Proprietà e Classificazione dei Materiali: Comportamento Strutturale e Resistenza al Fuoco

Classificazione dei materiali

La classificazione generale per la maggior parte dei materiali è la seguente:

1. Metalli: ferrosi, non ferrosi
2. Non metallici: organici, inorganici

Metalli ferrosi

I metalli ferrosi, come suggerisce il nome, hanno come componente principale il ferro. Le loro principali caratteristiche sono l'elevata resistenza meccanica e la durezza. Le principali leghe si ottengono con stagno, argento, platino, manganese, vanadio e titanio.

I principali rappresentanti dei materiali metallici ferrosi includono:

• Ghisa grigia
• Ghisa malleabile
• Acciaio
• Ghisa bianca

Metalli non ferrosi

Di solito hanno un carico di rottura e una durezza inferiori rispetto ai metalli ferrosi, ma la loro resistenza alla corrosione è superiore. Il loro costo è elevato rispetto ai materiali ferrosi, ma con l'aumento della domanda e le nuove tecniche di estrazione e raffinazione, i costi sono stati notevolmente ridotti, tanto che la loro competitività è cresciuta significativamente negli ultimi anni.

I principali metalli non ferrosi utilizzati nella produzione sono:

• Alluminio
• Rame
• Magnesio
• Nichel
• Piombo
• Zinco
• Titanio

I metalli non ferrosi sono utilizzati nella produzione come elementi complementari ai metalli ferrosi. Sono anche molto utili come materiali puri o in lega che, per le loro proprietà fisiche e ingegneristiche, soddisfano determinati requisiti o condizioni di lavoro, come il bronzo (rame, piombo, stagno) e l'ottone (rame, zinco). Utilizzo: strutture, meccanismi, fili, tubi, ecc.

Materiali Non Metallici

I materiali non metallici si suddividono principalmente in materiali di origine organica e materiali di origine inorganica.

Materiali Organici

Sono considerati tali quando contengono cellule vegetali o animali. Questi materiali sono solitamente solubili in liquidi organici come alcool o tetracloruri, non si sciolgono in acqua e non resistono alle alte temperature. Altre caratteristiche includono una bassa conducibilità elettrica e termica e una buona resistenza alla corrosione. Alcuni rappresentanti di questo gruppo sono:

• Plastica
• Prodotti petroliferi
• Legno
• Gomma
• Carta
• Pelle

Usi: adesivi, legno, imballaggi alimentari.

Materiali Inorganici

Sono tutti quei materiali che non derivano da cellule animali o vegetali o correlate al carbone. Di solito possono essere dissolti in acqua e in generale resistono al calore meglio delle sostanze organiche. Alcuni dei materiali inorganici comunemente utilizzati nella produzione sono:

• Minerali
• Cemento
• Ceramica
• Vetro
• Grafite (carbone)

Processi e Trasformazione dei Materiali

Il materiale, sia esso metallico o non metallico, organico o inorganico, quasi mai si trova nello stato in cui viene utilizzato. Solitamente, questi devono essere sottoposti a un insieme di processi per ottenere le caratteristiche richieste per compiti specifici. Questi processi hanno richiesto lo sviluppo di tecniche speciali e strutture che hanno fornito la sofisticazione necessaria per soddisfare le esigenze della pratica. Questi processi, inoltre, aumentano notevolmente il costo dei materiali, che può arrivare a diverse volte il costo iniziale del materiale, incidendo profondamente e direttamente sul costo dei materiali e degli oggetti che integreranno.

Usi: isolamento, protezione contro la corrosione, refrattari.

I processi di fabbricazione coinvolti nella conversione dei materiali originali in materiali utili all'umanità richiedono studi speciali per ottenere il migliore sviluppo delle applicazioni e la riduzione dei costi. In ingegneria, la trasformazione dei materiali e le loro proprietà hanno un posto speciale, poiché nella maggior parte dei casi da esse dipende il successo o il fallimento dell'uso di un materiale.

Comportamento Strutturale dei Materiali al Fuoco

Come tutti sappiamo, nella costruzione si utilizzano vari tipi di materiali; alcuni cercano di ottenere un design estetico, altri la resistenza della struttura. Ora, riguardo agli effetti del fuoco su questi materiali, essi si comporteranno in modo diverso a seconda della loro composizione. In questo corso si studierà il comportamento di materiali come l'acciaio, il calcestruzzo e il legno, comuni a tutti i sistemi edilizi esistenti.

Quando i materiali sono allo stato puro, cioè non hanno alcuna protezione o copertura, subiscono in modo più estremo l'azione del fuoco. L'acciaio, essendo solitamente un elemento sottoposto alle temperature di incendio, rappresenta di per sé un rischio significativo: il calore si diffonde rapidamente attraverso di esso e, quando il materiale raggiunge la temperatura critica, collassa facilmente nella sua struttura.

Nell'incendio si possono differenziare, per ciascun materiale:

1. La temperatura alla quale il materiale viene gassificato (temperatura di gassificazione).
2. La temperatura alla quale il materiale gassificato si accende (temperatura di accensione).

