NORMATIVA E TECNICA - ARTICOLO

Sicurezza antincendio: resistenza al fuoco

inserito il: 29.07.2009
di Aldo Nicoletti
tratto da 'Infoimpianti'

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Nella tecnica antincendio occorre individuare i materiali combustibili e/o infiammabili, le loro caratteristiche, la tipologia e la dislocazione, le modalità di stoccaggio e determinare la velocità, anche se teorica, di combustione, ipotizzando le probabili modalità di propagazione del fuoco. Alla luce della nuova normativa in materia si riportano due esempi pratici sulla determinazione dei carichi di incendio, il primo è inerente ad un capannone industriale, l’altro ad una struttura di sostegno per tetti.

I decreti del ministero dell'Interno 16.02.2007 e 09.03.2007, “Classificazione di resistenza al fuoco di prodotti ed elementi costruttivi di opere da costruzione" e "Prestazioni di resistenza al fuoco delle costruzioni nelle attività soggette al controllo del Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco”, hanno introdotto sostanziali e significative modifiche alla precedente normativa (circolare del ministero dell'Interno, n. 91 del 14.09.1961), introducendo elementi nuovi in materia di sicurezza antincendi.

Calcolo del carico d’incendio
Il “valore nominale del carico d’incendio specifico” si determina sulla base del potenziale di fuoco dovuto alla presenza di masse di materiali combustibili, in un compartimento antincendio, considerando il fattore di partecipazione alla combustione e il fattore di limitazione a detta partecipazione, dovuta alle modalità di immagazzinamento. Vale la relazione
qf = gi · Hi · mi ·?i/A (MJ/m2)
essendo qf il valore nominale del carico d’incendio, gi la massa dell’i-esimo materiale combustibile (kg), Hi il potere calorifico dell’i-esimo materiale, mi e ?i i fattori di partecipazione e di limitazione alla partecipazione dell’i-esimo materiale alla combustione (mi varia da 0,80 per il legno e altri materiali di natura cellulosica sino a 1, per tutti gli altri materiali combustibili), A è l’area lorda della superficie in pianta del compartimento antincendio (m2).
Il “valore del carico d’incendio specifico di progetto” qf,d è determinato dalla relazione
qf,d = dq1 · dq2 · dn · qf (MJ/m2)
dq1 è il fattore che tiene conto del rischio d’incendio riguardo alle dimensioni del compartimento e varia da 1,00 a 2,00 per aree da <500 m2 a ≥10. 000 m2.
dq2 è il fattore che tiene conto del rischio d’incendio riguardo all’attività svolta nel compartimento e può essere 0,80, 1,00, 1,20 secondo la classe di rischio I, II, III (tabella 2 del Dm 09.03.2007).
dn è il fattore che tiene conto delle differenti misure di protezione adottate e varia da 0,60 a 0,90 (tabella 3 del Dm succitato).

Livelli di prestazione
Le prestazioni da richiedere a una costruzione, in funzione degli obiettivi di sicurezza, sono individuate in 5 livelli (punto 3 del Dm succitato).
- Livello I: nessun requisito specifico di resistenza al fuoco, dove le conseguenze della perdita dei requisiti stessi siano accettabili o dove il rischio incendio sia trascurabile.
- Livello II: mantenimento dei requisiti di resistenza al fuoco per un periodo sufficiente all’evacuazione degli occupanti, in luogo sicuro, all’esterno della costruzione.
- Livello III: mantenimento dei requisiti di resistenza al fuoco per un periodo congruo con la gestione dell’emergenza.
- Livello IV: requisiti di resistenza al fuoco tali da garantire, dopo la fine dell’incendio, un limitato danneggiamento.
- Livello V: requisiti di resistenza al fuoco tali da garantire, dopo la fine dell’incendio, il mantenimento della totale funzionalità della costruzione stessa.
I livelli comportano l’adozione di differenti classi di resistenza al fuoco, che sono: 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240, 360. Le classi stesse sono precedute da simboli indicanti i requisiti che devono essere garantiti, per l’intervallo descritto, dagli elementi costruttivi (decisioni Ue 2000/367/CE e 2000/629/CE).

