Curve Naturali

La progettazione basata sulle prestazioni è sempre più utilizzata in Europa per la definizione delle misure di prevenzione e protezione che devono adottare le attività che presentano pericoli d’incendio. I metodi dell’ingegneria della sicurezza antincendio (FSE) sono utilizzabili in fase di pre-flashover per verificare/dimensionare i sistemi di vie di esodo delle attività in funzione della propagazione degli incendi e dello sviluppo dei prodotti della combustione, mentre in fase di post-flashover i metodi della Fire Engineering sono utilizzati per il calcolo della resistenza al fuoco delle strutture.

In genere la progettazione antincendio con l’approccio prestazionale dell’ingegneria della sicurezza (FSE) deve soddisfare appositi criteri prestazionali, sia per la sicurezza della vita umana che per la salvaguardia dell’edificio e dei beni in esso contenuti.

Nel primo caso, il criterio prestazionale riguarda la garanzia che ogni occupante, non addestrato ad affrontare un incendio, non venga esposto a condizioni insostenibili degli effetti dell’incendio, istantanee o cumulative.

Nel secondo caso il criterio prestazionale riguarda la garanzia che gli ambienti, gli spazi o i beni in esso contenuti non vengano esposti ad effetti istantanei o cumulativi di incendio che possano causare agli stessi danni irreversibili.

Per scenario d’incendio di progetto si deve intendere la descrizione qualitativa di un particolare incendio nel tempo e nello spazio. Lo scenario d’incendio di progetto considera la fonte ed il meccanismo d’innesco, lo sviluppo del fuoco sulla prima cosa che brucia, la propagazione di un incendio, la sua interazione con l’ambiente, il calo d’intensità e lo spegnimento. Lo scenario può comprendere l’interazione dell’incendio con gli occupanti e con i sistemi di sicurezza nel fabbricato.

Per ogni fabbricato, il numero di scenari possibili è illimitato ed è perciò impossibile analizzarli tutti, anche con l’aiuto di risorse informatiche sofisticate. E’ quindi necessario restringere il campo di analisi ad un gruppo limitato di scenari d’incendio, scelti tra i peggiori casi realistici. È auspicabile, a tal proposito, che tutte le parti interessate vengano coinvolte nella scelta degli scenari d’incendio di progetto pertinenti.

Il “codice di prevenzione incendi” (D.M. 3 agosto 2015) definisce:

Gli scenari di incendio rappresentano la schematizzazione degli eventi che possono ragionevolmente verificarsi nell’attività in relazione alle caratteristiche del focolare, dell’edificio e degli occupanti.

 

Incendi di progetto

Per la determinazione delle caratteristiche di resistenza al fuoco delle strutture Sono ammesse soluzioni alternative.

Le soluzioni alternative si ottengono verificando le prestazioni di resistenza al fuoco delle costruzioni in base agli scenari di incendio di progetto ed ai relativi incendi convenzionali di progetto rappresentati da curve naturali di incendio secondo il paragrafo S.2.6. del D.M. 3/8/2015.

Verifica delle prestazioni di resistenza al fuoco con curve naturali di incendio

  1. L’andamento delle temperature negli elementi è valutato in riferimento a una curva naturale d’incendio, tenendo conto della durata dello scenario di incendio indicata nel capitolo 2 del D.M. 3 Agosto 2016.
  2. Il processo di individuazione degli scenari di incendio di progetto deve essere conforme a quanto indicato nel capitolo M.2. del D.M. 3/8/2015.
  3. Le curve naturali di incendio possono essere determinate mediante:
    1. modelli di incendio sperimentali,
    2. modelli di incendio numerici semplificati dell’Eurocodice UNI EN 1991-1- 2,
    3. modelli di incendio numerici
  4. Le curve di incendio naturale devono essere determinate per lo specifico compartimento antincendio, con riferimento a metodi di riconosciuta affidabilità come quelli di cui al comma 3 e facendo riferimento, quando necessario, al carico di incendio specifico di progetto qf,d di cui al paragrafo S.2.9. del D.M. 3/8/2015. ponendo pari ad 1 i coefficienti δni relativi alle misure antincendio che si intende modellare secondo i criteri di cui al capitolo M.2. del D.M. 3/8/2015.
  5. I valori del carico d’incendio e delle caratteristiche del compartimento antincendio costituiscono un vincolo d’esercizio per le attività da svolgere all’interno della costruzione.
  6. I criteri di progettazione degli elementi strutturali resistenti al fuoco sono riportati nel paragrafo S.2.8. del D.M. 3/8/2015.

