1 Sicurezza strutturale in caso di incendio e metodi di calcolo 1.1 Definizione della sicurezza strutturale in caso di incendio

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1 1 Sicurezza strutturale in caso di incendio e metodi di calcolo 1.1 Definizione della sicurezza strutturale in caso di incendio Nell ambito dell ingegneria civile, la sicurezza in caso di incendio di una costruzione è stata oggetto di una chiara definizione con la Direttiva del 21 Dicembre 1988 del Consiglio della Comunità Economica Europea (Construction Product Directive 89/106/CEE, 1988). In questo Capitolo, nel trattare i criteri generali per la sicurezza strutturale in caso di incendio di una costruzione, viene fatto esplicito riferimento a questa definizione. In particolare tutti i criteri di valutazione esposti in questo volume, tratti dalle norme vigenti, sono presentati con esplicito riferimento ad essa. La Direttiva 89/106/CEE ha stabilito i requisiti essenziali, relativi alla sicurezza, che devono soddisfare le opere da costruzione. Questi, che hanno costituito la base per l elaborazione di norme armonizzate a livello europeo per le opere ed i prodotti da costruzione, sono: resistenza meccanica e stabilità; sicurezza in caso di incendio; igiene, salute e ambiente; sicurezza dell uso; protezione contro il rumore; energia, economia e rilascio di calore. Sempre nell ambito della stessa Direttiva, i requisiti essenziali sono stati definiti in termini di obiettivi. Questi, per la sicurezza in caso di incendio, sono stabiliti attraverso la seguente definizione (vedi figura 1.1): le costruzioni devono essere progettate e costruite in modo tale che, nel caso di sviluppo di un incendio: la capacità portante delle strutture sia garantita per un determinato periodo di tempo; la produzione e la propagazione di fiamme e di fumi all interno delle costruzioni sia limitata; la propagazione dell incendio alle costruzioni vicine sia limitata; gli occupanti possano abbandonare la costruzione o essere messi in salvo; la sicurezza delle squadre di soccorso sia presa in considerazione. Al fine di dare forma concreta, a livello tecnico, ad ognuno dei suddetti requisiti essenziali delle opere da costruzione, sono stati emanati appositi documenti, detti documenti interpretativi. Questi sono stati definiti con il principale obiettivo di stabilire il necessario collegamento tra i requisiti essenziali definiti dalla Direttiva e le norme armonizzate a livello europeo in materia di opere e prodotti da costruzione. Il Documento Interpretativo n. 2 (Interpretative Document No. 2: Safety in case of fire, 1993) è dedicato alla trattazione del requisito essenziale sicurezza in caso di incendio. Di

2 2 CAPITOLO 1 seguito sono richiamati principalmente quegli aspetti contenuti nel documento che hanno influenza sui criteri di valutazione della capacità portante di una costruzione in condizioni di incendio, ossia sulla sua sicurezza strutturale in caso di incendio. Vista l articolazione degli obiettivi che definiscono la sicurezza in caso di incendio, quando essa viene adottata nel caso specifico di un edificio, diventa in generale necessario intervenire su molteplici aspetti della progettazione, quali il layout dell edificio, la prestazione delle strutture portanti, dei singoli prodotti da costruzione utilizzati e degli impianti adottati, che devono essere valutati nelle condizioni di incendio. Ciò presuppone di individuare una strategia di sicurezza in caso di incendio che, in forma generale, nel Documento Interpretativo è tracciata attraverso i seguenti passi: ridurre al minimo la probabilità di un evento di incendio (prevenzione incendi); valutare la sicurezza degli occupanti e stabilire se essa debba essere migliorata mediante l adozione di sistemi di rilevazione, di allarme e di controllo dell incendio (sistema di protezione attiva); individuare un sufficiente livello di compartimentazione al fine di impedire la crescita eccessiva dell incendio all interno dell edificio; prevenire la propagazione dell incendio tra edifici contigui; individuare le condizioni affinché sia possibile l intervento delle squadre di soccorso. È chiaro come un adeguata prestazione di stabilità delle strutture portanti principali nelle condizioni di incendio, ossia un determinato livello di sicurezza strutturale in caso di incendio, costituisca un prerequisito necessario per diversi punti di questa strategia. Al fine di condurre in maniera efficace la suddetta strategia, il Documento Interpretativo n. 2 introduce in maniera esplicita l approccio ingegneristico nel campo della sicurezza in caso di incendio, che è mirato sia alla valutazione degli obiettivi di sicurezza necessari, sia al progetto e alla verifica delle prestazioni di sicurezza adottate. La condizione di base che viene posta per la sua applicazione è che le caratteristiche dei prodotti da costruzione e le procedure di verifica adottate siano validate su basi concordate e armonizzate nell ambito dei Paesi membri della Comunità Europea. Al fine di raggiungere gli obiettivi generali della sicurezza in caso di incendio, il documento richiama le principali funzioni legate alla stabilità della struttura principale di un opera da costruzione. Essa è necessaria per: permettere la sicurezza degli occupanti durante il tempo nel quale essi rimangono dentro l edificio; garantire la sicurezza delle squadre di soccorso; evitare crolli che possono causare pericolo per le persone; consentire che i prodotti da costruzione utilizzati per la sicurezza in caso di incendio possano svolgere la loro funzione per tutto il tempo necessario. Pertanto, quando la valutazione della sicurezza strutturale di una costruzione in condizioni di incendio è condotta mediante l approccio ingegneristico, deve essere sempre riferita al mantenimento delle suddette funzioni. 1.2 Inquadramento normativo: le procedure per la valutazione della sicurezza in caso di incendio Come già ricordato, l applicazione dell approccio ingegneristico introdotto nel Documento Interpretativo n. 2 per la valutazione della sicurezza in caso di incendio richiede che la va-

3 SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO 3 lutazione delle caratteristiche dei prodotti da costruzione e la definizione dei criteri di calcolo sia condotta su basi concordate e armonizzate nell ambito dei Paesi membri della Comunità Europea. A questo scopo, a partire dagli inizi degli anni ottanta, sono state finanziate numerose attività di ricerca con l obiettivo di mettere a punto un quadro normativo concordato e armonizzato nell ambito della Comunità Europea. Il risultato di queste attività è il quadro normativo attuale, già vigente in diversi Paesi europei e in fase di introduzione negli altri. In esso troviamo gli strumenti per individuare le misure tecniche necessarie perché una costruzione sia conforme al requisito di sicurezza in caso di incendio e le regole per individuare se le caratteristiche dei prodotti da costruzione impiegati siano tali da garantire le prestazioni richieste in condizioni di incendio. La capacità portante delle strutture sia garantita per un determinato periodo di tempo La produzione e la propagazione di fiamme e di fumi all interno delle costruzioni sia limitata La propagazione dell incendio alle costruzioni vicine sia limitata Gli occupanti possano abbandonare la costruzione o essere messi in salvo La sicurezza delle squadre di soccorso sia presa in considerazione Figura 1.1 Gli obiettivi della sicurezza in caso di incendio secondo la Direttiva 89/106/CEE.

