Approccio ingegneristico per la sicurezza strutturale

Tratto dagli atti del convegno: “Handling Exceptions in Structural Engineering: robustezza Strutturale, Scenari Accidentali, Complessità di Progetto”,
Roma 13-14 Novembre 2008
Approccio ingegneristico per la sicurezza strutturale in condizioni di
incendio: il caso delle autorimesse fuori terra in acciaio.
S. Pustorino, P. Princi
Structura Engineering, Italia.
E. Nigro, A. Ferraro
D.I.ST. - Dipartimento di Ingegneria STrutturale, Università di Napoli “Federico II”, Italia.
V. Cirillo
Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco, Italia.
SOMMARIO: Alla luce dei recenti documenti normativi nazionali ed europei, l’approccio ingegneristico per
la sicurezza in condizioni di incendio è un tema attuale nell’ambito della progettazione strutturale degli edifici. Tra le attività e le tipologie edilizie che più sono state poste all’attenzione dei ricercatori vi è il caso delle
autorimesse fuori terra realizzate con struttura di acciaio, per le quali sono stati condotti importanti lavori di
ricerca in ambito europeo, che hanno previsto anche prove sperimentali di incendio in scala reale. Come risultato di queste attività di ricerca, alcuni recenti regolamenti normativi nazionali (France, Ministère de
l’Intérieur, Arrête du 1 Mars 2004 e Arrête du 9 Mai 2006) hanno regolato l’applicazione dell’approccio ingegneristico per la sicurezza strutturale in condizioni di incendio. Il presente contributo illustra i principali risultati di una sperimentazione in scala reale eseguita in ambito europeo al fine di effettuare un confronto con i
risultati ottenibili dall’applicazione dell’approccio ingegneristico condotto su questa tipologia costruttiva nel
rispetto delle disposizioni attualmente vigenti in Italia.
1 INTRODUZIONE
I parcheggi multipiano fuori terra sono edifici caratterizzati dalla necessità di elevate luci libere per la
realizzazione dei minimi ingombri utili per il parcheggio delle auto e per la loro circolazione interna.
Caratteristica importante di questi edifici è l’ampia
ventilazione naturale, con cui sono solitamente realizzati, il che ha effetti positivi sul comportamento in
caso di incendio, in quanto conduce a scenari di incendio di tipo localizzato. Pertanto, l’impiego delle
strutture di acciaio e delle strutture composte acciaio-calcestruzzo, mediante le quali è possibile ottenere soluzioni caratterizzate da leggerezza dei pesi
strutturali e da velocità di costruzione, rispondono
bene alle esigenze di tipo architettonico e funzionale
di questi edifici (Nigro, 2001; Pustorino, 2006).
Recentemente in ambito europeo è stata condotta
un’estesa campagna di prove sperimentali per la verifica delle prestazioni in caso di incendio di parcheggi fuori terra in acciaio e acciaio-calcestruzzo
(ECSC BRE, 2001). I risultati di questa campagna di
prove sperimentali saranno posti alla base del presente lavoro che si pone il principale obiettivo di valutare il comportamento di queste strutture nei diversi possibili scenari di incendio che caratterizzano gli
edifici adibiti a parcheggio di autovetture.
Dopo aver individuato le principali tipologie costruttive degli edifici multipiano fuori terra adibiti a
parcheggio di autovetture, segue l’analisi dei possibili scenari di incendio, utilizzando i risultati delle
indagini statistiche condotte sugli eventi di incendio
verificatisi in autorimesse della Francia e di altri paesi europei e dei test su autovetture sotto il “calorimetric hood” (per la determinazione delle curve
RHR). In seguito si analizzano i risultati delle prove
in scala reale svolte su un parcheggio monopiano
aperto in struttura composta acciaio-calcestruzzo
sottoposto agli scenari di incendio precedentemente
definiti. Infine, si descrivono le analisi strutturali
svolte applicando l’approccio ingegneristico, sviluppato attraverso l’assunzione di opportuni scenari di
incendio e l’applicazione dei metodi di calcolo avanzato previsti dalle parti fuoco degli Eurocodici 1,
3 e 4 (UNI EN1991-1-2, 2004; UNI EN1993-1-2,
2005; UNI EN1994-1-2, 2005).
2 QUADRO NORMATIVO NAZIONALE ED
EUROPEO
Ai fini della sicurezza in caso di incendio, la realizzazione delle autorimesse, in Italia, è regolamentata dal Decreto del Ministero dell’Interno del 1 febbraio 1986 “Norme di sicurezza antincendio per la
costruzione e l’esercizio di autorimesse e simili”, in
cui sono riportate le misure tecniche di prevenzione,
protezione ed esercizio finalizzate a garantire
l’incolumità delle persone e la salvaguardia dei beni.
