STRUTTURE CEMENTO ARMATO, PRECOMPRESSO E MURATURE IN GENERE

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1 STRUTTURE CEMENTO ARMATO, PRECOMPRESSO E MURATURE IN GENERE 90

2 Generalità Nel nostro Paese la maggior parte degli edifici ad uso civile ed industriale viene ancora oggi realizzata con strutture portanti in conglomerato cementizio armato, gettate completamente in opera o parzialmente prefabbricate. Uno dei punti di forza di tale tipologia costruttiva è dato proprio dall eccellente comportamento al fuoco esibito nel corso degli anni: numerosi sono i casi di edifici in cemento armato coinvolti in incendi di dimensioni considerevoli, i quali non solo hanno mantenuto la propria capacità portante per l intera durata dell evento, ma sono stati successivamente riparati e riutilizzati in breve tempo. Il calcestruzzo è un materiale incombustibile caratterizzato da un elevata inerzia termica, mentre l acciaio che costituisce le barre d armatura è molto più sensibile alle alte temperature. Il buon comportamento al fuoco di queste strutture è dovuto proprio all azione protettiva esercitata dal calcestruzzo nei confronti delle armature di rinforzo le quali, non essendo direttamente esposte alle fiamme, si mantengono a temperature relativamente basse conservando così la propria capacità portante. In altre parole, il calcestruzzo riveste una duplice funzione, portante nei confronti dei carichi esterni ed isolante per l acciaio nei confronti delle sollecitazioni termiche. Il comportamento al fuoco delle strutture in cemento armato è influenzato da diversi fattori, tra cui spiccano lo spessore di ricoprimento delle armature (comunemente denominato copriferro), lo stato di sollecitazione interno, lo schema statico e le proprietà termiche e meccaniche dei materiali al variare della temperatura. Sono rari i casi di crolli importanti di strutture in cemento armato coinvolte in incendi, anche se occasionalmente avvengono. In questi casi, le cause non sono quasi mai da attribuire alla perdita di resistenza dei materiali, ma quasi sempre all incapacità della struttura di assorbire le grandi deformazioni termiche orizzontali che provocano il collasso dei pilastri e dei setti portanti per taglio o per instabilità. Un fenomeno del tutto particolare che si può verificare quando un elemento in cemento armato viene sottoposto ad alte temperature consiste nel distacco locale del copriferro, con conseguente esposizione diretta alle fiamme dell armatura: tale fenomeno è noto con il nome di spalling. Ciò avviene in conseguenza all allontanamento del vapore acqueo contenuto nell impasto cementizio causato dal riscaldamento: il vapore genera una pressione interstiziale che provoca nel calcestruzzo tensioni di trazione, spesso superiori a quelle ammissibili. Fattori che favoriscono questo fenomeno sono dunque l alto grado di umidità del calcestruzzo, il rapido incremento della temperatura, la snellezza dell elemento e l elevato livello tensionale interno all elemento. I calcestruzzi ad alta resistenza sono ancora più suscettibili di spalling rispetto ai calcestruzzi ordinari a causa dell elevata compattezza dell impasto: infatti, la bassa porosità di questi materiali favorisce la saturazione degli interstizi e fa si che in breve tempo la pressione interna del vapore acqueo raggiunga valori critici. Per prevenire questo fenomeno è possibile aggiungere nell impasto sottili fibre in materiale plastico le quali, nel corso dell incendio, sublimano lasciando il posto a nuove cavità: in questo modo aumenta la porosità del materiale e di conseguenza viene favorita l evacuazione dell umidità e la riduzione della pressione interstiziale. In alternativa è possibile addizionare l impasto con fibre in acciaio che aumentano la solidità del materiale, oppure si può ricorrere all uso di armature di pelle. Oggi il mercato offre varie soluzioni per la realizzazione di strutture in cemento armato, che vanno dall impiego dei cosiddetti calcestruzzi speciali all impiego di elementi prefabbricati, ad armatura lenta o di precompressione. Appare quindi importante analizzate brevemente le principali problematiche specifiche connesse all esposizione al fuoco di tali materiali. Calcestruzzo ad alta resistenza Il calcestruzzo ad alta resistenza contiene additivi che ne aumentano la resistenza a compressione fino a MPa. Alle alte temperature, questo materiale subisce una riduzione di resistenza maggiore rispetto al calcestruzzo ordinario, in molti casi accompagnata da problemi di spalling. Ai fini progettuali, si suggerisce di ignorare il contributo resistente del calcestruzzo soggetto a temperature superiori ai 500 C; per le colonne, è opportuno ridurre questo valore di soglia a 400 C. Calcestruzzo alleggerito Il calcestruzzo alleggerito viene realizzato con cemento normale e aggregati leggeri, quali pietre di pomice, argilla espansa, perlite o vermiculite, materiali molto stabili alle alte temperature. Questo tipo di calcestruzzo presenta un ottimo comportamento in caso d incendio, in quanto è caratterizzato da una conduttività termica inferiore rispetto ai calcestruzzi ordinari. Calcestruzzo rinforzato con fibre 91

