Tratto dagli atti del convegno: Handling Exceptions in Structural Engineering: robustezza Strutturale, Scenari Accidentali, Complessità di Progetto, Roma 13-14 Novembre 2008 Approccio ingegneristico per la sicurezza strutturale in condizioni di incendio: il caso delle autorimesse fuori terra in acciaio. S. Pustorino, P. Princi Structura Engineering, Italia. E. Nigro, A. Ferraro D.I.ST. - Dipartimento di Ingegneria STrutturale, Università di Napoli Federico II, Italia. V. Cirillo Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco, Italia. SOMMARIO: Alla luce dei recenti documenti normativi nazionali ed europei, l approccio ingegneristico per la sicurezza in condizioni di incendio è un tema attuale nell ambito della progettazione strutturale degli edifici. Tra le attività e le tipologie edilizie che più sono state poste all attenzione dei ricercatori vi è il caso delle autorimesse fuori terra realizzate con struttura di acciaio, per le quali sono stati condotti importanti lavori di ricerca in ambito europeo, che hanno previsto anche prove sperimentali di incendio in scala reale. Come risultato di queste attività di ricerca, alcuni recenti regolamenti normativi nazionali (France, Ministère de l Intérieur, Arrête du 1 Mars 2004 e Arrête du 9 Mai 2006) hanno regolato l applicazione dell approccio ingegneristico per la sicurezza strutturale in condizioni di incendio. Il presente contributo illustra i principali risultati di una sperimentazione in scala reale eseguita in ambito europeo al fine di effettuare un confronto con i risultati ottenibili dall applicazione dell approccio ingegneristico condotto su questa tipologia costruttiva nel rispetto delle disposizioni attualmente vigenti in Italia. 1 INTRODUZIONE I parcheggi multipiano fuori terra sono edifici caratterizzati dalla necessità di elevate luci libere per la realizzazione dei minimi ingombri utili per il parcheggio delle auto e per la loro circolazione interna. Caratteristica importante di questi edifici è l ampia ventilazione naturale, con cui sono solitamente realizzati, il che ha effetti positivi sul comportamento in caso di incendio, in quanto conduce a scenari di incendio di tipo localizzato. Pertanto, l impiego delle strutture di acciaio e delle strutture composte acciaio-calcestruzzo, mediante le quali è possibile ottenere soluzioni caratterizzate da leggerezza dei pesi strutturali e da velocità di costruzione, rispondono bene alle esigenze di tipo architettonico e funzionale di questi edifici (Nigro, 2001; Pustorino, 2006). Recentemente in ambito europeo è stata condotta un estesa campagna di prove sperimentali per la verifica delle prestazioni in caso di incendio di parcheggi fuori terra in acciaio e acciaio-calcestruzzo (ECSC BRE, 2001). I risultati di questa campagna di prove sperimentali saranno posti alla base del presente lavoro che si pone il principale obiettivo di valutare il comportamento di queste strutture nei diversi possibili scenari di incendio che caratterizzano gli edifici adibiti a parcheggio di autovetture. Dopo aver individuato le principali tipologie costruttive degli edifici multipiano fuori terra adibiti a parcheggio di autovetture, segue l analisi dei possibili scenari di incendio, utilizzando i risultati delle indagini statistiche condotte sugli eventi di incendio verificatisi in autorimesse della Francia e di altri paesi europei e dei test su autovetture sotto il calorimetric hood (per la determinazione delle curve RHR). In seguito si analizzano i risultati delle prove in scala reale svolte su un parcheggio monopiano aperto in struttura composta acciaio-calcestruzzo sottoposto agli scenari di incendio precedentemente definiti. Infine, si descrivono le analisi strutturali svolte applicando l approccio ingegneristico, sviluppato attraverso l assunzione di opportuni scenari di incendio e l applicazione dei metodi di calcolo a- vanzato previsti dalle parti fuoco degli Eurocodici 1, 3 e 4 (UNI EN1991-1-2, 2004; UNI EN1993-1-2, 2005; UNI EN1994-1-2, 2005). 2 QUADRO NORMATIVO NAZIONALE ED EUROPEO Ai fini della sicurezza in caso di incendio, la realizzazione delle autorimesse, in Italia, è regolamentata dal Decreto del Ministero dell Interno del 1 febbraio 1986 Norme di sicurezza antincendio per la costruzione e l esercizio di autorimesse e simili, in cui sono riportate le misure tecniche di prevenzione, protezione ed esercizio finalizzate a garantire