Per quanto riguarda le prestazioni di resistenza al
fuoco delle strutture, il decreto, trattandosi di una
regolamentazione di tipo prescrittivo, stabilisce a
priori un valore minimo della classe pari a R90. Per
la particolare tipologia di autorimesse oggetto del
presente studio (Figura 1), che possono definirsi isolate, in quanto ubicate in edifici destinati esclusivamente a tale uso, ed aperte o ventilate, ossia provviste di aperture perimetrali permanenti pari almeno al
60% della superficie delle pareti ed al 15% della superficie in pianta, la citata regola tecnica richiede
come requisito minimo la sola incombustibilità delle
strutture.
raggiungimento di tali obiettivi. E con questo scopo
sono state condotte le analisi riportate nei successivi
paragrafi.
Un esempio di questa impostazione sono i due
nuovi decreti (Arrête du 1 Mars 2004; Arrête du 9
Mai 2006), che regolano la progettazione strutturale
delle autorimesse fuori terra in Francia. Essi prevedono due possibilità di progettazione:
- la prima, di tipo prescrittivo, che prevede una resistenza al fuoco R60 per gli edifici monopiano e
R90 per gli edifici multipiano, valutata nelle condizioni di un incendio nominale (curva ISO 834);
- la seconda, di tipo prestazionale, che prevede, per
ognuno degli scenari di incendio definiti per il particolare progetto, la stabilità strutturale per tutta la
durata dell’incendio, compresa la fase di raffreddamento.
3 PRINCIPALI TIPOLOGIE DI PARCHEGGI
FUORI TERRA IN ACCIAIO
Figura 1. Parcheggi ventilati
Tuttavia la necessità di assicurare il soddisfacimento dei primari obiettivi di sicurezza degli occupanti e dei soccorritori, impone un’ulteriore verifica
della stabilità strutturale in caso di incendio che il
progettista
può
basare
sull’applicazione
dell’approccio prescrittivo, correlando la classe di
resistenza al fuoco al carico di incendio specifico di
progetto, secondo il procedimento introdotto dal
D.M.Int. 9 marzo 2007, ovvero ricorrendo
all’approccio prestazionale ipotizzando opportuni
scenari di incendio e valutandone le conseguenze sul
comportamento delle strutture, in conformità alle direttive emanate con il D.M.Int. 9 maggio 2007 che
ha disciplinato tale metodologia in Italia.
Ai fini dell’applicazione dell’approccio ingegneristico, in particolare per il ruolo delle strutture portanti nelle condizioni di incendio, assume fondamentale importanza la definizione del requisito sicurezza
in caso di incendio introdotta con la Direttiva sui
Prodotti da Costruzione 89/106 della Comunità Europea. In essa tale requisito, recepito dalle norme
nazionali dei paesi membri, viene esplicitato con il
raggiungimento dei seguenti 5 obiettivi:
- 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.
Il risultato di ogni applicazione dell’approccio ingegneristico per la sicurezza in caso di incendio deve pertanto essere valutato mediante l’analisi del
Le tipologie costruttive per la realizzazione di
parcheggi fuori terra aperti possono essere diverse
sia per far fronte ad esigenze di tipo architettonico,
sia ad esigenze di tipo funzionale, come ad esempio
il tipo di manovra delle vetture che condiziona il
progetto delle rampe di accesso.
Tra le tipologie strutturali più comuni per la realizzazione di edifici in acciaio destinati a parcheggio
si possono annoverare, ad esempio, edifici monopiano con rampe rettilinee interne e con solaio di copertura destinato, anch’esso, a parcheggio; oppure edifici multipiano fuori terra e con rampe esterne; o
ancora edifici multipiano fuori terra e con piani di
parcamento a livelli sfalsati e rampe interne.
L’edificio utilizzato nelle prove in scala reale (ECSC
BRE, 2001) appartiene alla tipologia degli edifici
monopiano (Figura 2).
Figura 2. Parcheggio monopiano: piante e sezioni.
Questo edificio, realizzato con colonne d’acciaio
e impalcato in struttura composta acciaiocalcestruzzo, è composto da tre telai principali aven-
ti interasse pari a 16 m, ciascuno con colonne di acciaio, incernierate alla base, poste a distanza reciproca di 5 m; le travi principali sono collegate mediante
nodo cerniera alle colonne. Le travi secondarie, disposte con interasse di 2.5 m, hanno schema statico
di trave continua su tre appoggi con luce libera di 16
m e sono collegate al solaio mediante connettori in
modo da garantire il comportamento di trave composta. Le travi principali, anch’esse composte con il
solaio, hanno luce di 5 m e sono incernierate, come
detto, alle estremità alle colonne. In entrambe le direzioni sono disposti controventi per la resistenza alle azioni orizzontali. L’interasse delle colonne si adatta bene alle tipiche dimensioni degli stalli per la
sosta delle auto, mentre la luce delle travi secondarie
permette che ogni campata possa contenere due file
di parcheggi e una corsia di dimensioni standard. In
Figura 3 è riportato uno schema di carpenteria. Il solaio utilizzato è composto da lamiera grecata in acciaio, del tipo Cofrastra 40, con interasse di 2.5 m e
getto collaborante in calcestruzzo armato, con altezza complessiva di 12 cm. Le sezioni degli elementi
strutturali del prototipo sono riportate in Tabella 1.
