Tratto dagli atti del convegno: “Handling Exceptions in Structural Engineering: robustezza Strutturale, Scenari Accidentali, Complessità di Progetto”,

Roma 13-14 Novembre 2008

1 INTRODUZIONE

I parcheggi multipiano fuori terra sono edifici ca-ratterizzati dalla necessità di elevate luci libere per la realizzazione dei minimi ingombri utili per il par-cheggio delle auto e per la loro circolazione interna. Caratteristica importante di questi edifici è l’ampia ventilazione naturale, con cui sono solitamente rea-lizzati, il che ha effetti positivi sul comportamento in caso di incendio, in quanto conduce a scenari di in-cendio di tipo localizzato. Pertanto, l’impiego delle strutture di acciaio e delle strutture composte ac-ciaio-calcestruzzo, mediante le quali è possibile ot-tenere 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 ve-rifica delle prestazioni in caso di incendio di par-cheggi fuori terra in acciaio e acciaio-calcestruzzo (ECSC BRE, 2001). I risultati di questa campagna di prove sperimentali saranno posti alla base del pre-sente lavoro che si pone il principale obiettivo di va-lutare il comportamento di queste strutture nei diver-si possibili scenari di incendio che caratterizzano gli edifici adibiti a parcheggio di autovetture.

Dopo aver individuato le principali tipologie co-struttive degli edifici multipiano fuori terra adibiti a

parcheggio di autovetture, segue l’analisi dei possi-bili scenari di incendio, utilizzando i risultati delle indagini statistiche condotte sugli eventi di incendio verificatisi in autorimesse della Francia e di altri pa-esi europei e dei test su autovetture sotto il “calori-metric 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, svilup-pato attraverso l’assunzione di opportuni scenari di incendio e l’applicazione dei metodi di calcolo a-vanzato 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 rea-lizzazione delle autorimesse, in Italia, è regolamen-tata dal Decreto del Ministero dell’Interno del 1 feb-braio 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

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 edifi-ci. 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 risul-tato 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 in-gegneristico per la sicurezza strutturale in condizioni di incendio. Il presente contributo illustra i principali ri-sultati 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.

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 iso-late, in quanto ubicate in edifici destinati esclusiva-mente a tale uso, ed aperte o ventilate, ossia provvi-ste di aperture perimetrali permanenti pari almeno al 60% della superficie delle pareti ed al 15% della su-perficie in pianta, la citata regola tecnica richiede come requisito minimo la sola incombustibilità delle strutture.

Figura 1. Parcheggi ventilati Tuttavia la necessità di assicurare il soddisfaci-

mento dei primari obiettivi di sicurezza degli occu-panti 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 di-rettive emanate con il D.M.Int. 9 maggio 2007 che ha disciplinato tale metodologia in Italia.

Ai fini dell’applicazione dell’approccio ingegne-ristico, in particolare per il ruolo delle strutture por-tanti nelle condizioni di incendio, assume fondamen-tale importanza la definizione del requisito sicurezza in caso di incendio introdotta con la Direttiva sui Prodotti da Costruzione 89/106 della Comunità Eu-ropea. 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 vici-

ne 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 in-

gegneristico per la sicurezza in caso di incendio de-ve pertanto essere valutato mediante l’analisi del

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 preve-dono due possibilità di progettazione: - la prima, di tipo prescrittivo, che prevede una resi-

stenza al fuoco R60 per gli edifici monopiano e R90 per gli edifici multipiano, valutata nelle condi-zioni di un incendio nominale (curva ISO 834);

- la seconda, di tipo prestazionale, che prevede, per ognuno degli scenari di incendio definiti per il par-ticolare progetto, la stabilità strutturale per tutta la durata dell’incendio, compresa la fase di raffred-damento.

