1 Sicurezza strutturale in caso di incendio e metodi di calcolo

1 Sicurezza strutturale in caso di incendio e metodi di calcolo

1.1 Definizione della sicurezza strutturale in caso di incendio

Nell’ambito dell’ingegneria civile, la sicurezza in caso di incendio di una costruzione è stata oggetto di una chiara definizione con la Direttiva del 21 Dicembre 1988 del Consiglio della Comunità Economica Europea (Construction Product Directive 89/106/CEE, 1988).

In questo Capitolo, nel trattare i criteri generali per la sicurezza strutturale in caso di in- cendio di una costruzione, viene fatto esplicito riferimento a questa definizione. In partico- lare tutti i criteri di valutazione esposti in questo volume, tratti dalle norme vigenti, sono presentati con esplicito riferimento ad essa.

La Direttiva 89/106/CEE ha stabilito i requisiti essenziali, relativi alla sicurezza, che devono soddisfare le opere da costruzione. Questi, che hanno costituito la base per l’elabo- razione di norme armonizzate a livello europeo per le opere ed i prodotti da costruzione, sono:

– resistenza meccanica e stabilità;

– sicurezza in caso di incendio;

– igiene, salute e ambiente;

– sicurezza dell’uso;

– protezione contro il rumore;

– energia, economia e rilascio di calore.

Sempre nell’ambito della stessa Direttiva, i requisiti essenziali sono stati definiti in termini di obiettivi. Questi, per la sicurezza in caso di incendio, sono stabiliti attraverso la seguente definizione (vedi figura 1.1): “le costruzioni devono essere progettate e costruite in modo tale che, nel caso di sviluppo di un incendio:

– 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”.

Al fine di dare forma concreta, a livello tecnico, ad ognuno dei suddetti requisiti essen- ziali delle opere da costruzione, sono stati emanati appositi documenti, detti documenti in- terpretativi. Questi sono stati definiti con il principale obiettivo di stabilire il necessario collegamento tra i requisiti essenziali definiti dalla Direttiva e le norme armonizzate a li- vello europeo in materia di opere e prodotti da costruzione.

Il Documento Interpretativo n. 2 (Interpretative Document No. 2: Safety in case of fire, 1993) è dedicato alla trattazione del requisito essenziale “sicurezza in caso di incendio”. Di

seguito sono richiamati principalmente quegli aspetti contenuti nel documento che hanno influenza sui criteri di valutazione della capacità portante di una costruzione in condizioni di incendio, ossia sulla sua sicurezza strutturale in caso di incendio.

Vista l’articolazione degli obiettivi che definiscono la sicurezza in caso di incendio, quando essa viene adottata nel caso specifico di un edificio, diventa in generale necessario intervenire su molteplici aspetti della progettazione, quali il layout dell’edificio, la presta- zione delle strutture portanti, dei singoli prodotti da costruzione utilizzati e degli impianti adottati, che devono essere valutati nelle condizioni di incendio. Ciò presuppone di indivi- duare una strategia di sicurezza in caso di incendio che, in forma generale, nel Documento Interpretativo è tracciata attraverso i seguenti passi:

– ridurre al minimo la probabilità di un evento di incendio (prevenzione incendi);

– valutare la sicurezza degli occupanti e stabilire se essa debba essere migliorata me- diante l’adozione di sistemi di rilevazione, di allarme e di controllo dell’incendio (sistema di protezione attiva);

– individuare un sufficiente livello di compartimentazione al fine di impedire la cre- scita eccessiva dell’incendio all’interno dell’edificio;

– prevenire la propagazione dell’incendio tra edifici contigui;

– individuare le condizioni affinché sia possibile l’intervento delle squadre di soccorso.

È chiaro come un’adeguata prestazione di stabilità delle strutture portanti principali nelle condizioni di incendio, ossia un determinato livello di sicurezza strutturale in caso di incendio, costituisca un prerequisito necessario per diversi punti di questa strategia.

Al fine di condurre in maniera efficace la suddetta strategia, il Documento Interpretati- vo n. 2 introduce in maniera esplicita l’approccio ingegneristico nel campo della sicurezza in caso di incendio, che è mirato sia alla valutazione degli obiettivi di sicurezza necessari, sia al progetto e alla verifica delle prestazioni di sicurezza adottate. La condizione di base che viene posta per la sua applicazione è che le caratteristiche dei prodotti da costruzione e le procedure di verifica adottate siano validate su basi concordate e armonizzate nell’ambito dei Paesi membri della Comunità Europea.

Al fine di raggiungere gli obiettivi generali della sicurezza in caso di incendio, il do- cumento richiama le principali funzioni legate alla stabilità della struttura principale di un’opera da costruzione. Essa è necessaria per:

– permettere la sicurezza degli occupanti durante il tempo nel quale essi rimangono dentro l’edificio;

– garantire la sicurezza delle squadre di soccorso;

– evitare crolli che possono causare pericolo per le persone;

– consentire che i prodotti da costruzione utilizzati per la sicurezza in caso di incendio possano svolgere la loro funzione per tutto il tempo necessario.

Pertanto, quando la valutazione della sicurezza strutturale di una costruzione in condi- zioni di incendio è condotta mediante l’approccio ingegneristico, deve essere sempre riferi- ta al mantenimento delle suddette funzioni.

1.2 Inquadramento normativo: le procedure per la valutazione della sicurezza in caso di incendio

Come già ricordato, l’applicazione dell’approccio ingegneristico introdotto nel Documento Interpretativo n. 2 per la valutazione della sicurezza in caso di incendio richiede che la va-

lutazione delle caratteristiche dei prodotti da costruzione e la definizione dei criteri di cal- colo sia condotta su basi concordate e armonizzate nell’ambito dei Paesi membri della Comunità Europea.

A questo scopo, a partire dagli inizi degli anni ottanta, sono state finanziate numerose attività di ricerca con l’obiettivo di mettere a punto un quadro normativo concordato e ar- monizzato nell’ambito della Comunità Europea.

Il risultato di queste attività è il quadro normativo attuale, già vigente in diversi Paesi europei e in fase di introduzione negli altri. In esso troviamo gli strumenti per individuare le misure tecniche necessarie perché una costruzione sia conforme al requisito di sicurezza in caso di incendio e le regole per individuare se le caratteristiche dei prodotti da costru- zione impiegati siano tali da garantire le prestazioni richieste in condizioni di incendio.

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

Figura 1.1 Gli obiettivi della sicurezza in caso di incendio secondo la Direttiva 89/106/CEE.

Per la valutazione della sicurezza strutturale in caso di incendio di un’opera o di un prodotto da costruzione (in termini più comuni della resistenza al fuoco della struttura por- tante di una costruzione o di suoi elementi), in questo quadro normativo sono previste e- sclusivamente le seguenti procedure:

– prove sperimentali condotte secondo regolamenti armonizzati o linee guida fornite dall’Organizzazione Europea per l’Approvazione Tecnica (EOTA);

– metodi di calcolo e progettuali di tipo armonizzato, definite nell’ambito del CEN (Comitato Europeo di Normazione);

– una combinazione dei due precedenti metodi.

Per quanto riguarda il primo gruppo di procedure, per le diverse categorie di prodotti da costruzione sono state definite apposite metodologie di prova sperimentale, comprendenti anche i criteri valutativi dei risultati, mediante le quali è possibile ottenere il benestare tec- nico europeo (ETA), ossia una valutazione tecnica positiva di idoneità per l’impiego previ- sto. Riferendosi ai prodotti da costruzione che vengono utilizzati per il contributo che for- niscono alla resistenza al fuoco delle strutture di acciaio, è importante segnalare il caso dei sistemi protettivi, per i quali l’introduzione dei regolamenti di tipo armonizzato, in partico- lare la ENV 13381-4 (2002), ha radicalmente cambiato i criteri di valutazione vigenti in ambito nazionale ed i conseguenti dimensionamenti, come si vedrà più in dettaglio nel successivo capitolo 3.

