Gli effetti del fuoco sugli elementi costruttivi

Gli effetti deleteri che gli elementi costruttivi subiscono durante l’esposizione all’incendio sono principalmente dovuti ai rilevanti flussi termici che li investono; essi dipendono fondamentalmente dai seguenti fattori:

  • distribuzione della temperatura nei vari punti della sezione degli elementi costruttivi;
  • degrado delle proprietà dei materiali con l’aumentare della temperatura con conseguente diminuzione della resistenza meccanica degli elementi ed aumento della loro deformabilità;
  • variazioni dello stato di sollecitazione per effetto di eventuali dilatazioni termiche contrastate.
L’incendio dell’Hotel Windsor di Madrid.

L’incremento di temperatura in un elemento costruttivo varia con le modalità di sviluppo dell’incendio ed è tanto più elevato quanto minore è la sua inerzia termica; all’interno della sezione l’aumento è essenzialmente influenzato dalla conduttività termica del materiale: quando essa è elevata, come nell’acciaio, la distribuzione della temperatura è praticamente uniforme mentre, negli elementi realizzati con materiali aventi conduttività termica relativamente bassa, come il calcestruzzo, si hanno forti variazioni tra la parte esterna a contatto dei gas caldi di combustione e quella centrale che si riscalda molto più lentamente.

In generale, al crescere della temperatura, negli elementi costruttivi avvengono delle trasformazioni chimico-fisiche in grado di modificare le sezioni (ad esempio, i materiali combustibili e quelli fragili ad elevata temperatura rispettivamente si infiammano o perdono parti di sezione) e variazioni delle proprietà termiche (in genere, essi cambiano la conduttività termica e la massa volumica).

Il pericolo maggiore per gli elementi costruttivi è, però, il degrado indotto dall’aumento di temperatura che riduce la resistenza dei materiali (limiti di rottura, ecc.) ed il modulo elastico e, conseguentemente, la perdita di capacità portante ed il possibile apparire di fenomeni d’instabilità.

Acciaio da carpenteria

Esso palesa proprietà identiche a trazione e a compressione con un comportamento elastico che si verifica fino allo snervamento dopo il quale ha un comportamento plastico. L’acciaio ha un’elevata resistenza in relazione alla massa per unità di volume (circa 5 volte superiore a quella del calcestruzzo). Ne consegue che i sistemi strutturali in acciaio si contraddistinguono per la grande leggerezza e snellezza e gli elementi sottili che li compongono sono spesso soggetti a consistenti sollecitazioni.

Un edificio collassato a Teheran in seguito ad un incendio. Persero la vita 25 persone.

Alle temperature elevate che si riscontrano durante un incendio, tali caratteristiche di snellezza degli elementi in acciaio influiscono negativamente sulla stabilità del sistema strutturale, giacché l’esigua massa e l’alto valore della conduttività termica favoriscono rapidi e dannosi aumenti della temperatura che, a partire da 400°C, tendono a far diminuire sensibilmente la loro resistenza caratteristica allo snervamento, dimezzandola in corrispondenza dei 600°C (in genere, per un elemento in acciaio non protetto si può assumere un valore della capacità portante fino a un massimo di R20.

Vedi l’articolo sull’incendio dell’Hotel Windsor di Madrid o sullo studio del crollo del WTC.

Calcestruzzo armato ordinario

Esso ha una resistenza a trazione che è sensibilmente minore di quella a compressione e, inoltre, evidenzia una bassa duttilità che, però, può essere incrementata confinando la zona compressa mediante l’impiego di staffe.

Incendio di un edificio con elementi in calcestruzzo armato ordinario.

