Protezione al fuoco di aste in acciaio con ThermoCAD

Da molti anni le normative incoraggiano l’uso di software per calcoli strutturali complessi. Anche nel caso dell’analisi strutturale al fuoco, la verifica analitica attraverso l’uso del software adatto, al posto della soluzione tabellare, consente di sfruttare meglio la sezione.

Gli elementi strutturali di edifici o impianti devono poter mantenere sufficienti caratteristiche di resistenza anche in caso di incendio.

La norma di riferimento per analisi di resistenza in quest’ambito, è l’Eurocodice, che prevede valutazioni di diverso tipo tra cui una verifica analitica basata sull’uso di appositi software.

ThermoCAD, prodotto da Concrete, è un software in grado di valutare la diffusione delle temperature al variare del tempo con un proprio solutore ad elementi finiti per qualsiasi materiale e determinare il criterio di resistenza “R” di sezioni in calcestruzzo armato, acciaio, legno o muratura.

Con ThermoCAD simuli l’effetto del fuoco su qualsiasi materiale strutturale.
Dimentica i limiti delle soluzioni tabellari.
Analizza, verifica, progetta.
SCOPRI DI PIU' SU THERMOCAD O SCARICA LA SCHEDA TECNICA

Analisi termica FEM con ThermoCAD su profilo HEA 200

In questo esempio lo utilizziamo per la verifica di una colonna in acciaio di tipo HEA 200 esposta all’incendio sull’intero contorno, in varie ipotesi di protezione.

Simulazione su sezione in acciaio non protetta: risultati e criticità

L’analisi termica FEM è stata condotta applicando la curva d’incendio normalizzato standard per 60 minuti.

Essa ci evidenzia, come era immaginabile vista la conducibilità elevata dell’acciaio, che la sezione aumenta rapidamente la sua temperatura in pressoché tutti i punti, anche interni. Già dopo 10 minuti, nel nodo più interno alla congiunzione ala-anima, si possono superare i 500°C, come si può notare nella figura seguente.

Si conducono le verifiche di resistenza, a passi di 10 min fino alla durata prevista di 60 minuti. Tali verifiche dell’acciaio per sezioni di classe 1 o 2 vengono condotte individuando il dominio di resistenza, definito plasticizzando tutte le fibre della sezione, e calcolando il coefficiente di sfruttamento. Le verifiche di instabilità vengono condotte secondo le prescrizioni della UNI EN 1993-1-2.

La sollecitazione di progetto applicata è Mx=400000 daNcm, N=-4000 daN; a temperatura ambiente lo sfruttamento maggiore risulta per instabilità, con valore sf=0.448 [formula 4.21 a] e corrispondente c.s. pari a 2.2. Al tempo 10’ lo sfruttamento sale a 0.9; al tempo 20’ risulta ben superiore all’unità.

La sezione non protetta resiste quindi solo fino al primo step di verifica, e può essere classificata come R10.

Efficienza della protezione con vernice intumescente: test e durata R

Un metodo di protezione dell’elemento strutturale veloce ed economico è costituito dall’applicazione di vernici intumescenti, cioè sottili strati di appositi prodotti che, in caso di incendio, si espandono formando micro-cavità spugnose atte a rallentare l’effetto della fiamma sulle superfici sottostanti; l’effetto di protezione è quindi di tipo misto chimico-fisico, più che di pura propagazione termica.

La sua efficacia varia da prodotto a prodotto, in funzione anche dello spessore di applicazione e dalla forma della sezione esposta, valutata, usualmente, dal Fattore di massività.

I produttori forniscono generalmente delle tabelle o degli abachi per determinare lo spessore di prodotto per il grado di protezione richiesto (ad esempio R30), in funzione anche della massività.

Tali tabelle derivano da relazioni empiriche o prove sperimentali, perciò non utilizzabili in modo analitico; per poter fare questo occorre introdurre il concetto di Spessore equivalente, cioè, equiparare la protezione di una vernice ricavata da una prova sperimentale, ad esempio R30, con quella offerta da uno spessore di un rivestimento convenzionale, in genere malte cementizie.

A seconda della densità di applicazione e della massività della sezione una vernice intumescente può offrire una protezione equivalente ad uno spessore di calcestruzzo da 10 a 30 mm, ed oltre.

Nel nostro caso applichiamo alla sezione, mediante l’apposito comando Disegna > Circonda con blocchi… uno spessore di 1 cm di blocchi in calcestruzzo siliceo, definenti il nostro spessore equivalente di vernice; infine applichiamo l’esposizione al fuoco sull’intero perimetro con l’apposito comando Disegna > Circonda con condizione….

Lanciando il solutore termico e chiedendo la verifica in tutti gli step, otteniamo una resistenza R20. Abbiamo dunque raddoppiato la durata rispetto al caso non protetto.

Rivestimento in gessofibra su colonne in acciaio: analisi dei benefici

Un altro metodo di protezione ricorrente è ottenuto mediante boxing della sezione con lastre di apposito materiale.

Come fatto in precedenza circondiamo la sezione con blocchi di spessore (commerciale) di 12.5 mm, del materiale predefinito “Knauf firebord”.

Completiamo con blocchi interni del materiale predefinito “aria secca”; infine applichiamo l’esposizione al fuoco sull’intero perimetro con l’apposito comando Disegna > Circonda con condizione….

Lanciando solutore termico e verifica in tutti gli step otteniamo una resistenza R60.

La mappatura termica a 60 minuti ci mostra come la temperatura della sezione in acciaio resti in questo caso sempre al di sotto dei 600°C, consentendo il raggiungimento della verifica.

I vantaggi dell’analisi FEM rispetto alle verifiche tabellari statiche

I metodi tabellari proposti dalla norma hanno validità limitata a geometrie e condizioni specifiche, senza estrapolazioni e solo per curva di incendio standard.

Attraverso l’uso di un software è possibile, invece, valutare la variazione di temperatura al variare del tempo in una sezione multimateriale di forma generica.

È possibile prevedere poi la verifica analitica con la determinazione di “R”, normalmente valutata nella combinazione di carico eccezionale, anche passando i dati da Sismicad, sia per curve di riscaldamento da normativa che personalizzabili, con una migliore flessibilità.

🔎 Vuoi approfondire l’analisi strutturale al fuoco con strumenti avanzati?

Scopri come sfruttare ThermoCAD per simulazioni FEM su profili in acciaio.