Per quanto riguarda il secondo gruppo di procedure, sono state pubblicate una serie di norme EN, i cosiddetti Eurocodici strutturali, dove sono raccolti metodi di calcolo e regole per la progettazione strutturale concordati e armonizzati tra i Paesi membri della Comunità Europea. In Italia, il recepimento degli Eurocodici strutturali, denominati “EN” (EuroNor- ma), da parte dell’UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione) ne determina la conver- sione in “UNI EN”.

Come negli altri Paesi membri, la definizione di questo quadro normativo armonizzato ha trovato recentemente una diretta corrispondenza nell’evoluzione delle norme nazionali vigenti:

– gli obiettivi e la strategia di progettazione per la definizione della sicurezza struttu- rale in caso di incendio introdotti dalla Direttiva 89/106/CEE sono stati condivisi con la pubblicazione del Decreto del Ministero dell’Interno del 9 marzo 2007;

– essi sono stati confermati nelle Norme Tecniche per le Costruzioni, attraverso i due Decreti del Ministero delle Infrastrutture del 14 settembre 2005 e del 14 gennaio 2008, dove, tra l’altro, l’azione incendio è inserita esplicitamente tra le azioni di ti- po eccezionale agenti sulle strutture;

– per la determinazione della resistenza al fuoco dei prodotti da costruzione, con la pubblicazione del Decreto del Ministero dell’Interno del 16 febbraio 2007, sono ri- conosciuti sia i metodi di calcolo definiti negli Eurocodici, sia le procedure di valu- tazione sperimentale di tipo armonizzato valide per le diverse categorie di prodotti da costruzione, tra cui i rivestimenti protettivi impiegati per le strutture di acciaio;

– infine, la procedura di applicazione dell’approccio ingegneristico è stata precisata, in senso generale ma comprendente anche la valutazione della sicurezza strutturale, mediante le disposizioni del Decreto del Ministero dell’Interno del 9 maggio 2007.

L’ultimo passo di questo percorso, non ancora completato in ambito nazionale, è rap- presentato dalla pubblicazione delle Appendici Nazionali, che devono accompagnare in ogni Paese membro i singoli documenti EN degli Eurocodici.

Tabella 1.1 Normativa di riferimento per la progettazione in caso di incendio di strutture di ac- ciaio e composte acciaio-calcestruzzo.

Riferimenti Data Titolo

Ministero dell’Interno Decreto 9 marzo 2007

09/03/2007 Prestazioni di resistenza al fuoco delle costruzioni nelle attività soggette al controllo del Corpo nazionale dei Vigili del Fuoco Ministero dell’Interno

Decreto 16 febbraio 2007

16/02/2007 Classificazione di resistenza al fuoco di prodotti ed elementi costruttivi di opere da costruzione

Ministero dell’Interno Decreto 9 maggio 2007

09/05/2007 Direttive per l’attuazione dell’approccio ingegneristico alla sicu- rezza antincendio

Ministero Infrastrutture DM 14 gennaio 2008

14/01/2008 Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni

Circolare NTC2008 n. 617 2 Febbraio 2009

02/02/2009 Istruzioni per l’applicazione delle «Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni» di cui al decreto 14 gennaio 2008

EN 1990 01/05/2004 Eurocodice – Criteri generali di progettazione strutturale EN 1991-1-2 01/10/2004 Eurocodice 1 – Azioni sulle strutture – Parte 1-2: Azioni sulle

strutture esposte al fuoco

EN 1993-1-2 01/07/2005 Eurocodice 3 – Progettazione delle strutture di acciaio – Parte 1- 2: Regole generali – Progettazione strutturale contro l’incendio EN 1994-1-2 27/10/2005 Eurocodice 4 – Progettazione delle strutture composte acciaio-

calcestruzzo – Parte 1-2: Regole generali – Progettazione struttu- rale contro l’incendio

EN 13501-2 01/04/2005 Classificazione al fuoco dei prodotti e elementi da costruzione – Parte 2: Classificazione in base ai risultati delle prove di resi- stenza al fuoco, esclusi i sistemi di ventilazione

prCEN/TS 13381-1 01/07/2005 Metodi di prova per la determinazione del contributo alla resi- stenza al fuoco di elementi strutturali – Membrane protettive orizzontali

ENV 13381-2 01/11/2002 Metodi di prova per la determinazione del contributo alla resi- stenza al fuoco di elementi strutturali – Membrane protettive verticali

ENV 13381-3 01/11/2002 Metodi di prova per la determinazione del contributo alla resi- stenza al fuoco di elementi strutturali – Protezione applicata ad elementi di calcestruzzo

ENV 13381-4 01/11/2002 Metodi di prova per la determinazione del contributo alla resi- stenza al fuoco di elementi strutturali – Protezione applicata ad elementi di cacciaio

ENV 13381-5 01/11/2002 Metodi di prova per la determinazione del contributo alla resi- stenza al fuoco di elementi strutturali – Protezione applicata ad elementi compositi di calcestruzzo/lastre profilate di acciaio ENV 13381-6 01/11/2002 Metodi di prova per la determinazione del contributo alla resi-

stenza al fuoco di elementi strutturali – Protezione applicata a colonne cave di acciaio riempite con calcestruzzo

Ministero dell’Interno Decreto 16 febbraio 2007

16/02/2007 Classificazione di resistenza al fuoco di prodotti ed elementi costruttivi di opere da costruzione

Questi documenti servono a definire alcuni parametri che possono essere scelti a livello nazionale (NDP, acronimo anglosassone di “Nationally Determined Parameters”). Comun- que, a questo proposito, è da ricordare che il D.M. 16/02/07 consente l’applicazione di quasi tutti gli EN (con esclusione solo di EN 1991-1-2 relativo alle azioni sulle costruzio- ni), anche prima della pubblicazione dei relativi NDP, purché per tali valori si faccia rife- rimento ai valori consigliati negli Eurocodici.

Riepilogando, nella tabella 1.1 sono riportate le principali disposizioni normative oggi in vigore per la definizione del requisito di sicurezza in caso di incendio della struttura por- tante di una costruzione e per la valutazione della resistenza al fuoco degli elementi struttu- rali realizzati in acciaio o in struttura composta acciaio-calcestruzzo.

1.3 Approcci per la progettazione strutturale: prescrittivo e prestazionale (o ingegneristico)

Come già ricordato, il Documento Interpretativo n. 2 introduce in maniera esplicita l’ap- proccio ingegneristico nel campo della sicurezza in caso di incendio, che è mirato sia all’individuazione del livello di prestazione richiesta alle strutture portanti in caso di in- cendio, sia alla determinazione delle prestazioni di prodotti ed elementi di strutture portanti in caso di incendio. A questo scopo il documento riporta importanti concetti e definizioni che sono richiamati nel presente paragrafo.

La prestazione di un’opera o di un prodotto da costruzione è relativa ad una specifica azione. Per azione si intende un’azione meccanica (ad esempio i carichi applicati, le forze risultanti dalle espansioni termiche impedite, gli urti), un’azione termica, un’azione deter- minata dalle condizioni ambientali o da una combinazione di queste.

Tra le azioni termiche, per i differenti effetti che hanno sugli elementi della struttura portante, sono distinti i seguenti livelli di esposizione:

– piccola sorgente di ignizione (tipo fiammifero);

– singoli elementi di combustione (combustione di un arredo, di singoli materiali stoccati in un edificio industriale);

– incendi pienamente sviluppati.

In presenza di azioni termiche, la valutazione della resistenza al fuoco delle strutture può essere condotta secondo le seguenti possibilità:

– analisi di scenari di incendio convenzionali (ad esempio esposizione alla curva di incendio standard temperatura-tempo);

– analisi di scenari di incendio naturali.

