Progettazione Antincendio per Strutture Edilizie: (MAV)
La nascita del Codice si è rivelata un passo decisivo per la realizzazione di strutture edilizie con caratteristiche di resistenza al fuoco sviluppate attraverso alternative innovative, principalmente
utilizzando i metodi della FSE. La sua attuazione è resa ancor più pratica e realizzabile grazie al ritiro della cosiddetta “doppia verifica” delineata nel D.M. 09/03/2007. Inoltre, il Regolamento è stato recentemente rivisto con il D.M. 18/10/2019, apportando modifiche che affinano diversi aspetti tecnici. Nonostante ciò possa richiedere ulteriori sforzi da parte dei progettisti, permette di ottimizzare le performance strutturali in caso di incendi, dato che queste sono strettamente collegate al livello di performance attribuito alle strutture edilizie come illustrato di seguito:
a) Livello di prestazione I: non vi sono requisiti di resistenza al fuoco e fornisce una prova analitica del meccanismo di fallimento, che non influisce su altre strutture edilizie circostanti o al di fuori del perimetro del lotto di costruzione.
b) Livello di prestazione II: il tempo di resistenza al fuoco corrisponde alla capacità portante mantenuta per il valore più elevato tra 2 RSET e 15 minuti. Come per il livello I, il progetto fornisce una prova analitica del meccanismo di crollo che non influisce su altre strutture edilizie adiacenti o al di fuori del lotto di costruzione. Questo potrebbe essere applicato anche a fattori parziali di strutture edilizie.
I progettisti di sicurezza strutturale si trovano di fronte a numerose sfide, compreso il punto di vista del rischio di incendio.
Progettazione Antincendio per Strutture Edilizie: Un’Analisi Approfondita
L’importanza di comprendere la struttura e la progettazione non può essere enfatizzata abbastanza. La comprensione delle proprietà geometriche e meccaniche della struttura di un MAV è indispensabile per una modellazione accurata delle analisi di fluidodinamica e delle successive termiche e termo-meccaniche.
A tal riguardo, ci riferiamo alla metodologia racchiusa che elenca le fasi seguenti:
– Fase Iniziale: Collezionamento di dettagli riguardanti la geometria e le proprietà meccaniche della struttura, i suoi elementi, i materiali che la compongono e le connessioni.
– Fase Seconda: Identificazione dei massimi carichi termici che agiscono sulla struttura attraverso il
Pire Safety Engineering (FSE).
– Fase Terza: Esaminare ogni elemento strutturale esposto ai carichi termici identificati a seguito della fase seconda.
– Fase Quarta: Esegue analisi termo-meccaniche geometricamente non lineari, meccaniche, dinamiche e transitorie nel dominio del tempo, utilizzando i risultati dell’analisi termica come input per le fasi successive di calcolo.
Si presume che la fase iniziale sarà completamente attuata, nonostante non sia sempre presunta, in quanto preparatoria alle fasi successive. È importante sottolineare che senza una comprensione adeguata della struttura, qualsiasi successiva analisi o modellazione sarà intrinsecamente difettosa, invalidando senza dubbio l’intero processo. Nella modellazione CFD (Fase Seconda), la comprensione dell’architettura strutturale è indispensabile. È cruciale garantire che l’ambito di calcolo coincida con quello delle successive analisi termo-strutturali. Nonostante di solito non sia necessario modellare la struttura, salvo in quei casi dove alcuni elementi possono avere un notevole impatto sulla diffusione dell’incendio o l’esposizione al fuoco degli altri componenti. È essenziale considerare la posizione dei punti di accensione di ogni possibile scenario di incendio e il loro progressivo sviluppo, tenendo conto dell’interazione con la struttura portante. Questo serve per individuare quelli progettuali, che risultano essere i più onerosi in termini di carico termico, pur essendo ragionevolmente realistici.
Progettazione Antincendio dei MAV
La comprensione della forma di ogni componente strutturale, i relativi collegamenti e i materiali che lo costituiscono, è altrettanto importante nelle analisi termiche (seconda fase). Bisogna correlare gli effetti dell’incendio in termini di temperatura o flussi termici (risultato della prima fase) con ogni elemento strutturale, per applicare correttamente la loro esposizione in ogni scenario di incendio progettato e calcolare la temperatura interna. Questo è fondamentale per
valutare il deterioramento delle proprietà meccaniche e le deformazioni causate dall’incendio.
Infine, utilizzando i dati della seconda fase come input per la terza, si può calcolare il comportamento strutturale dei MAV in ogni scenario di incendio progetto tramite analisi termo-meccaniche da effettuare con strumenti di calcolo validati per condizioni d’incendio. È evidente che tali analisi sono intrinsecamente dipendenti da una completa e dettagliata conoscenza delle caratteristiche geometriche e meccaniche. Ignorare queste informazioni annullerebbe qualsiasi risultato, rendendolo al massimo solo idoneo per usi scenografici in cinematografia.
