Università degli Studi di Napoli DIPARTIMENTO DI STRUTTURE PER L INGEGNERIA E L ARCHITETTURA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA STRUTTURALE E GEOTECNICA

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1 Capitolo 4 Analisi strutturale Università degli Studi di Napoli FEDERICO II DIPARTIMENTO DI STRUTTURE PER L INGEGNERIA E L ARCHITETTURA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA STRUTTURALE E GEOTECNICA TESI DI LAUREA MAGISTRALE ANALISI TEORICO-SPERIMENTALE IN CASO DI INCENDIO DI UNA STRUTTURA ESISTENTE IN ACCIAIO DELLA CASERMA DEI VVF DI NAPOLI PROTETTA CON VERNICE INTUMESCENTE RELATORI Ch.mo prof. ing. EMIDIO NIGRO Dirigente Generale dei Vigili del Fuoco ing. GUIDO PARISI CANDIDATA Donatella de Silva Matr. M56/159 Vice Dirigente dei Vigili del Fuoco ing. MICHELE M. LA VEGLIA CORRELATORI ing. Antonio BILOTTA ing. Iolanda DEL PRETE ing. Anna FERRARO 1

2 Introduzione Il fuoco sopraggiungendo giudicherà e condannerà tutte le cose. Rileggendo questa frase, tratta da uno dei frammenti di Eraclito, è facile pensare a come, da sempre, l uomo abbia visto nel fuoco, una fonte di minaccia per sé stesso e per le proprie attività. E per questo che nel corso del tempo sono state create metodologie per prevenire gli incendi e strumenti per combatterli. Con il termine sicurezza degli edifici in caso di incendio si intende lo studio del caso di incendio ed il suo effetto sugli occupanti e sulle costruzioni. I principali obiettivi della sicurezza sono rivolti a permettere l'evacuazione delle persone e a rendere possibili le operazioni di soccorso. La sicurezza degli edifici in caso d incendio dipende da molti fattori che intervengono in fase di progetto e durante la costruzione dell opera stessa e uno di questi riguarda i materiali costituenti la struttura. Tra i materiali da costruzione l acciaio è uno dei più utilizzati in tutto il mondo; questo è dovuto a numerosi vantaggi offerti da tale materiale: la rapidità nelle operazioni di costruzione, la possibilità di adottare luci elevate, la leggerezza del materiale ed i bassi costi di costruzione industriali. Inoltre è dotato di un elevata duttilità strutturale, che rappresenta il modo più efficace per adottare schemi statici in grado di resistere ad eventuali terremoti. Eppure le strutture in acciaio a volte sono considerate una soluzione poco adatta per il raggiungimento della sicurezza in caso di incendio. I risultati di numerose ricerche, le nuove normative per la progettazione e le soluzioni ormai correntemente adottate per la realizzazione di edifici stanno invece a dimostrare che esse possono essere progettate per soddisfare qualunque livello di sicurezza necessario. Le regole tecniche di Prevenzione Incendi mirano al raggiungimento della sicurezza in caso di incendio degli edifici. In generale il progetto di Prevenzione Incendi di una costruzione è costituito da un insieme integrato di misure di Protezione Attiva e Passiva. Le precauzioni fondamentali da adottare si rifanno a tre gruppi di azioni: - limitare le occasioni di innesco; - circoscrivere l incendio e spegnere le fiamme; - favorire l esodo delle persone occupanti l edificio. La prevenzione dei danni e la mitigazione dei suoi effetti, con riferimento alla salvaguardia della vita umana ed alla tutela dei beni immobili e mobili, costituisce il campo disciplinare della Ingegneria della Sicurezza Antincendio (Fire Safety Engineering). Questa è una multi- 2

