S.E.O. Squadra Emergenza Operativa P.A.
S.E.O. Squadra Emergenza Operativa
Corso per addetti antincendio
in attività a rischio di incendio elevato
3° Lezione
3.2 Comportamento al fuoco dei materiali
Garbagnate 18 ottobre 2013
Relatore : ing. Giancarlo Bonsignori
Ing. Giancarlo Bonsignori
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Comportamento al fuoco dei materiali
Le pietre calcaree, a cominciare dagli strati più esterni, possono essere
decomposte dal calore, che invece può spezzare i marmi.
I graniti si possono sfaldare sia per effetto delle diverse dilatazioni dei vari
componenti sia per la presenza del quarzo che mostra una dilatazione lungo l'asse
di cristallizzazione principale, all'incirca la metà, di quella nel piano ad esso
perpendicolare.
Le arenarie si possono sfaldare secondo piani perpendicolari al flusso termico.
Le pietre artificiali di cemento, di pomice, di scorie e i calcestuzzi cellulari non
subiscono alterazioni apprezzabili, tranne lievi sfaldamenti superficiali, anche sotto
l'azione dell'acqua d'estinzione.
I laterizi si comportano diversamente a seconda che si tratti di mattoni pieni (o
forati a piccoli fori: i così detti mattoni svizzeri) o forati. I primi si comportano
ottimamente (fino ad arrivare alla vetrificazione e fusione superficiale dopo
prolungata esposizione a temperature elevate), mentre i secondi si possono
rompere con frattura fragile per effetto degli sforzi di taglio indotti da differenza di
temperatura fra i vari strati.
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Comportamento al fuoco dei materiali
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Il gesso, ha un comportamento al calore caratteristico: a 128°C evapora parte
dell'acqua d'idratazione molecolare, a 163°C il residuo contenuto di acqua.
Durante le trasformazioni di fase le temperature restano costanti.
Le malte di calce ordinaria sotto l'azione del calore perdono anidride carbonica
assorbendo calore, quelle di cemento liberano l’acqua d'idratazione molecolare.
Il comportamento al calore dei calcestruzzi varia a seconda della composizione e
della natura degli inerti (silicei, calcarei, basaltici, ecc.), della granulometria, del
grado di costipamento, ecc.: la conduttività termica decresce con l'aumentare della
temperatura.
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Effetti del fuoco sulle strutture
Gli effetti dell'incendio sulle strutture si possono sintetizzare in:
• 1. distribuzione della temperatura nelle strutture
• 2. degradazione dei materiali con diminuzione della resistenza
• 3. dilatazione termica degli elementi e delle strutture.
1. distribuzione della temperatura nelle strutture
Una distribuzione di temperatura non uniforme può determinare notevoli differenze di
dilatazione fra strato e strato e quindi sforzi tangenziali che possono condurre allo
sfaldamento superficiale o al distacco di parti.
Classico al riguardo è lo scorticamento della parte inferiore dei solai in laterizio armato
esistenti in locali colpiti da incendi relativamente modesti.
Il rapido violento aumento di temperatura che subiscono le ali inferiori dei mattoni
forati immediatamente soprastanti il focolaio provoca in esse dilatazioni differenziali
che inducono nel sottile setto verticale di collegamento con l'ala superiore rimasta
praticamente fredda, sforzi che superano largamente il limite di elasticità del laterizio.
2. degradazione dei materiali con diminuzione della resistenza
La degradazione dei materiali con l’aumentare della temperatura viene
essenzialmente rappresentata dalla diminuzione della resistenza sotto sforzo dei
materiali che, una volta superato un certo limite può portare al cedimento della
struttura.
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Effetti del fuoco sulle strutture
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3. dilatazione termica degli elementi e delle strutture.
La dilatazione termica ha conseguenze diverse a seconda dello schema statico
della struttura e in particolare dei vincoli.
Dilatazioni termiche "libere“ non hanno alcun effetto sulle caratteristiche di
sollecitazione, ma possono condurre a deformazioni notevoli, che sommate a
quelle di carico, possono dar luogo a spostamenti o scorrimenti eccessivi rispetto
ai vincoli (per es. appoggi) fino all'abbandono di essi e quindi al crollo.