Il processo di progettazione e valutazione delle proprietà antincendio dei MAV deve essere eseguito con una collaborazione tra il designer antincendio e quello strutturale. Questo è cruciale quando i ruoli non sono ricoperti da uno stesso individuo. Il primo porta le sue competenze nel valutare i rischi di incendio richiesti per definire i tre aspetti chiave di ciascuno scenario: origine dell’incendio, attività e occupanti. Il designer strutturale imbottirà questi sforzi selezionando gli scenari più gravosi per l’infrastruttura.
La realizzazione corretta di questa fase è fondamentale per il design antincendio efficace dei MAV, dato che influisce considerevolmente sui risultati delle prossime fasi. Queste ultime, benché apparentemente richiedono meno discrezionalità e meno impegno concettuale e di progettazione, comportano l’intricata modellazione del sistema strutturale, o una sua sezione, se disponibili strumenti di calcolo specifici per la resistenza al fuoco.
Sfide e Soluzioni nella Valutazione della Resistenza al Fuoco delle Strutture Edilizie
Considerando le dimensioni estese e l’altezza significativa dei MAV, la modellazione degli incendi deve essere eseguita usando modelli di fuoco avanzati. Questo elimina in anticipo l’utilizzo dei modelli analitici semplici o quelli a zone, poiché sono troppo approssimativi per tali non adatti a queste configurazioni geometriche.
Sarà tipicamente necessario optare per modelli di fluidodinamica computazionale, come FDS, dove è
possibile calcolare gli effetti localizzati di un incendio sulle strutture, stabilendo criteri adeguati per la propagazione dell’incendio e le condizioni di contorno presenti.
È cruciale rappresentare correttamente la volumetria del MAV, includendo eventuali sistemi di evacuazione naturale di fumi e calore (SENFC), che influenzano le modalità di sviluppo dell’incendio. Durante la valutazione complessiva dei rischi da incendio è fondamentale considerare l’espansione del fuoco e lo sviluppo dello stesso. In particolare, si deve prestare attenzione alla struttura interna del deposito, spesso rivestita con pannelli sandwich che potrebbero non presentare resistenza al fuoco. Un aumento di temperatura a causa di un incendio potrebbe causare notevoli deformazioni a questi pannelli, provocando il loro stacco.
Il modello fluidodinamico preso in considerazione deve pertanto includere questi due aspetti, attraverso la comprensione dell’effetto causato dall’apertura degli SENFC, se presenti, collegata ad IRAI, con tempi di attivazione che variano a seconda della tecnologia utilizzata (prevenzione basata su rilevatori di fumo, termici, velocimetrici, ecc.) e la rimozione, per combustione, dei pannelli sandwich in poliuretano PIR/PUR fissati alle strutture di supporto, in relazione alle temperature che si sviluppano all’interno del deposito. Queste specificità, essendo dati input, devono essere chiaramente dichiarate nel rapporto di calcolo.
Pertanto, il modello fluidodinamico può prevedere che, al raggiungimento di una specifica temperatura (da definire in base alle caratteristiche del pannello), le superfici della struttura del deposito vengano rimosse per parti discrete, in proporzione alle dimensioni dei pannelli installati. Si dovranno considerare attentamente, in questo caso, la temperatura alla quale i pannelli vengono rimossi, la funzione di distacco dei pannelli e le dimensioni delle parti dei pannelli che possono essere rimosse progressivamente.
Codice di Resistenza al Fuoco e Progettazione Strutturale: Applicazioni nei MAV
In molte situazioni, tale aspetto determina che l’incendio sia prevalentemente controllato dal
combustibile e non dalla ventilazione. I materiali stoccati nei MAV devono essere analizzati rispetto alla loro varia composizione; di solito, ogni posizione avrà un pallet di legno su cui saranno collocate scatole di cartone piene del materiale da immagazzinare, che a volte potrebbe essere avvolto in un film di polipropilene.
La creazione della curva
L’attribuzione delle caratteristiche HRR dovrà seguire la procedura delineata nella sezione M.2.6 del Manuale, prevedendo un metodo di disseminazione, che si fonda sulla temperatura di accensione o sull’irradiazione. Quindi, per precauzione, si opterà per associare a ogni singolo pallet una temperatura di accensione, selezionata come la più bassa tra i materiali interessati.
La metodologia per stimare la curva HRR, descritta nel capitolo M.2.6, può essere applicata in base al contenuto energetico effettivo dei materiali presenti nel deposito MAV, esaminando i materiali con quantità massime, classificazione, valori calorifici, temperature di autoaccensione, posizionamento all’interno del MAV e così via.
Questa analisi permetterà di definire i parametri inerenti la velocità caratteristica di sviluppo dell’incendio e il rilascio di calore per unità di superficie dei pallet che si intende immagazzinare nel deposito; è possibile fare riferimento alle informazioni contenute nella tabella E.5 dell’Eurocodice 1 – EN 1991-1-2 riguardanti la velocità di sviluppo dell’incendio e la RHR(t) per vari usi, prevedendo per esempio un HRRmax di 500 kW/m2 per materiali con un andamento incendio veloce ed ultra-veloce.