3 disciplina volta all applicazione dei principi della scienza e dell ingegneria, di leggi e giudizi esperti, basati sulla valutazione scientifica del fenomeno della combustione e degli effetti dell incendio, nonché sulla reazione delle persone coinvolte, finalizzato alla loro tutela e alla protezione dei beni e dell ambiente. Accanto alla Fire Safety Engineering si trovano altre due discipline di prevenzione incendi: - Fire Protection Engineering, che comprende gli aspetti di protezione attiva e passiva, necessari per fornire adeguati livelli di protezione al fuoco sia per l edificio che per il suo contenuto; - Structural Fire Engineering, che tratta esclusivamente gli aspetti specifici di protezione passiva, analizzando gli effetti termici del fuoco sugli edifici e progettando gli elementi per conseguire adeguate capacità di resistenza e per controllare l espansione dell incendio. Nell ambito della disciplina Structural Fire Engineering, questo lavoro di Tesi rappresenta un approfondimento sulle metodologie di protezione passiva delle strutture in acciaio; in particolare, trattandosi di un edificio esistente, non esiste una normativa di riferimento. La Tesi mira alla valutazione della sicurezza in caso di incendio della specifica struttura attraverso indagini sperimentali e analisi termomeccaniche. Il primo capitolo tratta la sicurezza in condizioni di incendio inserita nel quadro normativo vigente, partendo da un excursus storico fino ad arrivare alle più recenti normative che riguardano: i codici prescrittivi, le tipologie di analisi, la verifica delle strutture in caso di incendio. Il secondo capitolo contiene invece una descrizione dettagliata della struttura in esame, mettendo in luce il grado e le tipologie di protezione al fuoco di cui è dotata allo stato attuale. Nel terzo capitolo è stato affrontato il tema delle prove sperimentali, descrivendone le tipologie, le modalità di esecuzione ed i risultati ottenuti. Sono state poi svolte analisi di tipo termo-meccanico, per singoli elementi e per sottostrutture, sia nel caso di struttura priva di protezione al fuoco, sia nel caso di struttura protetta con la vernice intumescente nuova, in quanto dalle prove in forno è stato riscontrato che l attuale vernice ha perso le caratteristiche intumescenti di protezione. Dai sopralluoghi svolti è stato possibile riscontrare che la struttura nel complesso presenta protezione al fuoco con vernice intumescente (Figura 1 a e b) su tutti i tiranti interni ai vari piani e sull impalcato al piano terra, adibito ad autorimessa; ma, talvolta, tale vernice versa in condizioni di degrado particolarmente spinto, mettendone in discussione l efficacia. 3

4 Lo stesso si è potuto osservare della controsoffittatura (Figura 1 c), di cui, aldilà del degrado, non avendo a disposizione i certificati, non si conoscono eventuali caratteristiche di resistenza al fuoco. Nel caso in cui tale controsoffittatura non avesse caratteristiche protettive, gli impalcati ai piani primo, secondo, terzo e quarto, risulterebbero a rischio in caso di incendio. a) b) c) Figura 1- a) e b) elementi protetti con vernice intumescente, c) controsoffitto. Alla luce di tutto ciò si è proceduto ad un analisi più dettagliata delle vernici intumescenti, con lo scopo di caratterizzarle e valutarne l efficacia attuale. Ogni qualvolta si approccia con un edificio esistente, per le verifiche in caso di incendio così come per quelle di tipo sismico, si manifesta la necessità, di effettuare numerose di prove sperimentali, in modo da raggiunge un buon livello di conoscenza della struttura. In particolare le prove sperimentali condotte nel presente lavoro sono state volte alla caratterizzazione di una vernice intumescente esistente di cui non si conoscono le proprietà termiche, né tantomeno le condizioni di invecchiamento che ha subito negli anni. Per classificare una vernice intumescente è necessario quindi svolgere prove in situ ed in laboratorio, che vanno dalle misure di spessore alle prove in forno. Il tutto per conoscere il grado di protezione al fuoco di cui attualmente è dotata la caserma dei Vigili del Fuoco di Napoli, al fine di verificare il rispetto del requisito R60 richiesto dal committente (Vigili del Fuoco). Dalle prove in forno è emerso nello specifico che la vernice intumescente esistente ha perso le sue caratteristiche di protezione al fuoco, in quanto i campioni reference si sono comportati come elementi in acciaio in assenza di protettivo; quindi dopo trent anni dall applicazione, è necessario talvolta provvedere a proteggere nuovamente la struttura. E stato inoltre osservato un certo legame tra lo spessore della vernice e la sua risposta in termini di resistenza all adesione e durante la prova in forno (Figura 2). In particolare si è osservato che elementi con spessori più elevati (circa 1000 µ) di vernice presentano delle resistenze all adesione ben più basse di quelli con spessori meno elevati e la 4

