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Metodo analitico per la progettazione della resistenza al fuoco di elementi strutturali in cemento armato

L'Approccio ingegneristico, o metodo analitico, nella progettazione della prevenzione incendi consente di studiare soluzioni antincendio che non rispettano i requisiti dell’Approccio prescrittivo di prevenzione incendi a condizione, però, che siano capaci di garantire lo stesso livello di sicurezza antincendio fissato dalle prescrizioni antincendio.
Per progettare interventi idonei a garantire la resistenza al fuoco delle strutture, ed in particolare per gli elementi strutturali in cemento armato, l’Approccio prescrittivo richiede l'adozione di soluzioni predefinite in funzione solo del materiale strutturale e della resistenza al fuoco richiesta.
Spesso, in fase di progettazione, alcuni requisiti dell’Approccio prescrittivo sono difficili, se non impossibili, da soddisfare. Un esempio pratico è quello di un progetto di restauro di un edificio storico, per il quale sono richiesti interventi non invasivi, reversibili e compatibili.
In questo lavoro viene presentato uno studio che consente di progettare interventi adeguati a garantire la resistenza al fuoco degli elementi strutturali in cemento armato con il metodo analitico, ovvero con un Approccio ingegneristico.

L'approccio ingegneristico nella progettazione antincendio degli edifici

Con il DM del 9 maggio 2007, il legislatore italiano, per la prima volta, introduce l’Approccio ingegneristico nella progettazione antincendio degli edifici.
Generalmente nella fase di progettazione è difficile, se non impossibile (in alcuni casi), rispettare alcune prescrizioni delle Regole Tecniche. Un esempio pratico è il progetto di recupero di un edificio storico. Ad esempio, in presenza di solai in legno, il carico di incendio sarà molto elevato tanto da richiedere, per garantire la sicurezza antincendio, interventi invasivi non compatibili con i principi delle Carte del Restauro: interventi non invasivi, reversibili e compatibili.

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Un esempio concreto è il progetto del complesso museale dell’Ara Pacis a Roma di Richard Meier & Partner Architetti (Figg. 1, 2). In questo caso il progettista è stato costretto, per garantire la sicurezza antincendio imposta dalla Regola Tecnica, a rivestire le strutture in acciaio dell’edificio che, invece, era stato concepito permeabile e trasparente all’ambiente urbano.

Per consentire di risolvere casi come quello dell’Ara Pacis, il legislatore ha ritenuto opportuno, quindi, introdurre un approccio non solo prescrittivo, ma anche prestazionale, per cui la soluzione non è imposta dalla Regola Tecnica, ma è frutto dello studio del progettista.
Il progettista, utilizzando modelli rigorosi e procedure computazionali, riproduce quelli che sono i possibili scenari di incendio che l’edificio dovrà affrontare. Sulla base di questi scenari, verranno scelte le soluzioni progettuali antincendio più idonee, dimostrando il raggiungimento degli obiettivi di sicurezza fissati.
I metodi di calcolo delle prestazioni di resistenza al fuoco delle strutture si basano sul concetto di sezione a caldo, intendendo per sezione a caldo, per esempio in cemento armato, quella sezione in grado di bilanciare con la sua resistenza al freddo lo sforzo che può bilanciare la sezione reale con la sua resistenza a caldo.

Figura 1 – Roma: Ara Pacis, con l’involucro progettato da Richard Meier & Partner Architetti
Figura 1. Roma: Ara Pacis, con l’involucro progettato da Richard Meier & Partner Architetti.
Figura 2 – Roma: vista esterna dell’involucro dell’Ara Pacis
Figura 2. Roma: vista esterna dell’involucro dell’Ara Pacis.

Ad esempio, una barra d'acciaio di sezione retta Af e con tensione di calcolo fyd, in grado di equilibrare a freddo un carico di trazione N = fyd Af, portato alla temperatura θ, cui corrisponde un coefficiente di riduzione del carico di rottura Øy, è in grado di bilanciare il carico ultimo di trazione:

dove (2) è la sezione a caldo.

Analogamente, una sezione di calcestruzzo larga B e alta Δx e con resistenza di calcolo fcd, portata alla temperatura θ, cui corrisponde un coefficiente di riduzione della resistenza a compressione Фc, è in grado di sopportare il carico ultimo di compressione

dove (4) è la sezione a caldo.

Calcolo della resistenza al fuoco delle strutture in cemento armato

Per progettare le strutture in calcestruzzo armato resistenti al fuoco con il metodo analitico, è necessario imporre, in generale, che la capacità portante ultima Pθ alla temperatura θ, sia maggiore del carico di esercizio Pe:

Pθ > Pe          (5)

Per la determinazione di Pθ occorre conoscere la temperatura raggiunta dal materiale calcestruzzo per effetto dell’esposizione al fuoco per un tempo t, il coefficiente di riduzione della resistenza a compressione Фc ed il coefficiente di riduzione del modulo elastico ФE.
Nel caso più generale è necessario procedere secondo i seguenti step:

  • Determinazione della legge di variazione della temperatura dell’ambiente (T) in relazione al tempo (t) di esposizione al fuoco:  

T = f (t)

  • Determinazione della legge di variazione della temperatura del materiale (θ) in relazione al tempo (t) di esposizione al fuoco:

θ = f(t)

  • Determinazione della legge di variazione della resistenza a caldo (σθ) in relazione alla resistenza a freddo (σ):

Øσ = σθ/σ = f(θ)

  • Determinazione della legge di variazione del modulo elastico a caldo (Eθ) rispetto al modulo elastico a freddo (E):

ØE = Eθ/E = f(θ)

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Cosa troverai sul pdf:

  • 2.1. Legge di variazione della temperatura ambientale T
  • 2.2 Legge di variazione della temperatura θ del materiale
  • 2.2.1 Caso particolare: Struttura con una sola faccia esposta all’incendio
  • 2.2.2 Caso particolare: Struttura con tre facce esposte all’incendio
  • 2.2.3 Caso particolare: Struttura con quattro facce esposte all’incendio
  • 2.3 Legge di variazione della resistenza a caldo (σθ)rispetto alla resistenza a freddo (σ)
  • 2.4 Legge di variazione del modulo elastico al caldo (Ecθ) rispetto al modulo elastico al freddo (Ec)
  • 3. Applicazione della procedura di calcolo della resistenza al fuoco per alcune strutture in cemento armato
  • 4 Calcolo del rivestimento necessario per classificare un elemento in c.a. con resistenza R prefissata

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