Analisi Termo-Strutturale dei MAV
Ad ogni superficie dalle facce solide (pallet) che rappresentano i materiali combustibili immagazzinati nel MAV, può essere attribuita una curva di rilascio del calore in funzione del tempo HHR(t), che deve rappresentare le proprietà dei materiali; di conseguenza, i materiali combustibili dovranno essere definiti dai seguenti parametri: superficie di emissione; rilascio del calore totale.
- La specificità termica;
- Il carico specifico flameante;
- Le curve di incremento;
- Il periodo stazionario dell’incendio;
- La durata del periodo di decadimento.
Per poter semplificare la diffusione continua dell’incendio fra i bancale contigui, possiamo generare il ruolo di innesco per ogni lato del bancale, una volta raggiunta la temperatura autoignizione del materiale più sensibile, prendendo in considerazione i diversi tipi di prodotti che si troveranno all’interno dell’infrastruttura MAV.
Se si opta per non considerare le valutazioni riguardanti la descrizione numerica dell’incendio e se tecnicamente ciò è fattibile, i predefiniti per l’incendio descritti nei capitoli dei Metodi del Codice, utilizzando i valori dei parametri nella tabella M.2-2, possono essere usati. Tuttavia, l’uso dei predefiniti per l’incendio è precluso nei casi in cui, a seguito della valutazione del rischio, le specificità dell’incendio nello scenario reale analizzato si rivelano più onerose di quelle specificate nella tabella M.2-2.
Nuove Prospettive per la Sicurezza Antincendio
Per quanto riguarda le modalità di presentazione dei risultati dei modelli fluidodinamici, elemento chiave della fase 1 per l’infrastruttura MAV, è possibile recuperare sia le curve nominali nei punti focali dell’area di calcolo, vicino agli elementi strutturali, sia i flussi termici,
espressi in kW/m2, che impattano sulla superficie esterna di tali elementi.
Serve pure ricordare la capacità di interfacciare l’output di FDS con l’input del noto codice di calcolo specifico per le analisi strutturali in condizioni di incendio, SAFIR, attraverso la realizzazione di un transfer utile, che contiene il range di flussi termici prodotti da ogni scenario. La progettazione di un incendio, da adoperare come misuratore termico per analisi termiche della seconda fase, è possibile soltanto se i campi di calcolo FDS e della struttura in SAFIR siano corrispondenti.
La liberale fragilità al fuoco dei MAV rende queste analisi estremamente cruciali, necessitando massima competenza e precisione nell’applicazione. Queste si rivelano fondamentali per le fasi di elaborazione successiva e gli eventuali risultati ottenuti.
Un’alternativa al dispendioso e intensivo metodo di analisi con FDS è il modello LOCAFI, in grado di considerare la varianza dell’azione termica durante lo sviluppo degli elementi verticali. Questo modello è inserito nel SAFIR, accoppiato al modello HASEMI, presente nell’appendice C della EN 1991-1-2.
Ingegneria della Sicurezza Antincendio
Tuttavia, la pertinenza del modello LOCAFI deve sempre essere valutata con grande cautela e
competenza, per evitare di compromettere l’intero progetto. Questo modello non dovrebbe essere utilizzato senza prima aver condotto un’analisi dettagliata dei criteri di propagazione del fuoco.
La valutazione dell’assorbimento termico dei MAV è un processo fortemente dipendente dai risultati della fase 1, che richiede un’attenta precisione a causa della grande variabilità del flusso termico derivante dall’incendio localizzato. Questo compito richiede al progettista di considerare i seguenti punti:
a. Le proprietà termiche dei materiali che costituiscono ogni elemento strutturale
b. La superficie esterna di ogni elemento strutturale esposta all’incendio
c. L’assegnazione del flusso termico proveniente dalle analisi della fase 1 a ogni elemento strutturale
I compiti in merito al punto a) non presentano grandi difficoltà, purché siano noti i dati geometrici e materiali di ogni elemento. Le operazioni inerenti al punto b) richiedono un approccio sistematico per evitare errori, ma generalmente non sono complesse, allo scopo di determinare con una ragionevole approssimazione quale parte della superficie degli elementi strutturali è esposta all’incendio.
Approcci Innovativi per i MAV
Per quanto riguarda le operazioni di cui al punto c), la questione è leggermente più complessa e può presentare diverse sfide. Utilizzando il modello LOCAFI o il trasferimento di file FDS SAFIR, si riducono a zero potenziali errori nell’attribuzione del calore agli elementi del MAV, a patto che ci sia congruenza tra il dominio del calcolo del flusso e quello strutturale.
