferimento del calore proteggendo gli elementi costruttivi visto, come è noto, che le barre d’armatura in acciaio, utilizzate per realizzare il cemento armato, risultano, molto influenzabili al crescere della temperatura. Il calcestruzzo prodotto con un aggregato siliceo mostra una resistenza al fuoco inferiore a quella realizzata con calcestruzzo con aggregato di tipo carbonatico.
Figura 2. Resistenza acciaio da c.a.
Gli acciai per cemento armato ordinario sottoposti all’azione del fuoco fino alla temperatura di 350 °C mantengono all’incirca la loro resistenza a rottura. Essa si dimezza a 500 °C e si annulla a 800 °C. La tensione di snervamento rimane pressoché costante fino a 250 °C e si annulla a 750 °C. Per gli acciai per cemento armato precompresso si ritiene che la resistenza a rottura si riduca al 30% a 500 °C e si annulli a 750 °C.
Il calcestruzzo, in una struttura, riveste due funzione principali:
- portante nei confronti dei carichi esterni;
- isolante per l’acciaio nei confronti delle sollecitazioni termiche [1].
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