Applicare il concetto di robustezza strutturale alla progettazione degli edifici alti in caso di incendio

La robustezza strutturale è un requisito che, sebbene antico nella sua applicazione, ha solo recentemente attirato l’attenzione delle attuali normative tecniche. Per definizione, la robustezza strutturale è l’abilità di una costruzione di mostrare un degrado delle proprie qualità proporzionato all’entità di un’azione o di un evento negativo [1, 2, 3]. Questo concetto base si è evoluto negli ultimi anni anche a seguito di eventi legati a circostanze accidentali non pensabili come il crollo delle torri gemelle del World Tower Center (WTC) nel 2001 [4, 5]. Parimenti, anche le strategie per garantire questo requisito hanno avuto un’evoluzione negli ultimi anni, con l’introduzione di nuove tecniche e metodologie al fine di ottenere un sistema robusto nel suo complesso [6, 7]. 

In particolare, azioni come l’incendio possono provocare collassi a livello locale e globale e, talvolta, collassi progressivi. Questo contributo è incentrato proprio sulla suscettibilità degli edifici alti al collasso progressivo, vulnerabilità dipendente essenzialmente dall'organizzazione del sistema strutturale. L'attenzione si concentra soprattutto sul ruolo dei sistemi di rinforzo verticali come i controventi e di sistemi adottati soprattutto in edifici caratterizzati da grande elevazione come gli outrigger, la cui localizzazione potrebbe – dovrebbe - essere ottimizzata al fine di garantire le migliori prestazioni possibili al sistema strutturale.

Facendo riferimento a un caso specifico di edificio alto in acciaio, sono state condotte in maniera ragionata delle analisi, tenendo conto della risposta non lineare della struttura, influenzata dal degrado del materiale ad alte temperature con sviluppo di grandi spostamenti e dall’innescarsi di fenomeni di instabilità.

Il concetto di ROBUSTEZZA e la sua applicazione nell'ingegneria antincendio

Le qualità che una costruzione deve possedere sono naturalmente molteplici. Per inquadrarle, una prima considerazione riguarda quali differenti situazioni una struttura deve affrontare. Si possono, infatti, avere [2]:

• A. condizioni di esercizio, ovvero situazioni che sono presenti durante il normale utilizzo e funzionamento della struttura - considerate nell’ambito dei cosiddetti Stati Limite di Esercizio (S.L.E.); 
• B. condizioni ultime, ovvero casi particolarmente gravosi ma che si possono attendere, ad esempio, da uso non corretto o addirittura maldestro della costruzione - che vanno a confluire nei cosiddetti Stati Limite Ultimi (S.L.U.);
• C. condizioni estreme, in cui può trovarsi la costruzione, scenari alle volte neanche prevedibili compiutamente, in cui la struttura deve mantenere un minimo di integrità strutturale, ovvero non dare luogo a collassi sproporzionati alla causa scatenante - condizioni che vanno a confluire in quelli che si potrebbero definire Stati Limite di Integrità (S.L.I.).

Si può subito riconoscere che un fallimento strutturale, ovvero il mancato raggiungimento di un idoneo comportamento strutturale, in caso di

• A. condizioni di esercizio, implica la limitazione più o meno estesa (anche totale) dell’utilizzo della costruzione, con ovvi danni economici ma senza conseguenze sulle persone; 
• B. condizioni ultime, provoca la crisi di parti di struttura o anche della struttura nel suo complesso, con ripercussioni sulla incolumità delle persone;
• C. condizioni estreme, induce collassi significativi e anche disastrosi, con la possibilità di avere gravi ripercussioni sulla incolumità delle persone e finanche sull’ambiente.

In questi ultimi anni, proprio queste condizioni estreme sono state oggetto della ricerca più avanzata e della progettazione più sofisticata: le situazioni in cui si possono sviluppare incendi sono, quindi, proprio attinenti. Inoltre, le complesse costruzioni moderne nel caso in cui sviluppino comportamenti anomali e in cui avvengano crisi strutturali più o meno estese possono avere conseguenze significative per il coinvolgimento di un numero notevole di persone, risultando casi traumatici per la Società.

