Eventi combinati di incendio ed esplosione sulle strutture

Introduzione

È importante approcciarsi al mondo della sicurezza, intesa come Safety e Security, considerando che gli ambienti chiusi in cui si manifestano determinati rischi e considerati sicuri spesso potrebbero non esserlo. O meglio, prima di poterli considerare tali, senza esitare, c’è bisogno di chiedere a un esperto.

Semplicisticamente, nell’approccio forense parliamo di colpa (safety) e di dolo (security).

Le stutture in acciaio o in cemento armato sembrano, ai non addetti ai lavori, elementi solidi. Diciamo che lo sono, se ben realizzate, quando le azioni, intese come forze che su essa agiscono, sono quelle previste nel progetto. Definite tali azioni, scelta la tecnologia costruttiva (il materiale con cui fare la costruzione), il progettista realizza il disegno dettagliato dell’aspetto che deve avere l’infrastruttura.

Nel momento stesso in cui le azioni non sono quelle previste nel progetto, per vari motivi – come ad esempio il manifestarsi di un evento eccezionale – nulla garantisce sulle prestazioni della costruzione. Potrebbe anche crollare.

Questa è la ragione per cui alcune strutture vengono progettate con caratteristiche molto superiori al normale, in quanto definibili come strategiche. Nel senso che, se dovessero crollare, potrebbe determinarsi un danno indotto di gran lunga più pericoloso del semplice crollo.

Quello che voglio far passare con questo articolo è che esistono figure professionali esperte di sicurezza strutturale, in grado di rendere veramente sicuro un luogo confinabile in una costruzione. Inoltre l’argomento viene presentato analizzando come una struttura, anche se progettata per resistere ad azioni eccezionali, potrebbe trovarsi nell’evoluzione temporale di un evento altamente complesso che si manifesta, come la sovrapposizione di eventi straordinari.

Quando diciamo, nel gergo della Security, “ripiegare in luogo sicuro”, a seguito del presente articolo, spero si abbia la sensibilità di considerare anche il rischio che non lo sia del tutto in quanto non lo è strutturalmente.

Nonostante questo, mi auguro di essere riuscito a parlare di un argomento complicato in modo che possa essere accessibile anche a chi non è del settore. Il gergo usato, laddove non fosse possibile un sinonimo più comune, è in parte quello tecnico ingegneristico e in parte quello forense.

Figura 1 – Effetti di un incendio su una struttura in acciaio
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Figura 2 – Effetti di un’esplosione confinata in una struttura in muratura
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I due fenomeni di interesse nel presente articolo sono due aspetti del processo di combustione che si manifesta con velocità di sviluppo diverse. All’interno delle stesse esplosioni, il tempo con cui evolve il fenomeno, richiede un’ulteriore suddivisione tra deflagrazione e detonazione.

Partendo dal concetto schematico di base del triangolo del fuoco, che mette in relazione i tre componenti essenziali che determinano una combustione (comburente, innesco e combustibile), si delineano i rapporti che questi devono avere per poterne consentire la realizzazione del fenomeno. La loro semplice coesistenza non è detto che consenta l’inizio, e l’evolversi, della combustione. È certo che la mancanza di uno di essi, non la consentirà in nessuna condizione di rapporto tra i restanti due.

All’interno degli intervalli di infiammabilità, il combustibile può considerarsi abbastanza “ricco”, ovvero “povero”, da consentire l’accensione o meno, ma non ancora sufficiente per innescare una esplosione. Sono infatti i limiti di esplosività, all’interno dell’intervallo di infiammabilità, a determinare il rapporto in cui i tre elementi essenziali della combustione possono dar inizio a un’esplosione. La temperatura è in grado di influenzare i limiti di infiammabilità e di esplosività, e questo ci consente di capire il motivo per cui durante un incendio, è possibile che si creino i presupposti affinché un ambiente non esplosivo lo diventi. Anche il contenuto di vapore d’acqua nell’aria e i prodotti stessi della combustione influenzano tale passaggio fenomenologico.

