Acciai altoresistenziali e resistenza al fuoco: perché un acciaio più forte non basta

Guida pratica per carpenterie metalliche, progettisti, officine e imprese Un errore molto comune nella scelta degli acciai altoresistenziali è pensare: ...

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Indice

    Guida pratica per carpenterie metalliche, progettisti, officine e imprese

    Un errore molto comune nella scelta degli acciai altoresistenziali è pensare:

    “Se l’acciaio è più resistente a freddo, allora sarà anche più sicuro in caso di incendio.”

    Questa idea è pericolosa.

    Un acciaio come:

    • S690QL;
    • S700MC;
    • S890QL;
    • S960QL;
    • Strenx 960;
    • Quend 960;
    • DILLIMAX 965;
    • XABO 960;
    • alform 960 x-treme;

    può avere una resistenza molto alta a temperatura ambiente. Ma in caso di incendio la situazione cambia completamente.

    In incendio, l’acciaio perde progressivamente:

    • resistenza;
    • rigidezza;
    • capacità portante;
    • stabilità;
    • margine contro deformazioni e collassi.

    La verifica al fuoco non può essere sostituita dalla scelta di un acciaio più resistente.

    La regola pratica è semplice:

    un acciaio altoresistenziale non elimina la verifica di resistenza al fuoco.


    1. Cosa succede all’acciaio quando si scalda

    L’acciaio, a temperatura ambiente, ha buone proprietà meccaniche.

    Ma quando la temperatura aumenta, queste proprietà diminuiscono.

    In particolare si riducono:

    • limite di snervamento;
    • resistenza a trazione;
    • modulo elastico;
    • rigidezza;
    • stabilità degli elementi compressi;
    • capacità dei collegamenti;
    • capacità delle sezioni snelle.

    Eurocodice 3, parte 1-2, tratta la progettazione delle strutture in acciaio esposte al fuoco e considera la riduzione delle proprietà meccaniche dell’acciaio ad alta temperatura, compresi resistenza e modulo elastico.

    Questo significa che l’acciaio non “sparisce” nel fuoco, ma diventa progressivamente meno capace di portare carico.


    2. Resistenza a freddo e resistenza al fuoco sono due cose diverse

    A temperatura ambiente un S960QL è molto più resistente di un S355.

    Ma in incendio non basta confrontare lo snervamento iniziale.

    Bisogna considerare:

    • temperatura raggiunta dall’elemento;
    • tempo di esposizione;
    • carico presente durante l’incendio;
    • fattore di sezione;
    • protezione passiva;
    • snellezza;
    • instabilità;
    • collegamenti;
    • deformazioni;
    • vincoli;
    • ridistribuzione interna;
    • eventuale requisito R richiesto.

    Quindi la domanda corretta non è:

    “Quanto è forte l’acciaio a freddo?”

    La domanda corretta è:

    “Quanto resiste questo elemento, con questa geometria, questo carico e questa protezione, durante l’incendio?”


    3. Il modulo elastico diminuisce

    La rigidezza dell’acciaio dipende dal modulo elastico.

    A temperatura ambiente il modulo elastico dell’acciaio è circa 210.000 MPa.

    Ma quando la temperatura sale, il modulo elastico diminuisce.

    Questo è molto importante perché la struttura può diventare più deformabile prima ancora di arrivare al collasso.

    Studi sulle proprietà meccaniche degli acciai altoresistenziali ad alta temperatura mostrano che la diminuzione del modulo elastico con l’aumento della temperatura incide in modo significativo sulla capacità portante delle strutture in acciaio in condizioni di incendio.

    In pratica:

    • la trave flette di più;
    • la colonna diventa più instabile;
    • il telaio si deforma di più;
    • i collegamenti vengono sollecitati diversamente;
    • la struttura perde rigidezza globale.

    Un acciaio più resistente non evita questa perdita di rigidezza.


    4. Il problema degli altoresistenziali alleggeriti

    Gli acciai altoresistenziali vengono spesso scelti per ridurre peso e spessore.

    Questo è un vantaggio a temperatura ambiente.

    Ma al fuoco può diventare un problema.

    Perché?

    Perché un elemento più sottile ha meno massa metallica e può scaldarsi più rapidamente.

