STRUTTURE DI CALCESTRUZZO ARMATO: EC2-1-2 A.L. MATERAZZI

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1 CONVEGNO GLI EUROCODICI PER LA PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 18 settembre 2008 Istituto Superiore Antincendi, Roma STRUTTURE DI CALCESTRUZZO ARMATO: EC2-1-2 A.L. MATERAZZI Università di Perugia 1

2 RIFERIMENTI GENERALI Il documento che si occupa della progettazione antincendio delle strutture di calcestruzzo armato è: UNI EN :2005 Progettazione delle strutture di calcestruzzo Parte 1-2: Regole generali Progettazione strutturale contro l incendio Il documento è disponibile nella traduzione italiana dal Di esso non è stato ancora predisposto l Annesso Tecnico Nazionale. 2

3 CONTENUTI DELL EC ) Generalità 2) Criteri generali di progettazione 3) Proprietà dei materiali 4) Procedure di progettazione 5) Dati tabellari 6) Calcestruzzo ad alta resistenza (HSC) 7) Appendice A: Mappature termiche 8) Appendice B: Metodi semplificati di calcolo 9) Appendice C: Instabilità di pilastri in condizioni di incendio 10) Appendice D: Metodi di calcolo per taglio, torsione e ancoraggio 11) Appendice E: Metodo di calcolo semplificato per travi e lastre 3

4 CRITERI GENERALI DI PROGETTAZIONE REQUISITI Nei casi in cui alle strutture sia richiesta la resistenza meccanica in situazione di incendio, queste devono essere progettate e costruite in modo tale da conservare la loro funzione di capacità portante durante il pertinente tempo di esposizione al fuoco. Nei casi in cui è richiesta la compartimentazione, le membrature costituenti i confini del compartimento, giunti inclusi, devono essere progettate e costruite in modo tale da conservare la loro funzione di separazione per il tempo pertinente di esposizione al fuoco, vale a dire: - non si manifesti il collasso della tenuta, vedere EN ; - non si manifesti il collasso dell'isolamento, vedere EN ; - sia limitato l irraggiamento termico dalla superficie non esposta. 4

5 CRITERI GENERALI DI PROGETTAZIONE Esposizione a incendio normalizzato (per le curve vedere EN ) Le membrature devono rispettare i criteri R, E e I come segue: - sola separazione: tenuta (criterio E) e, quando richiesto, isolamento (criterio I); - sola capacità portante: resistenza meccanica (criterio R); - separazione e capacità portante: criteri R, E e, quando richiesto, I. Si assume soddisfatto il criterio "R" quando la funzione di capacità portante è mantenuta per il tempo di esposizione al fuoco richiesto. Può essere considerato soddisfatto il criterio "I" quando l aumento della temperatura media sulla superficie non esposta è limitato a 140 K, e l aumento della temperatura massima in ogni punto della superficie non esposta non è maggiore di 180 K. 5

6 CRITERI GENERALI DI PROGETTAZIONE Esposizione a incendio parametrico (per le curve vedere EN ) Si raccomanda che la funzione di capacità portante sia mantenuta per tutta la durata dell incendio, inclusa la fase di estinzione, o per un determinato periodo di tempo. Assumendo la temperatura ambiente 20 C, per la verifica della funzione di separazione: - si raccomanda che l aumento della temperatura media della faccia non esposta sia limitato a 140 K e che l aumento della temperatura massima della faccia non esposta sia maggiore di 180 K durante la fase di riscaldamento fino al raggiungimento della temperatura massima del gas nel compartimento; - si raccomanda che l aumento della temperatura media della faccia non esposta sia limitato a θ 1 e che l aumento della temperatura massima della faccia non esposta non sia maggiore di θ 2 durante la fase di estinzione. (Valori raccomandati: θ 1 = 200 K e θ 2 = 240 K.) 6

7 CRITERI GENERALI DI PROGETTAZIONE Azioni termiche e meccaniche Devono essere ricavate dalla EN Valori di progetto delle proprietà meccaniche X d,fi = k θ X k / γ M,fi dove: X k è il valore caratteristico di una proprietà di resistenza o deformazione del materiale (in genere f k o E k ) per il progetto a temperatura ambiente; k θ è il fattore di riduzione per una proprietà di resistenza o deformazione (X k,θ / X k ), dipendente dalla temperatura del materiale; γ M,fi è il fattore parziale di sicurezza del materiale in caso di incendio. Il valore raccomandato di γ M,fi è pari ad 1,0. 7

