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Esempi di progettazione di Esempi di progettazione di resistenza al fuoco di resistenza al fuoco di
strutture in calcestruzzostrutture in calcestruzzo
Prof. Ing. Prof. Ing. Emidio NigroEmidio Nigro Dipartimento di Ingegneria StrutturaleDipartimento di Ingegneria Strutturale
Università di Napoli “Federico II”Università di Napoli “Federico II”
CONVEGNO AICAPCONVEGNO AICAPIl nuovo quadro normativo Il nuovo quadro normativo
sulla progettazione sulla progettazione antincendio delle strutture di antincendio delle strutture di
calcestruzzo armatocalcestruzzo armatoRoma, 8 Febbraio 2008Roma, 8 Febbraio 2008
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VERIFICA DI SICUREZZA IN CASO DI INCENDIOVERIFICA DI SICUREZZA IN CASO DI INCENDIO
Approccio StrutturaleApproccio Strutturale
Approccio basato sul MonitoraggioApproccio basato sul Monitoraggio
Approccio basato sull'EstinzioneApproccio basato sull'Estinzione
Possono essere individuati Possono essere individuati tre tipi di approcciotre tipi di approccio, utilizzabili , utilizzabili insieme o separatamente:insieme o separatamente:
la sicurezza viene ottenuta mediante la la sicurezza viene ottenuta mediante la combinazione di opportune scelte di combinazione di opportune scelte di compartimentazionecompartimentazione e di resistenza al e di resistenza al fuoco delle strutture. fuoco delle strutture.
è basato su sistemi di è basato su sistemi di rilevamento automatico di rilevamento automatico di fumi e/o calore e sulla fumi e/o calore e sulla trasmissione automatica trasmissione automatica dell'allarme ad dell'allarme ad un’apposita squadra di un’apposita squadra di interventointervento dei VVFVVFè basato su sistemi di è basato su sistemi di
spegnimento spegnimento automatico, come gli automatico, come gli Sprinklers, ed è sempre Sprinklers, ed è sempre collegato ad un sistema collegato ad un sistema automatico di allarme automatico di allarme
Emidio Nigro
3
richiestofidfi tt ,,
tdfitdfi ER ,,,,
dcrtd ,,
LA VERIFICA DI RESISTENZA AL FUOCOLA VERIFICA DI RESISTENZA AL FUOCO
(tempo di resistenza al fuoco di progetto ≥ (tempo di resistenza al fuoco di progetto ≥ tempo di resistenza al fuoco richiesto)
(resistenza in condizioni di incendio al tempo t ≥
Nel dominio delle temperature:Nel dominio delle temperature:
Nel dominio del tempo:Nel dominio del tempo:
Nel dominio delle resistenzeNel dominio delle resistenze::
0.1, fiM
Le verifiche di sicurezza possono essere condotte analizzando: elementi strutturali singoli, nelle loro condizioni di vincolo e di carico; parti significative della struttura; l’intera struttura, tenendo conto dell’evoluzione nel tempo e con la
temperatura delle caratteristiche geometriche degli elementi strutturali e delle proprietà meccaniche dei materiali
(temperatura dell’elemento al tempo t temperatura critica dell’elemento)
sollecitazione in condizioni di incendio al tempo t)
Emidio Nigro
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TIPOLOGIE DI INCENDIOTIPOLOGIE DI INCENDIO
La La curva di incendiocurva di incendio di progetto può essere: di progetto può essere:
NominaleNominale: curva adottata per la classificazione delle costruzioni : curva adottata per la classificazione delle costruzioni e per le verifiche di resistenza al fuoco di tipo convenzionale.e per le verifiche di resistenza al fuoco di tipo convenzionale.
NaturaleNaturale: curva determinata in base a : curva determinata in base a modelli d’incendio e a parametri fisici modelli d’incendio e a parametri fisici che definiscono le variabili di stato che definiscono le variabili di stato all’interno del compartimento. Le all’interno del compartimento. Le verifiche devono essere estese all’intera verifiche devono essere estese all’intera durata dell’incendio, inclusa la fase di durata dell’incendio, inclusa la fase di raffreddamento.raffreddamento.
