UNI 9503 ed. Febbario 2007 PROCEDIMENTO ANALITICO PER VALUTARE LA RESISTENZA AL FUOCO DEGLI ELEMENTI COSTRUTTIVI IN ACCIAIO

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1 UNI 9503 ed. Febbario 2007 PROCEDIMENTO ANALITICO PER VALUTARE LA RESISTENZA AL FUOCO DEGLI ELEMENTI COSTRUTTIVI IN ACCIAIO Relatore: Ing. Giampiero NINNI Direttore Vicedirigente Comando Vigili del Fuoco di Taranto

2 RESISTENZA AL FUOCO DELLE STRUTTURE METALLICHE Decadimento meccanico dell acciaio alle alte temperature: 1. Riduzione della resistenza a rottura; 2. Riduzione della resistenza allo snervamento; 3. Riduzione del modulo di elasticità

3 K y,ө = f y,θ / f y f y resistenza caratteristica di snervamento a 20 C a 400 C C l acciaio l inizia a perdere resistenza K E,Ө = E y,θ / E E modulo di elasticità dell acciaio a 20 C a 100 C C l acciaio l inizia a deformarsi f y,θ / f y =1+[Θ a /767 ln(θ a /1750)] 0 C Θ a 600 C f y,θ /f y =108 (1-0,001 Θ a )/(Θa - 440) 600 C Θ a 1000 C

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9 D.M. 14/09/2005 Testo Unico sulle costruzioni INCENDIO = AZIONE ACCIDENTALE AZIONI DI PROGETTO IN CASO DI INCENDIO E fi,d =γ GA G k +Ψ 1,1 Q k,1 +ΣΨ 2,i Q k,i +ΣA d (t) G k valore caratteristico azioni permanenti Q k,1 valore caratteristico dell azione variabile principale Q k,i valore caratteristico altre azioni variabili A d (t) valori di progetto delle azioni derivanti dall esposizione all incendio γ GA coefficiente parziale di sicurezza per le azioni permanenti Ψ 1,1 coefficiente di combinazione dell azione variabile principale 2,i coefficiente di combinazione delle azioni variabili secondarie Ψ 2,i È ammesso non tenere conto delle azioni sismiche e di quelle di natura dinamica,ragionevolmente non presenti durante l'incendio.

10 γ GA GA = 1 Ψ 1,1 e Ψ 2,i si ricavano dalla seguente tabella

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13 Verifica resistenza al fuoco per strutture in acciaio UNI 9503 Verifica nel dominio delle RESISTENZE Ipotesi: Con la definizione di "verifica nel dominio delle resistenze" si intende la verifica della capacità portante di elementi strutturali effettuata confrontando la resistenza ultima di progetto dell elemento R fi,d al tempo t con le caratteristiche di sollecitazione E fi,d. La verifica è soddisfatta per: E fi,d R fi,d

14 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.

15 La norma EN riporta i limiti dimensionali delle parti delle sezioni sottoposte a compressione e flessione tali da determinare le classi di duttilità delle sezioni. Per la classificazione in caso di incendio è necessario adottare: ε = 0,85 235/f y (f y = N/mm 2 )

16 DISTRIBUZIONE NON UNIFORME DELLA TEMPERATURA Fattori correttivi K I fattori correttivi k 1 e K 2 consentono di tenere conto degli effetti della distribuzione non uniforme della temperatura. Il fattore correttivo K 1 per una distribuzione non uniforme di temperatura nella sezione trasversale assume i seguenti valori: - per una trave esposta su quattro lati K 1 = 1,00 - per una trave non protetta esposta su tre lati con una soletta di calcestruzzo sul quarto K 1 = 0,70 - per una trave protetta esposta su tre lati con una soletta di calcestruzzo sul quarto K 1 = 0,85 Il fattore correttivo K 2 per una distribuzione non uniforme di temperatura lungo l asse della trave assume i seguenti valori: - per una trave iperstatica K 2 = 0,85 - per una trave isostatica K 2 = 1,00 Nel calcolo è necessario determinare K = k 1 e K 2

17 µ 0 = E fi,d,d /R fi,d,0 Verifica nel dominio delle TEMPERATURE 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 µ 0 definito come segue: E fi,d è l effetto della combinazione delle azioni di calcolo alla temperatura dell incendio R fi,d,0 = è la resistenza della struttura a temperatura ambiente Θ a,cr = 39,19 ln [1/(0,9674 µ 3,833 0 )-1]] ( C)( Per sezioni di classe 4 la temperatura critica si assume non superiore a 350 C

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20 Esempio DATI: Trave IPE 180 esposta su 3 lati A/V=254 fattore di sezione non protetta K 1 = 0,7 (esposta su 3 lati) K 2 =1 K = k 1 *k 2 = 0,7 µ 0 = 0,248 grado di utilizzazione della struttura Determinare: 1) la resistenza al fuoco senza protezione; 2) La resistenza al fuoco con protettivo avente le seguenti caratteristiche: Cartongesso ci=1700 J/(kg C) ρi=800 kg/m3 pi=20% umidità λi=0,2 W/(m C)

21 750 C 0,248 22

22 Risultanti: Resistenza al fuoco senza protezione R=22 Considerando una protezione Cartongesso ci=1700 J/(kg C) ρi=800 kg/m 3 λi=0,2 W/(m C) pi=20% umidità s= 0,03 m spessore del rivestimento calcolato A p /V x λ p /d p = 254 x 0,2/0,03 = 1693

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24 Tempo di ritardo per evaporazione umidità del protettivo t v =p p * ρ p * d 2 p /(5 * λ p ) = = 20 *800 * 0,03 2 /(5 * 0,2) = 14 minuti Resistenza finale = =114 minuti

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

26 Il collaudo si riferisce ad una trave HEM 320,, difficilmente riscontrabile nella media dei profili comunemente utilizzati, la quale è stata trattata con vernice intumescente. E stata sottoposta al 15% del carico massimo ammissibile e dato il suo basso rapporto di massività (S/V=59,9 m - 1 ) si è ottenuto un risultato di R=120 con una temperatura di collasso di oltre 800 C. Utilizzare questo rapporto di prova per certificare altri profili con diverse condizioni di carico,, e conseguentemente con diverso valore della temperatura critica, è un grave errore. Il risultato ottenuto è valido esclusivamente per l elemento l in esame senza possibilità di poter effettuare estrapolazioni o interpolazioni.

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

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