Tuttavia, se ci sono discrepanze, gli errori potrebbero riguardare tutti gli elementi, o essere frutto di imprecisioni generali e di modellazione. Ciò è dovuto al fatto che l’assegnazione del calore è automatizzata e gestita dal software di calcolo. Però, ciò si traduce in un notevole aumento del carico di elaborazione.
L’analisi del riscaldamento strutturale dei MAV presenta elementi di notevole complessità, soprattutto considerando che devono tener conto delle non linearità geometriche e meccaniche della struttura, così come la precisa riproduzione degli effetti del fuoco durante la sua progressione e quindi nel corso del tempo.
Pertanto, le indagini condotte si effettuano nel dominio del tempo e devono essere preferibilmente dinamiche per tener conto degli effetti dei movimenti della struttura in caso di guasto di alcuni componenti strutturali. Questi guasti possono causare il crollo della struttura o la ricerca di un nuovo stato di equilibrio, a seguito della ridistribuzione degli sforzi nella struttura.
Inoltre, queste analisi devono essere in grado di considerare le non linearità geometriche (grandi spostamenti causati dall’incendio) e meccaniche (legami costitutivi dei materiali dipendenti dalla temperatura, come indicato ad esempio negli Eurocodici strutturali).
Analisi Termo-Strutturale dei MAV
Quindi, una volta scelto il codice di calcolo da utilizzare, che può tenere conto di quanto detto e
specialmente validato per modellare le strutture in condizioni di incendio, rimangono vari altri elementi di complessità, riassumibili nei seguenti punti:
a) Complessità geometrica dello schema strutturale, tenendo conto della molteplicità degli elementi.
Con l’aumento della temperatura, la compressione diminuisce, a causa dell’ampia deviazione della trave e del deterioramento del materiale. A temperature molto alte, la corrente appare come se fosse “sospesa” alle due connessioni terminali, seguita da un’ulteriore tensione. Questo descrive l’effetto catena tipico che promuove e caratterizza il modo di crollo implosivo.
Un elemento chiave è l’attenta progettazione dei collegamenti strutturali. I collegamenti tra componenti strutturali svolgono un ruolo vitale nella determinazione della capacità di carico di una struttura, poiché dirigono il suo comportamento rispetto alle forze a cui è sottoposta. Questo vale per ogni tipo di forza, incluso l’evento eccezionale di un incendio.
I codici di calcolo usati nelle analisi termo-strutturali considerano le restrizioni interne ed esterne come costanti, quindi sempre operative: questo rende la progettazione accurata dei collegamenti vitale per realizzare modelli avanzati per la valutazione delle prestazioni di resistenza al fuoco delle strutture.
Durante un incendio naturale, si creano infatti, nelle connessioni, tensioni aggiuntive a causa delle espansioni libere ostacolate. Nella fase di progettazione del collegamento a temperatura ambiente, ci sono solitamente aspetti che si tendono ad ignorare. Prendendo come riferimento i MAV, vale la pena indicare l’esempio delle correnti ancorate ai pali, dove si nota l’effetto catenaria. Il collegamento dovrebbe rispondere ad uno sforzo di compressione fino ad una certa soglia, da quel momento si trasforma in sforzo di tensione, a causa della perdita di rigidità del flusso dovuta al superamento di un limite di riscaldamento.
Di conseguenza, gli elementi del collegamento devono avere la capacità di sopportare questi stress addizionali senza cedere prima dei pezzi a cui sono connessi; fondamentalmente, la regola è quella di avere un collegamento sovradimensionato e flessibile, come nel caso di calcolo per carichi di eventi sismici.
Integrazione di Innovazione e Regolamenti Aggiornati
Al fine di analizzare il meccanismo di distruzione di una struttura sottoposta a un incendio naturale,
fondato su una storia di spostamenti, pressioni, rigidezze, uno dei fattori che si verifica è la presenza di una gerarchia di resistenze tra gli elementi orizzontali (travi-flussi) e verticali (colonne-pilastri). È desiderabile infatti che, in seguito alla degradazione delle prestazioni degli elementi orizzontali (a causa della formazione di snodi plastici o del raggiungimento dell’instabilità), questi ultimi tendono a crollare verso il basso “trascinando con sé” gli elementi verticali. Questo punto è valido solo se il collegamento tra i due pezzi non subisce alcun guasto.
La verifica attraverso il calcolo del meccanismo di crollo, richiesta per raggiungere il livello di rendimento I e II del lavoro in costruzione (o delle loro parti, solo nel caso del livello II) come alternativa, è un aspetto non completamente esplorato, a meno che non venga analizzato più o meno in dettaglio il comportamento dei collegamenti della struttura in esame. Spesso si ipotizza che la temperatura che agisce sul collegamento sia la stessa di quella che agisce sull’elemento.
Tuttavia, in alcuni casi, questa generalizzazione può essere eccessivamente prudente, rendendo necessaria l’adozione di misure supplementari, incorporando un modello termico del collegamento per rilevare esattamente le relative temperature.
