LA RESISTENZA AL FUOCO DELLE STRUTTURE IN ACCIAIO E DI QUELLE DI LEGNO

Università degli studi della Basilicata

Scuola di Ingegneria

Corso di Costruzioni in Acciaio e Legno A.A. 2018-2019

Ing. Gianluca AULETTA

AZIONI ECCEZIONALI

AZIONI ECCEZIONALI (cap.3.6 NTC 2018)

INCENDIO ESPLOSIONI URTI

URTI (NTC 2018 cap. 3.6.3)

Le NTC 2018 definiscono le seguenti tipologie di urti:

- Urti da traffico veicolare;

- Urti da traffico ferroviario;

- Urti da imbarcazioni ed aeromobili.

AZIONI ECCEZIONALI

L’urto è una collisione tra due corpi

ESPLOSIONI (NTC 2018 cap. 3.6.2)

AZIONI ECCEZIONALI

L'esplosione è un fenomeno di trasformazione chimica o chimico-fisica che partendo da un

elemento solido, liquido o gassoso, genera la formazione di un gas ad elevate pressioni in un

tempo rapidissimo, accompagnato da sviluppo di energia (in buona parte termica).

Una esplosione può essere generata da miscele esplosive di polveri o gas in aria oppure da

materiali esplosivi propriamente detti

DEFLAGRAZIONE DETONAZIONE

Quando la velocità di propagazione del

fronte di reazione, nel mezzo reagente è

inferiore alla velocità del suono.

Quando la velocità di propagazione del

fronte di reazione, nel mezzo reagente è

superiore alla velocità del suono (7000 –

8000 m/s).

NTC 2018 cap. 2.1 Principi fondamentali

Sicurezza antincendio: capacità di garantire le prestazioni

strutturali previste in caso di incendio, per un periodo

previsto.

AZIONI ECCEZIONALI

Robustezza: capacità di evitare danni sproporzionati rispetto

all’entità di possibili cause innescanti eccezionali.

INCENDIO (NTC 2018 cap. 3.6.1)

Per incendio si intende la combustione autoalimentata e incotrollata di

materiali combustibili presenti in un compartimento.

RISCHIO D’INCENDIO

Incendio torre Windsor a

Madrid 12/02/2005

Incendio grattacielo Torch Tower a

Dubai

RISCHIO D’INCENDIO

Collasso del World Trade

Center a causa dell’incendio

del carburante aeronautico.

RISCHIO D’INCENDIO

Nuovo approccio

Vecchio approccio

con norme di

tipo prescrittivo

Nuovo approccio

con modelli di

tipo prestazionale

•Obiettivi non esplicitati dalla normativa

•Progettare secondo una regola tecnica

•Indicazione dei requisiti minimi

(resistenza al fuoco, alt.zze, dist.ze,)

•Prescrizioni espresse in termini di obiettivi

•Progettare in funzione degli scenari possibili

•Considerare le reazioni fra sistemi e soluzioni

•Valutazione dell’intero sistema in condizioni reali

RISCHIO D’INCENDIO

Quadro normativo

Normative Nazionali: - D.P.R. 1/8/2011 n°151 “nuovo regolamento di semplificazione di prevenzione

incendi”;

- D.M. 17/1/2018 “aggiornamento delle norme per le costruzioni”;

- D.M. 03/08/2015 “nuovo codice di prevenzione incendi”;

- Decreto Ministero dell’Interno 9/5/2007 “direttive per l’attuazione

dell’approccio ingegneristico alla sicurezza antincendio”;

- Decreto Ministero dell’Interno 9/3/2007 “ prestazioni di resistenza al fuoco delle

costruzioni nelle attività soggette al controllo del corpo nazionale VV.FF.

-CNR_DT206_2007 “ istruzioni per la progettazione, l’esecuzione e il controllo

delle strutture in legno” .

Normative Europee: - Eurocodice 2 parte fuoco “strutture in c.a. e c.a.p.”;

- Eurocodice 3 parte fuoco “strutture in Acciaio”;

- Eurocodice 5 parte fuoco “strutture in legno”;

“Progettazione di strutture in acciaio e composte acciaio-calcestruzzo in caso

di incendio”, E. Nigro, S. Pustorino, G. Cefarelli e P. Princi; Hoepli.

RISCHIO D’INCENDIO

GENERALITÀ

L’incendio può essere definito come un fenomeno di rapida

reazione di ossidazione dei materiali combustibili più vari, con

notevole sviluppo di energia sotto forma di luce e calore;

La combustione determina un aumento della temperatura dell’

ambiente che raggiunge valori elevati (>1000°C) in tempi brevi.

Perché un incendio si verifichi necessita la coesistenza di:

• combustibile;

• comburente (aria);

• sorgente iniziale di energia.

RISCHIO D’INCENDIO

FATTORI DI RISCHIO

Il rischio che si verifichi un incendio in un edificio dipende da

vari fattori:

• destinazione d’uso dell’edificio;

• superficie coperta;

• numeri di piani e superficie;

• altezza dell’edificio;

• numero degli occupanti;

• carico d’incendio;

• ventilazione e velocità di combustione.

