STRUCTURAL FIRE SAFETY ENGINEERING L’Approccio ... sba/sala A... · L’Approccio ingegneristico alla sicurezza ... Eurocodice 3 –Progettazione delle strutture di acciaio–Parte

Prof. Ing. Emidio NigroDi.St. - Dipartimento di Strutture per

l’Ingegneria e l’ArchitetturaUniversità di Napoli Federico II

E-mail: [email protected] www.promozioneacciaio.it

STRUCTURAL FIRE SAFETY ENGINEERINGL’Approccio ingegneristico alla sicurezza

strutturale in caso di incendio

in collaborazione con:Ing. Giuseppe Cefarelli, Ing. Iolanda Del Prete, In g. Anna Ferraro, Ing. Domenico Sannino

Schema valutazione sicurezza strutturale

La metodologia prestazionale (perfomance-based design) è definita dal documentoISO/TR13387come : “L’applicazione di principi ingegneristici, di regole e di giudizi esperti basati sullavalutazione scientifica del fenomeno della combustione, degli effetti dell’incendio e delcomportamento umano, finalizzati alla tutela della vita umana, alla protezione dei beni edell’ambiente, alla quantificazione dei rischi d’incendio e dei relativieffetti nonché allavalutazione analitica delle misure di protezione ottimali, necessarie alimitare, entro livelliprestabiliti, le conseguenze dell’incendio”.

QUADRO NORMATIVO E DOCUMENTI DI RIFERIMENTO

Ministero dell’Interno

Decreto 9 maggio 2007

Direttive per l’attuazione dell’approccio ingegneristico alla sicurezza

antincendio

Lettera circolare

31/03/2008Linee guida per la valutazione dei progetti

ISO/TR 13387 : Fire Safety Engineering

Salvaguardia

Vita

Proprietà

Ambiente

Rischio

Effetti

Protezione

Conseguenze

Obiettivi di sicurezza

Il requisito n.2 (“sicurezza in caso di incendio”) della Direttiva 89/106/CEE (dettaanche “Direttiva prodotti da costruzione”) prevede che le costruzioni devono essereprogettate e costruite in modo tale che, nel caso di sviluppo di un incendio:

Approccio ingegneristico vs prescrittivo

• Metodo paritetico e alternativo all’approccio di tipo tradizionale (approccio prescrittivo).

Analisi con l’utilizzo di incendi naturali.

Prove in forno

Analisi con incendi nominali

Approccio ingegneristico Approccio prescrittivo


Decreto 16 febbraio 2007

Classificazione di resistenza al fuoco di prodotti ed elementi

costruttivi di opere da costruzione


Decreto 9 marzo 2007

Prestazioni di resistenza al fuoco delle costruzioni nelle attività

soggette al controllo del Corpo nazionale dei Vigili del Fuoco


Decreto 9 maggio 2007

Direttive per l’attuazione dell’approccio ingegneristico alla sicurezza

antincendio

Ministero Infrastrutture

DM 14 gennaio 2008Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni

Circolare NTC2008 n. 617

2 Febbraio 2009

Istruzioni per l’applicazione delle «Nuove Norme Tecniche per le

Costruzioni» di cui al decreto 14 gennaio 2008

EN 1990 Eurocodice – Criteri generali di progettazione strutturale

EN 1991-1-2Eurocodice 1 – Azioni sulle strutture – Parte 1-2: Azioni sulle

strutture esposte al fuoco

EN 1992-1-2Eurocodice 2 – Progettazione delle strutture di calcestruzzo – Parte

1-2: Regole generali – Progettazione strutturale contro l’incendio

EN 1993-1-2Eurocodice 3 – Progettazione delle strutture di acciaio – Parte 1-2:

Regole generali – Progettazione strutturale contro l’incendio

EN 1994-1-2

Eurocodice 4 – Progettazione delle strutture composte acciaio-

calcestruzzo – Parte 1-2: Regole generali – Progettazione strutturale

contro l’incendio

QUADRO NORMATIVO PER LA SICUREZZA STRUTTURALE Ita

liane

Eur

opee

L’azione incendio – NTC 2008NTC2008 (§3.6: Azioni eccezionali)Le azioni eccezionali sono quelle che si presentano in occasione di eventi quali incendi, esplosioni ed urti …

La sicurezza strutturale in caso di incendio – NTC 2012NTC2012 (§2.1: PRINCIPI GENERALI)

In particolare, secondo quanto stabilito nei capitoli specifici, le opere e le varie tipologie strutturali devono possedere i seguenti r equisiti :

- sicurezza nei confronti di stati limite ultimi (SLU): … ; - sicurezza nei confronti di stati limite di esercizio (SLE): …; - sicurezza antincendio: capacità di garantire le prestazioni strutturali pre viste in

caso d’incendio, per un periodo richiesto;- durabilità: … ; - robustezza nei confronti di azioni eccezionali: capacità di evitare danni sproporzionati

rispetto all’entità delle di possibili cause innescanti eccezionali quali incendio, esplosioni e, urti.

NTC2012 (§2.2.5: VERIFICHE)

Le opere strutturali devono essere verificate: a) per gli stati limite ultimi che possono presentarsi, in conseguenza alle diverse

combinazioni delle azioni; b) per gli stati limite di esercizio definiti in relazione alle prestazioni attese;c) quando necessario, nei confronti degli effetti derivanti dalle azioni termiche

connesse con lo sviluppo di un incendio.

D.M. 09/05/2007: Approccio ingegneristicoDefinizione del progetto

Identificazione degli obiettivi di sicurezza

Individuazione dei livelli di prestazione

Individuazione degli scenari di incendio di progetto

FASE I:Analisi Preliminare

Scelta dei modelli

Risultati delle elaborazioni

Individuazione del progetto finale

Documentazione di progetto

FASE II:Analisi Quantitativa

Dimensionamento

Caratteristiche architettoniche

Scelta dei Livelli prestazionali

Protezione attiva e Passiva

Scenari di incendio di progetto

Carichi meccanici e di incendio

Modifica delle dimensioni degli elementi strutturali

Analisi a caldo per ogni scenario d’incendio

SI

FINE

Verifica il livello di sicurezzafissato?