Queste due possibilità danno luogo a due differenti approcci per la valutazione della si- curezza strutturale in caso di incendio, un approccio prescrittivo ed un approccio presta- zionale, che di seguito vengono presentati.

1.3.1 Approccio prescrittivo

Per alcune attività svolte negli edifici i regolamenti nazionali stabiliscono un periodo mi- nimo di stabilità delle strutture portanti, espresso in termini di tempo di resistenza all’azio- ne di un incendio convenzionale. Con questo tipo di approccio, detto approccio prescritti- vo, è la norma vigente che stabilisce le condizioni sufficienti per il raggiungimento del re- quisito di sicurezza in caso di incendio (ovviamente nei limiti attribuibili al ruolo svolto dalle strutture portanti).

Figura 1.2 Esempio di incendio localizzato, dovuto alla combustione di materiali stoccati in un edificio industriale.

Figura 1.3 Esempio di incendio pienamente sviluppato, dovuto alla combustione di materiali presenti dentro un edificio adibito ad ufficio.

Figura 1.4 Comparazione tra la curva di incendio standard ISO 834 e 50 curve di incendio misu- rate durante test di laboratorio (carichi di incendio variabili tra 10 e 45 kg legna/m²) [Tratto da DIFISEK+, “DIssemination of FIre Safety Engineering Knowledge +”, 2008].

Per la definizione degli scenari di incendio convenzionali, a livello internazionale è sta- to concordato di utilizzare la curva standard temperatura-tempo, introdotta da ISO 834 parte 1 (ISO 834-1, 1999), come modello per un incendio pienamente sviluppato:

0 345 log (810 t 1)

θ θ= + ⋅ ⋅ + (1.1)

Per i casi in cui la severità dell’azione termica di un incendio può essere più elevata o inferiore rispetto ai livelli definiti dalla curva di incendio standard, sono state definite altre due curve temperatura-tempo di tipo armonizzato, rispettivamente la curva da idrocarburi e la smouldering curve:

0,167 2,5

1080 (1 0, 325 e ^t 0, 675 e ^t) 0

θ = ⋅ − ⋅ ^{− ⋅} − ⋅ ^{− ⋅} +θ (1.2)

0,25

10

154 20 per 0 21min

345 log [8 ( 20) 1] 20 per 21min

t t

t t

θ θ

⎧ = ⋅ + < ≤

⎪⎨

= ⋅ ⋅ − + + >

⎪⎩ (1.3)

in cui t è il tempo a partire dall’inizio dell’incendio [min], θ è la temperatura dei gas [°C]

e θ è la temperatura iniziale dei gas [°C]. ₀

Questa seconda curva viene utilizzata in quelle circostanze in cui la prestazione dei prodotti può essere ridotta nel caso di un’esposizione all’incendio di livello inferiore ri- spetto a quella della curva di incendio standard (come ad esempio nella valutazione del comportamento di alcuni rivestimenti protettivi, quali le vernici intumescenti).

Come si vedrà più in dettaglio nel capitolo 3, nell’ambito delle norme emanate succes- sivamente al Documento Interpretativo n. 2, è stata definita anche un’altra curva di incen- dio temperatura-tempo di tipo armonizzato, la curva degli incendi esterni:

0,32 3,8

660 (1 0, 687 e ^t 0, 313 e ^t) 0

θ = ⋅ − ⋅ ^{− ⋅} − ⋅ ^{− ⋅} +θ (1.4)

Ovviamente, quando si applica un approccio prescrittivo, l’analisi strutturale sarà rivol- ta a garantire la stabilità almeno per il tempo di esposizione all’incendio stabilito dalla norma di riferimento.

I prossimi capitoli trattano con particolare attenzione questo argomento. Si potrà notare come, se l’approccio seguito è quello prescrittivo, le normative di riferimento consentono opportune semplificazioni nella schematizzazione strutturale, al fine di rendere più veloce la valutazione della resistenza al fuoco delle strutture portanti. In particolare, l’approccio correntemente assunto, ad esempio in EN 1991-1-2 (2002) o in D.M. 09/03/07 sulla base dei principi definiti nel Documento Interpretativo n. 2, è che una determinata resistenza al fuoco di una struttura sia soddisfatta se è dimostrato che la resistenza al fuoco dei suoi e- lementi non sia inferiore e se essa non venga ridotta dal comportamento dei collegamenti.

Tuttavia è da ricordare come le deformazioni e le dilatazioni causate dall’incremento di temperatura, ma contrastate dai vincoli o dalla iperstaticità strutturale, possono giocare un ruolo importante per la stabilità della struttura in condizioni di incendio. Trascurare la loro presenza non sempre risulta a favore di sicurezza. In pratica ciò è consentito laddove, at- traverso l’adozione di una classe di resistenza al fuoco stabilita nell’ambito di un approccio prescrittivo, viene messa in conto un’azione termica sensibilmente maggiore rispetto a quella che nella realtà può verificarsi. Nei casi in cui ciò non avviene, come ad esempio può succedere quando l’azione termica è definita mediante l’analisi di incendi naturali, l’analisi strutturale non può trascurare questi effetti. Essa quindi, come vedremo nel segui- to, non può essere condotta nelle ipotesi semplificative valide per l’approccio prescrittivo.

Nella tabella 1.2 sono riportati i risultati di un’analisi condotta nell’ambito di un pro- getto di ricerca europeo (CEC Agreement 7210, 1999) e aggiornati nel 2006 nell’ambito dei lavori della Commissione per la sicurezza delle costruzioni in acciaio in caso di incen- dio ⁽¹⁾, che ha messo a confronto diverse tipologie di edifici ed i valori prescrittivi della re- sistenza al fuoco richiesti per le strutture portanti dalle norme vigenti nei diversi Paesi del- la Comunità Europea.

1.3.2 Approccio prestazionale o ingegneristico

I concetti e le definizioni stabiliti con la direttiva 89/106/CEE consentono la concreta ap- plicazione di un approccio per la valutazione della sicurezza in caso di incendio alternativo a quello prescrittivo, che, fino ad oggi, si è sviluppato soprattutto nell’ambito dell’inge- gneria strutturale. Infatti, i principi delineati nel Documento Interpretativo n. 2 per la defi- nizione dell’approccio ingegneristico consentono di verificare se le prestazioni della strut- tura portante di una costruzione siano compatibili o meno con gli obiettivi che determinano

(1) La Commissione Tecnica istituita nel 2006 dalla Fondazione Promozione Acciaio per la “Sicurezza delle strutture in acciaio in caso di incendio” è composta da rappresentanti nazionali nel campo della ricerca europea sulla sicurezza strutturale in caso di incendio, da docenti universitari e da esponenti del Ministe- ro degli Interni e ha l’obiettivo di costituire un tavolo tecnico per la valutazione della ricerca nazionale ed europea sulla tematica incendio e di fornire strumenti tecnici per l’aggiornamento dei professionisti e dei Vigili del Fuoco (monografie, corsi di aggiornamento, organizzazione di convegni tecnico- scientifici).

il raggiungimento del requisito di sicurezza in caso di incendio. Questo tipo di approccio è detto approccio prestazionale o ingegneristico.

Tabella 1.2 Confronto tra i requisiti di resistenza al fuoco richiesti per le strutture portanti dalle nor- me di alcuni paesi europei.