In termini generali, l’ingegneria antincendio [6, 7] si pone come obiettivi quelli di garantire l’incolumità degli occupanti e delle persone intervenute in soccorso, limitare i danni delle strutture e delle parti non strutturali, evitare perdite ai beni e ai servizi, e, infine, evitare pericoli all’ambiente. 

Nel caso specifico degli edifici alti, la Figura 1 riporta schematicamente i punti principali del problema [8]. Gli aspetti da garantire in un ipotetico scenario di incendio sono legati all’evacuazione, a limitare la propagazione dell’incendio e, infine, a garantire la robustezza strutturale. Per quest’ultima è responsabilità del progettista attuare strategie a livello strutturale e non, tra cui principalmente:

• definizione della compartimentazione;
• individuazione di misure di protezione non strutturale;
• progettazione di percorsi di carico alternativi.

Figura 1 – Aspetti per la progettazione di edifici alti contro il fuoco.

Più precisamente, in tema di sicurezza antincendio è usuale considerare differenti fasi strategiche [9, 10] considerando lo sviluppo ideale della temperatura riportato in Figura 2:

• a) prevenzione: riguarda le limitazioni delle fonti di innesco dell’incendio, la limitazione di comportamenti pericolosi, la predisposizione di procedure di emergenza e di evacuazione;
• b) protezione attiva: l’introduzione di sistemi di individuazione di fumi e calori, sistemi di soppressione o controllo dell’incendio e dei suoi prodotti (fumo, …);
• c) protezione passiva, con la predisposizione della compartimentazione della struttura, la predisposizione di protezione della struttura e delle sue parti;
• d) robustezza: riguarda la natura del comportamento estremo della struttura, ovvero il controllo e l’arresto del collasso nel suo sviluppo progressivo, al fine di evitare il run-away del sistema strutturale.

È indicativo come la robustezza si esplichi nella fase centrale e finale di una possibile curva temperatura-tempo indicativa dello sviluppo reale di un incendio: è proprio nella fase di pieno sviluppo e in quella di decadimento di un incendio che si riscontrano i maggiori collassi strutturali, e pertanto è in queste fasi che entrano in gioco quelle misure strutturali e non che rendono un sistema robusto.

Figura 2 - Fasi della sicurezza in caso di incendio.

È interessante notare che nel corso degli anni, la definizione di robustezza strutturale si è allargata includendo - accanto ad azioni accidentali quali fuoco, esplosioni e impatti - anche gli effetti legati all’errore umano. Infatti, nelle basi degli Eurocodici negli Anni ’90, si trova la definizione:

Robustness is the ability of a structure to withstand events like fire, explosions, impact or the consequences of human error, without being damaged to an extent disproportionate to the original cause.

In questo senso, la robustezza strutturale rappresenta l’abilità intrinseca e fondamentale della costruzione a sopravvivere agli avvenimenti negativi più vari.

L'incendio negli edifici alti

I crolli strutturali legati alla categoria degli edifici definiti alti, come i casi ad esempio del WTC nel 2001 o della Windsor Tower nel 2005, rappresentano episodi di grande impatto nella Società. In particolare, con riferimento a queste strutture che si distinguono per il notevole sviluppo in altezza e per lo stile architettonico, tre diversi aspetti possono influenzare la progettazione antincendio (Figura 1) [11]:

• l’evacuazione dell’edificio;
• la diffusione dell’incendio;
• la suscettibilità degli edifici alti al collasso progressivo.

Questo contributo si focalizza sul terzo aspetto, indicativo della robustezza del sistema strutturale. La suscettibilità al collasso progressivo degli edifici è uno degli argomenti più importanti e attuali [12] perché le conseguenze di un collasso indotto dall’incendio sono enormi in termini di sicurezza delle persone e integrità della struttura. Starossek [13] esamina cinque approcci generali per raggiungere questo obiettivo: 1) misure protettive non strutturali, 2) resistenza locale specifica, 3) percorsi alternativi, 4) isolamento delle sezioni attraverso la compartimentazione strutturale e 5) regole di progettazione prescrittiva.