3 Questo genere di calcestruzzo è rinforzato con piccole fibre d acciaio aggiunte nell impasto, che ne incrementano la resistenza e la solidità. Le fibre solitamente hanno il diametro dell ordine di 0.5 mm ed una lunghezza compresa tra 25 e 40 mm, con increspature o uncini agli estremi per garantire l aderenza. In condizioni d incendio, le fibre in acciaio aumentano la resistenza ultima e la duttilità del calcestruzzo. Calcestuzzo precompresso Il comportamento al fuoco del cemento armato precompresso (a cavi pre-tesi o post-tesi) è analogo a quello del cemento armato ordinario, anche se in molti casi gli elementi precompressi risultano molto più sensibili alle alte temperature. Ciò è dovuto in parte alle caratteristiche meccaniche dei cavi di precompressione, che all aumentare della temperatura si riducono più rapidamente rispetto alle armature lente tradizionali: solitamente si assume come temperatura di collasso per i cavi di precompressione la temperatura di 350 C contro i 500 C considerati per le armature lente. Un ulteriore punto di debolezza è dato dall elevata snellezza di molti elementi prefabbricati, quali ad esempio i tegoli di copertura: l esigenza di alleggerire il più possibile gli elementi spesso comporta una drastica riduzione delle sezioni resistenti e di conseguenza dei copriferri dei cavi di precompressione. Inoltre, per le strutture prefabbricate assumono particolare importanza alcune potenziali modalità di collasso, quali la rottura per taglio, per perdita di aderenza dei cavi di precompressione, per perdita di equilibrio di singoli elementi e per spalling. Calcestruzzo rinforzato esternamente Quando si ha la necessità di intervenire strutturalmente su di una struttura già esistente, spesso si ricorre all impiego di materiali di rinforzo da applicare sulla superficie esterna degli elementi strutturali. L uso di rivestimenti in fibre epossidiche rappresenta una nuova tecnologia nel campo dei rinforzi esterni: si tratta in particolare di fibre di vetro, carbonio o teflon annegate in resine epossidiche, che vengono utilizzate per rivestire pilastri in cemento armato al fine di confinare il calcestruzzo, o vengono incollate alle superfici delle travi per migliorarne la resistenza flessionale. Tali materiali non hanno la minima resistenza al fuoco, in quanto sono prodotti che fondono già a basse temperature: tuttavia, se la struttura in cemento armato possiede di per se una resistenza sufficiente a reggere i carichi presenti al momento dell incendio, si può ammettere la perdita del rinforzo esterno in condizioni d incendio, salvo poi ripristinarlo ad evento esaurito. Proprietà termiche del materiale Il calcestruzzo armato è composto essenzialmente da due materiali, il conglomerato cementizio e le barre d armatura in acciaio. Le proprietà termiche dell acciaio d armatura sono del tutto simili alle proprietà termiche dell acciaio da carpenteria, per le quali si rimanda alla visione della parte riguardante la protezione passiva dal fuoco delle strutture in acciaio.per quanto riguarda il conglomerato cementizio, vengono di seguito riportate le leggi di variazione del calore specifico e della conducibilità termica al variare della temperatura. Il calore specifico c p (J/kgK) del calcestruzzo è molto sensibile alle variazioni di temperatura per la presenza dell umidità contenuta nell impasto. Si può apprezzare tale fenomeno osservando la figura 1: il valore di picco compreso tra i 100 e i 200 C è dovuto proprio all espulsione dell umidità in fase di riscaldamento. In prima approssimazione, si può considerare il calore specifico come indipendente dalla temperatura del calcestruzzo, assumendo un valore pari a 1000 J/kgK per calcestruzzi ad aggregati silicei e calcarei, e 840 J/kgK per calcestruzzi alleggeriti. 92