N.B. il rischio che a seguito di un terremoto (specie se di

forte entità), ci sia anche un incendio, è molto elevata

RISCHIO D’INCENDIO

SVILUPPO DELL’INCENDIO

L’incendio viene di solito distinto in tre fasi schematiche:

1. fase iniziale o di accensione: va dall’apparire delle fiamme

fino al cosiddetto “flashover” o stato irreversibile (simultanea

ignizione di tutti i materiali combustibili) al di là del quale vi è

scarsa probabilità che l’incendio si spenga da solo, in tale

fase la Tmedia è intorno ai 500-600 °C;

2. fase di incendio vero e proprio o a Vcomb.costante: dopo il

“flashover” la temperatura cresce in modo esponenziale fino

al valore massimo (1000°C e più);

3. fase di estinzione o di raffreddamento: che va dal punto di

temperatura massima fino all’estinzione totale; tale fase si

ritiene ultimata quando la Tmedia raggiunge circa 300°C.

RISCHIO D’INCENDIO

I – Fase iniziale o di ignizione

Combustibili a contatto con sorgente

di calore

II – Propagazione

Vengono coinvolti altri oggetti

combustibili

III – Incendio generalizzato

Incendio esteso a tutti i combustibile

presenti

IV – Estinzione o

raffreddamento

Incendio diminuisce col consumo del

combustibile

RISCHIO D’INCENDIO

PROPAGAZIONE DELL’INCENDIO

La propagazione dell’incendio, sia all’interno che all’esterno

dell’ edificio avviene:

• Per irraggiamento delle fiamme;

• Per convezione poiché i fumi prodotti hanno

temperature di centinaia di gradi;

• Per trasporto di materia dovuto a correnti ascensionali

che trasportano gas caldi e particelle incandescenti;

• Per contatto diretto.

RISCHIO D’INCENDIO

RISCHIO INCENDIO

Per ridurre il rischio e gli effetti che l’incendio produce su

persone e cose bisogna:

• ridurre la FREQUENZA e quindi le cause del suo insorgere

(PREVENZIONE);

• ridurre l’entità delle conseguenze (MAGNITUDO) contenendo

i danni dell’ incendio qualora si sia verificato (PROTEZIONE)

Il RISCHIO è il prodotto della frequenza per il grado medio di

danno

MfR

RISCHIO D’INCENDIO

RISCHIO INCENDIO

Se riportiamo in un riferimento cartesiano questa relazione nel quale R1 è la

curva del rischio prima di qualsiasi intervento di prevenzione e protezione,

mentre R2 è la curva che consegue alla realizzazione delle predette misure.

RISCHIO D’INCENDIO

MISURE DI PREVENZIONE

Le principali misure di prevenzione da adottare:

• Impianti elettrici a norme CEI

• Adeguata manutenzione di impianti e macchinari

• Impianti di ventilazione e aspirazione

• Utilizzo di materiali con bassa classe di reazione al fuoco

• Regolamentazione nell’uso di fiamme libere

• Divieto di fumo nelle aree a maggior rischio

• Ordine e pulizia

RISCHIO D’INCENDIO

MISURE DI PROTEZIONE

Le misure di protezione sono provvedimenti volti a ridurre i

danni provocati da un incendio.

Essi si dividono in:

- PROTEZIONI PASSIVE non necessitano dell’intervento di

un operatore e/o dell’azionamento di un impianto (impedirne

l’estensione, salvaguardare la salute umana, contenere i

danni alle strutture, ecc.);

- PROTEZIONI ATTIVE necessitano dell’intervento di un

operatore e/o dell’azionamento di un impianto e sono

finalizzate alla pronta rilevazione, quindi alla segnalazione

ed allo spegnimento dell’incendio.

RISCHIO D’INCENDIO

MISURE DI PROTEZIONE PASSIVA

Le principali misure di protezione passiva da adottare:

• Barriere antincendio;

• Strutture aventi caratteristiche di resistenza al fuoco (REI)

proporzionate ai carichi d’incendio;

• Sistemi di vie d’uscita;

• Materiali classificati per la reazione al fuoco (che non sono

combustibili);

• Compartimentazione degli ambienti.

RISCHIO D’INCENDIO

MISURE DI PROTEZIONE PASSIVA

Cementizi spruzzati Pannelli prefabbricati

RISCHIO D’INCENDIO

MISURE DI PROTEZIONE ATTIVA

Le principali misure di protezione attiva da adottare:

- Estintori;

- Rete idrica antincendio (naspi e idranti);

- Impianti di rilevazione automatica d’incendio e allarme

incendio;

- Impianti di spegnimento automatici;

- Illuminazione di sicurezza;

- Evacuatori di fumo e di calore.

EFFETTI DELL’INCENDIO

Dilatazioni termiche Decadimento delle

proprietà meccaniche

EFFETTI DELL’INCENDIO

EFFETTI SUI MATERIALI DA COSTRUZIONE

• Rottura dei materiali fragili (vetro);

• fusione delle materie plastiche e di alcuni metalli (stagno, piombo,

zinco, ecc.);

• Sfaldamento delle pietre calcaree, arenarie e di graniti per effetto

delle diverse dilatazioni;

• Le pietre artificiali di cemento, pomice e di cls cellulare non

subiscono apprezzabili variazioni;

• I mattoni pieni resistono bene e a lungo; i forati si rompono per

effetto del taglio indotto dal ΔT fra i vari strati;

• Il gesso ha un comportamento caratteristico poiché perde acqua

per evaporazione e durante tale trasformazione le temperature

restano costanti; viene dilavato con i getti d’acqua di estinzione.