l incolumità delle persone e la salvaguardia dei beni. Per quanto riguarda le prestazioni di resistenza al fuoco delle strutture, il decreto, trattandosi di una regolamentazione di tipo prescrittivo, stabilisce a priori un valore minimo della classe pari a R90. Per la particolare tipologia di autorimesse oggetto del presente studio (Figura 1), che possono definirsi isolate, in quanto ubicate in edifici destinati esclusivamente a tale uso, ed aperte o ventilate, ossia provviste di aperture perimetrali permanenti pari almeno al 60% della superficie delle pareti ed al 15% della superficie in pianta, la citata regola tecnica richiede come requisito minimo la sola incombustibilità delle strutture. raggiungimento di tali obiettivi. E con questo scopo sono state condotte le analisi riportate nei successivi paragrafi. Un esempio di questa impostazione sono i due nuovi decreti (Arrête du 1 Mars 2004; Arrête du 9 Mai 2006), che regolano la progettazione strutturale delle autorimesse fuori terra in Francia. Essi prevedono due possibilità di progettazione: - la prima, di tipo prescrittivo, che prevede una resistenza al fuoco R60 per gli edifici monopiano e R90 per gli edifici multipiano, valutata nelle condizioni di un incendio nominale (curva ISO 834); - la seconda, di tipo prestazionale, che prevede, per ognuno degli scenari di incendio definiti per il particolare progetto, la stabilità strutturale per tutta la durata dell incendio, compresa la fase di raffreddamento. Figura 1. Parcheggi ventilati Tuttavia la necessità di assicurare il soddisfacimento dei primari obiettivi di sicurezza degli occupanti e dei soccorritori, impone un ulteriore verifica della stabilità strutturale in caso di incendio che il progettista può basare sull applicazione dell approccio prescrittivo, correlando la classe di resistenza al fuoco al carico di incendio specifico di progetto, secondo il procedimento introdotto dal D.M.Int. 9 marzo 2007, ovvero ricorrendo all approccio prestazionale ipotizzando opportuni scenari di incendio e valutandone le conseguenze sul comportamento delle strutture, in conformità alle direttive emanate con il D.M.Int. 9 maggio 2007 che ha disciplinato tale metodologia in Italia. Ai fini dell applicazione dell approccio ingegneristico, in particolare per il ruolo delle strutture portanti nelle condizioni di incendio, assume fondamentale importanza la definizione del requisito sicurezza in caso di incendio introdotta con la Direttiva sui Prodotti da Costruzione 89/106 della Comunità Europea. In essa tale requisito, recepito dalle norme nazionali dei paesi membri, viene esplicitato con il raggiungimento dei seguenti 5 obiettivi: - 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. Il risultato di ogni applicazione dell approccio ingegneristico per la sicurezza in caso di incendio deve pertanto essere valutato mediante l analisi del 3 PRINCIPALI TIPOLOGIE DI PARCHEGGI FUORI TERRA IN ACCIAIO Le tipologie costruttive per la realizzazione di parcheggi fuori terra aperti possono essere diverse sia per far fronte ad esigenze di tipo architettonico, sia ad esigenze di tipo funzionale, come ad esempio il tipo di manovra delle vetture che condiziona il progetto delle rampe di accesso. Tra le tipologie strutturali più comuni per la realizzazione di edifici in acciaio destinati a parcheggio si possono annoverare, ad esempio, edifici monopiano con rampe rettilinee interne e con solaio di copertura destinato, anch esso, a parcheggio; oppure edifici multipiano fuori terra e con rampe esterne; o ancora edifici multipiano fuori terra e con piani di parcamento a livelli sfalsati e rampe interne. L edificio utilizzato nelle prove in scala reale (ECSC BRE, 2001) appartiene alla tipologia degli edifici monopiano (Figura 2). Figura 2. Parcheggio monopiano: piante e sezioni. Questo edificio, realizzato con colonne d acciaio e impalcato in struttura composta acciaiocalcestruzzo, è composto da tre telai principali aven-