    Scelta progettuale Vantaggio a freddo Possibile rischio al fuoco
    Ridurre spessore meno peso riscaldamento più rapido
    Sezione più snella meno materiale instabilità più sensibile
    Lamiera più sottile componente leggero minore inerzia termica
    Piastre più piccole meno ingombro maggiore temperatura in meno tempo
    Profili alleggeriti migliore trasporto verifica R più severa

    Quindi non basta dire:

    “Uso S690 invece di S355 e riduco lo spessore.”

    Bisogna anche chiedersi:

    “Con quello spessore ridotto, quanto velocemente si scalda il pezzo in incendio?”


    5. Il fattore di sezione

    Nel calcolo al fuoco delle strutture in acciaio è importante il fattore di sezione, spesso indicato come rapporto tra superficie esposta e volume dell’elemento.

    In modo semplice:

    • un elemento sottile e molto esposto si scalda più rapidamente;
    • un elemento massiccio si scalda più lentamente;
    • una sezione protetta si scalda più lentamente;
    • una sezione non protetta si scalda più rapidamente.
    Tipo di elemento Comportamento termico indicativo
    Piastra sottile esposta si scalda rapidamente
    Tubolare sottile si scalda rapidamente se esposto
    Profilo leggero riscaldamento abbastanza rapido
    Piastra spessa più inerzia termica
    Elemento protetto riscaldamento rallentato
    Elemento incassato o schermato riscaldamento diverso da verificare

    Gli altoresistenziali, se usati per alleggerire, possono portare a sezioni con fattore di sezione più sfavorevole.

    Questo non significa che non si possano usare.

    Significa che devono essere verificati.


    6. Temperatura critica

    La temperatura critica è la temperatura alla quale l’elemento non ha più capacità sufficiente per sopportare il carico in incendio.

    Non è una temperatura fissa uguale per tutti.

    Dipende da:

    • carico applicato;
    • sezione;
    • snellezza;
    • vincoli;
    • livello di sfruttamento;
    • tipo di elemento;
    • protezione;
    • schema statico.

    Un elemento poco caricato può sopportare una temperatura più alta.

    Un elemento molto sfruttato può diventare critico a temperatura più bassa.

    Quindi non ha senso dire in modo generico:

    “L’acciaio collassa a una certa temperatura.”

    Bisogna verificare il caso reale.


    7. Alta resistenza e livello di sfruttamento

    Un altoresistenziale può aiutare se, a parità di sezione, il livello di sfruttamento è più basso.

    Ma spesso nella pratica si usa l’altoresistenziale proprio per ridurre la sezione.

    Allora il vantaggio può ridursi o sparire.

    Esempio:

    Caso A

    Uso S690 ma mantengo una sezione robusta.

    • resistenza a freddo molto alta;
    • livello di sfruttamento basso;
    • possibile margine utile.

    Caso B

    Uso S690 e riduco molto lo spessore.

    • peso ridotto;
    • sezione più snella;
    • elemento più rapido a scaldarsi;
    • possibile instabilità più critica;
    • verifica al fuoco da rifare.

    Il problema non è il materiale in sé.

    Il problema è come viene usato.


    8. Gli acciai altoresistenziali non sono acciai resistenti al fuoco

    Un acciaio altoresistenziale non è automaticamente un acciaio resistente al fuoco.

    Sono due concetti diversi.

    Tipo Significato
    Acciaio altoresistenziale alta resistenza meccanica a temperatura ambiente
    Acciaio resistente al fuoco progettato per mantenere migliori proprietà ad alta temperatura
    Acciaio protetto al fuoco acciaio normale o altoresistenziale protetto da sistemi passivi
    Struttura verificata al fuoco struttura calcolata per un requisito R specifico

    Gli acciai fire-resistant sono una famiglia particolare, sviluppata per mantenere una quota maggiore della resistenza a temperature elevate; alcuni riferimenti tecnici indicano che tali acciai possono mantenere almeno due terzi del limite di snervamento a 600 °C, ma non vanno confusi con i comuni acciai altoresistenziali strutturali.

    Quindi:

    S690QL non è automaticamente fire-resistant.
    S960QL non è automaticamente fire-resistant.
    S700MC non è automaticamente fire-resistant.