Tipo di

edificio n h H X L b X(*) S B CH D F I L NL FIN E UK

si 0 0 0 0 / 30 60/90

(7) 30 0 0 90 0 Centri (8)

commerciali ^{1 0 4 500 80 80 4}

no (1) (1) (10) (1) 30 90/120

(7) (3) 0 60 90 0 (8) si 0 0 (2) 60 - 30 0 60(4) 90 30 Locali di

pubblico spettacolo

2 5 9 1000 60 30 4

no 0 30 90 60 60 30 0 60(5) 90 60

si 60(6) 0-30

(10) (2) 60 - 90 60 60(4) 60 60

Scuole 4 12 16 300 60 20 4

no 60(6) 60 90 60 60 90 60 60(5) 60 60

si 60(6) 0-30

(10) (2) 60 - 90 60 60(4) 60 30 Piccoli edifici

per uffici 4 10 13 50 50 30 2

no 60(6) (1) (10) 90 60 60 90 60 60(5) 60 60

si 60(6) 30-60

(10) (2) 60 (11) 90 60 60(4) 90 60

Alberghi 6 16 20 60 50 30 2

no 60(6) 60 90 60 60 90 60 60(5) 90 60 si 120 60 (2) 60 (12) 90/120 120 60(4) 120 90

Ospedali 8 24.5 28 60 70 30 2

no 120 90 90 60 120 120 120 60(5) 120 90

si 120 60-90

(10) (2) 120 - 90 60 120(4) 120 120 Medi edifici

per uffici 11 33 37 50 50 30 2

no 120 90 90 120 90 120 90 120(5) 120 (3) si 120 90 90 120 - 120 90 120(4) 120 120 Grandi edifici

per uffici 31 90 93 100 50 50 2

no 120 90 (10) (3) 120 120 (3) 90 120(5) 120 (3) Parcheggi

chiusi 2 - -6 - - - - - 120 60 90 30-90 90 90 ? 60 120 120

Parcheggi

aperti 8 - 22 - - - - - 60 - 0 30-90 90 90 60 60 120 15

n = numero dei piani (incluso piano terra) h = altezza dell’ultimo piano calpestabile H = altezza del tetto

L = larghezza del compartimento B = lunghezza del compartimento X = numero di persone per ogni piano X(*) = numero di uscite

S = sprinkler

NOTE

(1) dimensioni del compartimento troppo grandi (2) nessun regolamento adottato

(3) non permesso (4) q > 600 MJ/m² piano (5) q < 600 MJ/m² piano

(6) nuovi edifici + estensioni o ristrutturazioni edifici esistenti (7) periodi normalmente richiesti dalle autorità locali

(non c’è ancora norma nazionale)

Ricordiamo le funzioni affidate alla stabilità di una costruzione dal Documento Inter- pretativo n. 2., verso cui deve essere indirizzata l’analisi strutturale nella condizione di in- cendio. Essa è necessaria per:

– consentire la sicurezza degli occupanti durante il tempo nel quale essi rimangono dentro l’edificio;

– garantire la sicurezza delle squadre di soccorso;

– evitare crolli che possono causare pericolo per le persone;

– permettere che i prodotti da costruzione utilizzati per la sicurezza in caso di incen- dio possano svolgere la loro funzione per tutto il tempo necessario.

È chiaro che casi specifici di edifici e di attività in essi svolte possano richiedere un aumento delle prestazioni della struttura portante in caso di incendio, rispetto a queste ora richiamate. Ad esempio, specifiche prestazioni mirate alla difesa del patrimonio edilizio, che non sono prese in considerazione dalla Direttiva 89/106/CEE, possono essere fissate dai proprietari degli immobili.

Il primo passo dell’applicazione di un approccio prestazionale è la valutazione dell’a- zione termica, che avviene mediante l’analisi di scenari di incendio naturali che descrivo- no qualitativamente l’evoluzione di un incendio ed individuano gli eventi chiave che lo ca- ratterizzano e che lo differenziano dagli altri incendi. In pratica devono essere selezionati, tra quelli prevedibili, i più pericolosi scenari di incendio ai fini della stabilità strutturale.

Successivamente, per ognuno degli scenari di incendio definiti, sono necessari, in generale, i seguenti punti:

– valutazione del tipo e della quantità di combustibili presenti, con il relativo tasso di combustione;

– determinazione dei quantitativi di aria disponibile durante la combustione (in fun- zione degli scambi con l’esterno);

– individuazione della geometria dell’ambiente confinato, definita dal compartimento;

– definizione delle proprietà termiche della frontiera del compartimento, come pavi- menti, pareti e soffitti.

Inoltre, a seconda della particolare strategia antincendio adottata, la valutazione può in- cludere anche:

– l’influenza degli impianti di spegnimento dell’incendio (ad esempio gli sprinkler);

– l’intervento delle squadre di soccorso.

Il passo successivo di questo approccio è l’analisi strutturale. Essa deve mirare a valu- tare le condizioni di stabilità delle strutture portanti dell’edificio in presenza delle azioni termiche individuate per ognuno degli scenari di incendio analizzati e degli altri carichi agenti.

Nella figura 1.5 è presentato uno schema generale, definito nell’ambito della ricerca eu- ropea (CEC Agreement 7210, 1999), di applicazione dell’approccio prestazionale per la valutazione della sicurezza strutturale in condizioni di incendio.

Come precisato meglio nei successivi capitoli, per questo tipo di approccio le norme di riferimento (EN 1991-1-2(2002), D.M. 09/03/07) in generale non consentono schematizza- zioni strutturali approssimate. In particolare è necessaria una valutazione del comporta- mento della struttura nel suo complesso o almeno di una sottostruttura significativa, capace di tenere in considerazione le interazioni tra i singoli elementi che vengono a determinarsi a causa delle deformazioni e delle dilatazioni causate dall’incremento di temperatura e par- zialmente contrastate dall’iperstaticità strutturale.

CARICHI STATICI Peso Proprio

Permanenti Accidentali Vento Neve

CARATTERISTICHE DELL’INCENDIO Carico di Incendio Condizioni di Ventilazione Geometria del Compartimento Caratteristiche Termiche Pareti

MISURE ATTIVE ANALISI PROBABILISTICA

Protezione Attiva

Rischio di Attivazione di Incendio

OBIETTIVI DELLA SICUREZZA Tempo di Evacuazione Sicurezza dei Soccorsi

Conseguenze di un Collasso Strutturale

Combinazione dei Carichi In Caso di Incendio

≥

Analisi Globale della Struttura

t^nat t

fi,d fi,rich

Curva di Incendio Naturale

Curva di Incendio Naturale di Progetto

Figura 1.5 Schema generale di approccio prestazionale per la valutazione della sicurezza struttu- rale in condizioni di incendio (da CEC Agreement 7210, 1999).

Quindi non è in generale consentita una trattazione per singoli elementi, come avviene nell’applicazione dell’approccio prescrittivo. Questa condizione determina la necessità di uno studio del comportamento strutturale sicuramente più impegnativo rispetto a quello correntemente utilizzato nell’ambito dell’approccio prescrittivo. Ma è bene sottolineare come, in termini generali, è questo l’approccio più affidabile per ottenere una reale cono- scenza delle prestazioni della struttura e, quindi, del suo effettivo grado di sicurezza in ca- so di incendio.

Nell’applicazione di questo approccio la durata della stabilità della struttura portante nella condizione di incendio viene stabilita in funzione degli obiettivi di sicurezza prefissa- ti. Ad esempio, il Documento Interpretativo n. 2 cita i seguenti casi:

– nessun requisito di resistenza al fuoco per edifici con limitata densità di carico di incendio o dove le conseguenze di un collasso strutturale possono essere accettate;

– resistenza al fuoco della struttura portante per uno specificato ma limitato periodo di tempo, che viene definito per consentire la sicurezza degli occupanti e dell’in- tervento delle squadre di soccorso;

– resistenza al fuoco della struttura portante per un tempo tale da permettere la com- bustione di tutti i materiali combustibili presenti, senza tenere conto dell’intervento delle squadre di soccorso.

Nel secondo caso si ha una stabilità strutturale ritenuta necessaria per un limitato perio- do di tempo, nel terzo caso una stabilità strutturale che viene mantenuta per tutta la durata degli scenari di incendio definiti, solitamente comprendente anche la fase di raffreddamen- to.