EFFETTI SUI MATERIALI DA COSTRUZIONE

Il comportamento dei cls varia a secondo:

• Della composizione e natura degli inerti;

• Della granulometria;

• Del grado di costipamento, ecc.

l

T °C 0 500 1000

Kcal

mh°C

1,4

0,8

0,5

CONDUTTIVITÀ CLS

T °C 0 350 1000

1

RESISTENZA CLS A

COMPRESSIONE

sRT

sR

600

0,45

EFFETTI DELL’INCENDIO

T °C 50 200 600

1

CLS: MODULO

ELASTICO

ET

E

400

0,5

0,15

0,05

EFFETTI DELL’INCENDIO

EFFETTI SUI MATERIALI DA COSTRUZIONE

Il comportamento dell’acciaio per cls ordinario:

• Si ipotizza una temper. uniforme sull’elemento esposto

• comportamento elasto–plastico indipendente dalla temp.

0 350 1000

1

RESISTENZA A

ROTTURA ACCIAIO

sRT

sR

500

0,5

T °C T °C 0 250 750

1

RESISTENZA s0,2

DELL’ ACCIAIO

s0,2T

s0,2

EFFETTI DELL’INCENDIO

T °C 0 400 1000

1

RESISTENZA s0,2

DELL’ ACCIAIO

s0,2T

s0,2

0,7

T °C 0 750

1

MODULO

ELASTICO ACCIAIO

ET

E

EFFETTI SUI MATERIALI DA COSTRUZIONE

Il comportamento dell’acciaio da costruzione:

• temperatura uniforme sull’elemento esposto

• comportamento elasto–plastico indipendente dalla temp.

EFFETTI DELL’INCENDIO

l

T °C 0 400 800

W

m°C

55

CONDUTTIVITÀ

ACCIAIO

EFFETTI SUI MATERIALI DA COSTRUZIONE

Il comportamento dell’acciaio da costruzione:

• temperatura uniforme sull’elemento esposto

• comportamento elasto–plastico indipendente dalla temp.

%

T °C 0 350 700

D L

L

1

DILATAZIONE

ACCIAIO

D L medio = 1,4 * 10-5 * T

L

EFFETTI DELL’INCENDIO

EFFETTI SUI MATERIALI DA COSTRUZIONE

Il comportamento dell’acciaio da costruzione: (EC3 parte fuoco)

Incendio Prestazioni meccaniche dell’acciaio

EFFETTI DELL’INCENDIO

EFFETTI SULLE STRUTTURE

Gli effetti del calore sulle strutture dipende essenzialmente in

rapporto ai seguenti fattori:

• distribuzione delle temperature nelle strutture: è generalmente

non uniforme quindi si hanno tensioni di origine termica tanto

più elevate quanto minore è la conduttività del materiale;

• degradazione dei materiali con l’aumentare della temperatura

e cioè diminuzione della resistenza e della rigidità: conduce ad

un’alterazione dello stato tensionale e deformativo con relativa

diminuzione del grado di sicurezza

• dilatazione termica degli elementi e delle strutture: ha

conseguenze diverse a seconda dello schema statico della

struttura ed in particolare dei vincoli.

EFFETTI DELL’INCENDIO

EFFETTI SULLE STRUTTURE

Crisi a taglio delle

travi

Schiacciamento

della colonna Instabilità locale

delle travi

EFFETTI DELL’INCENDIO

Effetti del secondo ordine;

Interazione tra gli elementi.

- EFFETTI DELLE DILATAZIONI TERMICHE -

EFFETTI DELL’INCENDIO

EFFETTI SULLE STRUTTURE

dilatazione termica degli elementi e delle strutture:

1. Dilatazioni libere (strutture isostatiche):

• Non generano nessuna sollecitazione

• Generano deformazioni notevoli che sommate a quelle

elastiche, plastiche e viscose gia presenti possono dar

luogo a scorrimenti eccessivi rispetto ai vincoli.

2. Dilatazioni impedite (strutture iperstatiche):

• Generano sforzi normali e momenti flettenti

N = a • E • DTm • A s = a • E • DTm

M = a • (DTm/h) • E • J s = ½ • a • E • DTm

a = (1,2 – 1,5) • 10-5

EFFETTI DELL’INCENDIO

EFFETTI SULLE STRUTTURE

2. Dilatazioni impedite (strutture iperstatiche):

Per una trave in acciaio di 6 m di luce, costituita da un IPE200

(h = 20 cm A = 28,5 cm2 J = 1943 cm4), con una

temperatura distribuita linearmente da 100°C al bordo

inferiore a 20°C al bordo superiore, assumendo a = 1,2 • 10-5

si ottiene:

N = 43,1 t sn = 1512 kg/cm2

M = 1959 kg•cm sm = 1008 kg/cm2

Quindi si generano sforzi spesso incompatibili con la resistenza

della struttura e dei vincoli stessi.

EFFETTI DELL’INCENDIO

EFFETTI SULLE STRUTTURE

2. Dilatazioni impedite (strutture iperstatiche):

In realtà per il cedimento dei vincoli, la plasticizzazione delle

sezioni, l’inflessione per carico di punta e le deformazioni

plastico – viscose attenuano l’intensità degli sforzi fino a

determinare, addirittura un’inversione degli sforzi assiali.

