UNI 9503 ed. UNI 9503 ed. FebbarioFebbario 20072007PROCEDIMENTO ANALITICO PER PROCEDIMENTO ANALITICO PER

VALUTARE LA RESISTENZA AL FUOCO VALUTARE LA RESISTENZA AL FUOCO DEGLI ELEMENTI COSTRUTTIVI IN DEGLI ELEMENTI COSTRUTTIVI IN

ACCIAIOACCIAIO

Relatore: Relatore: Ing.Ing. Giampiero NINNIGiampiero NINNIDirettore Direttore VicedirigenteVicedirigente Comando Vigili del Fuoco di TarantoComando Vigili del Fuoco di Taranto

RESISTENZA AL FUOCO DELLE RESISTENZA AL FUOCO DELLE STRUTTURE METALLICHESTRUTTURE METALLICHE

Decadimento meccanico dellDecadimento meccanico dell’’acciaio alle alte acciaio alle alte temperature:temperature:

1.1. Riduzione della resistenza a rottura;Riduzione della resistenza a rottura;2.2. Riduzione della resistenza allo snervamento;Riduzione della resistenza allo snervamento;3.3. Riduzione del modulo di elasticitRiduzione del modulo di elasticitàà

KKyy,,ӨӨ = = ffyy,,ΘΘ/ / ffyy ffyy resistenza resistenza caratteristica di snervamento a 20 caratteristica di snervamento a 20 °°CC

a 400a 400°°C lC l’’acciaio inizia a perdere acciaio inizia a perdere resistenzaresistenza

KKE,E,ӨӨ = = EEyy,,ΘΘ/ E/ EE modulo di elasticitE modulo di elasticitàà delldell’’acciaio a acciaio a

20 20 °°CC

a 100a 100°°C lC l’’acciaio inizia a deformarsiacciaio inizia a deformarsi

ffyy,,ΘΘ/ / ffyy =1+=1+[[ΘΘaa/767 /767 lnln((ΘΘaa/1750)/1750)]]00°°CC≤≤ ΘΘaa≤≤ 600 600 °°CC

ffyy,,ΘΘ//ffyy =108 (1=108 (1--0,001 0,001 ΘΘaa)/()/(ΘΘa a -- 440)440)600600°°CC≤≤ ΘΘaa≤≤ 1000 1000 °°CC

D.M. 14/09/2005D.M. 14/09/2005Testo Unico sulle costruzioniTesto Unico sulle costruzioni

INCENDIO = AZIONE ACCIDENTALE

AZIONI DI PROGETTO IN CASO DI INCENDIOAZIONI DI PROGETTO IN CASO DI INCENDIOEEfifi,d,d==γγGAGAGGkk ++ΨΨ1,11,1QQk,1k,1++ΣΨΣΨ2,i2,i QQkk,,ii++ΣΣAAdd(t)(t)

GGkk valore caratteristico azioni permanentivalore caratteristico azioni permanentiQQkk,1,1 valore caratteristico dellvalore caratteristico dell’’azione variabile principaleazione variabile principaleQQkk,i,i valore caratteristico altre azioni variabilivalore caratteristico altre azioni variabiliAAdd(t) valori di progetto delle azioni derivanti dall(t) valori di progetto delle azioni derivanti dall’’esposizione allesposizione all’’incendioincendioγγGAGA coefficiente parziale di sicurezza per le azioni permanenticoefficiente parziale di sicurezza per le azioni permanentiΨΨ1,11,1 coefficiente di combinazione dellcoefficiente di combinazione dell’’azione variabile principaleazione variabile principaleΨΨ2,i2,i coefficiente di combinazione delle azioni variabili secondariecoefficiente di combinazione delle azioni variabili secondarie

È ammesso non tenere conto delle azioni sismiche e di quelle di natura dinamica,ragionevolmente non presenti durante l'incendio.

γγGA GA = 1= 1ΨΨ1,11,1 e e ΨΨ2,i2,i si ricavano dalla seguente tabellasi ricavano dalla seguente tabella

Verifica resistenza al fuoco per strutture Verifica resistenza al fuoco per strutture in acciaio UNI 9503in acciaio UNI 9503

Verifica nel dominio delle RESISTENZEVerifica nel dominio delle RESISTENZEIpotesi:Ipotesi:Con la definizione di "verifica nel dominio delle resistenze" si intende la verifica della capacitàportante di elementi strutturali effettuata confrontando la resistenza ultima di progetto dell’elemento Rfi,d al tempo t con le caratteristiche di sollecitazione Efi,d.La verifica è soddisfatta per:

Efi,d ≤ Rfi,d

Classificazione delle sezioni trasversali degli elementi

Le sezioni degli elementi strutturali di acciaio sono suddivise in classi di resistenza identificate dai numeri da 1 a 4 in funzione della capacità di rotazione plastica delle sezioni; in particolare le classi sono definite nel modo seguente:-classe 1: sezioni per le quali può aversi la completa formazione di una cerniera plastica;

-classe 2: sezioni per le quali è prevista la completa formazione di una cerniera plastica, ma con limitata capacità di deformazione;

-classe 3: sezioni per le quali, a causa di fenomeni d’instabilità locale, non è possibile la ridistribuzione plastica delle tensioni nella sezione e il momento ultimo coincide con quello al limite elastico convenzionale;

-classe 4: sezioni per le quali, a causa di importanti fenomeni d’instabilità locale, il momento ultimo è minore di quello al limite elastico convenzionale.

La norma EN 1993-1-1 riporta i limiti dimensionali delle parti delle sezioni sottoposte a compressione e flessione tali da determinare le classi di duttilitàdelle sezioni.Per la classificazione in caso di incendio è necessario adottare:ε = 0,85 √235/fy

(fy = N/mm2)

DISTRIBUZIONE NON UNIFORME DELLA TEMPERATURA

Fattori correttivi KI fattori correttivi k1 e K2 consentono di tenere conto degli effetti della distribuzione non uniforme della temperatura.Il fattore correttivo K1 per una distribuzione non uniforme di temperatura nella sezione trasversale assume i seguenti valori:- per una trave esposta su quattro lati K1 = 1,00- per una trave non protetta esposta su tre lati con una soletta di calcestruzzo sul quarto K1 = 0,70- per una trave protetta esposta su tre lati con una soletta di calcestruzzo sul quarto K1 = 0,85

Il fattore correttivo K2 per una distribuzione non uniforme di temperatura lungo l’asse della trave assume i seguenti valori:- per una trave iperstatica K2 = 0,85- per una trave isostatica K2 = 1,00

Nel calcolo è necessario determinare K = kK = k11 e Ke K22

Verifica nel dominio delle Verifica nel dominio delle TEMPERATURETEMPERATURE

µµ00= = EEfifi,d,d //RRfifi,d,0,d,0

EEfifi,d ,d èè ll’’effetto della combinazione delle azioni di calcolo alla temperateffetto della combinazione delle azioni di calcolo alla temperatura ura delldell’’incendioincendio

RRfifi,d,0 ,d,0 = = èè la resistenza della struttura a temperatura ambientela resistenza della struttura a temperatura ambiente

ΘΘa,a,crcr = 39,19 = 39,19 lnln [[1/(0,9674 1/(0,9674 µµ003,8333,833))--11] + 482 (] + 482 (°°C)C)

Per Per sezionisezioni didi classeclasse 4 la 4 la temperatura critica si assume non temperatura critica si assume non superiore a 350 superiore a 350 °°CC

Nell'ipotesi semplificativa di temperatura uniforme nella sezione, quando non sia richiesta la verifica di deformabilità della struttura e potendo escludere collassi per instabilità dell'equilibrio anche dovuta a fenomeni del secondo ordine, la verifica può essere condotta, con riferimento a una temperatura critica per l’acciaio determinata in funzione del grado di utilizzazione µµ00 definito come segue:

EsempioEsempioDATI:DATI:Trave IPE 180 esposta su 3 lati Trave IPE 180 esposta su 3 lati A/V=254 fattore di sezione non protettaA/V=254 fattore di sezione non protettaKK11 = 0,7 (esposta su 3 lati)= 0,7 (esposta su 3 lati)KK22 =1=1K = kK = k11*k*k22 = 0,7= 0,7µµ00= 0,248 grado di utilizzazione della struttura= 0,248 grado di utilizzazione della struttura

Determinare:Determinare:1)1) la resistenza al fuoco senza protezione;la resistenza al fuoco senza protezione;2)2) La resistenza al fuoco con protettivo La resistenza al fuoco con protettivo

avente le seguenti caratteristiche:avente le seguenti caratteristiche:CartongessoCartongessoci=1700 J/(kg ci=1700 J/(kg °°CC))ρρi=800 kg/m3i=800 kg/m3pi=20% umiditpi=20% umiditààλλi=0,2 W/(m i=0,2 W/(m °°CC))

220,248

750 °C

Risultanti:Risultanti:Resistenza al fuoco senza protezioneResistenza al fuoco senza protezione R=22R=22’’Considerando una protezioneConsiderando una protezioneCartongessoCartongessoci=1700 J/(kg ci=1700 J/(kg °°CC))ρρi=800 kg/mi=800 kg/m33