ti interasse pari a 16 m, ciascuno con colonne di acciaio, incernierate alla base, poste a distanza reciproca di 5 m; le travi principali sono collegate mediante nodo cerniera alle colonne. Le travi secondarie, disposte con interasse di 2.5 m, hanno schema statico di trave continua su tre appoggi con luce libera di 16 m e sono collegate al solaio mediante connettori in modo da garantire il comportamento di trave composta. Le travi principali, anch esse composte con il solaio, hanno luce di 5 m e sono incernierate, come detto, alle estremità alle colonne. In entrambe le direzioni sono disposti controventi per la resistenza alle azioni orizzontali. L interasse delle colonne si a- datta bene alle tipiche dimensioni degli stalli per la sosta delle auto, mentre la luce delle travi secondarie permette che ogni campata possa contenere due file di parcheggi e una corsia di dimensioni standard. In Figura 3 è riportato uno schema di carpenteria. Il solaio utilizzato è composto da lamiera grecata in acciaio, del tipo Cofrastra 40, con interasse di 2.5 m e getto collaborante in calcestruzzo armato, con altezza complessiva di 12 cm. Le sezioni degli elementi strutturali del prototipo sono riportate in Tabella 1. ELEMENTI STRUTTURALI Elemento L [m] Sezione Travi secondarie 16.00 IPE 550 Travi princ. linee A e C 5.00 IPE 400 Travi principali linea B 5.00 IPE 500 Colonne fila B 3.00 HEB 200 Colonne fila A e C 3.00 HEA 180 Tabella 1. Sezioni degli elementi strutturali 4 I RISULTATI DELLA RICERCA EUROPEA Il tema della sicurezza in caso di incendio dei parcheggi multipiano ventilati è stato ampiamente affrontato nell ambito di varie ricerche condotte da C.E.C.A. (Comunità Europea Carbone Acciaio). Il più recente progetto di ricerca, Demonstration of real fire tests in car parks and high buildings (ECSC BRE, 2001), condotto dal 1998 al 2000, rappresenta la parte conclusiva del lavoro ed è finalizzato in primo luogo alla verifica sperimentale dei modelli analitici messi a punto nelle precedenti ricerche. Nell ambito di questo progetto di ricerca è stata condotta, preliminarmente, un analisi statistica studiando 78 report di intervento in autorimesse effettuati dai Vigili del Fuoco di Parigi nel periodo che va dal 1995 al 1997 e altri dati di alcune grandi città europee; l ampia statistica è servita alla definizione degli scenari di incendio più probabili negli edifici adibiti ad autorimessa. Da ogni report, infatti, sono stati ricavati i seguenti dati: durata dell intervento; persone ferite; tipo di edificio; danni provocati alla struttura; fonte di innesco; numero di auto coinvolte; tempo di estinzione; tempi di propagazione del fuoco. Inoltre, sono state effettuate prove sperimentali su auto reali, sotto il calorimetric hood (Figura 4), per determinare le curve di rilascio termico RHR (Figura 5) tipiche delle automobili in circolazione nel periodo 1995-1998 (Figura 6). Queste sono state classificate in base al potenziale termico che possono rilasciare (Tabella 2). Figura 3. Schema di carpenteria. Figura 4. Configurazione del test al calorimetric hood Tipo Classe 1 Classe 2 Classe 3 Classe 4 Classe 5 Peugeot 106 306 406 605 806 Renault Twingo-Clio Megane Laguna Safrane Espace Citroen Saxo ZX Xantia XM Evasion Ford Fiesta Escort Mondeo Scorpio Galaxy Opel Corsa Astra Vectra Omega Frontera Fiat Punto Bravo Tempra Croma Ulysse Wolkswagen Polo Golf Passat - Sharan Potenziale calorifico 6000 MJ 7500 MJ 9500 MJ 12000 MJ Tabella 2. Classificazione delle auto.