4 4 CAPITOLO 1 Per la valutazione della sicurezza strutturale in caso di incendio di un opera o di un prodotto da costruzione (in termini più comuni della resistenza al fuoco della struttura portante di una costruzione o di suoi elementi), in questo quadro normativo sono previste e- sclusivamente le seguenti procedure: prove sperimentali condotte secondo regolamenti armonizzati o linee guida fornite dall Organizzazione Europea per l Approvazione Tecnica (EOTA); metodi di calcolo e progettuali di tipo armonizzato, definite nell ambito del CEN (Comitato Europeo di Normazione); una combinazione dei due precedenti metodi. Per quanto riguarda il primo gruppo di procedure, per le diverse categorie di prodotti da costruzione sono state definite apposite metodologie di prova sperimentale, comprendenti anche i criteri valutativi dei risultati, mediante le quali è possibile ottenere il benestare tecnico europeo (ETA), ossia una valutazione tecnica positiva di idoneità per l impiego previsto. Riferendosi ai prodotti da costruzione che vengono utilizzati per il contributo che forniscono alla resistenza al fuoco delle strutture di acciaio, è importante segnalare il caso dei sistemi protettivi, per i quali l introduzione dei regolamenti di tipo armonizzato, in particolare la ENV (2002), ha radicalmente cambiato i criteri di valutazione vigenti in ambito nazionale ed i conseguenti dimensionamenti, come si vedrà più in dettaglio nel successivo capitolo 3. Per quanto riguarda il secondo gruppo di procedure, sono state pubblicate una serie di norme EN, i cosiddetti Eurocodici strutturali, dove sono raccolti metodi di calcolo e regole per la progettazione strutturale concordati e armonizzati tra i Paesi membri della Comunità Europea. In Italia, il recepimento degli Eurocodici strutturali, denominati EN (EuroNorma), da parte dell UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione) ne determina la conversione in UNI EN. Come negli altri Paesi membri, la definizione di questo quadro normativo armonizzato ha trovato recentemente una diretta corrispondenza nell evoluzione delle norme nazionali vigenti: gli obiettivi e la strategia di progettazione per la definizione della sicurezza strutturale in caso di incendio introdotti dalla Direttiva 89/106/CEE sono stati condivisi con la pubblicazione del Decreto del Ministero dell Interno del 9 marzo 2007; essi sono stati confermati nelle Norme Tecniche per le Costruzioni, attraverso i due Decreti del Ministero delle Infrastrutture del 14 settembre 2005 e del 14 gennaio 2008, dove, tra l altro, l azione incendio è inserita esplicitamente tra le azioni di tipo eccezionale agenti sulle strutture; per la determinazione della resistenza al fuoco dei prodotti da costruzione, con la pubblicazione del Decreto del Ministero dell Interno del 16 febbraio 2007, sono riconosciuti sia i metodi di calcolo definiti negli Eurocodici, sia le procedure di valutazione sperimentale di tipo armonizzato valide per le diverse categorie di prodotti da costruzione, tra cui i rivestimenti protettivi impiegati per le strutture di acciaio; infine, la procedura di applicazione dell approccio ingegneristico è stata precisata, in senso generale ma comprendente anche la valutazione della sicurezza strutturale, mediante le disposizioni del Decreto del Ministero dell Interno del 9 maggio L ultimo passo di questo percorso, non ancora completato in ambito nazionale, è rappresentato dalla pubblicazione delle Appendici Nazionali, che devono accompagnare in ogni Paese membro i singoli documenti EN degli Eurocodici.

5 SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO 5 Tabella 1.1 Normativa di riferimento per la progettazione in caso di incendio di strutture di acciaio e composte acciaio-calcestruzzo. Riferimenti Data Titolo Ministero dell Interno Decreto 9 marzo 2007 Ministero dell Interno Decreto 16 febbraio 2007 Ministero dell Interno Decreto 9 maggio 2007 Ministero Infrastrutture DM 14 gennaio 2008 Circolare NTC2008 n Febbraio /03/2007 Prestazioni di resistenza al fuoco delle costruzioni nelle attività soggette al controllo del Corpo nazionale dei Vigili del Fuoco 16/02/2007 Classificazione di resistenza al fuoco di prodotti ed elementi costruttivi di opere da costruzione 09/05/2007 Direttive per l attuazione dell approccio ingegneristico alla sicurezza antincendio 14/01/2008 Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni 02/02/2009 Istruzioni per l applicazione delle «Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni» di cui al decreto 14 gennaio 2008 EN /05/2004 Eurocodice Criteri generali di progettazione strutturale EN /10/2004 Eurocodice 1 Azioni sulle strutture Parte 1-2: Azioni sulle strutture esposte al fuoco EN /07/2005 Eurocodice 3 Progettazione delle strutture di acciaio Parte 1-2: Regole generali Progettazione strutturale contro l incendio EN /10/2005 Eurocodice 4 Progettazione delle strutture composte acciaiocalcestruzzo Parte 1-2: Regole generali Progettazione strutturale contro l incendio EN /04/2005 Classificazione al fuoco dei prodotti e elementi da costruzione Parte 2: Classificazione in base ai risultati delle prove di resistenza al fuoco, esclusi i sistemi di ventilazione prcen/ts /07/2005 Metodi di prova per la determinazione del contributo alla resistenza al fuoco di elementi strutturali Membrane protettive orizzontali ENV /11/2002 Metodi di prova per la determinazione del contributo alla resistenza al fuoco di elementi strutturali Membrane protettive verticali ENV /11/2002 Metodi di prova per la determinazione del contributo alla resistenza al fuoco di elementi strutturali Protezione applicata ad elementi di calcestruzzo ENV /11/2002 Metodi di prova per la determinazione del contributo alla resistenza al fuoco di elementi strutturali Protezione applicata ad elementi di cacciaio ENV /11/2002 Metodi di prova per la determinazione del contributo alla resistenza al fuoco di elementi strutturali Protezione applicata ad elementi compositi di calcestruzzo/lastre profilate di acciaio ENV /11/2002 Metodi di prova per la determinazione del contributo alla resistenza al fuoco di elementi strutturali Protezione applicata a colonne cave di acciaio riempite con calcestruzzo Ministero dell Interno Decreto 16 febbraio /02/2007 Classificazione di resistenza al fuoco di prodotti ed elementi costruttivi di opere da costruzione