Non entrando nel dettaglio dei singoli fenomeni, incendio (Fig.1) ed esplosione (Fig.2), possiamo solo sottolineare che il tempo che impiegano nel manifestarsi e le condizioni al contorno, determinano gli effetti che apportano sulle strutture.

Ragioni dello studio di sovrapposizione degli effetti incendio/esplosione e viceversa

Per gli effetti combinati bisogna considerare la seguente dinamica di evoluzione del fenomeno:

• si può attivare una esplosione a seguito di un incendio, perché durante la combustione si possono venire a creare le condizioni fisico/chimiche per l’immediato aumento della velocità di combustione, consentendo una deflagrazione o, peggio, una detonazione; oppure potrebbe essere presente qualche sostanza con caratteristiche di esplosività innescata nell’evoluzione spaziale dell’incendio;
• si può avere un incendio conseguente a un’esplosione che, a causa del risultato dirompente di quest’ultima, determina una configurazione iniziale della struttura in cui l’incendio svilupperà non più confinato, quindi a eccesso di ventilazione, con possibilità di propagazione agevolata al contorno. Le caratteristiche meccaniche strutturali saranno ampiamente compromesse nonché le caratteristiche meccaniche di resistenza nel tempo, oltre alle variazioni delle volumetrie degli ambienti e delle geometrie di sezione dei singoli elementi;
• si può avere eventualmente un’evoluzione del primo tipo con a seguire di nuovo un incendio. La demolizione del compartimento a seguito dell’esplosione mette in discussione il nuovo sviluppo del precedente incendio se ancora in essere, o dell’eventuale nuovo incendio creatosi a seguito dell’esplosione stessa. Se il primo incendio non è ancora estinto, si pensi a un compartimento che raggiunge il flashover, a cui nella fase di decadimento dell’incendio viene aperta una porta o una finestra. A seguito di un’esplosione dovremmo considerare come se aprissimo una o più pareti, se non la copertura. Rispetto al caso precedente, in questa evoluzione mista tra le prime due, abbiamo già degli elementi strutturali “stressati” (in termini di azioni) e “cotti” (in termini di materiali soggetti a forti gradienti termici), prima da un incendio, poi da un’esplosione e quindi di nuovo da un incendio;
• in effetti si potrebbe pensare a un’eventuale quarta possibilità, in cui la dinamica della combustione, per molti motivi spesso legati dalla presenza di materiali stoccati in grado di esplodere in tempi successivi, o attivabili per simpatia, innesca cicli continui di esplosioni, e incendi a seguito di esse. Questo potrebbe generare nel tempo configurazioni strutturali sempre diverse e, di volta in volta, sempre meno in grado di assolvere ai compiti di resistenza e contenimento dei fenomeni.

Altro aspetto determinante in termini di esplosioni confinate, quando quindi la sequenza degli eventi summenzionati avviene a partire da un’esplosione, è il non poter determinare con esattezza il punto di innesco. Si può trovare dove si è avuta una perdita di gas e per quale ragione, ma non da dove è avvenuto l’innesco, a meno che questo non abbia lasciato qualche traccia (parliamo ovviamente di dolo, ovvero di qualcuno che ha voluto produrre un’esplosione facendo il maggior danno possibile). Nel caso di eventi colposi, è più facile risalire anche agli eventuali inneschi (non si vogliono nascondere). È lo stesso problema delle tracce di un incendio, in cui si può facilmente capire come e dove è avvenuto lo sversamento di liquido infiammabile, ma raramente da dove è stata accesa la miscela o il vapore.

Questa informazione sarebbe molto importante in termini di ricostruzione investigativa in sede processuale, ma non in questa sede in cui si vogliono solo mettere in evidenza i danni prodotti alle strutture portanti, e alla luce di questi determinare se si è avuto solo un incendio, solo un’esplosione, un’azione combinata incendio/esplosione o viceversa, dalla sola analisi dei segni rinvenuti sulla scena da indagare.