Nelle strutture intelaiate gli allungamenti dei traversi aggravano

le condizioni dei pilastri, mentre le dilatazioni delle piastre dei

solai danneggiano le travi e così via.

Tutti gli effetti negativi possono essere eliminati creando dei

giunti di dilatazione.

RESISTENZA ALL’INCENDIO

RESISTENZA ALL’INCENDIO

La resistenza all’incendio è la proprietà di una struttura, nelle condizioni in

cui si trova, di continuare ad assolvere le sue funzioni sotto l’azione

contemporanea del carico che vi insiste, e del fuoco quale in realtà si

sviluppa.

Essa è l’attitudine di un elemento costruttivo o della struttura a conservare

per un tempo determinato:

• la stabilità (“R”) ossia l’attitudine a conservare la resistenza

meccanica sotto l’azione del fuoco;

• la tenuta (“E”) ossia l’attitudine a non lasciar passare né

produrre fiamme, vapori o gas caldi in caso d’incendio;

• l’isolamento termico (“I”) ossia l’attitudine che una struttura

manifesta a ridurre, entro dei limiti, la trasmissione del calore.

EFFETTI DELL’INCENDIO

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Pertanto i simboli REI, RE, R, identificano elementi costruttivi

che devono conservare, per un tempo determinato, le

caratteristiche di:

SIMBOLO CARATTERISTICHE

REI Stabilità, tenuta, isolamento termico

RE Stabilità, tenuta

R Stabilità

Azione Eccezionale INCENDIO (NTC 2018 cap. 3.6.1)

Ai fini della normativa, si fa riferimento ad un “incendio convenzionale

di progetto”, definito attraverso una curva di incendio che rappresenta

l’andamento, in funzione del tempo, della temperatura dei gas di

combustione nell’intorno della superficie degli elementi strutturali.

- Curva nominale: adottata per la classificazione delle costruzioni e per

le verifiche di resistenza al fuoco di tipo convenzionale;

- Curva naturale: determinata in base a modelli d’incendio e a

parametri fisici che definiscono le variabili di stato all’interno del

compartimento.

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Carico d’incendio specifico di progetto: si intende il potenziale termico

netto che può essere prodotto nel corso della combustione di tutti i

materiali combustibili contenuti in un compartimento, riferito all’unità

di superficie.

Compartimento antincendio: parte della costruzione delimitata da

elementi costruttivi resistenti al fuoco.

2

21, MJ/m nqqfdf qq

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Carico d’incendio specifico di progetto:

δq1 è il fattore che tiene conto del rischio di incendio in relazione alla dimensione del

compartimento

2

21, MJ/m nqqfdf qq

RESISTENZA ALL’INCENDIO

δq2 è il fattore che tiene conto del rischio di incendio in relazione al tipo di attività

svolta nel compartimento

Carico d’incendio specifico di progetto: 2

21, MJ/m nqqfdf qq

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Carico d’incendio specifico di progetto: 2

21, MJ/m nqqfdf qq

RESISTENZA ALL’INCENDIO

qf è il valore nominale del carico d’incendio specifico da determinarsi

secondo la formula:

g i: massa dell’i-esimo materiale combustibile [Kg];

Hi: potere calorifico dell’i-esimo combustibile [Mj/Kg];

m i: fattore di partecipazione alla combustione dell’i-esimo materiale

combustibile pari a 0.80 per il legno e altri materiali di natura cellulosica e 1.00

per tutti gli altri materiali combustibili;

Yi: fattore di limitazione della partecipazione alla combustione dell’i-esimo

materiale pari a 0 per i materiali contenuti in contenitori resistenti al fuoco e

pari a 0.85 per quelli contenuti in contenitori non resistenti al fuoco e 1 in tutti

gli altri casi;

A: superficie in pianta lorda del compartimento [m2].

A

mHg

q

n

i

iiii

f

1

Carico d’incendio specifico di progetto: 2

21, MJ/m nqqfdf qq

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Per alcuni tipi di edifici sono disponibili valori di riferimento del carico

di incendio nominale qf, definiti su base statistica, in funzione della

destinazione d’uso.

Carico d’incendio specifico di progetto: 2

21, MJ/m nqqfdf qq

Si deve far riferimento al frattile 80% della distribuzione.

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Richieste di prestazione: Al fine di limitare i rischi derivanti dagli incendi, le costruzioni devono essere

progettate e costruite in modo tale da garantire la resistenza e la stabilità degli

elementi portanti e limitare la propagazione del fuoco e dei fumi secondo

quanto previsto dalle normative antincendio.

RESISTENZA ALL’INCENDIO

La classe di resistenza al fuoco è l’intervallo di tempo in

minuti, definito in base al carico di incendio specifico,

durante il quale il compartimento antincendio garantisce la

capacità di compartimentazione.

Classi di resistenza al fuoco:

15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240 e 360

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Livello 2 di prestazione:

Il livello 2 di prestazione può ritenersi adeguato per costruzioni fino a due piani

fuori terra ed un piano interrato, isolate – eventualmente adiacenti ad altre

purchè strutturalmente e funzionalmente separate – destinate ad un’unica

attività non aperta al pubblico e ai relativi impianti tecnologici di servizio e

depositi.