Il Triangolo del Fuoco

Se lasciamo un pezzo di ferro all'aperto, il suo colore cambia e perde le sue caratteristiche originali: si ossida. Ciò significa che l'ossigeno dell'aria si combina con il ferro per produrre ossido di ferro. Un incendio è un fenomeno simile: l'ossigeno dell'aria si combina con i materiali che bruciano, ma in modo violento. Questa rapida ossidazione è ciò che chiamiamo combustione.

Perché un materiale entri in combustione sono necessarie determinate condizioni:

1. Avere abbastanza ossigeno (comburente); solitamente questo non è un problema, perché l'aria intorno a noi lo contiene.
2. Che vi sia un materiale combustibile.
3. Che ci sia abbastanza calore (energia di attivazione) per avviare la combustione.

Il Tetraedro del Fuoco (Reazione a Catena)

Quando si accende un fuoco, spesso può sostenersi da solo, senza fermarsi, fino a quando restano solo le ceneri. Per spiegare questo aspetto del fuoco, la scienza attuale aggiunge un quarto elemento ai tre che abbiamo visto: la reazione a catena.

Quando il fuoco è abbastanza intenso, ci sono fiamme e viene rilasciato calore. Questo facilita la miscela di ossigeno e combustibile, generando nuove fiamme e più calore. Questa reazione a catena si ripete finché ci sono ossigeno e combustibile, a meno che qualcosa non la interrompa.

Trasferimento di Calore

È comune che all'origine di un incendio ci sia un focolaio relativamente piccolo, che si è trasmesso ad altri oggetti e luoghi trasformandosi in una perdita significativa. Pertanto, è importante sapere come il calore viene trasferito.

Conduzione

Si verifica quando un oggetto è in contatto diretto con un altro. Il calore passa dall'oggetto più caldo a quello più freddo (principio zero della termodinamica).

Irraggiamento (Radiazione)

Il calore di una fiamma si sente a una certa distanza dal fuoco stesso, perché viene trasmesso da onde di calore non visibili (onde elettromagnetiche) che viaggiano attraverso l'aria o lo spazio (come il calore del sole). Pertanto, non è necessario che un oggetto tocchi il fuoco per bruciare, perché il calore può "saltare" da un luogo all'altro attraverso l'aria.

Convezione

Quando le onde di calore passano attraverso un fluido (per esempio, aria, acqua, olio, ecc.), parte del suo calore riscalda il fluido, che tende quindi a spostarsi verso l'alto o verso zone più fresche. Ciò significa che il calore generato in un punto si propaga in un altro luogo. Questo si chiama trasmissione per convezione. Per esempio, se in un edificio a più piani scoppia un incendio al piano terra, il fuoco riscalda l'aria, che salirà ai piani superiori, trasportando gas e fumo e diffondendo l'incendio.

Classificazione degli Incendi (Norma Cilena NCh 934)

Nel nostro paese, la Norma Cilena NCh 934, dell'Istituto Nazionale di Normazione, classifica gli incendi in quattro classi. A ogni classe è assegnato un simbolo speciale. Questi simboli, presenti sugli estintori, aiutano a determinare se l'estintore è adatto per il tipo di fuoco che si desidera spegnere. Queste classi sono:

Fuoco Classe A

• Gli incendi di classe A sono quelli che si verificano in materiali combustibili comuni come legno, carta, cartone, tessuti, plastica, ecc.
• Quando questi materiali bruciano, lasciano residui sotto forma di brace o cenere.
• Il simbolo utilizzato è la lettera A, in bianco su un triangolo di sfondo verde.

Fuoco Classe B

• Gli incendi di classe B sono quelli che si verificano in liquidi combustibili infiammabili, come olio, benzina, vernici, ecc.
• Sono inclusi in questo gruppo anche i gas di petrolio liquefatti e i grassi usati per lubrificare macchine.
• Questi incendi, a differenza dei precedenti, non lasciano residui quando bruciano.
• Il suo simbolo è la lettera B in bianco su un quadrato di sfondo rosso.

Fuoco Classe C

• Gli incendi di classe C sono quelli comunemente identificati come "fuochi elettrici". Più precisamente, sono quelli che coinvolgono apparecchiature o impianti elettrici sotto tensione, cioè che sono alimentati.
• Il suo simbolo è la lettera C in bianco su un cerchio di sfondo blu.
• Quando l'alimentazione elettrica di un incendio di classe C viene interrotta, diventerà di classe A, B o D, a seconda dei materiali coinvolti. Tuttavia, è spesso molto difficile essere assolutamente certi che sia stata effettivamente "tagliata la corrente" (cioè che l'impianto non sia più alimentato). Infatti, anche se l'alimentazione è stata disattivata da un quadro generale, l'impianto in fiamme potrebbe essere alimentato da un altro circuito. Pertanto, è necessario agire come se fosse un fuoco di classe C finché non si ha la certezza assoluta che non ci sia elettricità.