Dilatazioni termiche “impedite”, anche per modesti aumenti di temperatura,
conducono alla generazione di sforzi normali e momenti flettenti da divenire
rapidamente incompatibili con le resistenze della struttura e con i vincoli.
Nelle strutture intelaiate gli allungamenti dei traversi aggravano le condizioni
statiche dei pilastri, le dilatazioni delle piastre dei solai possono danneggiare altri
elementi costruttivi e così via.
Tali effetti negativi possono essere eliminati con una razionale disposizione dei
giunti di dilatazione.
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Effetti del fuoco su calcestruzzo e c.a.
Il calcestruzzo è un prodotto artificiale ottenuto mediante miscelazione di acqua con
cemento e inerti inorganici (sabbia, ghiaia e pietrisco), nelle opportune proporzioni.
Nei calcestruzzi normali la ghiaia (oggi sostituita dal pietrisco) è l'inerte grosso della
miscela, ed è costituito da elementi di dimensioni variabili da 5 a 30 mm derivanti
dalla frantumazione di rocce compatte, aventi spigoli vivi e una notevole resistenza
meccanica, superiore anche a quella del calcestruzzo stesso.
La sabbia invece (di fiume, di cava o di mare lavata con acqua dolce) è l'inerte fine
della miscela, ed è formata da grani di dimensioni inferiori a 5 mm, scevra di
sostanze terrose, organiche e di salsedine.
Il cemento infine è la pasta che lega gli inerti, il cosiddetto legante della miscela. Il
cemento più comune, noto come CEMENTO PORTLAND (a lenta presa o normale)
è composto da calce, silice e allumina, ed è ottenuto dalla macinazione fine del
CLINKER (il prodotto risultante dalla cottura di una miscela di calcare ed argilla) con
successiva aggiunta di gesso o anidrite.
L'impasto di cemento con acqua (pasta di cemento), ha la proprietà di far presa
(solidificare) e poi di indurire nel tempo gradatamente (proprietà che viene poi
ovviamente trasferita al calcestruzzo).
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Effetti del fuoco su calcestruzzo e c.a. segue1
I cementi sono classificati in tre categorie in base alla resistenza a compressione a
28 giorni di maturazione, determinata su provini di malta normale (una parte di
cemento e tre di sabbia 1:3):
Cemento normale tipo 32,5 - resistenza a compressione a 28 giorni 32,5 N/mm2
(325 kg/cm2);
Cemento ad alta resistenza tipo 42,5 - resistenza a compressione a 28 giorni 42,5
N/mm2 (425 kg/cm2);
Cemento ad alta resistenza e rapido indurimento tipo 52,5 - resistenza a
compressione a 28 giorni 52,5 N/mm2 (525 kg/cm2).
Dosaggio ottimale per un metro cubo di calcestruzzo
Un calcestruzzo normale si ottiene miscelando:
- cemento 3 KN (300 kg)
- sabbia 0,4 m3
- ghiaia o pietrisco 0,8 m3
- acqua 1,5 KN (1500 kg)
(utilizzando questa composizione con un cemento Portland tipo 32,5 si ottiene una
resistenza caratteristica Rck 20; portando la quantità di cemento a 3,5 KN (350 kg)
di qualità 42,5 si ottiene un Rck 25).
L'acqua d'impasto deve essere pura, limpida, priva di sali e di sostanze organiche.
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Effetti del fuoco su calcestruzzo e c.a. segue2
Il conglomerato cementizio armato C.C.A. o più comunemente cemento armato C.A.,
nasce dal matrimonio tra il calcestruzzo di cemento con l'acciaio, e unisce le caratteristiche
di resistenza meccanica a compressione del primo, con quelle a trazione del secondo.
Ferro e calcestruzzo collaborano in maniera solida e sicura, aderendo fortemente durante
le fasi di presa e indurimento.
L'acciaio normalmente utilizzato nelle opere di cemento armato è fornito in barre di forma
circolare (tonde lisce o ad aderenza migliorata), o in reti elettrosaldate.