Calcolo della Resistenza al Fuoco con i criteri della FSE

Il calcolo della della Resistenza al Fuoco delle Strutture utilizzando i criteri della Fire Safety Engineering deve seguire i seguenti passi:

  1. scelta degli scenari d’incendio significativi per il caso in esame;
  2. determinazione dei relativi incendi di progetto;
  3. determinazione delle curve naturali di incendio;
  4. calcolo dell’evoluzione della temperatura all’interno degli elementi strutturali;
  5. calcolo del comportamento meccanico delle strutture esposte al fuoco.

Il comportamento meccanico di una struttura esposta all’incendio dipende dalle azioni meccaniche e termiche indotte dal fuoco, e dai loro effetti sulle proprietà dei materiali, combinate con gli effetti indotti sulla struttura dalle azioni meccaniche permanenti e variabili.

A tal fine il punto S.2.14 del D.M. 3 Agosto 2015 prevede:

Modalità per la classificazione in base ai risultati di calcoli

  1. I metodi di calcolo della resistenza al fuoco hanno l’obiettivo di consentire la progettazione di elementi costruttivi portanti, separanti o non separanti, resistenti al fuoco anche prendendo in considerazione i collegamenti e le mutue interazioni con altri elementi, sotto specifiche condizioni di esposizione al fuoco e attraverso il rispetto di criteri prestazionali e l’adozione di particolari costruttivi.
  2. Le condizioni di esposizione al fuoco sono definite in specifici regolamenti e basate sugli scenari di incendio di progetto in essi prescritti o su quelli attesi. Nei medesimi regolamenti sono definite le combinazioni di carico da considera- re agenti insieme all’azione del fuoco e i coefficienti di sicurezza sui materiali e sui modelli.
  3. I metodi di calcolo da utilizzare ai fini del presente documento sono quelli con- tenuti negli Eurocodici di seguito indicati, completi delle appendici contenenti i parametri definiti a livello nazionale (NDPs):
    1. EN 1991-1-2 «Azioni sulle strutture – Parte 1-2: Azioni generali –Azioni sulle strutture esposte al fuoco»;
    2. EN 1992-1-2 «Progettazione delle strutture di calcestruzzo – Parte 1-2: Re- gole generali – Progettazione strutturale contro l’incendio»;
    3. EN 1993-1-2 «Progettazione delle strutture di acciaio – Parte 1-2: Regole ge- nerali – Progettazione strutturale contro l’incendio»;
    4. EN 1994-1-2 «Progettazione delle strutture miste acciaio calcestruzzo – Par- te 1-2: Regole generali – Progettazione strutturale contro l’incendio»;
    5. EN 1995-1-2 «Progettazione delle strutture di legno – Parte 1-2: Regole ge- nerali – Progettazione strutturale contro l’incendio»;
    6. EN 1996-1-2 «Progettazione delle strutture di muratura – Parte 1-2: Regole generali – Progettazione strutturale contro l’incendio»;
    7. EN 1999-1-2 «Progettazione delle strutture di alluminio – Parte 1-2: Regole generali – Progettazione strutturale contro l’incendio»;
  4. I metodi di calcolo di cui al comma 3 possono necessitare della determinazione, al variare delle temperature, dei parametri termofisici dei sistemi protettivi eventualmente presenti sugli elementi costruttivi portanti. In questi casi i valori che assumono detti parametri vanno determinati esclusivamente attraverso le prove indicate nel paragrafo S.2.13. Elaborazioni numeriche dei valori di detti parametri, che esulano dall’ambito delle prove indicate nel paragrafo S.2.13 o dalle norme citate nel comma 3, non sono valide ai fini della verifica della resistenza al fuoco degli elementi costruttivi portanti.

Per definire le azioni del fuoco, devono essere determinati i principali scenari d’incendio e i relativi incendi convenzionali di progetto, sulla base di una valutazione del rischio d’incendio.

Per il calcolo analitico delle caratteristiche di resistenza al fuoco delle strutture possono essere utilizzate le seguenti tipologie di curve di riscaldamento:

  1. curve nominali: per l’intervallo di tempo di esposizione specificato in funzione della desiderata classe di resistenza al fuoco, senza alcuna fase di raffreddamento;
    rei_1
  2. curve parametriche d’incendio tenendo conto dell’intera durata dell’incendio, compresa la fase di raffreddamento fino al ritorno alla temperatura ambiente, a tal fine possiamo utilizzare due formulazioni:
    1.  Curva “CNR”  (curva di Patterson, Magnusson e Thor) prevista dal bollettino CNR n° 192 del 28 dicembre 1999
    2. Curva PARAMETRICA di cui all’EUROCODICE 1  (curva di Wickstrom) (UNI-ENV 1992-1-2)
    rei_2
  3. curve e naturali: determinata in base a modelli d’incendio e a parametri fisici che definiscono le variabili di stato all’interno del compartimento antincendio.
    Le Curve Naturali, utilizzando i criteri della Fire Safety Engineering, sono determinate mediante il calcolo fluidodinamico delle caratteristiche dell’incendio. Gli effetti della combustione del carico di incendio contenuto nel compartimento possono essere determinati in due modi:
    1. Con il metodo di costruzione della curva HRR (Heat Release Rate) riportato nel capitolo M.2. del D.M 3 Agosto 2015, riportato nella alla voce “Curva Heat Release Rate” del Menù “FSE” in funzione del valore del Carico di Incendio.
    2. Considerando le reali caratteristiche chimico-fisiche dei materiali che bruciano all’interno del compartimento così come riportato nella alla voce “Cinetica della Combustione e Termogravimetria” del Menù “FSE“.