8 Azioni di calcolo CRITERI GENERALI DI PROGETTAZIONE Si raccomanda che l effetto delle azioni sia determinato per il tempo t = 0 utilizzando i fattori di combinazione ψ 1,1 o ψ 1,2 secondo la Sezione 4 della EN I via semplificata gli effetti delle azioni possono essere ottenuti da un analisi strutturale eseguita a temperatura ambiente come: E d,fi = η fi E d dove: E d è il valore di progetto della forza o del momento corrispondente per il calcolo a temperatura ambiente (vedere EN 1990); η fi è il fattore di riduzione per il livello di carico di progetto in situazione di incendio. 8

9 CRITERI GENERALI DI PROGETTAZIONE 9

10 CRITERI GENERALI DI PROGETTAZIONE 10

11 PROPRIETÀ DEI MATERIALI Resistenza a compressione del calcestruzzo 1,2 1,0 0,8 f cθ /f ck 0,6 Aggregati calcarei 0,4 Aggregati silicei 0,2 0, Temperatura θ [ C] 11

12 PROPRIETÀ DEI MATERIALI Andamento del legame costitutivo del calcestruzzo 12

13 PROPRIETÀ DEI MATERIALI Evoluzione del legame costitutivo del calcestruzzo con la temperatura 13

14 PROPRIETÀ DEI MATERIALI Resistenza a trazione dell acciaio da cemento armato 1,2 ACCIAIO CLASSE N 1,0 0,8 f sy,θ /f yk 0,6 Laminato a caldo 0,4 Trafilato a freddo 0,2 0, Temperatura θ [ C] 14

15 PROPRIETÀ DEI MATERIALI Andamento del legame costitutivo dell acciaio da cemento armato 15

16 PROPRIETÀ DEI MATERIALI Evoluzione del legame costitutivo dell acciaio da cemento armato con la temperatura 16

17 PROCEDURE DI PROGETTAZIONE Sono consentiti i metodi di progettazione seguenti: - Metodo tabellare o sperimentazione per la progettazione di particolari costruttivi secondo le soluzioni progettuali riconosciute, vedere Sezione 5; - Metodi di calcolo semplificati per particolari tipi di membrature, vedere punto 4.2; - Metodi di calcolo avanzati per la simulazione del comportamento di membrature strutturali, di sotto-insiemi o dell intera struttura, vedere punto

18 PROCEDURE DI PROGETTAZIONE Quadro riassuntivo Project Design Prescriptive Rules (Thermal actions given by Nominal fire) Member analysis analysis of part of the structure analysis of entire structure Calculation of actions at boundaries Calculation of actions at boundaries selection of actions Tabular data simple calculation general calculation (simple calculation ) general calculation general calculation Performance-Based Rules Selection of simple or general fire Member analysis analysis of part of the structure analysis of entire structure Calculation of actions at boundaries Calculation of actions at boundaries selection of actions (simple calculation ) general calculation general calculation general calculation 18

19 PROCEDURE DI PROGETTAZIONE Quadro riassuntivo Approccio prescrittivo Project Design Prescriptive Rules (Thermal actions given by Nominal fire) Member analysis analysis of part of the structure analysis of entire structure Calculation of actions at boundaries Calculation of actions at boundaries selection of actions Tabular data simple calculation general calculation (simple calculation ) general calculation general calculation 19

20 PROCEDURE DI PROGETTAZIONE Quadro riassuntivo Approccio prestazionale Performance-Based Rules Selection of simple or general fire Member analysis analysis of part of the structure analysis of entire structure Calculation of actions at boundaries Calculation of actions at boundaries selection of actions (simple calculation ) general calculation general calculation general calculation 20

21 PROCEDURE DI PROGETTAZIONE Quadro riassuntivo Approccio prestazionale Performance-Based Rules Selection of simple or general fire Member analysis analysis of part of the structure analysis of entire structure Calculation of actions at boundaries Calculation of actions at boundaries selection of actions (simple calculation ) general calculation general calculation general calculation 21

