Modelli di incendio semplificati ed avanzati per la valutazione della sicurezza strutturale antincendio

Il caso di edifici industriali in acciaio

Rubrica a cura di Fondazione Promozione Acciaio

FrancoBontempi, Chiara Crosti - Dip. Ingegneria Strutturale e Geotecnica, Sapienza Università di Roma
Emidio Nigro, Anna Ferraro - Dip. Ingegneria Strutturale, Università di Napoli “Federico II”
Claudio Mastrogiuseppe, Luca Ponticelli - Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco 
Sandro Pustorino, PaolaPrinci - StructuraEngineering S.r.l., Livorno

Il presente lavoro riguarda la modellazione termo-fluidodinamica degli scenari d’incendio in compartimenti di grande estensione, caratteristica tipica degli edifici di tipo industriale. Con riferimento ad un capannone industriale con struttura portante in acciaio e destinazione d’uso deposi- to intensivo di legna, si sviluppano nel lavoro analisi termo-fluidodinamiche con tre differenti modelli d’incendio: modelli di incendio localizzati, modelli a zona e modelli di campo termo- fluidodinamico per l’applicazione dell’approccio ingegneristico, confrontandone i risultati ottenuti sia in termini di temperature ambientali che in termini di temperature negli elementi strutturali. Questa memoria fa parte delle attività dedicate allo studio della sicurezza antincendio di capanno- ni industriali di acciaio, condotte dalla Commissione Tecnica per la Sicurezza delle Costruzioni di Acciaio in caso di Incendio, istituita da Fondazione Promozione Acciaio.

INTRODUZIONE
Con l’evoluzione degli strumenti di calcolo oggi a disposizione e dei criteri normativi utilizzabili, per una certa tipologia di edifici industriali, in particolare quelli monopiano, l’approccio ingegneristico è una concreta alternativa all’approccio prescrittivo per la progettazione delle strutture di acciaio in caso di incendio. Anche lo sviluppo delle norme nazionali si muove in questa direzione, infatti, il nuovo “Codice di prevenzione incendi” (“Norme Tecniche di Prevenzione Incendi di cui al D.M.Int. 03/08/2015, pubblicato in GU il 20 agosto 2015, [5]) si ispira alle norme europee di carattere prestazionale, come le norme Inglesi e Americane (BS e NFPA).
L’approccio ingegneristico per la verifica delle strutture in caso di incendio consta di due fasi: la prima che ha come obiettivo la definizione degli scenari di incendio, la seconda invece riguarda le verifiche di sicurezza al fuoco sia in termini di salvaguardia delle vite umane che in termini di resistenza strutturale.
Nel presente lavoro, con riferimento ad un capannone industriale con struttura portante in acciaio e destinazione d’uso deposito di legna, si approfondisce la tematica della definizione dell’azione termica sulla struttura. Vengono sviluppate analisi fluidodinamiche con tre differenti modelli d’incendio: modelli di incendio localizzati, modelli a zona e modelli di campo termo- fluidodinamico per l’applicazione dell’approccio ingegneristico. I risultati ottenuti con i vari modelli vengono confrontati tra loro sia in termini di temperature ambientali che in termini di temperature negli elementi strutturali.

DESCRIZIONE DEL CASO STUDIO
La struttura oggetto di studio è un capannone industriale con destinazione d’uso di deposito di legna, attività n. 36 del D.P.R. 151/2011. Il capannone consta di due compartimenti, Comp. SX e Comp. DX, di dimensioni in pianta di 20.00m x 75.00m e altezza variabile da un minimo di 5 m ad un massimo di 7 m (Fig. 1).La parete di divisione tra i due compartimenti è realizzata con blocchi di calcestruzzo cellulare di spessore 10 cm con 1 cm d’intonaco su entrambe le facce, la verifica EI30 è stata effettuata secondo la Tabella D.4.3 del D.M.Int. 16/02/2007 (per ovviare al limite di 4 m sulla distanza fra i due elementi di irrigidimento, che nel caso specifico è di 5m, si provvede ad interporre un cordolo in c.a. a metà dell’altezza della parete).Sia la copertura sia le tamponature sono realizzate con lamiere sandwich. La struttura portante(Fig. 2) è stata dimensio- nata per le normali condizioni ambientali ed è costituita da profili di acciaio S355: travi IPE500, colonne HEA360, arcareccio HEA220 e controventi UPN 80.Si è ipotizzata la presenza di un giunto strutturale lungo la direzione trasversale a metà della lunghezza totale del capannone.