Sono statianalizzati

tutti gli scenari?

NO

SI

Modifica dei sistemi di Protezione sceltiNO

Approvazione degli scenari di incendio di progetto da parte del Comando provinciale dei VVF

RICHIESTE RICHIESTE RICHIESTE RICHIESTE DIDIDIDI PRESTAZIONE IN CASO PRESTAZIONE IN CASO PRESTAZIONE IN CASO PRESTAZIONE IN CASO DIDIDIDI INCENDIOINCENDIOINCENDIOINCENDIO

Le recenti normative (NTC 2008 e D.M. Int. 09/03/2007)distinguono5 livelli di prestazione da richiedere alla struttura incaso di incendio in funzione degli obiettivi prefissati:

Livello 1Nessun requisito di resistenza specifico al fuoco dove le conseguenzedel crollo delle strutture siano accettabili o dove il rischio di incendiosia trascurabile.

Livello 2Mantenimento dei requisiti di resistenza al fuoco delle strutture per unperiodo sufficiente a garantire l’evacuazione degli occupanti in luogosicuro all’esterno della costruzione.

Livello 3Mantenimento dei requisiti di resistenza al fuoco delle strutture per unperiodo congruo con la gestione dell’emergenza.

Livello 4Requisiti di resistenza al fuoco delle strutture per garantire, dopo la finedell’incendio, un limitato danneggiamento delle strutture stesse.

Livello 5Requisiti di resistenza al fuoco delle strutture per garantire, dopo la finedell’incendio, il mantenimento della totale funzionalitàdelle strutturestesse.






Scelta dei modelli





Dimensionamento








SI

FINE



tutti gli scenari?

NO

SI



Fire Risk Assessment R = P×C

Approccio EN1991-1-2 (Annex E)

Criteri di scelta degli scenari

Lo “Scenario di incendio” (DM 09/05/2007) è la descrizione qualitativa

dell’evoluzione di un incendio che individua gli eventi chiave che lo caratterizzano e

che lo differenziano dagli altri incendi. Chiaramente gli scenari possibili in un edificio

sono innumerevoli. Tra questi scenari sarà effettuata la scelta di quelli che vengono

definiti scenari di incendio di progetto

La valutazione del Rischio R

connesso a ciascuno scenario

di incendio, ottenuto dal

prodotto della Probabilità P di

accadimento dello scenario

per i Danni C (conseguenze)

che lo stesso scenario può

provocare (ISO/DS 16733).

I fenomeni capaci di modificare lo

sviluppo dell’incendio sono

considerati attraverso coefficienti

riduttivi del carico di incendio.

L’albero degli eventi rappresenta uno schema di sequenza di eventi, che intercorrono dall’accensione

dell’incendio fino al risultato finale associato ai vari scenari di incendio prendendo in considerazione

probabilità e conseguenze dell’incendio.

Criteri di scelta degli scenari: Fire Risk Assessment

La stima delle probabilità di ogni evento

può essere fatta usando i dati disponibili in

letteratura e/o giudizio ingegneristico.

Vale inoltre la pena osservare che la

probabilità del singolo evento è una

probabilità condizionata agli eventi

precedenti.

Difatti, considerando gli eventi A, B e C, la

probabilità P che questi si verifichino

contemporaneamente è data da:

( ) ( ) ( ) ( )/ /= ⋅ ⋅∩ ∩P P P PA B C B A C ABA

La combinazione degli stati degli eventi

principali conduce alla definizione degli

scenari di incendio. Gli stati degli eventi

secondari può essere considerato nei modelli

di incendio attraverso la definizione: della

posizione di innesco dell’incendio; dello stato

di porte e finestre, ecc.

0

1

2

3

4

5

6

7

0 15 30 45 60 75 90

RHR (MW)

Time (min)

Afi=25 m2

Approccio EN1991-1-2 (Annesso E)

Qfk

Qfd=0.37xQfk

EN1991-1-2






Scelta dei modelli





Dimensionamento








SI

FINE



tutti gli scenari?

NO

SI



1 Definizione dell’Incendio

→ Costruzione. Geometria dei locali→ Attività. Carichi di incendio→ Caratteristiche dell’incendio

Modellodi Incendio

Azione Termica

2 Def. della trasmissione del calore

→ Posizione e geometria degli elementi→ Proprietà termiche dei materiali→ Coefficienti di trasmissione del calore

Modellotrasmissione del calore

Temperatura della struttura

3 Analisi strutturale

→ Schematizzazione strutturale→ Analisi dei carichi→ Proprietà meccaniche

Modellodi calcolo strutturale

Capacità portante

FASE 1

FASE 2

FASE 3

ANALISI STRUTTURALE IN CONDIZIONI DI INCENDIO

Modellodi incendio

Incendinominali

Tempoequivalente

Incendiparametrici

Incendilocalizzati

Modelloa zone CFD

Una zona Due zone

Complessità Bassa Intermedia Elevata

Comportamento dell’incendio

Incendi in fase post-flashoverIncendiin fase

pre-flashover

Incendiin fase

post-flashover

Incendiin fase

pre-flashovere incendi localizzati

Analisicompleta del

campo di temperaturae del motodei fumi

Parametri iniziali per

la definizione del modello

tipo diincendio

da scegliere tra quelli

nominali;durata

dell’incendio da fissare sulla base

del carico di incendioo di regole tecniche

prescrittive

carico di incendio;distribuzione del materiale

combustibile;quantità di aria fornita nell’unità di

tempo;geometria del

compartimento;proprietà termiche deimateriali costituentiil compartimento

carico diincendio;altezza del

soffitto; curve di rilascio termico del materiale combustibile

(RHR); diametro della fiamma

carico di incendio; distribuzione del materiale

combustibile;quantità di aria fornita nell’unità di

tempo;geometria del compartimeto;