ELEMENTI STRUTTURALI
Elemento
L [m]
Sezione
Travi secondarie
16.00
IPE 550
Travi princ. linee A e C
5.00
IPE 400
Travi principali linea B
5.00
IPE 500
Colonne fila B
3.00
HEB 200
Colonne fila A e C
3.00
HEA 180
Tabella 1. Sezioni degli elementi strutturali
4 I RISULTATI DELLA RICERCA EUROPEA
Il tema della sicurezza in caso di incendio dei parcheggi multipiano ventilati è stato ampiamente affrontato nell’ambito di varie ricerche condotte da
C.E.C.A. (Comunità Europea Carbone Acciaio). Il
più recente progetto di ricerca, “Demonstration of
real fire tests in car parks and high buildings”
(ECSC BRE, 2001), condotto dal 1998 al 2000, rappresenta la parte conclusiva del lavoro ed è finalizzato in primo luogo alla verifica sperimentale dei
modelli analitici messi a punto nelle precedenti ricerche.
Nell’ambito di questo progetto di ricerca è stata
condotta, preliminarmente, un’analisi statistica studiando 78 report di intervento in autorimesse effettuati dai Vigili del Fuoco di Parigi nel periodo che
va dal 1995 al 1997 e altri dati di alcune grandi città
europee; l’ampia statistica è servita alla definizione
degli scenari di incendio più probabili negli edifici
adibiti ad autorimessa. Da ogni report, infatti, sono
stati ricavati i seguenti dati: durata dell’intervento;
persone ferite; tipo di edificio; danni provocati alla
struttura; fonte di innesco; numero di auto coinvolte;
tempo di estinzione; tempi di propagazione del fuoco.
Inoltre, sono state effettuate prove sperimentali su
auto reali, sotto il “calorimetric hood” (Figura 4),
per determinare le curve di rilascio termico RHR
(Figura 5) tipiche delle automobili in circolazione
nel periodo 1995-1998 (Figura 6). Queste sono state
classificate in base al potenziale termico che possono rilasciare (Tabella 2).
Figura 3. Schema di carpenteria.
Figura 4. Configurazione del test al “calorimetric hood”
Tipo
Classe 1
Peugeot
106
Renault
Twingo-Clio
Citroen
Saxo
Ford
Fiesta
Opel
Corsa
Fiat
Punto
Wolkswagen
Polo
Potenziale
6000 MJ
calorifico
Tabella 2. Classificazione delle auto.
Classe 2
306
Megane
ZX
Escort
Astra
Bravo
Golf
Classe 3
406
Laguna
Xantia
Mondeo
Vectra
Tempra
Passat
7500 MJ
9500 MJ
Classe 4
605
Safrane
XM
Scorpio
Omega
Croma
-
Classe 5
806
Espace
Evasion
Galaxy
Frontera
Ulysse
Sharan
12000 MJ
Figura 8. Numero di veicoli coinvolti negli incendi
Figura 5. Tasso di rilascio termico di un’ auto di classe 3
Dall’analisi dei report è stato anche possibile valutare il tempo necessario per l’estinzione
dell’incendio nei vari casi; come si può vedere dalla
Figura 9 tutti gli incendi analizzati sono stati spenti
in meno di 1 ora; inoltre, solo il 16% degli incendi
ha richiesto un tempo di estinzione compreso tra 30
min e 1 ora.
Figura 6. Distribuzione delle auto nel mercato secondo la
classificazione.
Nella Figura 7 sono indicate le percentuali di auto
di ogni classe coinvolte negli incendi dei report analizzati; si può notare che solo il 10% delle auto è di
classe 4 o 5. Inoltre, è stato osservato che non sono
stati registrati incendi con più di una auto di classe 3,
4 o 5.
Figura 7. Classificazione delle auto coinvolte negli incendi.
Il numero di veicoli coinvolti negli incendi varia
tra 0 e 3, come si può notare dalla Figura 8, e solo
nel 10% dei casi sono coinvolte 3 auto nell’incendio;
invece nel 30% dei casi non si sono incendiate auto,
ma materiali di vario genere che possono trovarsi nel
parcheggio.
Figura 9. Tempo di estinzione dell’incendio.
La parte più corposa della ricerca (ECSC BRE,
2001) è, però, rappresentata dalle prove in scala reale sull’edificio monopiano descritto nel Paragrafo 3
(Figura 10).
