Analisi termo-strutturale e collasso implosivo nell’ambito della prevenzione incendi

Le nuove norme di prevenzione anti-incendio emanate dal Ministero dell’Interno prevedono che le valutazioni ingegneristiche sul collasso delle strutture siano basate su analisi oggettive termo-strutturali. La simulazione numerica rappresenta un elemento indispensabile per il progettista, che può così riprodurre virtualmente le condizioni di incendio ed ottimizzare le prestazioni termo-strutturali in accordo alle linee guida della normativa, vediamo come in questo articolo. 

Le nuove direttive nell’ambito della prevenzione incendi

Il Ministero dell’Interno, attraverso la Circolare DCPREV 9962 del 24 luglio 2020, ha fornito dei chiarimenti e degli indirizzi applicativi riguardanti le soluzioni progettuali per la valutazione delle prestazioni di resistenza al fuoco delle strutture.

Il documento integra e chiarisce il Decreto del 3 agosto 2015 (“Approvazione di norme tecniche di prevenzione incendi”) e mette in guardia rispetto ad alcune prassi progettuali finora utilizzate, definite semplicistiche ed affrettate, nell’ambito della verifica termo-strutturale e dello studio della dinamica di collasso delle strutture sottoposte a fenomeni di incendio.

Estratto della Circolare DCPREV 9962 del 24 luglio 2020

“[…] Omissione di verifiche sugli elementi strutturali. Spesso si omettono le verifiche di capacità portante sulle strutture e sugli elementi che le compongono, a seguito di sola analisi sulle temperature raggiunte nei compartimenti ritenute, senza alcuna giustificazione, non in grado di compromettere le strutture interessate dal cimento termico considerato; si rappresenta che, ad oggi, le attuali normative nazionali di settore non prevedono valori limite di temperature dei gas caldi o delle fiamme d’incendio o delle temperature e gradienti negli elementi strutturali al di sotto dei quali è possibile omettere le verifiche strutturali in termini di resistenza (fino al livello di prestazione III) e di deformabilità (livelli di prestazione IV e V); pertanto, in linea generale, è sempre necessario procedere alle verifiche termo-strutturali, utilizzando come dati di ingresso termico i risultati di output (in termini di temperature o flussi termici o altre grandezze rappresentative) delle analisi quantitative degli scenari d’incendio di progetto e come combinazione dei carichi quella prevista per le azioni eccezionali di cui alle vigenti NTC.

Collasso implosivo sulle strutture in condizioni d’incendio. In alcuni casi sono state tratte conclusioni semplicistiche ed affrettate in merito al collasso implosivo con riferimento ad analisi su singoli elementi basate sulla sola resistenza, anche di singole membrature, senza individuare l’effettivo meccanismo di collasso in condizioni d’incendio in termini cinematici; ciò può portare a soluzioni non corrette dal punto di vista tecnico. Pertanto, le relative valutazioni in tale complesso ambito devono essere fondate su una corretta, seppur molto complessa, analisi termo-strutturale, nella quale il cimento termico sia stato correttamente valutato in termini di scenari d’incendio di progetto, tenendo conto delle fondamentali preliminari e conseguenti misure gestionali, e valutando, altresì, anche lo stato di sollecitazione e di deformazione al variare di gradienti termici negli elementi in funzione del tempo, in modo da definire il cinematismo di collasso e dimostrare che, nelle condizioni di incendio considerate, esso sia implosivo o meno. […]”

La soluzione in ambito SBES

La circolare DCPREV9962 impone quindi che le valutazioni ingegneristiche sul collasso di strutture debbano essere fondate su analisi termo-strutturali che siano rappresentative delle reali condizioni di cedimento e del conseguente comportamento meccanico delle strutture oggetto di studio.

Con questo obiettivo, le analisi termo-strutturali non possono prescindere da un approccio computer-aided e richiedono l’implementazione di procedure ingegneristiche dedicate tramite gli strumenti tipici della Simulation Based Engineering and Science (SBES).

In quest’ambito, gli ambienti di simulazione dovranno essere necessariamente due, il primo dedicato alla simulazione CFD, necessaria per predire l’evoluzione dell’incendio all’interno del dominio considerato (e.g. propagazione del fuoco in un magazzino) e campionare nel tempo le mappe di temperatura.