Le classi di resistenza al fuoco necessarie per garantire il livello 2 sono le

seguenti:

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Livello 3 di prestazione:

Il livello 3 di prestazione può ritenersi adeguato per tutte quelle costruzioni

rientranti nel campo di applicazione del D.M 9 marzo 2007 (ministero

dell’interno). Le classi di resistenza al fuoco necessarie per garantire tale

livello sono in funzione del carico d’incendio specifico di progetto.

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Criteri di progettazione

La sicurezza del sistema strutturale in caso di incendio si determina sulla base

della resistenza al fuoco dei singoli elementi strutturali, di porzioni di struttura

o dell’intero sistema costruttivo.

Procedura di analisi della resistenza al fuoco

- Individuazione dell’incendio di progetto appropriato alla costruzione in esame;

- Analisi della evoluzione della temperatura all’interno degli elementi strutturali;

- Analisi del comportamento meccanico delle strutture esposte al fuoco;

- Verifiche di sicurezza.

Incendio di progetto

Secondo l’incendio convenzionale di progetto adottato, l’andamento delle

temperature viene valutato con riferimento a :

- Una curva di incendio nominale;

- Una curva di incendio naturale.

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Schema generale della verifica strutturale in condizioni

di incendio

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Incendio di progetto (curve nominali) Nel caso di incendio di materiali di natura cellulosica la curva di

incendio nominale standard è la seguente:

Nel caso di incendi di quantità rilevanti di idrocarburi o altre sostanze

con equivalente velocità di rilascio termico, la curva di incendio

nominale standard è:

Nel caso di incendi sviluppatisi all’interno di un compartimento, ma

che coinvolgono strutture poste all’esterno, la curva di incendio

nominale standard diventa la seguente

18log34520 10 tg

20675.0325.011080 5.2167.0 tt

g ee

20313.0687.01660 8.332.0 tt

g ee

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Curve d’incendio nominali

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Incendio di progetto (curve naturali)

- Incendi parametrici, equazione temperatura-tempo in funzione di specifici

parametri (per incendi in fase post-flashover);

- Modello di incendio localizzato, (per incendi in fase pre-flashover);

- Modello di incendio su elementi esterni, per la valutazione degli effetti di

un incendio su elementi posti all’esterno del compartimento, cioè interessati

dalle fiamme che fuoriescono attraverso le aperture del compartimento stesso

(per incendi in fase post-flashover);

- Modelli a zone, ( modelli termodinamici per incendi in fase di pre e/o post-

flashover);

- Modelli di campo o CFD, ( modelli termodinamici generali per incendi e

fumi);

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Analisi dell’evoluzione della temperatura

Il campo termico all’interno dei componenti della struttura viene valutato

risolvendo il corrispondente problema di propagazione del calore, tenendo

conto del trasferimento di calore per irraggiamento e convezione dei gas di

combustione alla superficie esterna degli elementi e considerando l’eventuale

presenza di materiali protettivi.

Flusso di calore:

rnetcnetnet hhh ,,

2

, W/m mgccneth a

244

, W/m 273273 mgsfrneth s

Convezione:

Radiazione:

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Analisi dell’evoluzione della temperatura

Dopo aver definito il flusso di calore netto ḣnet (W/m2) trasmesso alla superficie,

è possibile determinare la distribuzione delle temperature negli elementi

mediante la risoluzione dell’equazione di Fourier.

Sezione di un profilo in acciaio Sezione di trave in c.a.p.

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Analisi dell’evoluzione della temperatura

Modelli semplificati per elementi di acciaio non protetti (EN 1993-1-2)

thc

VAk dnet

aa

mshta D

D ,,

/

VA

bVAk

m

msh

/

/9.0

Temperatura ipotizzata uniforme sull’intera sezione

VAm /

Fattore di sezione

Shadow effect

(effetto ombra)

Ca = calore specifico dell’acciaio assunto costante e pari a 650 j/KgK

a = densità dell’acciaio in Kg/m3

RESISTENZA ALL’INCENDIO

FATTORE DI SEZIONE (EC3 parte fuoco)

RESISTENZA ALL’INCENDIO

FATTORE DI SEZIONE (EC3 parte fuoco)

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Analisi dell’evoluzione della temperatura

Modelli semplificati per elementi di acciaio protetti (EN 1993-1-2)

tg

tatg

aap

pp

ta etcd

VA,

10/,,

, 13/1

/

l DD

D

Temperatura ipotizzata uniforme sull’intera sezione

Cp = calore specifico del materiale protettivo indipendente dalla temperatura

p = densità del materiale protettivo

V

A

c

dc p

aa

ppp

lp = conducibilità termica del materiale

protettivo

Ap = area della superficie interna del

materiale protettivo per unità di lunghezza

dell’elemento metallico

IPE 300; protezione: lp = 0.15 w/(m k);

cp =1000 j/(Kg k), p = 250 Kg/m3

RESISTENZA ALL’INCENDIO

FATTORE DI SEZIONE (dell’elemento rivestito con materiale

protettivo)

RESISTENZA ALL’INCENDIO

3.5. Analisi dell’evoluzione della temperatura Modelli semplificati per solette composte acciaio-calcestruzzo (EN

1994-1-2 allegato D)