3 PRINCIPALI TIPOLOGIE DI PARCHEGGI FUORI TERRA IN ACCIAIO

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 rea-lizzazione di edifici in acciaio destinati a parcheggio si possono annoverare, ad esempio, edifici monopia-no con rampe rettilinee interne e con solaio di coper-tura destinato, anch’esso, a parcheggio; oppure edi-fici 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 acciaio-calcestruzzo, è composto da tre telai principali aven-

ti interasse pari a 16 m, ciascuno con colonne di ac-ciaio, incernierate alla base, poste a distanza recipro-ca di 5 m; le travi principali sono collegate mediante nodo cerniera alle colonne. Le travi secondarie, di-sposte 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 compo-sta. 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 di-rezioni sono disposti controventi per la resistenza al-le azioni orizzontali. L’interasse delle colonne si a-datta 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 so-laio utilizzato è composto da lamiera grecata in ac-ciaio, del tipo Cofrastra 40, con interasse di 2.5 m e getto collaborante in calcestruzzo armato, con altez-za 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

Figura 3. Schema di carpenteria.

4 I RISULTATI DELLA RICERCA EUROPEA

Il tema della sicurezza in caso di incendio dei par-cheggi multipiano ventilati è stato ampiamente af-frontato 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, rap-presenta la parte conclusiva del lavoro ed è finaliz-zato in primo luogo alla verifica sperimentale dei modelli analitici messi a punto nelle precedenti ri-cerche.

Nell’ambito di questo progetto di ricerca è stata condotta, preliminarmente, un’analisi statistica stu-diando 78 report di intervento in autorimesse effet-tuati 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 fuo-co.

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 posso-no rilasciare (Tabella 2).

Figura 4. Configurazione del test al “calorimetric hood”

Tipo Classe 1 Classe 2 Classe 3 Classe 4 Classe 5

Peugeot 106 306 406 605 806 Renault Twingo-Clio Megane Laguna Safrane Espace Citroen Saxo ZX Xantia XM Evasion

Ford Fiesta Escort Mondeo Scorpio Galaxy Opel Corsa Astra Vectra Omega Frontera Fiat Punto Bravo Tempra Croma Ulysse

Wolkswagen Polo Golf Passat - Sharan Potenziale calorifico 6000 MJ 7500 MJ 9500 MJ 12000 MJ

Tabella 2. Classificazione delle auto.

Figura 5. Tasso di rilascio termico di un’ auto di classe 3

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 ana-lizzati; 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 8. Numero di veicoli coinvolti negli incendi

Dall’analisi dei report è stato anche possibile va-

lutare 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 9. Tempo di estinzione dell’incendio.

La parte più corposa della ricerca (ECSC BRE,

2001) è, però, rappresentata dalle prove in scala rea-le 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 geome-triche della struttura e dei dati statistici sugli incendi reali. Sono stati svolti tre test differenti facendo va-riare 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 posizio-nate in posti adiacenti in prossimità delle colonne centrali (Figura 11): la prima auto innescata è quella centrale (a partire da un focolaio costituito da epta-no); 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.

Figura 10. Foto del parcheggio di prova.

Figura 11. Scenari di incendio nel test 1.

Durante la prova è stata misurata la temperatura

ambiente in vari punti dell’autorimessa, la tempera-tura degli elementi strutturali, la temperatura all’interno delle auto, i flussi di calore e gli sposta-menti 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 defor-mazioni negli elementi, oltre a instabilità e danneg-giamenti 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 svergo-lamento 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) lo-calmente in vicinanza delle auto incendiate, ma si è ridotta velocemente allontanandosi dalle fiamme. La temperatura nelle travi (Figura 13) è risultata varia-bile in funzione della distanza delle sezioni dal foco-laio 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 calce-struzzo non ha superato i 360°C sulla superficie e-sposta e i 100°C verso l’interno della soletta. Le co-lonne centrali (Tabella 3) sono state principalmente esposte su un lato, par cui sono state registrate tem-perature differenti nei vari punti in cui sono state mi-

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 raffreddamen-to.

Figura 12. Temperatura massima e media raggiunte nell’ambiente all’intradosso del solaio in corrispondenza di o-gni posto auto (Test 1).

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 se-guito della prova preliminare, si è eseguito il secon-do test. Questo è stato realizzato con lo stesso scena-rio di incendio (Figura 11) utilizzato per il primo test, ma stavolta le auto incendiate sono state posi-zionate sul lato opposto del parcheggio e il test è sta-to eseguito in presenza di forte vento, il che ha pro-vocato 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 cir-ca.