Carico di incendio
Il combustibile è costituito da pallet di legno con potere calorifico di 17.5 MJ/kg. Con riferimento alla distribuzione di scaffalature (Fig. 3), si è determinata la capienza massima dei due comparti- menti; per standardizzare e tenere in conto anche la possibilità di una non totale compattezza del carico depositato (vuoto per pieno) si è fatto riferimento come unità di misura al pallet: si è scelto l’Europallet, di dimensioni 1.2x0.8x0.145m e peso 25 kg.

La distribuzione di scaffalature tiene conto degli ingombri delle scaffalature e dell’eventuale mu- letto (carrello elettrico elevatore) per la movimentazione degli imballi posti sui pallet, larghezza delle corsie di 4 m (come indicato nelle schede tecniche delle scaffalature e del muletto stesso), al fine di rendere agevoli le lavorazioni nel capannone. Si è scelto di fare riferimento al carrello elettrico frontale per due motivi: 1) le altezze da coprire sono inferiori a 7 m, per cui una macchina più complessa non sarebbe necessaria; 2) data l’eccessiva lunghezza del compartimento, 75m, è consigliabile scegliere una macchina che consenta all’operatore di stare seduto.
Con queste ipotesi in ciascun compartimento ci sono 15 500 pallet: negli scaffali alti 3.6 m ci sono 25 pallet sovrapposti, mentre in quelli da 5.4 ci sono 37 pallet sovrapposti.

La massa totale di legna è: Massa = 25 kg x 15 500 = 387 500 kg.

Nota la massa di legno presente nel deposito, il valore del carico di incendio specifico di progetto può essere calcolato applicandole formule del DM 09/03/2007.

Ventilazione
Per il dimensionamento dell’apertura minima necessaria allo smaltimento dei fumi caldi si è fatto riferimento a quanto indicato nuovo Codice di Prevenzione Incendi al punto S.8.5.3, che stabilisce la dimensione minima dell’area delle aperture in funzione dell’area in pianta del compartimento al variare del carico di incendio. Per carichi di incendio superiori a 1200 MJ/m², come nel caso specifico, stabilisce che la superficie utile delle aperture di smaltimento deve essere maggiore di 1/25 dell’area in pianta.
Nello specifico si ha per ciascun compartimento:

A = 20 m x 75 m = 1500 m² → A_f = 1/25 A = 60 m² (2)

di cui il 10% deve essere sempre aperto, quindi con installazione di grate, piuttosto che dell’infisso.

Secondo quanto indicato al punto S.8.5.4 comma 1 del nuovo Codice di Prevenzione Incendi: “Le aperture di smaltimento dovrebbero essere distribuite uniformemente nella porzione superiore di tutti i locali, al fine di facilitare lo smaltimento dei fumi caldi da tutti gli ambiti del compartimento”. Nel caso in esame, essendo ogni compartimento largo 20 m, ai fini dell’evacuazione dei fumi, sono sufficienti le aperture su un solo lato, così come indicato al punto S.8.5.4 comma 2 (Fig. 4).

Pertanto, nel caso specifico vengono distribuite 20 aperture a nastro lungo i due lati esterni del capannone; ogni finestra (Fig. 5) è alta 1m e lunga 3.3 m per un totale di 66 mq di aperture di cui 6 metri permanentemente aperti.

Scenari d’incendio
Lo scenario utilizzato nelle analisi del presente lavoro consiste nell’innesco di 140 pallet localizzati in prossimità della mezzeria di una delle travi principali dei telai trasversali (Fig. 6).

Nel presente lavoro non viene riportata la definizione di tutti gli scenari di incendio di progetto, che sarà sviluppata nel prosieguo dell’attività, ma si fa riferimento ad uno scenario di incendio tipico, comunque probabile, che permette di applicare più modelli di incendio proposti nell’Eurocodice 1 Parte 1-2 (EN 1991-1-2), oltre alla modellazione termo-fluidodinamica con il codice di calcolo FDS. Si ipotizzando la presenza di solo 140 pallet partecipanti alla combustione (49000MJ totali, pari a circa 650MJ/m²).

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Memoria tratta dagli atti del XXV Congresso C.T.A.