2

432

3

10

1 bb

L

Ab

lbb

r

a

Soletta composta acciaio-calcestruzzo esposta alla curva di incendio standard

Temperatura della flangia superiore, dell’anima e della flangia inferiore

2

212

22

212

22

2

ll

hl

llh

L

A

r

3

2

212

2

2

213

2

222

l

llh

lllh

Fattore di configurazione o di vista della

flangia superiore

Fattore di geometria

della nervatura

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Analisi dell’evoluzione della temperatura Modelli semplificati per solette composte acciaio-calcestruzzo (EN

1994-1-2 allegato D)

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Analisi dell’evoluzione della temperatura Modelli semplificati per solette composte acciaio-calcestruzzo (EN

1994-1-2 allegato D)

3

5432

2

310

1

lcc

L

Aczc

h

ucc

r

s a

Soletta composta acciaio-calcestruzzo esposta alla curva di incendio standard

Temperatura delle barre di rinforzo posizionate nelle nervature

321

1111

uuuz

Posizione della barra

nella nervatura

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Analisi dell’evoluzione della temperatura

Modelli semplificati per solette composte acciaio-calcestruzzo (EN

1994-1-2 allegato D)

Verifica nei confronti della tenuta “E” e dell’isolamento termico “I”

- Il criterio della tenuta “ E” secondo l’EN 1994-1-2 risulta automaticamente

soddisfatto se la soletta è stata progettata conformemente alle indicazioni

dell’EC4 -1-1.

- Il criterio dell’isolamento termico “ I” riguarda la capacità di una

membratura di prevenire un’eccessiva trasmissione di calore. L’aumento

medio di temperatura su tutta la superficie del solaio non esposta all’incendio

non deve eccedere il valore di 140°C ed in nessun punto di tale superficie il

valore massimo dell’incremento di temperatura deve superare i 180°C.

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Analisi dell’evoluzione della temperatura Modelli semplificati per solette composte acciaio-calcestruzzo (EN

1994-1-2 allegato D)

Tempo di resistenza al fuoco nei riguardi del criterio dell’isolamento

3

5

3

432110

11

lL

Aa

la

L

Aaahaat

rr

i

La temperatura nella zona compressa di calcestruzzo (momento positivo)

presenta valori generalmente abbastanza contenuti. Infatti, se il criterio

dell’isolamento termico “ I” risulta soddisfatto, l’aumento di temperatura medio

sulla parte non esposta al fuoco non può essere superiore a 140°C; di

conseguenza il calcestruzzo non subisce significative riduzioni di resistenza.

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Analisi del comportamento meccanico

- Il comportamento meccanico della struttura viene analizzato tenendo conto

della riduzione della resistenza meccanica dei componenti dovuta al

danneggiamento dei materiali per effetto dell’aumento di temperatura e per lo

stesso periodo di tempo usato nell’analisi dell’evoluzione della temperatura;

- Si deve tener conto della presenza delle azioni permanenti e di quelle variabili

che agiscono contemporaneamente all’incendio secondo la combinazione

eccezionale;

- Si deve tener conto, dove necessario, degli effetti delle sollecitazioni

iperstatiche dovute alle dilatazioni termiche impedite.

...22212121 kkd QQAPGG

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Verifiche di sicurezza NTC 2018

La verifica della resistenza al fuoco viene eseguita controllando che la

resistenza meccanica venga mantenuta per il tempo corrispondente

alla classe di resistenza al fuoco della struttura con riferimento alla

curva nominale di incendio.

Nel caso si utilizzi la curva naturale d’incendio, le analisi e le verifiche

devono essere estese all’intera durata dell’incendio, inclusa la fase di

raffreddamento.

Le prestazioni di resistenza al fuoco dei prodotti e degli elementi

costruttivi devono essere determinati in base ai risultati di:

a) PROVE; b) CALCOLI;

c) CONFRONTI CON TABELLE

Verifiche di sicurezza DM 16/02/2007

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Classificazione mediante confronto con tabelle (all. D, DM 16/02/2007)

Verifiche di sicurezza DM 16/02/2007

Solette piene e solai alleggeriti “ R”

Con “ H” spessore solaio o soletta e con “ a” copriferro

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Classificazione mediante confronto con tabelle (all. D, DM 16/02/2007)

Verifiche di sicurezza DM 16/02/2007

Solette piene e solai alleggeriti, tenuta e isolamento “ EI”

Valori minimi dello strato di materiale isolante e della parte in c.a.

Con “ h” del materiale isolante e con “ d” parte in c.a.

RESISTENZA ALL’INCENDIO

TRAVI, TIRANTI E COLONNE IN ACCIAIO

Valori minimi dello spessore di rivestimento protettivo, sufficiente a garantire il

requisito “ R” al variare del fattore di sezione S/V (m-1).

RESISTENZA ALL’INCENDIO

TRAVI, TIRANTI E COLONNE IN ACCIAIO

Valori minimi dello spessore di rivestimento protettivo, sufficiente a garantire il

requisito “ R” al variare del fattore di sezione S/V (m-1).