Prove in fornoProve in forno
Emidio Nigro
5
i diKiKKpKGAdfi tAQQtPGF )()( ,,21,1,1,
L’incendio è considerato una “azione eccezionale“ per una struttura e si considera concomitante alla combinazione di carico quasi permanente delle azioni di altra natura:
con GA = 1.0 , 1,i e 2,i dipendenti dalla destinazione d’uso dell’edificio.
Con procedimento semplificato, le combinazioni di progetto per la verifica al fuoco Ffi,d possono essere ottenute riducendo le azioni di progetto allo stato limite ultimo a temperatura ordinaria Fd attraverso la formula:
dFF fidfi,
k
k
QG
GA
G
Q 1,1,11,1fi con,
5.14.1
0.1
Per gli usuali valori diPer gli usuali valori di xx risulta: risulta: hh=(0.5=(0.5÷÷0.7)0.7)
COMBINAZIONI DI CARICO IN CASO DI INCENDIOCOMBINAZIONI DI CARICO IN CASO DI INCENDIO
Emidio Nigro
6
VALUTAZIONE DELLA RESISTENZA AL FUOCOVALUTAZIONE DELLA RESISTENZA AL FUOCO
Verifica sperimentale: la valutazione della resistenza al fuoco può essere condotta mediante prove in forno di elementi caricati soggetti ad un incendio convenzionale.
Valutazione analitica della resistenza al fuoco: Verifica tabellare o grafica Metodi di calcolo semplificati Calcolo analitico (metodi di calcolo “avanzati”).
t,d,fit,d,fi ER
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VALUTAZIONE ANALITICA DELLA RESISTENZA AL FUOCOVALUTAZIONE ANALITICA DELLA RESISTENZA AL FUOCO
Travi o Colonne “tozze”:
A ciascun elementino della sezione corrisponde un proprio legame costitutivo, funzione della temperatura locale dell’elemento tenendo in conto la riduzione di resistenza prodotta dalla temperatura
Emidio Nigro
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CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI ULTIMECALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI ULTIME
Dalla conoscenza del legame di ciascuna fibra è possibile con gli usuali metodi, costruire il diagramma momento-curvatura della sezione per un prefissato valore dello sforzo normale N e calcolare il massimo momento M che la sezione può sopportare, assunto come momento ultimo Mu .
Emidio Nigro
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RIDUZIONE DEL DOMINIO DI RESISTENZA RIDUZIONE DEL DOMINIO DI RESISTENZA DI COLONNE IN C.A. IN CASO DI INCENDIODI COLONNE IN C.A. IN CASO DI INCENDIO
Emidio Nigro
10
CURVE DI DEGRADO DELLA RESISTENZA NEL TEMPO DI CURVE DI DEGRADO DELLA RESISTENZA NEL TEMPO DI COLONNE IN C.A. SOGGETTE AD INCENDIOCOLONNE IN C.A. SOGGETTE AD INCENDIO
)0(
)(
uN
tuN
0/
01.0/'
he
bhsA
11
Colonne “snelle”: “METODO DELLA COLONNA MODELLO”
1/r
ImaxM
M
arctg( 0.4PL )2
A
B
N=P
z
L
P
HM0
q(z)
a
z
v(z)
• Inflessione dell’estremo libero:Inflessione dell’estremo libero: 22
2L
r
140.0
r
1L4a
aNMM umax,I • Momento massimo del I-ordine:
VALUTAZIONE DELLA RESISTENZA AL FUOCO VALUTAZIONE DELLA RESISTENZA AL FUOCO DI COLONNE SNELLEDI COLONNE SNELLE
Emidio Nigro
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RIDUZIONE DEL DOMINIO DI RESISTENZA RIDUZIONE DEL DOMINIO DI RESISTENZA DI DI COLONNE SNELLECOLONNE SNELLE IN C.A. IN CASO DI INCENDIO IN C.A. IN CASO DI INCENDIO
Emidio Nigro
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METODO SEMPLIFICATO “ISOTERMA 500°CMETODO SEMPLIFICATO “ISOTERMA 500°CEUROCODICE 2 – ANNESSO BEUROCODICE 2 – ANNESSO B
Definizione della sezione ridotta:
Emidio Nigro
14Emidio Nigro
mt=omt=o
mt=omt=o
mt=omt=o
Fv1(t=o) Fv2(t=o)Fo1(t=o) Fo2(t=o)
F’v1(t=o) F’v2(t=o)
F’o1(t=o) F’o2(t=o)
ANALISI PER SINGOLI ELEMENTI ANALISI PER SINGOLI ELEMENTI O PER SOTTOSTRUTTUREO PER SOTTOSTRUTTURE
NTC 2008: NTC 2008: Si deve tener conto degli Si deve tener conto degli effetti delle sollecitazioni iperstaticheeffetti delle sollecitazioni iperstatiche dovute alle dilatazioni termiche contrastate a meno che non sia riconoscibile a priori dovute alle dilatazioni termiche contrastate a meno che non sia riconoscibile a priori che esse sono trascurabili o favorevoli o siano implicitamente tenute in conto nei che esse sono trascurabili o favorevoli o siano implicitamente tenute in conto nei modelli semplificati e conservativi di comportamento strutturale in caso di incendio.modelli semplificati e conservativi di comportamento strutturale in caso di incendio.
