Resistenza al fuoco degli elementi in calcestruzzo

La norma UNI 9502, la cui prima edizione risale al 1989, costituisce un riferimento al progettista per la verifica analitica della resistenza al fuoco di elementi di calcestruzzo armato normale e precompresso. Il progettista può completare il suo progetto “a freddo” con metodi di calcolo noti e consueti che gli restituiscono la consapevolezza del suo operato, negatogli dai metodi tabellari.
La nuova edizione del 2001 della UNI 9502 si presenta aggiornata con le più attuali tendenze normative europee (Eurocodici) e rinnovata grazie anche alla ormai pluriennale esperienza dei progettisti che hanno utilizzato la precedente edizione.

Lo scenario nazionale
Prevenzione, protezione attiva, protezione passiva: sono tre gli approcci progettuali, tra loro complementari, riguardanti materiali, strutture, impianti, procedure di sicurezza e limitazioni di esercizio, che concorrono al raggiungimento della nota “sicurezza in caso di incendio”. Un aspetto fondamentale della protezione passiva è la resistenza al fuoco, che comprende la “capacità portante” in caso di incendio per gli elementi strutturali e le strutture nel loro complesso, nonché la “capacità di compartimentazione” rispetto all’incendio per gli elementi di separazione sia strutturali (muri, solai) sia non strutturali (porte, tramezzi). Il valore della resistenza al fuoco degli elementi costruttivi può essere determinato ricorrendo ad uno dei seguenti metodi: metodo tabellare, metodo sperimentale, metodo analitico. Fin dai primi anni ’60, con l’emanazione della Circolare del Ministero dell’Interno n. 91 del 14 settembre 1961, il metodo tabellare ed il metodo sperimentale sono già chiaramente contemplati nello stato dell’arte per la determinazione della resistenza al fuoco. È necessario, invece, attendere la fine degli anni ’80, con la pubblicazione delle norme UNI 9502 per le strutture di cemento armato, UNI 9503 per le strutture di acciaio e UNI 9504 per le strutture di legno, per iniziare a dare la giusta considerazione ai metodi analitici, la cui applicazione, tuttavia, ha avuto fino ad oggi grosse difficoltà di applicazione da parte dei progettisti e problemi di riconoscimento da parte dei Comandi Provinciali dei VVF.
L’evoluzione dello stato dell’arte negli ultimi anni ha tuttavia recentemente costretto a considerare con maggiore attenzione i metodi analitici. Un contributo fondamentale in tal senso l’hanno dato i lavori normativi internazionali, in primo luogo quelli relativi agli Eurocodici strutturali che trattano anch’essi la valutazione analitica della resistenza al fuoco. Questo nuovo atteggiamento nei confronti del metodo analitico compare anche nel Decreto Ministeriale 4 maggio 1998, il quale, trattando le certificazioni che attestano la resistenza al fuoco, richiama espressamente le valutazioni analitiche, le sperimentali e le tabellari, riconoscendo quantomeno pari dignità ai tre metodi.
Recenti disposizioni del Ministero dell’Interno formalizzano alcuni modelli per le certificazioni e citano espressamente la UNI 9502 come metodo utilizzabile per attestare la resistenza al fuoco. Sussiste, tuttavia, la necessità di una rapida emanazione di un documento ministeriale che dia formale e definitivo riconoscimento alla nuova edizione della UNI 9502, precisando nel contempo le modalità e le forme di applicazione.

Scopo e campo di applicazione della UNI 9502
La UNI 9502 specifica un metodo di calcolo per la valutazione della resistenza al fuoco di elementi singoli di conglomerato cementizio armato (normale e precompresso), sottoposti all’incendio rappresentato dalla curva temperatura/tempo normalizzata.
Questo metodo può essere considerato alternativo al metodo sperimentale ivi indicato in quanto valuta la resistenza al fuoco dell’elemento, come se questo fosse posizionato su un ideale forno di prova. Non entra quindi nel merito della verifica del sistema strutturale soggetto ad incendio. La norma si applica ad elementi costruttivi di conglomerato cementizio armato, con armatura ordinaria e/o di precompressione, anche protetti da idonei rivestimenti. Il conglomerato cementizio può essere costituito da aggregati normali o leggeri o speciali. La presente norma non si applica né alle pareti o murature in blocchi di conglomerato cementizio, né ai singoli blocchi. Il metodo di calcolo è estrapolabile a programmi di esposizione termica diversi dalla curva temperatura/tempo normalizzata purché sia comprovata l’applicabilità a tali casi delle ipotesi e dei riferimenti previsti in merito alla determinazione delle temperature negli elementi esposti al fuoco.

