1.     INTRODUZIONE

Gli incendi continuano a rappresentare una minaccia significativa per la vita e i beni in tutti i tipi di strutture con il potenziale di compromettere la stabilità degli elementi in calcestruzzo e di provocare collassi parziali o totali. La sicurezza strutturale in caso di incendio è pertanto un requisito fondamentale in tutti i principali codici di progettazione, inclusi gli Eurocodici. Gli Eurocodici prescrivono durate minime di resistenza al fuoco per i componenti strutturali e le loro connessioni al fine di garantire un’evacuazione sicura, operazioni di soccorso efficaci e il controllo dell’incendio stesso, tra gli altri requisiti correlati alla sicurezza antincendio (vedi Fig. 1).

Fig. 1. Requisiti di sicurezza antincendio per tutti i tipi di strutture edilizie

Le barre di armatura post-installate sono ampiamente utilizzate per collegare elementi in calcestruzzo gettati in momenti diversi, creando un comportamento monolitico tra gli elementi esistenti e quelli nuovi. Esse offrono soluzioni affidabili, rapide ed economiche sia per esigenze costruttive pianificate che impreviste. La necessità di utilizzare barre di armatura post-installate deriva frequentemente da situazioni non pianificate in cui ferri di ripresa non sono stati previsti inizialmente. Tuttavia, tale esigenza può emergere anche in attività costruttive pianificate, al fine di ottimizzare e accelerare il flusso di lavoro. Inoltre, la necessità di tali connessioni è particolarmente rilevante negli interventi di rinforzo e adeguamento di edifici e infrastrutture civili.

Sebbene i codici di progettazione forniscano indicazioni chiare per il design al fuoco dei sistemi tradizionali in calcestruzzo armato, generalmente basate su dati tabellari o metodi semplificati, metodi costruttivi alternativi come l’utilizzo di barre di armatura post-installate richiedono approcci progettuali più avanzati e una maggiore attenzione ingegneristica a causa del diverso comportamento termico e fisico delle resine ad iniezione rispetto al calcestruzzo e all’acciaio.

Analizziamo ora in dettaglio la procedura per la progettazione al fuoco delle applicazioni con barre di armatura post-installate.

2.     CLASSIFICAZIONE DELLE APPLICAZIONI CALCESTRUZZO-CALCESTRUZZO CON BARRE DI ARMATURA POST-INSTALLATE

Il campo di applicazione delle connessioni con barre di armatura post-installate può essere suddiviso, in generale, in:

• estensioni per sovrapposizione di barre, utilizzate per il prolungamento di elementi quali solai, travi, pareti o colonne,
• giunzioni di estremità senza sovrapposizione di barre, che collegano elementi come solai a pareti o colonne a solai, con o senza momenti flettenti agenti (vedi Fig. 2).

Fig. 2. Classificazione generale delle applicazioni calcestruzzo-calcestruzzo con barre di armatura post-installate

I nodi di estremità semplicemente appoggiati trasferiscono azioni di taglio o sforzi assiali senza momenti flettenti, come nel caso di un solaio appoggiato su una parete. Tuttavia, nella pratica, molte connessioni si comportano come giunti semi-rigidi o rigidi, sviluppando momenti a causa di un vincolo parziale o totale tra elementi in calcestruzzo quali colonne, pareti o solai. Le disposizioni di progetto contenute nella norma EN 1992-1-1 limitano tali connessioni rigide alle configurazioni con giunzioni per sovrapposizione, che potrebbero non essere sempre realizzabili in interventi di retrofit. Per affrontare questo aspetto, il Technical Report EOTA TR 069 fornisce un metodo di progettazione che consente di realizzare ancoraggi di estremità rigidi mediante barre di armatura post-installate, eliminando la necessità di configurazioni con sovrapposizione di barre.

3.     DIFFERENZA TRA BARRE DI ARMATURE GETTATE IN OPERA E BARRE DI ARMATURA POST-INSTALLATE IN CASO DI INCENDIO

Il comportamento delle barre di armatura post-installate in condizioni di incendio differisce significativamente da quello delle barre gettate in opera a causa delle diverse proprietà termiche e meccaniche delle resine ad iniezione (vedi Fig. 3). La tensione di aderenza delle resine organiche si abbatte rapidamente con l’aumento della temperatura e l’entità del degrado dipende fortemente dal tipo di prodotto. Poiché le resine organiche e ibride perdono capacità resistente a temperature molto inferiori rispetto all’acciaio o al calcestruzzo, comprendere la riduzione della tensione di aderenza in funzione del tempo e della temperatura è essenziale per una progettazione al fuoco accurata. La soluzione Hilti HIT-FP 700-R di Hilti è stata sviluppata come malta cementizia inorganica a base di calcio-alluminato iniettabile e mostra una riduzione molto bassa della tensione di aderenza all'aumentare della temperatura, anche superiore a 500°C.