Fuoco Classe D

• Gli incendi di classe D sono quelli che si verificano in polveri o trucioli di metalli leggeri o loro leghe, come alluminio, magnesio, ecc.
• Il suo simbolo è la lettera D, in bianco, su una stella a cinque punte con sfondo giallo.

Termodinamica del Fuoco

La termodinamica di ogni incendio presenta un comportamento singolare a seconda dell'area in cui si sviluppa. Tuttavia, è possibile individuare alcune caratteristiche comuni che ne permettono la classificazione e l'analisi, utili per il progettista. Non dobbiamo perdere di vista che il fuoco può "costruire" veri e propri forni ad alta temperatura capaci di distruggere la capacità portante della struttura.

Ci sono tre fattori importanti per il suo sviluppo:

1. I materiali combustibili: mobili, rivestimenti, apparecchi elettronici collegati, sovraccarichi o infiammabili, materiali elettrici immagazzinati con noncuranza.
2. La ventilazione: a seconda della quantità di aria disponibile, determina la luminosità del fuoco e la sua combustione lenta o rapida.
3. La capacità di dissipazione del calore.

Il ruolo della ventilazione è fondamentale per la scala della temperatura. La quantità di aria disponibile per un incendio è un fattore critico per il suo comportamento, ma il livello di temperatura dipenderà da quanto velocemente il calore può essere dissipato. In altre parole, una combustione lenta, ma che non riesce a dissipare il calore, creerà condizioni catastrofiche. In primo luogo, i componenti metallici della struttura perderanno la loro capacità portante.

Dissipazione di calore: Questo è l'aspetto più pericoloso. Se il calore non si dissipa rapidamente a causa di una ventilazione inadeguata, la temperatura può danneggiare la struttura e provocare crolli.

Come secondo punto, non meno importante, si creano le condizioni per lo sviluppo di fenomeni di incendio pericolosi per il personale, come il flashover. Lo stato naturale della materia sarà pronto per accendersi e, se improvvisamente riceve un apporto d'aria, avremo uno sviluppo rapidissimo dell'accensione, con possibili esiti esplosivi (backdraft).

Una situazione meno maligna si presenterà in un fuoco vivo dove il calore viene dissipato rapidamente, come in un camino, che si estingue quando il suo combustibile si esaurisce. Ci sarà maggiore probabilità di salvare la struttura con meno danni, e il personale antincendio correrà meno rischi.

Infine, lo sviluppo di un incendio dipende dal disegno della struttura, dal grado di ventilazione e quindi dalla sua capacità di dissipare il calore, dall'infiammabilità dei contenuti e dei materiali da costruzione.

Comportamento dell'Acciaio al Fuoco

L'acciaio è un buon conduttore di calore. Ricordiamo una delle forme classiche di trasferimento di calore: la "conduzione". Poiché il ferro (elemento maggioritario nell'acciaio) è un metallo, possiede elettroni liberi che possono diffondere il calore facilmente attraverso gli elementi costruiti con questo materiale (travi, pilastri, pannelli, ecc.), provocando nuovi focolai. Quindi, l'espansione termica allarga l'area di una nuova combustione.

Anche se l'acciaio fonde tra 1300 ºC e 1400 ºC, molto prima di raggiungere questo punto, perde la sua resistenza, ridotta della metà già a 500 ºC. Il calore si espande con grande facilità; raggiungendo questa temperatura, l'acciaio strutturale perde due terzi della sua resistenza iniziale. In proporzione al carico e alla direzione a cui è sottoposto, inizia ad abbassarsi e cedere, trascinando quindi il resto degli elementi portanti della costruzione.

In generale, tutti i metalli sotto l'azione del calore presentano un rischio massimo di distorsione e collasso.

Se una trave in acciaio fa parte di un telaio strutturale, ci sarà solo un collasso locale. L'importanza di opporsi o resistere al fuoco insieme richiede che questi elementi siano dotati di una protezione strutturale adeguata alla loro natura o alle condizioni operative.

Il comportamento delle strutture in acciaio non presuppone necessariamente la presenza di temperature elevate o anomale; sono sufficienti piccoli incendi moderati per produrre la deformazione del materiale.

Protezione Passiva Antincendio

Legislazione in Cile

Nello sviluppo di qualsiasi progetto di costruzione con struttura d'acciaio, il professionista incaricato deve considerare la destinazione d'uso dell'edificio, la superficie, il numero di piani, il numero degli occupanti e le restrizioni di massività degli elementi strutturali utilizzati, lo spessore del materiale per la protezione antincendio ad esso associata, la lunghezza della protezione richiesta e la temperatura critica di cedimento dell'acciaio non protetto (550 ºC). L'attuale legislazione in Cile considera unicamente la protezione delle strutture contro incendi di carattere cellulosico secondo la curva standard ISO 834 o equivalenti come ASTM E119 (precedentemente si faceva riferimento a UL 263).