Ad esempio, si evidenzia l’evoluzione dello sforzo assiale di una corrente e l’oscillazione della forza di taglio del bullone di collegamento. Se si considera la temperatura del bullone approssimativamente uguale a quella della struttura su cui è collegato, si osserva che il collasso del sistema avverrà dopo il fallimento del collegamento.
Progettazione e Simulazione del Comportamento Strutturale dei MAV in Caso di Incendio
Per ottenere una rappresentazione più sofisticata del collegamento, è importante includere tutti gli elementi che compongono il collegamento tra la corrente e il montante e la loro effettiva esposizione al fuoco. Alla fine, è cruciale regolare la temperatura del bullone, che sarà
considerevolmente diversa da quella media della corrente, e, soprattutto, prenderne in considerazione la variabilità in base all’esposizione al fuoco.
Come si può dedurre dall’ispezione del campo termico del collegamento al tempo t=245 s, l’area in cui si trova il collegamento ha una temperatura notevolmente più bassa rispetto alla parte del segmento esposta alle fiamme, rendendo più agevole la verifica del collegamento. È importante sottolineare che l’esame viene effettuato senza alcuna compromissione della sicurezza, migliorando esclusivamente la rappresentazione termica della connessione. Questo ci permette di valutare con una precisione superiore l’effetto della temperatura.
Il modello indicato, però, non considera il fatto che il flusso elettrico sarà interrotto solo per un brevissimo tratto, specificamente laddove avviene la connessione. Il tratto rimanente sarà libero e pertanto il bullone potrà essere esposto a un riscaldamento maggiore per una porzione del suo gambo. Per risolvere questa inesattezza, nel corso delle verifiche presentate, viene utilizzato come riferimento il nodo posto sulla testa del bullone. Quest’ultimo sarà avvolto direttamente dal massimo flusso termico. Come si può osservare, il controllo risulta pienamente rispettato.
L’aspetto etico nella progettazione della resistenza al fuoco dei Materiali Adatti ai Veicoli (MAV)
Per quale motivo dovremmo discutere di etica nel contesto della resistenza al fuoco in questa specifica costruzione? La spiegazione risiede nella complessità dei modelli computazionali sia fluidodinamici, termici che strutturali, utilizzando una varietà di combustibili, di condizioni di incendio di progetto, sezioni e materiali di costruzione diversi. Una
rappresentazione corretta implica per il progettista l’assunzione di un comportamento retto, etico e franco, il quale si manifesta nel rilascio di una relazione tecnica da fornire all’ente competente responsabile del territorio. Questa relazione deve includere tutti i dati iniziali, tutte le approssimazioni utilizzate dal progettista nello sviluppo del progetto e della modellazione, nonché una sintesi chiara e completa dei risultati ottenuti. Le analisi di sensibilità alla modifica dei dati iniziali devono essere eseguite e presentate nel progetto da rilasciare, secondo le indicazioni riportate nell’articolo M.1.9 delle norme di riferimento.
È essenziale sviluppare un modello FEM che tenga conto dei fattori importanti. Non c’è dubbio che sia meno costoso dal punto di vista computazionale assumere che tutte le sezioni che compongono la struttura siano in classe di duttilità 4 a caldo. Tuttavia, questo approccio non permette una rappresentazione precisa della resistenza al fuoco o del tipo di crollo della struttura in questione. Infatti, tratterebbe tutti gli elementi come se fossero di classe di duttilità 1, ovvero capaci di raggiungere un pieno sviluppo di duttilità nella formazione di cerniere plastiche. Tale comportamento non corrisponde alla realtà, a causa delle minori proprietà di duttilità degli elementi con sezioni in classe 2, 3 e 4 a caldo.
Alcuni metodi di stoccaggio possono produrre temperature dei gas caldi piuttosto basse. Tuttavia, ciò non può giustificare l’azione del progettista di limitarsi alle sole analisi fluidodinamiche, sostenendo che, non raggiungendo temperature “critiche” per l’acciaio, non ci sia il rischio di crollo strutturale. Il riferimento chiarisce che un giudizio sul crollo implosivo non deve essere basato solo su una stima delle temperature nell’ambiente in cui la struttura è collocata. Deve piuttosto essere seguito da un’analisi termo-strutturale, che dimostri analiticamente come la struttura in esame reagisce al calore a cui è sottoposta.
È inevitabile accettare che non tutti i problemi possono essere risolti con Pire Safety Engineering, visto che non tutti gli scenari possono essere fedelmente riprodotti con un modello che simula il comportamento nel caso di incendio.
Resistenza al Fuoco nelle Strutture Edilizie
Un professionista dell’antincendio deve mantenere il controllo del modello, e deve imparare a esaminare in modo critico tutti i risultati, attraverso verifiche incrociate e analisi di sensibilità e convergenza. Senza essere troppo affascinato dai risultati iniziali delle analisi
o dai comportamenti che “fanno comodo”, per non compromettere la propria integrità e correttezza professionale e rischiare conseguenti sanzioni disciplinari e penali.
