Resistenza al fuoco di strutture in acciaio

Il problema della resistenza al fuoco delle strutture in acciaio è un argomento molto delicato in quanto l’eventuale esposizione alle alte temperature, ad esempio in seguito ad un incendio, potrebbe portare ad una drastica riduzione della capacità portante del metallo, pregiudicando tutte quelle caratteristiche meccaniche (in primo luogo il modulo di elasticità) in funzione delle quali la struttura stessa era stata progettata, portandola a limite, anche al collasso.

Pertanto, come soluzione al problema della sicurezza antincendio, molto spesso si ricorre all’impiego di protettivi di tipo passivo, come ad esempio le vernici intumescenti.

Per eseguire le verifiche di resistenza al fuoco è necessario innanzitutto individuare una curva di incendio, tali curve si distinguono in nominali e naturali: le curve nominali sono quelle fornite dalla normativa; mentre le curve naturali sono basate su modelli di incendio realistici che tengono conto sia della fase “pre” che della fase “post” flashover, a differenza delle prime che invece tengono conto solo della fase post flash over.

La curva a cui si farà riferimento nel presente articolo è la ISO 834 rappresentata dalla seguente equazione:

Caso di studio

A titolo di esempio verrà trattato un caso specifico di verifica di resistenza al fuoco di un elemento appartenente ad una struttura in acciaio consistente in un capannone industriale le cui dimensioni in pianta sono pari a 24 m x 72 m, l’altezza massima è di 10,60 m in gronda e 11,20 m al colmo. La struttura è composta da 13 portali paralleli e distanti 6 m tra loro; ciascun portale è costituito da due pilastri con sezione HEA 450 alle cui teste è collegata la trave reticolare di copertura simmetrica di pendenza pari al 5%.

La parte di struttura analizzata sarà proprio la trave reticolare di copertura le cui caratteristiche sono riportate nella seguente tabella:

Sarà analizzato il corrente superiore sollecitato a compressione e quindi potenzialmente soggetto ad instabilità; si considera che i due profili siano a contatto tra di loro e che la sezione sia esposta uniformemente al calore su tutti e 4 i lati

Il primo passo da seguire è quello di effettuare un’analisi dei carichi agenti sulla struttura ed individuarne una combinazione che, secondo il codice di prevenzione incendi, nonché alle NTC 2018, deve essere di tipo “eccezionale” impiegata per gli stati limite ultimi connessi alle azioni eccezionali (A):

dove A_d è il valore di progetto dell’azione termica indiretta dovuta all’incendio (in genere le co-azioni da deformazioni termiche impedite per le strutture iperstatiche ma anche le co-azioni per riscaldamento differenziale della sezione trasversale).

Non viene considerata la contemporaneità dell’evento di incendio con altri eventi eccezionali (compresi quelli sismici).

Si determina quindi il carico di incendio di progetto che è funzione della quantità e della tipologia dei materiali stoccati all’interno del compartimento, nonché del loro potere calorifico.

l’unità di misura adottata è MJ/m².

Si determina il tempo t al quale la temperatura nella sezione maggiormente sollecitata, raggiunge il valore critico θ_cr, in corrispondenza del quale la resistenza di progetto dell’elemento in acciaio raggiunge la sollecitazione di progetto dovuta all’incendio con conseguente perdita di capacità portante.

Tale procedura si può risolvere affrontando i seguenti tre punti:

• calcolo della variazione della temperatura Δq_a nell’elemento strutturale in funzione del tempo t di esposizione all’incendio;
• valutazione della riduzione della resistenza caratteristica di snervamento f_yk dell’acciaio in funzione della temperatura;
• determinazione della temperatura critica θ_cr dell’elemento strutturale, come precedentemente definita.

Per determinare il Δq in funzione del tempo di esposizione al fuoco, considerando l’elemento non protetto e ipotizzando una distribuzione di temperatura uniforme sulla sezione trasversale, si può utilizzare la relazione fornita al punto 4.2.5.1 della UNI EN 1993-1-2:

dove:

Δθ_a in °C, è l’aumento di temperatura dell’elemento in acciaio, nell’intervallo di tempo Δt di esposizione all’incendio, espresso in secondi;

k_sh è il fattore di correzione dovuto all’effetto ombra;

c_a è il calore specifico dell’acciaio in condizioni d’incendio;

ρ_a è la massa volumica dell’acciaio in condizioni d’incendio;

A_i/V_i è il fattore di sezione dell’elemento strutturale non protetto, dato dal rapporto tra la superficie esposta all’incendio ed il volume dell’acciaio interessato dal flusso termico in m^-1;

h_net  rappresenta il flusso termico netto per unità di area in W/m².

I valori di Δθ ottenuti sono stati riportati su un grafico tempo – temperatura

La curva T_s,_{non protetto} rappresenta la variazione nel tempo della temperatura di un elemento strutturale in acciaio privo di protezione dal fuoco ed esposto ad una curva nominale d’incendio standard ISO 834.