proprietà termiche dei materiali costituenti il compartimento; dati

necessari per l’equilibrio di massa e calore del sistema

Dati sulle condizioni

geometrichee di aerazione del compartimento,

dati sullecaratteristiche dei materiali, sulla destinazione

d’uso, …

Distribuzione di temperatura

Uniforme in tutto il compartimentoNon uniforme in

tuttoil compartimento

Uniforme in ciascuna zona

Dipendente dal tempoe dalla

posizione

Strumenti di progetto

EurocodiciEN 1990

EN 1991-1-2Software di calcolo dedicati

TIPOLOGIE DI INCENDIO

Approccio ingegneristico

Carico di incendio(NTC2008 e D.M. 09/03/07)

Carico di incendioIl carico di incendio rappresenta il potenziale termico netto della totalità dei materialicombustibili contenuti in uno spazio corretto in base ai parametri indicativi dellapartecipazione alla combustione dei singoli materiali. Il carico di incendio è espresso inMJ; convenzionalmente 1 MJ è assunto pari a 0,054 chilogrammi di legnaequivalente.

Carico di incendio specifico (qf)

Il carico di incendio specifico rappresenta il carico di incendio riferito all’unità disuperficie lorda. E’ espresso in MJ/m2 e determinato con la seguente relazione:

Carico di incendio specifico di progetto (qf,d)

Il carico di incendio specifico di progetto rappresenta carico d’incendio specificocorretto in base ai parametri indicatori del rischio di incendio del compartimento e deifattori relativi alle misure di protezione presenti. Esso costituisce la grandezza diriferimento per le valutazioni della resistenza al fuoco delle costruzioni ed èdeterminato con la seguente relazione:

n

i i i ii=1

f

g H m ψ

q =A

⋅ ⋅ ⋅∑


Incendi Parametrici

v eq tO A h A= fq


a

b

h

hi b i

Avi

vi iieq

vii

A hh

A=∑∑

( )0,2 * 1,7 * 19 *20 1325 1 0,324 0.204 0,472t t tg e e eθ − ⋅ − ⋅ − ⋅= + ⋅ − ⋅ − ⋅ − ⋅

*t t= ⋅Γ2 2

0.04/

1160

O

b Γ =

b cρ λ= ⋅ ⋅

Parametri:

La curva di rilascio termico: rate of heat release (RHR)


4

Il 70% del carico di incendio è già bruciato

Incendio controllato dal combustibile

RHR [W]

Fase crescente

Tempo

Flashover

θ g 500 C ≥ °

RHR = t t

2

α

MW

6 7 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 8 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 Tasso di crescita dell’incendio

Materiali tipici equivalenti

t α : Tempo [s] per RHR = 1 MW

Lento

Medio Cotone/poliestere materassi a molle Sacchi postali pieni, resina espansa, stoccaggi di pallet di legno Contenitori di alcool metilico, arredi facilmente infiammabili

Veloce

Ultra veloce

600

300

150

75

Destinazione d’uso

Abitazioni, alberghi, uffici, aule di edifici scolastici Centri commerciali, teatri, cinema

Spazi per il trasporto pubblico Destinazione d’uso / Attività

Carico di incendio (80% fractile)

Residenziale

Uffici Classi di una scuola Centri commerciali Teatri (cinema)

Ospedali (stanza)

RHR dt = A q fi f 0 t fi, e n d ∫

6 7 4444444 4 44 8 44444444 4

RHR = A RHR fi f ⋅

t fi,end

RHR A h (EN 1991-1-2) w a ÷ ⋅

Incendio controllato dalla ventilazione

Fase decrescente

q f, k [MJ/m 2 ]

Alberghi (stanza) Biblioteche

Trasporti (spazi pubblic i)

948 280

347 511

730 365

377 1824

122

Carico di incendio non uniforme

Per pallet di legno, altezza di stoccaggio 0.5 m Per pallet di legno, altezza di stoccaggio 3.0 m Per bottiglie di plastica in cartoni, altezza di stoccaggio 4.6 m Per pannelli isolanti PS, espanso rigido, altezza di stoccaggio 4.3 m Edifici destinati a teatri, cinema, e biblioteche Edifici destinati ad uffici, abitazioni, centri commerciali, spazi per il trasporto pubblico, ospedali, alberghi e aule di edifici scolastici

RHR f = 1250 kW / m 2 RHR f = 6000 kW / m 2 RHR f = 4320 kW / m 2 RHR f = 2900 kW / m 2 RHR f = 500 kW / m 2 RHR f = 250 kW / m 2

Il 70% del carico di incendio è già bruciato

Incendio controllato dal combustibile

RHR [W]

Fase crescente

Tempo

Flashover

θ g 500 C ≥ °

2 t fi,end

RHR A h (EN 1991-1-2) w a ÷ ⋅

Incendio controllato dalla ventilazione

Fase decrescente

Edifici destinati ad uffici, abitazioni, centri commerciali, spazi per il trasporto pubblico, ospedali, alberghi e aule di edifici scolastici

RHR f = 250 kW / m 2

La curva di rilascio termico: rate of heat release (RHR)


Se l'incendio è controllato dalla ventilazione, il plateau deve essere ridotto inconseguenza del contenuto d'ossigeno disponibile; tale riduzione può essereautomatica, nel caso di uso di un programma di calcolo basato su di un modello a unazona, o attraverso l'espressione semplificata:

Quando il massimo livello di velocità di rilascio di calore è ridotto per effetto delcontrollo della ventilazione sulla combustione, la curva del rilascio di calore deveessere estesa per contenere tutta l'energia disponibile fornita dal carico d'incendio.