4 Curva 1: aggregati silicei e calcarei Curva 2: aggregati leggeri Figura 1 Calore specifico del calcestruzzo in funzione della temperatura (ENV ) Anche la conducibilità termica l c (W/mK) del calcestruzzo dipende fortemente dalla temperatura e dal tipo di aggregati secondo quanto riportato in figura 2. In prima approssimazione, anche in questo caso è possibile fare riferimento ai seguenti valori medi costanti: l c = 1.6 W/mK per calcestruzzi ad aggregati silicei; l c = 1.3 W/mK per calcestruzzi ad aggregati calcarei; [5.33] l c = 0.8 W/mK per calcestruzzi alleggeriti. Curva 1: aggregati silicei Curva 2: aggregati calcarei Curva 3: aggregati leggeri Figura 2 Conducibilità termica del calcestruzzo in funzione della temperatura (ENV ) La conoscenza delle caratteristiche termiche dei materiali è necessaria per la determinazione dello sviluppo delle temperature interne durante l esposizione al fuoco. A differenza di quanto accade per le strutture in acciaio, nel caso del cemento armato non è possibile risolvere in maniera semplificata l equazione differenziale di diffusione del calore (equazione di Fourier) partendo dall ipotesi di temperatura uniforme all interno della sezione, in quanto l elevata inerzia termica del calcestruzzo genera importanti gradienti termici dai quali non è possibile prescindere. Il problema della determinazione delle temperature interne non è quindi di facile risoluzione e richiede l ausilio di appositi strumenti di calcolo di analisi termica. In alternativa, in letteratura si possono trovare mappature termiche per elementi in calcestruzzo esposti ad incendio standard. Le figure 3 e 4 rappresentano un esempio di mappature termiche rispettivamente per elementi monodimensionali (solette) e bidimensionali (travi sporgenti e pilastri). 93

5 Figura 3: Mappature termiche per solette (ENV ) Figura 4: Mappature termiche di sezioni di travi e pilastri (ENV ) 94

6 Proprietà meccaniche del materiale Come la maggior parte dei materiali strutturali, anche il calcestruzzo armato reagisce all aumento di temperatura con una progressiva riduzione delle proprie caratteristiche di resistenza e di rigidezza, dovuta al degrado dei materiali che lo costituiscono. Per quanto riguarda l acciaio d armatura, le proprietà meccaniche variano con la temperatura in modo analogo a quanto accade per l acciaio da carpenteria, per il quale si rimanda di nuovo alla alla visione della parte riguardante la protezione passiva dal fuoco delle strutture in acciaio In termini di relazione tensione-deformazione, il comportamento alle alte temperature di calcestruzzi ordinari soggetti a compressione monoassiale sono riportate in figura 5: si può notare che all aumentare della temperatura la resistenza ultima a compressione diminuisce, mentre aumenta la deformazione corrispondente al picco di tensione. Figura 5: Diagrammi tensione-deformazione del calcestruzzo soggetto a compressione monoassiale esposto a temperature elevate Ai fini del calcolo, il legame costitutivo assunto per modellare il comportamento al fuoco di tale materiale è del tipo riportato in figura 6: per una data temperatura, gli andamenti di tali curve sono definiti per mezzo di due parametri: la resistenza a compressione f c (θ) e la corrispondente deformazione ε c1. La rappresentazione grafica dei due parametri viene data in funzione delle temperature del calcestruzzo in figura 7. Figura 6: Modello della relazione tensioni-deformazioni per calcestruzzi con aggregati silicei e calcarei in compressione ad elevate temperature (ENV ) 95

7 Curva 1: aggregati silicei Curva 2: aggregati calcarei Figura 7: Parametri per la relazione tensioni-deformazioni per il calcestruzzo ad elevate temperature, in accordo con la figura 6 (ENV ) In via semplificata è possibile ricavare f c (θ) dal fattore k c,q, pari al rapporto tra la resistenza caratteristica a compressione alla temperatura θ ( C) e quella a 20 C, mediante le seguenti equazioni: k c,q = 1.0 k c,q = (1600 q) / 1500 k c,q = (900 q) / 625 k c,q = 0 per 20 C q 100 C per 100 C q 400 C per 400 C q 900 C per 900 C q 1200 C 5.36] Questi valori sono riferiti a calcestruzzi con aggregati silicei, ma possono essere considerati come prudenziali per altri tipi di calcestruzzo. La resistenza a trazione del calcestruzzo alle alte temperature solitamente si assume essere nulla. La densità del calcestruzzo dipende dagli aggregati e dal mix design; tipicamente assume valori attorno ai 2400 kg/m 3 per i calcestruzzi ordinari, ma può diminuire fino a dimezzarsi con l impiego di calcestruzzi alleggeriti, realizzati con inerti porosi o con additivi aeranti. Alcuni calcestruzzi, quando vengono riscaldati oltre ai 100 C, riducono la propria densità di circa 100 kg/m 3 a causa dell evaporazione dell acqua libera; se la temperatura aumenta ulteriormente, la densità rimane costante, eccezion fatta per i calcestruzzi con aggregati calcarei, i quali si decompongono oltre gli 800 C, con conseguente ulteriore riduzione di massa. 96

