Dopo aver visto la verifica negli elementi in c.a., nell’esempio seguente verrà trattata l’analisi termica di un profilo in acciaio, volta alla determinazione della resistenza residua della sezione in caso di incendio.

 

Il profilo scelto per condurre l’analisi con il programma NextFEM Designer v.1.3 è un HEA 300, avente le seguenti caratteristiche geometriche:

Dimensione

 

 

Lunghezza ala

300

mm

Lunghezza anima

290

mm

Spessore anima

8.5

mm

Spessore ala

14

mm

Raggio di raccordo

27

mm

Sezione

112.5

cm2

 

Le caratteristiche del materiale acciaio sono le seguenti:

Nome

S275

Norma

EN 10027-1

E

210000000.000

kN/mq

ν

0.300

 

G

80770000.000

kN/mq

fk

275000.000

kN/mq

Peso specifico

7.860e1

kN/mc

Densità di massa

8.012e0

ton/mc

Conducibilità

5.400e-2

kW/m°C

Calore specifico

4.600e2

kJ/ton°C

 

Dall’interfaccia principale del programma, si andrà a creare una nuova sezione da Modifica / Sezioni, scegliendo tra i profili standard HE già presenti all’interno del programma (Sezione Trave “HE” dal menu a tendina del riquadro Aggiungi sezione). Una volta scelto il profilo, sarà possibile ottenerne direttamente il modello meshato nello spazio di lavoro mediante [click destro] / Disegna in modello. Qualora l’intervallo di meshatura non sia soddisfacente, è possibile modificare la dimensione delle mesh nella maschera Opzioni BIM in Strumenti / Opzioni / Solutori (nel caso in esame si opterà per un valore pari a 8 mm).

 

In seguito verrà selezionato il materiale acciaio S275, anch’esso presente nella libreria predisposta all’interno del programma in Modifica / Materiali, menu a tendina Libreria Materiali. Al fine di condurre l’analisi termica, dovranno essere aggiunte le caratteristiche di Conducibilità e Calore specifico dalla maschera Modifica materiale, con i valori mostrati in figura seguente. Inoltre, in ottemperanza alla norma europea UNI EN 1993-1-2 "Progettazione delle strutture di acciaio - Parte 1-2: Regole generali - Progettazione strutturale contro l’incendio" (nel seguito Eurocodice 3, EC3), dovranno essere caricate nel programma le leggi di variazione delle caratteristiche meccaniche del materiale nel corso di un incendio. Per far ciò, nella maschera Modifica / Funzioni si andranno a scegliere le seguenti serie:

-          EC3 1 2 Conducibilità Acciaio

-          EC3 1 2 Calore specifico Acciaio

-          Curva incendio NTC (ISO 834), tempo finale 60 min.
da utilizzarsi per condurre l’analisi termica;

-          EC3 1 2 Acciaio Fy

-          EC3 1 2 Acciaio Fp

-          EC3 1 2 Acciaio E
da utilizzarsi per l’analisi resistente del profilo.

Si riportano le leggi di variazione nel tempo normalizzate al valore 1 per la temperatura iniziale di 20°C.

Riduzione della conducibilità termica vs. temperatura, EC3 $3.4.1.3

 

Andamento del calore specifico vs. temperatura, EC3 $3.4.1.2

 

Riduzione della resistenza di snervamento vs. temperatura, EC3 $3.2.2

 

Riduzione della Resistenza di transizione al tratto parabolico vs. temperatura, EC3 $3.2.2

 

Riduzione del modulo elastico vs. temperatura, EC3 $3.2.2

 

In Assegna / Materiale / Modifica materiale / Impostazioni analisi termica potranno ora essere inserite le leggi corrispondenti. Secondo EC3, si può supporre che la densità dell’acciaio non vari nel tempo.

Una volta completato l’inserimento e applicate le variazioni, si assegnerà il materiale alla sezione dello spazio modello mediante il pulsante Assegna a elementi selezionati, dopo aver opportunamente selezionato tutti i nodi con un rettangolo di selezione.

A questo punto non resta che simulare le condizioni d’incendio, ovvero imporre le condizioni al contorno dell’analisi termica. Nel caso in esame verrà ipotizzata l’esposizione all’incendio di una sola faccia della sezione, in particolare l’ala inferiore, per un tempo massimo di 60 min. Tali parametri saranno definiti nella maschera Assegna / Impostazioni Analisi, scegliendo un tipo di analisi Termica, modalità Non-Lineare, con carichi forniti dalla Curva incendio NTC precedentemente selezionata.

Questa curva è anche detta curva nominale d’incendio ISO 834, e fornisce l’incremento della temperatura nel tempo per un incendio convenzionale di progetto. Il raggiungimento della fase di flash-over, ovvero di incendio generalizzato cui corrisponde una repentina variazione di temperatura, avviene in tempi molto rapidi, per cui l’utilizzo di questa legge concorre all’ottenimento di risultati generalmente cautelativi.

Si andranno a specificare un Incremento minimo pari a 60 (secondi) ed un Numero di step di analisi pari a 60, ottenendo un tempo complessivo di analisi di 3600 secondi (ovvero 60 minuti).

Prima di lanciare l’analisi si dovranno assegnare i carichi, che saranno di tipo puntuale nei nodi dell’ala inferiore del profilo HEA 300. Da Assegna / Carichi / Carico puntuale, dopo aver selezionato tutti i nodi presenti sul lato inferiore della sezione, si applicherà un carico Temperatura unitario, dal quale si potrà sviluppare l’incremento secondo la curva ISO 834.

 

Si potrà ora lanciare l’analisi mediante il pulsante in barra degli strumenti o l’omonimo Strumenti / Lancia. L’analisi viene condotta in secondi come unità di tempo. Si riporta il grafico della distribuzione delle temperature a 60 minuti.

Il profilo presenta la temperatura di 940°C sul lato esposto, mentre l’ala superiore mantiene una temperatura di 100°C circa (temperature apprezzabili attivando Valori nei risultati in Visualizza / Controlli vista).

 

Utilizzando i risultati derivanti dalla precedente analisi termica è possibile procedere alla verifica di resistenza residua della sezione ad un tempo stabilito. Da Strumenti / Sezione da modello viene predisposta una nuova sezione da utilizzarsi per le verifiche, visualizzabile nella scheda Modifica / Sezioni. Una volta selezionata, premendo il bottone Calcolo si accederà alla finestra delle verifiche. Nel riquadro delle sollecitazioni si andranno a specificare il Caso di carico, il Tempo di verifica e le Curve di riduzione, come da figura seguente.

Scegliendo di operare in campo plastico, e specificando una Classe 1 o 2 per la sezione analizzata, una volta premuto il pulsante Verifica si otterrà il dominio resistenza, rappresentato graficamente nel riquadro di destra. Come si può evincere, a t=60 min. il profilo HEA 300 presenta una resistenza residua di 56.6 kNm, pari al 15.6% di quella propria della sezione a freddo.

 

Momento resistente plastico sezione a freddo

Momento resistente plastico sezione a T=940°C (t=60 min)