Soluzione alternativa di resistenza al fuoco per una struttura con elementi in acciaio di classe 4

L’articolo propone l’illustrazione dei principali aspetti relativi ad una valutazione di resistenza al fuoco di una porzione di un fabbricato costituito da due compartimenti: uno adibito a locale produzione e l’altro adibito a magazzino carico e scarico.

In particolare si focalizza l’attenzione sulla parte adibita a magazzino, per la quale è necessario ricorrere ad una soluzione alternativa, ai sensi del Codice di P.I., utilizzando i metodi della Fire Safety engineering con analisi fluidodinamiche e termo-strutturali.  Attraverso la prima metodologia si è calcolato l’effettivo cimento termico degli scenari di incendio più gravosi, mentre attraverso analisi termo-strutturali, sviluppate con un codice di calcolo in grado di tener conto delle effettive non linearità geometriche e di materiale che un’analisi con azione incendio si porta dietro, si è potuto verificare il raggiungimento del livello di prestazione II di resistenza al fuoco per la porzione di opera da costruzione occupata dal magazzino.

Analisi della resistenza al fuoco di una struttura con elementi in acciaio

Il caso in questione riguarda un fabbricato realizzato in calcestruzzo armato al quale è stato affiancato un magazzino con copertura metallica. La struttura del compartimento adibito a magazzino, sul quale è concentrata l’attenzione, è costituita da pilastri in cemento armato sui quali poggiano travi reticolari in acciaio a sostegno del tetto realizzato con arcarecci e pannelli di lamiera grecata.

Figura 1. Pianta fabbricato.

Focalizzando l’attenzione sulla resistenza al fuoco da attribuire agli elementi strutturali, si segue quanto prescritto nel Codice di P.I., recentemente aggiornato dal D.M. 18/10/2019.

La scelta progettuale è stata quella di voler attribuire al locale produzione il livello di prestazione II, che nella soluzione conforme richiede una classe di resistenza minima al fuoco almeno pari a 30 minuti (R 30); mentre per il magazzino di carico e scarico, avente copertura in acciaio, si decide di ricorrere ad una soluzione alternativa per dimostrare il raggiungimento del livello di prestazione II di resistenza al fuoco, dal momento che la struttura “nuda” non garantisce R30.

Nel caso di soluzione conforme, infatti, è necessario avere ben chiaro che il cimento termico è rappresentato da una curva nominale (nel caso specifico la ISO 834 è appropriata), rispetto a cui non è possibile conseguire alcuna classe minima di resistenza al fuoco. Inoltre, da una prima valutazione, si osserva che le sezioni in acciaio componenti la copertura metallica del compartimento magazzino sono tutte classificate in classe 4, pertanto le stesse, quando sollecitate a compressione, a causa dell’eccessiva snellezza dei singoli componenti della sezione, non saranno in grado nemmeno di sviluppare la resistenza al limite elastico. 

Il paragrafo 4.2.3.6 dell’Eurocodice 3 parte 1.2, in linea con quanto predetto, spiega come valutare la resistenza al fuoco nel caso specifico di sezioni in classe 4, ed in particolare assume che la verifica di resistenza risulta soddisfatta se E_fi,d ≤ R_fi,d,t risulta valida e che in ogni caso la temperatura dell’acciaio, quindi dell’elemento strutturale, non deve essere superiore ad una prestabilita temperatura critica; il valore adottato dall’appendice nazionale (D.M. 31/07/2012) è pari a 350°C.  Nel caso in questione, pertanto, senza scomodare il più rigoroso metodo della sezione ridotta, che comunque non porterebbe a conclusioni significativamente diverse, il tempo di resistenza al fuoco è di circa 4 minuti, come riportato in Figura 2.

Figura 2. Temperatura limite secondo Eurocodice.