Cronistoria della UNI 9502
La UNI 9502 è stata elaborata dalla Commissione Ingegneria strutturale e dalla Commissione Comportamento all’incendio dell’UNI, nell’ambito del Gruppo di lavoro misto “Resistenza all’incendio delle strutture portanti”, con il contributo determinante del Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco (CNVVF). Rispetto all’edizione precedente (aprile 1989) è stato aggiornato il testo per allinearlo al quadro normativo di riferimento in evoluzione in ambito europeo (Eurocodici, parti relative alla progettazione della resistenza all’incendio delle strutture). L’applicazione del procedimento analitico per la valutazione della resistenza al fuoco degli elementi costruttivi tiene conto delle effettive caratteristiche geometriche, fisiche e meccaniche dell’elemento e delle reali condizioni di posa in opera qualora comportino significative modifiche delle modalità di scambio termico con l’ambiente circostante.
In particolare:
– se gli ambienti in cui vengono messi in opera gli elementi costruttivi hanno umidità relativa tenuta costantemente elevata occorre prendere idonei provvedimenti (spessori minimi, armature diffuse, qualità del conglomerato, ecc.) per prevenire il pericolo di scoppio;
– se gli elementi costruttivi vengono messi in opera con l’aggiunta, sulla superficie non esposta al fuoco, di materiali isolanti che non annullano la propria resistenza termica entro i 200°C ovvero di elementi che creano una camera d’aria non ventilata, occorre tenerne conto nel procedimento analitico.

Utilità della UNI 9502
Il presupposto del calcolo della resistenza al fuoco è la determinazione della distribuzione delle temperature all’interno dell’elemento per il tempo di esposizione al fuoco richiesto. I fattori che influenzano la distribuzione della temperatura sono:
– le proprietà fisiche del conglomerato cementizio (conducibilità termica, calore specifico, massa volumica, contenuto d’acqua);
– la geometria dell’elemento con eventuali cavità o inserti e sua configurazione di esposizione nell’ambiente ed al fuoco;
– i rivestimenti generici e protettivi.
La determinazione della temperatura negli elementi esposti al fuoco mediante procedimento analitico considera:
– la propagazione del calore nell’elemento;
– le proprietà fisiche del conglomerato cementizio;
– lo scambio di calore dell’elemento con l’ambiente;
– la configurazione di esposizione al fuoco.
In alternativa alla determinazione analitica è possibile procedere all’individuazione della distribuzione delle temperature nel conglomerato cementizio mediante idonee determinazioni sperimentali, condotte secondo metodi di prova normalizzati. Questo metodo è particolarmente indicato per situazioni strutturali particolarmente complesse in cui l’applicazione del metodo del procedimento analitico possa risultare problematica e in particolare per le strutture prefabbricate di serie a geometria complessa o realizzate con fori o con isolanti incorporati. Il grafico temperatura/tempo sperimentale si può assumere a base del calcolo purché il contenuto d’acqua che durante la prova evapora non sia maggiore del 2% (50 kg/m3) del peso del calcestruzzo. In caso contrario deve essere analiticamente corretto. I dati sperimentali devono comunque trovare analogie e giustificazioni con il metodo analitico.
La norma riporta anche esempi di mappatura delle temperature nel conglomerato cementizio con aggregato calcareo esposto alla curva temperatura/tempo nominale normalizzata in funzione della distanza a dalla superficie esposta al fuoco e del tempo t di esposizione per alcuni tipi di sezioni. Per le mappature non si è tenuto conto del contenuto d’acqua di 50 kg per metro cubo di calcestruzzo.
Per la determinazione delle temperature in presenza di rivestimenti protettivi, si può ricadere nei casi precedenti, aggiungendo convenzionalmente agli spessori del conglomerato cementizio lo spessore equivalente.
In ogni caso la pubblicazione delle UNI 9502, UNI 9503 e UNI 9504 ha messo a disposizione dei tecnici progettisti un metodo di calcolo alternativo alle determinazioni sperimentali previste dalla Circolare del Ministero dell’Interno n° 91 del 14 Settembre 1961.
Queste norme hanno restituito ai progettisti la facoltà e le responsabilità di formulare giudizi sulle capacità portanti delle strutture in armonia con gli orientamenti degli altri Paesi della UE. Con queste norme i progettisti si svincolano dalla necessità di utilizzare soltanto un numero limitato di tipologie strutturali legate a particolari condizioni di carico (quelle delle prove).
La valutazione della resistenza al fuoco, in accordo con quanto richiesto dalla UNI 9502, è articolata mediante la successione dei seguenti passi:
1. determinazione della distribuzione di temperatura nell’elemento strutturale al variare del tempo di esposizione
2. determinazione della variazione delle proprietà meccaniche dei materiali costruttivi al variare della temperatura
3. verifica della capacità portante allo stato limite ultimo di collasso con il metodo semiprobabilistico agli stati limiti.