Legislazione Internazionale

In Europa e negli Stati Uniti esiste abbondanza di informazioni e legislazione in materia di:

• Incendi cellulosici e incendi di idrocarburi.
• Isolanti generati.
• Sigillature (passaggi impianti, giunti).

Concetto di Massività (Fattore di Sezione)

Rapporto tra il perimetro esposto al fuoco e l'area della sezione di un elemento (A_m/V o P/A).

NOTA: Le liste di massività associate a ogni tipo di profilo sono indicate nella NCh935/1.Of97.

NOTA: Più alto è il valore del fattore di sezione, maggiore è la protezione richiesta.

Comportamento del Calcestruzzo al Fuoco

Il calcestruzzo armato, precompresso e post-teso, solitamente presenta una buona resistenza al fuoco, definita dal periodo di tempo prima che si osservi un comportamento critico alle temperature dello spettro di un incendio. Date le caratteristiche della sua composizione, il calcestruzzo strutturale generalmente non soffre di collasso a causa di un incendio, anche se è possibile che subisca deviazioni di posizione e cedimenti del terreno.

La maggior parte delle strutture in calcestruzzo sono solitamente, dopo aver subito un incendio, abbastanza sicure da ripristinare le normali funzioni. In relazione alla resistenza a trazione e flessione del calcestruzzo di fronte al fuoco, queste sono le più colpite. Invece, l'azione del fuoco è molto più debole sulla resistenza a compressione, stabilendo una riduzione globale della resistenza dell'80% a circa 800 ºC.

Tuttavia, anche i materiali tradizionalmente considerati non combustibili (come il cemento) non sono completamente sicuri contro gli incendi. Se si considera che in un incendio si raggiungono facilmente 600 ºC entro 10 minuti dall'inizio, e 1200 °C in 20 minuti, ci rendiamo conto che anche il cemento non è assolutamente sicuro.

Si consideri che a 1000 °C, ghiaia e cemento si disintegrano e disidratano. Se si mantiene una temperatura tra 1000 °C e 1200 °C per circa tre ore, gli effetti del fuoco sul calcestruzzo sono sicuramente dannosi. Gli elementi di calcestruzzo si disintegrano a una velocità di circa quattro (4) cm/ora e le armature, a queste temperature, non riescono a svolgere la loro funzione.

Il calcestruzzo, anche se lentamente, può corrodersi fino alla sua totale distruzione, compresa la sua armatura. Ogni elemento costruttivo poroso assorbe facilmente i gas di combustione. In un incendio, questi sono gas acidi che, per effetto della reazione chimica, vengono neutralizzati dai composti di calcio contenuti nel calcestruzzo strutturale, formando cloruro di calcio. Questa sostanza igroscopica, combinandosi all'interno della massa con il vapore acqueo contenuto nell'aria confinata dalla struttura o proveniente dall'estinzione, viene anch'essa assorbita dal calcestruzzo insieme agli ioni cloruro. Questa corrosione nel calcestruzzo avviene molto lentamente dopo l'incendio, con una migrazione o penetrazione continua di circa 0,25-2 cm²/giorno, se le condizioni ambientali sono favorevoli. In questo caso, la corrosione dell'acciaio è molto più importante di quella del calcestruzzo quando le circostanze sono favorevoli. Le percentuali di cloro che possono danneggiare il calcestruzzo sono circa lo 0,6% di cloruro per il calcestruzzo normale e circa lo 0,01% per il precompresso.

Cos'è il Calcestruzzo Precompresso?

Si chiama calcestruzzo precompresso quel calcestruzzo al quale, prima della messa in opera, è stata introdotta una compressione mediante il tensionamento dei cavi o fili di acciaio di rinforzo (pre-tesatura). Solitamente la precompressione è indotta da fili di acciaio ad alta resistenza, che vengono tesi e poi ancorati. I fili possono essere aderenti al calcestruzzo (pre-teso) o non aderenti (post-teso). Si possono anche lasciare intenzionalmente dei condotti all'interno dell'elemento e poi far passare i cavi d'acciaio attraverso di essi, applicando successivamente la forza di precompressione mediante martinetti idraulici. Infine, i fili vengono ancorati alle estremità. Questa procedura è nota come calcestruzzo post-teso. Normalmente, quando si applica questa tecnica, si utilizzano calcestruzzo e acciaio ad alta resistenza per resistere alle enormi sollecitazioni indotte.

Come si comporta il calcestruzzo prima del fuoco?

• La resistenza a compressione rimane pressoché costante fino alla temperatura critica.
• Il modulo elastico diminuisce.
• La densità diminuisce.
• Temperature critiche indicative per aggregati: Sabbia silicea ~430°C; Aggregati carbonatici ~650°C; Aggregati leggeri ~660°C.

