Diagnostica degli edifici nel post-incendio

Diagnostica degli edifici nel post-incendio

Proprio come un medico si appresta alla cura dell’ammalato, anche noi Ingegneri dobbiamo essere pronti a comprendere i differenti segnali di degrado che le strutture ci indicano, in modo da poter agire e risolvere al meglio le complicanze dovute al post-incendio.

A tal proposito, le prove non distruttive dimostrano sempre più di avere un ruolo fondamentale ai fini della diagnostica strutturale. Oltretutto, possono anche essere adoperate, tenendo conto di opportuni accorgimenti tecnici, nelle caratterizzazioni dei materiali in sito nel post-incendio.

Permettono, inoltre, di adoperare ottime politiche di risparmio nel caso di edifici colpiti da incendi, indagando gli effettivi danni subiti dal riscaldamento, in modo da individuare gli elementi che possono essere riutilizzati dopo opportuni trattamenti.

Sarà fondamentale, dunque, comprendere affondo il comportamento dei differenti materiali, in modo da studiarne la risposta alle alte temperature per mezzo di opportuni metodi di diagnosi strutturale.

Un primo esempio potrebbero essere le prove ultrasoniche: tenendo conto di un materiale omogeneo, isotropo ed elastico lineare, è possibile ottenere le seguenti relazioni:

Solitamente dalle prove si misura solo V_p , quindi il modulo elastico E viene ricavato dall’espressione della velocità delle onde primarie, assegnando un dato valore del coefficiente di Poisson.

In questo modo si ottiene un modulo di elasticità di tipo dinamico: solitamente E è dato dalla pendenza della curva sforzo-deformazione, nel ramo elastico. In questo caso, per mezzo di V_p, si ottiene un valore di E superiore del 20-30% rispetto al modulo elastico statico.

Noto E in sito, è possibile risalire alla temperatura massima a cui l’elemento è stato assoggettato durante l’incendio.

Il primo passaggio da compiere, in modo da individuare la temperatura massima, è quello di svolgere alcune prove ultrasoniche su elementi della medesima struttura che non abbiano subito il degrado termico.

In questo modo possiamo individuare il modulo elastico statico in sito prima dell’evento, per poi poterlo utilizzare come valore di riferimento.

In un secondo momento, si compie una campagna di prove ultrasoniche nella zona in cui si intende individuare le proprietà meccaniche dei materiali degradati.

I moduli elastici statici individuati andranno normalizzati in funzione di quelli non degradati.

Nota la curva E-T, data dagli Eurocodici, è possibile individuare il range di temperature massime sui differenti elementi.

In questo modo, si possono anche effettuare estese analisi di omogeneità sull’intera struttura o sulle singole membrature, indagando il materiale in sito e individuando le zone degradate, i difetti puntuali e lo spessore dello strato in cui vi è un decremento delle proprietà meccaniche.

Poiché la velocità degli ultrasuoni è legata alla densità e alle costanti elastiche del materiale attraversato, qualunque variazione di quest’ultima indica una variazione di queste grandezze caratteristiche.

In questo modo, si può anche risalire alla zona in cui la possibilità di innesco dell’incendio risulta maggiore, creando una mappatura termica, la quale permette di notare come l’incendio si sia propagato nella struttura e quali zone risultino maggiormente degradate in termini di resistenza meccanica.

Successivamente, è possibile avvalorare le ipotesi proposte con la mappatura termica, tramite un modello fluido-dinamico a volumi finiti per evidenziare la bontà dei risultati.

Nei casi in cui si vuole risalire ad un possibile carico d’incendio (classica richiesta assicurativa), è possibile ipotizzare differenti curve naturali che sollecitano la struttura finché non si rientra nei valori di resistenza individuati in sito.

È da notare che le prove ultrasoniche possono ulteriormente essere accompagnate da altre prove non distruttive e devono essere seguite da prove distruttive, in modo da ottenere, in funzione di un opportuno livello di conoscenza della struttura indagata, le reali caratteristiche meccaniche da utilizzare nei modelli fluidodinamici.

Le prove ultrasoniche, come abbiamo visto, risultano fondamentali su strutture in acciaio o su strutture miste in acciaio-calcestruzzo, poiché permettono di correlare direttamente la velocità delle onde con il modulo elastico. Questa correlazione risulta indispensabile in tali strutture, proprio perché il loro principale problema risulta essere il degrado del modulo elastico, in quanto un suo decremento comporta problemi di stabilità, che, come ben noto, si dimostra essere una seria complicazione per le strutture in carpenteria metallica.

Proprio a questo scopo risulta fondamentale, in fase di progettazione, ristabilire la gerarchia delle resistenze, anche a caldo con opportuni spessori di ricoprimento, come della vernice intumescente (anche modellando lo spessore con curve naturali di incendio e non con curve standard).