Norme UNI di riferimento:

Il metodo analitico
La valutazione analitica dei requisiti di stabilità R e di isolamento I degli elementi strutturali in sostituzione delle prove al forno è una prima applicazione dei metodi dell’ingegneria della sicurezza in caso di incendio.
Mediante il ricorso a modelli matematici che simulano il processo di riscaldamento dell’elemento strutturale nel forno nonché i processi di deformazione e di combustione, si effettua la valutazione analitica del requisito R. Il tutto considerando, eventualmente, anche le tensioni indotte dalle deformazioni termiche impedite e il danneggiamento del materiali costitutivi che ne consegue. Tuttavia, le norme UNI 9502, UNI 9503 e UNI 9504 forniscono metodi analitici che non possono essere utilizzati per la verifica dei sistemi strutturali soggetti ad incendio e che sono solo sistemi alternativi al metodo sperimentale applicabili ad elementi costruiti (muri, pilastri, travi, solai, coperture). Inoltre, tali procedimenti si riferiscono soltanto ad un elemento costruttivo sottoposto ad una sollecitazione termica normalizzata. Il valore di resistenza al fuoco così ottenuto esprime il risultato che si dovrebbe avere con la prova normalizzata al forno.
Comunque, i metodi analitici costituiscono una base per un approccio ingegneristico alla valutazione della resistenza al fuoco dell’intero edificio basata su scenari di incendio in cui l’andamento crescente della curva temperatura tempo è più realistico e tenga anche conto dell’andamento decrescente della stessa curva.
Rispetto alle prove al forno, i metodi analitici presentano le seguenti particolarità:
– le dimensioni del campione non sono soggetto a limitazioni;
– possono fornire indicazioni, con le attenzioni del caso, sul comportamento di tutta la struttura.
Le azioni indirette causate dalla dilatazione termica, dalla deformazione e/o dal cedimento degli elementi strutturali devono infatti essere tenute in debita considerazione laddove si intenda conferire alla struttura principale la resistenza al fuoco dei singoli elementi. A differenza di quanto avviene con le prove al forno su campioni isostatici sia pure sottoposti a regimi tensionali corrispondenti a quelli di esercizio, queste sollecitazioni integrative possono essere messe in evidenza e valutate nelle procedure di calcolo.

L’evoluzione del quadro normativo europeo di riferimento
Come dichiarato negli obiettivi originali della Commissione Europea, l’intenzione del programma degli Eurocodici è stabilire un insieme delle regole tecniche comuni per la progettazione delle costruzioni e delle strutture di ingegneria civile che infine sostituiranno le regole differenti in vigore nei vari Stati membri.
Gli Eurocodici strutturali, elaborati dal Comitato Tecnico CEN/TC 250, forniscono le regole di progettazione strutturale per tutti i principali materiali da costruzione, quali il calcestruzzo, l’acciaio, l’alluminio, il legno e la muratura. Su tale base, le regole di progettazione possono essere utilizzate per la maggioranza delle strutture di edifici e di opere di ingegneria civile costituite da diversi materiali.
L’attività normativa nel campo della progettazione strutturale oltre le frontiere nazionali garantirà un maggior flusso di esperienze di natura tecnica, di informazioni e di prodotti tra i Paesi e condurrà ad una maggiore collaborazione ed armonizzazione nel mercato dell’edilizia e dell’ingegneria civile, in particolare nel campo della progettazione delle strutture nel loro insieme (progettisiti) e della progettazione di elementi strutturali (produttori). L’implementazione a livello europeo di regole armonizzate di progettazione strutturale fornirà ai professionisti un maggiore accesso allo stato dell’arte in materia e contribuirà a migliorare la trasparenza e la consistenza nei rapporti tra proprietari, operatori, utilizzatori, progettisti, contractors e fabbricanti di prodotti da costruzione. Gli Stati membri rimangono comunque autonomi nello stabilire i livelli di sicurezza degli edifici e delle opere di ingegneria civile, e loro parti, compresi gli aspetti economici e di durabilità.