Conseguenze dell'Incendio sul Calcestruzzo

• Spalling (scagliatura): è la perdita dello strato superficiale del calcestruzzo a seguito di sollecitazioni meccaniche indotte dal gradiente di temperatura.
• Lo spalling si verifica solo in presenza di forti gradienti di temperatura (durante il riscaldamento o il raffreddamento).
• Lo spalling è il risultato di un gran numero di processi simultanei. NFPA 921 offre alcune delle cause probabili:
  1. Umidità nel calcestruzzo fresco (pressione del vapore).
  2. Espansione differenziale tra pasta cementizia e armature.
  3. Espansione differenziale tra pasta cementizia, armature e i vari aggregati.

Comportamento del Legno al Fuoco

Il legno, e soprattutto le piante legnose, sono composti principalmente da due tipi di sostanze: la cellulosa e la lignina. La percentuale di entrambi i composti varia intorno al 90%, lasciando il resto a minerali, grassi, cere, ecc. Se il legno brucia, come elemento strutturale ha la peculiarità di assorbire gas e vapori senza subire danni apparenti, ma dopo un po', il legno può rilasciare gradualmente gli acidi assorbiti ("cloridrico, cianidrico", ecc.). Il rischio specifico del legno è quello di trasportare il rischio di corrosione ai materiali che lo circondano. Negli incendi in cui è presente PVC, questa circostanza si verifica per esposizione ai vapori del legno. A volte le perdite si manifestano per un periodo piuttosto lungo, il che spesso disorienta riguardo a questi effetti.

La profondità di carbonizzazione o la crescita dello strato di carbone avviene a una velocità di circa 0,8 mm/min durante i primi 8 minuti. Dopo questo, lo strato di carbone ha un effetto isolante e la velocità scende a 0,6 mm/min. Considerando il tempo per l'accensione iniziale, la rapida carbonizzazione iniziale e poi il rallentamento a una velocità costante, la velocità media di carbonizzazione costante è di circa 0,6 mm/min (o 3,6 cm/h).

Ci sono differenze tra le specie associate alla loro densità, anatomia, chimica e permeabilità. Il contenuto di umidità è un fattore importante per la velocità di carbonizzazione. La densità è in relazione alla massa che deve essere degradata. La carbonizzazione in senso longitudinale è doppia rispetto a quella in direzione trasversale. Le sostanze chimiche possono influenzare lo spessore relativo dello strato di carbone. La permeabilità influenza il movimento dell'umidità guidato attraverso le fibre di legno sotto lo strato di carbone.

Reazione e Resistenza al Fuoco del Legno

Questi criteri descrivono la capacità di un materiale di resistere al fuoco entro certi limiti di temperatura. I materiali utilizzati in edifici pubblici, case e altri dovrebbero essere sottoposti a test di laboratorio per essere classificati secondo due criteri:

• Reazione al Fuoco: Comportamento di un materiale che, per sua stessa decomposizione, alimenta il fuoco a cui è esposto.
• Resistenza al Fuoco: Attitudine di un elemento costruttivo a conservare, per un tempo determinato, la stabilità strutturale, la tenuta ai fumi e gas caldi, e l'isolamento termico richiesti.

Flashover

Il flashover è il passaggio di un incendio confinato dalla sua fase di sviluppo alla fase di incendio pienamente sviluppato, in cui il rilascio di energia termica è il massimo possibile, a seconda del combustibile coinvolto.

Questi criteri formano la base della protezione passiva antincendio, che mira a ridurre al minimo il rischio di incendi, impedire o limitare la propagazione del fuoco (sia al resto dell'edificio che agli edifici vicini), facilitare l'evacuazione delle persone che si trovano all'interno e facilitare la soppressione dell'incendio. Pertanto, è necessario preoccuparsi dei materiali utilizzati, della fornitura di muri tagliafuoco, pareti divisorie, porte tagliafuoco, scale, vie di fuga; in generale, un criterio di compartimentazione e resistenza al fuoco, fumo e gas caldi, che saranno sempre altamente tossici.

Reazione al fuoco vs. Resistenza al fuoco: Durante un incendio, è possibile distinguere due stati diversi che devono essere considerati nella progettazione degli edifici per quanto riguarda i materiali e le strutture utilizzati. C'è un principio di incendio e poi un incendio pienamente sviluppato.

• Il primo termine (reazione al fuoco) rappresenta la risposta del materiale (contenuto o rivestimento) a un attacco iniziale del fuoco e include caratteristiche quali il tempo di accensione, la propagazione della fiamma, il rilascio di calore e fumo. Queste proprietà sono importanti nello sviluppo iniziale del fuoco.
• L'uso di rivestimenti in legno o altri materiali combustibili negli edifici è limitato al fine di limitare il tasso di crescita del fuoco, ma il loro apporto è spesso sovrastimato rispetto al contenuto combustibile dell'edificio. Tuttavia, alcune limitazioni sono necessarie, soprattutto nelle vie di fuga.
• D'altro canto, in caso di incendio pienamente sviluppato, l'azione delle strutture di sostegno e degli elementi separatori (pareti, solai) è essenziale al fine di limitare l'incendio al locale di origine. Questa è chiamata la resistenza al fuoco della struttura.