Gli scenari di incendio e le modalità di innesco
sono state scelte sulla base delle condizioni geometriche della struttura e dei dati statistici sugli incendi
reali. Sono stati svolti tre test differenti facendo variare lo scenario di incendio. In tutti e tre i test le tre
auto incendiate si trovavano al livello inferiore,
mentre a quello superiore sono state poste 11 auto,
che costituivano il carico statico di esercizio
dell’autorimessa.
Il primo test è stato eseguito con tre auto posizionate in posti adiacenti in prossimità delle colonne
centrali (Figura 11): la prima auto innescata è quella
centrale (a partire da un focolaio costituito da eptano); successivamente le fiamme, dopo circa 12 min,
si sono propagate alla seconda auto e dopo altri 12
min alla terza auto, che si trovano sui due lati della
prima.
surate. Nel solaio si sono registrate temperature
massime in corrispondenza della posizione dell’auto
3.
Gli spostamenti verticali nella sezione centrale
delle travi secondarie (Figura 14) hanno raggiunto lo
0.4% della lunghezza della trave e si è verificato un
inarcamento verso l’alto nella fase di raffreddamento.
Figura 10. Foto del parcheggio di prova.
Figura 12. Temperatura massima e media raggiunte
nell’ambiente all’intradosso del solaio in corrispondenza di ogni posto auto (Test 1).
Figura 11. Scenari di incendio nel test 1.
Durante la prova è stata misurata la temperatura
ambiente in vari punti dell’autorimessa, la temperatura degli elementi strutturali, la temperatura
all’interno delle auto, i flussi di calore e gli spostamenti in alcuni punti della struttura. È, inoltre, stata
osservata la propagazione dell’incendio alle auto e lo
sviluppo dei fumi all’interno del parcheggio.
Al termine della prova sono state rilevate deformazioni negli elementi, oltre a instabilità e danneggiamenti locali, che però non hanno pregiudicato la
stabilità globale del parcheggio. Sono stati, inoltre,
osservati danneggiamenti nei collegamenti tra travi e
colonne senza provocare il crollo della struttura:
questo fenomeno è dovuto all’accorciamento della
flangia inferiore della trave a seguito dello svergolamento in fase di riscaldamento e alla curvatura che
ne consegue nella fase di raffreddamento.
La temperatura media all’interno del parcheggio
(Figura 12) si è mantenuta sempre piuttosto bassa;
essa ha raggiunto valori elevati (circa 1000°C) localmente in vicinanza delle auto incendiate, ma si è
ridotta velocemente allontanandosi dalle fiamme. La
temperatura nelle travi (Figura 13) è risultata variabile in funzione della distanza delle sezioni dal focolaio e sono state registrate differenze di circa 200°C
tra l’ala superiore e quella inferiore delle travi. La
temperatura massima raggiunta negli elementi
d’acciaio non ha superato i 700°C, mentre nel calcestruzzo non ha superato i 360°C sulla superficie esposta e i 100°C verso l’interno della soletta. Le colonne centrali (Tabella 3) sono state principalmente
esposte su un lato, par cui sono state registrate temperature differenti nei vari punti in cui sono state mi-
Figura 13. Temperatura massima nelle travi.
Tabella 3. Temperatura massima nelle colonne
Figura 14. Spostamento verticale della sezione centrale della
trave tra i fili 3 e 4.
Dopo aver sostituito i bulloni del collegamento di
continuità delle travi secondarie in corrispondenza
della colonna centrale che si erano danneggiati a seguito della prova preliminare, si è eseguito il secondo test. Questo è stato realizzato con lo stesso scenario di incendio (Figura 11) utilizzato per il primo
test, ma stavolta le auto incendiate sono state posizionate sul lato opposto del parcheggio e il test è stato eseguito in presenza di forte vento, il che ha provocato una propagazione delle fiamme alle auto
adiacenti più rapida; l’incendio della seconda auto,
infatti, si è innescato dopo 5.30 min dall’inizio
dell’incendio e quello dell’auto 3 dopo 5.50 min circa.
Al termine della prova sono state osservate curvature delle travi e delle colonne ed instabilità locali
nelle zone più esposte delle travi. Inoltre, si è verificato un danneggiamento in corrispondenza dei collegamenti tra la trave e la colonna centrale. Tutto ciò
non ha comunque pregiudicato la resistenza della
struttura. I danneggiamenti in corrispondenza dei
collegamenti sono risultati inferiori rispetto a quelli
che sono avvenuti durante il test precedente.
Le temperature dell’ambiente (Figura 15) registrate durante le prove hanno mostrato picchi molto
alti in corrispondenza del focolaio, ma essi si riducono velocemente allontanandosi da esso. Anche
nelle zone più vicine alle auto incendiate la temperatura è istantaneamente alta, ma decresce molto velocemente dopo il raggiungimento del valore massimo.
Pertanto la temperatura nelle travi (Figura 16) è molto alta in prossimità delle auto incendiate, ma decresce sensibilmente discostandosi da esse. La temperatura delle colonne (Tabella 4) presenta forti gradienti
dovuti alla esposizione non uniforme al flusso di calore.