Figura 8. Numero di veicoli coinvolti negli incendi Figura 5. Tasso di rilascio termico di un auto di classe 3 Dall analisi dei report è stato anche possibile valutare il tempo necessario per l estinzione dell incendio nei vari casi; come si può vedere dalla Figura 9 tutti gli incendi analizzati sono stati spenti in meno di 1 ora; inoltre, solo il 16% degli incendi ha richiesto un tempo di estinzione compreso tra 30 min e 1 ora. Figura 6. Distribuzione delle auto nel mercato secondo la classificazione. Nella Figura 7 sono indicate le percentuali di auto di ogni classe coinvolte negli incendi dei report analizzati; si può notare che solo il 10% delle auto è di classe 4 o 5. Inoltre, è stato osservato che non sono stati registrati incendi con più di una auto di classe 3, 4 o 5. Figura 7. Classificazione delle auto coinvolte negli incendi. Il numero di veicoli coinvolti negli incendi varia tra 0 e 3, come si può notare dalla Figura 8, e solo nel 10% dei casi sono coinvolte 3 auto nell incendio; invece nel 30% dei casi non si sono incendiate auto, ma materiali di vario genere che possono trovarsi nel parcheggio. Figura 9. Tempo di estinzione dell incendio. La parte più corposa della ricerca (ECSC BRE, 2001) è, però, rappresentata dalle prove in scala reale sull edificio monopiano descritto nel Paragrafo 3 (Figura 10). Gli scenari di incendio e le modalità di innesco sono state scelte sulla base delle condizioni geometriche della struttura e dei dati statistici sugli incendi reali. Sono stati svolti tre test differenti facendo variare lo scenario di incendio. In tutti e tre i test le tre auto incendiate si trovavano al livello inferiore, mentre a quello superiore sono state poste 11 auto, che costituivano il carico statico di esercizio dell autorimessa. Il primo test è stato eseguito con tre auto posizionate in posti adiacenti in prossimità delle colonne centrali (Figura 11): la prima auto innescata è quella centrale (a partire da un focolaio costituito da eptano); successivamente le fiamme, dopo circa 12 min, si sono propagate alla seconda auto e dopo altri 12 min alla terza auto, che si trovano sui due lati della prima.
surate. Nel solaio si sono registrate temperature massime in corrispondenza della posizione dell auto 3. Gli spostamenti verticali nella sezione centrale delle travi secondarie (Figura 14) hanno raggiunto lo 0.4% della lunghezza della trave e si è verificato un inarcamento verso l alto nella fase di raffreddamento. Figura 10. Foto del parcheggio di prova. Figura 12. Temperatura massima e media raggiunte nell ambiente all intradosso del solaio in corrispondenza di o- gni posto auto (Test 1). Figura 11. Scenari di incendio nel test 1. Durante la prova è stata misurata la temperatura ambiente in vari punti dell autorimessa, la temperatura degli elementi strutturali, la temperatura all interno delle auto, i flussi di calore e gli spostamenti in alcuni punti della struttura. È, inoltre, stata osservata la propagazione dell incendio alle auto e lo sviluppo dei fumi all interno del parcheggio. Al termine della prova sono state rilevate deformazioni negli elementi, oltre a instabilità e danneggiamenti locali, che però non hanno pregiudicato la stabilità globale del parcheggio. Sono stati, inoltre, osservati danneggiamenti nei collegamenti tra travi e colonne senza provocare il crollo della struttura: questo fenomeno è dovuto all accorciamento della flangia inferiore della trave a seguito dello svergolamento in fase di riscaldamento e alla curvatura che ne consegue nella fase di raffreddamento. La temperatura media all interno del parcheggio (Figura 12) si è mantenuta sempre piuttosto bassa; essa ha raggiunto valori elevati (circa 1000 C) localmente in vicinanza delle auto incendiate, ma si è ridotta velocemente allontanandosi dalle fiamme. La temperatura nelle travi (Figura 13) è risultata variabile in funzione della distanza delle sezioni dal focolaio e sono state registrate differenze di circa 200 C tra l ala superiore e quella inferiore delle travi. La temperatura massima raggiunta negli elementi d acciaio non ha superato i 700 C, mentre nel calcestruzzo non ha superato i 360 C sulla superficie e- sposta e i 100 C verso l interno della soletta. Le colonne centrali (Tabella 3) sono state principalmente esposte su un lato, par cui sono state registrate temperature differenti nei vari punti in cui sono state mi- Figura 13. Temperatura massima nelle travi. Tabella 3. Temperatura massima nelle colonne Figura 14. Spostamento verticale della sezione centrale della trave tra i fili 3 e 4.