Il Livello I non è ammesso per le costruzioni che ricadono nel campo di assoggettabilità ai controlli di prevenzione incendi, ove sono esercite le attività elencate nel Dm del 16.02.1982.
Il Livello II può ritenersi adeguato per costruzioni sino a 2 piani fuori terra e 1 piano interrato, isolate (eventualmente adiacenti ad altre purché strutturalmente e funzionalmente separate), destinate ad un’unica attività, non aperta al pubblico, e ai relativi impianti tecnologici di servizio e depositi, ove si verifichino le ulteriori condizioni: a) le dimensioni della costruzione sono tali da garantire l’esodo in sicurezza degli occupanti; b) gli eventuali crolli totali o parziali della costruzione non arrecano danni ad altre costruzioni e non compromettano l'efficacia degli elementi di compartimentazione e di impianti di protezione attiva che proteggono altre costruzioni; c) il massimo affollamento complessivo della costruzione non supera 100 persone e la densità di affollamento media non supera 0,2 persone/m2; d) la costruzione non è adibita ad attività che prevedono posti-letto; e) la costruzione non è adibita ad attività specificatamente destinate a malati, anziani, bambini o a persone con ridotte o impedite capacità motorie, sensoriali o cognitive. Come si può arguire, l'adozione del Livello II non riesce agevole, né è facilmente e univocamente determinabile, per questo il tecnico è bene si orienti verso l'adozione di strutture e elementi strutturali assicuranti l'adeguamento a Livelli superiori; ciò anche se le classi di resistenza al fuoco necessarie per garantire il Livello II possono essere: 30, per costruzioni ad 1 piano fuori terra, senza interrati; 60 per costruzioni fino a 2 piani fuori terra e 1 piano interrato, indipendentemente dal valore assunto dal carico di incendio specifico di progetto.
Il Livello III può ritenersi adeguato per tutte le costruzioni in cui si svolgono attività soggette ai controlli di prevenzione incendi, ad eccezione di quelle per le quali sono richiesti i Livelli IV e V.
I Livelli IV e V possono essere oggetto di specifiche richieste del committente o essere previsti dai capitolati tecnici di progetto o essere richiesti dalle autorità competenti, per costruzioni destinate ad attività di particolare importanza.

Scenari e incendi convenzionali di progetto
Per definire le azioni del fuoco, devono essere determinati i principali scenari di incendio e i relativi incendi convenzionali di progetto, sulla base di una valutazione dei rischi di incendio. Ciò riguarda le esperienze di laboratorio che, pertanto, si avvalgono di due tipologie di curve di incendio: nominali; naturali.
La “curva nominale di incendio” è riferita all'incendio convenzionale, rappresentato dalla curva nominale standard seguente:

Tg = 20 + 345 log10(8t + 1) (°C)

dove Tg è la temperatura media dei gas di combustione espressa in °C; t è il tempo espresso in minuti primi. Non è prevista la fase di raffreddamento ma solo l'intervallo di tempo di esposizione pari alla classe di resistenza al fuoco prevista. Nei casi di incendi di quantità rilevanti di idrocarburi o altre sostanze con equivalente velocità di rilascio termico ed esclusivamente per la determinazione della capacità portante delle strutture e nei casi di incendi che si sviluppano all'interno del compartimento ma che coinvolgono strutture poste all'esterno, le curve di incendio nominale standard assumono altra forma (punto 4.1 del Dm 09.03.2007).