6 6 CAPITOLO 1 Questi documenti servono a definire alcuni parametri che possono essere scelti a livello nazionale (NDP, acronimo anglosassone di Nationally Determined Parameters ). Comunque, a questo proposito, è da ricordare che il D.M. 16/02/07 consente l applicazione di quasi tutti gli EN (con esclusione solo di EN relativo alle azioni sulle costruzioni), anche prima della pubblicazione dei relativi NDP, purché per tali valori si faccia riferimento ai valori consigliati negli Eurocodici. Riepilogando, nella tabella 1.1 sono riportate le principali disposizioni normative oggi in vigore per la definizione del requisito di sicurezza in caso di incendio della struttura portante di una costruzione e per la valutazione della resistenza al fuoco degli elementi strutturali realizzati in acciaio o in struttura composta acciaio-calcestruzzo. 1.3 Approcci per la progettazione strutturale: prescrittivo e prestazionale (o ingegneristico) Come già ricordato, il Documento Interpretativo n. 2 introduce in maniera esplicita l approccio ingegneristico nel campo della sicurezza in caso di incendio, che è mirato sia all individuazione del livello di prestazione richiesta alle strutture portanti in caso di incendio, sia alla determinazione delle prestazioni di prodotti ed elementi di strutture portanti in caso di incendio. A questo scopo il documento riporta importanti concetti e definizioni che sono richiamati nel presente paragrafo. La prestazione di un opera o di un prodotto da costruzione è relativa ad una specifica azione. Per azione si intende un azione meccanica (ad esempio i carichi applicati, le forze risultanti dalle espansioni termiche impedite, gli urti), un azione termica, un azione determinata dalle condizioni ambientali o da una combinazione di queste. Tra le azioni termiche, per i differenti effetti che hanno sugli elementi della struttura portante, sono distinti i seguenti livelli di esposizione: piccola sorgente di ignizione (tipo fiammifero); singoli elementi di combustione (combustione di un arredo, di singoli materiali stoccati in un edificio industriale); incendi pienamente sviluppati. In presenza di azioni termiche, la valutazione della resistenza al fuoco delle strutture può essere condotta secondo le seguenti possibilità: analisi di scenari di incendio convenzionali (ad esempio esposizione alla curva di incendio standard temperatura-tempo); analisi di scenari di incendio naturali. Queste due possibilità danno luogo a due differenti approcci per la valutazione della sicurezza strutturale in caso di incendio, un approccio prescrittivo ed un approccio prestazionale, che di seguito vengono presentati Approccio prescrittivo Per alcune attività svolte negli edifici i regolamenti nazionali stabiliscono un periodo minimo di stabilità delle strutture portanti, espresso in termini di tempo di resistenza all azione di un incendio convenzionale. Con questo tipo di approccio, detto approccio prescrittivo, è la norma vigente che stabilisce le condizioni sufficienti per il raggiungimento del requisito di sicurezza in caso di incendio (ovviamente nei limiti attribuibili al ruolo svolto dalle strutture portanti).

7 SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO 7 Figura 1.2 Esempio di incendio localizzato, dovuto alla combustione di materiali stoccati in un edificio industriale. Figura 1.3 Esempio di incendio pienamente sviluppato, dovuto alla combustione di materiali presenti dentro un edificio adibito ad ufficio.

8 8 CAPITOLO 1 Figura 1.4 Comparazione tra la curva di incendio standard ISO 834 e 50 curve di incendio misurate durante test di laboratorio (carichi di incendio variabili tra 10 e 45 kg legna/m 2 ) [Tratto da DIFISEK+, DIssemination of FIre Safety Engineering Knowledge +, 2008]. Per la definizione degli scenari di incendio convenzionali, a livello internazionale è stato concordato di utilizzare la curva standard temperatura-tempo, introdotta da ISO 834 parte 1 (ISO 834-1, 1999), come modello per un incendio pienamente sviluppato: θ = θ log 10(8 t + 1) (1.1) Per i casi in cui la severità dell azione termica di un incendio può essere più elevata o inferiore rispetto ai livelli definiti dalla curva di incendio standard, sono state definite altre due curve temperatura-tempo di tipo armonizzato, rispettivamente la curva da idrocarburi e la smouldering curve: 0,167 t 2,5 t θ = 1080 (1 0,325 e 0,675 e ) + θ (1.2) 0,25 θ = t + < t per 0 21min θ = 345 log 10[8 ( t 20) + 1] + 20 per t > 21min 0 (1.3) in cui t è il tempo a partire dall inizio dell incendio [min], θ è la temperatura dei gas [ C] e 0 θ è la temperatura iniziale dei gas [ C]. Questa seconda curva viene utilizzata in quelle circostanze in cui la prestazione dei prodotti può essere ridotta nel caso di un esposizione all incendio di livello inferiore rispetto a quella della curva di incendio standard (come ad esempio nella valutazione del comportamento di alcuni rivestimenti protettivi, quali le vernici intumescenti). Come si vedrà più in dettaglio nel capitolo 3, nell ambito delle norme emanate successivamente al Documento Interpretativo n. 2, è stata definita anche un altra curva di incendio temperatura-tempo di tipo armonizzato, la curva degli incendi esterni:

9 SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO 9 0,32 t 3,8 t θ = 660 (1 0, 687 e 0, 313 e ) + θ (1.4) Ovviamente, quando si applica un approccio prescrittivo, l analisi strutturale sarà rivolta a garantire la stabilità almeno per il tempo di esposizione all incendio stabilito dalla norma di riferimento. I prossimi capitoli trattano con particolare attenzione questo argomento. Si potrà notare come, se l approccio seguito è quello prescrittivo, le normative di riferimento consentono opportune semplificazioni nella schematizzazione strutturale, al fine di rendere più veloce la valutazione della resistenza al fuoco delle strutture portanti. In particolare, l approccio correntemente assunto, ad esempio in EN (2002) o in D.M. 09/03/07 sulla base dei principi definiti nel Documento Interpretativo n. 2, è che una determinata resistenza al fuoco di una struttura sia soddisfatta se è dimostrato che la resistenza al fuoco dei suoi e- lementi non sia inferiore e se essa non venga ridotta dal comportamento dei collegamenti. Tuttavia è da ricordare come le deformazioni e le dilatazioni causate dall incremento di temperatura, ma contrastate dai vincoli o dalla iperstaticità strutturale, possono giocare un ruolo importante per la stabilità della struttura in condizioni di incendio. Trascurare la loro presenza non sempre risulta a favore di sicurezza. In pratica ciò è consentito laddove, attraverso l adozione di una classe di resistenza al fuoco stabilita nell ambito di un approccio prescrittivo, viene messa in conto un azione termica sensibilmente maggiore rispetto a quella che nella realtà può verificarsi. Nei casi in cui ciò non avviene, come ad esempio può succedere quando l azione termica è definita mediante l analisi di incendi naturali, l analisi strutturale non può trascurare questi effetti. Essa quindi, come vedremo nel seguito, non può essere condotta nelle ipotesi semplificative valide per l approccio prescrittivo. Nella tabella 1.2 sono riportati i risultati di un analisi condotta nell ambito di un progetto di ricerca europeo (CEC Agreement 7210, 1999) e aggiornati nel 2006 nell ambito dei lavori della Commissione per la sicurezza delle costruzioni in acciaio in caso di incendio (1), che ha messo a confronto diverse tipologie di edifici ed i valori prescrittivi della resistenza al fuoco richiesti per le strutture portanti dalle norme vigenti nei diversi Paesi della Comunità Europea Approccio prestazionale o ingegneristico I concetti e le definizioni stabiliti con la direttiva 89/106/CEE consentono la concreta applicazione di un approccio per la valutazione della sicurezza in caso di incendio alternativo a quello prescrittivo, che, fino ad oggi, si è sviluppato soprattutto nell ambito dell ingegneria strutturale. Infatti, i principi delineati nel Documento Interpretativo n. 2 per la definizione dell approccio ingegneristico consentono di verificare se le prestazioni della struttura portante di una costruzione siano compatibili o meno con gli obiettivi che determinano 0 (1) La Commissione Tecnica istituita nel 2006 dalla Fondazione Promozione Acciaio per la Sicurezza delle strutture in acciaio in caso di incendio è composta da rappresentanti nazionali nel campo della ricerca europea sulla sicurezza strutturale in caso di incendio, da docenti universitari e da esponenti del Ministero degli Interni e ha l obiettivo di costituire un tavolo tecnico per la valutazione della ricerca nazionale ed europea sulla tematica incendio e di fornire strumenti tecnici per l aggiornamento dei professionisti e dei Vigili del Fuoco (monografie, corsi di aggiornamento, organizzazione di convegni tecnicoscientifici).

10 10 CAPITOLO 1 il raggiungimento del requisito di sicurezza in caso di incendio. Questo tipo di approccio è detto approccio prestazionale o ingegneristico. Tabella 1.2 Confronto tra i requisiti di resistenza al fuoco richiesti per le strutture portanti dalle norme di alcuni paesi europei. Tipo di edificio n h H X L b X(*) S B CH D F I L NL FIN E UK Centri si / 30 60/90 (7) (8) commerciali no (1) (1) (10) (1) 30 90/120 (3) (7) (8) Locali di pubblico spettacolo si no (2) (4) 60(5) Scuole si 60(6) 0-30 (10) (2) (4) no 60(6) (5) Piccoli edifici per uffici si no 60(6) 60(6) 0-30 (10) (1) (10) (2) (4) 60(5) Alberghi si 60(6) (10) (2) 60 (11) (4) no 60(6) (5) Ospedali si (2) 60 (12) 90/ (4) no (5) Medi edifici per uffici si no (10) 90 (2) (4) 120(5) (3) Grandi edifici si (4) per uffici no (10) (3) (3) (5) 120 (3) Parcheggi chiusi ? Parcheggi aperti n = numero dei piani (incluso piano terra) h = altezza dell ultimo piano calpestabile H = altezza del tetto L = larghezza del compartimento B = lunghezza del compartimento X = numero di persone per ogni piano X(*) = numero di uscite S = sprinkler NOTE (1) dimensioni del compartimento troppo grandi (2) nessun regolamento adottato (3) non permesso (4) q > 600 MJ/m 2 piano (5) q < 600 MJ/m 2 piano (6) nuovi edifici + estensioni o ristrutturazioni edifici esistenti (7) periodi normalmente richiesti dalle autorità locali (non c è ancora norma nazionale)