Se l'incendio è controllato dal combustibile, la curva RHR si sviluppa completamente

Ingegneria della sicurezza antincendioScenari di incendio di progetto

Attività Occupanti IncendioCaratteristiche architettoniche

Caratteristiche strutturaliImpiantistica

Aspetti gestionali operativiFattori ambientali

Affollamento complessivoDistribuzione

Tipologia occupantiStato veglia/sonno

Localizzazione focolareTipologia di focolare: covante o con fiamma;

Quantità, qualità e distribuzione spaziale materiale combustibile;

Fonti d'innesco;Curva RHR al variare del tempo RHR(t);

Prodotti combustione

Incendio Stazionario

Controllato combustibile Controllato ventilazione

Decadimento

Propagazione

Incendi localizzatiTIPOLOGIE DI INCENDIO

Spazi ampi

Carico d’incendiomodesto o concentrato

NO Flashover

EN 1991-1-2 APP C

Incendi localizzatiimpattanti il soffitto:Metodo di Hasemi

Incendi localizzatinon

impattanti il soffittofL H<

fL H>

2/3 5/30( ) 20 0,25 ( )cz Q z zθ −= + ⋅ ⋅ −

4 4

( 20)

[( 273) (293) ]

net c m m f

m

h h α θ ϕ ε ε σ

θ

• •= − ⋅ − − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

⋅ + −

Incendi localizzatiTIPOLOGIE DI INCENDIO

L’Eurocodice fornisce il flusso termico , espresso in W/m2 , ricevuto dallasuperficie unitaria di soffitto esposta all’azione diretta della fiamma:

3,7

100000 se 0,30

136300 121000 se 0,3 1

15000 se 1,0

h y

h y y

h y y−

= ≤

= − < <

= ≥

&

&

&

Essendo y un parametro adimensionale fornito dalla relazione

( ) ( )' / 'hy r H z L H z= + + + +

D è il diametro della fiamma.

r

H

D

Lh

r è la distanza, in metri, tra l’asse verticale della fiamma ed il punto appartenente al soffitto nel quale viene calcolato il flusso di calore;

H è la distanza, in metri, tra la sorgente dell’incendio ed il soffitto;

Lh è l’ingombro orizzontale della fiamma, espresso in metri.

h&

h [K

W/m

2 ]

Incendi a zone


Incendio a una zona Incendio a due zone

Tra i programmi di calcolo basati sui modelli a zone si segnalano:- CFAST: disponibile presso il National Fire Protection Association, realizzato da W.Jones nel 2002;- OZone : disponibile presso l’Università di Liegi (Belgio), sviluppato da Cadorin &Franssen nel 2003.

Modelli di campo o CFDTIPOLOGIE DI INCENDIO

• Fire Dinamics Simulator (FDS) : disponibile presso il National Institute ofStandards and Technology (NIST), sviluppato da K. McGrattan e G. Forney nel2002;

Possibilità di definire il processo di pirolisi in due modi:

Definizione delle proprietà dei materiali coinvolti nella simulazione, da cui dipende

l’innalzamento della temperatura, degrado termico e ignizione dei materiali

stessi cioè definizione dellaREAZIONE DI PIROLISI :

Quantificare il termine di rilascio termico atteso

RHR (Rate of Heat Release)

Necessità di definizione per ogni materiale:• Conducibilità termica;

• Calore specifico;• Densità;

• Emissività• Coefficiente di assorbimento

Modelli di campo o CFDTIPOLOGIE DI INCENDIO

Prove sperimentali su autorimesse fuori terra


33 min



62 min



TIPOLOGIE DI INCENDIOCurva di Rilascio termico RHR

Cono Calorimetrico

Ingegneria della sicurezza antincendioApplicazione autorimesse



Modellodi Incendio

Azione Termica








Capacità portante

FASE 1

FASE 2

FASE 3


( ) ( ) ( )4 4net c g m r g mh

• = α ⋅ θ − θ + Φ ε σ ⋅ θ − θ

θm temperatura della superficie dell’elemento

αc = coefficiente di convezione

εr = emissività relativa (gli Eurocodici suggeriscono 0.7 per l’acciaio e per il calcestruzzo)

Φ= fattore di configurazione

θg= curva di incendio

σ = 5.67∙10-8 W/m2K4 (costante di Boltzmann)

net net,c net,rh h h• • •

= +

Convezione Irraggiamento

Azione termica

Modello di incendio ααααc [W/m2K]Incendio standard 25Incendio esterno 25Incendio degli idrocarburi 50Incendio parametrico 35Modelli avanzati 35

Condizioni di esposizione: superficie non esposta d i elementi di separazione ααααc [W/m2K]

Senza effetti di trasferimento di calore per irraggiamento 4

Compresi gli effetti del trasferimento di calore per irraggiamento 9

Flusso termico netto

CONDUCIBILITÀ TERMICA DI ACCIAIO E CALCESTRUZZO

0

10

20

30

40

50

60

0 300 600 900 1200Temperatura acciaio [°C]

λ a[W

/mK

]

ACCIAIO CALCESTRUZZO

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Gli elementi metallici sono caratterizzati da spessori contenuti, in virtù dell’elevato rapporto resistenza/peso del materiale, e dalla grande conducibilità termica dell’acciaio.

