Il comportamento al fuoco di magazzini autoportanti con presenza e assenza di sistemi di protezione attiva

I magazzini automatici autoportanti: la loro leggerezza e la loro vulnerabilità all'azione del fuoco. Ecco perchè occorre prevedere sistemi di protezione antincendio attiva

I magazzini automatici autoportanti, utilizzati negli impianti industriali per ottimizzare gli spazi di stoccaggio, sono una sfida per l’ingegneria strutturale, alla quale si richiede di combinare l’efficienza strutturale della costruzione in metallo con i sistemi di movimentazione. La principale caratteristica costruttiva è quella di produrre profili metallici sottili e leggeri, che consentono una limitazione di peso, costi e tempi di assemblaggio, ma che li rendono vulnerabili all’azione del fuoco a causa della perdita di stabilità.

Pertanto, questi profili metallici sono anche difficili da proteggere con i tradizionali sistemi di protezione antincendio passivi a causa dei fattori sfavorevoli della sezione critica e delle temperature critiche di collasso. Normative nazionali e standard internazionali per la sicurezza antincendio richiedono generalmente una prestazione minima di resistenza al fuoco per gli elementi strutturali e una verifica delle procedure di collasso per prevenire danni alle strutture adiacenti.

È facoltativo per il cliente dotare questi magazzini di sistemi di protezione antincendio attivi (sprinkler, etc.), a seconda dell’attività svolta. La presenza di un sistema di protezione antincendio attivo all’interno del magazzino limita fortemente qualsiasi danno strutturale.

In questo articolo sono esaminati due casi di studio relativi all’analisi del comportamento al fuoco di magazzini automatici autoportanti con presenza e assenza di sistemi di protezione antincendio attivi. Dopo aver definito i possibili scenari di incendio, una serie di analisi fluidodinamiche sono condotte con i modelli CFD (con il software FDS) per valutare la dinamica dell’incendio e le temperature sugli elementi strutturali. Quindi la risposta al fuoco della struttura viene studiata attraverso analisi non lineari con modelli FEM (con il software Straus7^®) per la valutazione dei possibili meccanismi di collasso della struttura del magazzino. 

Le caratteristiche dei magazzini automatici autoportanti

A differenza dei tradizionali magazzini intensivi, in cui le merci sono stoccate in apposite scaffalature allocate all’interno di un edificio che funge da contenitore, realizzato con tipologie costruttive differenti (acciaio, c.a. gettato in opera o prefabbricato, etc.), nei magazzini autoportanti le scaffalature diventano esse stesse strutture portanti che sostengono copertura e tamponamenti laterali, e devono essere progettate per resistere alle azioni accidentali di vento e neve, ai carichi dinamici di movimentazione ed alle azioni sismiche.

L’eventuale cedimento di una scaffalatura o di una sua parte può portare al collasso dell’intera struttura con meccanismi di tipo fragile. Apposite normative nazionali ed internazionali, consentono di tener conto delle particolarità di tali strutture, sia in termini di distribuzione e natura dei carichi, sia adottando specifici accorgimenti quali l’impiego di connessioni semirigide. Altra particolarità è l’elevato grado di automazione che riduce o annulla completamente la presenza di addetti alla movimentazione, riducendo i rischi per il personale alle sole operazioni di manutenzione.

Il controllo digitale di ogni pallet stoccato riduce inoltre il rischio di sovraccarichi impropri nell’utilizzo delle scaffalature evitando il superamento dei carichi di progetto.

Usualmente i magazzini vengono realizzati utilizzando profili sottili in acciaio aperti sagomati a freddo, sostituiti da profili laminati a caldo, aperti o chiusi, ogniqualvolta l’entità dei carichi di progetto richieda resistenze più elevate. I profili sottili sagomati a freddo consentono di ottimizzare il peso delle strutture e l’utilizzo degli spazi, ma sono maggiormente soggetti ad instabilità locale o globale e più vulnerabili in caso di azioni eccezionali (sisma, urti e incendi). Il comportamento strutturale di ogni magazzino è strettamente correlato alla quantità, al peso ed alla disposizione delle merci stoccate nel magazzino e di conseguenza nelle verifiche strutturali agli stati limite dovranno essere analizzati diversi scenari di utilizzo.

Il rischio incendio nei magazzini autoportanti

L’utilizzo di elementi molto leggeri che non hanno risorse plastiche, con fattori di sezione molto elevati, rende le strutture vulnerabili all’azione termica. Tale fatto unito alla presenza di impianti automatizzati rende difficilmente proteggibili tali elementi con sistemi tradizionali di protezione passiva.

Per quel che riguarda il rischio incendio, nei magazzini autoportanti le scaffalature sono considerate come elementi portanti per i quali deve essere assicurata una prestazione di resistenza al fuoco da determinarsi in funzione delle strategie antincendio adottate.
Sono richieste in genere una resistenza al fuoco minima per le strutture, sufficiente alla fuoriuscita degli eventuali addetti presenti all’interno del magazzino, e una verifica delle modalità di collasso per evitare che si abbiano danni alle strutture adiacenti o che possa essere messa a rischio l’incolumità delle squadre di intervento.