Un altro aspetto importante considerato nella sicurezza antincendio strutturale sono i dettagli costruttivi come i firewall, la ventilazione e i separatori tagliafuoco nei sottotetti.

Meccanismi di Protezione Antincendio nel Legno

Il fatto che il legno sia un materiale combustibile non pregiudica la possibilità di utilizzarlo come materiale da costruzione stabile e sicuro. Questo può essere ottenuto attraverso diversi meccanismi che cercano di ritardare la sua accensione, prevenire la diffusione delle fiamme e mantenere la sua stabilità strutturale. Questi sono i seguenti:

• Attraverso la corretta interpretazione e progettazione architettonica. La configurazione dei vari elementi di una casa deve essere armoniosa in termini di sicurezza ed estetica.
• Utilizzo di strutture di dimensioni adeguate (sovradimensionamento). Come detto sopra, alcuni elementi di uso strutturale devono avere un margine di sicurezza maggiore a seconda del tempo necessario per le operazioni di soccorso e salvataggio durante un incendio.
• Attraverso l'uso di trattamenti ignifughi o ritardanti di fiamma, che aumentano la temperatura di accensione del legno e riducono la produzione di fiamma che può diffondersi rapidamente alle superfici o altri dispositivi nelle vicinanze.
• Applicazione del metodo di compartimentazione, vale a dire confinare il fuoco in una zona impedendo la propagazione in un'altra stanza.
• Utilizzo di elementi tagliafuoco (firewall), che, come suggerisce il nome, impediscono il passaggio di aria o ossigeno in alcune intercapedini dell'edificio, prevenendo la propagazione più rapida del fuoco.

Esistono regolamenti tecnici e legislazioni particolari in materia di protezione passiva contro la propagazione del fuoco, come azione preventiva, specificando la composizione dei componenti per la protezione mediante rivestimenti di materiali strutturali adeguati e/o trattamenti. I concetti attualmente utilizzati sono: isolamento planimetrico e massività. Il primo è direttamente correlato alla corretta progettazione e disposizione dei locali, in cui la posizione delle superfici (interne, esterne e intermedie) può confinare il fuoco nel suo luogo d'origine, rallentando così la diffusione del fuoco ad altre aree dell'edificio o ad altre proprietà. Mentre il secondo (massività o fattore di sezione) esprime il rapporto tra la superficie esterna dell'elemento esposto al fuoco e la sezione trasversale dello stesso elemento; una minore massività (sezione più grande rispetto al perimetro esposto) conferisce una maggiore resistenza al calore e impedisce il collasso prematuro. Secondo la NCh 935/1.Of. 97, è richiesto un picco di massa (fattore di sezione) uguale o inferiore a 390 m⁻¹ per determinate condizioni.

Norme Antincendio per gli Edifici

La protezione antincendio, sia negli aspetti di prevenzione che di protezione (le misure di prevenzione sono quelle osservate per prevenire l'insorgere di un incendio), può essere realizzata in due modi:

Protezione Attiva vs. Protezione Passiva

• Protezione Attiva: Comprende quelle attività che comportano un'azione diretta nell'uso di strutture e mezzi per la protezione e l'estinzione degli incendi. Per esempio: l'evacuazione, l'uso di estintori, impianti fissi di spegnimento, idranti, ecc.
• Protezione Passiva o Strutturale: Comprende i metodi che devono la loro efficacia all'essere sempre presenti, ma senza che ciò implichi alcuna azione diretta. Questi elementi passivi non agiscono direttamente sul fuoco, ma possono compartimentare il suo sviluppo (muri tagliafuoco), impedire il collasso dell'edificio (strutture metalliche rivestite) o permettere l'evacuazione e la gestione dei fumi che la renderebbero impossibile.

La protezione strutturale è forse l'aspetto più importante nella lotta contro il fuoco, ma è anche il più trascurato a causa della difficoltà di applicazione e per i vincoli che introduce nella progettazione.

Altre Proprietà e Prove sui Materiali

Shock (Urto)

Le parti soggette a improvvisi o istantanei cambiamenti nei carichi esterni, che possono avvenire per caso, possono subire un cedimento fragile senza deformazione plastica significativa, anche quelle considerate duttili come i metalli. In questi casi è opportuno analizzare il comportamento del materiale agli urti (resilienza).

Fatica

Nello studio dei materiali in servizio, come componenti di organi di macchine o strutture, va notato che le sollecitazioni predominanti non sono generalmente statiche o quasi-statiche. Al contrario, nella maggior parte dei casi si tratta di variazioni cicliche di stress (trazione, compressione, flessione, torsione), che si ripetono sistematicamente. La rottura del materiale per fatica avviene per valori di sollecitazione significativamente inferiori a quelli calcolati nelle prove statiche. Questo tipo di rottura, che si verifica necessariamente nel tempo, è denominata fatica ed è comune identificarla anche come rottura per sollecitazioni ripetute. Le sollecitazioni possono agire singolarmente o in combinazione.

