Comportamento termico dell’acciaio B450C alle alte temperature ed esposizione al fuoco delle armature

La progettazione antincendio delle strutture in conglomerato cementizio armato rappresenta uno degli ambiti più complessi e delicati dell’ingegneria strutturale contemporanea, regolamentata in modo rigoroso dalla normativa UNI EN 1992-1-2. Sebbene la matrice di calcestruzzo svolga un’efficace funzione protettiva e isolante, la reale stabilità di un elemento esposto all’azione del fuoco è governata principalmente dalla risposta termo-meccanica delle sue armature metalliche interne, come ampiamente documentato negli studi diffusi dal Politecnico di Milano. L’acciaio B450C, essenziale per la sicurezza sismica delle opere sul territorio italiano, garantisce eccellenti prestazioni meccaniche a temperatura ambiente, ma subisce un progressivo e inevitabile degrado termico delle proprie caratteristiche di resistenza e rigidezza quando viene sottoposto direttamente all’azione prolungata del calore, tema approfondito dalle guide tecniche del centro di trasformazione Dragonetti Srl.

Comprendere nel dettaglio i coefficienti di riduzione del modulo elastico e della tensione di snervamento previsti dalle normative tecniche internazionali ed esplicitati all’interno delle NTC 2018 risulta del tutto indispensabile per elaborare un calcolo strutturale accurato e aderente alle reali condizioni di esercizio. In questo articolato contesto, la precisione geometrica e la tracciabilità fornite da un centro di trasformazione qualificato come Dragonetti Srl con sede a Novi Ligure si rivelano decisive per assicurare che il valore del copriferro nominale teorico trovi una perfetta corrispondenza operativa nella realtà di cantiere, preservando la capacità portante complessiva degli elementi strutturali nei tempi prescritti di resistenza al fuoco.

Il quadro normativo e la risposta termo-meccanica dell’acciaio B450C

Nel contesto delle opere in conglomerato cementizio armato, il Decreto Ministeriale 17 gennaio 2018 stabilisce l’impiego obbligatorio dell’acciaio B450C laminato a caldo per la realizzazione di armature ad alta duttilità. Questo specifico materiale si caratterizza a temperatura ordinaria di 20 °C per una tensione di snervamento caratteristica nominale fyk non inferiore a 450 N/mm2, una tensione di rottura caratteristica ftk pari o superiore a 540 N/mm2 e un rapporto di duttilità ftk/fyk rigorosamente compreso nell’intervallo tra 1,15 e 1,35. Tali parametri meccanici garantiscono una notevole e fondamentale capacità di dissipazione dell’energia in campo plastico durante gli eventi sismici, proteggendo la struttura dal ribaltamento o dal collasso fragile.

Quando l’opera edilizia viene investita da un incendio, modellato convenzionalmente mediante la curva nominale standard ISO 834 oppure tramite le più complesse curve d’incendio naturali disciplinate dal D.M. 3 agosto 2015, la sezione trasversale degli elementi si sviluppa secondo gradienti termici marcatamente non uniformi. La matrice cementizia, pur possedendo una conducibilità termica ridotta, trasferisce progressivamente calore dalle superfici esterne verso l’interno dell’elemento strutturale dove sono alloggiati i tondini metallici, come evidenziato dalle ricerche del Politecnico di Torino. Superata la soglia critica dei 300 °C, la microstruttura cristallina dell’acciaio comincia a registrare alterazioni irreversibili che ne riducono progressivamente la capacità portante residua.

La norma tecnica europea sancita nel documento UNI EN 1992-1-2 disciplina in modo organico la progettazione delle strutture in calcestruzzo esposte al fuoco e stabilisce i metodi matematici per quantificare la riduzione delle proprietà meccaniche al crescere della temperatura. Il comportamento termo-meccanico dell’armatura viene formalmente descritto attraverso specifici coefficienti adimensionali di degrado che misurano la tensione di snervamento ky(theta), il modulo di elasticità kE(theta) e il limite di proporzionalità kp(theta). Tali fattori modificano direttamente il legame costitutivo tensione-deformazione dell’acciaio B450C al variare della temperatura puntuale raggiunta all’interno della sezione.