Nel seguente filmato è illustrato il metodo per la determinazione della Curva Naturale utilizzando il modello di calcolo FDS (Fire Dynamics Simulator) del NIST.

Il calcolo è relativo a un capannone industriale con all’interno immagazzinati materiali a base cellulosica, poggiati su scaffali in legno, innescati con un bruciatore di dimensioni 1.0 m x 1.0 m, che esprime una potenza di 1000 kW.
Nel calcolo sono stati inseriti i seguenti impianti di protezione antincendio e sonde di misura:

  • Impianto sprinkler in conformità alla UNI 12845;
  • Impianto di rivelazione incendi in conformità alla UNI 9795, che attiva l’apertura degli ENFC e la generazione dell’allarme antincendio (simulato della visualizzazione all’interno dello scenario di cartelli di colore verde;
  • Impianto di evacuazione naturale di fumo e calore (ENFC) in conformità alla UNI 9494-1, attivato dall’impianto di rivelazione.
  • Sonde di misura della temperatura (Termocoppie) intervallate, ogni 2 m, all’altezza dell’estradosso delle travi (sono rappresentate dalla crocette di colore blu poste sotto le travi), per la determinazione delle Curve Naturali tempo-Temperatura, da utilizzare per il calcolo della Resistenza al Fuoco.
  • Sonde di visibilità, poste all’altezza di 1.80 m dal pavimento.
  • Sonde di misura della temperatura dei gas di combustione, poste in corrispondenza delle finestre, utilizzate per determinare la rottura dei vetri.
  • Sistema di allarme antincendio attivato dall’impianto di rivelazione.
Capannone Industriale

 

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Curva Tempo Temperatura relativa alla termocoppia CT_8
Capannone Industriale

A seguito della determinazione della curva naturale tempo-Temperatura si calcola la distribuzione delle temperature all’interno dell’elemento strutturale al variare del tempo di esposizione. Nell’esempio riportato nel seguente filmato sono state utilizzate la Curva Standard (ISO 832) e una curva parametrica

 Determinazione della variazione delle temperature all’interno dell’elemento strutturale in funzione di varie curve di riscaldamento

Si determinano quindi le variazione delle proprietà meccaniche dei materiali costitutivi dell’elemento strutturale al variare della temperatura (Eurocodice 2 UNI-EN 1992-1-2).

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Si calcolano poi i domini di rottura per la verifica degli SLU al variare della temperatura con il tempo, utilizzando le caratteristiche della sollecitazione determinate in funzione delle condizioni di carico eccezionali previste dalla NTC 2008.

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Maggiori chiarimenti possono essere trovati nella sezione “Resistenza al Fuoco” del menù “Biblioteca

Appendice: Determinazione del Carico di Incendio come da D.M. 3 Agosto 2015

Si definiscono:

Carico di incendio: potenziale termico netto della totalità dei materiali combustibili contenuti in uno spazio, corretto in base ai parametri indicativi della partecipazione alla combustione dei singoli materiali. Limitatamente agli elementi strutturali di legno, è possibile considerarne il contributo tenendo conto del fatto che gli stessi devono altresì garantire la conseguente resistenza al fuoco. Tale contributo deve essere determinato tramite consolidati criteri di interpretazione
del fenomeno. Il carico di incendio è espresso in MJ; convenzionalmente 1 MJ è assunto pari a 0,057 kg di legna equivalente.
Carico d’incendio specifico: carico di incendio riferito all’unità di superficie lorda di piano, espresso in MJ/m2.
Carico d’incendio specifico di progetto: carico d’incendio specifico corretto in base ai parametri indicatori del rischio di incendio del compartimento antincendio e dei fattori relativi alle misure antincendio presenti. Esso costituisce la grandezza di riferimento per le valutazioni della resistenza al fuoco delle opere da costruzione.
Classe di resistenza al fuoco: intervallo di tempo espresso in minuti, definito in base al carico di incendio specifico di progetto, durante il quale il compartimento antincendio garantisce la resistenza al fuoco. È riferita ad una curva di incendio
nominale.