Fig. 3. Curve di riduzione delle prestazioni di resine ad iniezione, calcestruzzo e acciaio in condizioni di incendio

La distribuzione della temperatura nelle applicazioni con barre di armatura post-installate è influenzata dal copriferro, dalla lunghezza di ancoraggio e dalla durata dell’esposizione al fuoco. Nelle applicazioni con barre post-installate utilizzate nelle estensioni con sovrapposizione, la distribuzione della temperatura lungo la lunghezza di ancoraggio è generalmente costante nella maggior parte degli scenari comuni (vedi Fig. 4a). Nelle applicazioni con ancoraggio di estremità, invece, la distribuzione della temperatura varia solitamente con la profondità di ancoraggio della barra post-installata (vedi Fig. 4b).

Fig. 4. Distribuzione tipica della temperatura nelle connessioni con barre di armatura post-installate

4.     QUADRO DI PROGETTAZIONE

La progettazione delle barre di armatura post-installate non è trattata direttamente nelle norme EN 1992-1-1 (statica) ed EN 1992-1-2 (incendio). Gli approcci per la verifica al fuoco delle barre gettate in opera sono forniti dalle EN 1992-1-2 sotto forma di:

1. Dati tabellari: definizione della geometria minima del calcestruzzo e del copriferro per diverse classi di esposizione al fuoco,
2. Calcolo semplificato: analisi della sezione ridotta sotto incendio mediante metodo delle isoterme o delle zone,
3. Metodo avanzato: simulazioni termico-meccaniche avanzate agli elementi finiti dell’intera struttura.

L’approccio basato su dati tabellari è il più comunemente utilizzato nella pratica e si fonda sul principio che la progettazione del componente strutturale sia tale da garantire che la temperatura nell’acciaio di armatura non superi mai i 500 °C. In tali condizioni, il caso di progetto al fuoco non risulta determinante. Questo approccio non può essere applicato direttamente alle barre post-installate, poiché le resine organiche perdono rapidamente la resistenza di aderenza a temperature molto inferiori ai 500 °C (vedi Fig. 3). Ciò richiede spesso un copriferro maggiore o lunghezze di ancoraggio importanti, soluzioni che possono risultare impraticabili o poco economiche per elementi esistenti.

Inoltre, le attuali disposizioni progettuali contenute nella EN 1992-1-1 limitano le applicazioni con barre post-installate a estensioni con sovrapposizione di barre e ancoraggi di estremità senza momenti flettenti. Per superare questa limitazione, l'EOTA TR 069 ha introdotto un metodo di progettazione per nodi di estremità con momenti agenti. Inizialmente limitato ai casi statici e sismici, EOTA TR 069 include ora una metodologia di progettazione al fuoco, permettendo agli ingegneri di progettare applicazioni post-installate resistenti a momento resistenti al fuoco fino a 240 minuti, colmando così un’importante lacuna nella progettazione strutturale (vedi Tabella 1).

Tabella 1. Quadro di progettazione delle applicazioni con barre di armatura post-installate

5.     PROGETTAZIONE AL FUOCO DELLE APPLICAZIONI CON BARRE DI ARMATURA POST-INSTALLATE

Nella progettazione statica, i coefficienti di sicurezza parziali per le azioni e le resistenze dei materiali sono scelti per mantenere un margine di sicurezza nelle condizioni di normale vita utile. Ad esempio, i carichi di progetto sono generalmente aumentati (= 1,35 per le azioni permanenti, = 1,5 per le azioni variabili), mentre le resistenze dei materiali sono ridotte (= 1,15 per l’acciaio, 1,5 per il calcestruzzo). Questi valori aiutano a garantire una sicurezza adeguata contro il collasso durante l’intera vita della struttura.

Tuttavia, in condizioni di incendio, la filosofia progettuale cambia: l’obiettivo non è più prevenire qualsiasi tipo di collasso ma mantenere la stabilità strutturale per la durata di resistenza al fuoco richiesta (R). Poiché la probabilità che un incendio completamente sviluppato avvenga contemporaneamente ai massimi valori dei carichi di progetto statici è bassa, la EN 1992-1-2 consente l’uso di coefficienti di sicurezza ridotti nella condizione di progetto al fuoco, tipicamente =1,0 per i materiali e un fattore di riduzione ≈ 0,7 applicato agli effetti dei carichi di progetto statici .

Questa differenziazione tra carichi di progetto e coefficienti dei materiali nella progettazione al fuoco costituisce la base dell’approccio tabellare utilizzato nella EN 1992-1-2, in cui vengono fornite le dimensioni minime dei componenti e il copriferro del calcestruzzo, assumendo livelli di carico e coefficienti di resistenza ridotti.

PROGETTAZIONE DELLA LUNGHEZZA DI ANCORAGGIO IN CONDIZIONI DI INCENDIO PER ESTENSIONI CON SOVRAPPOSIZIONE DI BARRE

La lunghezza di ancoraggio per sovrapposizione può essere calcolata utilizzando le stesse disposizioni progettuali previste per il caso di carico statico nella sezione 8 della EN 1992-1-1. Tuttavia, al posto di deve essere utilizzata la resistenza di aderenza ridotta indicata nel pertinente ETA per il fuoco . La resistenza di aderenza di progetto in condizioni di incendio diminuisce con l’aumento della temperatura. Questa curva viene quindi tradotta in un fattore di riduzione ottenuto calcolando il rapporto tra il valore di resistenza di aderenza in condizione di incendio e il valore di riferimento previsto per le barre gettate in opera per la rispettiva classe di calcestruzzo (vedi Fig. 5).