Curve di degrado delle proprietà meccaniche dell’acciaio B450C

I fattori di ridimensionamento analitico delle prestazioni meccaniche per l’acciaio B450C laminato a caldo sono ricavati sperimentalmente e codificati in modo dettagliato nell’Eurocodice 2. La corretta applicazione di tali coefficienti adimensionali consente al progettista di ricalcolare con precisione la resistenza di calcolo fyd,theta e la rigidezza flessionale Es,theta dell’armatura metallica all’interno di un campo termico noto, sfruttando le procedure analitiche diffuse da portali specializzati come Logical Soft.

L’analisi temporale dell’evoluzione termica dimostra che le differenti proprietà fisiche dell’acciaio non si degradano con la medesima velocità al crescere della temperatura d’esercizio, con dinamiche lette e analizzate anche dalla community dell’Ordine Ingegneri. Nell’intervallo termico compreso tra 20 °C e 100 °C, l’acciaio B450C conserva integralmente le proprie caratteristiche meccaniche originarie, mostrando coefficienti unitari pari a ky(100) uguale a 1,00, kE(100) uguale a 1,00 e kp(100) uguale a 1,00. Al raggiungimento dei 200 °C la tensione di snervamento rimane ancora inalterata con ky(200) uguale a 1,00, ma si innesca una prima perdita di rigidezza con il modulo elastico che scende al valore kE(200) uguale a 0,90 e il limite di proporzionalità che registra un fattore kp(200) uguale a 0,81. A 300 °C la resistenza caratteristica continua a non subire contrazioni mantenendo ky uguale a 1,00, mentre il modulo elastico cala a kE(300) uguale a 0,80 e la proporzionalità scende fino al valore kp(300) uguale a 0,61.

La soglia termica dei 400 °C rappresenta il vero punto di inflessione critico nelle verifiche strutturali di stabilità al fuoco. A questa temperatura la tensione di snervamento registra ancora il suo valore nominale pieno con ky uguale a 1,00, tuttavia il modulo elastico subisce un abbattimento netto del 30% attestandosi a kE(400) uguale a 0,70 e la risposta elastica lineare si riduce drasticamente ad un coefficiente kp(400) uguale a 0,42. Quando l’acciaio raggiunge i 500 °C, valore indicato convenzionalmente come la temperatura critica per le armature tese all’interno delle travi inflesse, la resistenza di calcolo subisce una contrazione sostanziale scendendo al 78% del valore ordinario con ky(500) uguale a 0,78, mentre la rigidezza dell’armatura crolla al 60% con kE uguale a 0,60 e il limite di proporzionalità si riduce a kp uguale a 0,36.

Superata la barriera dei 500 °C, il degrado delle proprietà fisiche e meccaniche dell’acciaio B450C diventa estremamente precipitoso e irreversibile. A 600 °C la tensione di snervamento si riduce a meno della metà attestandosi al valore ky(600) uguale a 0,47, mentre il modulo di elasticità crolla a kE(600) uguale a 0,31 con una risposta elastica residua descritta dal coefficiente kp(600) uguale a 0,18. A temperature ancora più elevate, pari a 700 °C, l’armatura mantiene appena il 23% della sua capacità resistente originaria con ky uguale a 0,23 e un modulo elastico marginale pari a kE uguale a 0,13, fino a raggiungere gli 800 °C dove la resistenza residua scende all’11% con ky uguale a 0,11 e kE uguale a 0,09, azzerando quasi del tutto la capacità portante del sistema.

