Le sfide del calcolo strutturale in caso d'incendio

Scenario evolutivo dell’ingegneria strutturale antincendio

Numerosi cambiamenti ed importanti progressi nel campo dell’ingegneria strutturale antincendio sono avvenuti negli ultimi decenni.

La spinta, indotta dalle più performanti capacità di calcolo applicate alle simulazioni strutturali per via implicita ed esplicita offerte dai sempre più collaudati software ad elementi finiti congiuntamente alle ricostruzioni incidentali degli eventi del 9/11/2001 condotte dal NIST^{1, 2} sui collassi avvenuti nel complesso del WTC o le prove sperimentali su scala reale quali, ad esempio, quelle condotte dal BRE di Cardington³ o dal gruppo di ricerche della Commissione Europea⁴ ha accresciuto notevolmente la comprensione dei comportamenti strutturali in condizioni di incendio e fornito nuove prove delle eccellenti prestazioni strutturali al fuoco delle strutture ben progettate allo specifico scopo, portando ad un graduale passaggio da codici prescrittivi (nessun calcolo) a codici basati sulle prestazioni, in cui potenzialmente qualsiasi progetto può essere accettato, se i requisiti dichiarati sono soddisfatti e dimostrati quantitativamente.

Gli Eurocodici strutturali

In questo scenario evolutivo va anche segnalato l’importante contributo dei paesi europei, che hanno prodotto dettagliate normative antincendio, gli Eurocodici strutturali, per tutti i principali materiali strutturali.

Questi cambiamenti hanno portato al diretto vantaggio di poter accrescere la sicurezza riducendo i costi realizzativi o quantomeno focalizzandoli sui veri punti critici, permettendo una loro analisi quantitativa e non più qualitativa.

Quale contraltare, è però emersa la necessità di una elevata preparazione tecnica indispensabile per poter affrontare complesse analisi. Esemplificando, più difficili sono i problemi e più avanzati sono gli strumenti di calcolo e più occorre un giudizio tecnico di esperti per aiutare a preparare l'input, interpretare l'output e trovare soluzioni pratiche nel mondo reale.

Se da un lato la potenza di calcolo attuale idealmente potrebbe essere in grado di simulare eventi particolarmente complessi, multi fisici (analisi termofluidodinamica accoppiata ad analisi strutturale non lineare di tipo dinamico), dall’altro bisogna comunque ricordare che le modellazioni, anche molto raffinate e dettagliate, si basano sempre su esemplificazioni della realtà (geometria, comportamento reologico dei materiali ad alte temperature, contemporaneità di sollecitazioni termiche-dinamiche-statiche…) affette da approssimazioni ed errori, che seppur piccoli presi singolarmente, sommati potrebbero portare a false rappresentazioni della realtà. Basti pensare a quali incertezze nei risultati e a quali difficoltà di ricostruzioni si sono palesate nelle simulazioni post collasso di eventi noti, quali ad esempio il collasso delle strutture del WTC (data inizio indagine 2002 report finali anno 2005 e 2008)⁵, oppure alle numerose ricostruzioni ancora in corso di studio, di eventi recenti, quali il collasso del viadotto Polcevera. In questi casi, a differenza della normale prassi progettuale, va ricordato che, se la causa non è sempre dettagliatamente definita, la cinematica di collasso è sempre nota grazie alle riprese video delle telecamere di sicurezza o dei media.

Risulta così evidente come l’eccesso di fiducia negli strumenti di calcolo, senza una attenta valutazione del rischio a monte ed una forte esperienza nell’interpretazione dei risultati e nell’impostazione dei dati di ingresso, possa condurre “fuori strada”.

Rischio Vita – Rischio Beni – Rischio Ambiente

Ciò premesso, sulla base delle esperienze raccolte negli anni, la prima domanda da porsi approcciando alla verifica strutturale è: il progettista antincendio o il normatore consentirà il crollo dell'edificio?

La prevenzione del collasso strutturale in caso di incendio può essere essenziale, importante o del tutto irrilevante, a seconda dell'uso dell'edificio, del valore dell'edificio o dei beni in esso presenti e della tipologia di occupanti presenti, i così detti “Rischio Vita – Rischio Beni – Rischio Ambiente”.  