Di seguito si fa cenno a due esempi di applicazione dell’approccio prestazionale, am- piamente studiati nell’ambito della ricerca europea, in cui si ritrova l’applicazione dei sud- detti obiettivi di resistenza al fuoco.

Il primo esempio è riferito al secondo livello di obiettivo sopra citato. Si tratta di un e- dificio monopiano adibito ad attività industriale, in cui viene realizzata una compartimen- tazione longitudinale posta in corrispondenza della fila centrale di colonne. Nella figura 1.6 è rappresentata una sezione trasversale dell’edificio.

Figura 1.6 Edificio monopiano di tipo industriale – Sezione trasversale.

Nell’ipotesi in cui questo edificio e la sua utilizzazione siano caratterizzati da:

– brevi percorsi a disposizione degli occupanti per uscire dall’edificio,

– distanze dagli edifici vicini sufficienti per impedire la propagazione dell’incendio, gli obiettivi minimi che, nell’ambito di un approccio prestazionale, devono essere posti all’analisi strutturale affinché possa ritenersi soddisfatto il requisito di sicurezza in caso di incendio stabilito dalla Direttiva 89/106/CEE sono:

– la stabilità del compartimento in cui si verifica l’incendio per un tempo sufficiente a consentire l’uscita degli occupanti;

– garantire che eventuali crolli non mettano a rischio la sicurezza delle squadre di soccorso durante il loro intervento;

– mantenere l’efficienza della compartimentazione durante l’evento di incendio.

X Y Z

5.0 E+00 m

Diamond 2004 for SAFIR FILE: stat ic3d_2_dyn NODES: 12 5 BEAMS: 61 T RUSSES: 0 SHELLS: 0 SOIL S: 0

BEAMS PLOT DISPLACEMENT PLOT ( x 1)

T IME: 1248.391 sec IPE500.tem IPE450.tem IPE500c.tem IPE450c.tem

-0.3 -0.2 -0.1 0

0 500 1000 1500

tempo [sec]

Spost. Orizz. colonna [m]

-60000 -50000 -40000 -30000 -20000 -10000 0

0 300 600 900 1200 1500

tempo [sec]

azione assiale [N]

Figura 1.7 Risultati dell’analisi strutturale condotta nell’ambito di un approccio prestazionale.

Questi obiettivi, una volta definiti gli scenari di incendio più pericolosi per la stabilità della struttura portante e per la compartimentazione, sono raggiunti se l’analisi strutturale, nelle condizioni di incendio, è in grado di verificare:

– che la stabilità strutturale sia mantenuta per uno specificato periodo di tempo;

– che l’eventuale crollo delle facciate perimetrali avvenga verso l’interno dell’edificio (e non verso l’esterno, dove probabilmente si trovano le squadre di soccorso impe- gnate a spegnere l’incendio);

– che la compartimentazione sia in grado di resistere alle spinte provenienti dalla par- te di struttura soggetta ad incendio.

Questo tipo di obiettivi può essere verificato mediante un approccio di tipo prestaziona- le o ingegneristico (nella figura 1.7 sono riportati alcuni risultati significativi di questo tipo di analisi, tratti da Cajot et Al., 2004), mentre difficilmente possono essere verificati nell’ambito di un ordinario approccio di tipo prescrittivo.

Il secondo esempio è riferito al terzo livello di obiettivo sopra citato. Si tratta di un edi- ficio multipiano fuori terra adibito ad autorimessa, di tipo aperto, ossia dotato di ampia ventilazione naturale lungo le facciate (figura 1.8).

Questa tipologia di costruzione è stata sottoposta a numerose ricerche finalizzate a veri- ficare il comportamento delle tipiche soluzioni strutturali adottate, in particolare quelle rea- lizzate in struttura composta acciaio-calcestruzzo. Le analisi statistiche condotte su edifici esistenti e le prove di incendio realizzate su prototipi di edifici in scala reale (figura 1.9) hanno permesso l’individuazione degli scenari di incendio più pericolosi per la stabilità della struttura portante (figura 1.10 tratta dal documento tecnico INERIS, 2001).

Nell’ambito di un approccio di tipo ingegneristico, centrando l’attenzione su ognuno degli scenari di incendio così individuati, l’obiettivo dell’analisi strutturale correntemente adottato per questo tipo di edifici è quello di trovare le soluzioni della struttura portante che verificano le condizioni di stabilità per tutta la durata dell’incendio, compresa la fase di raffreddamento fino al ritorno alla temperatura ambiente. In tal caso, facendo riferimento alle funzioni che la struttura deve svolgere per gli obiettivi fissati dalla Direttiva 89/106/CEE, la sicurezza in caso di incendio è senz’altro verificata.

Figura 1.8 Autorimessa di tipo aperto realizzata in Lussemburgo con struttura composta acciaio-calcestruzzo.

Figura 1.9 Prove sperimentali di incendio in scala reale (CTICM, 2001).

Questo tipo di verifiche strutturali, previste nell’ambito dell’approccio ingegneristico, sono oggi possibili grazie all’impiego di codici di calcolo definiti per questo scopo e che a questo titolo sono stati opportunamente validati. Esse, se ben condotte, permettono di otte- nere livelli di sicurezza la cui affidabilità non è inferiore rispetto a quella ottenuta mediante una verifica condotta in ambito prescrittivo. Evidenza di queste conclusioni si ha analiz- zando la recente evoluzione della normativa (Ministère de l’Intérieur et de l’Aménagement du Territoire, 9-06-2006), che regola la progettazione e l’esercizio di questi edifici in Francia. Essa prevede la possibilità di una progettazione strutturale basata su un approccio prescrittivo (R60 per edifici monopiano, R90 per quelli multipiano) oppure, in alternativa, su un approccio prestazionale i cui obiettivi siano quelli sopra citati.

1.4 Criteri generali di progettazione nell’ambito del quadro normativo nazionale

La normativa vigente in ambito nazionale in tema di sicurezza strutturale in caso di incen- dio disciplina le fasi della progettazione, della costruzione e di esercizio di diverse catego- rie di edifici. Schematicamente possiamo distinguere tre diversi settori di regolamenti:

a) norme che definiscono il livello di prestazione della struttura portante;

b) norme tecniche di riferimento per la progettazione strutturale;

c) norme di qualificazione dei prodotti da costruzione che contribuiscono al raggiun- gimento della prestazione di resistenza al fuoco della struttura portante.

Le norme di tipo a) sono emanate dal Ministero dell’Interno, attraverso la pubblicazio- ne di decreti riferiti alle specifiche attività a cui sono adibiti gli edifici. Facendo riferimen- to ai rischi associati al caso di incendio in ogni attività, queste sono distinte in due catego- rie: una prima categoria di attività per le quali è fissato un livello minimo prescrittivo della resistenza al fuoco delle strutture portanti, una seconda categoria per le quali il legislatore ha definito un metodo convenzionale per determinare il livello minimo della resistenza al fuoco delle strutture portanti (figura 1.11).

Per quanto riguarda la prima categoria di attività, il legislatore, attraverso la pubblica- zione di specifici decreti, definisce la regola tecnica di prevenzione incendi, che, tra l’altro, individua i livelli minimi di resistenza al fuoco della struttura portante.

Figura 1.10 Scenari di incendio in un’autorimessa areata definiti dal Doc. Tecn. INERIS (2001).

Esempi di questo tipo di attività sono: gli ospedali, le scuole, i locali di pubblico spetta- colo, gli alberghi, ecc.. Per gli edifici in cui si svolgono queste attività, la possibilità di progettare la sicurezza strutturale in caso di incendio secondo un approccio prestazionale o ingegneristico è prevista solo mediante l’apposita procedura di deroga, che deve essere sottoposta al parere del competente Comando dei Vigili del Fuoco. In tal caso, nell’ambito della progettazione strutturale, si deve dimostrare che gli obiettivi della sicurezza in caso di incendio, trattati al paragrafo precedente, siano stati raggiunti. Per la regolamentazione di questa procedura è stato pubblicato il D.M. 09/05/07.