Figura 16. Temperatura massima nelle travi (Test 2)
Per quanto riguarda gli spostamenti, oltre alle misure effettuate anche per il primo test (Figura 17) è
stata aggiunta la misurazione degli spostamenti orizzontali (Figura 18) della sommità delle colonne alle
estremità della trave sul filo 2 (Figura 19).
L’inflessione massima nelle travi è stata inferiore al
1% della lunghezza e si è potuto osservare un inarcamento verso l’alto nella fase di raffreddamento fino a circa 40 mm. Gli spostamenti verticali della
sommità delle colonne sono stati di pochi mm, il valore massimo è stato registrato in corrispondenza
dell’estremità della trave sul filo 2.
Figura 17. Inflessione della trave nella sezione di mezzeria
(Test 2).
Figura 15. Temperatura massima e media raggiunte
nell’ambiente all’intradosso del solaio in corrispondenza di ogni posto auto (Test 2).
Figura 18. Spostamento verticale della colonna più esposta al
fuoco (Test 2).
Tabella 4. Temperatura massima nelle travi (Test 2).
5 APPLICAZIONE DELL’APPROCCIO
INGEGNERISTICO AL CASO DELLE
AUTORIMESSE FUORI TERRA IN ACCIAIO
Nel presente paragrafo si esemplifica l’applicazione
dell’approccio ingegneristico per la sicurezza in caso
di incendio di autorimesse fuori terra in acciaio di tipo ventilato, definendo dapprima gli scenari di incendio di progetto e, applicando successivamente le
analisi strutturali avanzate previste dalle parti fuoco
degli Eurocodici 1, 3 e 4.
Figura 19. Spostamento orizzontale della colonna all’estremità
della trave 2
Infine l’ultimo test è stato quello eseguito per verificare le condizioni di propagazione dell’incendio
tra due auto parcheggiate frontalmente l’una all’altra
(Figura 20) ed è stato posto uno schermo in prossimità dell’auto 1 per limitare l’influenza del vento.
Figura 20. Scenari di incendio nel test 3.
Le fiamme si sono propagate molto lentamente;
l’auto 2 ha preso fuoco dopo 56 min dall’inizio
dell’incendio, quando ormai l’incendio della prima
auto si era esteso a tutto il veicolo.
La temperatura nel parcheggio (Figura 21) è risultata mediamente bassa, ad eccezione di picchi concentrati che non hanno comportato grandi innalzamenti di temperatura negli elementi strutturali.
Infatti, la temperatura dei profili durante la prova è
rimasta sempre molto bassa e le deformazioni conseguenti sono state molto limitate.
Figura 21. Curva della temperatura dell’aria sopra l’auto 1.
5.1 Determinazione degli scenari di incendio
Ai sensi del D.M.Int. 09/05/07 per “scenario di incendio” deve intendersi “la descrizione qualitativa
dell'evoluzione di un incendio che individua gli eventi chiave che lo caratterizzano e che lo differenziano dagli altri incendi. Di solito può comprendere
le seguenti fasi: innesco, crescita, incendio pienamente sviluppato, decadimento. Deve, inoltre, definire l’ambiente nel quale si sviluppa l’incendio di
progetto ed i sistemi che possono avere impatto sulla
sua evoluzione, come ad esempio eventuali impianti
di protezione attiva”.
Lo scenario di incendio è sensibilmente influenzato, tra l’altro, dalla geometria dei locali che costituiscono il compartimento e dalle loro condizioni di
ventilazione naturale. Infatti, la caratteristica di
un’autorimessa ampiamente ventilata è che, in presenza di un focolaio che si verifica accidentalmente
in un’autovettura, la propagazione dell’incendio, se
non contrastata, può avvenire alle auto parcheggiate
vicino, senza il coinvolgimento contemporaneo delle
altre autovetture presenti. Infatti, poiché la presenza
di ampia ventilazione naturale è tale da non permettere il raggiungimento delle condizioni di flashover,
il fenomeno rimane per tutta la durata dell’incendio
di tipo “pre-flashover”. In queste condizioni i possibili scenari di incendio sono costituiti dalla combustione di un numero limitato di autovetture che rimangono coinvolte nella propagazione del focolaio
iniziale. Pertanto il compito per chi deve individuare
gli scenari di incendio più pericolosi per la stabilità
strutturale è quello di definire la posizione ed il numero di autovetture che possono costituire il focolaio iniziale e che determinano l’azione termica più
pericolosa, tra quelle realisticamente ipotizzabili, per
la struttura portante dell’edificio. In particolare si
devono considerare scenari con auto posizionate nei
posti assegnati e scenari con auto poste al centro della corsia di percorrenza del parcheggio. In questo ultimo caso, data la posizione rispetto alle altre auto, è
sufficiente prevedere una sola auto incendiata: questo scenario risulta critico per la struttura se l’auto si
trova posta al di sotto della sezione di mezzeria delle
travi disposte perpendicolarmente al senso di marcia.