22 METODO TABELLARE o E limitato al calcolo di soli componenti, considerati direttamente esposti al fuoco per tutta la loro lunghezza. o Si suppone che esista la stessa distribuzione di temperatura su tutto lo sviluppo dell elemento. o Le azioni termiche applicate sono quelle dell incendio normalizzato per una durata massima di esposizione di 240 minuti. o Non sono richieste ulteriori verifiche relative alla capacità resistente a taglio, torsione e ai dettagli d ancoraggio. o Non sono richieste verifiche relative al distacco del calcestruzzo (spalling), fatta eccezione per l armatura di superficie. o Non è ammessa estrapolazione al di fuori del campo di applicabilità delle tabelle. o Il metodo fornisce risultati conservativi rispetto agli altri metodi di calcolo. 22

23 Esempio di dati tabellari 23

24 METODI DI CALCOLO SEMPLIFICATI I metodi di calcolo semplificati possono essere utilizzati per determinare la capacità portante allo stato limite ultimo di una sezione a caldo e per confrontarla con la relativa combinazione di azioni. La procedure prevede: 1)la determinazione del campo termico all interno della sezione; 2)la valutazione della capacità portante della sezione utilizzando metodi basati sulla riduzione della sezione trasversale; 3)il confronto della capacità portante con le azioni di calcolo. Alcuni metodi semplificati sono riportati nella Appendice B. 24

25 METODI DI CALCOLO SEMPLIFICATI: Metodo dell isoterma 500 C Il metodo consiste nel considerare una opportuna sezione trasversale ridotta. Si considera danneggiato il calcestruzzo che abbia raggiunto temperature maggiori di 500 C e si esclude ogni suo contributo alla resistenza. La restante sezione trasversale mantiene i suoi valori di resistenza e modulo d elasticità iniziali. Per una trave rettangolare esposta al fuoco su tre lati, la sezione trasversale efficace in situazione di incendio viene individuata determinando un nuovo spessore b fi e una nuova altezza efficace d fi della sezione, trasversale escludendo il calcestruzzo al di fuori dell isoterma dei 500 C. Gli angoli arrotondanti dell isoterma possono essere valutati approssimando la forma reale delle isoterme a un rettangolo o un quadrato. 25

26 Metodo dell isoterma 500 C: Esempi di applicazione 26

27 METODI DI CALCOLO SEMPLIFICATI: Metodo a zone Il metodo consiste nel considerare una opportuna sezione trasversale ridotta, ignorando una zona danneggiata di spessore a z in corrispondenza dei lati esposti all incendio. 27

28 METODI DI CALCOLO SEMPLIFICATI: Metodo a zone Ai fini della valutazione di az, la sezione trasversale è divisa in un numero (n 3) di zone parallele di uguale spessore (elementi rettangolari); per ciascuna di queste sono valutati la temperatura media e la resistenza a compressione media fcd (θ) ad essa corrispondenti. Caso di una parete di spessore 2 w esposta al fuoco sui due lati. 28

29 METODI DI CALCOLO SEMPLIFICATI: Metodo a zone La larghezza della zona danneggiata viene calcolata utilizzando le relazioni: per travi e lastre per pilastri che tengono conto del fattore di riduzione medio della resistenza del calcestruzzo e di quello nella zona meno riscaldata: L analisi di sicurezza continua quindi come nel caso del metodo dell isoterma 500 C, con la variante che per il calcestruzzo viene considerata la resistenza della zona meno riscaldata (punto M). 29

30 METODI DI CALCOLO AVANZATI Qualsiasi procedura di analisi della sicurezza più approfondita dei metodi tabellari o dei metodi semplificati è considerata un modello avanzato. Per essi non esistono limitazioni né per quanto riguarda il tipo di incendio, né per il grado di complessità della struttura. Essi possono considerare anche gli effetti dovuti alle azioni termiche contrastate. La normativa non fornisce indicazioni specifiche sulle procedure da adottare, ma solo indicazioni di carattere generale. 30

31 GRAZIE PER L ATTENZIONE 31