La “curva naturale di incendio” prevede che l'andamento delle temperature degli elementi sia valutato con riferimento a una curva naturale di incendio, tenendo conto dell'intera durata dello stesso, compresa la fase di raffreddamento, fino al ritorno alla temperatura ambiente. Si è, quindi, nelle condizioni di un approccio prestazionale di verifica della capacità portante e per quella di compartimentazione degli elementi costruttivi, riferito all'azione termica di una curva naturale di incendio, applicata per !'intervallo di tempo necessario alla temperatura ordinaria di 20°C, da determinarsi attraverso: a) modelli di incendio sperimentale; b) modelli di incendio numerici semplificati; c) modelli di incendio numerici avanzati.
Le curve di incendio naturale devono essere determinate per lo specifico compartimento, facendo, tra l'altro, riferimento al carico di incendio specifico di progetto, ponendo pari ad 1 i coefficienti dn relativi alle misure di protezione che si intende modellare. Deve essere sempre eseguita anche la verifica della capacità portante e di quella di compartimentazione degli elementi costruttivi, rispetto all'azione termica della curva di incendio nominale standard, con riferimento alle classi riportate nella tabella 5, in funzione del carico di incendio specifico di progetto qfd (punto 4.2.3 dell'allegato al Dm 09.03.2007).

Criteri di progettazione degli elementi strutturali resistenti al fuoco
La capacità del sistema strutturale, in caso di incendio, si determina sulla base della capacità portante propria degli elementi strutturali singoli, di porzioni di struttura o dell'intero sistema costruttivo, comprese le condizioni di carico e di vincolo, tenendo conto della eventuale presenza di materiali protettivi. Le deformazioni e le espansioni impedite, dovute ai cambiamenti di temperatura, per effetto dell'esposizione al fuoco, producono sollecitazioni indirette, forze, momenti, che devono essere tenuti presenti, ad eccezione dei casi in cui sia riconoscibile, a priori, che esse siano trascurabili o favorevoli, oppure se ne sia, implicitamente, tenuto conto nelle valutazioni di comportamento delle strutture, in caso di incendio, per dilatazioni, contrazioni, inflessioni e simili.

Le sollecitazioni indirette, dovute agli elementi strutturali adiacenti a quello preso in esame, possono essere trascurate quando i requisiti di sicurezza all'incendio sono valutati con riferimento alla curva nominale di incendio e alle classi di resistenza al fuoco: ciò in quanto le strutture stesse sono sottoposte ad esposizione al fuoco, per un intervallo di tempo pari alla classe di resistenza al fuoco prevista, senza alcuna fase di raffreddamento. Non si prende in considerazione la possibilità di concomitanza dell'incendio, con altre azioni accidentali.
Per i soli elementi strutturali secondari, ove presenti, in costruzioni che devono garantire il Livello III di prestazione è consentito limitare il requisito di resistenza al fuoco alla classe 30, a condizione che l'eventuale crollo degli elementi strutturali secondari, non comprometta la capacità portante di altre parti della struttura e l'efficacia di elementi costruttivi di compartimentazione e di impianti di protezione attiva. Inoltre, non costituisca un significativo rischio per gli occupanti e per i soccorritori. I metodi di calcolo della resistenza al fuoco delle strutture sono contenuti negli Eurocodici.

Esempio
Determinazione dei carichi di incendio
Si prende in esame un capannone industriale esistente destinato all'esercizio dell'attività n. 69 (cantiere navale con oltre 5 addetti), comprendente anche l'attività n. 47 (laboratorio per la lavorazione del legno con materiale in lavorazione e/o in deposito di q 100 per l'arredamento, e q 2 per accessori vari). Il capannone misura, in pianta lorda, m 19,80 x m 43,60, pari a m2 863,28. Nel capannone sono ricoverate due imbarcazioni di vetroresina (30%), denominati "gusci", aventi massa di kg 5.000 cadauna, per l'allestimento su di esse dell'arredamento e degli accessori, tutto di legno.

Valore nominale del carico di incendio specifico:
qf = gi · Hi · mi ·?i/A =
[(kg 10.000 x 17 MJ/kg x 1 x 1) + (kg 10.200 x 17 MJ/kg x 0,80 x1)]/863,28 m2 = 357,613 MJ/m2
Valore del carico di incendio specifico di progetto:
qf,d = dq1 · dq2 · dn · qf (MJ/m2)
dq1 = 1 ,20 (area della superficie del capannone compresa tra 500 e 1.000 m2)
dq2 = 1,00 (classe di rischio Il);
dn = dn5 (=0,90) (squadra antincendi aziendale) x dn6-7 (=1) (rete idrica antincendi solo interna al capannone) x dn9 (=0,90) (accessibilità ai mezzi di soccorso VV.F.) = 0,81;
qf,d = 1,20 x 1 x 0,81 x 357,613 = 347,600 (MJ/m2).