Nel progetto di ricerca (ECSC BRE, 2001) sono stati
ricercati i possibili scenari di incendio più pericolosi
ai fini della valutazione della stabilità strutturale (Figura 22). In particolare si sono voluti individuare i
casi di incendio più probabili e pericolosi per la
struttura portante, che poi sono stati realizzati per la
conduzione delle prove sperimentali in scala reale.
torno ad una colonna, al fine di ottenere la massima
azione termica su questi elementi strutturali.
Per l’applicazione del decreto francese del
09/05/06 (Arrête, 2006), prendendo anche spunto
dalle prove sperimentali (ECSC BRE, 2001), è stata
predisposta una linea guida, contenuta nel documento tecnico (INERIS, 2001), per l’individuazione degli scenari di incendio più pericolosi ai fini della valutazione della stabilità delle strutture portanti, da
utilizzare in fase di progettazione. L’applicazione di
questa guida ai casi visti in precedenza porterebbe a
sostituire gli scenari 3 e 3a con lo scenario rappresentato in Fig. 23b e lo scenario 3b con lo scenario
rappresentato in Fig. 23a. Rimane invece da considerare sempre lo scenario 1. Ovviamente in conformazioni particolari della struttura del parcheggio gli
scenari di incendio vengono definiti caso per caso.
Figura 23a. Scenario di incendio 3c.
Figura 22. Scenari di incendio, risultati della ricerca (ECSC
BRE, 2001).
Lo scenario 1 è costituito dalla combustione di
un’autovettura posta al di sotto della mezzeria della
trave principale, si tratta del caso di incendio che determina la massima azione termica in corrispondenza della sezione solitamente più sollecitata (mezzeria
di una trave); ovviamente questo scenario dipende
dallo schema statico della struttura portante. Nello
scenario 2 sono coinvolte due autovetture: la seconda si incendia dopo 12 minuti dall’innesco del focolaio nella prima auto. Questo scenario può essere utilizzato per verificare il comportamento della trave
che si trova tra le due autovetture coinvolte
dall’incendio. Lo scenario 3 è simile allo scenario 2,
ma prevede l’innesco di una terza auto dopo altri 12
minuti. Quest’ultimo, però, può avere tempi e forme
diverse: infatti, lo scenario 3a prevede dapprima
l’innesco dell’auto centrale e poi dopo 12 minuti la
propagazione dell’incendio alle auto laterali; invece
lo scenario 3b considera tre autovetture disposte at-
Figura 23b. Scenario di incendio 4.
Per quanto riguarda le prove in scala reale sul
prototipo, gli scenari utilizzati per i test 1 e 2 sono
due casi particolari dello scenario di incendio riportato in Figura 23b proposto dalla linea guida francese, mentre quello adoperato per il test 3 è un test di
propagazione tra due auto parcheggiate una di fronte
all’altra.
5.2 Analisi strutturali in condizioni di incendio con
metodi avanzati
Con l’obiettivo di voler applicare l’approccio ingegneristico è stato valutato il comportamento strutturale creando un modello agli elementi finiti con il
programma di calcolo SAFIR, sviluppato presso
l’Università di Liegi (Belgio) (Franssen, 2007). Si è
1200
1000
800
Temperatura [°C]
fatto riferimento allo scenario di incendio proposto
dalla linea guida francese (INERIS, 2001) riportato
in Figura 23b, limitandolo a 3 autovetture (come nella prova eseguita) . Le temperature degli elementi
strutturali sono state determinate per mezzo del modello di calcolo per gli incendi localizzati previsto
dall’Appendice C dell’Eurocodice 1 parte fuoco (EN
1991-1-2, 2004), facendo riferimento alle curve di
rilascio termico riportate in Figura 25 relative a tre
auto di classe 3, delle quali le due laterali si infiammano dopo 12 min dall’innesco nella prima auto posta al centro.
600
t r ave 1L
t r ave 1/ 2L
400
t r ave 2L
t r ave 1U
200
t r ave 1/ 2U
t r ave 2U
0
0
2
4
6
8
10
d i st a n z a ( m )
Distanza[m]
Figura 26. La temperatura degli elementi delle travi secondarie
in funzione della loro distanza dal focolaio
Figura 24. Scenario di incendio usato nel modello di calcolo.
9
8
Tasso di rilascio
termico Q [MW]
Auto 1
7
Auto 2
6
Auto 3
5
4
3
2
1
Tempo t [min]
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Figura 25. Curve RHR usate nel modello di calcolo.