In particolare, queste prove su strutture in carpenteria metallica possono essere accompagnate da altre prove non distruttive, con lo scopo di individuare le zone su cui è possibile estrarre i provini da analizzare in laboratorio per le prove distruttive, concentrandosi, soprattutto, sulle prove di durezza.

Il durometro di Leeb permette di individuare localmente la resistenza del materiale che, a causa dell’urto della sonda battente, tende a plasticizzare. Inoltre, è importante che, durante la prova, si evitino eventuali vibrazioni del materiale causate dalla battuta: per tale motivo, è consigliabile eseguire la prova sull’ala della trave, in corrispondenza dell’anima sottostante.

La prova ultrasonica risulta molto utile nelle strutture in acciaio, poiché, durante la fase di riscaldamento, la temperatura può essere considerata uniforme su tutto il profilo a causa dell’alta conducibilità termica del materiale.

Sempre quest’ultime, con l’applicazione delle sonde all’intradosso e all’estradosso della sezione, permettono di ottenere un valore mediato tra la zona degradata e le zone in cui la temperatura non ha influito sulle caratteristiche meccaniche.

Per questo motivo, non risulta essere la prova più idonea (se utilizzata singolarmente) sul c.a., a differenza dell’acciaio. Visto che il calcestruzzo presenta una bassa conducibilità termica, la quale si oppone al passaggio del calore, la zona degradata risulta solo quella più esterna del materiale: in questo modo un valore mediato, dedotto da una prova ultrasonica, risulta poco veritiero per l’individuazione della resistenza residua in sito nel post-incendio.

A tale scopo, le prove ultrasoniche sul c.a.  possono essere accompagnate da altre PND, come ad esempio le prove chimiche.

In questo caso, la prova di riferimento è quella sulla carbonatazione che il materiale ha subito.

Durante l’incendio, infatti, si sviluppa nel calcestruzzo l’idrossido di calcio, che non permette alla fenolftaleina (da fenolo + ftaleina), applicata durante la prova, di reagire, lasciando il classico colore grigio nel provino. È, inoltre, fondamentale che la prova sia eseguita a secco, quindi sulla polvere di cls, poiché il contatto con l’acqua comporterebbe l’inefficacia della reazione. Oltretutto, dalla letteratura è noto che l’idrossido si sviluppi a temperature comprese tra i 450°C e 500°C, andando a descrivere l’isoterma 500 che permette di applicare il corrispettivo metodo di calcolo, proposto dall’Eurocodice, per determinare la resistenza residua della sezione tramite progettazione ingegneristica avanzata.

Un altro metodo applicabile è quello della prova sclerometrica diretta, ovvero senza l’uso di opportune curve di correlazione, ma tenendo direttamente conto del valore segnato dallo strumento di misurazione, poiché risulterebbe inutile cercare una qualche correlazione con la resistenza in sito, dal momento che questa si dimostrerebbe una prova superficiale. Il maggior degrado, inoltre, agisce sul cls ed occorre tener conto di come il risultato possa essere influenzato da alcuni fenomeni, come lo spalling.

La prova sclerometrica risulta essere molto utile per temperature che si aggirano dai 500°C in su e permette di ottenere una mappa del danno sull’intera struttura, oltre che una maggior comprensione di quali facce del pilastro risultino esposte direttamente all’irraggiamento del focolare, individuando da quale zona l’incendio si sia innescato.

Fra i metodi sopra citati, per individuare le zone degradate nel cls, occorre ricordare anche quello della fotogrammetria applicata ricorrendo a termocamere, per determinare le eventuali lesioni che si sono formate nel materiale, o semplicemente la tessitura muraria.

Da queste prove si può notare come il calcestruzzo non abbia raggiunto temperature omogenee e come il decadimento si mostri più graduale, rispetto alle strutture in acciaio.  È anche vero che, in questo caso, la perdita di resistenza è totalmente irreversibile e nella fase di raffreddamento si evidenzia un ulteriore 10% di perdita.

Inoltre, le membrature in c.a possono subire il fenomeno dello spalling, ovvero dell’esplosione del copri-ferro a causa delle elevate pressioni, le quali sono generate dall’acqua presente nelle porosità dalla pasta cementizia, che tendendo ad evaporare, comporta uno stato di compressione nel materiale, che non potendosi spostare liberamente, tende a fessurarsi.

Un’opportuna soluzione al fine di evitare questo problema potrebbe essere l’utilizzo di un adeguato mix design in fase di progettazione, per tutte quelle strutture in cui il rischio d’incendio risulta veramente elevato.

Da queste brevi e semplici considerazioni è possibile già avere un’idea di come l’incendio si sia propagato nella struttura e di come questa ne abbia risentito, andando a predisporre gli interventi più adeguati.