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Metodi di verifica degli elementi in caso di incendio

Analisi nel dominio del tempo: si verifica che la durata di esposizione

all’incendio prima della perdita di stabilità sia maggiore della resistenza al fuoco

richiesta (la resistenza al fuoco richiesta corrisponde al tempo in cui la struttura deve

mantenere la propria capacità portante).

tfi,d ≥ tfi,richiesto

Analisi nel dominio della resistenza: si verifica che, durante l’esposizione

all’incendio considerata, la resistenza di progetto sia superiore alla sollecitazione di

progetto:

Rfi,d,t ≥ Efi,d,t

Analisi nel dominio della temperatura: si verifica che, per tutto il tempo di

esposizione all’incendio, la temperatura degli elementi non superi la temperatura

critica, definita come la temperatura in corrispondenza della quale un elemento,

soggetto ad un dato carico, perde la propria capacità portante:

Ja,t ≤ Jcr

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Verifiche di sicurezza (par. 4.2 EC3)

Modelli di calcolo semplici

La funzione portante di un elemento strutturale di acciaio o di un elemento strutturale

può essere assunta come invariata dopo un periodo di tempo t, per un dato fuoco di

progetto, se:

dove:

Efi,d è l’effetto di progetto delle azioni per la situazione di incendio determinato in

conformità alla ENV 1991-2-2;

Rfi,d,t è la resistenza di progetto di una struttura di acciaio o per una situazione di

incendio al tempo t.

La resistenza di progetto Rfi,d,t al tempo t deve essere determinata per la

distribuzione di temperatura nella sezione trasversale, modificando la resistenza di

progetto per la progettazione a temperatura normale, al fine di mettere in conto le

proprietà meccaniche dell'acciaio alle temperature elevate.

tdfidfi RE ,,,

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Verifiche di sicurezza (par. 4.2.3)

La resistenza di progetto Nfi,t,Rd di un elemento teso soggetto ad una distribuzione

di temperatura non uniforme al tempo t, può essere determinata mediante la relazione

Elementi tesi

dove:

Ai è l'area elementare della sezione trasversale a temperatura i;

ky,q,i è il fattore di riduzione della resistenza allo snervamento dell'acciaio alla

temperatura i;

i è la temperatura dell'area elementare Ai.

n

i

fiMyiiyRdtfi fAkN1

,,,,, /

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Verifiche di sicurezza (par. 4.2.3)

Proprietà di resistenza e deformazione dell’acciaio

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Proprietà di resistenza e deformazione dell’acciaio

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Verifiche di sicurezza (par. 4.2.3)

Elementi tesi

La resistenza di progetto Nfi,,Rd di un elemento teso a temperatura uniforme a può

essere determinata da:

dove:

ky, è il fattore di riduzione della resistenza allo snervamento dell'acciaio a temperatura

a;

NRd è la resistenza di progetto della sezione trasversale lorda Npl,Rd per la

progettazione a temperatura normale

fiM

MRdyRdfi NkN

,

0,,,

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Verifiche di sicurezza (par. 4.2.3)

Elementi inflessi

Il momento di resistenza di progettazione Mfi,t,Rd al tempo t di una sezione trasversale

di classe 1 o classe 2 con una distribuzione non uniforme della temperatura può

essere determinata da:

Dove:

Zi è la distanza dall’asse neutro plastico al centro gravitazionale della superficie

elementare Ai;

fy,i è il limite di elasticità nominale fy per una delle superfici elementare Ai preso come

positivo sul lato compresso dell’asse neutro plastico e come negativo sul lato in

tensione;

Ai e ky,i sono i parametri definiti precedentemente.

n

i

fiMyiiiyRdtfi fZAkM1

,,,,, /

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Verifiche di sicurezza (par. 4.2.3)

Elementi inflessi Il momento resistente di progetto Mfi,,Rd di una sezione trasversale di classe 1 o

classe 2 caratterizzata da una distribuzione uniforme di temperatura a può essere

così determinato:

dove:

MRd è il momento di resistenza plastica della sezione trasversale lorda Mpl,Rd per la

progettazione a temperatura ordinaria;

ky, è il fattore di riduzione della resistenza allo snervamento dell'acciaio a

temperatura a.

fiM

MRdyRdfi MkM

,

0,,,

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Verifiche di sicurezza

I Collegamenti Per le connessioni bullonate si suggerisce di non effettuare la verifica della sezione

netta in corrispondenza dei fori, in quanto la temperatura dell’acciaio nella zona della

connessione è più bassa rispetto alla parte centrale della trave grazie alla presenza

di materiale aggiuntivo, quale ad esempio le squadrette del collegamento.

dove:

Fv,Rd è la resistenza a taglio di progetto del bullone, valutata assumendo come

sezione resistente la sezione filettata;

Fb,Rd è la resistenza di progetto a rifollamento valutata in condizioni normali;

kb, è il fattore di riduzione della resistenza, dipendente dalla temperatura del bullone;

M2 è il coefficiente parziale di sicurezza a temperatura normale;

M,fi è il coefficiente parziale di sicurezza in condizioni di incendio;

fiM

MbRdvRdtv kFF

,

2,,,,

fiM

MbRdbRdtb kFF

,

2,,,,

Resistenza a taglio dei bulloni Resistenza a rifollamento

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Verifiche di sicurezza I Collegamenti Per le connessioni saldate del tipo a completa penetrazione, se la temperatura è

inferiore a 700°C, la resistenza della connessione dovrebbe essere assunta uguale

alla resistenza della parte collegata più debole, usando appropriati fattori di riduzione

per l’acciaio strutturale; per temperature superiori a 700°C, il fattore di riduzione

della resistenza può essere posto uguale a quello fornito per le altre tipologie di

saldature.

