COMPORTAMENTO AL FUOCO DELLE STRUTTURE IN C.A.

Il recente tragico evento che ha coinvolto il Pirellone a Milano, ha riproposto all'attenzione di tutti il comportamento al fuoco delle strutture in c.a..
Il comportamento del calcestruzzo alle alte temperature assume una rilevante importanza pratica nelle strutture in calcestruzzo soggette all'azione del fuoco (1).
L'effetto delle alte temperature, ed in particolare del fuoco, sulla resistenza meccanica del calcestruzzo è piuttosto complesso. Esso dipende dalla composizione del calcestruzzo (rapporto acqua/cemento, tipo e quantità di inerte, tipo di cemento), dalla compattezza e dall'omogeneità del getto, dalle condizioni di carico cui il materiale è sottoposto durante il riscaldamento, oltre che ovviamente dalla velocità del riscaldamento, dalla forma e dimensione della struttura, ecc..

IL RUOLO DEL CALCESTRUZZO

Secondo Malhotra (2) il rapporto acqua/cemento (a/c) non influenza la diminuzione percentuale della resistenza meccanica provocata da un trattamento termico. Collepardi e Valente (1) hanno confermato sostanzialmente questa osservazione, ma hanno messo in evidenza (Fig. 1 e 2) come un calcestruzzo inizialmente più resistente, per il minor rapporto a/c, conserva in assoluto una maggiore resistenza meccanica dopo il trattamento. Gli autori hanno, inoltre, trovato che i calcestruzzi con inerti calcarei (Fig. 2) presentano una minore caduta nella resistenza meccanica dei conglomerati confezionati con inerti silicei (Fig. 3), soprattutto se la temperature del trattamento termico non supera i 750°C.

Il buon comportamento al fuoco degli inerti calcarei è da mettere in relazione con il fatto che essi assorbono una notevole quantità di calore per la loro decomposizione in ossido di calcio (3).
La Fig. 3 mostra l'effetto della temperatura sulla resistenza a compressione del calcestruzzo: quello confezionato con inerte siliceo presenta una sensibile caduta nella resistenza intorno 570°C per la trasformazione di fase del quarzo (da a a b con forte aumento di volume e conseguente azione dirompente sul conglomerato), mentre i calcestruzzi con calcare o argilla espansa perdono solo il 20% della loro iniziale resistenza se la temperatura non supera i 650°C (4).
I calcestruzzi con rapporto inerte/cemento più elevato presentano, secondo Malhotra (2), una minore diminuzione percentuale della resistenza meccanica. Tuttavia, calcestruzzi troppo magri, con una resistenza meccanica iniziale troppo bassa, potrebbero, dopo il trattamento termico, presentare valori in assoluto di resistenza eccessivamente bassa (1).
Peterson (5) e Livovich (6) hanno trovato che il comportamento al fuoco del calcestruzzo è migliore per i cemento Portland che liberano una minore quantità di calce di idrolisi. Quest'ultima si può trasformare in ossido di calcio a circa 500°C durante l'incendio, favorendo lo sgretolamento del calcestruzzo durante la fase di estinzione (o durante la successiva bagnatura che deve precedere l'eventuale restauro della struttura ammalorata) per la riconversione dell'ossido in idrossido di calcio che avviene con aumento di volume. Da questo punto di vista i calcestruzzi confezionati con cemento d'altoforno e soprattutto con cemento pozzolanico si comporterebbero meglio di quelli preparati con cemento Portland per la minore quantità di calce di idrolisi.
L'influenza della temperatura su altre proprietà del calcestruzzo, quali il modulo elastico e la resistenza a trazione, è simile a quella descritta per la resistenza a compressione (1, 11).