Per essere in grado di leggere i segni lasciati sulla scena in cui si è consumato un evento di incendio, di esplosione, ovvero di entrambe, a volte dovendo determinare quale è avvenuto prima, è necessario conoscere la semiotica degli effetti macroscopici e di dettaglio che li caratterizza.

Considereremo come manifestazioni macroscopiche quelle che inducono gli elementi strutturali (di solito quelli più vicini ai picchi di intensità delle azioni) ad assumere determinate configurazioni. Sono preponderanti per le azioni impulsive, cioè tutte quelle forze che si manifestano in tempi nettamente inferiori al secondo.

Determinante in questo caso è l’eccezionalità dell’azione nel suo agire sulla struttura, rispetto ai normali carichi di progetto. Sia per intensità, che per lo sviluppo nel tempo, i materiali mantengono inalterate le loro proprietà meccaniche, anzi la velocità con cui viene investito gli conferisce delle caratteristiche di resistenza provvisoria superiore, legati all’inerzia (Fig.11). I segni sono puntuali (Figg.6, 7, 8 e 9).

Considereremo come manifestazioni di dettaglio, quelle che modificano i comportamenti fisici canonici dei materiali da costruzione, rispetto al loro normale impiego, determinandone i comportamenti macroscopici. Di solito si parla di azioni che si sviluppano in minuti.

Determinante in questo caso è la compromissione delle normali caratteristiche di comportamento dei materiali impiegati, intervenendo sulle caratteristiche chimico/fisiche dello stesso, modificandone i normali requisiti di resistenza. Salvo tracce eloquenti superficiali, il materiale cede prima nei punti in cui lo farebbe per il superamento dell’equilibrio tra forze agenti esternamente, e resistenza interna del materiale (Fig.10). I segni sono diffusi (Figg.3, 4 e 5).

Tutto corretto, se l’azione straordinaria considerata, agisse in maniera uniforme sull’intero elemento strutturale. Quindi rimangono fuori da questa generalizzazione, azioni esterne localizzate, che andrebbero trattate come interventi concentrati.

A seguire una serie di immagini esplicative di quanto detto sopra:

Semiotica degli effetti macroscopici

• Effetti macroscopici sulle strutture da esposizione a un forte gradiente termico

Figura 3 – Effetti su elemento strutturale in c.a. esposto su una singola faccia, e su entrambe con espansione impedita per particolari condizioni di vincolo
http://seaoo.org/downloads/Presentations_CONF/seaoo_2013_conference___fire_exposed_structural_members__churpek_rev.pdf

Figura 4 – Espulsione di materiale strutturale dalla faccia esposta in un elemento in c.a. a seguito di pressioni interne e di rapidi gradienti termici (thermal shock)
http://seaoo.org/downloads/Presentations_CONF/seaoo_2013_conference___fire_exposed_structural_members__churpek_rev.pdf

Figura 5 – Aumento della inflessione in una trave in acciaio, per la riduzione delle proprietà meccaniche dell’elemento strutturale, e fenomeno del buckling per deformazione impedita
http://seaoo.org/downloads/Presentations_CONF/seaoo_2013_conference___fire_exposed_structural_members__churpek_rev.pdf

 

• Effetti macroscopici sulle strutture da azione dinamica impulsiva

Figura 6 – Meccanismi di buckling in prossimità del nodo di testa del pilastro in c.a. a seguito di perdita di collegamento tra pilastro e solaio
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350630713001374

Figura 7 – Meccanismi di rottura del pilastro a seguito di eccessiva sollecitazione assiale dello stesso, e conseguente ricaduta del solaio
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350630713001374

Figura 8 – Stesso meccanismo di collasso della Fig.6, ma per pilastri dislocati e sollecitati diversamente
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350630713001374

Figura 9 – Effetto combinato tra rottura per estensione del pilastro in c.a. e buckling a seguito della ricaduta del solaio sulla testa del pilastro
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350630713001374