Il procedimento di creazione di una struttura antincendio per un MAV in acciaio sottolinea, in ogni sua fase, l’importanza di concentrarsi sugli aspetti tecnici più delicati. L’approfondita comprensione della struttura, sia dal punto di vista geometrico che meccanico, permette di identificare le sfide termiche più severe per la struttura stessa, considerando diversi scenari di incendio. Siamo allora in grado di usare queste informazioni come dati di input per le molteplici analisi termiche su ogni singolo elemento della struttura. Queste analisi possono variare per complessità e potenziali errori e possono essere più o meno impegnative.
Successivamente, sono state discusse le principali difficoltà legate agli intricati esami termo-strutturali, indispensabili per determinare come la struttura si comporta nel lungo periodo, in termini di capacità di supporto e modalità di crollo. Tuttavia, tale processo diventa irrilevante se non si pianifica adeguatamente l’interazione tra gli elementi in caso di incendio, per garantire un modello di calcolo veritiero e risultati affidabili. Questo implica anche considerare eventuali ulteriori analisi termiche sugli stessi collegamenti.
E’ importante affrontare la progettazione con una solida etica professionale, per evitare di invalidare l’intera progettazione e affrontare possibili ripercussioni disciplinari e legali. In questo contesto, è essenziale dare atto alle responsabilità professionali e all’etica richiesta ogni volta che ci si affida al concetto di disponibilità superiore, che può avere un grosso impatto sulla progettazione strutturale antincendio.
Modellazione e Normative Antincendio
L’efficienza dei sistemi o dispositivi di estinzione può essere considerata solo quando l’intero impianto è stato progettato per avere un’alta disponibilità. Questa particolare caratteristica deve essere provata attraverso un’analisi del rischio ben aggiunta e comporta significative
responsabilità sia in fase di progettazione.
Per far progredire il progetto in questione verso una sicurezza antincendio adatta, è necessario applicare sia tecniche sia principi etici. È indispensabile acquisire una comprensione delle questioni in gioco messe in risalto dai MAV, al fine di migliorare notevolmente in un campo così impegnativo. Questo permetterà di ridurre o eliminare totalmente progetti non adatti o incompleti che danneggiano l’immagine dell’intera professione.
Quando si tratta di telai in legno, indicano che il rivestimento offre la prima linea di protezione per il legno. Durante il processo di incendio, il periodo in cui la struttura in legno si carbonizza mentre il rivestimento rimane intatto è identificato come “fase di protezione” della carbonizzazione, conosciuta anche come Fase 2. Una volta che il rivestimento cade, l’isolamento può entrare in gioco come protezione secondaria per la struttura di legno.
La fase dopo la caduta del rivestimento è riconosciuta come “fase post-protezione” della carbonizzazione, come Fase 3. La carbonizzazione della struttura portante in legno è profondamente influenzata dalla qualità dell’isolamento, specialmente se le cavità dei sistemi a telaio sono completamente riempite di materiale isolante.
Resistenza al Fuoco nei Progetti Edilizi
Per determinare la resistenza strutturale del legno in caso di incendio, è essenziale non solo considerare la riduzione della sezione di legno dovuta alla carbonizzazione, ma anche analizzare la potenziale diminuzione delle proprietà meccaniche del legno non carbonizzato. L’attuale Eurocodice 5, parte 1-2, presenta due diverse strategie di progettazione per tenere conto della minore resistenza strutturale del legno non carbonizzato: il metodo delle proprietà ridotte (RPM) e il metodo della sezione effettiva (ECSM). Il RPM attua una diminuzione della resistenza e del
modulo elastico attraverso l’uso di coefficienti modificativi, mentre l’ECSM tiene conto della riduzione delle proprietà meccaniche.
Siamo abituati a pensare che la sezione non carbonizzata viene ridotta da uno strato immaginario chiamato “strato a resistenza zero” o “zero-strength layer”. Questa porzione, da cui viene sottratta l’area carbonizzata e lo strato a resistenza zero, viene denominata come sezione effettiva trasversale. Qui dentro, il comportamento del materiale non varierà rispetto alla temperatura ambiente.
Nell’attuale panorama, troviamo due modelli per la progettazione antincendio di Telai a Fase Attiva (TFA) i quali prevedono l’utilizzo di un isolante. L’eurocodice 5 Parte 1-2 chiarisce come utilizzare la lana di roccia per la protezione antincendio durante e dopo gli eventi di incendio. Ma la lana di vetro garantisce protezione solo durante la fase di incendio. Questo modello, però, può essere applicato solo per 60 minuti di resistenza al fuoco.
Le linee guida europee Pire Safety in Timber Buildings (FSITB) presentano un modello alternativo. Qui, l’isolante in lana di vetro continua a fornire un apporto anche nella fase successiva all’incendio, o fase di post-protezione. È importante ricordare, però, che altri materiali isolanti che si possono trovare sul mercato non sono inclusi nei modelli menzionati.