5 vernice con spessori maggiori, durante le prove in forno si è staccata dall elemento prima di quella avente spessori più contenuti ANG-60X60X6-A-ISO Spessore (µm) Angolari 200 Linea di tendenza Tensione media (MPa) Temperatura ( C) DISTACCO DELLA VERNICE ISO 834 CURVA TEORICA-ACCIAIO NUDO REFERENCE RESTORED REPAINTED Tempo (min) Figura 2- risultati prove di adesione. Figura 3- risultati prove in forno. Si può concludere quindi che, pur di soddisfare il livello di protezione richiesto, potrebbe essere più conveniente applicare uno spessore di vernice non troppo elevato. Altro risultato fondamentale è stato la risposta del pacchetto costituito da vernice nuova applicata sulla vecchia (Figura 3), nonostante quest ultima non fosse in ottime condizioni macroscopiche, soprattutto negli elementi prelevati dall edificio più esposto agli agenti atmosferici. Si è avuto infatti un distacco del pacchetto dopo circa 120 minuti, garantendo cioè almeno un ora di protezione (R60) analogamente a quella della vernice nuova applicata rimuovendo la vecchia. Ciò significa che è possibile riapplicare la nuova vernice sulla vecchia con considerevoli vantaggi economici e risparmio del tempo di posa in opera. Le modellazioni termomeccaniche hanno mostrato che, nel caso di struttura nuda, l elemento particolarmente vulnerabile all incendio risulta essere il tirante (Figura 4). Le analisi dei singoli elementi (tiranti) e della sottostruttura, nei vari casi dell elemento nudo restituiscono lo stesso tempo di collasso. Ciò è dovuto al fatto che la struttura ha uno schema isostatico e quindi non nascono sollecitazioni aggiuntive all interno dei singoli tiranti. E evidente, inoltre, come è stato necessario effettuare delle prove in forno per appurare che la vernice intumescente esistente non ha più alcun grado di protezione e che quindi le modellazioni termomeccaniche sono state svolte unicamente con protettivo intumescente nuovo. E risultato quindi che con 5

6 l applicazione di 600 µ o 1200 µ di vernice intumescente è possibile assicurare un livello di resistenza di 60 minuti, in particolar modo per i pendini. Quindi, in base anche alle considerazioni svolte nel Capitolo 3 relative alle prove sperimentali eseguite, si può affermare che lo spessore necessario ai fini del soddisfacimento del requisito R60, deve essere non inferiore a 600 µ. 4.00E E+06 Sforzo normale sollecitante Sforzo normale resistente-curva naturale Sforzo normale resistente-iso TIRANTE NUDO Sforzo normale (N) 3.00E E E E E+06 t collasso = 26 min t collasso = 44 min 5.00E E Tempo (min) TIRANTE PROTETTO Sforzo normale (N) t collasso = 126 min Sforzo normale-iso Sforzo normale resistente Tempo (min) Figura 4- risultati titante quarto paino Dalle analisi sul telaio trasversale è emerso che il tempo di collasso aumenta notevolmente, sia nel caso del di vincoli esterni cerniere che vincoli esterni carrelli. In particolare nel caso di vincoli esterni cerniere la crisi è avvenuta nella trave (dopo 77 minuti), per effetto dello sforzo normale che nasce perché la trave non può dilatarsi liberamente durante il transitorio termico. Nel caso di telaio trasversale con carrelli, invece, collassa il tirante, dopo circa 119 minuti di esposizione alla curva ISO