IL RUOLO DEL COPRIFERRO: QUALITA' E SPESSORE

Nelle strutture armate, l'influenza delle alte temperature assume un'importanza rilevante soprattutto nei confronti dell'acciaio, che oltre i 500°C perde gran parte delle sue caratteristiche meccaniche (7, 8), mentre il calcestruzzo può arrivare senza subire sostanziali degradazioni fino a circa 650°C (Fig. 3).
E' stata messa in evidenza (1) l'importanza della lavorabilità del calcestruzzo fresco per assicurare la massima omogeneità e compattezza al calcestruzzo indurito, soprattutto nelle strutture armate. Infatti, se fossero presenti nel copriferro dei camini preferenziali (sotto forma di materiale localmente meno compatto o addirittura sotto forma di "vespai") per i fumi della combustione o, più in generale, per il flusso di calore, si potrebbe verificare localmente un rapido innalzamento della temperatura dei ferri, che al di sopra dei 500°C, perderebbero, bruscamente, gran parte delle loro caratteristiche meccaniche.
Da un punto di vista pratico, è interessante esaminare l'influenza del copriferro di calcestruzzo sul comportamento dei ferri di armatura durante il riscaldamento, che si verifica, per esempio, durante un incendio. In queste circostanze, la funzione del copriferro è quella di proteggere le armature e di evitare cha la loro temperatura superi, sia pure in un sol punto, il valore di 500°C. In genere, con un calcestruzzo compatto ed omogeneo, i ferri raggiungono questa temperatura in 50-70 minuti con un copriferro di 2 cm, in 80-110 minuti con uno di 3 cm, in 120-160 minuti con uno di 4 cm, ed in 180-240 minuti con un copriferro di 5 cm (7).
Negli elementi strutturali in calcestruzzo armato, spesso l'acciaio è protetto da un copriferro di spessore variabile e, quel che è peggio, è talvolta costituito in alcune zone da un calcestruzzo mal compattato e scarsamente omogeneo. Questi punti deboli, nel caso di un incendio, diventano dei canali preferenziali per il flusso termico, provocando un innalzamento localizzato della temperatura che può arrivare a superare i 500°C in un tempo brevissimo anche in presenza di un copriferro relativamente spesso. Inoltre, a causa dell'alta conducibilità termica dell'acciaio (da 125 a 196 kJ/m · h °C per temperature tra 0 e 600 °C), il flusso termico è rapidamente trasferito lungo l'armatura che, riscaldandosi, tende a dilatarsi, in questo impedita dal calcestruzzo più freddo per la minore conducibilità termica (6,3-8,4 kJ/m · h · °C). Quando l'aderenza tra il ferro ed il calcestruzzo non è più sufficiente a contenere la tensione generata dalla diversa dilatazione termica dei due materiali, si verifica la caduta di solidarizzazione tra acciaio e calcestruzzo, con conseguente sfilamento dei ferri e distacco di altre parti di copriferro.

BIBLIOGRAFIA

(1) M.Collepardi, M.Valente, L'Ind. Ital. Cem., 48, 481 (1978)
(2) H.L.Malhotra, Mag. Concr. Res., 8, 85, (1956)
(3) S.H.Inberg, Proceedings A.S.T.M., 29, 824 (1929)
(4) H.S. Abrams, "Temperature and Concrete", Amer. Concr. Inst. Publication SP-25, pg. 33, Detroit (1968)
(5) P.H. Peterson, "Concrete and concrete-making materials", A.S.T.M. STP-A, pg. 290 (1975)
(6) A.F. Livovich, Ceramic Bullettin, 40, 559 (1961)
(7) Comitato presieduto da Devars du Majune, Annales de l'Institut Technique du Bâtiment et des Travaux Publics, 393, 17 (1976)
(8) Comitato presieduto da Pousset, Annales de l'Institut Technique du Bâtiment et des Travaux Publics, 846, 70 (1977)
(9) A.M. Neville, " Creep of Concrete : Plain, Reinforced and Prestressed", North-Holland Publishing Co. Amsterdam (1970)
(10) J.C. Marechal, Materials and Structure, 2, 111 (1969)
(11) P.J.Sullivan, M.P.Poncher, "Temperature and Concrete", Amer. Concr. Inst., Publication SP-25, pg. 103, Detroit (1968)