Da questo si evince che, nel caso di adozione della soluzione conforme prevista per il livello di prestazione II, l’intera copertura del magazzino debba essere protetta per poter raggiungere la prestazione di resistenza al fuoco R 30. Ciò porrebbe sia problematiche economiche, per il costo del prodotto, sia tecniche, per la sua corretta individuazione e posa in opera, sia manutentive, al fine di garantire la costanza della prestazione nel tempo.  Onde evitare tali problematiche, si è deciso pertanto di adottare per il compartimento magazzino una soluzione alternativa per provare a dimostrare il raggiungimento del livello di prestazione II, che tenga conto di una curva di riscaldamento più realistica rispetto alla ISO 834 ed auspicabilmente, come in realtà accadrà, meno severa. 

Tale soluzione, rispettando i criteri di attribuzione generalmente accettati per l’attribuzione del livello di prestazione II, deve prevedere:

• compartimentazione rispetto alle altre costruzioni eventualmente adiacenti;
• assenza di danneggiamento al resto dell’opera da costruzione o all’esterno del confine dell’area su cui sorge l’attività per effetto del collasso strutturale;
• mantenimento della capacità portante in condizioni di incendio per un periodo tale da garantire un margine di sicurezza t_marg ≥ 100%∙RSET e comunque ≥15 minuti;
  pertanto il tempo di collasso è:
  

Essendo RSET pari a 4 minuti, il tempo di resistenza al fuoco minimo da garantire è pertanto di 15 minuti.

Si evidenzia che l’arresto dell’analisi strutturale, come si vedrà in seguito, non potrà avvenire in fase di raffreddamento (vedasi tabella M.2-1 del Codice di P.I.), dal momento che il collasso della struttura avverrà già nella prima fase di riscaldamento.

Nei successivi paragrafi verranno descritte le analisi svolte per verificare questi aspetti.

Identificazione e scelta degli scenari di intervento di incendio

Il materiale combustibile presente all’interno dell’area di carico e scarico è costituito da bigbag di granuli di polipropilene, raggruppati in isole spaziate tra di loro per consentire la loro movimentazione, garantire spazi fruibili per l’esodo e per limitare la propagazione dell’incendio di un gruppo ad uno adiacente. L’applicazione di una soluzione alternativa richiede la definizione di specifiche curve naturali da applicare al modello strutturale ad elementi finiti, associate a scenari d’incendio di progetto credibili e più gravosi in termini di cimento termico per le strutture portanti.

Si considerano due scenari:

1- con innesco in prossimità del pilastro in c.a., quindi laterale;

Figura 3. Scenario di incendio 1.

2- con innesco in prossimità della mezzeria della campata della travatura metallica.

Figura 4. Scenario di incendio 2.

Analisi fluidodinamiche

Si costruisce un modello di fluidodinamica con il codice FDS ^[2] e si valutano gli output in termini di temperature massime raggiunte. 

Il modello in FDS [2] ha una mesh di 20 cm ed un volume di 28224 m³ e quindi 141120 celle di calcolo. Sulla base dei dati disponibili in letteratura, si definisce pertanto la curva HRR di un big bag, vedi Figura 5, di peso 1 tonnellata composto da circa 600 kg di granuli di polipropilene e il restante da carbonato di calcio e con un volume di circa 1x1x2 m. 

La curva è stata calcolata secondo quanto riportato nel capitolo M.2 del codice di P.I., utilizzando un tα pari a 150 sec e valore di picco di RHRmax di circa 1,9 MW. 

Figura 5. Curva HRR attribuita a ciascun bigbag

La temperatura di accensione di ciascun bigbag è stata impostata a 340 °C. Sulla copertura sono stati inseriti degli elementi (in verde) simulanti i lucernari in policarbonato, i quali raggiunti il valore di temperatura di 150°C, vengono automaticamente rimossi. Ai vetri delle finestre che danno verso l’esterno dell’attività è stato dato invece un device che li rimuove, simulando la rottura, a temperature raggiunte di 100°C. 

Anche tali parametri per la simulazione della propagazione dell’incendio sono stati presi da specifici riferimenti bibliografici. In ogni caso una porzione delle aperture è di tipo SEa, come previsto al pt. S.8.5.1 del Codice di P.I., in considerazione dell’elevato quantitativo di materiale combustibile. 

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