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Approccio prestazionale

Con l’emanazione delle Norme Tecniche di Prevenzione Incendi (D.M. 03/08/2015, entrato in vigore il 18/11/2015), spesso indicate anche con “Codice di Prevenzione Incendi”, si è provveduto da un lato alla semplificazione e razionalizzazione del corpus legislativo in materia di Prevenzione Incendi, dall’altro alla formalizzazione dell’uso dell’“approccio prestazionale”, introducendo un futuro in cui il sistema normativo di tipo verticale lascerà il posto ad un insieme di soluzioni tecniche flessibili ed aderenti alle specifiche esigenze delle diverse attività, finalizzato a raggiungere elevati e realistici livelli di sicurezza antincendio.

L’approccio di tipo ingegneristico (Fire Safety Engineering - FSE) è applicato già da tempo in vari paesi europei, permette una più coerente aderenza delle misure di sicurezza antincendio al rischio specifico della costruzione. Ciò si ottiene eseguendo un'analisi della sicurezza di tipo prestazionale. Questo approccio, basato non sull'obbligo di adozione di misure tecniche prescrittive ma sul raggiungimento dei risultati coerenti con il livello di prestazione fissato, è uno strumento importante per la progettazione in quanto determina una più accurata verifica dei livelli di sicurezza prefissati e consente una maggiore libertà nelle scelte progettuali possibili. Seguendo questa strada, le norme tecniche vigenti, in particolare le Norme Tecniche per le Costruzioni (D.M.II.TT 17/01/2018) e l'Eurocodice 1 (Parte 1-2) dedicato alla sicurezza strutturale in caso d'incendio, hanno introdotto la possibilità di eseguire procedure di calcolo avanzato per valutare la stabilità di una struttura in caso di incendio, stabilendone determinati campi di applicazione. L'applicazione di questo approccio comprende l'opportuna valutazione:
  • del fenomeno dello sviluppo dell'incendio, con il conseguente moto ed evacuazione dei fumi;
  • dell'efficacia dei sistemi di rilevazione, di allarme e di estinzione;
  • delle effettive prestazioni della struttura portante e di compartimentazione alle alte temperature. 
I principali vantaggi dell'applicazione di questo approccio sono costituiti:
  • dalla possibilità di una valutazione globale della sicurezza e del comportamento dell’intera struttura in condizioni di incendio, in confronto all'approccio tradizionale basato sulla resistenza al fuoco dei singoli elementi strutturali;
  • dalla possibilità di dimensionare le prestazioni di protezione e prevenzione dell'edificio sulla base dell'effettivo livello di rischio in caso di incendio, giungendo a soluzioni strutturali più affidabili e che hanno già intrinseca capacità di resistenza al fuoco, evitando protezioni passive “posticce” che spesso richiedono periodiche operazioni di manutenzione e/o di sostituzione.
L’applicazione dell’approccio ingegneristico richiede l’analisi e la trattazione di una serie di fenomeni che riguardano sia le fasi dello sviluppo degli incendi che possono verificarsi nell’edificio oggetto dello studio, sia il conseguente comportamento della struttura portante durante l’evoluzione del fenomeno. Inoltre, l’FSE, a differenza dell’approccio prescrittivo, si basa su un’analisi dettagliata del comportamento strutturale mediante modelli di analisi avanzati, che tengono conto di scenari e modelli di incendio più realistici per la struttura in esame, di valutazioni di conseguenza più accurate dei reali campi termici negli elementi strutturali e delle non linearità del comportamento termo-meccanico delle strutture. L’applicazione dell’approccio ingegneristico alla sicurezza strutturale antincendio viene sviluppato seguendo i passi riportati nel seguente Layout (Figura 1).
 