    9. Differenza tra acciaio non protetto e protetto

    Una struttura in acciaio può essere:

    • non protetta;
    • protetta con vernice intumescente;
    • protetta con lastre;
    • protetta con intonaci o malte;
    • protetta da elementi costruttivi;
    • progettata con metodo analitico;
    • progettata con metodo tabellare o semplificato, quando ammesso.
    Soluzione Effetto
    Acciaio non protetto riscaldamento rapido
    Vernice intumescente crea strato isolante in incendio
    Lastre antincendio protezione passiva meccanica
    Intonaco/malta isolamento termico
    Calcestruzzo collaborante comportamento composto da verificare
    Schermatura riduce esposizione diretta

    La protezione al fuoco non è una finitura estetica.

    È parte della sicurezza strutturale.


    10. Vernice intumescente e acciai altoresistenziali

    La vernice intumescente può essere usata anche su acciai altoresistenziali, ma deve essere progettata.

    Bisogna conoscere:

    • requisito R;
    • temperatura critica;
    • fattore di sezione;
    • tipo di profilo o piastra;
    • esposizione al fuoco;
    • primer;
    • ciclo anticorrosivo;
    • spessore secco richiesto;
    • compatibilità del sistema;
    • ambiente di esposizione;
    • manutenzione.

    Non basta applicare “un po’ di intumescente”.

    Serve uno spessore calcolato e certificato.

    Se l’elemento è stato alleggerito molto, può richiedere più protezione rispetto a una sezione più massiccia.


    11. Lastre e protezioni passive

    Le lastre antincendio sono un’altra soluzione.

    Possono essere adatte quando:

    • serve protezione robusta;
    • l’ambiente è interno;
    • ci sono requisiti R importanti;
    • la vernice intumescente non è ideale;
    • serve protezione meccanica;
    • il dettaglio consente il rivestimento.

    Anche qui bisogna verificare:

    • spessore lastra;
    • fissaggi;
    • continuità;
    • giunti;
    • passaggi impiantistici;
    • compatibilità con l’ambiente;
    • durabilità;
    • manutenzione.

    La protezione deve restare efficace in caso di incendio.


    12. Collegamenti al fuoco

    Spesso si calcola la trave o la colonna, ma si dimentica il collegamento.

    Errore grave.

    In incendio anche i collegamenti possono perdere capacità.

    Bisogna verificare:

    • bulloni;
    • piastre;
    • saldature;
    • fori;
    • irrigidimenti;
    • appoggi;
    • fazzoletti;
    • vincoli;
    • deformazioni imposte;
    • possibilità di rotazioni;
    • dilatazioni termiche.

    Un elemento può essere resistente, ma il collegamento può diventare il punto debole.

    Negli altoresistenziali, dove spesso si riducono spessori e dimensioni, questo controllo è ancora più importante.


    13. Saldature al fuoco

    Le saldature devono essere considerate anche in caso di incendio.

    Il giunto saldato può essere influenzato da:

    • temperatura;
    • geometria;
    • materiale d’apporto;
    • ZTA;
    • tensioni residue;
    • deformazioni;
    • vincoli;
    • fatica precedente;
    • qualità del cordone.

    In caso di alta temperatura, la zona saldata non deve essere considerata automaticamente equivalente al materiale base.

    Per strutture importanti, il comportamento del giunto deve essere coerente con il progetto antincendio.


    14. Bulloni al fuoco

    Anche i bulloni perdono resistenza con la temperatura.

    Bisogna valutare:

    • classe del bullone;
    • temperatura raggiunta;
    • tipo di giunto;
    • precarico, se presente;
    • scorrimento;
    • rifollamento;
    • taglio;
    • trazione;
    • piastre collegate;
    • protezione del nodo.

    Un nodo bullonato non protetto può scaldarsi rapidamente, soprattutto se esposto.

    Non bisogna pensare solo alla trave.

    Il nodo fa parte della struttura.


    15. Deformazioni termiche

    L’acciaio si dilata quando si scalda.

    In incendio, le deformazioni termiche possono essere molto importanti.

    Se la struttura è vincolata, la dilatazione può generare:

    • spinte;
    • trazioni;
    • compressioni;
    • deformazioni fuori piano;
    • rotture di collegamenti;
    • instabilità;
    • ridistribuzioni dei carichi.

    In alcuni casi il problema non è solo la perdita di resistenza, ma il modo in cui la struttura si deforma.