11 SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO 11 Ricordiamo le funzioni affidate alla stabilità di una costruzione dal Documento Interpretativo n. 2., verso cui deve essere indirizzata l analisi strutturale nella condizione di incendio. Essa è necessaria per: consentire la sicurezza degli occupanti durante il tempo nel quale essi rimangono dentro l edificio; garantire la sicurezza delle squadre di soccorso; evitare crolli che possono causare pericolo per le persone; permettere che i prodotti da costruzione utilizzati per la sicurezza in caso di incendio possano svolgere la loro funzione per tutto il tempo necessario. È chiaro che casi specifici di edifici e di attività in essi svolte possano richiedere un aumento delle prestazioni della struttura portante in caso di incendio, rispetto a queste ora richiamate. Ad esempio, specifiche prestazioni mirate alla difesa del patrimonio edilizio, che non sono prese in considerazione dalla Direttiva 89/106/CEE, possono essere fissate dai proprietari degli immobili. Il primo passo dell applicazione di un approccio prestazionale è la valutazione dell azione termica, che avviene mediante l analisi di scenari di incendio naturali che descrivono qualitativamente l evoluzione di un incendio ed individuano gli eventi chiave che lo caratterizzano e che lo differenziano dagli altri incendi. In pratica devono essere selezionati, tra quelli prevedibili, i più pericolosi scenari di incendio ai fini della stabilità strutturale. Successivamente, per ognuno degli scenari di incendio definiti, sono necessari, in generale, i seguenti punti: valutazione del tipo e della quantità di combustibili presenti, con il relativo tasso di combustione; determinazione dei quantitativi di aria disponibile durante la combustione (in funzione degli scambi con l esterno); individuazione della geometria dell ambiente confinato, definita dal compartimento; definizione delle proprietà termiche della frontiera del compartimento, come pavimenti, pareti e soffitti. Inoltre, a seconda della particolare strategia antincendio adottata, la valutazione può includere anche: l influenza degli impianti di spegnimento dell incendio (ad esempio gli sprinkler); l intervento delle squadre di soccorso. Il passo successivo di questo approccio è l analisi strutturale. Essa deve mirare a valutare le condizioni di stabilità delle strutture portanti dell edificio in presenza delle azioni termiche individuate per ognuno degli scenari di incendio analizzati e degli altri carichi agenti. Nella figura 1.5 è presentato uno schema generale, definito nell ambito della ricerca europea (CEC Agreement 7210, 1999), di applicazione dell approccio prestazionale per la valutazione della sicurezza strutturale in condizioni di incendio. Come precisato meglio nei successivi capitoli, per questo tipo di approccio le norme di riferimento (EN (2002), D.M. 09/03/07) in generale non consentono schematizzazioni strutturali approssimate. In particolare è necessaria una valutazione del comportamento della struttura nel suo complesso o almeno di una sottostruttura significativa, capace di tenere in considerazione le interazioni tra i singoli elementi che vengono a determinarsi a causa delle deformazioni e delle dilatazioni causate dall incremento di temperatura e parzialmente contrastate dall iperstaticità strutturale.

12 12 CAPITOLO 1 CARICHI STATICI CARATTERISTICHE DELL INCENDIO Carico di Incendio Condizioni di Ventilazione Geometria del Compartimento Caratteristiche Termiche Pareti MISURE ATTIVE ANALISI PROBABILISTICA OBIETTIVI DELLA SICUREZZA Tempo di Evacuazione Sicurezza dei Soccorsi Conseguenze di un Collasso Strutturale Peso Proprio Permanenti Accidentali Vento Neve Protezione Attiva Rischio di Attivazione di Incendio Combinazione dei Carichi In Caso di Incendio Curva di Incendio Naturale Curva di Incendio Naturale di Progetto Analisi Globale della Struttura nat t fi,d t fi,rich Figura 1.5 Schema generale di approccio prestazionale per la valutazione della sicurezza strutturale in condizioni di incendio (da CEC Agreement 7210, 1999). Quindi non è in generale consentita una trattazione per singoli elementi, come avviene nell applicazione dell approccio prescrittivo. Questa condizione determina la necessità di uno studio del comportamento strutturale sicuramente più impegnativo rispetto a quello correntemente utilizzato nell ambito dell approccio prescrittivo. Ma è bene sottolineare come, in termini generali, è questo l approccio più affidabile per ottenere una reale conoscenza delle prestazioni della struttura e, quindi, del suo effettivo grado di sicurezza in caso di incendio. Nell applicazione di questo approccio la durata della stabilità della struttura portante nella condizione di incendio viene stabilita in funzione degli obiettivi di sicurezza prefissati. Ad esempio, il Documento Interpretativo n. 2 cita i seguenti casi: nessun requisito di resistenza al fuoco per edifici con limitata densità di carico di incendio o dove le conseguenze di un collasso strutturale possono essere accettate; resistenza al fuoco della struttura portante per uno specificato ma limitato periodo di tempo, che viene definito per consentire la sicurezza degli occupanti e dell intervento delle squadre di soccorso; resistenza al fuoco della struttura portante per un tempo tale da permettere la combustione di tutti i materiali combustibili presenti, senza tenere conto dell intervento delle squadre di soccorso. Nel secondo caso si ha una stabilità strutturale ritenuta necessaria per un limitato periodo di tempo, nel terzo caso una stabilità strutturale che viene mantenuta per tutta la durata degli scenari di incendio definiti, solitamente comprendente anche la fase di raffreddamento. Di seguito si fa cenno a due esempi di applicazione dell approccio prestazionale, ampiamente studiati nell ambito della ricerca europea, in cui si ritrova l applicazione dei suddetti obiettivi di resistenza al fuoco. Il primo esempio è riferito al secondo livello di obiettivo sopra citato. Si tratta di un e- dificio monopiano adibito ad attività industriale, in cui viene realizzata una compartimentazione longitudinale posta in corrispondenza della fila centrale di colonne. Nella figura 1.6 è rappresentata una sezione trasversale dell edificio.

13 SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO 13 Figura 1.6 Edificio monopiano di tipo industriale Sezione trasversale. Nell ipotesi in cui questo edificio e la sua utilizzazione siano caratterizzati da: brevi percorsi a disposizione degli occupanti per uscire dall edificio, distanze dagli edifici vicini sufficienti per impedire la propagazione dell incendio, gli obiettivi minimi che, nell ambito di un approccio prestazionale, devono essere posti all analisi strutturale affinché possa ritenersi soddisfatto il requisito di sicurezza in caso di incendio stabilito dalla Direttiva 89/106/CEE sono: la stabilità del compartimento in cui si verifica l incendio per un tempo sufficiente a consentire l uscita degli occupanti; garantire che eventuali crolli non mettano a rischio la sicurezza delle squadre di soccorso durante il loro intervento; mantenere l efficienza della compartimentazione durante l evento di incendio. Diamond 2004 for SAFIR FILE: static3d_2_dyn NODES: 125 BEAMS: 61 TRUSSES: 0 SHELLS: 0 SOILS: 0 BEAMS PLOT DISPLACEMENT PLOT ( x 1) TIME: sec Z IPE500.tem IPE450.tem IPE500c.tem IPE450c.tem Y X 5.0 E+00 m Spost. Orizz. colonna [m] azione assiale [N] tempo [sec] tempo [sec] Figura 1.7 Risultati dell analisi strutturale condotta nell ambito di un approccio prestazionale.