Layout approccio prestazionale
Figura 1: Schema riassuntivo di applicazione del metodo FSE - cliccare sull'immagine per ingrandire



Analisi quantitativa del rischio, scenari di incendio


Nel processo di individuazione degli scenari di incendio di progetto, devono essere valutati tutti gli incendi realisticamente ipotizzabili, scegliendo i più gravosi per lo sviluppo e la propagazione dell’incendio e per gli effetti sulla struttura..
In particolare, quando si fanno le verifiche di resistenza al fuoco delle strutture, questa analisi deve essere indirizzata verso i casi che determinano la più pericolosa sollecitazione strutturale. È opportuno condividere e concordare questi scenari con i VVF.
Definito il compartimento, si devono considerare tutti i parametri che possono influite sullo sviluppo dell’incendio, ovvero:
  • Carico di incendio che rappresenta il potenziale termico di tutti i materiali infiammabili che compongono uno spazio, corretto in base alla partecipazione di detti materiali al processo di combustione, secondo la definizione normativa (D.M. 9 marzo 2007);
  • Rilascio termico dell’incendio – Curva RHR che definisce il tasso di calore rilasciato (RHR) durante l’incendio. Uno stesso carico di incendio, bruciando molto velocemente o lentamente senza fiamme, dà luogo a curve della temperatura dei gas completamente differenti. La curva RHR è una curva di potenza termica in funzione del tempo.
Un generico incendio inizia in una piccola zona e poi si propaga durante una successiva fase di sviluppo. A questo punto possono presentarsi due situazioni, a seconda che durante il processo di propagazione ci sia o meno sufficiente ossigeno per sostenere la combustione. In un primo caso, una volta che l’incendio ha raggiunto il massimo sviluppo senza alcuna limitazione di ossigeno, la RHR è limitata dal carico di incendio disponibile (incendio controllato dal combustibile). Oppure, se la misura delle aperture nel compartimento è troppo piccola per permettere l’ingresso di una quantità sufficiente di aria, l’ossigeno disponibile limita la RHR e l’incendio è controllato dalla ventilazione. Una formulazione della curva RHR è fornita nel D.M. 03/08/2015, oppure si può fare riferimento alle RHR ottenute sperimentalmente per le varie tipologie di materiali, presenti nella letteratura tecnica (ad esempio in SFPE Handbook of Fire Protection Engineering).

 
Curve d'incendio
Figura 2: Curve RHR; (a) D.M. 03/08/2015, (b) sperimentale (SFPE Handbook of Fire Protection Engineering) - cliccare sull'immagine per ingrandire

Il D.M. 03/08/2015 per alcune attività di cui è già stata emanata la RTV, come ad esempio per le autorimesse (D.M.21/02/2017) , definisce gli scenari di incendio da dover analizzare, in caso di applicazione dell’approccio prestazionale.
Per la selezione e l’individuazione degli scenari d’incendio di progetto risultano essere un utile riferimento per il progettista le seguenti normative: ISO 16732-1 “Fire safety engineering - Fire risk assessment” che descrive l'applicazione alla valutazione del rischio di incendio delle metodologie proprie dell’analisi di rischio, come l'albero dei guasti e l'albero degli eventi; la NFPA 551 “Guide for the evaluation of fire risk assessment”, la ISO/TS 16733 “Fire safety engineering - Selection of design fire scenarios and design fires” e la NFPA 101 “Life Safety Code”.
  • Posizione dell’incendio all’interno del compartimento. Le posizioni del fuoco da considerare nel calcolo sono quelle che portano agli effetti più sfavorevoli per la struttura;
  • Condizioni di ventilazione. Le condizioni di ventilazione sono un fattore fondamentale per lo sviluppo dell’incendio. Le aperture che devono essere considerate nel calcolo comprendono finestre, porte e tutte le aperture che in caso di incendio possono effettivamente risultare aperte. Per le aperture vetrate si considera che raggiunta una determinata temperatura dei gas i vetri si rompono: tale temperatura di riferimento dipende dalle caratteristiche dei vetri impiegati. Normalmente la temperatura di rottura dei vetri ordinari è compresa tra 100 e 500°C, in funzione del tipo di vetro, delle modalità di posa in opera, dello spessore, delle dimensioni ecc. Per completezza la verifica dovrà essere condotta con condizioni di ventilazione diverse che contemplino la possibile apertura o chiusura delle varie parti, per determinare le condizioni critiche all’interno del compartimento;
  • Caratteristiche delle pareti del compartimento. Le pareti del compartimento influiscono sullo sviluppo dell’incendio in quanto scambiano calore con i gas caldi, pertanto per la corretta definizione dello sviluppo dell’incendio è necessario conoscere tutte le proprietà termiche delle pareti;
  • Misure attive di lotta all’incendio. La presenza di misure attive di prevenzione degli incendi influisce sulla sicurezza delle persone e sulla velocità di intervento da parte delle squadre di soccorso, per cui nel calcolo del carico di incendio sono inseriti dei coefficienti che permettono di tenere in conto questo fenomeno. La presenza di sistemi di spegnimento inoltre modifica la curva di rilascio termico relativa all’incendio di progetto, pertanto in un’analisi completa non può essere trascurata, così come prescritto anche nel D.M. 03/08/2015 (Figura 2)
Una volta individuati gli scenari di incendio di progetto deve essere condotta un’analisi strutturale dell’edificio che tenga conto delle azioni meccaniche con la combinazione dei carichi per la situazione eccezionale di incendio e le azioni termiche dovute all’incendio. Normalmente quando viene svolta una verifica strutturale con approccio prestazionale è richiesta la verifica in accordo al livello di prestazione fissato, ma in genere essa viene effettuata per tutta la durata dell’incendio, compresa la fase di raffreddamento. Una volta analizzati gli scenari di incendio è necessario dimostrare che questi scenari sono rappresentativi dei fenomeni che si possono verificare nell’edificio e che comprendono quelli più critici per esso.
 