Procedura per il calcolo del carico di incendio specifico di progetto
Il valore del carico d’incendio specifico di progetto (qf,d) è determinato secondo la seguente relazione:

qf,d = δq1 · δq2 · δn · qf  

dove:
qf,d  carico d’incendio specifico di progetto [MJ/m2]
δq1   fattore che tiene conto del rischio di incendio in relazione alla dimensione del compartimento e i cui valori sono definiti nella tabella S.2-4 del D.M. 3 Agosto 2015.rei_5δq2 è il fattore che tiene conto del rischio di incendio in relazione al tipo di attività svolta nel compartimento e i cui valori sono definiti nella tabella S.2-5 del D.M. 3 Agosto 2015.rei_6

δn=Πi δni è il fattore che tiene conto delle differenti misure antincendio del compartimento ed i cui valori sono definiti nella tabella S.2-6 del D.M. 3 Agosto 2015.rei_7qf  è il valore nominale del carico d’incendio specifico da determinarsi secondo la formula: [MJ/m2]rei_8dove:
gi massa dell’i-esimo materiale combustibile [kg]
Hi potere calorifico inferiore dell’i-esimo materiale combustibile; i valori di Hi dei materiali combustibili possono essere determinati per via sperimentale in accordo con UNI EN ISO 1716:2002, dedotti dal prospetto E3 della norma UNI EN 1991-1-2, ovvero essere mutuati dalla letteratura tecnica. [MJ/kg]
mi 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;
ψi fattore di limitazione della partecipazione alla combustione dell’i-esimo materiale combustibile pari a:
–  0 per i materiali contenuti in contenitori appositamente progettati per resistere al fuoco per un tempo congruente con la classe di resistenza al fuoco (es. armadi resistenti al fuoco per liquidi infiammabili, …);
–  0,85 per i materiali contenuti in contenitori non combustibili, che conservino la loro integrità durante l’esposizione all’incendio e non appositamente progettati per resistere al fuoco (es. fusti, contenitori o armadi metallici, …);
–   1 in tutti gli altri casi (es. barattoli di vetro, bombolette spray, …);
A superficie lorda del piano del compartimento [m2]

Il D.M 3 Agosto 2015 prevede inoltre la possibilità di potere determinare statisticamente il Carico di Incendio, a tal fine occorre:

  1. Calcolare il valore al frattile 80% del carico di incendio partendo da valori reperiti in letteratura tecnica, da considerare come valori medi, è necessario moltiplicare il valore medio per un coefficiente amplificativo, secondo i seguenti criteri:
    a. per attività con variabilità molto limitate per quanto riguarda il mobilio o le merci in deposito, come ad esempio abitazioni, alberghi, ospedali, uffici e scuole è possibile scegliere un valore del coefficiente moltiplicativo compreso
    tra 1,20 e 1,50;
    b. per attività con variabilità maggiori per quanto riguarda il mobilio o le merci in deposito, come ad esempio centri commerciali, grandi magazzini attività industriali è possibile scegliere un valore del coefficiente moltiplicativo compreso tra 1,20 e 1,75.
    All’interno di tali intervalli può essere individuato il valore del coefficiente appropriato alla trattazione del caso in esame.
  2. Nell’appendice E della norma UNI EN 1991-1-2 è presente la tabella S.2-7 ove sono riportate le densità di carico di incendio per diverse destinazioni d’uso, sia come valore medio che come frattile 80%.

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Procedura per il calcolo del contributo al carico di incendio di strutture in legno
Il contributo degli elementi strutturali di legno può essere determinato attraverso il seguente procedimento:

  1. si determina la classe del compartimento prescindendo inizialmente dalla presenza degli elementi strutturali lignei; tale classe, ai soli fini della determinazione di cui al successivo punto b., non potrà in ogni caso essere inferiore a 15 minuti;
  2. si calcola lo spessore di carbonizzazione degli elementi strutturali di legno corrispondente alla classe determinata al punto precedente, adottando come valori di riferimento della velocità di carbonizzazione quelli contenuti nella norma UNI EN 1995-1-2 «Progettazione delle strutture di legno – Parte 1-2: Regole generali – Progettazione strutturale contro l’incendio» di cui si riporta uno stralcio nella tabella S.2-8. In caso di elementi strutturali di legno dotati di rivestimenti protettivi antincendio si può procedere al calcolo dello spessore di carbonizzazione tenendo conto delle specifiche indicazioni fornite dalla norma UNI EN 1995-1-2.
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  3. si determina definitivamente la classe del compartimento, tenendo anche conto del carico di incendio specifico relativo alle parti di elementi strutturali di legno corrispondenti allo spessore di cui al punto b. che hanno partecipato alla combustione.

Per tipologie di legnami non espressamente riportate nella tabella soprastante, ci si potrà regolare per analogia assumendo in ogni caso valori conservativi ai fini della sicurezza antincendio.

 

 

 

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