Di conseguenza negli usuali profili metallici, o almeno nelle loro parti a spessore costante e con condizioni di scambio termico omogeneo con l’ambiente esterno, si stabiliscono distribuzioni di temperatura pressoché uniforme.

net , ,m i a a i a th A t c Vρ θ•

∆ = ∆

L’incremento di temperatura ∆θa,t di ciascuna delle varie parti del profilo non protetto (per es. flangia inferiore, anima e flangia superiore), durante un intervallo finito di tempo ∆t, può essere determinato ipotizzando che il calore entrante attraverso la superficie esposta nell’intervallo di tempo ∆t sia uguale al calore necessario per aumentare la temperatura dell’acciaio di ∆θa,t

EVOLUZIONE DELLA TEMPERATURA NEGLI ELEMENTI

densità Calore specifico

Superficie esposta Volume della parte


� Elementi non protetti

• Distribuzione uniforme di temperatura

shK coefficiente che tiene conto delle “shadow effect” VAm / fattore di sezione per una sezione di acciaio non protetta

mA superficie esposta dell’elemento per unità di lunghezza V volume dell’elemento per unità di lunghezza

ac calore specifico dell’acciaio

neth•

flusso di calore netto t∆ intervallo di tempo aρ densità

thc

V/AK net

aa

msht,a ∆⋅⋅

ρ⋅⋅=θ∆

•

Fattore di sezione Am/V =

Rapporto tra superficie esposta e volume dell’elemento

Fattore di sezione Am/V Per un elemento a sezione costante corrisponde al rapporto tra il perimetro della sezione trasversale

realmente esposto all’incendio e l’area della sezione trasversale di acciaio.

Fattore di sezione corretto per tenere conto dello “shadow effect”:

profili doppio T

altri profili

0,9sh boxed

A A

V V = ⋅

boxedsh V

A

V

A

=


MEMBRATURE DI ACCIAIO (CON PROTEZIONI)

Le vernici intumescenti

La protezione mediante schermi

Colonne rivestiteBlocchi tra le ali delle colonne

Pannelli prefabbricati


� Elementi protetti • Distribuzione uniforme di temperatura

VAp / fattore di sezione per una sezione di acciaio protetta

pA superficie del materiale protettivo per unità di lunghezza V volume dell’elemento per unità di lunghezza

ac calore specifico dell’acciaio in funzione della temperatura

pc calore specifico del materiale protettivo indipendente della temperatura

pd spessore del materiale protettivo ta ,θ temperatura dell’acciaio al tempo t tg ,θ temperatura del gas dell’ambiente al tempo t

tg ,θ∆ incremento temperatura dell’ambiente al tempo t

pλ conducibilità termica del materiale protettivo t∆ intervallo di tempo

aρ densità dell’acciaio

pρ densità del materiale protettivo

tgtatg

aap

ppta et

cd

VA,

10/,,, )1(

)3/1(

)(/θ

φθθ

ρλ

θ φ ∆⋅−−∆⋅+

−⋅

⋅⋅⋅

=∆ VAdc

cpp

aa

pp /⋅⋅⋅⋅

=ρρ

φ

DISTRIBUZIONE DELLE TEMPERATURE NELLE SEZIONI

� Curva di incendio (modello a 1 zona)� Analisi termica colonna

Analisi termica di un elemento di acciaio

protetto e non protetto

ELEMENTI STRUTTURALI IN CALCESTRUZZO ARMATO

TRAVE PILASTRO

MEMBRATURE COMPOSTE ACCIAIO -CALCESTRUZZO

Soletta composta rivestita con materiale protettivo

Soletta composta rinforzata con armature aggiuntive

Trave composta rivestita di materiale protettivo

Colonna “FILLED” “PARTIALLY ENCASED”

Trave composta parzialmente rivestita di calcestruzzo

“FULLY ENCASED”

MEMBRATURE COMPOSTE ACCIAIO -CALCESTRUZZO



Modellodi Incendio

Azione Termica








Capacità portante

FASE 1

FASE 2

FASE 3


LA VERIFICA DI RESISTENZA AL FUOCO

…La resistenza al fuoco è la capacità di una costruzione, di una parte di essa o di un elemento costruttivo di mantenere, per un tempo prefissato, la capacità portante, l’isolamento termico e la tenuta alle fiamme, ai fumi e ai gas caldi della combustione nonché tutte le altre prestazioni se richieste.

richiestofidfi tt ,, ≥

tdfitdfi ER ,,,, ≥

dcrtd ,, Θ≤Θ

(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 del tempo:

Nel dominio delle resistenze:

0.1, =fiMγ

(temperatura dell’elemento al tempo t ≤ temperatura critica dell’elemento)

sollecitazione in condizioni di incendio al tempo t)


Effetti dell’incendio

Verifica di sicurezza per esposizione a curva di incendio naturale

Combinazione di carico eccezionale

,1 ,2 2, ,1

( ) ( )k k k i k i di

G G P t Q A tψ=

+ + + ⋅ +∑

Azione dell’incendio di progettoCombinazione di carico

quasi permanente

, ,fi d tE

COMBINAZIONI DI CARICO IN CASO DI INCENDIO

, 2,1 ,1 2, ,( ) ( )fi d GA K p K K i K i diF G P t Q Q A t= γ ⋅ + γ ⋅ + ψ ⋅ + ψ ⋅ +∑ ∑

L’incendio è considerato una “azione eccezionale“ per unastruttura e si considera concomitante alla combinazione di caricoquasi permanente delle azioni di altra natura:

con γGA = 1.0 ,ψ2,i dipendente dalla destinazione d’uso dell’edificio.