Sviluppo dell’incendio: curve di incendio naturali


Al contrario di quanto avviene per l’approccio prescrittivo, l’applicazione dell’approccio prestazionale prevede che vengano individuati gli scenari di incendio possibili all’interno del compartimento. Ai sensi del D.M. 03/08/2015 per “scenario di incendio” deve intendersi “descrizione completa ed univoca dell'evoluzione dell'incendio in relazione ai suoi tre aspetti fondamentali: focolare, attività ed occupanti.”.

Gli scenari di incendio rappresentano la schematizzazione degli eventi che possono ragionevolmente verificarsi. Le curve di incendio che si ottengono per i vari scenari presentano un andamento caratteristico, individuato dalle seguenti fasi (Figura 3):
  • fase di innesco: in questa fase le temperature sono molto basse e le fiamme sono molto ridotte. La durata della fase non è facilmente individuabile;
  • fase di accrescimento o pre-flashover: riguarda la fase di propagazione dell’incendio fino al flashover in cui le fiamme si sviluppano in tutto il compartimento. La durata di questa fase dipende principalmente dalle caratteristiche del compartimento e dei materiali combustibili;
  • flashover: è il momento di passaggio da un incendio localizzato ad uno generalizzato quando la temperatura dei gas all’interno del compartimento è sufficientemente elevata. La sua durata dipende dalle condizioni di ventilazione e dal carico di incendio;
  • fase di pieno sviluppo o post-flashover: questa fase corrisponde a un fuoco generalizzato e la durata dipende dal carico di incendio e dalla ventilazione. In questa fase il tasso di combustione è relativamente stabile;
  • fase di spegnimento: le fiamme cominciano a ridursi fino a quando tutto il combustibile è completamente bruciato.
Fasi di incendio
Figura 3: Curva di incendio naturale


La corretta individuazione degli scenari di incendio costituisce la fase centrale nell’ambito del processo di progettazione prestazionale e pertanto è quanto mai opportuno che la loro definizione sia condivisa in fase preventiva da parte dell’organo di controllo VVF.


Modelli di incendio


Il quadro normativo vigente prevede metodi di calcolo di differente livello per la determinazione dello sviluppo di un incendio.
L’Eurocodice EN1991-1-2, ad esempio, individua i seguenti modelli:
  • modelli semplici, costituiti dagli incendi parametrici;
  • i modelli a zona, che, schematizzando il fenomeno in forme appropriate, permettono di prendere in considerazione tutti i principali parametri che influenzano l’incendio, programmi di calcolo che consentono di effettuare modellazioni di questo tipo sono, ad esempio, OZone (scaricabile gratuitamente al link http://sections.arcelormittal.com/download-center/design-software/fire-calculations.html) oppure CFAST (scaricabile gratuitamente al link https://pages.nist.gov/cfast/downloads.html);
  • i modelli di campo, piuttosto complessi, che consentono la trattazione completa del fenomeno anche nel caso di particolari geometrie dell’edificio (Figura 4), uno dei programmi di calcolo che consente di effettuare modellazioni di questo tipo è, ad esempio, FDS-SMV (scaricabile gratuitamente al link https://pages.nist.gov/fds-smv/downloads.html).
A questi modelli generali deve essere aggiunta la procedura di calcolo per la trattazione degli incendi localizzati, mediante la quale è possibile individuare il flusso termico sulle strutture in presenza di un incendio il cui sviluppo è di tipo pre-flashover (ad esempio i metodi di Hasemi ed Heskestad contemplate all’annesso C del EN1991-1-2).
Approccio Prestazionale - fluidodinamica
Figura 4: Esempio di analisi fluido-dinamica


