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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

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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

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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

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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

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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