Ipotizzando una classe di resistenza pari a R45; si osserva che la temperatura raggiunta dall’elemento in esame, dopo 45 minuti di esposizione, risulta pari a circa 892 ° C.

A questo punto si procede nel calcolare la temperatura critica θcr la quale, in un elemento costituito da sezioni di classe 1, 2 o 3, si determina in funzione del grado di utilizzazione dell’acciaio (μ₀), che è definito nel par. 4.2.4 delle UNI EN 1993-1-2 dalla seguente espressione:

con:

E_fi,d      sollecitazione di progetto dell’elemento in caso di incendio, ottenuta attraverso la combinazione dei carichi e viene ipotizzata costante nel tempo;

R_fi,d,0   resistenza di progetto della sezione durante l’incendio calcolata per l’istante iniziale (t = 0): in accordo con le EN 1993-1-2 si applica un coefficiente parziale di sicurezza γ_M,fi pari a 1.

Nell’ipotesi di temperatura uniforme nella sezione, la temperatura critica θ_cr, in °C, per valori di μ₀ non inferiori a 0,013, può determinarsi con la seguente relazione:

che nel caso specifico restituisce un valore pari a circa 850 °C che, osservando il grafico tempo – temperatura, si raggiunge prima dei 45 min. Per brevità di trattazione si omettono i calcoli effettuati per determinare la sollecitazione e la resistenza di progetto.

Si esegue quindi, la verifica degli stessi elementi applicando uno strato di protettivo pari a 1mm; nello specifico si utilizza una vernice intumescente. 

Per determinare la variazione della temperatura Δθ in funzione del tempo t di esposizione all’incendio nell’elemento metallico protetto, occorre procedere analogamente a quanto esposto precedentemente risolvendo le equazioni del transitorio termico.

L’equazione proposta dalla norma EN 13381-4 (protettivi di tipo passivo) è la seguente:

con:

Δθ_g,t  è l’incremento della temperatura dei gas nell’intervallo di tempo da t a t+Δt (°C);

d_p      è lo spessore del materiale protettivo in m;

ρ_p      è la densità del materiale protettivo in kg/m³;

c_p      è il calore specifico del materiale protettivo, costante con la temperatura in J/kg·K;

λ_p      è la conduttività termica del materiale protettivo in W/m·K.

È ammessa una semplificazione della formula trascurando il calore specifico del protettivo, in questo modo si annulla il parametro Φ ottenendo la seguente relazione semplificata:

e ponendo

si ha:

Risolvendo per incrementi, esattamente come nel caso precedente, si ottiene la seguente curva temperatura – tempo:

Questa volta la temperatura critica si raggiungerà dopo un tempo di oltre 200 min rispettando abbondantemente la classe di resistenza stabilita.

Si riassumono nella seguente tabella, i valori di alcuni dei parametri di input necessari per le verifiche:

Conclusioni

Per la verifica di resistenza al fuoco, la normativa non ammette metodi tabellari ma solo metodi analitici; pertanto, la verifica delle strutture in acciaio in presenza di alte temperature, è considerata una disciplina specialistica di estrema importanza.

Nel presente caso di studio è stata effettuata la verifica analitica del livello di prestazione di resistenza al fuoco richiesto (III) mediante soluzioni conformi.

Tale verifica ha dimostrato, per la trave reticolare di copertura, il mancato raggiungimento del requisito minimo richiesto per il livello III di resistenza al fuoco pari a R45; pertanto, si è studiato il comportamento della sezione a seguito dell’applicazione di uno strato di vernice intumescente, il quale ha permesso di soddisfare la verifica di resistenza al fuoco per la richiesta capacità portante.

Procedendo con modellazioni avanzate, è possibile valutare in maniera più spinta le prestazioni delle strutture metalliche, riuscendo in tal modo ad ottimizzare lo spessore di protettivo anche con bassi carichi d’incendio o con basse richieste di prestazione.

Un’evoluzione del presente studio potrebbe essere quella di verificare l’applicabilità della procedura proposta, considerando differenti curve di input termico diverse dalla ISO 834.

Va sottolineato inoltre, che la modellazione di un’intera struttura all’interno di un metodo di calcolo avanzato (ad. es. FEM), conscendo le proprietà termiche della vernice intumescente, consentirebbe da un lato di ottimizzare lo spessore della vernice da applicare, dall’altro di tener conto delle azioni indirette che possono insorgere in caso di incendio (azioni iperstatiche dovute all’espansione termica), che non possono essere prese in considerazione applicando metodi semplificati (come il metodo analitico per singoli elementi). In altre parole, potrebbe esserci l’opportunità di progettare una struttura in acciaio protetta con vernice intumescente, applicando i moderni criteri della FSE.