CONVEGNO AICAP
Il nuovo quadro normativo sulla
progettazione antincendio delle
strutture di calcestruzzo armato
Roma, 8 Febbraio 2008
Esempi di progettazione di
resistenza al fuoco di strutture
in calcestruzzo
Prof. Ing. Emidio Nigro
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
Università di Napoli “Federico II”
1
VERIFICA DI SICUREZZA IN CASO DI INCENDIO
Possono essere individuati tre tipi di approccio, utilizzabili insieme
o separatamente:
Approccio Strutturale
la sicurezza viene ottenuta mediante la combinazione
di opportune scelte di compartimentazione e di
resistenza al fuoco delle strutture.
Approccio basato sul Monitoraggio
Approccio basato sull'Estinzione
Emidio Nigro
è basato su sistemi di rilevamento
automatico di fumi e/o calore e
sulla trasmissione automatica
dell'allarme ad un’apposita squadra
di intervento dei VVF
è basato su sistemi di
spegnimento automatico, come
gli Sprinklers, ed è sempre
collegato ad un sistema
automatico di allarme
2
LA VERIFICA DI RESISTENZA AL FUOCO
Nel dominio del tempo: t fi,d  t fi,richiesto
(tempo di resistenza al fuoco di progetto ≥ tempo di resistenza al fuoco richiesto)
 M , fi  1.0
Nel dominio delle resistenze:
R fi,d ,t  E fi,d ,t
(resistenza in condizioni di incendio al tempo t ≥ sollecitazione in condizioni
di incendio al tempo t)
Nel dominio delle temperature:  d ,t   cr ,d
(temperatura dell’elemento al tempo t  temperatura critica dell’elemento)
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
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Emidio Nigro
TIPOLOGIE DI INCENDIO
La curva di incendio di progetto può essere:
Naturale: curva determinata in base a
modelli d’incendio e a parametri fisici
che definiscono le variabili di stato
all’interno del compartimento. Le
verifiche devono essere estese all’intera
durata dell’incendio, inclusa la fase di
raffreddamento.
Nominale: curva adottata per la classificazione delle costruzioni
e per le verifiche di resistenza al fuoco di tipo convenzionale.
Prove in forno
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COMBINAZIONI DI CARICO IN CASO DI INCENDIO
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:
Ffi,d   GA  GK   p  PK (t )  1,1  QK ,1  i 2,i  QK ,i   Ad (t )
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:
Ffi,d  fi  Fd
fi 
GA  1,1   1.0  1,1  

G  Q   1.4  1.5  
,
con  
Qk ,1
Gk
Per gli usuali valori di x risulta: h=(0.5÷0.7)
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VALUTAZIONE 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
R fi,d ,t
 Metodi di calcolo semplificati
 Calcolo analitico (metodi di calcolo “avanzati”).
 E fi,d ,t
6
VALUTAZIONE 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 ULTIME

Dalla conoscenza del legame s-e 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 .
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RIDUZIONE DEL DOMINIO DI RESISTENZA
DI COLONNE IN C.A. IN CASO DI INCENDIO
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CURVE DI DEGRADO DELLA RESISTENZA NEL TEMPO DI
COLONNE IN C.A. SOGGETTE AD INCENDIO
N u (t )
  '  As / bh  0.01
N u ( 0)
e/h  0
10
VALUTAZIONE DELLA RESISTENZA AL FUOCO
DI COLONNE SNELLE
 Colonne “snelle”: “METODO DELLA COLONNA MODELLO”
P
a
M
M0
N=P
H
A
MImax
v(z)
L
q(z)
B
2
arctg( 0.4PL )
z
z
1/r
•
Inflessione dell’estremo libero:
4L2 1
1 2
a  2  0.40 L
r
 r
•
Momento massimo del I-ordine:
M I,max  M u - N  a
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RIDUZIONE DEL DOMINIO DI RESISTENZA
DI COLONNE SNELLE IN C.A. IN CASO DI INCENDIO
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METODO SEMPLIFICATO “ISOTERMA 500°C
EUROCODICE 2 – ANNESSO B
 Definizione della sezione ridotta:
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ANALISI PER SINGOLI ELEMENTI
O PER SOTTOSTRUTTURE
mt=o
mt=o
Fo1(t=o) Fv1(t=o)
Fv2(t=o)
Fo2(t=o)
mt=o
mt=o
F’o1(t=o)
mt=o
F’o2(t=o)
mt=o
F’v1(t=o)
F’v2(t=o)
NTC 2008: Si deve tener conto degli effetti delle sollecitazioni iperstatiche
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
modelli semplificati e conservativi di comportamento strutturale in caso di incendio.
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EFFETTI 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
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EFFETTI 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.