Oppure, le combinazioni di progetto per la verifica al fuoco Ffi,dpossono essere ottenute riducendo le azioni di progetto allo statolimite ultimo a temperatura ordinaria Fd attraverso la formula:

dFF ⋅η= fidfi,1,1 2,1 ,1

fi1.0

, con1.4 1.5

kGA

kG Q

Q

G

+ ψ ⋅ ξ + ψ ⋅ ξη = = ξ =

+ ⋅ ξ+ ⋅ ξγγ γ

Per gli usuali valori diξξξξ risulta: ηηηηfi = (0.5÷0.7)

COMBINAZIONI DI CARICO IN CASO DI INCENDIO

LIVELLO DI PROGETTO IN CONDIZIONI DI INCENDIO

EFFETTI DELL’INCENDIO SUGLI ELEMENTI STRUTTURALI

RISCALDAMENTO DEI

MATERIALI COSTRUTTIVI

RIDUZIONE DI RESISTENZA E RIGIDEZZA DEL SINGOLO MATERIALE

COSTRUTTIVO, IN FUNZIONE DELLA TEMPERATURA RAGGIUNTA

AcciaioCalcestruzzo

cnetrnetdnet hhh ,,,

•••+=

RIDUZIONE DI RESISTENZA DELL’ELEMENTO STRUTTURALE

CURVE DI RIDUZIONE DELLA RESISTENZA ( ky,θθθθ) E DELLA RIGIDEZZA ( kE,θθθθ) DELL’ACCIAIO

TENSIONE DI SNERVAMENTO

MODULO ELASTICO

Fattori di riduzione della resistenza e della rigidezza per il calcestruzzo normale(NC) e alleggerito(LC)

CURVE DI RIDUZIONE DELLA RESISTENZA ( kc,θθθθ) DEL CALCESTRUZZO


Le verifiche di sicurezzapossono essere condotte analizzando:

� l’ intera struttura , tenendo conto dell’evoluzione nel tempo e con la temperatura delle proprietà meccaniche dei materiali e degli effetti iperstatici indotti dalle dilatazioni termiche contrastate (ed eventualmente degli effetti non lineari geometrici)

� parti significative della struttura;� elementi strutturali singoli, nelle loro condizioni di vincolo e di

carico;

STRUMENTI DI CALCOLO AVANZATISAFIR 2007

Codice di calcolo agli elementi finiti per analisi termo-meccaniche in ambito non lineare

METODO M-χχχχCalcolo del diagramma momento-curvatura

e dei domini N-M

ANALISI PER SINGOLI ELEMENTI O SOTTOSTRUTTURE

NTC 2008: Si deve tener conto deglieffetti delle sollecitazioni iperstatichedovute alle dilatazioni termiche contrastate a meno che nonsia riconoscibile a prioriche esse sono trascurabili o favorevoli o siano implicitamente tenute in conto neimodelli semplificati e conservativi di comportamento strutturale in caso di incendio.

A B C D

E F G H

O P Q R

S T U V

I L M N

Nfi,d,0 Nfi,d,0 Nfi,d,0 Nfi,d,0

E F G H

I L M N

O P Q R M fi,d,0 M fi,d,0 M fi,d,0 M fi,d,0

L M

M fi,d,0 M fi,d,0

Intera Struttura Sottostruttura Elementi singoli

Trave

Colonna centrale

Colonna lateraleG

Nfi,d,0 M

M fi,d,0

Tfi,d,0

H

Nfi,d,0 N

M fi,d,0

Tfi,d,0

ANALISI PER SINGOLI ELEMENTI O SOTTOSTRUTTURE

Schema delle deformazioni della struttura di un edificio multipiano conseguenti al caso di incendio che si verifica al primo piano dell’edificio.

COSTRUZIONE DEL DIAGRAMMA MOMENTO -CURVATURA

( ) δ≤− estint NN

Il diagramma momento-curvatura viene

costruito nel modo seguente:

Si effettuano iterazioni sul valore di εmed finché:

Individuato il valore di εmed, dall’equilibrio alla rotazione si ottiene il valore del

momento corrispondente alla curvatura χ1.

La sezione viene discretizzata in conci

elementari;

Si pone Nest=0;

Si assegna una curvatura χ1 ed una εmed (deformazione

nella fibra baricentrica);

Si calcola la εi = f (yi, χ1);

Dal legame tensione-deformazione del generico elementino si ottiene;

)(f ii ε=σ i,a

n

1i,ai,c

n

1i,cint

fc

AAN σ⋅+σ⋅= ∑∑

( ) ( )Gi,ai,a

n

1i,aGi,ci,c

n

1i,cj yyAyyAM

fc

−⋅σ⋅+−⋅σ⋅= ∑∑

),( , iii f θεσ σ=Diagramma momento-curvatura della trave composta co n

IPE240 parzialmente rivestita

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1

curvatura*h

mom

ento

(kN

*m) tempo 0 minuti

tempo 15 minuti

tempo 30 minuti

tempo 60 minutiMRd,fi,30

MOMENTO CURVATURA “REALE” E MOMENTO CURVATURA “FITTIZIO” IN CASO DI INCENDIO

0=Tε

Momento-curvatura reale

Principio di conservazione delle sezioni piane

σεεε += Ttot

tot T

+

-

++

-

+-

allungamentiaccorciamenti

G

y med

Momento-curvatura fittizio

σεε =tot

Ttot εεεσ −=

Legame ssss----eeee

ccccf < ccccr

MOMENTO -CURVATURA “REALE” E MOMENTO CURVATURA “FITTIZIO” IN CASO DI INCENDIO

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10

curvatura*h

Mom

ento

(kN

*m)

Soletta 130mmx1500mm

IPE240

h

t=30 min

t=60 min

t=90 min

M-χ fittizioM-χ reale

(S235)

ccccf < ccccr

Effetti dell’incendio – Azioni indirette

a) RiduzioneRiduzioneRiduzioneRiduzione didididi resistenzaresistenzaresistenzaresistenza eeee didididi rigidezzarigidezzarigidezzarigidezza deideideidei materialimaterialimaterialimateriali eeee delladelladelladella strutturastrutturastrutturastruttura

b) DeformazioniDeformazioniDeformazioniDeformazioni termichetermichetermichetermiche eeee variazionevariazionevariazionevariazione delledelledelledelle sollecitazionisollecitazionisollecitazionisollecitazioni

c) EffettiEffettiEffettiEffetti supplementarisupplementarisupplementarisupplementari inininin regimeregimeregimeregime didididi grandigrandigrandigrandi spostamentispostamentispostamentispostamenti

Sforzo Assiale di Compressione

Sforzo Assiale di Trazione(per spostamenti molto grandi)

0M N v+ = ⋅ >

0M N v− = ⋅ <

EFFETTI DELLA TEMPERATURA SU TRAVI INFLESSE IN C.A.