Fig. 5. Progettazione delle estensioni con sovrapposizione di barre in condizioni di incendio

PROGETTAZIONE DELLA LUNGHEZZA DI ANCORAGGIO IN CASO DI NODI A CERNIERA IN CONDIZIONI DI INCENDIO

I principi di progettazione al fuoco sono simili a quelli adottati per le giunzioni con sovrapposizione di barre, utilizzando un approccio analogo basato sulla resistenza di aderenza ridotta contenuta nell'ETA di prodotto. Tuttavia, per gli ancoraggi di estremità, la distribuzione della temperatura varia solitamente lungo la lunghezza della barra (vedi Fig. 6).

In pratica, viene calcolata la tensione di aderenza di progetto in un punto ‘x’ lungo la lunghezza di ancoraggio a partire dall’interfaccia in condizioni di incendio e il valore di resistenza al fuoco per una lunghezza di ancoraggio di progetto di prima ipotesi viene determinata mediante metodo di integrazione. Quest'ultima non deve essere mai inferiore a , richiedendo così un processo di progettazione iterativo al fine di ottenere la lunghezza di ancoraggio di progetto.

Le disposizioni dell’Eurocodice per la progettazione al fuoco degli ancoraggi di estremità sono valide solo per i nodi a cerniera e non per applicazioni con momenti agenti. È necessaria una valutazione ingegneristica per considerare l’effetto del vincolo parziale sulle barre superiori in tali giunzioni di estremità semplicemente appoggiate.

Fig. 6. Progettazione degli ancoraggi di estremità senza momenti flettenti in condizioni di incendio secondo l’Eurocodice

PROGETTAZIONE DEI NODI RIGIDI CON MOMENTI FLETTENTI AGENTI IN CONDIZIONE DI INCENDIO SECONDO EOTA TR069

Per la valutazione della resistenza a rottura conica del calcestruzzo in condizioni di incendio, viene utilizzato un metodo basato sulla temperatura. A differenza del metodo basato sul tempo, questo approccio non è limitato dalla durata dell’incendio e rimane valido per tempi di esposizione arbitrari, inclusi quelli superiori a 120 minuti (fino a 240 minuti e potenzialmente oltre). La determinazione della resistenza di progetto a rottura conica per una specifica durata di esposizione al fuoco deve essere effettuata seguendo i passaggi previsti dalle disposizioni dell'EOTA TR 069.

Per la valutazione delle resistenze di progetto a splitting e pullout, vengono utilizzati i fattori di riduzione relativi (in funzione della temperatura) presenti all'interno dell'ETA di prodotto, al fine di derivare le curve di riduzione della resistenza basate sul profilo di temperatura (vedi Fig. 7). La lunghezza di ancoraggio di progetto viene determinata mediante metodologie di integrazione in maniera analoga a quanto descritto nel caso precedente.

Fig. 7. Progettazione dei nodi rigidi soggetti a momenti flettenti in condizioni di incendio secondo EOTA TR 069

6.     SOLUZIONI HILTI E PROGETTAZIONE CON PROFIS ENGINEERINNG

Hilti offre un portafoglio di resine ad iniezione approvate per la progettazione al fuoco delle connessioni con barre di armatura post-installate, che comprende HIT-HY 200-R V3, HIT-RE 500 V4 e HIT-FP 700R. HIT-FP 700R presenta prestazioni superiori a temperature elevate (essendo una malta inorganica) ed è spesso preferita per la progettazione al fuoco delle estensioni con sovrapposizione di barre. HIT-HY 200-R V3 e HIT-RE 500 V4 sono soluzioni indicate per la progettazione al fuoco degli ancoraggi di estremità, anche con momenti flettenti agenti e requisiti di resistenza al fuoco (R) fino a 240 minuti.

Per avviare progettazioni di connessioni calcestruzzo-calcestruzzo pienamente conformi alle normative e più sicure, è possibile utilizzare il software PROFIS ENGINEERING SUITE che offre soluzioni rapide, efficienti e affidabili. Con il suo avanzato modulo per barre di armatura post-installate, PROFIS integra ora le più recenti simulazioni al fuoco con diversi parametri in maniera diretta, permettendo ai progettisti di valutare prestazioni più realistiche delle barre e delle malte ad iniezione a temperature elevate.

PROFIS consente di selezionare durate di esposizione al fuoco fino a 240 minuti per qualsiasi applicazione di barre post-installate, oppure di inserire manualmente la temperatura delle barre. PROFIS permette un rapido confronto tra diverse malte ad iniezione qualificate sotto molteplici condizioni di carico (statica, sismica e al fuoco) e mostra immediatamente il caso più gravoso, risparmiando così tempo e ottimizzando l’iter progettuale.

Per ulteriori informazioni e supporto sulla progettazione al fuoco delle vostre applicazioni con barre di armatura post-installate, è possibile fare riferimento al Whitepaper dedicato consultabile qui

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