λλi=0,2 W/(m i=0,2 W/(m °°CC))pi=20% umiditpi=20% umiditààs=s= 0,03 m spessore del rivestimento0,03 m spessore del rivestimento

calcolatocalcolatoAApp/V x /V x λλpp//ddpp = 254 x 0,2/0,03 = 1693= 254 x 0,2/0,03 = 1693

0,248 100

1700

Tempo di ritardo per evaporazione Tempo di ritardo per evaporazione umiditumiditàà del protettivo del protettivo

tv = pp * ρρpp * d* dpp22/(5 * /(5 * λλpp) =) =

= 20= 20 **800 * 0,03800 * 0,0322 /(5 * 0,2) = 14 minuti/(5 * 0,2) = 14 minuti

Resistenza finale = 100+14=114 minutiResistenza finale = 100+14=114 minuti

Vernici intumescentiVernici intumescentiLa norma UNI 9503 La norma UNI 9503 èè nata come nata come alternativa ai metodi sperimentali e alternativa ai metodi sperimentali e viene utilizzata per i prodotti definiti ad viene utilizzata per i prodotti definiti ad alto spessore (ad es. intonaci di varia alto spessore (ad es. intonaci di varia natura, lastre, ecc.) il cui natura, lastre, ecc.) il cui λλ èè calcolabile calcolabile e dimostrabile.e dimostrabile.Nel caso però delle vernici Nel caso però delle vernici intumescenti dove il meccanismo di intumescenti dove il meccanismo di difesa dal fuoco difesa dal fuoco èè basato sul processo basato sul processo delldell’’intumescenza che produce una intumescenza che produce una schiuma schiuma carboniosacarboniosa isolante; il calcolo isolante; il calcolo del del λλ della schiuma della schiuma carboniosacarboniosa èè allo allo stato attuale praticamente stato attuale praticamente irrealizzabile, in quanto la consistenza, irrealizzabile, in quanto la consistenza, la densitla densitàà, lo spessore la qualit, lo spessore la qualitàà della della schiuma varia in continuazione col schiuma varia in continuazione col variare della temperatura e del tempo. variare della temperatura e del tempo.

Il collaudo si riferisce ad una trave Il collaudo si riferisce ad una trave HEM HEM 320320, difficilmente riscontrabile nella , difficilmente riscontrabile nella media dei profili comunemente utilizzati, media dei profili comunemente utilizzati, la quale la quale èè stata trattata con vernice stata trattata con vernice intumescente.intumescente.EE’’ stata sottoposta al 15% del carico stata sottoposta al 15% del carico massimo ammissibile e dato il suo massimo ammissibile e dato il suo basso rapporto di basso rapporto di massivitmassivitàà (S/V=59,9 (S/V=59,9 mm--11) si ) si èè ottenuto un risultato diottenuto un risultato di R=120R=120’’con una temperatura di collasso di oltrecon una temperatura di collasso di oltre800800°°CC..Utilizzare questo rapporto di prova per Utilizzare questo rapporto di prova per certificare altri profili certificare altri profili con diverse con diverse condizioni di caricocondizioni di carico, e , e conseguentemente con conseguentemente con diverso valore diverso valore della temperatura criticadella temperatura critica, , èè un grave un grave errore.errore.Il risultato ottenuto Il risultato ottenuto èè valido valido esclusivamente per lesclusivamente per l’’elemento in esame elemento in esame senza possibilitsenza possibilitàà di poter effettuare di poter effettuare estrapolazioni o interpolazioni.estrapolazioni o interpolazioni.

Questo collaudo si riferisce ad Questo collaudo si riferisce ad una trave una trave IPE 180 (A/IPE 180 (A/V=V= 292) 292) con con un carico pari al 75% del carico un carico pari al 75% del carico massimo ammissibile.massimo ammissibile.La temperatura di collasso La temperatura di collasso èèintorno ai intorno ai 500 500 °°CC ed il risultato ed il risultato della resistenza al fuoco della resistenza al fuoco èè di di R=60R=60’’..Occorre quindi un meccanismo Occorre quindi un meccanismo che consenta una che consenta una caratterizzazione del sistema caratterizzazione del sistema protettivo basato su un ampio protettivo basato su un ampio spettro sperimentale che spettro sperimentale che permetta la creazione di permetta la creazione di tabelle tabelle ed abachi in funzione della ed abachi in funzione della temperatura criticatemperatura critica (carico (carico massimo ammissibile) e del massimo ammissibile) e del fattore di sezione fattore di sezione A/VA/V..