Al secondo ambiente, quello FEM, si demanderà il calcolo della risposta strutturale del sistema al carico termico ed ai contemporanei carichi di esercizio. Partendo dall’assunzione che il riscaldamento della struttura non influenzi l’evoluzione dell’incendio, l’interazione tra ambienti CFD e FEM potrà essere considerata di tipo one-way.

Oltre a questo aspetto, però, occorrerebbe verificare che la deformazione della struttura non peggiori sensibilmente l’esposizione al fuoco della stessa pur non cambiando la dinamica della CFD; in caso contrario, si dovrebbe passare ad una implementazione two-way.

Lo studio in ambito FEM dovrà essere necessariamente eseguito in due fasi, la prima relativa al calcolo dello stato tensionale e deformativo sino ad incipiente collasso (da eseguire con un codice implicito), la seconda finalizzata a predire l’evoluzione del collasso (con un codice esplicito) a partire dall’ultima “fotografia” ottenuta nella prima fase (in termini di temperatura, stress, deformazione).

Un esempio di implementazione di una procedura di questo tipo può essere rinvenuto negli studi eseguiti a seguito del crollo del World Trade Center a New York (11 Settembre 2001) [1].

Fig1: Layout del modello della torre nord del World Trade Center utilizzato per la simulazione in FDS (Courtesy K. McGrattan)

Metodologie numeriche per simulare il collasso implosivo

Di seguito un esempio esplicativo di come si possa implementare la procedura testé descritta:

CFD + FEM_Implicito + FEM_Esplicito

_{Fig2: Modello CAD utilizzato per la simulazione di collasso implosivo usando FDS-ANSYS-LSDYNA}

Nell’ambito della simulazione incendi, un software universalmente riconosciuto per la sua affidabilità è il codice CFD Fire Dynamics Simulator (FDS), sviluppato dal NIST (National Institute of Standards and Technology, USA). Tramite questo codice è possibile impostare una simulazione di incendio anche di tipo evolutivo (situazione in cui non è nota a priori la curva HRR, Heat Release Rate, in quanto dipendente dalle condizioni al contorno, e.g. presenza o meno di ventilazione, e dalla distribuzione del carico di incendio all’interno del dominio).

FDS permette di esportare i campi di temperatura tramite file di testo facilmente importabili da qualsiasi codice FEM, quindi è sicuramente un’ottima opzione per la simulazione di incendio ed è stato scelto per questo motivo.

Fig3: Simulazione di incendio (FDS) all’interno del capannone

Per quanto riguarda il codice FEM implicito, la Ansys Workbench Suite si è dimostrata essere la soluzione più efficace, in virtù delle note flessibilità, affidabilità ed accuratezza in termini di:

• definizione della geometria dell’assieme oggetto di studio e le relative proprietà inerziali per ogni elemento strutturale;
• definizione delle proprietà elasto-plastiche dei materiali della struttura in funzione della temperatura;
• importazione delle mappe di temperatura ottenute dalla simulazione transitoria dell’evento di incendio eseguita in FDS, carico termico per il modello FEM termo-strutturale;
• esecuzione dell’analisi termo-strutturale transitoria fino alle condizioni di incipiente collasso strutturale;
• identificazione ed esportazione dei dati della struttura nelle condizioni di incipiente collasso per il codice FEM esplicito.

Fig4: Condizione di incipiente collasso della struttura dovuto alla degradazione della rigidezza della struttura in condizioni di incendio

Per quanto riguarda il codice FEM esplicito, LS-DYNA rappresenta lo standard tecnologico di riferimento per la simulazione dinamica esplicita.

Le indicazioni riportate all’interno della circolare del Ministero dell’Interno sanciscono ancora una volta il ruolo centrale della simulazione nell’ambito della progettazione delle strutture sottoposte ad un evento di incendio. Questo ramo dell’ingegneria risente naturalmente della limitata applicabilità della prototipazione reale e inoltre la Circolare DCPREV 9962 puntualizza il fatto che determinate evidenze legate alla risposta termica del sistema non possano essere utilizzate per effettuare delle stime sulla tenuta strutturale. Per questi motivi la simulazione non è più una opzione raccomandata, ma diventa uno strumento indispensabile.

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