Analisi strutturali con Straus7 di capannoni in acciaio in condizioni di incendio

Si prende in considerazione un capannone industriale monopiano in acciaio per il deposito di materiale plastico. L’obiettivo di tale lavoro consiste nel confrontare, in termini di resistenza al fuoco, i risultati ottenuti mediante calcoli semplificati secondo l’Eurocodice su singoli elementi con quelli ottenuti con valutazione analitiche avanzate attraverso modelli ad elementi finiti 2D e 3D. L’azione dell’incendio viene modellata in tutti i casi con la curva nominale ISO834 applicata sulla frontiera di tutti gli elementi strutturali.

 

Figura 1. Esempio di capannone in acciaio (fonte: edilportale).

DESCRIZIONE DELLA GEOMETRIA

Si considera un capannone industriale in acciaio con dimensioni in piante di 24x72 m, l’altezza massima è di 10,6 m in gronda e 11,2 m al colmo della copertura con pendenza della stessa pari al 5 (%), [1].

Il sistema strutturale è composto da 13 portali paralleli tra loro disposti ad una distanza di 6 m, ciascun portale è costituito da due pilastri alle cui teste è collegata la trave reticolare di copertura. Su ogni colonna, ad un’altezza di 7,6 m, è presente una mensola tozza per il sostegno della via di corsa del carroponte.

La direzione ortogonale a tali portali è invece irrigidita con tralicci di controvento verticali e controventi di falda. La trave reticolare è collegata ai pilastri con collegamento a cerniera, mentre i pilastri sono vincolati a terra con incastri che rappresentano uno schema statico a mensola.

I collegamenti tra le membrature costituenti la travatura principale sono realizzati mediante saldatura, mentre gli altri collegamenti (arcarecci, trave-trave, trave colonna) sono realizzati mediante unioni bullonate.

In Tabella 1 sono riportate le sezioni attribuite a ciascun elemento strutturale del telaio principale.

Tabella 1. Sezioni.

RESISTENZA AL FUOCO

Applicando il nuovo codice (D.M. 05/08/2015) [2], si determinano i relativi profili di rischio, che nel caso in questione sono R_vita = A3; R_beni = 1; R_ambiente non significativo.

Per quel che riguarda la strategia S2 – Resistenza al fuoco, è possibile adottare, nel caso in esame, il Livello di prestazione II, la cui soluzione conforme richiede, tra l’altro, una classe minima di resistenza al fuoco di 30 minuti (par. S.2.4.2 comma 3), essendoci un carico d’incendio specifico di progetto significativo.

L’adozione di soluzioni conformi, che si traduce in generale nella determinazione di classi appropriate di resistenza al fuoco per ciascun compartimento, comporta la necessità di verificare le prestazioni di resistenza al fuoco delle costruzioni in base agli incendi convenzionali, così come previsto nel par. S.2.5.

Si dovrà pertanto utilizzare la combinazione eccezionale secondo le NTC [3] e valutare le prestazioni di resistenza al fuoco degli elementi secondo prove, calcoli o confronti con tabelle (paragrafo S.2.10). Escludendo a priori le metodologie tabellare e sperimentale, non rimane pertanto che valutarle in maniera analitica.

METODI ANALITICI DELL’EUROCODICE

I metodi di calcolo da utilizzare sono quelli contenuti nell’Eurocodice; in particolare, trattandosi di struttura in acciaio, si farà riferimento in particolare all’EN 1993-1-2 “Progettazione delle strutture in acciaio- Parte 1-2: Regole generali – Progettazione strutturale contro l’incendio”, nonché alle altre parti della stessa EN 1993, [4].

Si classificano le sezioni secondo quando prescritto nell’Eurocodice 3 – Parte 1-2, in maniera analoga a quanto si fa per le sezioni a freddo, ma imponendo un valore di ε=0,85√(235⁄f_y ) ; si nota, come riportato in Tabella 2, che le sezioni più problematiche risulteranno essere la 2L40x5 e 2L50x6, soggette a compressione. Per le sezioni, classificate in classe 4, l’Eurocodice impone un limite della temperatura critica di 350 °C in caso di sollecitazioni di compressione. Questo comporta un tempo di resistenza di circa 6 minuti.

Tabella 2. Tempi di resistenza del telaio principale secondo i metodi analitici semplificati dell’Eurocodice.

È bene precisare che queste sono verifiche sezionali condotte sui singoli elementi e che pertanto escludono ogni tipo di ridistribuzione delle sollecitazioni e non tengono conto delle azioni indirette; come si vedrà in seguito, ciò porta a valutazioni di resistenza al fuoco non conservative e pertanto tali effetti, soprattutto il secondo, non possono essere sempre trascurati.

MODELLAZIONE AD ELEMENTI FINITI

Il codice di calcolo utilizzato per la modellazione ad elementi finiti è lo Straus7, [5], utilizzato sia per applicazioni di tipo lineare che non-lineare (per geometria, materiale e condizioni al contorno), relativamente ad analisi della risposta statica), dinamica e termo-meccanica, sia in condizioni stazionarie che transitorie.