    Questo vale molto per:

    • telai;
    • travi continue;
    • strutture vincolate;
    • collegamenti rigidi;
    • elementi sottili;
    • piastre saldate;
    • strutture composte.

    16. Instabilità al fuoco

    Quando l’acciaio perde rigidezza, aumenta il rischio di instabilità.

    Elementi già snelli a temperatura ambiente possono diventare ancora più critici in incendio.

    Tipi di instabilità:

    • instabilità globale di colonne;
    • instabilità laterale torsionale di travi;
    • instabilità locale di anime sottili;
    • instabilità locale di piastre;
    • imbozzamento di elementi compressi;
    • instabilità di profili piegati.

    Gli altoresistenziali, se usati per ridurre spessori, possono avere sezioni più snelle.

    Quindi la verifica di stabilità in incendio è fondamentale.


    17. Acciai MC e fuoco

    Gli acciai MC, come:

    • S500MC;
    • S550MC;
    • S600MC;
    • S650MC;
    • S700MC;

    sono spesso usati in lamiere piegate, telai, longheroni e componenti sottili.

    Il rischio al fuoco è che gli elementi siano:

    • sottili;
    • molto esposti;
    • formati a freddo;
    • con pareti snelle;
    • con fori;
    • con saldature;
    • con profili aperti.

    Questo non significa che siano vietati.

    Significa che vanno verificati.

    Un longherone in S700MC può essere ottimo a freddo, ma se deve garantire una resistenza al fuoco, la verifica deve considerare la sua reale geometria e protezione.


    18. Acciai QL e fuoco

    Gli acciai QL, come:

    • S690QL;
    • S890QL;
    • S960QL;

    sono usati in piastre e strutture saldate ad alta resistenza.

    Al fuoco bisogna controllare:

    • perdita di resistenza;
    • perdita di rigidezza;
    • spessore reale;
    • livello di sfruttamento;
    • instabilità;
    • collegamenti;
    • saldature;
    • protezione;
    • temperatura critica.

    Non bisogna pensare che S960QL sia automaticamente meglio di S690QL al fuoco.

    Il comportamento dipende dal progetto.


    19. Materiali commerciali e fuoco

    Lo stesso vale per i materiali commerciali:

    • Strenx;
    • Quend;
    • DILLIMAX;
    • XABO;
    • alform;
    • Amstrong;
    • Ympress;
    • Salzgitter S700MC.

    La scheda del produttore può dare informazioni su proprietà meccaniche, saldabilità, piega e formati, ma la resistenza al fuoco della struttura deve essere verificata secondo norme e progetto.

    Un nome commerciale non sostituisce:

    • calcolo;
    • certificato;
    • verifica R;
    • protezione passiva;
    • classificazione;
    • dettagli costruttivi.

    20. Dopo un incendio: il materiale è ancora buono?

    Dopo un incendio non bisogna decidere a occhio.

    Un acciaio può sembrare integro, ma aver subito:

    • alterazioni metallurgiche;
    • perdita di proprietà;
    • deformazioni permanenti;
    • danneggiamento delle saldature;
    • perdita di protezione;
    • tensioni residue;
    • instabilità locali;
    • danni ai bulloni;
    • danni ai collegamenti.

    Per gli acciai altoresistenziali, il problema è ancora più delicato perché le proprietà dipendono molto dal processo produttivo.

    Dopo un incendio servono:

    • ispezione tecnica;
    • rilievo delle deformazioni;
    • valutazione delle temperature raggiunte;
    • controlli sui collegamenti;
    • eventuali prove meccaniche;
    • controlli non distruttivi;
    • decisione del progettista;
    • eventuale sostituzione.

    Non si deve raddrizzare o riutilizzare senza verifica.


    21. Errori comuni

    Gli errori più comuni sono:

    1. pensare che S690 sia migliore al fuoco di S355 solo perché è più resistente;
    2. ridurre spessore senza rifare la verifica al fuoco;
    3. ignorare il fattore di sezione;
    4. non calcolare la temperatura critica;
    5. dimenticare i collegamenti;
    6. dimenticare i bulloni;
    7. dimenticare le saldature;
    8. usare vernice intumescente senza calcolo;
    9. non considerare la durabilità della protezione;
    10. confondere altoresistenziale con fire-resistant steel;
    11. non verificare instabilità in incendio;
    12. ignorare deformazioni termiche;
    13. riutilizzare materiale dopo incendio senza controlli;
    14. pensare che la protezione anticorrosiva valga anche come protezione al fuoco;
    15. non coordinare progettista strutturale e antincendio.