Meccanismi di instabilità secondaria e perdita di aderenza

Il disallineamento temporale e quantitativo tra la perdita di rigidezza flessionale e la riduzione della resistenza pura genera complessi e pericolosi fenomeni strutturali di secondo ordine negli elementi soggetti a compressione, come spesso evidenziato dagli articoli tecnici di Ingenio. Nei pilastri in cemento armato sottoposti a pressoflessione, la precoce contrazione del modulo elastico nell’intervallo compreso tra 200 °C e 400 °C abbassa sensibilmente la rigidezza flessionale complessiva della membratura prima ancora che la resistenza dell’acciaio inizi a cedere. Questo fenomeno innesca una rapida instabilità per sbandamento laterale delle barre longitudinali compresse, accelerando improvvisamente il cinematismo di collasso della struttura.

Un ulteriore fattore fortemente penalizzante durante l’esposizione all’incendio è rappresentato dalla progressiva perdita di aderenza che si verifica all’interfaccia tra la barra d’acciaio e il calcestruzzo circostante. La marcata incompatibilità tra i coefficienti di dilatazione termica dei due materiali, sommata alla micro-fessurazione diffusa della matrice cementizia ad alte temperature, compromette la capacità di trasmettere le sollecitazioni tangenziali di aderenza attraverso la zigrinatura superficiale del tondino. Questa criticità rende essenziale una corretta progettazione dei sistemi di ancoraggio e l’impiego di staffature di confinamento realizzate con estrema precisione geometrica.

Metodologie analitiche di calcolo e calibrazione della resistenza al fuoco

Per la verifica della capacità portante allo Stato Limite Ultimo nelle situazioni eccezionali di incendio, la norma europea propone diversi approcci analitici caratterizzati da un grado crescente di approfondimento concettuale. Il modello semplificato più diffuso nell’ingegneria applicata è rappresentato dal metodo dell’isoterma a 500 °C. Tale approccio si fonda sull’assunzione cautelativa secondo cui il calcestruzzo che ha superato la temperatura di 500 °C si considera completamente privo di qualsiasi resistenza residua a compressione.

La sezione trasversale dell’elemento viene idealmente ridotta escludendo lo strato perimetrale di calcestruzzo più caldo e danneggiato. Per la porzione centrale residua, invece, viene mantenuta la resistenza meccanica a compressione posseduta dal materiale a temperatura ambiente. Per quanto riguarda le armature in acciaio B450C, le barre posizionate all’interno della sezione ridotta vengono valutate singolarmente in funzione della temperatura specifica theta_i calcolata nella loro esatta posizione geometrica, determinando la tensione di snervamento di calcolo mediante la relazione fyd,theta uguale a ky(theta_i) moltiplicato per fyk diviso gamma_M,fi. Il coefficiente parziale di sicurezza gamma_M,fi viene assunto pari all’unità sia nell’Eurocodice 2 che nelle NTC 2018.

Qualora l’analista decida di applicare i criteri avanzati della Fire Safety Engineering regolamentati dal Codice di Prevenzione Incendi, le verifiche vengono condotte mediante complesse analisi termo-meccaniche accoppiate di tipo non lineare. In questi modelli computazionali, la risposta dell’armatura viene discretizzata nel tempo aggiornando l’evoluzione del campo termico e ricalcolando i legami elastoplastici dell’acciaio B450C sulla base delle deformazioni plastiche e del danno termico accumulato dall’elemento.

L’importanza strategica del copriferro e della lavorazione industriale dell’armatura

L’efficacia della protezione termica offerta alla gabbia d’armatura dipende in modo diretto dallo spessore effettivo e dalla continuità del copriferro realizzato in cantiere. Lo strato di calcestruzzo che separa la superficie esterna dell’elemento dalla barra in acciaio B450C agisce come uno scudo isolante a bassa conducibilità, ritardando sensibilmente il momento in cui il tondino raggiunge la temperatura critica di 500 °C. Errori di posa o difetti di sagomatura possono tuttavia azzerare del tutto questi margini di sicurezza progettuali.

Una riduzione imprevista di soli 10 mm nello spessore del copriferro reale rispetto al valore assunto nei calcoli teorici provoca un accelerato innalzamento della temperatura interna delle barre, riducendo anche del 40% il tempo di resistenza al fuoco utile dell’intera struttura. Per scongiurare queste gravi criticità operative, l’impiego di armature presagomate e pre-assemblate ad elevata precisione rappresenta una scelta industriale fondamentale per la tutela dell’opera.