I risultati ottenuti con Straus7 sono stati pertanto confrontati con i risultati ottenuti con Safir [6], [7], che è un codice di calcolo universalmente riconosciuto sviluppato dall’Università di Liegi unicamente per la simulazione del comportamento al fuoco delle strutture, di tipo specifico, nel quale le analisi termica e strutturale sono debolmente accoppiate, nel senso che viene eseguita prima l’analisi termica e poi quella meccanica. Tale approccio è valido nella maggioranza delle situazioni, in quanto la temperatura ha notevole influenza sulla risposta meccanica delle strutture, mentre l’effetto inverso è trascurabile, fatti salvi alcuni casi specifici, quali ad esempio calore generato dalle plasticizzazioni, anisotropia della conducibilità termica in materiali fratturati, ecc.

Lo scopo di questo lavoro è dunque quello di confrontare i risultati ottenuti mediante Straus7, codice generale per molteplici applicazioni di calcolo strutturale, con quelli di Safir, codice specifico per la resistenza la fuoco, che implementa in sé diversi elementi e materiali, in accordo con gli Eurocodici, per un’analisi strutturale e termica spinta ad alte temperature e che pertanto viene assunto come riferimento ai fini della validazione dei risultati.

Il cimento termico è stato modellato attraverso la curva nominale ISO834, così come definita nel D.M. 03/08/2015, applicandola a tutti gli elementi del compartimento; successivamente si è proceduto ad un confronto con i tempi di resistenza ricavati dai calcoli analitici proposti nell’EC3-parte 1-2 su singoli elementi.

Come si nota da Figura 2, assumendo la temperatura in ciascun elemento uniforme, tenendo conto del rispettivo fattore di sezione e delle indicazioni dell’Eurocodice 3 Parte 1-2, si ottengono gli andamenti nel tempo, con valori più bassi al diminuire del fattore di sezione dell’elemento. In Straus7 deve essere a priori il progettista a calcolare la temperatura per ciascun elemento e quindi ad assegnargliela, mentre in Safir, una volta definite sezione e tipo di condizioni al contorno, il calcolo del campo di temperatura per ciascun elemento viene effettuato mediante solutore interno. In ambo i casi il campo di temperatura all’interno dei singoli elementi costituisce sostanzialmente un dato di input.

Figura 2. Andamenti delle temperature negli elementi strutturali del telaio principale.

MODELLO 2D

Il modello piano del telaio principale del capannone è stato realizzato in Straus7 con 304 elementi beam e 273 nodi. In seguito all’esecuzione di opportune analisi non lineari, con non linearità di materiale e di geometria, si ricavano gli spostamenti e le sollecitazioni al variare del tempo; in Figura 3 viene mostrata la deformata del modello con un fattore di scala pari al 5%, all’inizio dell’analisi (t=5 sec) e al momento del collasso (835 sec). Il solutore si blocca dopo circa 14 minuti in Straus7 per la formazione di cerniere plastiche sugli elementi diagonali della travatura reticolare (Figura 5), a cui segue l’instabilità degli elementi verticali della travatura che bloccano definitivamente l’analisi.

Figura 3. Deformata all’inizio dell’analisi e al momento del collasso (Straus7).

In Safir si ottengono risultato analoghi in termini di tempo (890 s) e di modalità di collasso (cerniere plastiche ed instabilizzazione sugli elementi diagonali e verticali della travatura). In Figura 4 viene mostrata la deformata del modello con un fattore di scala pari a 5, all’inizio dell’analisi (t=1 sec) e al momento del collasso (890 sec).

Figura 4. Deformata all’inizio dell’analisi e al momento del collasso (Safir).

Figura 5. Formazione delle cerniere plastiche negli elementi diagonali della travatura reticolare.

Di seguito si riportano nelle Figure 6 e 8 i risultati in termini di spostamenti in funzione del tempo del nodo in mezzeria e del nodo laterale del telaio in esame secondo i due codici di calcolo. Le due figure mostrano andamenti simili, che tuttavia si discostano per via della modalità di applicazione della temperatura sull’elemento strutturale. Ad esempio dopo 300 secondi (5 minuti) la temperatura applicata all’elemento 2UPN120 del corrente inferiore in Straus7 è di 196,5°C ed è costante sull’altezza dell’elemento. In Safir invece il valore medio è leggermente più alto, come si vede dalla Figura 7, e soprattutto non costante nella sezione. Ciò fornisce una spiegazione, anche se non esaustiva, in merito alla differente deformabilità verticale ed orizzontale della struttura.

Figura 6. Confronto tra Straus7 e Safir dello spostamento in mezzeria del corrente inferiore del telaio.

Figura 7. Andamento della temperatura nel corrente inferiore 2UPN120 a 300 sec (5 minuti), Safir.

Figura 8. Confronto tra Straus7 e Safir dello spostamento orizzontale del nodo colonna-mensola carroponte.

Se si prendono in considerazione ad esempio le diagonali 2L40x5, che sono le prime a plasticizzarsi, si nota che in Straus7 al momento del collasso queste raggiungono una temperatura di 672 °C, mentre in Safir valori leggermente più alti come mostrato in Figura 9.

Figura 9. Andamento della temperatura nelle diagonali 2L40x5 a 889 sec (15 minuti circa), Safir.

Queste differenze portano a delle variazioni in termini di spostamento tra i due modelli di calcolo realizzati che tuttavia riescono ad ottenere lo stesso meccanismo di collasso in un tempo più che confrontabile.

Nulla vieterebbe di valutare il campo di temperatura nei singoli elementi strutturali mediante il Safir oppure altri codici di calcolo specifici; ciò comporterebbe una riduzione ulteriore delle differenze riscontrate, ma anche la necessità e difficoltà di disporre di più solutori specifici.

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