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EFFETTI DELL’INCENDIO – AZIONI INDIRETTEEFFETTI DELL’INCENDIO – AZIONI INDIRETTE
a) Riduzione di resistenza e rigidezza dei materiali e della struttura
b) Deformazioni termiche e variazioni di sollecitazioni
b1) Effetto della curvatura di origine termica
b2) Effetto della dilatazione termica
Emidio Nigro
16
EFFETTI DELLA TEMPERATURA SU TRAVI INFLESSEEFFETTI DELLA TEMPERATURA SU TRAVI INFLESSE
Schemi isostatici: Riduzione di resistenza. Schemi iperstatici: Riduzione di resistenza a momento positivo e
variazione delle sollecitazioni per la dilatazione termica impedita.
Emidio Nigro
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Trave doppiamente incastrata: la verifica allo stato limite ultimo può essere condotta calcolando il carico ultimo in condizioni di incendio, che corrisponde alla formazione di cerniere plastiche agli incastri ed in mezzeria della trave.
2
28
8 L
MMq
LqMM utut
uu
utut
ud qq ,fi
VERIFICA
Emidio Nigro
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EFFETTI DELL’INCENDIOEFFETTI DELL’INCENDIO
c) Effetti supplementari in regime di grandi spostamenti
c1) Sforzo assiale di compressione
c2) Sforzo normale di trazione (per spostamenti molto grandi)
0M N v
0M N v
Emidio Nigro
19Prof. Ing. E. Nigro
APPLICAZIONE 1 – STRUTTURA INTELAIATA IN C.A. APPLICAZIONE 1 – STRUTTURA INTELAIATA IN C.A. INCENDIO STANDARD ISO834INCENDIO STANDARD ISO834
Emidio Nigro
20Prof. Ing. E. Nigro
TELAIO MONOPIANO CON ISO834 - TELAIO MONOPIANO CON ISO834 - DEFORMATADEFORMATA
Emidio Nigro
21Prof. Ing. E. Nigro
TELAIO MONOPIANO CON ISO834 TELAIO MONOPIANO CON ISO834 SPOSTAMENTO MEZZERIA TRAVERSOSPOSTAMENTO MEZZERIA TRAVERSO
Emidio Nigro
22Prof. Ing. E. Nigro
TELAIO MONOPIANO CON ISO834 TELAIO MONOPIANO CON ISO834 – – DIAGRAMMA MOMENTIDIAGRAMMA MOMENTI
Emidio Nigro
23Prof. Ing. E. Nigro
TELAIO MONOPIANO CON ISO834TELAIO MONOPIANO CON ISO834MOMENTI IN MEZZERIA ED ESTREMITA’ TRAVERSOMOMENTI IN MEZZERIA ED ESTREMITA’ TRAVERSO
MEZZERIA TRAVE
NODO LATERALE
NODO CENTRALE
Emidio Nigro
-250
-200-150
-100 -50
0
50
100
24
Metodo ISOTERMA 500°C – Metodo ISOTERMA 500°C – NODO LATERALE TRAVERSONODO LATERALE TRAVERSO
225 /ckf N mm
2430 /ykf N mm
48,83
0,85
f sk
c
ck ridotta
A fy cm
f b
, , 4 ( / 2) 124fi d Rd f sk cM A f h y kNm
Armatura
4 16 Inferiori
4 16 Superiori
30 50Dimensioni x
Sezione soggetta a momento negativo
ISOTERMA 500 °C
Emidio Nigro
cmh