Attraverso l’applicazione del metodo di Hasemi,
riportato nell’appendice C dell’Eurocodice 1 Parte
1-2 (EN 1991-1-2, 2004), è stato determinato il flusso termico sugli elementi strutturali, considerando
l’incendio, di tipo pre-flashover, come somma dei
contributi dovuti ai singoli focolai. Noto il flusso
termico su ogni elemento strutturale, mediante
l’applicazione dei criteri previsti nelle parti fuoco
degli Eurocodici 1 e 3 (EN1991-1-2, 2004; EN19931-2, 2005) sono stati calcolati rispettivamente la
temperatura dei gas che lambiscono gli elementi
strutturali e la temperatura dell’acciaio. L’analisi
termica degli elementi strutturali è stata eseguita con
il programma SAFIR dell’Univesità di Liegi, mediante la definizione di modelli termici 2D per ogni
sezione della struttura: essa ha fornito le mappature
termiche delle sezioni per ogni istante dall’inizio
dell’incendio. In Figura 26 è riportata la temperatura
degli elementi delle travi secondarie in funzione della loro distanza dal focolaio.
Confrontando le temperature calcolate (Figura
26) con quelle registrate durante la prova (Figura
16), si riscontra lo stesso andamento, anche se i valori differiscono parzialmente. Le differenze possono farsi risalire al fatto che non si conosce esattamente l’ubicazione delle termocoppie, nonché
eventuali effetti non tenuti in considerazione nel calcolo, oltre al fatto che le azioni termiche che sono
state considerate sono convenzionali e quindi differenti da quelle della prova. Per quanto riguarda
l’andamento delle temperature nelle colonne si fa
notare che il modello utilizzato non tiene conto
dell’esposizione differenziata sulle due ali della colonna e lungo l’altezza dell’elemento, trascurando
quindi il gradiente termico sulla sezione e ipotizzando il medesimo flusso termico lungo tutto
l’elemento.
I carichi verticali agenti in condizione di incendio
sono determinati secondo la combinazione di carico
quasi permanente essendo l’incendio, secondo il vigente regolamento italiano (D.M., 2008), un’azione
eccezionale. Come le analisi termiche, anche il modello strutturale agli elementi finiti è stato generato
con il programma di calcolo SAFIR. La struttura
portante del prototipo realizzato è stata modellata
per mezzo di elementi beam e shell. Infatti, il solaio
è stato modellato con elementi shell di caratteristiche
uguali a quelli reali, mentre travi e colonne sono state modellate con elementi beam. In Figura 27 è riportato il modello della struttura con rappresentata la
deformata al tempo finale.
Figura 27. Deformata della struttura al termine dell’analisi.
Confrontando gli andamenti nel tempo degli spostamenti calcolati (Figure 28, 29 e 30) con quelli degli spostamenti misurati durante la prova (Figure 17,
18 e 19) si nota che, sebbene l’andamento sia analogo, i valori sono in parte differenti. L’abbassamento
massimo della trave misurato arriva a quasi 150 mm,
mentre quello calcolato arriva a 250 mm; inoltre, la
fase di sollevamento durante il raffreddamento non è
presente nel calcolo e lo spostamento verticale della
colonna nel caso del calcolo è circa 25 mm, mentre
nella prova è circa 7 mm. La maggiore flessibilità
degli elementi è dovuta probabilmente ad un maggiore riscaldamento. È necessario, inoltre, tenere
conto del fatto che le azioni statiche considerate nel
calcolo sono convenzionali e quindi differenti da
quelle realmenti presenti al momento della prova.
0
25
50
75
0
100
125
Tempo [min]
-0.04
-0.08
-0.12
-0.16
Spostamento [m]
-0.2
Figura 28. Spostamento verticale nella mezzeria della trave secondaria tra i fili 1 e 2.
0
25
50
75
0.025
100
125
Tempo [min]
Colonna Filo 1 Linea B
Colonna Filo 2 linea C
Colonna Filo 2 Linea B
0.015
0.005
-0.005
Spostamento [m]
Figura 29. Spostamento orizzontale direzione longitudinale
della sommità delle colonne.
0
25
0.035
50
75
100
125
Tempo [min]
0.03
Colonna Filo 1 Linea C
0.025
Colonna Filo 2 Linea C
0.02
0.015
0.01
Dal confronto tra gli spostamenti si nota come
quelli determinati con il modello di calcolo sono
sempre maggiori rispetto a quelli misurati sperimentalmente. Va osservato, tuttavia, che le analisi eseguite secondo l’approccio prestazionale mostrano, in
accordo alle prove in scala reale, che la struttura resiste per tutta la durata dell’incendio.
6 CONCLUSIONI
La campagna di ricerca condotta in ambito europeo
sulle autorimesse aperte fuori terra ha fornito i dati
di calcolo necessari per condurre un’analisi della sicurezza in condizioni di incendio di questi edifici
applicando l’approccio ingegneristico. Oltre che i
dati relativi al rilascio termico dovuto alla combustione di una o più autovetture, sono state elaborate
le linee guida per la definizione degli scenari di incendio più pericolosi per la stabilità strutturale, che
devono essere valutati nell’ambito di un approccio
ingegneristico.