Modellazione e Normative Antincendio
L’effetto isolante dato dai materiali in lana di roccia si dimostra efficiente durante gli stadi di protezione e post-protezione, considerando invece l’isolamento in lana di vetro, la sua efficacia si limita allo stadio di protezione unicamente. Il design innovativo implica l’adozione di un sistema di valutazione per l’isolamento antincendio offerto da un prodotto specifico, insieme a un modello di progetto rafforzato. L’approccio modificato introduce la nozione di gradi di protezione (PL) applicati ai materiali isolanti. Il grado di protezione di un materiale isolante riflette la sua abilità di custodire la struttura in legno dalla carbonizzazione. Il grado di protezione viene calcolato attraverso un esperimento di laboratorio. Il modello progettato incluso nel nuovo metodo considera vari esempi di carbonizzazione a seconda del grado di protezione degli isolanti.
Per quanto riguarda l’isolamento di spazi vuoti, il metodo di qualificazione include una valutazione antincendio applicata agli isolamenti, che può essere misurata mediante un test sperimentale. Per differenze la protezione antincendio offerta dai vari materiali isolanti, si prende in considerazione la posizione dell’isoterma a 300° C (indicate come d300s) in corrispondenza dell’interfaccia tra legno e materiale isolante. A seconda della posizione di d300s dopo un test antincendio di 60 minuti, è possibile assegnare un grado di protezione (PL) al materiale isolante.
Un modo di identificare la diversa protezione fornita da diversi materiali isolanti (cioè il PL di un materiale isolante) implica se la posizione dell’isoterma d300s sia superiore o inferiore a 100 mm. Un materiale isolante può avere fino a tre diversi gradi di protezione, con PL3 che indica il più basso e PL1 il più alto. I gradi di protezione hanno potuto essere valutati negli isolanti più comuni: per esempio, i prodotti in lana di roccia (SW) e la lana minerale estrusa ad alta temperatura (HTF) sono qualificati come PL1, mentre la lana di vetro (GW). La fibra di cellulosa (CF) e i materiali a base di poliuretano (PUR) sono classificati come PL2, mentre il polistirene espanso (EPS) viene classificato come PL3. La procedura di test per determinare il grado di protezione è delineata di seguito. Questo processo può essere applicato anche per attribuire un grado di protezione a qualsiasi materiale di isolamento innovativo che potrebbe essere lanciato sul mercato.
Analisi, Progettazione e Regolamentazione
Sotto le categorie PL 1 e PL 2, le diverse qualità protettive dei materiali isolanti possono essere differenziate dal tasso al quale d300s si sposta, un parametro noto anche come velocità di recessione.
La valutazione di d300 avviene su un campione di cornice sperimentato in orientamento orizzontale utilizzando un forno da un metro cubo. Il campione, che ha dimensioni esterne di 800 x 1000 mm, è costituito da una cornice di legno con una trave di legno posta al centro della cornice, parallela al lato più lungo di 1000 mm.
La trave in legno, con una sezione trasversale di dimensioni 45 x 145 mm, è inclusa nel campione e forma due cavità di dimensioni 333 x 910 mm che devono essere riempite con il materiale isolante in esame. Se il materiale isolante permette, i battuiti devono essere maggiori di 5 mm in entrambe le direzioni, risultando in dimensioni finali di 338 x 915 mm.
La superficie del campione che viene esposta al fuoco dovrebbe essere coperto con cartongesso (Tipo F) in conformità con EN 520 con uno spessore di 15 mm. La superficie del campione che non è esposta al fuoco può essere coperta con compensato. Per impedirne il collasso, il cartongesso deve essere tenuto in posizione da un unico sistema di fissaggio metallico. Questo comprende una barra metallica che attraversa lo spessore del campione, una rondella metallica e una clip posizionate entrambi i lati, esposto e non esposto al fuoco. Ogni campione dovrebbe avere quattro di questi sistemi di fissaggio inseriti. La caduta del cartongesso viene rigorosamente controllata. La fissazione viene stabilita 45 minuti dopo l’inizio del test. Per impedire che l’isolante cada dopo la caduta del cartongesso, è suggerito l’uso di un metodo di fissaggio per l’isolante. Per esempio, si può aderire l’isolante in pannelli al truciolato.
Nuovi Standard nella Progettazione Antincendio
Si valuta la posizione del punto di isolamento a 300°C (d300s) sulla combinazione di legno e isolante, tramite il tracciamento dell’andamento termico. Questo controllo termico è ottenuto mediante l’uso di termocoppie di tipo K inserite al centro del taglio trasversale del legno e all’interfaccia legno-isolante. Tale posizione di d300s deve essere calcolata a metà di ciascun lato (sinistro e destro) della sezione trasversale.
Il luogo di d300s dovrebbe essere considerato come la media dei due rilievi. Il campione è sottoposto a un test standard di resistenza al fuoco di 60 minuti secondo lo standard EN 1363-1.