Requisito Essenziale N. 2 della Direttiva 89/106 Prodotti da costruzione
SICUREZZA IN CASO DI INCENDIO
L’opera deve essere concepita e costruita in modo che, in caso di incendio:
– la capacità portante dell’edificio possa essere garantita per un periodo di tempo determinato;
– la produzione e la propagazione del fuoco e del fumo all’interno delle opere siano limitate;
– la propagazione del fuoco ad opere vicine sia limitata;
gli occupanti possano lasciare l’opera o essere soccorsi altrimenti;
– sia presa in considerazione la sicurezza delle squadre di soccorso.
Nelle parti degli Eurocodici concernenti la progettazione della resistenza all’incendio delle strutture di calcestruzzo i metodi analitici di progettazione e verifica trovano adeguato spazio accanto ai metodi tabellari. In particolare, vengono date le caratteristiche termiche e meccaniche dei vari materiali di impiego strutturale che possono essere implementate in un codice di calcolo più o meno complesso.
In quest’ottica ben si colloca la UNI 9502, anche se allo stato attuale è stata limitata alla verifica degli stati limite ultimi per azioni flettenti, assiali e di taglio di elementi semplici. Opportunamente quindi l’estensore della norma ne definisce il soddisfacimento come condizione necessaria ma non sufficiente per la verifica della sicurezza di strutture esposte all’incendio.
Gli Eurocodici prevedono che la resistenza al fuoco di un edificio o di un compartimento deve essere valutata come resistenza al fuoco dei singoli elementi strutturali.
La resistenza al fuoco di un elemento strutturale si ottiene sottoponendo lo stesso a uno stress termico (effetto forno) riportato da una curva tempo-temperatura normalizzata. Quindi si identifica con il simbolo:
– REI un elemento costruttivo che deve conservare, per un tempo determinato, la stabilità , la tenuta e l’isolamento termico;
– con il simbolo RE un elemento costruttivo che deve conservare, per un tempo determinato, la stabilità e la tenuta;
– con il simbolo R un elemento costruttivo che deve conservare, per un tempo determinato, la sola stabilità (resistenza meccanica)

Principali termini e definizioni secondo la UNI 9502 e le parti “fuoco” degli Eurocodici
– analisi di un elemento strutturale in situazioni di incendio:
Analisi termica e meccanica di un elemento strutturale esposto al fuoco, considerandolo isolato con gli appropriati vincoli e condizioni al contorno. Non sono da considerare le azioni indirette dipendenti dal fuoco, eccetto quelle risultanti dai gradienti termici.
– capacità di compartimentazione (RE o REI):
Capacità di un elemento di separazione esposto al fuoco su una sola faccia, di impedire il passaggio di fiamme e gas caldi o l’apparire di fiamme sulla faccia non esposta e di limitare ad un determinato valore il passaggio di calore, per un tempo prestabilito durante una specifica esposizione al fuoco.
– capacità portante (R):
Capacità di un elemento o di una struttura di sostenere determinate azioni durante la pertinente prova di resistenza al fuoco.
– resistenza al fuoco:
Capacità di un elemento di conservare, per un periodo di tempo stabilito, la richiesta stabilità e/o tenuta e/o isolamento termico, e/o ogni altra prestazione attesa definita in una prova di resistenza al fuoco normalizzata.
– resistenza all’incendio normalizzato:
Capacità di una struttura o di parte di questa (normalmente una sola membratura) di soddisfare le funzioni richieste (funzione di resistenza al fuoco e/o funzione di separazione) durante l’esposizione all’incendio normalizzato di riferimento per un periodo di tempo prestabilito.

Conclusioni
Con l’avvento degli Eurocodici e della UNI 9502 la resistenza al fuoco può essere calcolata, e non solo verificata con prove al forno, superando le seguenti limitazioni:
– le ricadute negative della tolleranza della curva tempo-temperatura del forno sulla riproducibilità delle prove;
– la verifica prestazionale dei materiali di costruzione delle strutture;
– la verifica delle armature prima dell’inizio della prova;
l’estensione del risultato della prova;
– la dispersione statistica dei risultati di prova;
– il tempo richiesto per effettuare una prova e quindi per ottenere una certificazione;
– la conduzione di prove su strutture di grandi dimensioni;
il costo della prova.
Il metodo analitico invece fornisce risultati in funzione delle caratteristiche geometriche dell’elemento strutturale, delle caratteristiche della sollecitazione, nonché delle caratteristiche dei materiali. Inoltre la descrizione analitica della curva tempo-temperatura è matematica.
Da considerare inoltre l’evoluzione normativa italiana verso il sistema della “dichiarazione di conformità” sotto la diretta responsabilità del progettista; il calcolo analitico, impegnando formalmente chi lo firma, porta il calcolo della resistenza al fuoco a livello di “dichiarazione di conformità”, così come da sempre richiesto da professionisti e costruttori.
Il metodo analitico proposto dalle UNI 9502 e dagli Eurocodici, si avvia a diventare praticamente il solo mezzo per assegnare a un elemento strutturale una resistenza al fuoco, lasciando alle prove al forno la stessa funzione che hanno nel calcolo delle strutture le prove di carico a rottura.

(Pubblicato sul quindicinale Ambiente & Sicurezza n. 18 datato 15/10/2002)

Per informazioni:
UNI, Alberto Galeotto
Comparto Costruzioni
tel. 02 70024.403, fax 02 70106106
e-mail: costruzioni@uni.com

Consiglia questa notizia ai tuoi amici

Commenta questa notizia