dove:

FW,Rd è la resistenza della saldatura in

condizioni normali;

kW, è il fattore di riduzione della

resistenza della saldatura, dipendente

dalla temperatura ;

fiM

MWRdWRdtW kFF

,

2,,,,

Resistenza della saldatura

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Verifiche di sicurezza

Verifiche di resistenza di solai composti acciaio-cls Valutazione con il metodo semplificato. Tale metodo consente di valutare la

temperatura della lamiera suddivisa in tre parti (flangia inferiore, flangia superiore e

anima), delle eventuali barre di rinforzo e della soletta di calcestruzzo. Conoscendo

la distribuzione di temperatura nella sezione si può calcolare il momento resistente.

0,,

3

1 ,,

,

,, cfiM

cslab

i afiM

iy

iyi

fbx

fkA

a

Equilibrio alla traslazione

cfiM

cjslab

i afiM

iy

iyiitRdfi

fzbx

fkzAM

,,

3

1 ,,

,

,,,,

a

Momento resistente

RESISTENZA ALL’INCENDIO

Verifiche di sicurezza

Verifiche di resistenza di solai composti acciaio-cls

Una soluzione molto efficace per incrementare la resistenza a momento positivo

della soletta composta in condizioni di incendio consiste nel disporre barre di

armatura aggiuntive nelle nervature. Tale armatura, beneficiando della protezione del

calcestruzzo, attinge temperature più basse rispetto a quelle della lamiera.

0,,1 ,,

,

,,

3

1 ,,

,

,, cfiM

cslab

n

k afiM

kys

ksk

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iyi

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fkA

a

Equilibrio alla traslazione

cfiM

ccslab

n

k afiM

kys

kskk

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iy

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fzbx

fkzA

fkzAM

,,1 ,,

,

,,

3

1 ,,

,

,,,,

a

Momento resistente

Verifiche di resistenza di solai composti acciaio-cls con armatura aggiuntiva

nelle nervature.

RESISTENZA ALL’INCENDIO

STRUTTURE IN LEGNO

STRUTTURE IN LEGNO

Caratteristiche all’incendio:

- Materiale combustibile: durante l’incendio gli elementi strutturali esposti

subiscono una riduzione di massa;

- Bassa conducibilità termica: (circa 0.15 W/mK), perciò esso si comporta come

un buon isolante termico.

Meccanismo della combustione del legno

1°stadio: riscaldamento con conseguente perdita d’acqua;

2°stadio: il riscaldamento provoca la decomposizione del legno con

liberazione di sostanze volatili, che mescolandosi con l’aria, danno luogo a

miscele combustibili. La temperatura d’ignizione può assumere valori di 200-

300 °C;

3°stadio: combustione della parte solida, per lo più frazione carboniosa, la

combustione procede verso l’interno con velocità finita, chiamata “velocità di

penetrazione della carbonizzazione”.

STRUTTURE IN LEGNO

Solaio in legno non crollato

a seguito dell’incendio

Capannone in c.a. cedimento

delle armature metalliche

STRUTTURE IN LEGNO

STRUTTURE IN LEGNO

Durante la combustione si possono distinguere tre zone

all’interno della sezione:

Zona Carbonizzata: situata all’esterno della sezione, in essa non si

considera più alcuna caratteristica di resistenza;

Zona Alterata: strato intermedio dello spessore di alcuni millimetri,

in cui le caratteristiche meccaniche sono degradate;

Zona Interna: parte della sezione non ancora investita dal fuoco, in

tale zona le caratteristiche meccaniche sono pressochè inalterate.

STRUTTURE IN LEGNO

Valutazione della sicurezza: con la CNR_DT206_2007

Si definiscono i seguenti termini che nel seguito saranno utilizzati, con riferimento

alla sezione trasversale di un generico elemento di legno:

- linea di carbonizzazione: confine tra strato carbonizzato e sezione trasversale

residua;

- sezione trasversale residua: sezione trasversale originaria ridotta dello strato

carbonizzato;

- sezione trasversale efficace: sezione trasversale originaria ridotta dello strato

carbonizzato e di un successivo strato in cui si considerano nulli i valori di resistenza

e di rigidezza.

STRUTTURE IN LEGNO

Valutazione della sicurezza: con la CNR_DT206_2007

RESISTENZA DI UN ELEMENTO LIGNEO ESPOSTO AL FUOCO

Per il singolo elemento ligneo esposto al fuoco, in assenza di valutazioni più rigorose, si può

fare riferimento al calcolo della cosiddetta “sezione efficace” in corrispondenza del tempo t

richiesto di resistenza al fuoco.

00 dkdd charef

STRUTTURE IN LEGNO

Valutazione della sicurezza: con la CNR_DT206_2007

Velocità di carbonizzazione

Per quanto riguarda la velocità di carbonizzazione b0, in mancanza di valutazioni

sperimentali dirette effettuate in accordo alle pertinenti normative CEN, si può fare

riferimento a quanto riportato nella Tabella 12.1.