Premessa
La progettazione della Resistenza al Fuoco degli elementi strutturali in acciaio, quando svolta tramite Fire Safety Engineering (FSE), richiede un approccio profondamente diverso rispetto alle soluzioni prescrittive del Codice di Prevenzione Incendi.L’ingegneria della sicurezza antincendio impone infatti di considerare le deformazioni, le dilatazioni termiche impedite, gli effetti indiretti e le interazioni tra elementi, elementi che possono modificare radicalmente lo stato tensionale della struttura.
Nel caso illustrato, l’obiettivo è valutare la resistenza al fuoco degli elementi in acciaio delle coperture esterne di un grande Centro Commerciale, esposte a basso carico di incendio diretto ma soggette a fenomeni termo-strutturali complessi a causa delle dilatazioni impedite.
Oggetto dello studio
L’opera analizzata consiste in ampie coperture metalliche leggere, con manto in vetro o pannelli sandwich, totalmente aperte o molto ventilate. Pur essendo esterne e con carico di incendio minimo, gli elementi in acciaio risultano comunque sensibili agli effetti indiretti dell’incendio.
La progettazione con FSE ha l’obiettivo di verificare se tali elementi richiedano realmente protezione passiva, evitando interventi non necessari e valutando in modo quantitativo la sicurezza allo stato incendiato.
Perché la FSE è indispensabile per la Resistenza al Fuoco dell’Acciaio
A differenza delle soluzioni conformi, che verificano il singolo elemento assegnandogli una classe tabellare, le soluzioni alternative FSE richiedono:
- valutazione della capacità portante del sistema strutturale o di una sua porzione significativa;
- analisi degli effetti indiretti dovuti alle dilatazioni termiche impedite;
- impiego di curve naturali di incendio, che considerano riscaldamento e raffreddamento;
- analisi avanzate non lineari (materiali + geometrie).
Le dilatazioni impedite generano forze e momenti aggiuntivi, spesso più critici della perdita di resistenza del materiale. In strutture reticolari o archeggiate, tali fenomeni possono invertire il segno delle sollecitazioni, generando compressione in elementi progettati solo per trazione.
Curve naturali e analisi termiche
In conformità al Livello di Prestazione III, gli scenari dell’incendio sono stati definiti tramite:
- curve naturali di incendio,
- valutazione della ventilazione,
- modellazione dell’intera durata, inclusa la fase di raffreddamento.
La capacità portante è stata valutata considerando l’intero ciclo termico, poiché la fase di raffreddamento può risultare altrettanto critica a causa del ritiro differenziale degli elementi.
Acciaio in Incendio: comportamento meccanico e modellazione
Gli elementi metallici analizzati sono in acciaio S275, con comportamento a caldo definito dagli Eurocodici. L’analisi eseguita è una non linearità materiale + geometrica, con introduzione progressiva delle proprietà meccaniche ridotte del materiale alle varie temperature.
Con l’aumento di temperatura:
- l’acciaio si dilata;
- le strutture circostanti contrastano tale dilatazione;
- si generano pressioni interne e forze di compressione;
- la rigidezza si riduce;
- compaiono fenomeni di instabilità locale e globale.
Il risultato è un quadro di sollecitazioni molto diverso da quello presente a freddo.
Effetti indiretti: il caso dell’inversione di sforzo nei tiranti
Il caso analizzato mostra un fenomeno fondamentale per la progettazione FSE: un tirante, progettato in condizioni statiche per lavorare solo in trazione, durante l’incendio può diventare compresso.
Ciò avviene perché:
- il riscaldamento induce dilatazione negli elementi della capriata;
- la dilatazione è impedita dalle colonne e dagli elementi rigidi circostanti;
- lo schema statico muta, e lo sforzo di trazione può ridursi fino a diventare compressione.
Questo fenomeno, non rilevabile con metodi prescrittivi, può portare al collasso anche in presenza di temperature relativamente basse, perché la sezione non è progettata per resistere alla compressione.
Analisi e risultati
Le analisi eseguite evidenziano:
- incremento delle compressioni negli elementi superiori;
- riduzione progressiva dello sforzo di trazione nel tirante;
- comparsa di sforzi di compressione imprevisti;
- rischi di instabilità locale e globale;
- possibili meccanismi di collasso non legati al degrado meccanico, ma alla modifica dello schema statico.
La Fire Safety Engineering consente di identificare questi rischi e di progettare interventi mirati, evitando protezioni non necessarie o, al contrario, evitando sottovalutazioni pericolose.
Conclusioni
Questo studio dimostra come l’adozione della Fire Safety Engineering (FSE) nella valutazione della Resistenza al Fuoco dell’acciaio sia essenziale per garantire una progettazione realmente sicura e aderente al comportamento fisico delle strutture in incendio.
Trascurare le dilatazioni termiche impedite e gli effetti indiretti può portare a:
- inversione del segno delle sollecitazioni,
- collasso di elementi non progettati per compressione,
- valutazioni non conservative o addirittura fuorvianti.
La progettazione ingegneristica FSE rappresenta l’unico metodo in grado di:
- modellare correttamente il comportamento termo-strutturale dell’acciaio;
- prevedere fenomeni invisibili nei metodi prescrittivi;
- ottimizzare l’impiego delle protezioni passive;
- garantire sicurezza reale e verificabile.