Negli elementi prefabbricati pre o post compressi, sono utilizzati anche acciai trafilati in fili
(trecce o trefoli).
Il comportamento termico di un calcestruzzo confezionato con cemento portland è
caratterizzato da una modesta dilatazione fino a 100°C per poi progressivamente subire
una contrazione fino a 1000°C e nel conseguente raffreddamento fino a 0°C.
Questo è dovuto alla progressiva disidratazione irreversibile con conseguente distruzione
della struttura cristallina della malta cementizia.
Al crescere della temperatura l'acciaio modifica la sua struttura cristallina perdendo le sue
caratteristiche elastiche fino a diventare plastico.
E' importante per le armature dei manufatti in cemento armato, individuare la temperatura
per la quale si crea una tensione nell'acciaio tale da indurre allungamento pari al 2 0/00 che
corrisponde al limite elastico del materiale.
Tale temperatura è definita "temperatura critica". Per gli acciai comunemente impiegati in
edilizia varia tra i 500550°C, inferiore a quella del calcestruzzo che è intorno ai 600°C.
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Effetti del fuoco su calcestruzzo e c.a. segue3
E' da tener presente anche il fatto che, mentre nel campo delle temperature di impiego
nelle costruzioni in cemento armato, l'acciaio ed il calcestruzzo hanno uguale dilatazione
termica, per temperature maggiori, come quelle che possono crearsi per effetto di un
incendio, l'acciaio continua a dilatarsi, mentre il calcestruzzo si contrae: si creano così stati
tensionali elevati che portano alla frantumazione del calcestruzzo.
Gli elementi strutturali con un alto rapporto superficie esterna/volume hanno un
comportamento al fuoco più disastroso di quello di elementi massicci.
D'altra parte è da dire che il raggiungimento di una sezione della temperatura critica
dell'acciaio o del calcestruzzo non comporta necessariamente il collasso dell'intera
struttura (per la capacità di ridistribuzione delle azioni interne all'elemento).
La bassa conducibilità termica della pasta di cemento ostacola fortemente la propagazione
del calore all'interno delle sezioni in c.a., dando però origine ad elevati gradienti termici.
In caso di incendio, le superfici esterne dei manufatti direttamente esposte al fuoco si
trovano a temperature molto alte e sono pertanto suscettibili di un maggiore degrado
rispetto agli strati interni che si mantengono a temperature relativamente basse.
Inoltre si vengono a creare dei nuovi stati tensionali dovuti a deformazioni impedite, che
provocano lo spacco esplosivo (spalling) degli strati superficiali più caldi.
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Effetti del fuoco su calcestruzzo e c.a. segue4
In un elemento di calcestruzzo armato, sia esso di tipo normale o precompresso, pur
essendo il calcestruzzo superficiale il primo a subire danneggiamenti, essendo soggetto
a fenomeni di scoppio esplosivo, la perdita della capacità portante avviene, nella maggior
parte dei casi, per cedimento dell'acciaio di armatura in zona tesa, e non del calcestruzzo
compresso.
Normalmente infatti gli spessori di calcestruzzo sono sufficientemente elevati da
consentire agli strati più interni di mantenersi integri a temperature inferiori ai 500°C,
anche dopo 180÷ 240 minuti di esposizione.
Per altro l'asportazione di materiale dalla superficie dei manufatti, dovuta ai fenomeni di
spalling, può determinare l'esposizione diretta delle armature al fuoco.
Pertanto, soprattutto nel caso di copriferri ridotti, viene ulteriormente velocizzato il
processo di degrado delle proprietà meccaniche dell'acciaio, con conseguente collasso
anticipato dell'elemento.
Le strutture e i manufatti prefabbricati, dimensionati nel rispetto della normativa con i
normali sistemi di calcolo, se non specificatamente progettati per l'azione del fuoco,
garantiscono resistenze in caso di incendio non superiori a 90 minuti.
Gli elementi strutturali più snelli e quelli dotati di armature disposte con copriferri limitati
risultano, in caso di incendio, più vulnerabili di quelli massicci, in quanto non possono
beneficiare della ridotta conduttività termica del calcestruzzo.