� Schemi isostatici: Riduzione di resistenza.� Schemi iperstatici: Riduzione di resistenza a momento positivo e

variazione delle sollecitazioni per la dilatazione termica impedita.

Emidio Nigro

� Trave doppiamente incastrata: la verifica allo stato limite ultimopuò essere condotta calcolando il carico ultimo in condizioni diincendio, che corrisponde alla formazione di cerniere plasticheagli incastri ed in mezzeria della trave.

2

28

8 L

MMq

LqMM utut

uu

utut

−+−+ +⋅=⇒

⋅=+

ud qq ≤,fi

VERIFICA

Emidio Nigro

PROVA INCENDIO SU EDIFICIO IN CARDINGTON (UK)

Solette composte acciaio-calcestruzzo: grandi spostamenti e sviluppo dell’effetto “membrana” .

0

1

2

3

3.5

4

4.5

5

6

7

9

12

15

0.00

2.25

4.50

6.75

9.00

-100-90

-80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Slab deflection after testDate: 23th January 2003

-10.0-0.0-20.0--10.0-30.0--20.0-40.0--30.0-50.0--40.0-60.0--50.0-70.0--60.0-80.0--70.0-90.0--80.0-100.0--90.0

Influenza dello schema statico

Influenza dello schema staticoCERNIERA - CARRELLO

ROTTURA PER FLESSIONEt = 16 min

-550

-450

-350

-250

-150

-50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Spostamento [mm]

Tempo [min]

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Momento Felttente [kNm]

Tempo [min]

-150

-100

-50

0

50

100

150

-1000 -700 -400 -100 200 500 800 1100

Sollecitazioni al tempo di rottura (SAFIR2004)Dominio di resistenza relativo al tempo di rottura

M [kNm]

N [kN]

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

-14000 -12000 -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0 2000

-650

-550

-450

-350

-250

-150

-50

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Tempo [min]

Spostamento [mm]

-200

0

200

400

600

800

1000

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Tempo [min]

Sforzo Normale [kN]

0

50

100

150

200

250

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Tempo [min]

Momento Flettente [kNm]

Influenza dello schema staticoCERNIERA - CERNIERA

ROTTURA PER TRAZIONEt = 41.2 min

-750

-250

250

750

1250

-140000 -135000 -130000

BEAM 1-1

BEAM 20-2

Sforzo Normale [N]

Momento [Nm]

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

-250 -150 -50 50 150 250

Sollecitazioni al tempo di rottura (SAFIR2004)

Dominio di resistenza relativo altempo di rottura

M [kNm]

N [kN]

TELAIO MONOPIANO

Prof. Ing. E. Nigro

TELAIO MONOPIANO

TELAIO MONOPIANO

TELAIO MONOPIANO

TELAIO MONOPIANO

TELAIO MONOPIANO – EVOLUZIONE MOMENTI

t = 0

t = 468 st = 1584 s

TELAIO MONOPIANO

Prof. Ing. E. Nigro

TELAIO MONOPIANO

ANALISI STRUTTURALE DI TELAI COMPOSTI

- Analisi globali di telai multipiano in struttura composta acciaio-cls, alvariare della zona sismica, della tipologia di trave composta, delloscenario d’incendio e della curva di incendio.

- Analisi semplificate per singoli elementi di telai multipiano in strutturacomposta acciaio-cls, al variare della zona sismica e dello scenariod’incendio

STRUMENTI DI CALCOLO UTILIZZATI

SAFIR 2004Codice di calcolo agli elementi finiti per

analisi strutturali in ambito non lineari

METODO M-χχχχCalcolo del diagramma momento-curvatura

e dei domini N-M

Analisi strutturale con modelli di calcolo avanzati per la valutazione degli effetti delle sollecitazioni iperstatiche indotte dalle deformazioni termiche impedite

Telaio in struttura composta acciaio-cls

LA PROGETTAZIONE A “FREDDO”

ZONA 2 ZONA 4

Telaio in struttura composta acciaio-cls

SCENARIO 1

0

200

400

600

800

1000

1200

0 30 60 90 120 150 180

Tempo [min]

Temperature [°C]

Curva di incendio ISO834

0

200

400

600

800

1000

1200

0 30 60 90 120 150 180

Tempo [min]

Temperature [°C]

Curva di incendio parametrica

SCENARIO 2

Analisi termiche delle sezioni

HE 500 B HE 280 B

HE 260 B HE 240 B

-1200

-800

-400

0

400

800

0 5 10 15 20 25 30 35 40


Tempo [min]

Testa colonna centrale

Testa colonna esterna

Piede colonna centrale

Piede colonna esterna

-500

0

500

1000

1500

2000

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Sforzo Normale [kN]

Tempo [min]

Trave centrale

Trave esterna

Analisi globale telaio in struttura composta acciaio-cls

Telaio con travi non rivestite progettato in zona sismica 2 sottoposto allo scenario d’incendio 1(curva di incendio ISO834)

Curva di incendio ISO834Curva di incendio ISO834

t = 0 mint = 13 mint = 31 min

ROTTURA DELLA TRAVEt = 31.0 min

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

0 10 20 30 40 50 60

Tempo [min]






0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Sforzo Normale [kN]

Tempo [min]

Trave centrale

Trave esterna


Telaio con travi rivestite progettato in zona sismica 2 sottoposto allo scenario d’incendio 1(curva di incendio ISO834)

-2000

-1000

0

1000

2000

-8000 -4000 0 4000 8000 12000

M [kNm]

N [kN]

Sollecitazione nella sezione di testa della colonna

d'estremità


ROTTURA DELLA COLONNAt = 57.2 min

t = 0 mint = 35 mint = 57.2 min

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Tempo [min]






