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Approccio ingegneristico per il progetto in caso di incendio di strutture in acciaio di edifici industriali
14/04/2016
Sandro Pustorino
Paola Princi
Chiara Crosti
Emidio Nigro

Rubrica a cura di Fondazione Promozione Acciaio

L’evoluzione dei criteri normativi e degli strumenti di calcolo a disposizione dei progettisti con- sente la possibilità di verifica delle prestazioni che la struttura portante deve garantire per verifi- care la sicurezza in caso di incendio. Così, per una certa tipologia di edifici industriali, in partico- lare quelli monopiano, l’approccio ingegneristico è diventato una concreta alternativa all’approccio prescrittivo per la verifica della sicurezza strutturale in caso di incendio.
Facendo riferimento ai risultati di un recente progetto di ricerca europeo, nel presente lavoro sono state analizzate alcune applicazioni dei criteri di calcolo previsti dalla normativa vigente per valu- tare le prestazioni della struttura portante di un edificio industriale necessarie per la verifica strut- turale in caso di incendio condotta mediante l’applicazione dell’approccio ingegneristico.
Questa memoria è frutto delle attività 2014 condotte dalla Commissione Tecnica per la Sicurezza delle Costruzioni di Acciaio in caso di Incendio, istituita da Fondazione Promozione Acciaio.

INTRODUZIONE
La progettazione in caso di incendio di un capannone industriale deve essere condotta tenendo in considerazione i livelli di prestazione minimi fissati per le strutture portanti nelle disposizioni previste dal Decreto 9 marzo 2007 ([4]). In queste sono indicati i criteri di valutazione applicabili per la determinazione dei requisiti di resistenza al fuoco delle strutture portanti (approccio pre- scrittivo) o, in via alternativa, delle prestazioni della struttura portante in condizioni di incendio (approccio ingegneristico).
Facendo riferimento al caso specifico di capannoni industriali monopiano, il decreto citato am- mette la possibilità del livello di prestazione II di resistenza al fuoco, a valle della verifica di al- cune caratteristiche geometriche e funzionali individuando, quindi, l’obiettivo di sicurezza in caso di incendio nel mantenimento dei requisiti di resistenza al fuoco per un periodo sufficiente all’evacuazione degli occupanti in luogo sicuro.

Fig. 1. La struttura portante in acciaio di un edificio industriale monopiano

L’evoluzione dei criteri normativi, in particolare le cosiddette parti fuoco degli Eurocodici, e degli strumenti di calcolo a disposizione dei progettisti consente oggi la possibilità di analizzare una struttura in caso di incendio e di verificare il soddisfacimento o meno di queste prestazioni. Nel presente lavoro questa procedura di calcolo viene analizzata anzitutto facendo specifico rife- rimento ai risultati di un recente progetto di ricerca europeo [1]. Nella seconda parte del lavoro viene presentata poi un’applicazione diretta della valutazione di resistenza strutturale in caso di incendio di un capannone industriale di acciaio di forma differente condotta secondo i criteri pro pri del Livello di prestazione II.

I RISULTATI DEL PROGETTO DI RICERCA EUROPEO
Nell’ambito del progetto di ricerca [1] è stata eseguita l’analisi del comportamento in caso di in- cendio della struttura portante di acciaio di un tipico edificio industriale, impiegando i modelli di calcolo ANSYS, ABAQUS, e SAFIR, con l’obiettivo di analizzare le capacità operative dei di- versi software e di confrontarne i risultati. I modelli di calcolo sono stati confrontati mediante un benchmark condotto da 4 utilizzatori, due dei quali hanno usato il modello ABAQUS.
Il benchmark è stato eseguito sulla struttura mostrata in Figura 2. La struttura è costituita da un doppio portale in acciaio con travi e colonne realizzate mediante profili ad anima piena.


Fig. 2. Schema della struttura portante di un edifico industriale

Le analisi strutturali sono state condotte in conformità a quanto previsto nelle parti fuoco degli Eurocodici, sia per quanto riguarda le proprietà termiche e meccaniche dei materiali, sia per quan- to riguarda la combinazione dei carichi in caso di incendio.

L’azione dell’incendio è stata schematizzata con la curva di incendio ISO, mentre l’analisi termica dei profilati di acciaio è stata condotta mediante i metodi di calcolo semplificato previsti dalla parte fuoco dell’Eurocodice 3, considerando quindi una distribuzione di temperatura uniforme nella sezione trasversale di acciaio.
L’analisi strutturale dell’edificio in caso di incendio è stata condotta su modelli strutturali differenti, che sono schematizzati nella Figura 3.


Fig. 3. Modelli strutturali analizzati in condizioni di incendio

Nel modello n. 4, in cui la struttura completa è stata analizzata considerando un telaio e due campi di arcarecci adiacenti riscaldati dalla curva ISO 834, è stato possibile analizzare anche il compor- tamento della struttura dopo la rottura per instabilità degli arcarecci.

Di seguito sono riportati i grafici dei principali risultati ottenuti nelle analisi svolte con il Modello
n. 4 (struttura completa, schema 2).
La Figura 4 riporta la deformata della struttura al termine dell’analisi, che mette in evidenza gran- di deformazioni localizzate del telaio e degli arcarecci riscaldati.


Fig. 4. Modello n. 4 – Deformata a rottura

I grafici degli spostamenti dei nodi della struttura permettono di verificare che la trave principale del telaio riscaldato subisce inflessioni molto grandi, che portano la colonna a inclinarsi verso l’interno del compartimento, mentre le colonne della parete centrale subiscono deformazioni infe- riori a 5 cm: questo dimostra che quando la parte di struttura riscaldata è giunta a collasso il resto della struttura non subisce danneggiamenti.


Fig. 5. Modello n. 3 - Spostamenti dei nodi. Modello n. 4 - Azione sulla struttura non riscaldata

Il grafico degli spostamenti fuori piano degli arcarecci mostra che essi raggiungono l’instabilità flesso-torsionale dopo 790 sec. Nonostante lo svergolamento degli arcarecci l’analisi dinamica non si interrompe.

I risultati ottenuti nelle analisi condotte nell’ambito della ricerca hanno mostrato come i tre mo- delli di calcolo analizzati (ANSYS, ABAQUS e SAFIR) consentano di analizzare compiutamente e in modo concorde il comportamento globale 3D della struttura in caso di incendio, fino al com- pleto collasso in presenza di grandi spostamenti, permettendo di:
- simulare il meccanismo di rottura della struttura;
- prevedere l’influenza di rotture locali sul comportamento globale della struttura;
- seguire eventuali collassi progressivi della struttura.

Può essere così superata la semplificazione, spesso accettata nei calcoli convenzionali, secondo cui il tempo di collasso locale della struttura è interpretato come il tempo di resistenza al fuoco dell’intera struttura

 ALL'INTERNO DELL'ARTICOLO INTEGRALE L'ANALISI DELLE PRESTAZIONI DELLE STRUTTURE IN CASO DI INCENDIO

Memoria tratta dal XXV Concresso C.T.A.

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