    22. Quando l’altoresistenziale può essere utile anche al fuoco

    Non bisogna nemmeno dire che gli altoresistenziali sono sempre svantaggiosi al fuoco.

    Possono essere utili se:

    • la sezione non viene ridotta troppo;
    • il livello di sfruttamento è basso;
    • la protezione è progettata;
    • la temperatura critica è valutata;
    • la stabilità è verificata;
    • i collegamenti sono corretti;
    • il progetto è globale;
    • il risparmio peso non compromette il requisito R.

    In alcuni studi sugli acciai altoresistenziali ad alta temperatura è stato osservato che il loro comportamento può differire da quello degli acciai convenzionali e, in certi confronti sperimentali, alcuni altoresistenziali mostrano perdite di proprietà non identiche agli acciai ordinari. Questo però non autorizza l’uso senza verifica: conferma piuttosto che servono dati, prove e regole di progetto corrette.

    La conclusione tecnica è: valutare, non presumere.


    23. Checklist per progettare acciai altoresistenziali al fuoco

    Prima di usare un acciaio altoresistenziale in una struttura con requisito antincendio bisogna verificare:

    • grado esatto del materiale;
    • certificato;
    • geometria reale;
    • spessore;
    • fattore di sezione;
    • carico in incendio;
    • combinazione di carico;
    • temperatura critica;
    • requisito R;
    • esposizione al fuoco;
    • protezione passiva;
    • collegamenti;
    • bulloni;
    • saldature;
    • instabilità;
    • deformazioni;
    • dilatazioni;
    • compatibilità con vernici o lastre;
    • durabilità della protezione;
    • manutenzione.

    Se manca questa verifica, la scelta del materiale non è completa.


    24. Esempi pratici

    Esempio 1: trave in S690 non protetta

    Se la trave è molto sfruttata e non protetta, può perdere capacità rapidamente in incendio.

    Non basta dire che S690 è forte a freddo.

    Esempio 2: longherone S700MC sottile

    A freddo è leggero e resistente.

    Ma se è richiesto un requisito R, bisogna verificare quanto velocemente si scalda e se serve protezione.

    Esempio 3: piastra S960QL in macchina

    Se la macchina non ha requisito antincendio strutturale, il problema può essere diverso. Ma se la piastra è parte di una struttura soggetta a normativa antincendio, va verificata.

    Esempio 4: struttura in S460M protetta

    Un acciaio meno spinto ma ben protetto può essere più razionale di un S960 non protetto.

    Esempio 5: nodo bullonato non protetto

    Anche se la trave è protetta, il nodo può diventare critico se resta esposto.


    25. Regola pratica per l’officina e il progettista

    Una regola semplice:

    la resistenza al fuoco non si compra scegliendo un acciaio più forte. Si progetta.

    L’acciaio altoresistenziale è solo una parte del sistema.

    Il sistema completo comprende:

    • materiale;
    • sezione;
    • carico;
    • protezione;
    • collegamenti;
    • dettagli;
    • verifiche;
    • certificazioni;
    • manutenzione.

    26. Conclusione

    Gli acciai altoresistenziali sono materiali eccellenti per ridurre peso, aumentare portata e migliorare prestazioni strutturali.

    Ma la loro alta resistenza a temperatura ambiente non elimina il problema del fuoco.

    In incendio l’acciaio perde progressivamente resistenza e rigidezza. Le sezioni alleggerite possono scaldarsi più rapidamente. Gli elementi snelli possono diventare più instabili. Collegamenti, saldature e bulloni possono governare il comportamento reale.

    Per questo, S690QL, S700MC, S890QL, S960QL, Strenx, Quend, DILLIMAX, XABO, alform e altri acciai altoresistenziali devono essere verificati al fuoco come parte della struttura.

    La scelta corretta non è:

    “uso un acciaio più forte.”

    La scelta corretta è:

    “progetto materiale, sezione, protezione e dettagli per il requisito di resistenza al fuoco richiesto.”

    La regola finale è semplice:

    un acciaio altoresistenziale può essere ottimo a freddo, ma al fuoco deve essere verificato, protetto e dettagliato correttamente.

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