Al termine della prova sono state osservate curva-ture delle travi e delle colonne ed instabilità locali nelle zone più esposte delle travi. Inoltre, si è verifi-cato un danneggiamento in corrispondenza dei col-legamenti 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) regi-strate durante le prove hanno mostrato picchi molto alti in corrispondenza del focolaio, ma essi si ridu-cono velocemente allontanandosi da esso. Anche nelle zone più vicine alle auto incendiate la tempera-tura è istantaneamente alta, ma decresce molto velo-cemente dopo il raggiungimento del valore massimo. Pertanto la temperatura nelle travi (Figura 16) è mol-to alta in prossimità delle auto incendiate, ma decre-sce sensibilmente discostandosi da esse. La tempera-tura delle colonne (Tabella 4) presenta forti gradienti dovuti alla esposizione non uniforme al flusso di ca-lore.

Figura 15. Temperatura massima e media raggiunte nell’ambiente all’intradosso del solaio in corrispondenza di o-gni posto auto (Test 2).

Tabella 4. Temperatura massima nelle travi (Test 2).

Figura 16. Temperatura massima nelle travi (Test 2)

Per quanto riguarda gli spostamenti, oltre alle mi-

sure effettuate anche per il primo test (Figura 17) è stata aggiunta la misurazione degli spostamenti oriz-zontali (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 inar-camento verso l’alto nella fase di raffreddamento fi-no a circa 40 mm. Gli spostamenti verticali della sommità delle colonne sono stati di pochi mm, il va-lore 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 18. Spostamento verticale della colonna più esposta al fuoco (Test 2).

Figura 19. Spostamento orizzontale della colonna all’estremità della trave 2

Infine l’ultimo test è stato quello eseguito per ve-rificare le condizioni di propagazione dell’incendio tra due auto parcheggiate frontalmente l’una all’altra (Figura 20) ed è stato posto uno schermo in prossi-mità 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 risul-tata mediamente bassa, ad eccezione di picchi con-centrati che non hanno comportato grandi innalza-menti di temperatura negli elementi strutturali. Infatti, la temperatura dei profili durante la prova è rimasta sempre molto bassa e le deformazioni con-seguenti sono state molto limitate.

Figura 21. Curva della temperatura dell’aria sopra l’auto 1.

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 ti-po ventilato, definendo dapprima gli scenari di in-cendio di progetto e, applicando successivamente le analisi strutturali avanzate previste dalle parti fuoco degli Eurocodici 1, 3 e 4.

5.1 Determinazione degli scenari di incendio

Ai sensi del D.M.Int. 09/05/07 per “scenario di in-cendio” deve intendersi “la descrizione qualitativa dell'evoluzione di un incendio che individua gli e-venti chiave che lo caratterizzano e che lo differen-ziano dagli altri incendi. Di solito può comprendere le seguenti fasi: innesco, crescita, incendio piena-mente sviluppato, decadimento. Deve, inoltre, defi-nire 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 influen-zato, tra l’altro, dalla geometria dei locali che costi-tuiscono il compartimento e dalle loro condizioni di ventilazione naturale. Infatti, la caratteristica di un’autorimessa ampiamente ventilata è che, in pre-senza 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 permet-tere il raggiungimento delle condizioni di flashover, il fenomeno rimane per tutta la durata dell’incendio di tipo “pre-flashover”. In queste condizioni i possi-bili scenari di incendio sono costituiti dalla combu-stione di un numero limitato di autovetture che ri-mangono 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 nu-mero di autovetture che possono costituire il foco-laio 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 del-la corsia di percorrenza del parcheggio. In questo ul-timo caso, data la posizione rispetto alle altre auto, è sufficiente prevedere una sola auto incendiata: que-sto 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 (Fi-gura 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.

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 de-termina la massima azione termica in corrisponden-za 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 secon-da si incendia dopo 12 minuti dall’innesco del foco-laio nella prima auto. Questo scenario può essere uti-lizzato 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-

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 documen-to tecnico (INERIS, 2001), per l’individuazione de-gli scenari di incendio più pericolosi ai fini della va-lutazione 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 rappre-sentato in Fig. 23b e lo scenario 3b con lo scenario rappresentato in Fig. 23a. Rimane invece da conside-rare sempre lo scenario 1. Ovviamente in conforma-zioni particolari della struttura del parcheggio gli scenari di incendio vengono definiti caso per caso.

Figura 23a. Scenario di incendio 3c.

