questi elementi strutturali, affrancando il progettista dalla determinazione del campo termico indotto dall incendio all interno delle colonne stesse.

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1 ABSTRACT La verifica di sicurezza delle strutture in condizioni di incendio è necessaria quando il rischio di incendio non è trascurabile ed il danneggiamento strutturale può avere conseguenze inaccettabili riguardo alla incolumità degli occupanti o delle squadre di spegnimento. La verifica delle prestazioni può essere necessaria per evitare la perdita di funzionalità della struttura, o ancora, per limitare i costi necessari per provvedere all eventuale recupero dell opera. E evidente che la verifica delle strutture soggette all incendio non può essere disgiunta dalla progettazione strutturale generale dell opera, come sancito anche dalle recenti Norme tecniche per le costruzioni (DM ), che individuano l azione incendio come una delle azioni eccezionali da considerare nella progettazione delle strutture. Nell ambito della sicurezza nei confronti dell azione incendio, le strutture composte, analizzate in questo lavoro di Tesi, rappresentano una tipologia costruttiva efficiente grazie alla naturale protezione al fuoco che il calcestruzzo offre ai profili metallici. L accoppiamento dell acciaio da carpenteria metallica al calcestruzzo, consente di realizzare membrature che presentano un degrado di resistenza durante l incendio molto graduale, limitando in questo modo il pericolo di collassi improvvisi di tipo fragile, dovuti ad esempio all instabilità locale o globale. L esame degli effetti di incendi reali e le sperimentazioni su modelli soggetti ad incendi standard costituiscono elementi essenziali per la comprensione del comportamento strutturale in caso di incendio, la cui valutazione analitica costituisce peraltro un problema termomeccanico abbastanza complesso. La sperimentazione su strutture composte acciaio-calcestruzzo esposte al fuoco, viene spesso condotta su singoli elementi strutturali (solette, travi, colonne) con l obiettivo di verificare il grado di affidabilità dei metodi di calcolo avanzati generalmente utilizzati in condizioni normali a freddo anche nel caso delle membrature esposte al fuoco. Tale estensione è spesso possibile, ovviamente a patto di tener conto della riduzione di resistenza dei materiali e di alcuni correttivi. La valutazione analitica della resistenza al fuoco richiede in generale la valutazione del campo termico indotto dall incendio all interno degli elementi strutturali che la compongono,

2 operazione complessa che comporta la soluzione della equazione differenziale di Fourier sulla propagazione del calore, ed il calcolo della capacità portante tenendo conto del danneggiamento subito dai materiali in funzione della temperatura. Al fine di facilitare le usuali operazioni di progetto-verifica, il problema della simulazione del comportamento al fuoco di componenti strutturali sottoposti ai carichi di servizio è stato oggetto di numerose ricerche, che hanno portato alla formulazione di procedimenti di calcolo attendibili e di agevole impiego grazie ad opportune tabellazioni. Il lavoro di tesi svolto è dedicato quindi, alla valutazione della resistenza in condizioni di incendio di colonne composte acciaio-calcestruzzo, in accordo con EN e le Norme Tecniche per le Costruzioni. L esame degli effetti di incendi reali e le sperimentazioni su modelli soggetti ad incendi standard costituiscono elementi essenziali per la comprensione del comportamento strutturale in caso di incendio, la cui valutazione analitica costituisce peraltro un problema termomeccanico abbastanza complesso. L idea di accompagnare le prove fisiche al forno con analisi numeriche, basate su adeguati modelli meccanici, è maturata nella comunità scientifica a seguito dello sviluppo delle tecnologie di calcolo. Per questo motivo, nel secondo capitolo di questo lavoro, si riportano i risultati di analisi numeriche condotte con il software SAFIR Ver per l analisi termica e per l analisi strutturale, confrontati con i risultati di prove sperimentali (Z.-F. Huang, 2008; J.B. Schleich, 2001, J.-M. Franssen, 2013; A.C. Pires, 2012.), su tipologie di colonne composte acciaiocalcestruzzo maggiormente utilizzate nel campo dell ingegneria strutturale. Lo scopo del confronto numerico-sperimentale è stato, dunque, quello di mostrare il grado di affidabilità di uno dei software utilizzati in questo lavoro e la possibilità di simulare numericamente il comportamento di tali elementi strutturali. Lo studio numerico-sperimentale sul comportamento di colonne in caso di incendio ha evidenziato la presenza di alcuni fenomeni fisici che si verificano durante il transitorio termico, che non possono essere simulati numericamente, ossia lo sfaldamento superficiale del calcestruzzo (spalling) e la migrazione della massa d acqua dal perimetro verso l interno della sezione. Dal punto di vista meccanico, differenze tra le previsioni numeriche e i corrispondenti valori misurati nei test, sono sempre da attribuire allo sfaldamento superficiale