Il grado di protezione (PL) si divide così:
· PL 1: isolante che permette meno di 100 mm di carbonizzazione lungo i lati durante la post-protezione (d300s< 100 mm) fra 60 minuti di test al fuoco.
· PL 2: isolante che concede 100 mm di profondità di carbonizzazione sui lati durante la fase post-protezione (t> 45 min) e prima di 60 min di esame al fuoco.
· PL 3: isolante che permette 100 mm di carbonizzazione lungo i lati durante la protezione (t< 45 min).
Se l’isolante riesce a riparare il legno dal fuoco, la carbonizzazione generalmente si verifica sul lato del legno esposto al fuoco, con i lati coperti dall’isolante stesso. Quando il materiale isolante non protegge efficacemente il legno dal fuoco, è possibile osservare la carbonizzazione anche sui lati.
L’inizio della carbonizzazione
Durante la fase di salvaguardia e post salvaguardia, potrebbero esserci variazioni sui lati in funzione del genere dell’isolante impiegato. La presunzione al centro di un progetto di riqualificazione prevede che gli isolanti restino al loro posto a seguito del decadimento del rivestimento. Ci sono attualmente studi in corso per assicurare la validità di questa presunzione.
Il progetto di riqualificazione tiene conto di tre diverse eventualità di carbonizzazione per un TFA con vuoti pienamente riempiti da un isolante, a seconda della reazione del materiale isolante alle condizioni di incendio. Qualora il materiale isolante possa riguardare l’elemento di legno dal fuoco, la carbonizzazione avverrà principalmente sul lato confrontato al fuoco dell’elemento, mentre i lati sono al sicuro grazie all’isolante stesso. Quindi la carbonizzazione può avvenire anche dai lati.
Profondità della carbonizzazione
Sono plausibili questi scenari:
1. Se i vuoti sono totalmente riempiti con un materiale isolante identificato come PL1, la carbonizzazione avverrà principalmente sul lato confrontato al fuoco dell’elemento ligneo (profondità della carbonizzazione nominale indicata come n), con i lati al sicuro grazie all’isolante.
2. Se i vuoti sono totalmente riempiti con un materiale isolante identificato come PL2, la carbonizzazione è prevista sul lato confrontato al fuoco durante la fase di salvaguardia e da tre lati del taglio trasversale del legno durante la fase di post salvaguardia a causa del decadimento (recessione) dell’isolante (profondità della carbonizzazione nominale dai lati).
3. Se i vuoti sono totalmente riempiti con l’isolamento del vuoto identificato come PL3, la carbonizzazione è prevista da tre lati del taglio trasversale già durante la fase di salvaguardia.
La profondità
La misurazione della profondità di combustione su un lato esposto al fuoco è calcolata moltiplicando la velocità di combustione nominale per il tempo. La suddetta velocità di combustione nominale è la velocità di base, che viene successivamente modificata attraverso l’applicazione dei coefficienti seguenti:
1. Coefficiente di sezione (ksn) – Serve per prendere in conto l’effetto delle dimensioni in altezza e larghezza della sezione di legno sulla velocità di combustione.
2. Coefficienti di protezione k2 e k3 – Questi rappresentano le variazioni nella velocità di combustione durante le diverse fasi di protezione.
Al fine di calcolare la profondità nominale di combustione sui lati (indicata come dk) è fondamentale prendere in considerazione queste variabili:
1. Si assume che l’inizio della combustione sui lati (tch2) avviene una volta che l’ingranaggio di protezione è rimosso.
2. Il coefficiente di protezione k3 2 – Questa viene utilizzata per quantificare l’effetto del recesso del materiale isolante sulla protezione antincendio dei lati.
La sezione ritagliata dalla carbonizzazione nominale e la profondità dello strato a resistenza nulla è definita come sezione trasversale efficace. Questa sezione efficace aiuta a determinare la capacità di sopportare il peso della struttura in condizione di incendio, utilizzando valori di resistenza e modulo di elasticità simili a quelli previsti per la temperatura ambiente.
Per assicurare l’affidabilità del modello di progettazione avanzato, è fondamentale adottare precauzioni per evitare il distacco dei materiali isolanti dopo il crollo del rivestimento. L’intenzione del modello di progettazione avanzato è di ottenere risultati rapidi, eliminando la necessità di sperimentazioni. Tuttavia, le verifiche attraverso test di resistenza al fuoco a grandezza naturale hanno dimostrato che il modello è di natura conservativa rispetto ai test effettivi.
Il modello avanzato di progettazione presuppone che il materiale isolante resti all’interno della cavità quando il rivestimento cade. Per assicurare l’affidabilità di questo modello avanzato, misure preventive contro il distacco dei materiali isolanti dopo il crollo del rivestimento devono essere messe in atto. Le strategie per impedire il distacco dei materiali isolanti durante la fase di post-protezione sono attualmente sotto revisione.