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Effetti del fuoco sull’acciaio
L'acciaio è notoriamente un materiale incombustibile, che tuttavia per effetto di un forte
riscaldamento tende a ridurre le sue proprietà meccaniche, che intorno a 550 °C
diventano il 60 % circa di quelle a temperatura ambiente.
La temperatura limite dipende dall'andamento della temperatura e dal carico e, con
riferimento ad un elemento strutturale preso isolatamente, si aggira sui 700 - 750 °C.
Diversamente dagli altri tipi di sistemi costruttivi, che collassano senza preavviso, una
struttura d'acciaio offre il vantaggio di preannunciare il suo indebolimento con una
progressiva forte deformazione, oltre che col cambiamento di colore, permettendo così
agli occupanti di mettersi in salvo ed al personale dei servizi antincendio e di soccorso di
operare in condizioni di sicurezza.
Nei riguardi del fuoco, la carpenteria metallica può essere, secondo le situazioni di
progetto: non protetta, oppure isolata termicamente (con pitture intumescenti, intonaci,
materassini, ecc.) o protetta mediante schermature (ad esempio controsoffitti), o con
altri metodi che ne limitino l'incremento di temperatura (per esempio mediante
riempimento con calcestruzzo eventualmente armato o mediante circolazione d'acqua
all'interno nel caso di elementi strutturali cavi).
L’acciaio, grazie alla sua grande conduttività e capacità termica, esposto al fuoco può
raggiungere temperature di poco superiori a 300°C senza che vengano a determinarsi
deformazioni pericolose.
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Effetti del fuoco sull’acciaio
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Oltre i 300°C la resistenza dell’acciaio alla rottura diminuisce rapidamente; a circa 500°C
l’acciaio perde il 50% della resistenza alla rottura, a circa 550°C perde il 60% e a circa
600°C quasi si annulla.
Pertanto una struttura in acciaio, esposta senza protezioni all’incendio, può raggiungere il
collasso anche nel tempo di 10-20 minuti a causa della diminuzione della resistenza
meccanica.
Un modo per prevedere la resistenza al fuoco di colonne e travi d'acciaio, è quello di
sottoporre ad incendi simulati nei forni dei laboratori di prova singoli provini campione degli
elementi strutturali, riscaldati secondo curve unificate d’incremento della temperatura nel
tempo.
La resistenza di un campione sottoposto al carico di prova è, in genere, definita come il
tempo in cui la sua freccia si mantiene inferiore ad 1/30 della luce.
Generalmente i provini privi di protezione raggiungono tale freccia dopo un periodo tra i 15'
ed i 25' e con temperature dell'acciaio tra 550 e 700 °C, a seconda del Fattore di Massività
(cioè del rapporto tra perimetro esposto al fuoco ed area della sezione trasversale
dell'elemento) e del carico applicato.
Da ciò si ricavava che la temperatura di cedimento è intorno a 550 °C.
Questo procedimento però non riproduce le vere condizioni che si verificano effettivamente
in un incendio, soprattutto perché esso non considera da un lato il comportamento reale del
fuoco e dall'altro le interazioni con le altre membrature della struttura che ne migliorano la
resistenza.
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Per la protezione al fuoco si usano
intonaci premiscelati composti da
vermiculite, leganti inorganici ed
additivi specifici.
Si applicano mediante spruzzatura
uniforme sulle superfici da
proteggere, ottenendo rivestimenti
di buona qualità, senza giunti né
fessurazioni.
Dopo la spruzzatura puo essere
lisciato o spatolato come qualsiasi
altro intonaco.
Altre modalità di protezione
prevedono il completo rivestimento
con pannelli di materiale resistente
a fuoco.
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Effetti del fuoco sul legno
Materiale organico di origine vegetale, il legno è dotato
di una serie di caratteristiche intrinseche che ne hanno
da sempre consentito una vasta gamma di utilizzi.
In particolare per la notevole disponibilità e la facilità di
lavorazione, associata all’elevata resistenza
meccanica e all’aspetto estetico, è da sempre molto
apprezzato quale materiale da costruzione.
Tuttavia, trattandosi per sua natura di un materiale
altamente combustibile, è spesso ritenuto nelle
costruzioni, un materiale pericoloso, soprattutto per le
attività di interesse pubblico.
