Verifiche strutturali antincendio di un capannone in c.a.p. con EasyFire, il nuovo applicativo del software Straus7

La progettazione strutturale in condizioni eccezionali, come quelle determinate da un incendio, richiede strumenti di calcolo capaci di integrare il comportamento termico e meccanico dei materiali nel tempo, secondo i requisiti prestazionali imposti dagli Eurocodici.

Nel presente articolo si introduce EasyFire, un nuovo applicativo sviluppato dallo scrivente mediante il modulo API di Straus7, pensato per colmare il divario tra l’analisi strutturale convenzionale e le esigenze delle verifiche antincendio.

Verrà illustrato un caso studio relativo a un capannone industriale monopiano in cemento armato prefabbricato di uno stabilimento industriale sito ad Ancona, per il quale sono state eseguite analisi sia su elementi singoli che su porzioni di struttura (fig. 1).

I risultati ottenuti mostrano l’efficacia dell’approccio proposto nel valutare le prestazioni strutturali in fase eccezionale e confermano la validità di EasyFire come strumento innovativo per la progettazione antincendio. La distribuzione del software è prevista a breve.

L’applicativo in questione consente di elevare il livello delle analisi condotte con Straus7 fino a soddisfare pienamente i requisiti previsti dagli Eurocodici strutturali per la verifica della resistenza al fuoco delle strutture.

L’applicativo, le cui caratteristiche sono già state descritte dallo scrivente nell’articolo [12], consente l’analisi antincendio di strutture in cemento armato e di strutture composte acciaio-calcestruzzo, con o senza protezione. Prima di analizzare il caso studio, verrà eseguito un richiamo sui requisiti normativi.

Il codice di calcolo Straus7, [6], è distribuito in Italia dalla HSH srl di Padova.

RICHIAMI NORMATIVI
Le classi di resistenza al fuoco nei confronti della capacità portante sono espresse dai simboli R15, R20, R30, R45, R60, R90, R120, R180, R240 e R360, dove la lettera R rappresenta il requisito di capacità portante ed il numero esprime il tempo, in minuti primi, per il quale il requisito stesso viene garantito.
Le classi di resistenza al fuoco sono riferite all’incendio convenzionale rappresentato dalle curve di incendio nominali.
Per ogni spazio dell'edificio, è possibile progettare curve di fuoco che indicano la dipendenza dalla temperatura nel tempo. Tali curve sono uno strumento utile per progettare la sicurezza antincendio negli edifici. Durante il test, gli elementi dell'edificio sono esposti a un carico termico, che è determinato dalla curva di fuoco standard.
All'interno dell'articolo integrale in PDF sono descritti con dettaglio tutti i richiami normativi. > SCARICA IL PDF CON L'ARTICOLO INTEGRALE.

CALCOLO RESISTENZA AL FUOCO DELLA STRUTTURA IN C.A.P.

L’edificio presenta una struttura portante in cemento armato precompresso, si sviluppa su un piano fuori terra ed è dotato di copertura a falde inclinate.

Ciascun telaio è composto da 3 pilastri, con luci di 20 m e 11 m. I tegoli di copertura hanno luce pari a 10,84 m. I materiali utilizzati nella realizzazione degli elementi hanno le seguenti caratteristiche:

• Calcestruzzo con Rck = 50 MPa per elementi precompressi (travi di copertura e tegoli) e Rck = 45 MPa per elementi ad armatura lenta (pilastri), aggregati calcarei
• Armatura lenta Fe B 44k
• Acciaio armonico stabilizzato per trefoli Fptk ≥ 1.860 MPa, Fp(1)k ≥ 1.670 MPa, Ep = 205.000 MPa

La combinazione eccezionale è data da:

G₁+G₂+P+A_d+ψ₂₁⋅Q_k1

In cui G₁ e G₂  sono i carichi permanenti rappresentati dal peso proprio della struttura e dai carichi permanenti non strutturali (valutati pari a 30 kg/m²), P rappresenta l’azione di presollecitazione, mentre Q_k1 è il sovraccarico accidentale rappresentato dal carico neve (pari a 80 kg/m²): in base al D.M.17/01/2018, per un sovraccarico neve a quota < 1000 m s.l.m. il coefficiente di combinazione ψ₂₁ risulta pari a 0, per cui i carichi da considerare durante l’evento eccezionale incendio sono solo i permanenti.

Nei paragrafi seguenti verranno illustrate le analisi strutturali antincendio relative a singoli elementi e a porzioni della struttura.

Come già spiegato nell’art. [12] dello scrivente, i vari elementi Beam del modello globale sono collegati ai modelli delle sezioni, realizzati tramite elementi Plate, rappresentativi di acciaio, calcestruzzo, barre di armatura lenta e acciaio precompresso.