Attività regolate da norma tecnica

che prescrive valori minimi di R per le strutture portanti

Applicazione regola tecnica prescrittiva

(Deroga)

Attività non regolate da norma tecnica

che prescrive valori minimi di R per le strutture portanti

Regola tecnica prescrittiva ai sensi

di D.M. 09/03/07

Applicazione approccio ingegneristico

+ valori minimi di R (tab. 5 D.M.09/03/07) Attività soggette al controllo

dei Vigili del fuoco

Applicazione approccio ingegneristico

+ valori minimi di R (tab. 5 D.M.09/03/07)

Figura 1.11 Procedure per la valutazione della resistenza al fuoco (D.M. 09/03/07).

Per la seconda categoria di attività (attività senza regola tecnica prescrittiva) il Mini- stero dell’Interno, con la pubblicazione del D.M. 09/03/07, ha definito le richieste di pre- stazione in caso di incendio per le strutture portanti di una costruzione (figura 1.11). Que- ste sono classificate in 5 livelli:

livello I) nessun requisito specifico di resistenza al fuoco dove le conseguenze della perdita dei requisiti stessi siano accettabili o dove il rischio di incendio sia trascurabile;

livello II) mantenimento dei requisiti di resistenza al fuoco per un periodo sufficiente all’evacuazione degli occupanti in luogo sicuro all’esterno della costruzio- ne;

livello III) mantenimento dei requisiti di resistenza al fuoco per un periodo congruo con la gestione dell’emergenza;

livello IV) requisiti di resistenza al fuoco tali da garantire, dopo la fine dell’incendio, un limitato danneggiamento della costruzione;

livello V) requisiti di resistenza al fuoco tali da garantire, dopo la fine dell’incendio, il mantenimento della totale funzionalità della costruzione stessa.

Ogni livello di prestazione, da scegliere in funzione degli obiettivi di sicurezza, com- porta l’adozione di una determinata classe di resistenza al fuoco delle strutture portanti, determinabili sulla base dei criteri riportati nel decreto stesso. Questi criteri saranno trattati nel paragrafo 3.4.3, dove, tra l’altro, si vedrà come essi siano basati su un metodo non ap- plicabile alle strutture composte acciaio-calcestruzzo.

Lo stesso decreto fornisce poi indicazioni per associare i diversi livelli di prestazione alla generica attività: il livello I è compatibile con le sole attività non soggette al controllo dei Vigili del Fuoco, il livello II alle attività non aperte al pubblico che rispettano opportu- ne condizioni poste dal decreto stesso, il livello III alle restanti attività, i livelli IV e V a quelle attività in cui specifiche condizioni di sicurezza sono definite sulle basi di specifiche richieste del committente o di capitolati.

Infine è da ricordare come le Norme Tecniche per le Costruzioni, emanate dal Ministe- ro delle Infrastrutture con il D.M. 14/01/08, definiscono le richieste di prestazione in caso

di incendio delle strutture portanti di una costruzione in maniera praticamente coincidente con quanto previsto dal decreto emanato dal Ministero dell’Interno.

Esempi di questa seconda categoria di attività sono alcune tipologie di edifici industria- li, di depositi, di uffici di piccole dimensioni, ecc. In pratica tutte le attività soggette al con- trollo dei Vigili del Fuoco per le quali non esistono livelli minimi della resistenza al fuoco delle strutture portanti fissati da specifica regola tecnica. Per gli edifici in cui si svolgono queste attività è possibile progettare la sicurezza strutturale in caso di incendio anche se- condo un approccio prestazionale o ingegneristico, senza il ricorso alla procedura della de- roga, purché siano rispettati i limiti previsti dal D.M. 09/03/07. Anche in tal caso, nell’ambito della progettazione strutturale, si deve dimostrare che gli obiettivi della sicu- rezza in caso di incendio siano stati raggiunti, facendo riferimento alle disposizioni conte- nute nel D.M. 09/05/07.

Le norme di tipo b) sono riconducibili a due documenti principali, il D.M. Ministero dell’Interno 16/02/2007 ed il D.M. Ministero delle Infrastrutture 14/01/2008.

Nel primo documento sono definite le modalità con cui si può procedere alla determi- nazione della resistenza al fuoco della struttura portante di una costruzione o di un suo componente: mediante prove sperimentali, condotte esclusivamente ai sensi di norme EN o, in caso di assenza, prEN o ENV; mediante valutazioni analitiche, esclusivamente ai sen- si delle parti fuoco degli Eurocodici (o, fino alla pubblicazione delle Appendici Nazionali, ai sensi delle norme UNI 9502 e UNI 9503); mediante le tabelle allegate al decreto mede- simo.

Nel secondo documento l’azione incendio è inserita esplicitamente tra le azioni, di tipo eccezionale, agenti sulle strutture, mentre i criteri di valutazione sono definiti conforme- mente alle parti fuoco degli Eurocodici, a meno di alcuni parametri definiti nelle corri- spondenti Appendici Nazionali.

Infine le norme di tipo c), nell’ambito della progettazione delle strutture di acciaio e composte acciaio-calcestruzzo, sono principalmente costituite dai regolamenti che defini- scono il contributo alla resistenza al fuoco dei sistemi protettivi delle strutture di acciaio.

Come già ricordato, ai sensi di quanto stabilito dal D.M. Interno 16/02/07, questi sono esclusivamente i regolamenti armonizzati tra i Paesi europei di tipo EN o, in caso di assen- za, di tipo prEN o ENV, a meno di alcune proroghe, valide fino al 2010, previste per alcu- ne categorie di prodotti (come meglio specificato nel paragrafo 4.5.3).

1.5 La verifica di resistenza al fuoco delle strutture

1.5.1 Criteri generali

Nell’ambito delle costruzioni il concetto di resistenza al fuoco è riferito alla capacità degli elementi, siano essi singoli componenti, parti di struttura o intere strutture, di garantire, se- condo un programma termico stabilito e per un determinato periodo di tempo, le seguenti funzioni:

– la stabilità o capacità portante (R), ossia la capacità di sopportare specifiche azioni;

– la tenuta o integrità (E), ossia la capacità di prevenire il passaggio di gas caldi o l’ignizione al di là della superficie esposta;

– l’isolamento termico (I), ossia la capacità di prevenire un’eccessiva trasmissione di calore.

Mentre i due requisiti E ed I sono solitamente richiesti a specifici elementi superficiali, muri o solai che hanno funzione di separazione, alla struttura portante di un edificio o a suoi singoli elementi in generale è richiesto il requisito R.

Questo volume, così come i criteri di calcolo riportati nella parte fuoco dell’Eurocodice 3 (EN 1993-1-2, 2005) e gran parte di quelli riportati nella parte fuoco dell’Eurocodice 4 (EN 1994-1-2, 2005), tratta essenzialmente il requisito R di una struttura portante o di suoi componenti. La funzione di separazione degli elementi deve spesso essere verificata me- diante specifici test sperimentali. Solo in casi particolari, come quelli trattati nella parte fuoco dell’Eurocodice 4, il volume tratta anche i requisiti E ed I di solai realizzati in strut- tura composta acciaio-calcestruzzo.

Il requisito di sicurezza in caso di incendio di una costruzione, come definito nella Di- rettiva 89/106/CEE, richiama direttamente il concetto di stabilità di una costruzione, men- tre non è strettamente legato a criteri di deformabilità della struttura.

Nel caso dei modelli di calcolo avanzato (vedi par. 4.3.3 di EN 1993-1-2, par. 4.4.3 di EN 1994-1-2) è raccomandato che le deformazioni siano limitate al fine di assicurare la compatibilità tra le varie parti della struttura e che sia verificato lo stato limite per il quale le deformazioni comportano la rottura della struttura per il mancato funzionamento dei vincoli in qualche elemento.