Pertanto l’utilizzo del legno quale materiale da costruzione non può rescindere dal
considerare la possibilità che ha di ardere e bruciare, fino alla completa demolizione.
Tale proprietà, pur non essendo certamente una caratteristica positiva, è influenzata
sia da fattori intrinseci legati alla sua natura, sia alle condizioni ambientali di utilizzo.
Per ottimizzare l’utilizzo del legno nelle costruzioni, è necessario conoscere:
• il comportamento al fuoco del materiale nelle varie fasi di un incendio dall’innesco
alla completa evoluzione;
• la resistenza intrinseca all’azione distruttiva delle fiamme;
• i mezzi più adeguati per migliorarne le prestazioni in caso di incendio.
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Effetti del fuoco sul legno segue1
Nel ricordare che non è propriamente il legno che brucia, ma i vapori di legno nella
giusta concentrazione con l’ossigeno contenuto nell’aria, e che prima di bruciare deve
perdere completamente l’acqua in esso contenuta sottoforma di umidità, nella sezione
lignea in avanzato stato di combustione, si possono individuare 3 strati:
1) ZONA CARBONIZZATA
2) ZONA ALTERATA
3) ZONA INALTERATA
La zona carbonizzata è la parte più esterna
direttamente investita dal calore che corrisponde
allo stato di legno ormai completamente interessato
dal processo di combustione;
La zona alterata è un tratto intermedio di qualche
millimetro di spessore che rappresenta il fronte di
avanzamento del processo di combustione,
caratterizzato da un progressivo aumento della
temperatura fino ad oltre 300° C.
3
2
1
Infine la zona inalterata è lo strato più interno della sezione non ancora interessata da
fenomeni di degradazione termica, e soggetto solo ad aumento della temperatura fino a
circa 100° C.
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Effetti del fuoco sul legno segue2
Se nella zona carbonizzata (1) le caratteristiche di resistenza meccanica del legno
risultano completamente annullate, nella zona alterata (2) l’aumento della temperatura
poco prima della vera e propria combustione, altera progressivamente tali caratteristiche
senza però annullarle completamente.
Nella zona inalterata (3), le caratteristiche meccaniche
1 2
3
della sezione possono considerarsi praticamente
invariate, infatti la loro diminuzione causata dall’aumento
di temperatura è compensata dalla riduzione dell’umidità.
L’analisi termica di una sezione lignea interessata dal
fenomeno della carbonizzazione, evidenzia un gradiente
termico molto elevato tra la zona carbonizzata e la zona
inalterata, gradiente che risulta indipendente sia
dall’aumento della temperatura della sorgente fuoco, sia
dal tempo di esposizione (figura a lato).
Infatti nell’ipotesi che non si verifichino distacchi dello
strato carbonizzato, il calore penetra e si diffonde nella
massa legnosa in maniera molto lenta e con una velocità
che diminuisce all’aumentare dello spessore
carbonizzato.
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Effetti del fuoco sul legno segue3
La normativa vigente indica valori superiori e precisamente:
per le travi estradosso e fianchi
0,8 mm/min
Intradosso
1,1 mm/min
per i pilastri
0,7 mm/min
L'ignifugazione influisce sensibilmente sul tempo occorrente per portare il legno alla
temperatura di accensione rendendo un legno "facilmente infiammabile" a molto
difficilmente infiammabile.
L'ignifugazione è un provvedimento opportuno per il legno usato in strati relativamente
sottili come accade quando lo si adopera per rivestimenti, decorazioni, pannelli, ecc..
Quando invece il legno ha funzioni portanti è di regola più semplice e meno costoso
maggiorarne le sezioni resistenti con uno spessore equivalente al ritardo di accensione
che si vuole conseguire.
Sotto lo strato carbonioso, che ovviamente ha resistenza meccanica nulla, il legno
incombusto mantiene sostanzialmente integre le caratteristiche meccaniche originarie.
E' quindi ovvio che la diminuzione della capacità portanti di una trave o di un pilastro
dipendono unicamente dalla diminuzione della sezione resistente.
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