Analisi strutturale in caso di incendio

In questo articolo alcuni scenari che coinvolgono il calcolo automatico di strutture soggette ad incendio utilizzando il codice di calcolo Straus7.

Le analisi strutturali in caso di incendio presentano diversi caratteri di complessità: prima di tutto, è evidente la necessità di tenere in conto il comportamento nonlineare del materiale e la dipendenza delle caratteristiche meccanico-fisiche di questo dalla temperatura; inoltre, riducendo la temperatura considerevolmente la rigidezza del materiale, è implicita la necessità di tenere in conto anche i grandi spostamenti che una struttura può esibire, e il riflesso che questi hanno sull’equilibrio.

Al riguardo, in una costruzione si sviluppano fenomeni sia negativi, come il thermal-buckling ovvero l’instabilità che si manifesta in un elemento soggetto ad espansione contrastata, sia positivi, come il bowing effect che permette di sopportare i carichi in stato di danneggiamento avanzato per la struttura, considerando la possibilità di sviluppare un meccanismo resistivo per azione funicolare o membranale.

Strutture soggette ad incendio: i casi in cui è necessaria l'analisi strutturale in campo non lineare

L’implementazione di procedimenti di analisi strutturale in campo nonlineare sia per materiale sia per geometria, con dipendenza dall’evoluzione della temperatura sulla struttura, risulta necessaria in caso di incendio per almeno tre motivi:

• il primo motivo è dato dalla necessità di simulare realisticamente il comportamento strutturale: l’insieme di differenti simulazioni possono illustrare la risposta di una costruzione, a livello qualitativo prima che quantitativo. Nella fase di progettazione quindi, tali simulazioni possono così condurre a scelte concrete e consapevoli. Nel caso dell’analisi postuma di un incidente invece, quali quelle svolte in un processo tipico di ingegneria forense, le simulazioni sono di supporto alla spiegazione dell’evento, nelle sue origini e nel suo sviluppo;
• il secondo motivo riguarda la reale capacità di sviluppare un progetto con una impostazione prestazionale: in questo caso, infatti, si ha la necessità di vedere l’influenza delle varie scelte progettuali sul comportamento strutturale e il riverbero che queste scelte hanno sulla sicurezza. Tale operazione necessaria, può essere correttamente svolta, solo grazie all’ausilio dei suddetti procedimenti di analisi strutturale, i quali permettono una classificazione quantitativa delle prestazioni strutturali fornite dalle varie scelte;
• l’ultimo motivo riguarda gli effetti estremi che un’azione accidentale come l’incendio può comportare. Infatti, se è vero che la progettazione strutturale è solo una parte del processo complessivo con cui ci si protegge dall’incendio, è anche vero che la robustezza strutturale, intesa come la capacità di una costruzione di incassare passivamente un simile scenario accidentale senza collassi sproporzionati, risulta essenziale per poter confinare l’evento negativo qualora questo si sia manifestato. Queste analisi strutturali in campo nonlineare sono quindi necessarie per valutare la robustezza strutturale.

Nel seguito, saranno presentati due situazioni tipiche:

• la validazione con il codice di calcolo di schemi intelaiati di casi noti in letteratura;
• l’analisi di un edificio multipiano in caso di incendio.

La validazione con il codice di calcolo di schemi intelaiati di casi noti

In questo paragrafo si vuole esplorare il comportamento sotto incendio di strutture intelaiate, che naturalmente risultano in una situazione intermedia tra strutture semplici, come per esempio, elementi monodimensionali quali travi e colonne, e strutture più complesse come un edificio nella sua tridimensionalità. Gli esempi presentati di seguito sono casi noti in letteratura, in cui si è svolta una validazione numerica con il codice di calcolo Straus7.

In Figura 1 sono riportati gli schemi geometrici dei telai analizzati, soggetti ad una curva d’incendio standard ISO 834 (Figura 3). In Tabella 1 sono riportati i dati geometrici e meccanici adottati. Tutte le sezioni sono del tipo IPE 80. I telai EHR ed EGR sono soggetti ad una temperatura uniformemente distribuita sulle colonne e sul traverso, mentre il caso presentato ZSR è soggetto ad una temperatura distribuita uniformemente solo sulla prima campata [2, 3, 4].

Come si evince dalle Figura 4, Figura 5, Figura 6 (in ascissa è riportata la temperatura [°C] e in ordinata lo spostamento [mm]) e dalla Tabella 2, l’analisi svolta con il codice di calcolo Straus7 restituisce dei risultati confrontabili con i test sperimentali e le modellazioni effettuate da altri autori in termini di temperatura di collasso o runaway. A tal proposito, in tutti i casi è interessante notare il raggiungimento di una temperatura di runaway corrispondente alla tangente verticale. Deve essere notata una certa distribuzione dei risultati ma anche la loro essenziale coerenza.

Modellazione e analisi di edifici multipiano in caso di incendio

In questo breve contributo si vuole illustrare come si può riprodurre con il codice commerciale di calcolo Straus7 il modello di un edificio multipiano e svolgere delle analisi termo-plastiche al fine di confrontare i risultati ottenuti dal codice con i risultati sperimentali. 

A questo scopo si è voluto prendere come benchmark l’edificio di Cardington, dove tra il 1995 e il 1996 sono stati effettuati dei test sperimentali di incendio al fine di studiare il comportamento di un edificio reale multipiano in acciaio soggetto al fuoco: questo caso è ampiamente documentato in letteratura [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]. 

L’edificio sito a Cardington copre un’area per ogni piano di 21m × 45m con un’altezza complessiva di 33 m, suddivisi in 8 piani (Figura 7). Nella pianta rettangolare, presenta 5 campate di luce pari a 9 m lungo la lunghezza e 3 campate di luce pari rispettivamente a 6 m, 9 m e 6 m, lungo la larghezza. Al centro dell’edifico è presente il vano ascensore di lunghezza pari a 9 m × 2.5 m e i vani scala di dimensione pari a 4 × 4.5 m. In Figura 8 è riportata la pianta dell’edificio. Le travi principali e secondarie appartengono alla serie inglese UB: in Tabella 3 sono riassunte le relative sezioni delle diverse travi.

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