14 14 CAPITOLO 1 Questi obiettivi, una volta definiti gli scenari di incendio più pericolosi per la stabilità della struttura portante e per la compartimentazione, sono raggiunti se l analisi strutturale, nelle condizioni di incendio, è in grado di verificare: che la stabilità strutturale sia mantenuta per uno specificato periodo di tempo; che l eventuale crollo delle facciate perimetrali avvenga verso l interno dell edificio (e non verso l esterno, dove probabilmente si trovano le squadre di soccorso impegnate a spegnere l incendio); che la compartimentazione sia in grado di resistere alle spinte provenienti dalla parte di struttura soggetta ad incendio. Questo tipo di obiettivi può essere verificato mediante un approccio di tipo prestazionale o ingegneristico (nella figura 1.7 sono riportati alcuni risultati significativi di questo tipo di analisi, tratti da Cajot et Al., 2004), mentre difficilmente possono essere verificati nell ambito di un ordinario approccio di tipo prescrittivo. Il secondo esempio è riferito al terzo livello di obiettivo sopra citato. Si tratta di un edificio multipiano fuori terra adibito ad autorimessa, di tipo aperto, ossia dotato di ampia ventilazione naturale lungo le facciate (figura 1.8). Questa tipologia di costruzione è stata sottoposta a numerose ricerche finalizzate a verificare il comportamento delle tipiche soluzioni strutturali adottate, in particolare quelle realizzate in struttura composta acciaio-calcestruzzo. Le analisi statistiche condotte su edifici esistenti e le prove di incendio realizzate su prototipi di edifici in scala reale (figura 1.9) hanno permesso l individuazione degli scenari di incendio più pericolosi per la stabilità della struttura portante (figura 1.10 tratta dal documento tecnico INERIS, 2001). Nell ambito di un approccio di tipo ingegneristico, centrando l attenzione su ognuno degli scenari di incendio così individuati, l obiettivo dell analisi strutturale correntemente adottato per questo tipo di edifici è quello di trovare le soluzioni della struttura portante che verificano le condizioni di stabilità per tutta la durata dell incendio, compresa la fase di raffreddamento fino al ritorno alla temperatura ambiente. In tal caso, facendo riferimento alle funzioni che la struttura deve svolgere per gli obiettivi fissati dalla Direttiva 89/106/CEE, la sicurezza in caso di incendio è senz altro verificata. Figura 1.8 Autorimessa di tipo aperto realizzata in Lussemburgo con struttura composta acciaio-calcestruzzo.

15 SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO 15 Figura 1.9 Prove sperimentali di incendio in scala reale (CTICM, 2001). Questo tipo di verifiche strutturali, previste nell ambito dell approccio ingegneristico, sono oggi possibili grazie all impiego di codici di calcolo definiti per questo scopo e che a questo titolo sono stati opportunamente validati. Esse, se ben condotte, permettono di ottenere livelli di sicurezza la cui affidabilità non è inferiore rispetto a quella ottenuta mediante una verifica condotta in ambito prescrittivo. Evidenza di queste conclusioni si ha analizzando la recente evoluzione della normativa (Ministère de l Intérieur et de l Aménagement du Territoire, ), che regola la progettazione e l esercizio di questi edifici in Francia. Essa prevede la possibilità di una progettazione strutturale basata su un approccio prescrittivo (R60 per edifici monopiano, R90 per quelli multipiano) oppure, in alternativa, su un approccio prestazionale i cui obiettivi siano quelli sopra citati. 1.4 Criteri generali di progettazione nell ambito del quadro normativo nazionale La normativa vigente in ambito nazionale in tema di sicurezza strutturale in caso di incendio disciplina le fasi della progettazione, della costruzione e di esercizio di diverse categorie di edifici. Schematicamente possiamo distinguere tre diversi settori di regolamenti: a) norme che definiscono il livello di prestazione della struttura portante; b) norme tecniche di riferimento per la progettazione strutturale; c) norme di qualificazione dei prodotti da costruzione che contribuiscono al raggiungimento della prestazione di resistenza al fuoco della struttura portante. Le norme di tipo a) sono emanate dal Ministero dell Interno, attraverso la pubblicazione di decreti riferiti alle specifiche attività a cui sono adibiti gli edifici. Facendo riferimento ai rischi associati al caso di incendio in ogni attività, queste sono distinte in due categorie: una prima categoria di attività per le quali è fissato un livello minimo prescrittivo della resistenza al fuoco delle strutture portanti, una seconda categoria per le quali il legislatore ha definito un metodo convenzionale per determinare il livello minimo della resistenza al fuoco delle strutture portanti (figura 1.11). Per quanto riguarda la prima categoria di attività, il legislatore, attraverso la pubblicazione di specifici decreti, definisce la regola tecnica di prevenzione incendi, che, tra l altro, individua i livelli minimi di resistenza al fuoco della struttura portante.

16 16 CAPITOLO 1 Figura 1.10 Scenari di incendio in un autorimessa areata definiti dal Doc. Tecn. INERIS (2001). Esempi di questo tipo di attività sono: gli ospedali, le scuole, i locali di pubblico spettacolo, gli alberghi, ecc.. Per gli edifici in cui si svolgono queste attività, la possibilità di progettare la sicurezza strutturale in caso di incendio secondo un approccio prestazionale o ingegneristico è prevista solo mediante l apposita procedura di deroga, che deve essere sottoposta al parere del competente Comando dei Vigili del Fuoco. In tal caso, nell ambito della progettazione strutturale, si deve dimostrare che gli obiettivi della sicurezza in caso di incendio, trattati al paragrafo precedente, siano stati raggiunti. Per la regolamentazione di questa procedura è stato pubblicato il D.M. 09/05/07.