M ut
 M ut

qu  L2
M ut
 M ut

 qu  8 
8
L2
VERIFICA
qfi ,d  qu
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EFFETTI DELL’INCENDIO
c) Effetti supplementari in regime di grandi spostamenti
c1) Sforzo assiale di compressione
M   N v  0
c2) Sforzo normale di trazione (per
spostamenti molto grandi)
-
M  N v  0
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APPLICAZIONE 1 – STRUTTURA INTELAIATA IN C.A.
INCENDIO STANDARD ISO834
Emidio Nigro
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Prof. Ing. E. Nigro
TELAIO MONOPIANO CON ISO834 - DEFORMATA
Emidio Nigro
20
Prof. Ing. E. Nigro
TELAIO MONOPIANO CON ISO834
SPOSTAMENTO MEZZERIA TRAVERSO
Emidio Nigro
21
Prof. Ing. E. Nigro
TELAIO MONOPIANO CON ISO834 – DIAGRAMMA MOMENTI
Emidio Nigro
22
Prof. Ing. E. Nigro
TELAIO MONOPIANO CON ISO834
MOMENTI IN MEZZERIA ED ESTREMITA’ TRAVERSO
-250
NODO CENTRALE
-200
-150
NODO LATERALE
-100
-50
MEZZERIA TRAVE
0
50
100
Emidio Nigro
23
Prof. Ing. E. Nigro
Metodo ISOTERMA 500°C – NODO LATERALE TRAVERSO
f yk  430 N / mm2
f ck  25 N / mm2
Dimensioni 30 x50
bridotta  18.3 cm
Sezione soggetta a
momento negativo
hridotta  44.3 cm
Armatura
ISOTERMA
500 °C
416 Inferiori
416 Superiori
yc 
Emidio Nigro
4  Af  f sk
0,85  f ck  bridotta
 8,83cm
M fi ,d , Rd  4  Af  f sk  (h - yc / 2)  124kNm
24
VERIFICA DI RESISTENZA – NODO LATERALE TRAVERSO
Diagramma Momento-Curvatura (Nodo laterale Traverso)
180
160
Momento (kNm) +
140
Riduzione Resistenza
t  160 min
120
Verifica per
singoli elementi:
MRd,fi > MSd,fi
100
80
Variazione sollecitazioni (SAFIR)
60
Mom-Curv (t = 0 sec)
Mom-Curv (t = 9756 sec)
MSd,fi (t = 0)
MSd,fi a t = 9756 sec (SAFIR)
40
20
MRd,fi (Metodo Isoterma 500°C)
0
0
0,025
0,05
0,075
0,1
0,125
0,15
Curvatura*h
Emidio Nigro
25
Metodo ISOTERMA 500°C – MEZZERIA TRAVERSO
f yk  430 N / mm2
f ck  25 N / mm2
Dimensioni 30 x50
Sezione soggetta a
momento positivo
T1  620,6C
T2  748,1C
Armatura
416 Inferiori
216 Superiori
T1  620,6C, K y ,1  0, 42
T2  748,1C, K y ,2  0,172
yc 
2  Af  k y ,1  f sk  2  Af  k y ,2  f sk
0,85  f ck  b
 1, 6cm
M fi ,d , Rd  2  Af  k y ,1  f sk  (h - yc / 2)  2  Af  k y ,2  f sk  (h - yc / 2)  45kNm
26
Emidio Nigro
VERIFICA DI RESISTENZA - MEZZERIA TRAVERSO
Diagramma momento-curvatura (Mezzeria Traverso)
Momento (kNm) +
150
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
t  160 min
100
Verifica per singoli elementi:
MRd,fi < MSd,fi
50
t  125 min
Variazione sollecitazioni (SAFIR)
0
0
0,025
0,05
0,075
0,1
0,125
0,15
-50