Semiotica delle risposte meccaniche dei materiali

• Effetti sulle caratteristiche meccaniche dei materiali soggetti a forti gradienti termici

Figura 10 – Andamento delle caratteristiche meccaniche dei materiali componenti elementi strutturali in c.a. in funzione della temperatura
https://www.slideshare.net/franco_bontempi_org_didattica/psa-structural-aspects-2016

• Effetti sulle caratteristiche meccaniche dei materiali soggetti a sollecitazioni dinamiche

Figura 11 – Variazione delle proprietà meccaniche dei materiali (resistenza a compressione, trazione e modulo elastico) dei componenti il c.a. in funzione delle alte velocità di deformazione. Sono presenti i diagrammi in riferimento al DIF (dynamic increase factor), cioè il fattore di incremento dinamico, che compongono lo Strain Rate basandosi sulle indicazioni della pubblicazione CEB Model Code 2010
http://tesi.cab.unipd.it/49278/1/TESI_MAGISTRALE_ANDREOTTI_1054276.pdf

Case Study

• tecnologia costruttiva: edificio di n.5 piani in struttura intelaiata in acciaio, solai in calcestruzzo e tamponature in laterizio;
• scenario studio: analisi del progetto antincendio, studio di un possibile effetto combinato esplosivo ed incendio a seguito di evento esplosivo;
• evento innescato: doloso con innesco di un ordigno esplosivo di medie dimensioni con conseguente incendio.

Figura 12 – Riferimenti della pubblicazione dalla quale si è estratto lo studio del Case Study di nostro interesse

Per lo studio del caso di cui sopra nella breve descrizione, a cui si rimanda, si vogliono solo sottolineare i passaggi salienti. A seguire come è stato sviluppato lo studio:

1. Definizione della Configurazione Strutturale: vengono definite geometrie, condizioni di carico e caratteristiche tecnologico costruttive del progetto alla base del primo studio, per poterne definire le caratteristiche di resistenza a un possibile incendio.
2. Progetto di Sicurezza Antincendio: si definisce la destinazione d’uso dell’edificio per descrivere un realistico scenario di incendio (curva d’incendio, andamento delle temperature sugli elementi strutturali ed analisi dei trasferimenti di calore, determinazione della resistenza strutturale in rapporto agli stati limite). Le normative di riferimento sono gli Eurocodici e il metodo semplificato della BS5950:Part 8.
   Vengono definiti n.2 compartimenti che si ripetono per ogni piano, doppi rispetto ad una linea di simmetria definita nel progetto. A seguito di questo studio preliminare vengono definiti gli interventi di protezione passiva per la struttura.

3. Modellazione agli Elementi Finiti: vengono definiti gli aspetti di modellazione, richiamando al paper (Steel frame structures subjected to the combined effects of blast and fire – Part 1: State-of-the-Art Review) con cui si abbina lo studio, e che fa riferimento soprattutto agli aspetti di modellazione delle azioni dinamiche. Vengono fatte delle considerazioni sui requisiti richiesti dal calcolatore per l’analisi dei tempi macchina per l’elaborazione dello scenario, considerando l’andamento degli incrementi di temperatura. Viene definito ABAQUS come il software per l’analisi statica.
   Per la definizione delle caratteristiche del materiale, si è considerato che sarebbe dovuto essere in grado di catturare gli aspetti caratteristici legati sia ad un’azione esplosiva, sia a quella dell’incendio. Per il comportamento sforzo-deformazione dell’acciaio ad elevate temperature si è fatto riferimento all’EC3: Part 1.2, in combinato con il TM5-1300.

