Resistenza al fuoco delle strutture: i codici analitici avanzati

Con il progredire degli strumenti hardware e software, nonché con le ampliate possibilità offerte dal nuovo Codice di Prevenzione Incendi (D.M. 03/08/2015) e la maggiore preparazione e specializzazione del mondo dei professionisti antincendio, sempre più spesso e volentieri la resistenza al fuoco delle strutture viene valutata attraverso calcoli analitici avanzati.
Nel caso delle strutture in acciaio, ad esempio, queste elaborazioni, seppur complicate da impostare e gestire, consentono di dimostrare il raggiungimento di prestazioni di resistenza strutturale al fuoco non possibili con l’applicazione dei metodi analitici semplificati. Al fine di sfruttare al massimo le potenzialità di tali calcolazioni, è necessario modellare il cimento termico rappresentato dall’incendio con curve naturali associate a ciascun scenario d’incendio di progetto.

Metodi di calcolo: quali sono i codici di calcolo più adeguati?

I metodi di calcolo avanzato si basano sull’utilizzo di speciali codici di calcolo, in grado di risolvere complessi sistemi di equazioni non lineari.
Ma quali sono i codici che meglio si prestano a queste calcolazioni? E soprattutto come validarli rispetto a quelli consigliati dalla normativa vigente?
L’aspetto della validazione di un calcolo di resistenza al fuoco con codici sofisticati, così come in tutti gli altri settori dell’ingegneria che ricorrono a modellazioni avanzate, è molto delicato e andrebbe riportato in ogni relazione di calcolo strutturale che si presenta ai Comandi dei Vigili del fuoco.
Il capitolo 10 delle Norme tecniche per le Costruzioni NTC2018, ad esempio, nel paragrafo 10.2, riporta: Qualora l’analisi strutturale e le relative verifiche siano condotte con l’ausilio di codici di calcolo automatico, il progettista dovrà controllare l’affidabilità dei codici utilizzati e verificare l’attendibilità dei risultati ottenuti. Il progettista dovrà quindi esaminare preliminarmente la documentazione a corredo del software per valutarne l’affidabilità e soprattutto l’idoneità al caso specifico.

Eurocodici e verifica dell’accuratezza dei modelli di calcolo

Nell’ambito delle analisi strutturali al fuoco, le parti fuoco degli Eurocodici prevedono la necessità di effettuare una verifica dell’accuratezza dei modelli di calcolo sulla base di specifici risultati sperimentali, raccomandando di controllare i parametri critici mediante analisi di sensitività. A tal fine rappresentano dei riferimenti l’allegato CC della DIN EN 1992-1-2 NA, nel quale sono presentati alcuni casi noti di riferimento rispetto ai quali confrontare i risultati del codice utilizzato, nonché la ISO/TR 16730-4, che fornisce una metodologia per la validazione dei software di calcolo per analisi strutturali in condizioni d’incendio. Pertanto un codice di calcolo avanzato per la resistenza al fuoco va validato sia rispetto ai risultati di prove sperimentali che a quelli analitici noti di casi di riferimento.
Inoltre, a differenza di quello che si fa progettando e verificando le strutture a freddo, nel caso della progettazione strutturale antincendio le cose si complicano, perché entrano in gioco, con un ruolo fondamentale, le non linearità geometriche e quelle del materiale, dovute sia alle alte temperature che ai loro gradienti, col conseguente abbattimento più o meno graduale delle caratteristiche meccaniche dei materiali normalmente utilizzati nelle strutture.
L’affidabilità e l’attendibilità dei risultati ottenuti sono due aspetti che vanno affidati completamente al giudizio esperto del progettista.

Codici di calcolo per analisi strutturali

Il codice di calcolo che deve essere preso in considerazione per svolgere analisi di resistenza al fuoco con modellazioni avanzate deve permettere di svolgere analisi termiche e strutturali, tenendo conto delle non linearità geometriche e meccaniche che un problema di resistenza al fuoco comporta. Deve essere pertanto possibile svolgere analisi non lineari in grandi spostamenti e deformazioni ed attribuire ai materiali strutturali il decadimento delle proprietà termiche e meccaniche in funzione delle variazioni della temperatura sull’elemento strutturale (sia nelle fasi di riscaldamento che di raffreddamento).
Tra i codici commerciali più noti troviamo ad esempio Straus7, Sap2000, Midas e Safir, l’unico tra questi ad essere nativo appositamente per la valutazione di resistenza al fuoco delle strutture. Questo ultimo infatti è un codice di calcolo riconosciuto a livello mondiale sviluppato dall’Università di Liegi, progettato unicamente per la simulazione del comportamento al fuoco delle strutture, con il quale è possibile eseguire sulle strutture le analisi termica e meccanica, con quest’ultima che, in sostanza, utilizza la prima come dato di input. Ben più raffinati e generici, e per questo anche molto complicati, sono i noti codici di calcolo come ad esempio Abaqus, Adina, Diana, Ansys, che permettono di svolgere le analisi strutturali nella loro completezza e senza tralasciare alcun aspetto inerente alle termo-plasticità dei materiali, a patto di modellare correttamente i legami costitutivi dei materiali durante l’esposizione a cimenti termici con fasi di riscaldamento e di raffreddamento. La notevole difficoltà nel loro utilizzo consiste proprio in tale delicata fase di imputazione del cimento termico e dei legami costitutivi dei materiali.

Riferimenti bibliografici:

Revisione critica di calcoli avanzati di resistenza al fuoco
Chiara Crosti, Andrea Marino
Antincendio n.12/2019

Gli autori

Chiara Crosti
Ingegnere civile libero professionista, ha conseguito un dottorato di ricerca in Ingegneria delle Strutture nel 2011 presso l’Università di Roma “La Sapienza”. Ha collaborato a diversi progetti in ambito nazionale e internazionale. In particolare durante il periodo del dottorato ha lavorato come Guest Researcher per oltre 2 anni al National Institute of Standards and Technology (NIST) negli Stati Uniti. E’ professionista antincendio abilitata ex legge 818. Tratta la progettazione e l’adeguamento di strutture e infrastrutture a rischio incendio. Si occupa di “Fire Safety Engineering” e “Fire Investigation” mediante l’utilizzo di software specifici per la valutazione della resistenza al fuoco delle strutture e dell’esodo degli occupanti. Si occupa inoltre di formazione in corsi specialistici per professionisti.

Andrea Marino
Ingegnere Civile con indirizzo in strutture dal 2001, ha conseguito un dottorato di ricerca in “Ingegneria delle Strutture e del Recupero Edilizio ed Urbano” nel 2006 presso l’Università degli Studi di Salerno. E’ funzionario tecnico direttivo del CNVVF dal 2008, si occupa tra l’altro di Prevenzione Incendi, segue con particolare interesse il settore della Resistenza al Fuoco, ha tenuto diversi corsi di formazione per professionisti antincendio.

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