8 I PRODOTTI DESTINATI ALLA PROTEZIONE DI STRUTTURE IN CEMENTO ARMATO, PRECOMPRESSO E MURATURA CERTIFICAZIONI, CONSUMI E VOCI DI CAPITOLATO 97

9 AMOTHERM BRICK PRIMER WB Caratteristiche: dispersione di resine acriliche in soluzione acquosa, contenente speciali additivi che promuovono l adesione su supporti cementizi e prevengono la formazione di muffe e batteri. Campi d impiego: fondo isolante per edilizia; particolarmente idoneo per il trattamento preliminare di superfici in laterizio, calcestruzzo, cemento armato e precompresso; specifico come fondo di adesione neicicli di verniciatura a base di rivestimento intumescente AMOTHERM BRICK WB, impiegati per la protezione dal fuoco di strutture in conglomerato cementizio. AMOTHERM BRICK WB Caratteristiche: rivestimento intumescente a base di polimeri vinilici in dispersione acquosa e specifiche sostanze reattive in grado di generare una schiuma avente proprietà termoisolanti, quando sottoposto all azione della fiamma o al calore di un incendio. Campi d impiego: sistema protettivo antincendio di tipo intumescente, specifico per la protezione dal fuoco di elementi di compartimentazione in muratura e per incrementare la resistenza al fuoco di strutture in calcestruzzo, cemento armato e precompresso. Il rivestimento intumescente si presenta in opera come una tradizionale idropittura, non altera l'aspettoestetico dei manufatti, non appesantisce la geometria dell'elemento strutturale su cui è applicato e consente il contenimento dello spessore di calcestruzzo a protezione dei ferri e il dimensionamento strutturale. Questo sistema reattivo è indicato per applicazioni interne. In caso di installazione in condizioni ambientali diverse (ambienti esposti o semiesposti agli agenti atmosferici o a condizioni climatiche avverse) si raccomanda l impiego di una specifica finitura protettiva. Per qualsiasi informazione richiedere il parere preventivo del nostro Ufficio Tecnico. Prestazioni tecniche: il contributo del sistema protettivo - agli effetti della resistenza al fuoco di strutture in muratura, di calcestruzzo semplice e/o di elementi compositi di calcestruzzo e lastre profilate d acciaio è determinato secondo i criteri indicati nelle norme tecniche EN AMOTHERM BRICK TOP WB Caratteristiche: finitura protettiva per rivestimenti intumescenti, monocomponente, a base di resine acriliche in dispersione acquosa. Campi d impiego: strato di finitura per cicli di verniciatura a base di rivestimento intumescente, impiegati nella protezione dal fuoco di strutture in cemento e laterizio; specifico per i cicli di verniciatura a base di rivestimento intumescente all acqua AMOTHERM BRICK WB, protegge il trattamento dalle aggressioni ambientali e conferisce al film applicato resistenza alla condensa, all'umidità e all acqua; impiegato anche per esigenze di colorazione finale del sistema intumescente applicato. 98

10 CERTIFICAZIONI, CONSUMI E TABELLE Le tabelle e le indicazioni che seguono, relative alla protezione passiva dal fuoco di elementi e strutture in acciaio e cemento (armato o precompresso), sono da ritenersi valide e conformi alle certificazioni, è comunque sempre consigliato contattare l ufficio tecnico della Soc. Amonn Fire ingass@amonnfire.it al fine di maggiori approfondimenti e valutazioni che in considerazioni delle reali condizioni di impiego possono portare a valutazioni e consumi diversi da quelli tabulati. Non ci assumiamo la diretta responsabilità per valutazioni e dimensionamenti effettuate da terzi. AMOTHERM BRICK La vernice intumescente AMOTHERM BRICK è un sistema protettivo antincendio specifico per incrementare la resistenza al fuoco di strutture in calcestruzzo armato ordinario e precompresso e per elementi di compartimentazione in muratura e cartongesso. L efficacia della vernice intumescente AMOTHERM BRICK è provata da test condotti in accordo alle norme ENV Le prove eseguite hanno permesso di definire un equivalenza vernice-calcestruzzo. In funzione della classe di resistenza al fuoco richiesta, si individua il copriferro di cui si necessita (copriferro fittizio da garantire con vernice AMOTHERM Brick) e di conseguenza si ricava il quantitativo di prodotto da applicare espresso in Kg/m 2. A titolo esemplificativo si riporta un prospetto con i parametri di equivalenza: Per maggiori approfondimenti e per ricevere ulteriore documentazione si consiglia di contattare l ufficio tecnico della Soc. Amonnfire ingass@amonnfire.it 99