cmb
ridotta
ridotta
3.44
3.18
25
VERIFICA DI RESISTENZA – NODO LATERALE TRAVERSOVERIFICA DI RESISTENZA – NODO LATERALE TRAVERSO
Emidio Nigro
Diagramma Momento-Curvatura (Nodo laterale Traverso)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 0,025 0,05 0,075 0,1 0,125 0,15
Curvatura*h
Mom
ento
(kN
m) +
Mom-Curv (t = 0 sec)
Mom-Curv (t = 9756 sec)
MSd,fi (t = 0)
MSd,fi a t = 9756 sec (SAFIR)
MRd,fi (Metodo Isoterma 500°C)
Riduzione Resistenza
Variazione sollecitazioni (SAFIR)
Verifica per singoli elementi:MRd,fi > MSd,fi
t 160 min
26
Metodo ISOTERMA 500°C – Metodo ISOTERMA 500°C – MEZZERIA TRAVERSOMEZZERIA TRAVERSO
225 /ckf N mm
2430 /ykf N mm
,1 ,22 21,6
0,85
f y sk f y sk
c
ck
A k f A k fy cm
f b
, , ,1 ,22 ( / 2) 2 ( / 2) 45fi d Rd f y sk c f y sk cM A k f h y A k f h y kNm
1 ,1620,6 , 0,42yT C K
2 ,2748,1 , 0,172yT C K
Armatura
4 16 Inferiori
2 16 Superiori1 620,6T C
2 748,1T C
Sezione soggetta a momento positivo
30 50Dimensioni x
Emidio Nigro
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VERIFICA DI RESISTENZA - MEZZERIA TRAVERSOVERIFICA DI RESISTENZA - MEZZERIA TRAVERSO
Emidio Nigro
Diagramma momento-curvatura (Mezzeria Traverso)
-50
0
50
100
150
0 0,025 0,05 0,075 0,1 0,125 0,15
Curvatura*h
Mom
ento
(kN
m)
+
Mom-Curv (t = 0 sec)Mom-Curv (t = 9756 sec)MSd,fi (t = 0)MSd,fi a t = 9756 sec (SAFIR)MRd,fi (Metodo Isoterma 500°C)
Riduzione Resistenza
Variazione sollecitazioni (SAFIR)
Verifica per singoli elementi:MRd,fi < MSd,fi
t 125 min
t 160 min
28
Metodo ISOTERMA 500°C – Metodo ISOTERMA 500°C – NODO CENTRALE TRAVERSONODO CENTRALE TRAVERSO
225 /ckf N mm
2430 /ykf N mm
, 16 , 204 218,23
0,85
f sk f sk
c
ck ridotta
A f A fy cm
f b
, , , 16 , 204 ( / 2) 2 ( / 2) 221,7fi d Rd f sk c f sk cM A f h y A f h y kNm
Armatura
4 16 Inferiori2 16 4 20 Superiori
30 50Dimensioni x
Sezione soggetta a momento negativo
ISOTERMA 500 °C
Emidio Nigro
cmh
cmb
ridotta
ridotta
3.44
3.18
29Prof. Ing. E. Nigro
TELAIO MONOPIANO CON ISO834TELAIO MONOPIANO CON ISO834 – – SFORZO ASSIALE TRAVERSOSFORZO ASSIALE TRAVERSO
Emidio Nigro
30Prof. Ing. E. Nigro
APPLICAZIONE 2 – STRUTTURA INTELAIATA IN C.A. APPLICAZIONE 2 – STRUTTURA INTELAIATA IN C.A. INCENDIO NATURALEINCENDIO NATURALE (CURVA PARAMETRICA) (CURVA PARAMETRICA)
Emidio Nigro
31
Curve parametricheCurve parametriche Temperatura-tempoTemperatura-tempo
Emidio Nigro
32
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150
Tempo [min]
Tem
per
atu