La classe di resistenza al fuoco, necessaria per garantire il livello II di prestazione è 30, trattandosi di costruzione ad 1 piano fuori terra, senza interrati, punto 3.2 del Dm 09.03.2007. Le strutture costituenti il capannone sono le seguenti:
- pilastri prefabbricati in c. a. 36x70;
- travi di imposta della copertura a volta prefabbricate in c. a. 20x25;
- cordolature di solidarizzazione, al piede dei pannelli prefabbricati, in laterizio armato, della copertura, 20x25, gettate in opera;
- cordolatura di solidarizzazione, al colmo della copertura a volta, in c. a., gettata in opera, 20x40;
- tiranti metallici Ø30, per l'eliminazione della spinta orizzontale della copertura del capannone;
- tamponamenti longitudinali, di separazione dalle Ditte contigue, in murature di blocchetti di cemento, spessore totale cm 44;
- tamponamenti sui 2 fronti del capannone, in blocchetti di cemento, spessore complessivo cm 38;
- trave in c. a. 30x60, su ciascuno dei 2 fronti del capannone, superiormente a ciascuno dei 2 portoni metallici ad ante scorrevoli;
- n. 2 pilastri in c. a. gettato in opera, 38x38, costituenti le spallette di supporto del portone del fronte posteriore del capannone;
- n. 2 pilastri metallici a doppio T 300 x 300, altezza m 6,80, costituenti le spallette di supporto del portone del fronte anteriore del capannone stesso.
Nei pilastri il copriferro è di mm 30, mentre nelle travi e nelle cordolature è di mm 65; pertanto, la classe di resistenza al fuoco è R 120 (tabelle D.6.1 e D.6.2 del punto D.6 del Dm 16.02.2007).

Per le murature dei tamponamenti longitudinali e per quelle dei due fronti del capannone la classe di resistenza al fuoco è R 120 (tabella D.4.2 del punto D.4 del succitato Dm).
Pertanto, il livello di prestazione delle strutture è assicurato. I tiranti metallici e le due colonne metalliche, a doppio T, invece, devono essere adeguatamente protette contro il fuoco. Per i tiranti metallici si può adottare la soluzione dell'installazione su di essi di "coppelle", mentre per le due colonne, si procede come segue. La superficie esposta al fuoco è quella che rimane scoperta dal tamponamento anteriore del capannone ed è determinata, con riferimento alla sezione a doppio T: da una base, internamente al capannone, da uno spessore di un'ala, dalla lunghezza di un'ala, dalla lunghezza della costola, dalla lunghezza di un'altra ala, e da altro spessore di un'ala: la parte rimanente risulta, in parte, aderente al succitato tamponamento e, in parte, (l'altra base), prospiciente l'esterno.
Pertanto, sempre con riferimento alla sezione a doppio T della colonna metallica (fig. 1), i1 perimetro della sezione esposta al fuoco risulta essere: 300( base) + 20 (spessore-ala) + 144 (lunghezza-ala) + 260 (lunghezza-costola) + 144 (Iunghezza¬-ala) + 20 (spessore-ala) = mm 888. L'area della superficie della sezione è pari a cm2153,98. Pertanto, il fattore di sezione risulta pari a: cm 88,8/cm2153,98 = 57,66 m-1. Dalla tabella D.7.1 di cui al punto D.7 del Dm 16.02.2007 si ricava lo spessore di mm 30 d’intonaco normale (massa volumica 1.000/1.400 kg/m3), necessario per ottenere, per le colonne metalliche, R 120. Per quanto sopra esposto, si conclude che le classi di resistenza al fuoco delle strutture del capannone sono superiori a quelle necessarie a garantire il Livello II.