11 VOCI DI CAPITOLATO Applicazione di intonaco antincendio su strutture in acciaio, cemento armato e muratura Fornitura e posa in opera di intonaco antincendio, per protezione dal fuoco di strutture in acciaio (nuove o vecchie, zincate e non zincate), cemento armato e cemento armato precompresso (travi, pilastri, solai ecc.) da applicare a qualsiasi altezza, sia in verticale che in orizzontale e/o con qualsiasi inclinazione, dato a spruzzo con apposita attrezzatura. La determinazione dello spessore del protettivo deve essere effettuata a fronte di un accurato progetto antincendio in cui siano specificati gli elementi da trattare ed il grado di protezione richiesto. I criteri di dimensionamento per le strutture in acciaio fanno riferimento alla norma UNI 9503 (2007), mentre per il cemento armato e precompresso in via sperimentale e analitica in base alla UNI VVF 9502, in attesa dell emanazione delle appendici nazionali degli Eurocodici. Il rivestimento inoltre deve rispondere a quanto previsto al punto C.5 allegato C del decreto Min.Interno del 16 febbraio Nel caso di calcolo analitico dello spessore la certificazione di resistenza al fuoco (progetto antincendio,certificazione sperimentale,corretta applicazione,corrispondenza in opera) sarà rilasciata da professionista abilitato in conformità con quanto previsto DM 4 maggio 1998 e dalla Lettera Circolare Min.Interno del 24 aprile 2008 riguardante la nuova modulistica per la presentazione del C.P.I da parte del Professionista incaricato iscritto agli albi previsti dalla legge 818 del Applicazione di vernice intumescente su supporti quali muratura, cemento armato e cemento armato precompresso Fornitura e posa in opera di vernice intumescente a solvente o a base acqua per protezione dal fuoco di strutture portanti in muratura, cemento armato e cemento armato precompresso. Il trattamento antincendio dovrà essere eseguito mediante applicazione a spruzzo, a pennello, a rullo o con pompa airless, dato in opera a qualsiasi altezza, sia in verticale che in orizzontale e/o con qualsiasi inclinazione. La preparazione preventiva del sottofondo varierà a seconda del tipo di supporto da trattare e, più precisamente: Le strutture nuove andranno pulite da ogni eventuale impurità e, in particolare per le strutture in c.a. o c.a.p. andrà valutata l opportunità di un primer di ancoraggio Le strutture vecchie preverniciate andranno pulite a fondo al fine di eliminare ogni eventuale residuo di vernice non perfettamente ancorato al supporto e/o trattate con eventuale fondo isolante qualora necessario La determinazione dei quantitativi di vernice intumescente da applicare sui vari elementi da proteggere sarà determinata in funzione: a. della classe dì resistenza al fuoco prevista (R / REI) b. della sezione dei singoli elementi (copriferro) c. delle reali condizioni di carico d. del tipo di esposizione al fuoco dei singoli elementi strutturali (pilastro, trave, ecc.) Il prodotto avrà lo scopo di sostituire l incremento dimensionale tra la sezione di progetto o quella esistente e la sezione necessaria a conferire la resistenza al fuoco richiesta e calcolata secondo quanto previsto dalla Norma UNI VVF Il quantitativo da applicare a metro quadro dovrà rappresentare l equivalenza tra la dimensione e la quantità, dovrà essere verificato sperimentalmente secondo quanto previsto dalla norma ENV La certificazione di resistenza al fuoco (progetto antincendio,certificazione sperimentale,corretta applicazione,corrispondenza in opera) sarà rilasciata da professionista abilitato in conformità con quanto previsto DM 4 maggio 1998 e dalla Lettera Circolare Min.Interno del 24 aprile 2008 riguardante la nuova modulistica per la presentazione del C.P.I da parte del Professionista incaricato iscritto agli albi previsti dalla legge 818 del