Classificazione delle Prove a Fatica

In generale, le prove di fatica sono classificate in base all'andamento del carico nel tempo e possono presentarsi come:

• Prove a fatica ad ampiezza costante.
• Prove a fatica ad ampiezza variabile.

Le prove a fatica ad ampiezza costante valutano il comportamento a fatica con cicli predeterminati di carico o deformazione, generalmente sinusoidali o triangolari, di ampiezza e frequenza costanti. Le prove possono essere ad alto o basso numero di cicli, stimando la vita a fatica (numero di cicli a rottura, considerando l'innesco e la propagazione del difetto) e la resistenza a fatica (misura dello stress per un numero predeterminato di cicli senza rottura). Solitamente si indica come resistenza a fatica la massima tensione alla quale il materiale non si rompe o quella che corrisponde a un numero predefinito di cicli. A questo proposito, la ASTM E definisce il limite di fatica come il carico corrispondente a un numero molto elevato di cicli.

Le prove a fatica ad ampiezza variabile valutano l'effetto del danno accumulato a causa della variazione dell'ampiezza dello stress nel corso del tempo. Questi test sono solitamente ad alto numero di cicli con controllo del carico, secondo uno spettro di carico scelto che è più o meno rappresentativo delle condizioni di servizio.

Fatica ad Alto Numero di Cicli

Gli spettri di carico-tempo derivanti da prove ad ampiezza costante assomigliano a funzioni semplici a ciclo continuo, solitamente sinusoidali. In generale, qualunque sia il ciclo di stress applicato, può essere considerato come la somma di una componente costante o statica, pari al valore medio del carico (σ_m), e un'altra componente variabile di ampiezza costante (σ_a), tipicamente un'onda sinusoidale pura.

Durezza

Attraverso questo metodo si ottengono importanti proprietà meccaniche in modo rapido e non distruttivo, permettendo di testare pezzi finiti.

Definizione: "La maggiore o minore resistenza di un corpo all'essere graffiato o penetrato da un altro" o "il grado di durezza di un corpo rispetto a un altro preso a fini comparativi."

Metodi di Prova della Durezza

• Prove di penetrazione statica
• Prove di rimbalzo
• Prove di graffio
• Prove di abrasione ed erosione

Prova di Penetrazione Statica

Definisce la durezza come la resistenza alla deformazione o la resistenza alla penetrazione che un materiale oppone quando viene pressato da un penetratore dato, sotto l'azione di carichi preimpostati.

• Durezza Rockwell: È calcolata in base alla profondità di penetrazione. Il carico totale non viene applicato istantaneamente; c'è un precarico iniziale e un carico aggiuntivo (variabile in base alle condizioni di prova). Il valore si ottiene direttamente dal comparatore dello strumento. La durezza è data dall'incremento della penetrazione dovuto all'azione del carico aggiuntivo, una volta che questo è stato rimosso (rimanendo il precarico).
• Durezza Vickers: È simile alla Brinell nel senso che il suo valore dipende dal carico applicato e dalla superficie dell'impronta lasciata. I carichi variano da 1 a 120 kgf e il penetratore è un diamante a forma di piramide a base quadrata.

Trazione

Un corpo è sottoposto a trazione semplice quando sulla sua sezione trasversale vengono applicati carichi normali, uniformemente distribuiti, che tendono a produrre il suo allungamento. Per le condizioni di prova, la prova di trazione è quella che meglio determina le proprietà meccaniche dei metalli, vale a dire quelle che definiscono le sue caratteristiche di resistenza e deformabilità. Consente di ottenere, con un semplice stato di stress, il limite di snervamento (o un suo sostituto pratico), il carico massimo e la resistenza statica successiva, valori sulla base dei quali si fissano le tensioni ammissibili o di progetto (σ_adm). Utilizzando metodi empirici, si può conoscere il comportamento del materiale sottoposto ad altri tipi di sollecitazioni (fatica, durezza, ecc.).

Proprietà Generali dei Materiali

Le proprietà dei materiali sono le caratteristiche individuali di ciascuno. Esse definiscono le capacità e gli usi futuri; in altre parole, specificano cosa possono fare.

Proprietà Fisiche

Le proprietà fisiche più comuni sono:

• Colore.
• Densità: La massa di un corpo per unità di volume (kg/m³ o g/cm³).
• Peso specifico: È direttamente correlato alla densità (Peso/Volume, N/m³). Un materiale denso ha un alto peso specifico.
• Punto di fusione: Temperatura alla quale un materiale, a una data pressione, passa dallo stato solido a quello liquido.
• Punto di ebollizione: La temperatura alla quale la pressione di vapore di un liquido eguaglia la pressione atmosferica esistente sul liquido. A temperature inferiori al punto di ebollizione (PE), l'evaporazione avviene solo sulla superficie del liquido. Durante l'ebollizione, il vapore si forma all'interno del liquido e arriva in superficie sotto forma di bolle, con la caratteristica ebollizione tumultuosa. I punti di ebollizione citati per i vari elementi e composti si riferiscono alla pressione atmosferica normale, se non diversamente specificato.