Molti codici internazionali di prevenzione incendi, tra cui quello Italiano, consentono la progettazione per il collasso strutturale in particolari condizioni.

Se il crollo è consentito, oltre a definire e verificare il tempo ammissibile, è fondamentale e particolarmente complesso ricostruire il cinematismo ed assicurarsi che lo stesso non coinvolga strutture esterne alla proprietà o edifici/reparti limitrofi. In merito a tale aspetto è di particolare rilievo la nota dcprev 9962 del 24/07/2020 rilasciata dal ministero dell’interno italiano.

Questa analisi, per esperienza, è particolarmente ardua, perché il professionista/calcolatore deve poter garantire un risultato ad elevata affidabilità.

Come facilmente intuirete, le soluzioni ad incertezza trascurabile sono tipiche dei modelli matematici di tipo deterministico, in genere associate a fenomeni regolari, prevedibili, e male si sposano agli eventi complessi, la cui condizione di carico è per definizione altamente aleatoria. Simulare e ricostruire, ad esempio, il collasso di una struttura in caso di una demolizione controllata con esplosivi è diverso che farlo sottoponendola ad una azione termica di un incendio naturale.

Si pensi ad esempio alla differenza tra:

1. l’analisi di un magazzino di bobine di carta in carpenteria metallica, anche di notevole estensione, completamente isolato da altri edifici o da proprietà esterne, in cui generalmente sono presenti pochi operatori;
2. l’analisi di un magazzino intensivo di 1000 mq e 30 metri di altezza, in continuità con l’attività produttiva asservita.

Nel caso 1. la valutazione del rischio e le richieste di prestazione strutturale possono essere ragionevolmente guidate verso il collasso strutturale, valutando con la committenza l’eventuale possibilità di installare un impianto sprinkler per il controllo d’incendio ad affidabilità ordinaria, stante il rischio ambiente e vita particolarmente bassi ed il rischio beni non elevato. Le approssimazioni e le incertezze sul possibile cinematismo di collasso, o la sfortunata contemporaneità di eventi le cui norme peraltro non prevedono di analizzare (§2.5.2 e 2.5.3 DM 17/01/2018) la presenza di incendio ed azioni laterali indotte dal vento che potrebbero portare ad un ribaltamento esterno, non avrebbero ovviamente ripercussioni rilevanti ai fini della valutazione della sicurezza.

Nel caso 2. è da sconsigliare vivamente un approccio alla problematica con cinematismo di crollo, soprattutto se la richiesta è di tipo “implosivo”. Questo termine è peraltro da ritenersi maggiormente calzante nei casi in cui le sollecitazioni sono certe e predeterminate o progettate specificatamente a priori.

In questo secondo esempio, l’improbabile ma non impossibile contemporaneità di una azione laterale, ad esempio il vento, su un edificio di tale altezza, costruito con sezioni metalliche di classe 3 e 4, potrebbe comportare un ribaltamento, anche parziale, verso l’esterno, coinvolgendo magari l’edificio produttivo limitrofo.  Tralasciando momentaneamente le valutazioni puramente tecniche, ma approcciando al problema dal punto di vista economico, si può arrivare a sconsigliare nuovamente la persecuzione del collasso strutturale. Un magazzino intensivo di tale estensione ha un valore di circa € 2.000.000,00 comprensivo di impianti speciali ed ordinari, al suo interno vengono stoccati materiali, indicativamente 10.000 posti pallet, il cui valore medio può essere approssimativamente stimato in circa € 1.000,00 a pallet, per un controvalore merceologico di € 10.000.000,00. In sintesi, in caso di incendio e ammettendo il collasso, oltre all’eventuale danno ambientale, la perdita in termini di beni ammonterebbe a circa € 12.000.000,00. In questo caso è pertanto evidente che la miglior soluzione sia quella di preservare la struttura ed il suo contenuto, limitando l’incendio ad esempio con un impianto sprinkler ad affidabilità superiore.

Nel grafico seguente si riportano i principali passaggi per prevedere il comportamento di una struttura in caso d’incendio⁶:

I tre macro ambiti della figura precedente sono essenzialmente disaccoppiati. Ciò consente loro di essere gestiti da persone diverse, con competenze specifiche differenti, su computer diversi in momenti diversi, se necessario. Il modello termico e il modello strutturale sono solitamente integrati in un unico pacchetto, il modello antincendio di solito rimane separato.

