Il comportamento di una struttura soggetta ad incendio: analisi e modellazione di un edificio in acciaio

Una rivisitazione dei Test di Cardington su un edificio in acciaio in caso di incendio

La moderna ingegneria antincendio ha avuto significativi cambiamenti negli ultimi anni. Si è passati da un approccio prescrittivo basato sulla protezione antincendio delle singole membrature ad un approccio più razionale che tiene conto di scenari di incendio più realistici, associati ad un comportamento strutturale più conforme alla realtà. 

Naturalmente, un approccio prestazionale richiede un’applicazione della metodologia antincendio più estesa e approfondita, tendendo a una decrescita dei costi della costruzione e un aumento della sicurezza. In questa ottica, i recenti studi sono stati intesi a garantire una migliore conoscenza del comportamento globale delle performance delle costruzioni, in particolare delle strutture in acciaio sottoposte a incendio, considerandole nella loro globalità e non come un insieme di elementi isolati. 

L’edificio di Cardington 

Tra il 1995 e il 1996, due istituti, il British Steel e il Building Research Establishment, portarono avanti una iniziativa europea di ricerca al fine di studiare il comportamento di un edificio reale multipiano in acciaio soggetto al fuoco. 

L’edificio fu costruito dal Building Research Establishment presso il laboratorio di Cardington e furono eseguite varie prove di incendio su diversi elementi strutturali. Gli obiettivi di questa ricerca possono riassumersi in:

• Fornire dei dati al fine di verificare i modelli computazionali soggetti a incendio;
• Dimostrare il comportamento delle strutture reali al fuoco;
• Fornire le basi per la preparazione di una metodologia di progettazione più razionale per strutture intelaiate in acciaio soggette al fuoco.

Studi e ricerche precedenti a Cardington evidenziarono la difficoltà di ottenere modelli accurati senza risultati sperimentali a disposizione. I risultati di tali prove furono importanti sia per capire il comportamento delle strutture reali in acciaio soggette a incendio, sia per fornire dei dati e dei parametri di confronto sui modelli computazionali, in quanto i metodi tradizionali di progettazione antincendio fino allora sviluppati portarono ad una eccessiva attuazione di metodologie di protezione antincendio, che, talvolta, non erano necessarie.

L'argomento è suddiviso in due parti.

Parte I -  Aspetti basilari dell’analisi di strutture soggette ad incendio e modellazione dell’edificio di Cardington

Nel primo contributo si vogliono ricordare le basi per l’analisi di strutture soggette ad incendio, attraverso aspetti basilari ma di non trascurabile importanza. In particolare, gli aspetti di modellazione numerica sono messi in rilievo, al fine di fornire una piccola guida sulla modellazione di edifici in acciaio/calcestruzzo in caso di incendio, considerando il comportamento termoplastico dei materiali. A questo scopo si vedrà un’applicazione pratica su un edificio in acciaio, sito a Cardington, in cui sono state condotte delle prove sperimentali di incendio simulato. Nella prima parte dell’articolo verrà illustrata la metodologia seguita nell’analisi e verranno illustrati esempi semplici su elementi a sviluppo lineare; nella seconda parte dell’articolo la metodologia di analisi verrà estesa l’applicazione ad elementi a sviluppo bidimensionale, concentrando l’attenzione anche sulla modellazione della temperatura. Tutte le analisi svolte sono state condotte con il codice di calcolo Straus7.

Parte II - Test di incendio su vasta scala e modellazione della temperatura

In questo secondo contributo vengono discussi i risultati relativi agli ultimi quattro test della campagna di Cardington, significativi dello sviluppo di un incendio su elementi bidimensionali o aree più estese. Rispetto ai due casi riportati nella prima parte dell’articolo, qui entra in gioco anche la modellazione della temperatura, come dato di ingresso nelle analisi. Essendo le curve di temperatura di natura sperimentale, ovvero direttamente registrate negli elementi o nell’ambiente, presentano la caratteristica di avere un tratto crescente, un tratto più o meno costante e un tratto discendente, tipico dell’evoluzione reale di un incendio. Tutte le analisi sono state svolte tramite il codice di calcolo Straus7 conducendo delle analisi non lineari e non stazionarie.

Ringraziamenti
Si ringrazia l’Ing. Perin per l’utilizzo a fini di ricerca del codice di calcolo Straus7 (www.hsh.info) e l’Ing. Marcello Mangione dell’Arma dei Carabinieri per la disponibilità alle discussioni sul tema. La ricerca è finanziata dal progetto PRIN 2015 Mitigating the impacts of natural hazards on cultural heritage sites, structures and artefacts (MICHe)