La normativa italiana consente di adottare dei livelli pre stazionali di resistenza al fuoco. In particolare per tali tipologie di strutture, ove ne sussistano i requisiti, è possibile adottare un livello I di prestazione che prevede assenza di conseguenze esterne per collasso strutturale. Se non sussistono i requisiti per l’attribuzione del livello I di prestazione, è ammesso il livello II che richiede il mantenimento dei requisiti di resistenza al fuoco per un tempo sufficiente allo sfollamento degli occupanti in un luogo sicuro.

Per quel che riguarda la progettazione delle carpenterie sotto l’azione eccezionale dell’incendio, sia che si adotti il livello I o il livello II di strategia antincendio, è richiesto il controllo del meccanismo di collasso, favorendo l’implosione del magazzino all’interno e, quando ciò non fosse possibile, pilotando il collasso verso uno spazio aperto. Le condizioni più critiche sono quelle dovute ad incremento di temperatura solo su alcuni elementi strutturali (incendio localizzato), che possono essere soggetti ad elevate coazioni termiche. In particolare, sono da considerare gli scenari di coinvolgimento nella combustione di solo parte delle merci stoccate o attivazione parziale di solo alcune testine dell’impianto di spegnimento automatico.

I criteri progettuali per la resistenza al fuoco delle strutture

Per quanto riguarda le prestazioni di resistenza al fuoco, quasi sempre nei magazzini autoportanti è presente un impianto di spegnimento automatico che evita che l’incendio si manifesti in modo generalizzato. Pertanto non si considera il modello di incendio definito dalla curva standard: la condizione di carico dovuta al fuoco (azione eccezionale) è da determinarsi di volta in volta ipotizzando scenari diversi, da scegliersi in funzione della probabilità di accadimento e di conseguenze.

 

Fig. 1 - Vista in pianta del magazzino con posizione degli scenari di incendio e sezione trasversale.

Fig. 2 - Vista assonometrica e frontale del modello CFD di una porzione con evidenziate le bobine di carta racchiuse nelle scaffalature e l’impianto sprinkler.

Gli obiettivi di progetto sono la salvaguardia delle persone e il controllo delle modalità di collasso.

Dalla definizione degli scenari di incendio alle analisi strutturali a caldo: tutti i passaggi della progettazione

Primo passo è la definizione degli scenari da considerare, individuando quelli più critici per la struttura. Successivamente si procede a modellare l’incendio mediante modelli avanzati CFD o modelli semplificati di incendio locale per determinare le temperature da applicare alla struttura. Definita l’azione termica da applicare alla struttura, si procede con l’analisi strutturale non lineare a caldo, considerando modelli o sottomodelli del magazzino in funzione della complessità della struttura, per valutare gli effetti che questa genera sulla struttura (plasticizzazioni degli elementi, fenomeni di instabilità globale e locale degli elemen- ti, etc.). Infine si valuta, in funzione delle sollecitazioni limite raggiunte, se vi possono essere collassi locali della struttura e se tali cedimenti possono portare a un meccanismo di collasso di tipo implosivo o meno.

Il cedimento di elementi perimetrali è più pericoloso in quanto può generare asimmetria nella struttura. Sono determinanti la scelta del tipo di schema statico e la capacità di ridistribuzione delle sollecitazioni a seguito di un possibile collasso locale.

L’approccio progettuale tradizionale in condizioni ordinarie a freddo non prevede solitamente strutture aventi ridondanza strutturale. Occorre pertanto una verifica a caldo della struttura nel suo insieme, o di una sua sotto struttura per individuare gli elementi critici che possono portare al collasso verso l’esterno di una porzione o di tutta la struttura.

Analisi di due magazzini autoportanti

Di seguito sono riportati due differenti casi di magazzini autoportanti, analizzati secondo la procedura precedentemente sintetizzata, così caratterizzati:

Il primo (magazzino 1) è un magazzino automatico speciale, progettato per lo stoccaggio e la movimentazione di bobine di carta, di diametro 1,5 m e lunghezza 4 m, di peso elevato e non facilmente innescabile dal fuoco. Le colonne sono realizzate con profili chiusi laminati a caldo. Il magazzino si caratterizza per la presenza di un impianto di spegnimento automatico del tipo sprinkler che limita la potenza termica rilasciata dalla singola bobina. Si ipotizza l’innesco della singola bobina senza propagazione del fuoco alle bobine adiacenti.

Fig. 3 - Curve HRR definite per gli scenari di incendio

L’altro caso (magazzino 2) è un magazzino porta pallet, progettato per carichi standard (minori rispetto al magazzino 1), realizzato con profili sottili aperti sagomati a freddo. Si caratterizza per un notevole volume di materiale combustibile di basso peso specifico ma di rilascio termico elevato (stoccaggio mele in cassette in materiale plastico HDPE), Non è presente alcun impianto di spegnimento automatico.

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Si ringrazia il CTA collegio dei Tecnici dell'Acciaio per la gentile collaborazione.

Articolo presente nella rivista COSTRUZIONI METALLICHE nov/dic 2018