Dopo aver sostituito i bulloni del collegamento di continuità delle travi secondarie in corrispondenza della colonna centrale che si erano danneggiati a seguito della prova preliminare, si è eseguito il secondo test. Questo è stato realizzato con lo stesso scenario di incendio (Figura 11) utilizzato per il primo test, ma stavolta le auto incendiate sono state posizionate sul lato opposto del parcheggio e il test è stato eseguito in presenza di forte vento, il che ha provocato una propagazione delle fiamme alle auto adiacenti più rapida; l incendio della seconda auto, infatti, si è innescato dopo 5.30 min dall inizio dell incendio e quello dell auto 3 dopo 5.50 min circa. Al termine della prova sono state osservate curvature delle travi e delle colonne ed instabilità locali nelle zone più esposte delle travi. Inoltre, si è verificato un danneggiamento in corrispondenza dei collegamenti tra la trave e la colonna centrale. Tutto ciò non ha comunque pregiudicato la resistenza della struttura. I danneggiamenti in corrispondenza dei collegamenti sono risultati inferiori rispetto a quelli che sono avvenuti durante il test precedente. Le temperature dell ambiente (Figura 15) registrate durante le prove hanno mostrato picchi molto alti in corrispondenza del focolaio, ma essi si riducono velocemente allontanandosi da esso. Anche nelle zone più vicine alle auto incendiate la temperatura è istantaneamente alta, ma decresce molto velocemente dopo il raggiungimento del valore massimo. Pertanto la temperatura nelle travi (Figura 16) è molto alta in prossimità delle auto incendiate, ma decresce sensibilmente discostandosi da esse. La temperatura delle colonne (Tabella 4) presenta forti gradienti dovuti alla esposizione non uniforme al flusso di calore. Figura 16. Temperatura massima nelle travi (Test 2) Per quanto riguarda gli spostamenti, oltre alle misure effettuate anche per il primo test (Figura 17) è stata aggiunta la misurazione degli spostamenti orizzontali (Figura 18) della sommità delle colonne alle estremità della trave sul filo 2 (Figura 19). L inflessione massima nelle travi è stata inferiore al 1% della lunghezza e si è potuto osservare un inarcamento verso l alto nella fase di raffreddamento fino a circa 40 mm. Gli spostamenti verticali della sommità delle colonne sono stati di pochi mm, il valore massimo è stato registrato in corrispondenza dell estremità della trave sul filo 2. Figura 17. Inflessione della trave nella sezione di mezzeria (Test 2). Figura 15. Temperatura massima e media raggiunte nell ambiente all intradosso del solaio in corrispondenza di o- gni posto auto (Test 2). Figura 18. Spostamento verticale della colonna più esposta al fuoco (Test 2). Tabella 4. Temperatura massima nelle travi (Test 2).
5 APPLICAZIONE DELL APPROCCIO INGEGNERISTICO AL CASO DELLE AUTORIMESSE FUORI TERRA IN ACCIAIO Nel presente paragrafo si esemplifica l applicazione dell approccio ingegneristico per la sicurezza in caso di incendio di autorimesse fuori terra in acciaio di tipo ventilato, definendo dapprima gli scenari di incendio di progetto e, applicando successivamente le analisi strutturali avanzate previste dalle parti fuoco degli Eurocodici 1, 3 e 4. Figura 19. Spostamento orizzontale della colonna all estremità della trave 2 Infine l ultimo test è stato quello eseguito per verificare le condizioni di propagazione dell incendio tra due auto parcheggiate frontalmente l una all altra (Figura 20) ed è stato posto uno schermo in prossimità dell auto 1 per limitare l influenza del vento. Figura 20. Scenari di incendio nel test 3. Le fiamme si sono propagate molto lentamente; l auto 2 ha preso fuoco dopo 56 min dall inizio dell incendio, quando ormai l incendio della prima auto si era esteso a tutto il veicolo. La temperatura nel parcheggio (Figura 21) è risultata mediamente bassa, ad eccezione di picchi concentrati che non hanno comportato grandi innalzamenti di temperatura negli elementi strutturali. Infatti, la temperatura dei profili durante la prova è rimasta sempre molto bassa e le deformazioni conseguenti sono state molto limitate. Figura 21. Curva della temperatura dell aria sopra l auto 1. 