In qualità di centro di trasformazione ufficialmente autorizzato dal Servizio Tecnico Centrale, lo stabilimento di Dragonetti Srl situato a Novi Ligure produce gabbie in ferro per cemento armato e staffature ingegnerizzate utilizzando macchinari di sagomatura a controllo numerico di ultima generazione. La lavorazione condotta in stabilimento assicura il rispetto millimetrico delle tolleranze geometriche, la corretta esecuzione delle piegature senza innesco di micro-cricche e il posizionamento stabile dei distanziatori, garantendo che il copriferro nominale di progetto rimanga inalterato durante le fasi di getto.

Raccomandazioni operative per la progettazione e la posa in cantiere

Per ottimizzare le prestazioni termo-meccaniche degli elementi in conglomerato cementizio armato rinforzati con acciaio B450C, risulta opportuno integrare precise prescrizioni costruttive all’interno dei dettagli esecutivi di cantiere. La corretta disposizione dei ferri e l’adozione di accorgimenti geometrici mirati consentono di incrementare notevolmente il tempo di sopravvivenza della struttura in presenza di un incendio primario.

Le principali indicazioni operative per i progettisti e i direttori dei lavori possono essere riassunte nelle seguenti regole pratiche:

• Ridistribuire le armature longitudinali lungo il perimetro della sezione trasversale evitando di concentrare barre di grande diametro in corrispondenza degli spigoli, i quali risultano maggiormente esposti al riscaldamento bidimensionale.
• Disporre staffe di confinamento dotate di piegature di chiusura a 135 gradi ad aderenza maggiorata, essenziali per contrastare l’espulsione del copriferro e per impedire l’instabilità laterale delle barre longitudinali compresse.
• Utilizzare esclusivamente distanziatori rigidi in calcestruzzo o in materiale plastico ad alta densità ideati per mantenere inalterata la quota di copriferro durante le fasi di calpestio e getto.
• Prevedere un opportuno incremento del copriferro nominale nelle sezioni per le quali si richiedano classi elevate di resistenza al fuoco, quali R120 o R180, mantenendo la temperatura dell’acciaio B450C al di sotto dei 400 °C.
• Verificare la documentazione di accompagnamento e l’attestato di avvenuta trasformazione rilasciato da Dragonetti Srl a garanzia della completa tracciabilità del materiale e del rispetto dei controlli di accettazione in cantiere.

L’integrazione di queste indicazioni con i controlli sistematici da effettuare sulle forniture di cantiere permette di ridurre drasticamente le incertezze del calcolo strutturale, offrendo la garanzia che le ipotesi assunte nei modelli analitici antincendio trovino pieno riscontro nella costruzione realizzata.

Conclusioni

La progettazione antincendio delle strutture in cemento armato richiede una conoscenza approfondita e rigorosa dei meccanismi di degrado delle proprietà meccaniche dell’acciaio B450C alle alte temperature. Il rapido decadimento del modulo elastico al di sopra dei 300 °C e la successiva riduzione della tensione di snervamento oltre i 400 °C dimostrano che la geometria della sezione trasversale e la precisione dello spessore del copriferro costituiscono i veri parametri chiave per garantire la stabilità complessiva dell’opera e la salvaguardia dell’incolumità pubblica in caso di incendio.

In questo complesso scenario ingegneristico, il rigore operativo e la qualità delle lavorazioni offerte da Dragonetti Srl rappresentano un punto di riferimento fondamentale per i progettisti e i direttori dei lavori. L’esperienza maturata dalla sede di Novi Ligure nella trasformazione dell’acciaio strutturale, associata all’impiego di tecnologie di sagomatura ad alta precisione, assicura la fornitura di gabbie presagomate e tondini lavorati pienamente conformi alle più severe normative vigenti, fornendo un contributo essenziale alla sicurezza, alla resistenza al fuoco e alla durabilità delle opere edilizie moderne.