È chiaramente possibile modellare anche elementi Plate rappresentativi di materiali di protezione antincendio, che però non forniscono contributo alla resistenza strutturale della sezione. Nei modelli relativi alle sezioni degli elementi devono essere eseguite le analisi termiche in transitorio, in maniera da conoscere l’andamento della temperatura in funzione del tempo in ogni punto della sezione strutturale.

L’applicativo è in grado di eseguire in maniera automatica delle analisi non lineari per stage (tenendo conto della non linearità di materiale e geometrica) durante le quali le proprietà delle sezioni degli elementi Beam vengono gradualmente modificate in funzione delle temperature nei punti della sezione nello step corrente: ciò viene eseguito in maniera iterativa, in maniera da raggiungere la convergenza dei parametri inerziali delle sezioni stesse.

Durante la modifica dei parametri inerziali di una sezione in acciaio, i vari elementi della mesh, inizialmente collegati tra loro, vengono ridotti in funzione del rapporto tra la tensione stabilita dai legami dell’EC2 e dell’EC3 Parte 1-2, [3] e [4], per la deformazione e la temperatura in un dato punto e la tensione elastica nello stesso punto dell’elemento Beam originale.

EasyFire gestisce anche eventuali fasi di scarico dei vari elementi, seguendo un modello costitutivo elasto-plastico.

Infine, l’applicativo è in grado di calcolare e riportare nel modello principale gli effetti di dilatazione termica indotti sull’elemento Beam dal campo di temperature agenti nella sezione, il quale, nel caso più generale, presenta un andamento non lineare lungo gli assi locali della sezione stessa.

TEGOLO DI COPERTURA TRINERVATO 250x31, LUCE 10,84 m

Il tegolo risulta esposto all’incendio nominale su tutti i lati, ad eccezione del lato superiore, esposto all’aria.
Le due immagini seguenti illustrano rispettivamente la tavola di produzione del prefabbricatore (fig. 6, dalla quale si evincono la natura calcarea degli aggregati, le armature lente e di precompressione e la classe del calcestruzzo) e la mappatura termica della sezione trasversale del tegolo (fig. 7) dopo 30 minuti di esposizione al fuoco normalizzato. La presollecitazione viene modellata applicando ai trefoli una predeformazione εp = 5‰.

La fig. 8 illustra la deformata e il rapporto domanda/capacità agli istanti T = 0 s, T = 640 s, T = 1.240 s, T = 1.840 s. La fig. 9 illustra l’andamento nel tempo della freccia in mezzeria del tegolo di copertura. Il collasso avviene all’istante 1.900 s. Pertanto si può attribuire al tegolo in esame la classe di resistenza al fuoco R30.

L'articolo continua con la trattazione del

• TEGOLO DI COPERTURA BINERVATO 250x31, LUCE 10,84 m
  
• TELAIO COMPOSTO DA TRAVI DI COPERTURA E PILASTRI
  
• VERIFICA A COLLASSO IMPLOSIVO DEL MODELLO FEM TRIDIMENSIONALE
  
• DOMINI DI RESISTENZA TEGOLO DI COPERTURA TRINERVATO 250x31 CON ARMATURA PRECOMPRESSA

Modellazione FEM e resistenza al fuoco: i benefici operativi del nuovo EasyFire

Il caso studio presentato ha evidenziato in modo concreto le potenzialità di EasyFire, il nuovo applicativo sviluppato dallo scrivente per Straus7, [6], nell’ambito delle verifiche strutturali antincendio. Attraverso l’integrazione tra modellazione termica e analisi termomeccanica non lineare, è stato possibile simulare in modo realistico il comportamento di elementi strutturali prefabbricati in c.a.p. esposti a incendio, tenendo conto della degradazione dei materiali, della presollecitazione e delle deformazioni termiche.

L’applicativo consente di automatizzare l’intero processo di calcolo, passando dall’andamento nel tempo delle temperature nei vari punti delle sezioni alla modifica progressiva delle proprietà meccaniche degli elementi Beam durante le fasi di incendio. Ciò si traduce in una notevole riduzione dei tempi di analisi e in un aumento dell’affidabilità e della coerenza delle verifiche, grazie al rispetto puntuale delle prescrizioni degli Eurocodici strutturali (EC2 ed EC3 Parte 1-2).

I risultati ottenuti nelle diverse configurazioni analizzate (tegoli singoli, telaio parziale, modello tridimensionale di una porzione di struttura) hanno confermato l’efficacia dell’approccio proposto nel prevedere il collasso strutturale e la relativa classe di resistenza al fuoco, compresa la possibilità di evidenziare meccanismi complessi come il collasso implosivo.

EasyFire rappresenta una novità rilevante nel panorama degli strumenti FEM per la sicurezza antincendio, offrendo una soluzione integrata e automatizzata in grado di coniugare l’accuratezza della modellazione numerica con il rigore delle verifiche normative. La sua distribuzione è prevista a breve, e costituirà un valido supporto operativo per i professionisti impegnati nella progettazione strutturale in condizioni di incendio.