Curvatura*h
Emidio Nigro
27
Metodo ISOTERMA 500°C – NODO CENTRALE TRAVERSO
f yk  430 N / mm2
f ck  25 N / mm2
Dimensioni 30 x50
Sezione soggetta a
momento negativo
ISOTERMA
500 °C
yc 
bridotta  18.3 cm
hridotta  44.3 cm
Armatura
416 Inferiori
216  4 20 Superiori
4  Af ,16  f sk  2  Af , 20  f sk
0,85  f ck  bridotta
 18, 23cm
M fi ,d , Rd  4  Af ,16  f sk  (h - yc / 2)  2  Af , 20  f sk  (h - yc / 2)  221,7kNm
28
Emidio Nigro
TELAIO MONOPIANO CON ISO834 – SFORZO ASSIALE TRAVERSO
Emidio Nigro
29
Prof. Ing. E. Nigro
APPLICAZIONE 2 – STRUTTURA INTELAIATA IN C.A.
INCENDIO NATURALE (CURVA PARAMETRICA)
Emidio Nigro
30
Prof. Ing. E. Nigro
Curve parametriche Temperatura-tempo
Emidio Nigro
31
DEFINIZIONE DELLA CURVA INCENDIO NATURALE (CURVA
PARAMETRICA)
1200
ESEMPIO
1100
1000
Carico di incendio
specifico di progetto
Temperatura [°C]
900
800
q fd  600MJ / m2
Curva Parametrica
ISO 834
700
600
500
Pareti
400
b  1160 J / m2 s1/ 2 K
300
200
100
Fattore di apertura
0
0
15
30
45
60
75
Tempo [min]
Emidio Nigro
90
105
120
135
150
O  0,07m1/ 2
32
TELAIO MONOPIANO CON INCENDIO NATURALE
DEFORMATA
Emidio Nigro
33
Prof. Ing. E. Nigro
TELAIO MONOPIANO CON INCENDIO NATURALE
SPOSTAMENTO MEZZERIA TRAVERSO
Emidio Nigro
34
Prof. Ing. E. Nigro
TELAIO MONOPIANO CON INCENDIO NATURALE
DIAGRAMMA DEI MOMENTI
Emidio Nigro
35
Prof. Ing. E. Nigro
TELAIO MONOPIANO CON INCENDIO NATURALE
MOMENTI IN MEZZERIA ED ESTREMITA’ TRAVERSO
-250
-200
NODO CENTRALE
-150
-100
NODO LATERALE
-50
0
50
MEZZERIA TRAVE
100
Emidio Nigro
36
Prof. Ing. E. Nigro
TELAIO MONOPIANO CON INCENDIO NATURALE
SFORZO ASSIALE TRAVERSO
Emidio Nigro
37
Prof. Ing. E. Nigro
GRAZIE PER L’ATTENZIONE
38
APPLICAZIONE 3 – TEGOLO IN C.A.P.
Emidio Nigro
39
Prof. Ing. E. Nigro
EFFETTI DELL’INCENDIO SU COPERTURE CON TEGOLI IN C.A.P.
Emidio Nigro
Notevoli deformazioni plastiche dei tegoli di copertura
40
EFFETTI DELL’INCENDIO SU COPERTURE CON TEGOLI IN C.A.P.
Emidio Nigro
Notevoli deformazioni plastiche dei tegoli di copertura
41
EFFETTI DELL’INCENDIO SU COPERTURE CON TEGOLI IN C.A.P.
Emidio Nigro
Crollo di alcuni tegoli di copertura
42
EFFETTI DELL’INCENDIO SU COPERTURE CON TEGOLI IN C.A.P.
Emidio Nigro
Notevoli deformazioni plastiche dei tegoli di copertura
43
TEGOLO IN C.A.P.
Emidio Nigro
44
TEGOLO IN C.A.P.
Emidio Nigro
45
Prof. Ing. E. Nigro
TEGOLO IN C.A.P.
Emidio Nigro
46
Prof. Ing. E. Nigro
TEGOLO IN C.A.P.
SPOSTAMENTO MEZZERIA
Emidio Nigro
47
TEGOLO IN C.A.P.
SPOSTAMENTO ORIZZONTALE APPOGGIO
Emidio Nigro
48