3 del calcestruzzo (che ne riduce la resistenza e quindi il tempo di collasso), all effetto di confinamento dell armatura trasversale staffe (che migliorano la resistenza e la duttilità del calcestruzzo) ed a variazioni di temperatura lungo l asse longitudinale dell elemento. Ulteriori differenze tra il modello numerico e quello sperimentale sono imputabili alla carenza di informazioni relativamente all effettiva variazione delle caratteristiche termo-meccaniche dei materiali con la temperatura. La valutazione analitica della resistenza al fuoco di colonne composte acciaio-calcestruzzo richiede in generale la valutazione del campo termico indotto dall incendio all interno delle colonne stesse, operazione complessa che comporta un notevole sforzo computazionale, non giustificato soprattutto nelle fasi di pre-dimensionamento. Per tale motivo si propone nel terzo capitolo, una metodologia di analisi che può essere applicata avendo a disposizione curve di evoluzione della capacità portante delle colonne in funzione del tempo di esposizione al fuoco, che rappresentano la riduzione del dominio di interazione M u -N u della colonna nel tempo, espresse in funzione di alcuni parametri influenti. La capacità portante di elementi presso-inflessi in caso di incendio, viene rappresentata in termini di dominio di interazione M-N allo stato limite ultimo, determinando da un lato la distribuzione del campo di temperature nella sezione, dall altro la capacità portante dell elemento sulla base della riduzione di resistenza prodotta dalla temperatura stessa. La determinazione di questi domini è basata sulla definizione del diagramma momentocurvatura, dove il valore massimo del momento flettente viene assunto come il momento resistente allo stato limite ultimo M u,t della sezione retta per l assegnato sforzo normale N est ed il prefissato tempo t di esposizione all incendio. Per validare tale procedura numerica basata sul metodo del momento-curvatura, è stato eseguito un confronto grafico con i domini di resistenza allo stato ultimo (M u N u ) ottenuti con il codice di calcolo SAFIR 2007 (metodo degli elementi finiti), il cui esito è stato più che positivo. Al fine di facilitare le usuali operazioni di progetto-verifica di colonne composte esposte all incendio nel V Workshop Italiano Sulle Strutture Composte (D Elia, Materazzi e Nigro, 2002) è stata proposta una metodologia semplificata di analisi,che consente di valutare, mediante relazioni analitiche interpolanti esprimibili in forma chiusa, la resistenza al fuoco di

4 questi elementi strutturali, affrancando il progettista dalla determinazione del campo termico indotto dall incendio all interno delle colonne stesse. Nel presente lavoro di tesi, a partire dalla citata metodologia semplificata, è stata effettuata una nuova calibrazione delle varie relazioni analitiche delle curve di evoluzione della resistenza nel tempo con riferimento ai risultati ottenuti dalla metodologia di analisi rigorosa. L analisi parametrica comparativa ha riguardato le tipologie di colonne composte acciaiocalcestruzzo filled e partially encased, estendendo il campo parametrico anche alla percentuale di armatura aggiuntiva. In particolare, le leggi di danneggiamento termico fanno riferimento al caso di colonne composte tozze riempite e parzialmente rivestite di calcestruzzo. I parametri presi in esame ai fini della calibrazione, sono le dimensioni della sezione retta, la percentuale di armatura e lo spessore del ricoprimento di calcestruzzo, formulando espressioni analitiche per diversi rapporti di eccentricità. I valori di scostamento ottenuti tra le curve interpolanti calibrate e quelle accurate di riferimento sono accettabili in vari casi, confermando la possibilità di utilizzare la metodologia semplificata almeno nelle operazioni di dimensionamento e di verifica preliminare delle tipologie di colonne composte considerate. Sviluppi futuri del presente lavoro di Tesi potranno riguardare una più estesa analisi parametrica, al fine di calibrare meglio la dipendenza da alcuni parametri influenti e ridurre gli scostamenti rispetto al metodo accurato di riferimento. Nelle seguenti tabelle sono riportate i valori di scostamento δ definito dal rapporto tra lo sforzo normale ultimo valutato con il metodo di analisi semplificata con lo sforzo normale ultimo ottenuto con il metodo di analisi avanzata. Dai corrispondenti istogrammi si evince che i valori di scostamento ottenuti nei diversi casi, sono prossimi al valore di target pari all unità. Ciò indica che le relazioni proposte permettono di definire in modo attendibile la resistenza al fuoco di colonne composte tozze del tipo filled e parzialmente rivestite con il metodo semplificato di analisi proposta.

5 Tabella 1 Scostamenti δ. Sezioni filled per e/h=0. Figura 1 Frequenza degli scostamenti δ. Sezioni filled per e/h=0. Tabella 2 - Scostamenti δ. Sezioni filled per e/h=1. Figura 2 Frequenza degli scostamenti δ. Sezioni filled per e/h=1.

6 Tabella 3 - Scostamenti δ. Sezioni parzialmente rivestite per e/h=0. Figura 3 Frequenza degli scostamenti δ. Sezioni parzialmente rivestite per e/h=0. Tabella 4 - Scostamenti δ. Sezioni parzialmente rivestite per e/h=0.25. Figura 4 Frequenza degli scostamenti δ. Sezioni parzialmente rivestite per e/h=0.25.