In generale, al fine di valutare il rischio di collasso progressivo è importante porre attenzione all’organizzazione del sistema strutturale il cui sviluppo rappresenta un processo in continua evoluzione [14]: sono note le strutture a telaio, a tubo, a nucleo, fino ad arrivare ai sistemi cosiddetti diagrid [15].

Khan [16] ha classificato i sistemi strutturali relativi agli edifici alti in base alle loro altezze con riferimento alla funzionalità degli stessi; inoltre ha sviluppato una classificazione sia per l'acciaio che per il calcestruzzo, considerando anche diversi sistemi strutturali. Ali & Moon [17] suggeriscono un'ulteriore divisione in due ampie categorie basate sulla distribuzione degli elementi strutturali principali dell’edificio che forniscono resistenza alle azioni orizzontali: strutture interne ed esterne. Nel primo gruppo ci sono telai incastrati, telai controventati, sistemi di interazione a parete-telaio e i sistemi outrigger. Nel secondo gruppo ci sono sistema tubolari con e senza controventi, disposti a fasci, disposti uno dentro l’altro e sistemi diagrid. 

Il rapporto tra resistenza e rigidezza degli elementi adiacenti può influenzare la suscettibilità progressiva del collasso del sistema. Una situazione particolarmente pericolosa è rappresentata da una possibile diffusione del collasso a elementi non direttamente coinvolti nell’incendio, ad esempio ad elementi che a causa della loro ubicazione o della loro elevata resistenza al fuoco hanno una temperatura relativamente bassa in un episodio di incendio [11].

L'analisi dei casi eclatanti come il WTC e la Windsor Tower consente di valutare il ruolo dell'organizzazione strutturale nella lotta contro eventi estremi come l’incendio. Nel caso del WTC c’erano quattro principali sottosistemi strutturali nelle torri (Figura 3): la parete esterna, il nucleo, il sistema di orizzontamenti e l’outrigger posto in cima all’edificio [4, 5]. Per le torri del WTC, l’instabilità iniziale del solaio indotta da un'espansione termica impedita avrebbe successivamente causato l’instabilità delle colonne, come conseguenza della perdita di ancoraggio orizzontale dei solai[18]. 

La Windsor Tower era un edificio per uffici in acciaio di 32 piani con un nucleo in cemento armato e un'altezza di 106 m. La struttura aveva due piani tecnici senza finestre. Si suppone che l’incendio sviluppatosi in più piani, insieme all’instabilità delle colonne perimetrali in acciaio non protette a più livelli, innescò il crollo del solaio al di sopra del 17° piano [19, 20]: il crollo di questo primo solaio, incide sul solaio sottostante, e provoca il fallimento di questo a sua volta. Un tipo di collasso di questo tipo è chiamato generalmente collasso a pancake (Figura 4). La porzione dell'edificio che è crollata consisteva nelle porzioni esterne del solaio e delle pareti perimetrali tra il 21° e il 32° piano. Dopo l'incendio, l'edificio fu demolito. In entrambe le strutture l’outrigger ha giocato un ruolo centrale nello sviluppo del collasso. In generale, gli outrigger servono a ridurre il momento flettente nel nucleo che altrimenti si comporterebbe come una mensola, trasferendo parte del momento alle colonne esterne [21]. Nel WTC, con l’impatto, il sottosistema del nucleo si inclinò a sud-est e fu sostenuto dalle pareti perimetrali sud ed est tramite l’outrigger posto in testa all’edificio. Nella Windsor Tower, il collasso progressivo di tipo pancake (Figura 5) sembra essersi fermato in corrispondenza di uno dei due piani tecnici, che rappresentavano un irrigidimento localizzato del sistema [3, 19].

Figura 3 – Differenza tra un sistema senza outrigger e un sistema con outrigger nel caso di azioni orizzontali.

Figura 4 – Tipologia di collasso pancake.

Figura 5 – Collasso progressivo dei solai dell’Hotel Windsor a Madrid [19].

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