5.1 Determinazione degli scenari di incendio Ai sensi del D.M.Int. 09/05/07 per scenario di incendio deve intendersi la descrizione qualitativa dell'evoluzione di un incendio che individua gli e- venti chiave che lo caratterizzano e che lo differenziano dagli altri incendi. Di solito può comprendere le seguenti fasi: innesco, crescita, incendio pienamente sviluppato, decadimento. Deve, inoltre, definire l ambiente nel quale si sviluppa l incendio di progetto ed i sistemi che possono avere impatto sulla sua evoluzione, come ad esempio eventuali impianti di protezione attiva. Lo scenario di incendio è sensibilmente influenzato, tra l altro, dalla geometria dei locali che costituiscono il compartimento e dalle loro condizioni di ventilazione naturale. Infatti, la caratteristica di un autorimessa ampiamente ventilata è che, in presenza di un focolaio che si verifica accidentalmente in un autovettura, la propagazione dell incendio, se non contrastata, può avvenire alle auto parcheggiate vicino, senza il coinvolgimento contemporaneo delle altre autovetture presenti. Infatti, poiché la presenza di ampia ventilazione naturale è tale da non permettere il raggiungimento delle condizioni di flashover, il fenomeno rimane per tutta la durata dell incendio di tipo pre-flashover. In queste condizioni i possibili scenari di incendio sono costituiti dalla combustione di un numero limitato di autovetture che rimangono coinvolte nella propagazione del focolaio iniziale. Pertanto il compito per chi deve individuare gli scenari di incendio più pericolosi per la stabilità strutturale è quello di definire la posizione ed il numero di autovetture che possono costituire il focolaio iniziale e che determinano l azione termica più pericolosa, tra quelle realisticamente ipotizzabili, per la struttura portante dell edificio. In particolare si devono considerare scenari con auto posizionate nei posti assegnati e scenari con auto poste al centro della corsia di percorrenza del parcheggio. In questo ultimo caso, data la posizione rispetto alle altre auto, è sufficiente prevedere una sola auto incendiata: questo scenario risulta critico per la struttura se l auto si trova posta al di sotto della sezione di mezzeria delle travi disposte perpendicolarmente al senso di marcia. Nel progetto di ricerca (ECSC BRE, 2001) sono stati ricercati i possibili scenari di incendio più pericolosi
ai fini della valutazione della stabilità strutturale (Figura 22). In particolare si sono voluti individuare i casi di incendio più probabili e pericolosi per la struttura portante, che poi sono stati realizzati per la conduzione delle prove sperimentali in scala reale. Lo scenario 1 è costituito dalla combustione di un autovettura posta al di sotto della mezzeria della trave principale, si tratta del caso di incendio che determina la massima azione termica in corrispondenza della sezione solitamente più sollecitata (mezzeria di una trave); ovviamente questo scenario dipende dallo schema statico della struttura portante. Nello scenario 2 sono coinvolte due autovetture: la seconda si incendia dopo 12 minuti dall innesco del focolaio nella prima auto. Questo scenario può essere utilizzato per verificare il comportamento della trave che si trova tra le due autovetture coinvolte dall incendio. Lo scenario 3 è simile allo scenario 2, ma prevede l innesco di una terza auto dopo altri 12 minuti. Quest ultimo, però, può avere tempi e forme diverse: infatti, lo scenario 3a prevede dapprima l innesco dell auto centrale e poi dopo 12 minuti la propagazione dell incendio alle auto laterali; invece lo scenario 3b considera tre autovetture disposte attorno ad una colonna, al fine di ottenere la massima azione termica su questi elementi strutturali. Per l applicazione del decreto francese del 09/05/06 (Arrête, 2006), prendendo anche spunto dalle prove sperimentali (ECSC BRE, 2001), è stata predisposta una linea guida, contenuta nel documento tecnico (INERIS, 2001), per l individuazione degli scenari di incendio più pericolosi ai fini della valutazione della stabilità delle strutture portanti, da utilizzare in fase di progettazione. L applicazione di questa guida ai casi visti in precedenza porterebbe a sostituire gli scenari 3 e 3a con lo scenario rappresentato in Fig. 23b e lo scenario 3b con lo scenario rappresentato in Fig. 23a. Rimane invece da considerare sempre lo scenario 1. Ovviamente in conformazioni particolari della struttura del parcheggio gli scenari di incendio vengono definiti caso per caso. Figura 23a. Scenario di incendio 3c. Figura 22. Scenari di incendio, risultati della ricerca (ECSC BRE, 2001). Figura 23b. Scenario di incendio 4. Per quanto riguarda le prove in scala reale sul prototipo, gli scenari utilizzati per i test 1 e 2 sono due casi particolari dello scenario di incendio riportato in Figura 23b proposto dalla linea guida francese, mentre quello adoperato per il test 3 è un test di propagazione tra due auto parcheggiate una di fronte all altra. 