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 ripor-tato in Figura 23b proposto dalla linea guida france-se, 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 inge-gneristico è stato valutato il comportamento struttu-rale creando un modello agli elementi finiti con il programma di calcolo SAFIR, sviluppato presso l’Università di Liegi (Belgio) (Franssen, 2007). Si è

fatto riferimento allo scenario di incendio proposto dalla linea guida francese (INERIS, 2001) riportato in Figura 23b, limitandolo a 3 autovetture (come nel-la prova eseguita) . Le temperature degli elementi strutturali sono state determinate per mezzo del mo-dello 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 infiam-mano dopo 12 min dall’innesco nella prima auto po-sta al centro.

Figura 24. Scenario di incendio usato nel modello di calcolo.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Auto 1

Auto 2

Auto 3

Tasso di rilascio termico Q [MW]

Tempo t [min]

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 flus-so 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; EN1993-1-2, 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, me-diante 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 del-la loro distanza dal focolaio.

0

200

400

600

800

1000

1200

0 2 4 6 8 10

di st a nz a ( m)

t rave 1L

t rave 1/ 2L

t rave 2L

t rave 1U

t rave 1/ 2U

t rave 2U

Tem

pera

tura

[°C

]

Distanza[m] Figura 26. 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 va-lori differiscono parzialmente. Le differenze posso-no farsi risalire al fatto che non si conosce esatta-mente l’ubicazione delle termocoppie, nonché eventuali effetti non tenuti in considerazione nel cal-colo, oltre al fatto che le azioni termiche che sono state considerate sono convenzionali e quindi diffe-renti 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 co-lonna e lungo l’altezza dell’elemento, trascurando quindi il gradiente termico sulla sezione e ipotizzan-do 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 vi-gente regolamento italiano (D.M., 2008), un’azione eccezionale. Come le analisi termiche, anche il mo-dello 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 sta-te modellate con elementi beam. In Figura 27 è ri-portato 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 spo-stamenti calcolati (Figure 28, 29 e 30) con quelli de-gli spostamenti misurati durante la prova (Figure 17, 18 e 19) si nota che, sebbene l’andamento sia analo-go, 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 mag-giore 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.

-0.2

-0.16

-0.12

-0.08

-0.04

00 25 50 75 100 125

Tempo [min]

Spostamento [m]

Figura 28. Spostamento verticale nella mezzeria della trave se-condaria tra i fili 1 e 2.

-0.005

0.005

0.015

0.0250 25 50 75 100 125

Colonna Filo 1 Linea BColonna Filo 2 linea CColonna Filo 2 Linea B

Tempo [min]

Spostamento [m]

Figura 29. Spostamento orizzontale direzione longitudinale della sommità delle colonne.

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.0350 25 50 75 100 125

Colonna Filo 1 Linea C

Colonna Filo 2 Linea C

Tempo [min]

Spostamento [m]

Figura 30. Spostamento orizzontale direzione trasversale della sommità delle colonne.

Dal confronto tra gli spostamenti si nota come quelli determinati con il modello di calcolo sono sempre maggiori rispetto a quelli misurati sperimen-talmente. Va osservato, tuttavia, che le analisi ese-guite secondo l’approccio prestazionale mostrano, in accordo alle prove in scala reale, che la struttura re-siste 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 si-curezza in condizioni di incendio di questi edifici applicando l’approccio ingegneristico. Oltre che i dati relativi al rilascio termico dovuto alla combu-stione di una o più autovetture, sono state elaborate le linee guida per la definizione degli scenari di in-cendio 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 me-

diante un procedimento semplificato, che restitui-sce valori probabilmente maggiori di quelli reali poiché si basa su una curva di rilascio termico ot-tenuta come inviluppo di numerose prove speri-mentali al “calorimetric hood”;

- le condizioni di carico meccanico differiscono da quelle realizzate durante la prova in scala reale, poiché sono stati applicati dei carichi convenziona-li, 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 pro-ve 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 ri-sultati non in contrasto con quelli sperimentali e verificando che la stabilità sia mantenuta per tutta la durata dell’incendio, compresa la fase di raffred-damento;

- 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.

RINGRAZIAMENTI

Il presente lavoro è frutto delle attività condotte dalla Commis-sione per la Sicurezza delle Costruzioni di Acciaio in caso di Incendio (Attività n. 9: Autorimesse aperte fuori terra).

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