Tutti gli elementi del diagramma, ed in particolare quelli della colonna di destra, cambiano nel tempo influenzandosi mutualmente. Ogni modello deve essere quindi eseguito e rieseguito più volte, iterativamente, richiedendo lunghe sessioni di calcolo.

Come in tutte le modellazioni matematiche eseguite con calcolatore, le scelte si riducono ai seguenti casi:

• veloce ed economico – ma impreciso
• veloce e preciso – ma costoso
• accurato ed economico – ma molto lento

In linea generale si può esemplificare nel modo seguente:

I dati di input maggiormente critici per le analisi termo-strutturali sono in linea di massima:

– la gravità dell'incendio

– l’effettiva dimensione

– la posizione

– la durata dello stesso

specialmente se c'è un ampio spazio in cui potrebbe evolversi in post-flashover.

Le condizioni di vincolo

Non meno importanti sono le condizioni di vincolo, che hanno un potente effetto sulla resistenza al fuoco anche della più semplice trave o soletta. Per i supporti che incorporano il vincolo assiale (cerniera o incastro), è molto importante modellare correttamente l'altezza del vincolo rispetto all'asse principale della trave o della soletta per ottenere risultati corretti, poiché la deformazione impedita può generale stati di coazione particolarmente elevati, indotti dalle dilatazioni termiche degli elementi.

Va altresì ricordata l’importanza della scelta a priori del dettaglio di scala di modellazione. Ad esempio, nell'analisi del NIST del crollo del WTC, gli ingegneri strutturisti forensi hanno trovato impossibile utilizzare uno schema di modellazione computerizzata per l'intero edificio. In questi casi, il problema può essere parzialmente risolto utilizzando l'output delle analisi dettagliate di una parte della struttura come input per un'analisi meno dettagliata dell'intero edificio².

Maggiori saranno gli input del problema, maggiore sarà il numero di ipotesi che dovranno essere fatte sui materiali, sulle mutue connessioni, sui gradi di vincolo e maggiori saranno gli output da analizzare. Ancor più complesso sarà l’esecuzione dell'intuitiva revisione dei risultati, verificando e garantendo che l'input e l'output abbiano effettivamente un senso fisico.

Conclusioni

Qualunque cosa facciamo, dobbiamo comunque non perdere di vista il senso fisico del problema, interpretando i freddi numeri delle analisi con senso critico, sfruttando l’esperienza maturata sul campo, possibilmente facendo largo impiego di confronti con test sperimentali o analisi forensi. Questo semplice concetto non deve mai essere perso di vista.

Il vero obiettivo da raggiungere è l’effettiva sicurezza delle persone, dei beni e dell’ambiente, sfruttando al massimo gli strumenti che la tecnologia ci mette a disposizione.

Bibliografia

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2. NIST (2005). Collapse of the World Trade Center Towers. Final Report Federal Building and Fire Safety Investigation of the World Trade Center Disaster, NIST NCSTAR 1; 298 p. September 2005. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, 2005. http://fire.nist.gov/bfrlpubs/fire05/art119.html

3. https://www.bregroup.com/case-studies/bre-cardington-steel-framed-building-fire-tests/

4. https://op.europa.eu/it/publication-detail/-/publication/74d025be-8e5f-4c03-917a-d168f5516aa5

5. https://www.nist.gov/disaster-failure-studies

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8. Franssen, J-M. (2005). Structures in Fire, Yesterday, Today and Tomorrow. Fire Safety Science, 8:21-35. doi:10.3801/IAFSS.FSS.8-21.

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10. Elms D.G. (1992). “Consistent crudeness in system construction" in B.H.V. Topping (Ed), Optimisation and Artificial Intelligence in Civil Engineering, Kluwer Academic Publishers, v.1, pp61-70.

11. Hertz, K. (2005). Assessment of Performance-based Requirements for Structural Design. Fire Safety Science, 8: 315-325. doi:10.3801/IAFSS.FSS.8-315.

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13. Moss P.J., Buchanan A.H., Fragiacomo M., and Austruy C. (2008b). On the Design of Bolted Connections Subjected to Fire. Proceedings, SiF 08 Structures in Fire Conference, Singapore, May 2008.