17 SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO 17 Attività soggette al controllo dei Vigili del fuoco Attività regolate da norma tecnica che prescrive valori minimi di R per le strutture portanti (Deroga) Attività non regolate da norma tecnica che prescrive valori minimi di R per le strutture portanti Applicazione regola tecnica prescrittiva Applicazione approccio ingegneristico + valori minimi di R (tab. 5 D.M.09/03/07) Regola tecnica prescrittiva ai sensi di D.M. 09/03/07 Applicazione approccio ingegneristico + valori minimi di R (tab. 5 D.M.09/03/07) Figura 1.11 Procedure per la valutazione della resistenza al fuoco (D.M. 09/03/07). Per la seconda categoria di attività (attività senza regola tecnica prescrittiva) il Ministero dell Interno, con la pubblicazione del D.M. 09/03/07, ha definito le richieste di prestazione in caso di incendio per le strutture portanti di una costruzione (figura 1.11). Queste sono classificate in 5 livelli: livello I) nessun requisito specifico di resistenza al fuoco dove le conseguenze della perdita dei requisiti stessi siano accettabili o dove il rischio di incendio sia trascurabile; livello II) mantenimento dei requisiti di resistenza al fuoco per un periodo sufficiente all evacuazione degli occupanti in luogo sicuro all esterno della costruzione; livello III) mantenimento dei requisiti di resistenza al fuoco per un periodo congruo con la gestione dell emergenza; livello IV) requisiti di resistenza al fuoco tali da garantire, dopo la fine dell incendio, un limitato danneggiamento della costruzione; livello V) requisiti di resistenza al fuoco tali da garantire, dopo la fine dell incendio, il mantenimento della totale funzionalità della costruzione stessa. Ogni livello di prestazione, da scegliere in funzione degli obiettivi di sicurezza, comporta l adozione di una determinata classe di resistenza al fuoco delle strutture portanti, determinabili sulla base dei criteri riportati nel decreto stesso. Questi criteri saranno trattati nel paragrafo 3.4.3, dove, tra l altro, si vedrà come essi siano basati su un metodo non applicabile alle strutture composte acciaio-calcestruzzo. Lo stesso decreto fornisce poi indicazioni per associare i diversi livelli di prestazione alla generica attività: il livello I è compatibile con le sole attività non soggette al controllo dei Vigili del Fuoco, il livello II alle attività non aperte al pubblico che rispettano opportune condizioni poste dal decreto stesso, il livello III alle restanti attività, i livelli IV e V a quelle attività in cui specifiche condizioni di sicurezza sono definite sulle basi di specifiche richieste del committente o di capitolati. Infine è da ricordare come le Norme Tecniche per le Costruzioni, emanate dal Ministero delle Infrastrutture con il D.M. 14/01/08, definiscono le richieste di prestazione in caso

18 18 CAPITOLO 1 di incendio delle strutture portanti di una costruzione in maniera praticamente coincidente con quanto previsto dal decreto emanato dal Ministero dell Interno. Esempi di questa seconda categoria di attività sono alcune tipologie di edifici industriali, di depositi, di uffici di piccole dimensioni, ecc. In pratica tutte le attività soggette al controllo dei Vigili del Fuoco per le quali non esistono livelli minimi della resistenza al fuoco delle strutture portanti fissati da specifica regola tecnica. Per gli edifici in cui si svolgono queste attività è possibile progettare la sicurezza strutturale in caso di incendio anche secondo un approccio prestazionale o ingegneristico, senza il ricorso alla procedura della deroga, purché siano rispettati i limiti previsti dal D.M. 09/03/07. Anche in tal caso, nell ambito della progettazione strutturale, si deve dimostrare che gli obiettivi della sicurezza in caso di incendio siano stati raggiunti, facendo riferimento alle disposizioni contenute nel D.M. 09/05/07. Le norme di tipo b) sono riconducibili a due documenti principali, il D.M. Ministero dell Interno 16/02/2007 ed il D.M. Ministero delle Infrastrutture 14/01/2008. Nel primo documento sono definite le modalità con cui si può procedere alla determinazione della resistenza al fuoco della struttura portante di una costruzione o di un suo componente: mediante prove sperimentali, condotte esclusivamente ai sensi di norme EN o, in caso di assenza, pren o ENV; mediante valutazioni analitiche, esclusivamente ai sensi delle parti fuoco degli Eurocodici (o, fino alla pubblicazione delle Appendici Nazionali, ai sensi delle norme UNI 9502 e UNI 9503); mediante le tabelle allegate al decreto medesimo. Nel secondo documento l azione incendio è inserita esplicitamente tra le azioni, di tipo eccezionale, agenti sulle strutture, mentre i criteri di valutazione sono definiti conformemente alle parti fuoco degli Eurocodici, a meno di alcuni parametri definiti nelle corrispondenti Appendici Nazionali. Infine le norme di tipo c), nell ambito della progettazione delle strutture di acciaio e composte acciaio-calcestruzzo, sono principalmente costituite dai regolamenti che definiscono il contributo alla resistenza al fuoco dei sistemi protettivi delle strutture di acciaio. Come già ricordato, ai sensi di quanto stabilito dal D.M. Interno 16/02/07, questi sono esclusivamente i regolamenti armonizzati tra i Paesi europei di tipo EN o, in caso di assenza, di tipo pren o ENV, a meno di alcune proroghe, valide fino al 2010, previste per alcune categorie di prodotti (come meglio specificato nel paragrafo 4.5.3). 1.5 La verifica di resistenza al fuoco delle strutture Criteri generali Nell ambito delle costruzioni il concetto di resistenza al fuoco è riferito alla capacità degli elementi, siano essi singoli componenti, parti di struttura o intere strutture, di garantire, secondo un programma termico stabilito e per un determinato periodo di tempo, le seguenti funzioni: la stabilità o capacità portante (R), ossia la capacità di sopportare specifiche azioni; la tenuta o integrità (E), ossia la capacità di prevenire il passaggio di gas caldi o l ignizione al di là della superficie esposta; l isolamento termico (I), ossia la capacità di prevenire un eccessiva trasmissione di calore.