Il controllo delle deformazioni è richiamato tra i criteri fissati nelle basi progettuali (vedi. par. 2.1.1(2) EN 1993-1-2, par. 2.1.1(3) EN 1994-1-2) in due specifici casi:

– quando i sistemi di protezione adottati, ad esempio i sistemi protettivi della struttura di acciaio, possono perdere la loro efficacia a causa di eccessiva deformazione della struttura;

– quando elementi di separazione, ad esempio specifici muri o solai a cui è assegnata questa funzione, possono essere danneggiati a causa di eccessiva deformazione del- la struttura portante.

A questo proposito viene precisato come la verifica di deformabilità possa essere tra- scurata, nel primo caso se l’efficienza del sistema protettivo sia stata verificata secondo le norme pertinenti (ENV 13381-2, ENV 13381-4), nel secondo caso se il requisito degli e- lementi di separazione sia stato verificato rispetto alla curva di incendio standard ISO 834.

1.5.2 Valutazione della probabilità di collasso in caso di incendio

Analogamente alle usuali verifiche in condizioni normali, la valutazione della sicurezza strutturale in caso di incendio va intesa come valutazione del livello di affidabilità della struttura mediante la stima della probabilità di collasso o crisi con riferimento al prefissato stato limite ed il confronto con un livello di rischio ritenuto accettabile:

(Probabilità di collasso) (Probabilità obiettivo)

f t

P ≤ P (1.5)

Come illustrato nel Report di un’attività di ricerca coordinata da J.B. Schleich (CEC Agreement 7210, 1999) e nel documento del DIFISEK+ (“DIssemination of FIre Safety Engineering Knowledge +, 2008), nella sicurezza in caso di incendio si assume general- mente che la probabilità obiettivo sia uguale al valore della probabilità che si verifichi il collasso strutturale in condizioni normali, Pt = 7,23 × 10^–5 (EN 1990, 2002).

Si richiamano di seguito alcuni concetti sintetici di affidabilità strutturale, rimandando per i necessari approfondimenti a testi specialistici sull’argomento (si consulti, ad esempio, Pinto et Al., 2004).

In generale, la valutazione della probabilità di collasso Pf tiene conto delle varie alea- torietà associate ai carichi, alle resistenze dei materiali, al modello di calcolo, all’esecuzione della struttura (Faella, 2008; Migliacci & Mola, 1985). Nell’approccio pro- babilistico completo, definite S ed R le variabili aleatorie delle sollecitazioni e delle resi- stenze della struttura ed assegnato lo stato limite sotto osservazione, la probabilità di col- lasso Pf coincide con la probabilità che la disuguaglianza critica

S ≤R (1.6)

sia violata almeno una volta nell’intervallo di vita della struttura.

Pertanto, definita la variabile aleatoria Z = R – S , chiamata margine di sicurezza, la probabilità di collasso Pf è calcolata come integrale di convoluzione:

,

[ ]

Pr ( 0) Pr ( 0)= f_{S R}( , )

f

R S

P Z R S s r dSdR

<

= < = − <

∫

essendo fS,R(s,r) la funzione densità di probabilità congiunta.

Se le variabili aleatorie S ed R sono indipendenti risulta:

f_{S R}, ( , )s r =f ( ) f ( )_S s ⋅ _R r (1.8)

essendo fS(s) e fR(r) rispettivamente le funzioni densità di probabilità delle v.a. S ed R (figura 1.12), e quindi la probabilità di collasso si scrive:

( ) ( ) ( ) ( )

s

S R S

f R

P f r dr f s ds F s f s dS

∞ ∞

−∞ −∞ −∞

⎡ ⎤

⎢ ⎥

= =

⎢ ⎥

⎣ ⎦

∫ ∫ ∫

dove F s_R( )=Pr (R≤s) è la probabilità di crisi condizionata, cioè la probabilità di crisi di una struttura soggetta ad un ben determinato valore s della sollecitazione, che coincide con la funzione di distribuzione cumulata (CDF) della v.a. R calcolata per il valore s della sol- lecitazione.

Nel caso in cui le variabili aleatorie R ed S sono normali gaussiane ed indipendenti, il problema risulta semplificato, in quanto anche la funzione margine di sicurezza Z = R − S è una v.a. normale gaussiana. Graficamente la probabilità di crisi è l’area sottesa alla curva fZ(Z) per z ≤ 0. Da tale rappresentazione si definisce la variabile β pari al rapporto tra il va- lore medio μ_Ζ della variabile Z ed il suo scarto quadratico medio σ_Ζ :

2 2 1/2

1

( ) Z

R S

Z

Z S R V

μ μ

β μ

σ σ σ

= = − =

+ (inverso del coefficiente di variazione di Z) (1.10) Il parametro β è chiamato indice di affidabilità, in quanto la sua entità definisce diret- tamente la probabilità di crisi e misura in unità di deviazione standard la distanza tra il punto medio della variabile margine di sicurezza Z ed il contorno della regione di crisi (figura 1.13). L’indice di affidabilità β dipende dal valor medio μ_Ζ e dalla deviazione stan- dard σ_Ζ della v.a. Z, cioè dai primi due momenti delle distribuzioni di probabilità R ed S, per cui l’approccio probabilistico basato sulla definizione dell’indice di affidabilità rientra nei metodi di II livello (figura 1.14). Risulta dalle (1.9) e (1.10) (vedi ad es. Pinto et Al., 2004):

2 2 1/2

Pr( 0) (0) ( )

( )

R S

f Z

R S

P Z F β μ μ

σ σ

⎛ − ⎞

= < = = Φ − = Φ −⎜⎜⎝ + ⎟⎟⎠ (1.11)

dove F_Z(0) è la funzione di distribuzione cumulata (CDF) della v.a. Z calcolata per il va- lore z=0 , esprimibile mediante il valore della funzione di distribuzione cumulata Φ della v.a. gaussiana standardizzata calcolato nella condizione di crisi (argomento della CDF pari a −β ).

Ai fini delle verifiche di sicurezza strutturale, l’indice di affidabilità β viene confronta- to con un valore di riferimento prefissato, che cresce al diminuire della probabilità di crisi Pf . L’Eurocodice (EN1990, 2002) fissa per strutture appartenenti alla Classe di Affidabili- tà 2 (RC2), associata alla Classe di Conseguenze CC2 (conseguenze medie in termini di perdita di vite umane e conseguenze considerevoli in termini economici, sociali ed ambien- tali), il valore β = 3,8 (corrispondente ad una probabilità obiettivo pari a Pt = 7,23 × 10^–5) relativamente alle verifiche di stato limite ultimo e ad un periodo di riferimento di 50 anni.

Figura 1.12 Funzione di densità di probabilità delle sollecitazioni e della resistenza.

Figura 1.13 Funzione di densità di probabilità della variabile esito Z=R-S e definizione dell’indice di affidabilità β.

Figura 1.14 Quadro dei metodi di affidabilità strutturale (EN1990, 2002).

1.5.3 Calibrazione dei coefficienti parziali per il metodo semiprobabilistico agli Stati Limite

Dal punto di visto operativo la verifica di sicurezza delle strutture soggette ad incendio viene sviluppata applicando il metodo semiprobabilistico agli stati limite, con riferimento a condizioni di stato limite ultimo. La calibrazione dei fattori parziali delle azioni e delle re- sistenze viene effettuata sulla base di metodi probabilistici più accurati (di II o III Livello), tenendo conto di alcune peculiarità dell’azione incendio.

Lo schema generale dei metodi di affidabilità strutturale è riportato nel prospetto della figura 1.14. Il metodo basato sull’indice di affidabilità, illustrato nel paragrafo precedente, prende il nome di Metodo FORM (First Order Reliability Method) ed appartiene ai metodi di II livello, che con l’introduzione di alcune ben definite approssimazioni conducono a risultati sufficientemente accurati in gran parte delle applicazioni strutturali.