Tenuto conto che il calcestruzzo e l’acciaio hanno quasi lo stesso coefficiente di dilatazione termica, può ritenersi che gli allungamenti termici non provocano tensione nei due materiali. Il calcestruzzo, in considerazione del significativo contenuto di acqua e del basso valore della conduttività termica nonché, soprattutto, a causa delle considerevoli dimensioni degli elementi costruttivi, ha una marcata propensione a ostacolare l’instaurarsi al suo interno di veloci incrementi della temperatura e, quindi, garantisce un buon comportamento in caso d’incendio; il calcestruzzo armato ordinario, a parità di condizioni, evidenzia generalmente un valore della resistenza al fuoco più grande di quello precompresso, poiché l’acciaio costituente le armature al crescere della temperatura degrada le sue caratteristiche meccaniche in modo meno accentuato e, inoltre, a causa del maggiore spessore di ricoprimento di calcestruzzo, è sottoposto a una minore sollecitazione termica.

Calcestruzzo armato precompresso

In tali elementi costruttivi, le tensioni di trazione, che si prevede potranno manifestarsi per effetto delle varie azioni che su essi agiscono, sono drasticamente ridotte mediante appropriate tensioni che vengono indotte preventivamente nell’acciaio (trefoli di acciaio da pretensione, ecc.), che è sollecitato quasi fino al limite della resistenza caratteristica di snervamento, in modo che il calcestruzzo risulti compresso in tutta la sezione anche quando sugli elementi costruttivi non agisce alcuna azione; quindi gli elementi costruttivi in calcestruzzo armato precompresso sono molto snelli e leggeri ed hanno anche esigui spessori di ricomprimento di calcestruzzo delle armature di acciaio che non oppongono, pertanto, in presenza di flussi termici esterni, un’adeguata barriere alla veloce propagazione dell’energia termica al loro interno.

Trefoli di acciaio da pretensione all’interno di un elemento in calcestruzzo.

Per tali motivi, può accedere che, in caso di incendio, possono sensibilmente diminuire, sia la tensione di precompressione iniziale nel calcestruzzo, sia la resistenza caratteristica di snervamento nell’acciaio (si rammenta che, con l’aumentare della temperatura, la resistenza caratteristica di snervamento diminuisce in modo più marcato per un acciaio da pretensione rispetto ad uno utilizzato in una struttura di calcestruzzo armato ordinario), con conseguente repentino e consistente abbassamento della capacità portante dell’elemento costruttivo che può produrre seri pericoli di stabilità nel sistema strutturale.

Legno

Esso palesa, a temperatura ordinaria, un funzionamento strutturale simile a quello dell’acciaio con alcune sostanziali differenze che di seguito si elencano:

  • la resistenza cambia all’interno degli elementi ed è anche molto diversa in trazione e in compressione e, in aggiunta, si riduce in presenza di azioni di lunga durata;
  • le proprietà meccaniche sono differenti se valutate parallelamente e perpendicolarmente alle fibre (la resistenza meccanica che evidenzia il legno è maggiore quando la direzione dell’azione sollecitante è parallela alle fibre).
La sezione ridotta di una trave in legno esposta ad incendio.

In caso d’incendio, il legno brucia con una velocità di carbonizzazione variabile con la specie legnosa e con il contenuto di umidità e perde massa dalla superficie esposta al fuoco; ne consegue che, durante la combustione, gli elementi costruttivi in legno riducono progressivamente la superficie della loro sezione resistente.

Conclusioni

Tali considerazioni evidenziano una rilevante differenza nel modo in cui, in caso d’incendio, interviene il collasso per gli elementi costruttivi in acciaio e in legno; in particolare:

  • negli elementi costruttivi in acciaio il collasso si verifica nell’istante in cui la resistenza caratteristica di snervamento, per effetto del continuo aumento di temperatura, diminuisce fino a diventare pari alla tensione prodotta dalle azioni di progetto su essi agenti;
  • negli elementi costruttivi in legno il collasso sopraggiunge quando la tensione provocata dalle azioni di progetto agenti cresce fino ad uguagliare quella di rottura (in tale circostanza, la tensione di rottura resta pressoché costante nell’aumentare della temperatura del legno però, a causa della riduzione della superficie della sezione resistente, la tensione prodotta dalle sezioni di progetto diventa maggiore).