0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Tempo [min]

Sforzo Normale [kN]

Trave centrale

Trave esterna



-500

-250

0

250

500

-4000 -2000 0 2000 4000 6000

M [kNm]

N [kN]

Sollecitazione nella sezione di testa della colonna

d'estremità


ROTTURA DELLA COLONNAt = 53.8 min

t = 0 mint = 27 mint = 53.8 min


-1500

-1000

-500

0

500

1000

0 25 50 75 100 125 150 175 200


Tempo [min]Testa colonna centrale




-500

0

500

1000

1500

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Tempo [min]

Sforzo Normale [kN]

Trave centrale

Trave esterna



ROTTURA DELLA TRAVEt = 162 min

t = 0 mint = 78 mint = 162 min


0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

Tempo [min]

Temperatura [°C]

57.2 minCurva parametrica

Curva ISO834


Telaio con travi rivestite progettato in zona sismica 2 sottoposto allo scenario d’incendio 1Curva di Incendio Naturale (Parametrica)

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

26.8 min

57.2 min

Tempo [min]

Momeno Flettente [kNm]

Curva ISO834

Curva parametrica

-2500

-1000

500

2000

-10000 -5000 0 5000 10000 15000

Sollecitazione nella sezione di testa

della colonna

M [kNm]

N [kN]

t = 26.8 min

Curva di incendio parametrica

t = 0 mint = 26.8 mint = 57.2 mint = 240 min

� Capacità di ridistribuzione delle sollecitazioni:

Osservazioni

E’ stata valutata per telai caratterizzati da diverse tipologie di travi, criteri diprogetto a freddo e scenari di incendio:- Influenza della tipologia di trave (rivestita o non rivestita)

- Influenza dello scenario di incendio: crisi su colonna o su trave

� Comportamento fortemente non-lineare.

� Analisi semplificate per singoli elementi:

Significative riserve di resistenza possono essere evidenziate rimuovendol’ipotesi di piccoli spostamenti: infatti le analisi effettuate mostrano che,durante l’incendio, la struttura riesce a sopportare il carico anche grazie aconfigurazioni d’equilibrio nei grandi spostamenti, con sviluppo del

cosiddetto “effetto catena”.

� Importanza degli effetti iperstatici:

L’analisi per singoli elementi, che non tiene in conto le sollecitazioni chenascono per effetto delle dilatazioni termiche impedite, può portare a risultaticonservativi con scenari di incendio più compartimentati, in cui tali effetti sonomeno importanti. Invece risulta a svantaggio di sicurezza nel caso di scenari più

coinvolgenti, in cui gli effetti iperstatici non sono trascurabili.

Analisi di sottostruttureL’obiettivo dell’analisi per sottostrutture è quello di cogliere la risposta strutturale in caso diincendio dell’intero organismo strutturale attraverso la modellazione di parti significativedella struttura allo scopo di diminuire l’onere computazionale.

Scelta della sottostruttura

Nelle normative non vengono fornite indicazioni specifiche inerenti le modalità didefinizione delle condizioni al contorno nelle zone di separazione tra l’elemento o lasottostruttura e la restante parte della struttura stessa, lasciando questo compito allasensibilità del progettista.

Procedura raccomandata nel testo “Design of Steel Structures subjected to Fire” di Franssen e Zaharia:

Le possibili sottostrutture sono molteplici e si differenziano per:� DIMENSIONE � CONDIZIONI AL CONTORNOEsse devono essere definite con lo scopo di riuscire a cogliere al meglio le rigidezze effettivamente attivate dalle dilatazioni termiche indotte dall’incendio, che insieme a queste ultime determinano l’entità delle azioni indirette.

Analisi di sottostruttureSCENARIO DI INCENDIO 1

� DIMENSIONE

� CONDIZIONI AL CONTORNO

Sottostruttura b1

Sottostruttura b2

Analisi di sottostruttureSCENARIO DI INCENDIO 1

0

400

800

1200

0 40 80 120 160 200

Momento resistenteMomento sollecitante

t = 180 min

Tempo [min]


0

200

400

600

0 40 80 120 160 200

Momento resistente

Momento sollecitantenegativo

t = 111 min

Tempo [min]


0

600

1200

1800

2400

0 40 80 120 160 200

Momento resistente

Momento sollecitante

Riserva di resistenza

NSd = 592.20 kN

Tempo [min]


0

600

1200

1800

2400

0 40 80 120 160 200

Momento resistente

Momentosollecitante

NSd = 592.20 kN


Tempo [min]


0

600

1200

1800

2400

0 40 80 120 160 200

Momento resistente

Momento

NSd = 1157.40 kN

t = 120 min

Tempo [min]


0

200

400

600

0 40 80 120 160 200

Momento resistente

Momento sollecitantenegativo

t = 111 min

Tempo [min]


0

600

1200

1800

2400

0 40 80 120 160 200

Momento resistente

Momentosollecitante

NSd = 592.20 kN


Tempo [min]


0

400

800

1200

0 40 80 120 160 200

Momento resistenteMomento sollecitante

t = 180 min

Tempo [min]


0

600

1200

1800

2400

0 40 80 120 160 200

Momento resistente

Momento

NSd = 1157.40 kN

t = 120 min

Tempo [min]


0

600

1200

1800

2400

0 40 80 120 160 200

Momento resistente

Momento sollecitante


NSd = 592.20 kN

Tempo [min]


Analisi di singoli elementi

RiferimentoBibliografico

(Novembre 2009)

GRAZIE PERL’ATTENZIONE

www.promozioneacciaio.it

Documents

STRUCTURAL FIRE SAFETY ENGINEERING L’Approccio ... sba/sala A... · L’Approccio ingegneristico alla sicurezza ... Eurocodice 3 –Progettazione delle strutture di acciaio–Parte