19 SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO 19 Mentre i due requisiti E ed I sono solitamente richiesti a specifici elementi superficiali, muri o solai che hanno funzione di separazione, alla struttura portante di un edificio o a suoi singoli elementi in generale è richiesto il requisito R. Questo volume, così come i criteri di calcolo riportati nella parte fuoco dell Eurocodice 3 (EN , 2005) e gran parte di quelli riportati nella parte fuoco dell Eurocodice 4 (EN , 2005), tratta essenzialmente il requisito R di una struttura portante o di suoi componenti. La funzione di separazione degli elementi deve spesso essere verificata mediante specifici test sperimentali. Solo in casi particolari, come quelli trattati nella parte fuoco dell Eurocodice 4, il volume tratta anche i requisiti E ed I di solai realizzati in struttura composta acciaio-calcestruzzo. Il requisito di sicurezza in caso di incendio di una costruzione, come definito nella Direttiva 89/106/CEE, richiama direttamente il concetto di stabilità di una costruzione, mentre non è strettamente legato a criteri di deformabilità della struttura. Nel caso dei modelli di calcolo avanzato (vedi par di EN , par di EN ) è raccomandato che le deformazioni siano limitate al fine di assicurare la compatibilità tra le varie parti della struttura e che sia verificato lo stato limite per il quale le deformazioni comportano la rottura della struttura per il mancato funzionamento dei vincoli in qualche elemento. Il controllo delle deformazioni è richiamato tra i criteri fissati nelle basi progettuali (vedi. par (2) EN , par (3) EN ) in due specifici casi: quando i sistemi di protezione adottati, ad esempio i sistemi protettivi della struttura di acciaio, possono perdere la loro efficacia a causa di eccessiva deformazione della struttura; quando elementi di separazione, ad esempio specifici muri o solai a cui è assegnata questa funzione, possono essere danneggiati a causa di eccessiva deformazione della struttura portante. A questo proposito viene precisato come la verifica di deformabilità possa essere trascurata, nel primo caso se l efficienza del sistema protettivo sia stata verificata secondo le norme pertinenti (ENV , ENV ), nel secondo caso se il requisito degli e- lementi di separazione sia stato verificato rispetto alla curva di incendio standard ISO Valutazione della probabilità di collasso in caso di incendio Analogamente alle usuali verifiche in condizioni normali, la valutazione della sicurezza strutturale in caso di incendio va intesa come valutazione del livello di affidabilità della struttura mediante la stima della probabilità di collasso o crisi con riferimento al prefissato stato limite ed il confronto con un livello di rischio ritenuto accettabile: P (Probabilità di collasso) P (Probabilità obiettivo) (1.5) f Come illustrato nel Report di un attività di ricerca coordinata da J.B. Schleich (CEC Agreement 7210, 1999) e nel documento del DIFISEK+ ( DIssemination of FIre Safety Engineering Knowledge +, 2008), nella sicurezza in caso di incendio si assume generalmente che la probabilità obiettivo sia uguale al valore della probabilità che si verifichi il collasso strutturale in condizioni normali, P t = 7, (EN 1990, 2002). Si richiamano di seguito alcuni concetti sintetici di affidabilità strutturale, rimandando per i necessari approfondimenti a testi specialistici sull argomento (si consulti, ad esempio, Pinto et Al., 2004). t

20 20 CAPITOLO 1 In generale, la valutazione della probabilità di collasso P f tiene conto delle varie aleatorietà associate ai carichi, alle resistenze dei materiali, al modello di calcolo, all esecuzione della struttura (Faella, 2008; Migliacci & Mola, 1985). Nell approccio probabilistico completo, definite S ed R le variabili aleatorie delle sollecitazioni e delle resistenze della struttura ed assegnato lo stato limite sotto osservazione, la probabilità di collasso P f coincide con la probabilità che la disuguaglianza critica S R (1.6) sia violata almeno una volta nell intervallo di vita della struttura. Pertanto, definita la variabile aleatoria Z = R S, chiamata margine di sicurezza, la probabilità di collasso P f è calcolata come integrale di convoluzione: P = Pr ( Z < 0) = Pr ( R S < 0)= f ( s, r) dsdr (1.7) f SR, [ R< S] essendo f S,R (s,r) la funzione densità di probabilità congiunta. Se le variabili aleatorie S ed R sono indipendenti risulta: f ( s, r) = f ( s) f ( r) (1.8) SR, S R essendo f S (s) e f R (r) rispettivamente le funzioni densità di probabilità delle v.a. S ed R (figura 1.12), e quindi la probabilità di collasso si scrive: s Pf = fr() rdr fs() sds= FR() s fs() sds (1.9) dove FR () s = Pr( R s) è la probabilità di crisi condizionata, cioè la probabilità di crisi di una struttura soggetta ad un ben determinato valore s della sollecitazione, che coincide con la funzione di distribuzione cumulata (CDF) della v.a. R calcolata per il valore s della sollecitazione. Nel caso in cui le variabili aleatorie R ed S sono normali gaussiane ed indipendenti, il problema risulta semplificato, in quanto anche la funzione margine di sicurezza Z = R S è una v.a. normale gaussiana. Graficamente la probabilità di crisi è l area sottesa alla curva f Z (Z) per z 0. Da tale rappresentazione si definisce la variabile β pari al rapporto tra il valore medio μ Ζ della variabile Z ed il suo scarto quadratico medio σ Ζ : μz μr μs 1 β = = = (inverso del coefficiente di variazione di Z) (1.10) 2 2 1/2 σ Z ( σs + σr ) VZ Il parametro β è chiamato indice di affidabilità, in quanto la sua entità definisce direttamente la probabilità di crisi e misura in unità di deviazione standard la distanza tra il punto medio della variabile margine di sicurezza Z ed il contorno della regione di crisi (figura 1.13). L indice di affidabilità β dipende dal valor medio μ Ζ e dalla deviazione standard σ Ζ della v.a. Z, cioè dai primi due momenti delle distribuzioni di probabilità R ed S, per cui l approccio probabilistico basato sulla definizione dell indice di affidabilità rientra nei metodi di II livello (figura 1.14). Risulta dalle (1.9) e (1.10) (vedi ad es. Pinto et Al., 2004): μr μ S Pf = Pr( Z < 0) = FZ(0) =Φ( β ) =Φ (1.11) 2 2 1/2 ( σs + σr )