ra [
°C]
Curva ParametricaISO 834
DEFINIZIONE DELLA CURVA INCENDIO NATURALE DEFINIZIONE DELLA CURVA INCENDIO NATURALE ((CURVA PARAMETRICACURVA PARAMETRICA))
ESEMPIO
2600 /fdq MJ m
2 1/ 21160 /b J m s K
1/ 20,07O m
Carico di incendio specifico di progetto
Pareti
Fattore di apertura
Emidio Nigro
33Prof. Ing. E. Nigro
TELAIO MONOPIANO CON INCENDIO NATURALETELAIO MONOPIANO CON INCENDIO NATURALEDEFORMATADEFORMATA
Emidio Nigro
34Prof. Ing. E. Nigro
TELAIO MONOPIANO CON INCENDIO NATURALETELAIO MONOPIANO CON INCENDIO NATURALESPOSTAMENTO MEZZERIA TRAVERSOSPOSTAMENTO MEZZERIA TRAVERSO
Emidio Nigro
35Prof. Ing. E. Nigro
TELAIO MONOPIANO CON INCENDIO NATURALETELAIO MONOPIANO CON INCENDIO NATURALEDIAGRAMMA DEI MOMENTIDIAGRAMMA DEI MOMENTI
Emidio Nigro
36Prof. Ing. E. Nigro
TELAIO MONOPIANO CON INCENDIO NATURALETELAIO MONOPIANO CON INCENDIO NATURALEMOMENTI IN MEZZERIA ED ESTREMITA’ TRAVERSOMOMENTI IN MEZZERIA ED ESTREMITA’ TRAVERSO
MEZZERIA TRAVE
NODO LATERALE
NODO CENTRALE
Emidio Nigro
-250
-200-150-100 -50
0
50
100
37Prof. Ing. E. Nigro
TELAIO MONOPIANO CON INCENDIO NATURALETELAIO MONOPIANO CON INCENDIO NATURALESFORZO ASSIALE TRAVERSOSFORZO ASSIALE TRAVERSO
Emidio Nigro
38
GRAZIE PER L’ATTENZIONEGRAZIE PER L’ATTENZIONE
39Prof. Ing. E. Nigro
APPLICAZIONE 3 – TEGOLO IN C.A.P.APPLICAZIONE 3 – TEGOLO IN C.A.P.
Emidio Nigro
40
EFFETTI DELL’INCENDIO SU COPERTURE CON TEGOLI IN C.A.P.EFFETTI DELL’INCENDIO SU COPERTURE CON TEGOLI IN C.A.P.
Notevoli deformazioni plastiche dei tegoli di coperturaEmidio Nigro
41
EFFETTI DELL’INCENDIO SU COPERTURE CON TEGOLI IN C.A.P.EFFETTI DELL’INCENDIO SU COPERTURE CON TEGOLI IN C.A.P.
Notevoli deformazioni plastiche dei tegoli di coperturaEmidio Nigro
42
EFFETTI DELL’INCENDIO SU COPERTURE CON TEGOLI IN C.A.P.EFFETTI DELL’INCENDIO SU COPERTURE CON TEGOLI IN C.A.P.
Crollo di alcuni tegoli di coperturaEmidio Nigro
43
EFFETTI DELL’INCENDIO SU COPERTURE CON TEGOLI IN C.A.P.EFFETTI DELL’INCENDIO SU COPERTURE CON TEGOLI IN C.A.P.
Notevoli deformazioni plastiche dei tegoli di coperturaEmidio Nigro
44
TEGOLO IN C.A.P.TEGOLO IN C.A.P.
Emidio Nigro
45Prof. Ing. E. Nigro
TEGOLO IN C.A.P.TEGOLO IN C.A.P.
Emidio Nigro
46Prof. Ing. E. Nigro
TEGOLO IN C.A.P.TEGOLO IN C.A.P.
Emidio Nigro
47
TEGOLO IN C.A.P.TEGOLO IN C.A.P.SPOSTAMENTO MEZZERIASPOSTAMENTO MEZZERIA
Emidio Nigro
48
TEGOLO IN C.A.P. TEGOLO IN C.A.P. SPOSTAMENTO ORIZZONTALE APPOGGIOSPOSTAMENTO ORIZZONTALE APPOGGIO
Emidio Nigro