5.2 Analisi strutturali in condizioni di incendio con metodi avanzati Con l obiettivo di voler applicare l approccio ingegneristico è stato valutato il comportamento strutturale creando un modello agli elementi finiti con il programma di calcolo SAFIR, sviluppato presso l Università di Liegi (Belgio) (Franssen, 2007). Si è
fatto riferimento allo scenario di incendio proposto dalla linea guida francese (INERIS, 2001) riportato in Figura 23b, limitandolo a 3 autovetture (come nella prova eseguita). Le temperature degli elementi strutturali sono state determinate per mezzo del modello di calcolo per gli incendi localizzati previsto dall Appendice C dell Eurocodice 1 parte fuoco (EN 1991-1-2, 2004), facendo riferimento alle curve di rilascio termico riportate in Figura 25 relative a tre auto di classe 3, delle quali le due laterali si infiammano dopo 12 min dall innesco nella prima auto posta al centro. Figura 24. Scenario di incendio usato nel modello di calcolo. 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Tasso di rilascio termico Q [MW] Auto 1 Auto 2 Auto 3 Tempo t [min] 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Figura 25. Curve RHR usate nel modello di calcolo. Attraverso l applicazione del metodo di Hasemi, riportato nell appendice C dell Eurocodice 1 Parte 1-2 (EN 1991-1-2, 2004), è stato determinato il flusso termico sugli elementi strutturali, considerando l incendio, di tipo pre-flashover, come somma dei contributi dovuti ai singoli focolai. Noto il flusso termico su ogni elemento strutturale, mediante l applicazione dei criteri previsti nelle parti fuoco degli Eurocodici 1 e 3 (EN1991-1-2, 2004; EN1993-1-2, 2005) sono stati calcolati rispettivamente la temperatura dei gas che lambiscono gli elementi strutturali e la temperatura dell acciaio. L analisi termica degli elementi strutturali è stata eseguita con il programma SAFIR dell Univesità di Liegi, mediante la definizione di modelli termici 2D per ogni sezione della struttura: essa ha fornito le mappature termiche delle sezioni per ogni istante dall inizio dell incendio. In Figura 26 è riportata la temperatura degli elementi delle travi secondarie in funzione della loro distanza dal focolaio. Temperatura [ C] 1200 1000 800 600 400 200 0 t rave 1L t rave 1/ 2L t rave 2L t rave 1U t rave 1/ 2U t rave 2U 0 2 4 6 8 1 Distanza[m] di st a nz a ( m) Figura 26. La temperatura degli elementi delle travi secondarie in funzione della loro distanza dal focolaio Confrontando le temperature calcolate (Figura 26) con quelle registrate durante la prova (Figura 16), si riscontra lo stesso andamento, anche se i valori differiscono parzialmente. Le differenze possono farsi risalire al fatto che non si conosce esattamente l ubicazione delle termocoppie, nonché eventuali effetti non tenuti in considerazione nel calcolo, oltre al fatto che le azioni termiche che sono state considerate sono convenzionali e quindi differenti da quelle della prova. Per quanto riguarda l andamento delle temperature nelle colonne si fa notare che il modello utilizzato non tiene conto dell esposizione differenziata sulle due ali della colonna e lungo l altezza dell elemento, trascurando quindi il gradiente termico sulla sezione e ipotizzando il medesimo flusso termico lungo tutto l elemento. I carichi verticali agenti in condizione di incendio sono determinati secondo la combinazione di carico quasi permanente essendo l incendio, secondo il vigente regolamento italiano (D.M., 2008), un azione eccezionale. Come le analisi termiche, anche il modello strutturale agli elementi finiti è stato generato con il programma di calcolo SAFIR. La struttura portante del prototipo realizzato è stata modellata per mezzo di elementi beam e shell. Infatti, il solaio è stato modellato con elementi shell di caratteristiche uguali a quelli reali, mentre travi e colonne sono state modellate con elementi beam. In Figura 27 è riportato il modello della struttura con rappresentata la deformata al tempo finale. Figura 27. Deformata della struttura al termine dell analisi.