Il metodo FORM è espressamente suggerito dall’Eurocodice (EN1990, 2002) per la ca- librazione dei coefficienti parziali da applicare ai materiali (γ_M) ed alle azioni (γ_F) al fine di tener conto delle varie incertezze associate alle proprietà dei materiali, ai valori dei carichi ed ai modelli di calcolo, fissato il valore obiettivo dell’indice di affidabilità (figura 1.15).

Come è noto, i coefficienti parziali consentono di definire i valori di progetto delle resi- stenze e delle sollecitazioni, da utilizzare per la verifica della sicurezza strutturale.

Anche l’azione incendio è da considerare una variabile aleatoria. Infatti, per la determi- nazione degli effetti di un incendio in un compartimento (in termini di valori e distribuzio- ne delle temperature raggiunte) è necessaria la conoscenza di numerosi parametri. La prin- cipale caratteristica, il carico di incendio, dipendente dalla quantità di materiale combusti- bile, è generalmente funzione dell’attività e può non essere costante durante la vita dell’e- dificio. Altri parametri che influiscono sullo sviluppo e la propagazione dell’incendio sono fissati in base alle caratteristiche geometriche e fisiche del compartimento (dimensioni ge- ometriche, proprietà termiche e di tenuta delle pareti e dei solai, grado di ventilazione,

etc.). Inoltre, le misure di protezione attiva (impianti di spegnimento automatici o manuali, impianti automatici di rilevazione) contribuiscono talvolta significativamente a ridurre i possibili effetti dell’incendio, evitando che lo stesso possa svilupparsi pienamente. Il carico di incendio deve essere, pertanto, definito come una distribuzione statistica, analogamente a quanto si fa per il progetto strutturale a freddo relativamente alle azioni meccaniche, co- me il peso proprio, i sovraccarichi, il vento, la neve, etc..

L’insieme delle considerazioni precedenti fa comprendere che nel caso di strutture sog- gette ad incendio le incertezze dovute alle azioni di tipo meccanico (carichi permanenti, accidentali, etc.) sono decisamente meno rilevanti rispetto all’estrema variabilità della “a- zione incendio”. Inoltre, appare poco probabile che i carichi della combinazione di stato limite ultimo siano presenti contemporaneamente all’incendio. Per questi motivi l’azione incendio, introdotta nelle Norme Tecniche per le Costruzioni (D.M 14/01/2008) come una azione eccezionale (nella terminologia degli Eurocodici si definisce “situazione accidenta- le”), si considera concomitante a livelli di carico di esercizio, definiti con piccole differen- ze da normativa a normativa: nelle Norme Tecniche del 2008 si fa riferimento alla combi- nazione di carico “quasi permanente” (vedi capitolo 3), che equivale ad assumere fattori parziali γF delle azioni di valore unitario e la frazione ψ2 delle azioni variabili in funzione della destinazione d’uso dell’edificio.

Analogamente, nella valutazione della capacità portante delle strutture soggette ad in- cendio si assumono valori unitari delle resistenze dei materiali (γM = 1), ovvero si fa rife- rimento, all’inizio dell’incendio, ai valori caratteristici delle resistenze dei materiali. Infat- ti, l’incendio, interessando l’intera struttura o l’intero elemento strutturale, determina un danneggiamento piuttosto omogeneo dei materiali, che fa passare in secondo piano l’iniziale difettosità locale dei materiali stessi (Buchanan, 2001).

In sostanza, per le strutture soggette ad incendio, in conseguenza della estrema variabi- lità dell’azione incendio rispetto alle altre variabili aleatorie coinvolte, si assumono i valori caratteristici delle azioni meccaniche e delle resistenze dei materiali, mentre la calibrazio- ne dei coefficienti parziali, fissato il valore obiettivo di probabilità di collasso (ovvero dell’indice di affidabilità), riguarda essenzialmente la definizione del valore di progetto del carico di incendio.

A tal fine, come illustrato nel Report di un’attività di ricerca coordinata da J.B.

Schleich (CEC Agreement 7210, 1999) e nel documento del DIFISEK+ (“DIssemination of FIre Safety Engineering Knowledge +, 2008) già citati in precedenza, è stata condotta un’ampia indagine statistica in modo da determinare la probabilità di un evento di incen- dio, il cui innesco è funzione dell’attività svolta nell’edificio. Tra i dati statistici provenien- ti dai diversi paesi Europei è stata riscontrata una buona correlazione. Una volta che l’incendio è iniziato, può verificarsi un collasso strutturale solo se esso si sviluppa rag- giungendo condizioni severe. È necessario, pertanto, definire la probabilità che l’incendio evolva effettivamente in un incendio severo ed è in questa fase che assumono un ruolo im- portante le misure di protezione attiva presenti, gli occupanti e l’intervento dei Vigili del Fuoco. Ciò significa che, in un gran numero di casi, questi fattori possono determinare uno spegnimento dell’incendio prima che esso diventi pienamente sviluppato.

L’applicazione del metodo FORM suggerito dall’Eurocodice e la disponibilità della di- stribuzione statistica del carico di incendio per varie tipologie di attività hanno portato alla valutazione dei coefficienti parziali da applicare al carico di incendio, che consentono di definire il carico di incendio di progetto in funzione della probabilità obiettivo fissata e tenendo conto dell’attività svolta nell’edificio, dell’intervento dei Vigili del Fuoco o di squadre di emergenza, dei sistemi di protezione passiva (compartimentazione) e delle mi-

sure di protezione attiva presenti (sprinkler, sistemi di rilevazione, ecc.). L’applicazione del metodo e la calibrazione dei coefficienti parziali sono illustrati sinteticamente nel capi- tolo 3.

1.5.4 Verifiche nel dominio del tempo, della resistenza e della temperatura Nell’ambito delle normative vigenti (Norme Tecniche per le Costruzioni, 2008) il caso di incendio è assunto come una “situazione di progetto eccezionale” e la verifica di resistenza al fuoco, intesa come requisito R, viene condotta allo stato limite ultimo.

Per una struttura nel suo complesso o per un suo componente, essa può in generale es- sere effettuata:

a) nel dominio del tempo: t_{fi d,} ≥tfi richiesto_,

(tempo di resistenza al fuoco di progetto ≥ tempo di resistenza al fuoco richiesto);

b) o nel dominio della resistenza: R_{fi d t, ,} ≥E_{fi d t, ,}

(resistenza di progetto dell’elemento in esame in condizioni di incendio al tempo t ≥ valore di progetto della sollecitazione in condizioni di incendio al tempo t);

c) o nel dominio della temperatura: θ_{d t,} ≤θ_{cr d,}

(valore di progetto della temperatura dell’elemento al tempo t ≤ valore di progetto della temperatura critica dell’elemento, corrispondente alla perdita di capacità por- tante dell’elemento).

La verifica nel dominio della resistenza è nella sostanza l’estensione al caso dell’in- cendio della classica verifica di sicurezza a freddo (Rd ≥ Ed), dovendo tener conto in gene- rale del degrado della capacità portante per effetto del riscaldamento dei materiali e delle sollecitazioni presenti in condizioni di incendio, diverse rispetto a quelle in condizioni normali di temperatura sia per la differente combinazione di carico considerata (par. 0) sia per gli effetti iperstatici indotti dalle dilatazioni termiche contrastate.

La verifica nel dominio del tempo richiede la definizione del tempo di collasso della struttura o dell’elemento strutturale con riferimento al modello di incendio assunto, da con- frontare con il tempo di resistenza al fuoco richiesto, generalmente riferito all’incendio standard.

Figura 1.15 Relazione tra i singoli coefficienti parziali (EN1990, 2002).