Proprietà Meccaniche

Le proprietà meccaniche sono correlate al modo in cui i materiali reagiscono alle forze che agiscono su di essi. Le prove meccaniche sono il modo migliore per determinare le proprietà di un materiale. L'informazione ottenuta dopo l'esecuzione delle prove appropriate ci aiuterà a scegliere il materiale più adatto per un'applicazione determinata. Le proprietà meccaniche più importanti sono:

• Elasticità: Capacità di alcuni materiali di recuperare la forma originale una volta cessata la forza che li deformava.
• Plasticità: Capacità di un materiale di conservare la sua nuova forma una volta deformato permanentemente. È opposta all'elasticità.
• Duttilità: Capacità di un materiale di essere stirato in fili sottili senza rompersi (es. rame, oro, alluminio).
• Malleabilità: Capacità di un materiale di essere deformato in lamine sottili senza rompersi (es. alluminio, oro).
• Durezza: Resistenza che un corpo oppone all'essere graffiato o penetrato da un altro; è anche la resistenza all'usura.
• Resilienza: Resistenza di un corpo agli urti improvvisi o alle sollecitazioni dinamiche.
• Fragilità: È opposta alla resilienza e alla duttilità. Il materiale si rompe facilmente sotto l'azione di una forza, con minima deformazione plastica.
• Tenacità: Resistenza che un corpo oppone alla rottura quando sottoposto a lenti sforzi di deformazione; capacità di assorbire energia prima della frattura.
• Fatica: Deformazione (che può portare a rottura) di un materiale sottoposto a carichi variabili (ciclici), inferiori al carico di rottura statico, quando agiscono per un certo tempo o numero di cicli.
• Lavorabilità (alle macchine utensili): Facilità con cui un materiale può essere lavorato per asportazione di truciolo.
• Incrudimento: Aumento della durezza, della fragilità e della resistenza in alcuni metalli come risultato della deformazione a freddo.
• Colabilità: Capacità di un materiale fuso di riempire uno stampo.
• Resistenza a Trazione: Capacità di un materiale di resistere all'allungamento. Se tiriamo un filo di 1 mm² da entrambi i lati, arriva un momento in cui si rompe. La forza massima sopportata divisa per la sezione iniziale è chiamata resistenza a trazione (o carico di rottura).
• Resistenza a Compressione: Capacità di un materiale di resistere allo schiacciamento.
• Coefficiente di dilatazione lineare: Capacità dei materiali di espandersi o contrarsi linearmente in funzione della temperatura, secondo una percentuale specifica per il materiale o la lega.
• Resistenza a Taglio: Capacità di un materiale di resistere a forze che tendono a farlo scorrere lungo un piano.
• Resistenza a Torsione: Capacità di un materiale di resistere a un momento torcente applicato alle sue estremità.
• Instabilità (Carico di punta): Fenomeno per cui una colonna snella, sottoposta a compressione assiale, si inflette lateralmente sotto un carico critico.
• Resistenza (generica): È la capacità di un materiale di opporsi alle sollecitazioni meccaniche grazie alla forza coesiva tra le sue particelle (atomi/molecole).

Proprietà Chimiche

Una delle più importanti è la resistenza alla corrosione e all'ossidazione dei materiali (soprattutto metalli). Così, l'acciaio e le sue leghe sono piuttosto facilmente ossidabili a contatto con l'umidità, mentre l'alluminio crea uno strato di ossido protettivo che lo auto-protegge e non permette un'ulteriore ossidazione. Di fatto, ciò che si fa solitamente è verniciare i materiali per prevenire l'ossidazione e migliorare la loro presentazione. La scelta del materiale deve essere fatta con attenzione, a seconda dell'applicazione per cui è destinato. Sarà diverso un cucchiaio utilizzato per mescolare un acido rispetto a uno utilizzato per alimenti, a causa delle reazioni chimiche che possono deteriorarlo.

Proprietà Elettriche

• Conduttività elettrica: La facilità con cui un materiale permette il passaggio della corrente elettrica. I metalli sono generalmente buoni conduttori.

Esistono altre proprietà importanti che dobbiamo conoscere:

Proprietà Termiche

Questa proprietà descrive come un materiale reagisce al calore. La maggior parte dei metalli sono buoni conduttori di calore. Ad esempio, i radiatori sono fatti di un metallo che conduce bene il calore. D'altra parte, materiali come la fibra di vetro o il poliuretano sono utilizzati nella costruzione come isolanti termici per pareti e soffitti.

Proprietà Magnetiche

La maggior parte dei metalli ferrosi (ferro e sue leghe) sono attratti da campi magnetici (ferromagnetismo). Tuttavia, altri, come il rame o l'alluminio, non lo sono (diamagnetismo o paramagnetismo). I superconduttori (realizzati con materiali speciali e raffreddati a bassissime temperature, ad esempio con azoto liquido) possono generare grandi campi magnetici e sono chiamati così perché offrono resistenza quasi nulla al passaggio della corrente elettrica.