Determinazione delle azioni termiche sugli elementi strutturali: la risposta termica della struttura


Quando la struttura portante di un edificio si trova in condizioni di incendio è soggetta ad azioni sia di tipo meccanico che di tipo termico. Le azioni termiche sono dovute all’incremento della temperatura dei gas conseguente all’evoluzione dell’incendio e sono determinate dalle condizioni in cui avviene il trasferimento di calore sulle superfici degli elementi strutturali. Il risultato di questo
fenomeno, detto risposta termica della struttura, in generale porta ad una dilatazione degli elementi e ad una riduzione delle loro proprietà meccaniche nelle zone in cui si verifica il riscaldamento. I metodi di calcolo previsti dalle normative vigenti per la determinazione della risposta termica di una struttura di acciaio o composta acciaio-calcestruzzo possono essere distinti in:
  • modelli di calcolo semplificato;
  • modelli di calcolo avanzato.
Generalmente, quando si adotta un approccio di tipo prestazionale, si fa ricordo a metodi di calcolo avanzati, che richiedono la modellazione dell’intera struttura o di sottostrutture significative.
 
Curve incendio
Figura 5: Analisi termiche - cliccare sull'immagine per ingrandire


Determinazione della resistenza al fuoco: la risposta meccanica della struttura


Come già detto, in condizioni di incendio la struttura portante di un edificio è soggetta ad azioni sia di tipo meccanico che di tipo termico. Le azioni meccaniche sono dovute alla presenza dei carichi permanenti e a quella degli altri carichi che agiscono sulla struttura al momento della crisi determinata dall’incendio. A seconda degli schemi statici con cui la struttura è realizzata, la dilatazione termica che insorge per effetto dell’incendio può essere contrastata determinando così sforzi termici indotti non presenti nella struttura nelle condizioni di servizio in cui l’incendio non è presente. Questi sforzi, in combinazione con le azioni meccaniche, determinano uno stato di deformazione della struttura che, in alcuni casi, o in alcune parti, può arrivare a rottura. L’analisi di questo fenomeno, detto risposta meccanica della struttura, ci consente di individuare il parametro che più interessa di una struttura in condizioni di incendio, ossia la sua resistenza al fuoco.
 
Deformata incendio
Figura 6: deformata tipo di una struttura sotto incendio


Calcolo delle vie di esodo


A differenza di quanto visto per le regole tecniche di tipo prescrittivo, nell’ingegneria antincendio si prendono in esame direttamente i tempi di evacuazione (D.M. 03/08/2015).
Vie di esodo
Figura 7: criteri di calcolo delle vie di esodo

In particolare viene posta la condizione che la durata dell’evacuazione completa di un edificio o di una parte di esso attraverso un sistema di vie di esodo deve essere inferiore al tempo massimo ammissibile corrispondente alla durata critica dell’incendio (ASET - Available Safe Escape Time) che si ricava dalla modellazione dell’incendio nel rispetto di limiti di sostenibilità ambientale per fumi, gas tossici e/o calore prodotti. Nei metodi complessi viene imposta la condizione:
t evac < t evac max

Il tempo di evacuazione teorico (RSET - Required Safe Escape Time) rappresenta il tempo che impiegano le persone per allontanarsi in sicurezza fino al luogo sicuro.

Le valutazioni dei tempi caratteristici avviene attraverso vari codici di simulazione attualmente disponibili in letteratura, in grado di caratterizzare sia il comportamento delle persone e sia i tempi di ritardo e di allarme. Parte di essi possono anche ricevere come dati di input i risultati ottenuti da codici per la fase descritta in precedenza della modellazione dell’incendio (livelli di temperatura, concentrazione di fumi, ecc).
 

Riferimenti TECNICI


Per la lettura tecnica in materia e riferimenti utili si veda il presente link

Contenuti a cura della Commissione per la Sicurezza delle Costruzioni in Acciaio in caso d'Incendio di Fondazione Promozione Acciaio - Riproduzione riservata

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