Confrontando gli andamenti nel tempo degli spostamenti calcolati (Figure 28, 29 e 30) con quelli degli spostamenti misurati durante la prova (Figure 17, 18 e 19) si nota che, sebbene l andamento sia analogo, i valori sono in parte differenti. L abbassamento massimo della trave misurato arriva a quasi 150 mm, mentre quello calcolato arriva a 250 mm; inoltre, la fase di sollevamento durante il raffreddamento non è presente nel calcolo e lo spostamento verticale della colonna nel caso del calcolo è circa 25 mm, mentre nella prova è circa 7 mm. La maggiore flessibilità degli elementi è dovuta probabilmente ad un maggiore riscaldamento. È necessario, inoltre, tenere conto del fatto che le azioni statiche considerate nel calcolo sono convenzionali e quindi differenti da quelle realmenti presenti al momento della prova. 0-0.04-0.08-0.12-0.16-0.2 0 25 50 75 100 125 Spostamento [m] Tempo [min] Figura 28. Spostamento verticale nella mezzeria della trave secondaria tra i fili 1 e 2. 0.025 0.015 0.005-0.005 0 25 50 75 100 125 Spostamento [m] Tempo [min] Colonna Filo 1 Linea B Colonna Filo 2 linea C Colonna Filo 2 Linea B Figura 29. Spostamento orizzontale direzione longitudinale della sommità delle colonne. 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0-0.005 0 25 50 75 100 125 Spostamento [m] Tempo [min] Colonna Filo 1 Linea C Colonna Filo 2 Linea C Figura 30. Spostamento orizzontale direzione trasversale della sommità delle colonne. Dal confronto tra gli spostamenti si nota come quelli determinati con il modello di calcolo sono sempre maggiori rispetto a quelli misurati sperimentalmente. Va osservato, tuttavia, che le analisi eseguite secondo l approccio prestazionale mostrano, in accordo alle prove in scala reale, che la struttura resiste per tutta la durata dell incendio. 6 CONCLUSIONI La campagna di ricerca condotta in ambito europeo sulle autorimesse aperte fuori terra ha fornito i dati di calcolo necessari per condurre un analisi della sicurezza in condizioni di incendio di questi edifici applicando l approccio ingegneristico. Oltre che i dati relativi al rilascio termico dovuto alla combustione di una o più autovetture, sono state elaborate le linee guida per la definizione degli scenari di incendio più pericolosi per la stabilità strutturale, che devono essere valutati nell ambito di un approccio ingegneristico. Le differenze riscontrate tra i risultati del modello e i dati sperimentali sono probabilmente dovute ai seguenti motivi: - le azioni termiche sono state schematizzate mediante un procedimento semplificato, che restituisce valori probabilmente maggiori di quelli reali poiché si basa su una curva di rilascio termico ottenuta come inviluppo di numerose prove sperimentali al calorimetric hood ; - le condizioni di carico meccanico differiscono da quelle realizzate durante la prova in scala reale, poiché sono stati applicati dei carichi convenzionali, forniti dalla normativa, che risultano maggiori di quelli presenti durante la prova. Alla luce dei confronti effettuati tra l analisi svolta con l approccio ingegneristico e i risultati delle prove sperimentali, si può concludere che: - con l applicazione dei modelli di calcolo previsti dalle parti fuoco degli Eurocodici 1, 3 e 4 (UNI EN1991-1-2, 2004; UNI EN1993-1-2, 2005; UNI EN1994-1-2, 2005) è stato possibile analizzare il comportamento della struttura reale, ottenendo risultati non in contrasto con quelli sperimentali e verificando che la stabilità sia mantenuta per tutta la durata dell incendio, compresa la fase di raffreddamento; - i dati forniti dal modello di calcolo, sia in termini di temperature che di spostamenti degli elementi strutturali, risultano a favore di sicurezza rispetto ai risultati delle prove sperimentali. RINGRAZIAMENTI Il presente lavoro è frutto delle attività condotte dalla Commissione per la Sicurezza delle Costruzioni di Acciaio in caso di Incendio (Attività n. 9: Autorimesse aperte fuori terra).
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