Le differenze riscontrate tra i risultati del modello
e i dati sperimentali sono probabilmente dovute ai
seguenti motivi:
- le azioni termiche sono state schematizzate mediante un procedimento semplificato, che restituisce valori probabilmente maggiori di quelli reali
poiché si basa su una curva di rilascio termico ottenuta come inviluppo di numerose prove sperimentali al “calorimetric hood”;
- le condizioni di carico meccanico differiscono da
quelle realizzate durante la prova in scala reale,
poiché sono stati applicati dei carichi convenzionali, forniti dalla normativa, che risultano maggiori di
quelli presenti durante la prova.
Alla luce dei confronti effettuati tra l’analisi svolta
con l’approccio ingegneristico e i risultati delle prove sperimentali, si può concludere che:
- con l’applicazione dei modelli di calcolo previsti
dalle parti fuoco degli Eurocodici 1, 3 e 4 (UNI
EN1991-1-2, 2004; UNI EN1993-1-2, 2005; UNI
EN1994-1-2, 2005) è stato possibile analizzare il
comportamento della struttura reale, ottenendo risultati non in contrasto con quelli sperimentali e
verificando che la stabilità sia mantenuta per tutta
la durata dell’incendio, compresa la fase di raffreddamento;
- i dati forniti dal modello di calcolo, sia in termini
di temperature che di spostamenti degli elementi
strutturali, risultano a favore di sicurezza rispetto ai
risultati delle prove sperimentali.
0.005
0
-0.005
Spostamento [m]
Figura 30. Spostamento orizzontale direzione trasversale della
sommità delle colonne.
RINGRAZIAMENTI
Il presente lavoro è frutto delle attività condotte dalla Commissione per la Sicurezza delle Costruzioni di Acciaio in caso di
Incendio (Attività n. 9: Autorimesse aperte fuori terra).
BIBLIOGRAFIA
D.M.Int. (1986), “Norme di sicurezza antincendio per la costruzione e l’esercizio di autorimesse e simili”, Ministero
dell’Interno 1 Febbraio1986.
Arrête (2004), “Relatif à la résistance au feu des produits, élément de construction et d’ouvrages” Ministère de
l’Intérieur, de la Sécurité Intérieur et des Liberté Locales, 1
Mars 2004.
EN 1991.1.2 (2004), “Azioni sulle strutture. Parte 1-2: Azioni
in generali – Azioni sulle strutture esposte al fuoco”, 1 Ottobre 2004.
EN 1993.1.2 (2005), “Progettazione delle strutture di acciaio.
Parte 1-2:Regole generali – progettazione strutturale contro
l’incendio”, 1 Luglio 2005.
EN 1994.1.2 (2005), “Progettazione delle strutture composte
acciaio e calcestruzzo. Parte 1-2: Regole generali – Progettazione strutturale contro l’incendio”, 27 Ottobre 2005.
Arrête (2006), “Règlement de sécurité contre les risques
d’incendie et de panique dans les parcs de stationnement
couverts”, Ministère de l’Intérieur et de l’Aménagement du
Territoire 9 Mai 2006.
D. MIN. INT. (16-02-2007), “Classificazione di resistenza al
fuoco di prodotti ed elementi costruttivi di opere da costruzione”, GU n. 74 del 29 marzo 2007
D. MIN. INT. (9-03-2007), “Prestazioni di resistenza al fuoco
delle costruzioni nelle attività soggette al controllo del Corpo nazionale dei vigili del fuoco”, GU n. 74 del 29 marzo
2007.
D. MIN. INT. (09-05-2007), “Direttive per l’attuazione
dell’approccio ingegneristico alla sicurezza antincendio”,
Ministero dell’Interno 9 maggio 2007.
D. MIN. II.TT. (2008), Norme Tecniche per le Costruzioni,
supplemento Ordinario della G.U. N° 29 del 04/02/ 2008.
ECSC BRE (2001), “Demonstration of real fire tests in car
parks and high buildings” CEC Agreement 7215 – PP/025,
30 Giugno 2001.
Franssen J.M., 2007 - “User Manual for SAFIR2007: A Computer Program for Analysis of Structures Submitted to the
Fire”. University of Liege 2007, Belgium.
INERIS (2001), “Parcs de stationnement en superstructure largement ventiles. Avis d’expert sur les scénarios
d’incendie”, Ottobre 2001.
Nigro E., Cefarelli G. (2007), “Procedura generale e metodi
semplificati per la verifica in caso di incendio di travi composte acciaio-calcestruzzo”. XXI Congresso CTA “Costruire con l’acciaio” Catania Ottobre.
Nigro E. (2001), “Verifica delle strutture composte acciaiocalcestruzzo in caso d’incendio: sperimentazione, modelli
di calcolo, indicazioni normative” Costruzioni Metalliche
2001 (4): 49-66.
Pustorino S. (2006), “Sicurezza incendio” Edizioni ETS 2006,
Milano.