Esempio
Calcolo del fattore di sezione per una capriata metallica
La capriata, secondo uno schema indicativo (finalizzato soltanto a procedere al calcolo del fattore di sezione), è composta da (fig. 2): n. 1 catena (lunga m 8.00), n. 2 puntoni di falda (lunghi ciascuno m 4,27), n. 1 puntone verticale centrale (lungo m 1,50), n. 2 contrafforti (aste oblique), lunghi ciascuno m 2,13), n. 2 aste verticali (lunghe ciascuna m 0,75). La capriata è realizzata con profilati metallici a L 80, ad ali uguali, spesse mm 10. L'area della sezione del profilo a L 80, ad ali uguali, è pari a cm2 15,1. La lunghezza totale di tutti gli elementi costituenti la capriata è pari a m 58,62, mentre il volume, trascurando i "fazzoletti" dei nodi, è pari a m3 0,0885162. Il perimetro della sezione del profilato suddetto è pari a mm 311,4. L'area della superficie non esposta al fuoco è quella di 4 delle ali del profilato, costituenti i puntoni di falda, pari a m2 1,3664. L'area della superficie complessiva degli elementi costituenti la capriata, trascurando i "fazzoletti" ma, includendo le aree delle superfici delle sezioni rette, terminali di tutti i componenti della capriata, è pari a m2 10,909588. Pertanto, l'area della superficie esposta al fuoco, per tutti gli elementi della capriata, è pari a 9,543188 m2.

Il fattore di sezione è dato da m2 9,543188/m3 0,0885162 = 107,81 m-i.
Il suddetto valore è, quindi, da utilizzare per entrare in una delle 4 tabelle, colonna < di 150, per individuare il tipo e le caratteristiche del rivestimento protettivo, ai fini antincendi (tabella D.7.1 di cui al punto D.7 del Dm 16.02.2007).

Alcuni riferimenti antincendio
Nella tecnica antincendio si dovrà orientare l'attenzione, in particolare, verso i seguenti criteri: a) individuare i materiali combustibili e/o infiammabili presenti presso un'attività, le loro caratteristiche, la loro tipologia, le modalità di stoccaggio; b) individuare la loro dislocazione, con particolare riferimento ai siti con presenza di pericoli che possano costituire causa d’innesco del fuoco; ciò, specialmente nelle situazioni in cui i materiali sostino presso i macchinari di lavorazione, installati entro l'opificio; c) individuare la velocità, anche se teorica, di combustione (kg di combustibile/min) dei materiali, in conformità a riferimenti desunti da pertinenti schede tecniche; d) ipotizzare le probabili modalità di propagazione del fuoco.
Inoltre, si rende molto utile fare riferimento a due importanti aspetti che sono correlabili con le caratteristiche dei Livelli di prestazione e con la resistenza al fuoco delle costruzioni e, quindi, degli elementi strutturali. S’intende, con ciò, indirizzare l'attenzione verso i seguenti riferimenti tecnici: la velocità teorica di combustione e la durata teorica dell'incendio (ore, min). Entrambi i succitati riferimenti assumono rilevante importanza negli incendi che avvengono al chiuso. La velocità teorica di combustione, secondo la letteratura tecnica, è data dalla formula:
W= f · B • H ·V m/L (kg di combustibile/min)

dove f è il coefficiente di contrazione della vena dello smaltimento all'esterno dei prodotti della combustione, attraverso, per esempio, l'unica finestra di un compartimento antincendio e si assume pari a 0,8; B (m) e H (m) sono le dimensioni della finestra; Vm (m/min) è la velocità teorica dell'aria che entra attraverso la finestra; L (m3/kg) è la quantità teorica d’aria richiesta per la combustione di 1 kg di legno (a 15°C e 760 mm Hg).
A regime, attraverso la finestra si stratificheranno due correnti: nella parte alta quella dei prodotti della combustione in uscita, e nella parte bassa, quella dell'aria, in entrata dall'esterno. Le due correnti sono separate, tra loro, da una zona neutra, in corrispondenza della quale, la pressione, internamente al compartimento, uguaglia la pressione esterna (fig. 3).