Ruolo delle connessioni bullonate nella resistenza al fuoco di edifici in acciaio

La progettazione della sicurezza antincendio degli edifici riguarda sia l’utilizzo di misure di prevenzione attiva come impianti antincendio, sia misure di prevenzione passiva il cui obiettivo consiste nel garantire robustezza strutturale, l’ultima risorsa a disposizione per raggiungere gli obiettivi prestazionali richiesti. L’obiettivo prestazionale minimo è il mantenimento dell’integrità strutturale per un lasso di tempo necessario all’evacuazione degli occupanti presenti nell’edificio. In questo contesto, le connessioni giocano un ruolo fondamentale. Nel presente lavoro viene proposto un metodo per la stima del punto di performance delle suddette connessioni bullonate in caso di incendio che, grazie all’utilizzo della modellazione FEM, è in grado di prendere in considerazione la corretta curva di taglio risultante sulla connessione, ottenuta valutando opportunamente la curva di compressione netta, la temperatura di contatto (tra i singoli elementi strutturali convergenti nell’unione considerata) e la temperatura di espansione libera degli elementi sotto fuoco. Tale metodo è poi stato applicato ad un caso studio del quale sono stati analizzati i possibili meccanismi di collasso, stimando per ognuno di essi un tempo critico. Possibili strategie di intervento sono infine introdotte.

The fire safety design of buildings concerns both the use of active prevention measures such as fire prevention systems, and passive prevention measures whose objective is to guarantee structural robustness, the last resource available to achieve performance objectives required. The minimum performance objective is the maintenance of structural integrity for a period necessary to evacuate the occupants of the building. In this sense, connections play a fundamental role. In this work, a method is proposed for estimating the performance point of the bolted connections in the event of fire which, thanks to the use of FEM modeling, is able to take into consideration the correct shear curve resulting on the connection, obtained by evaluating appropriately the net compression curve, the contact temperature (between the individual structural elements converging in the union considered) and the free expansion temperature of the elements under fire. This method is then applied to a case study of which the possible collapse mechanisms were analysed, estimating a critical time for each of them. Possible intervention strategies are also discussed.

Gli approcci della norma EN 1993-1-2 sulla verifica dei collegamenti in caso di incendio risultano essere troppo semplificati, ecco perchè

Come le membrature, anche le connessioni se esposte all’azione dell’incendio sperimentano una perdita di resistenza e di rigidezza: facendo riferimento ai metodi di classificazione delle connessioni, si assiste ad un declassamento in termini di resistenza rigidezza e duttilità, con un conseguente cambiamento della risposta globale della struttura in quanto le condizioni di vincolo si modificano al variare della temperatura e gli sforzi si ridistribuiscono nei vari elementi.

La norma EN 1993-1-2 tratta il problema della verifica dei collegamenti bullonati e saldati in condizioni di incendio adottando due approcci differenti: i) fornisce delle prescrizioni che dovrebbero garantire la sicurezza delle connessioni in caso di incendio e ii) in alternativa fornisce delle indicazioni per la valutazione in termini quantitativi del degrado della resistenza a caldo delle connessioni.

Questi approcci, tuttavia, risultano essere troppo semplificati per due ragioni principali: trascurano le sollecitazioni indotte dalle dilatazioni termiche impedite dalle condizioni di vincolo (che si traducono per le componenti della connessione in uno sforzo di taglio aggiuntivo da sostenere) e trascurano gli effetti del 2° ordine dovuti alle grosse deformazioni e allo schema statico della trave; per tali motivi, la stima del tempo di collasso dell’unione risulta errata (Fig. 1).

Durante l’incendio infatti è possibile individuare due fasi nella risposta dell’elemento strutturale investito dal flusso di calore: una prima fase in cui le dilatazioni termiche impedite si traducono nella nascita di sforzi interni di compressione e una seconda fase in cui si sviluppa il cosiddetto “effetto catenaria” a causa dell’elevato degrado delle proprietà del materiale e della crescente entrata in campo plastico: la trave dunque sperimenta uno scarico tensionale poiché si appende ai vincoli fino ad assistere alla nascita di sforzi di trazione, i quali vengono amplificati successivamente nella fase di raffreddamento in cui si ha un ritiro della trave.

Inoltre, la trave sperimenta grandi deformazioni che combinate con le reazioni vincolari producono momenti flettenti del 2° ordine che incrementano le sollecitazioni agenti, con un conseguente andamento del taglio variabile in funzione della temperatura e quindi del tempo.

Le sollecitazioni assiali dovute all’azione termica si traducono in uno sforzo di taglio aggiuntivo sulla connessione che spesso in fase di progettazione non sono state considerate dal progettista. In virtù di tali considerazioni, nel presente lavoro si suggerisce un approccio di tipo prestazionale volto al miglioramento della stima dei tempi di collasso delle unioni bullonate semplici reagenti a taglio, attraverso una metodologia ben definita utilizzando un modello FEM con elementi “beam”.

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L'intera memoria è in lingua inglese.

La presente relazione è stata presentata in occasione del XXIX Congresso CTA, svoltosi a Milano il 26 e 27 settembre 2024.