4. Analisi dell’Azione Esplosiva: l’onda di blast è il risultato della esplosione di una macchina di medie dimensioni che detona a 5m dal prospetto esterno dell’edificio. Viene assunto un TNT equivalente pari a 1000kg. Sulla base di questo viene calcolato l’andamento dell’onda di sovrappressione che impatta sulla struttura, in funzione del tempo e della distanza.
   Si evidenziano i danni sulla struttura, a seguito di modellazione, e si schematizzano gli spostamenti di piano dell’edificio nel tempo. Interessante in termini di semiotica strutturale è anche il tipo di deformazione localizzata che subisce l’edificio investito dall’onda di blast, e che viene messo in evidenza molto bene dal software di modellazione.

5. Consequenziale Analisi di Incendio: viene effettuato uno studio sulla configurazione strutturale danneggiata a seguito dell’esplosione precedentemente modellata, per valutarne la resistenza ad un incendio. La prima difficoltà messa in luce è in riferimento alla quantificazione dei danni ai sistemi attivi e passivi di resistenza al fuoco, in quanto poco documentata in letteratura.
   Quindi vengono fatte delle considerazioni in riferimento a: presenza delle tamponature ai vari livelli, operatività dei sistemi attivi (allarmi, dispositivi di spegnimento, ecc.), evoluzione dell’incendio dal basso verso l’alto a partire dal posizionamento di una possibile ignizione, rimozione totale della protezione passiva in tutti gli elementi strutturali di prossimità al punto di detonazione e parziale a causa dell’urto dei frammenti almeno nei seguenti due livelli.
   La nuova configurazione, rispetto a quella iniziale di progetto, ha valori di geometria dei compartimenti, parametri dell’azione di incendio, di ventilazione, ecc., completamente diversi. Vengono variati in ragione di considerazioni sulla nuova situazione in cui si trova l’edificio. A questo punto vengono mostrati una serie di raffronti tra i risultati ottenuti in fase di progettazione, e quanto emerso dall’analisi nella configurazione danneggiata dall’esplosione.

Si invita il lettore all’analisi delle considerazioni finali in merito al Case Study analizzato, e a cui si rimanda.

 

Bibliografia

• You H. X., Richard Liew J. Y., Steel frame structures subjected to the combined effects of blast and fire – Part 1: State-of-the-Art Review, Department of Civil Engineering, National University of Singapore, International Journal of Advanced Steel Construction, Vol.1, No.1 (2005) 67-84
• You H. X., Richard Liew J. Y., Steel frame structures subjected to the combined effects of blast and fire – Part 2: Case Study, Department of Civil Engineering, National University of Singapore, International Journal of Advanced Steel Construction, Vol.1, No.1 (2005) 85-104, http://ascjournal.com/down/Issues/Vol1no1all.pdf
• Turgut P., Arif Gurel M., Kadir Pekgokgoz R., LPG explosion damage of a reinforced concrete building: A case study in Sanliurfa, Turkey, Department of Civil Engineering, Harran University Turkey, Engineer Failure Analysis 32 (2013) 220-235
• Bontempi F., Structural Aspects for Fire Action, Corso di Progettazione Strutturale A.A. 2016/2017, Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale, Sapienza Università di Roma, https://www.slideshare.net/franco_bontempi_org_didattica/psa-structural-aspects-2016
• Churpek M., Evaluation of Fire-Exposed Structural Members, SEAoO Conference, September 13, 2013, http://seaoo.org/downloads/Presentations_CONF/seaoo_2013_conference___fire_exposed_structural_members__churpek_rev.pdf
• Ombres L., Lirangi F., Zappia M., Breccolotti M., Venanzi I., Valutazione della sicurezza strutturale di un edificio esistente in c.a.
• Andreotti M., Modellazione di esplosioni in ambienti confinati: valutazione degli effetti su edifici residenziali e possibili strategie di mitigazione, Tesi di Laurea Magistrale in Ingegneria Civile Strutture A.A. 2014/2015, DICEA, Università degli Studi di Padova, Relatori: Prof. Ing. Carlo Pellegrino, Prof. Ing. Giuseppe Maschio, http://tesi.cab.unipd.it/49278/1/TESI_MAGISTRALE_ANDREOTTI_1054276.pdf

 

Articolo a cura di Marco Lucidi