EFFETTI DELLA CLASSE DI RESISTENZA AL FUOCO

Ai fini dell’indagine numerica sugli effetti della variabilità della classe di resistenza al fuoco sulla risposta strutturale all’azione del fuoco degli isolatori elastomerici ad alto smorzamento (HDRB), modellati in campo bidimensionale, è stato condotto uno studio parametrico. Nel dettaglio, per la definizione della classe di resistenza al fuoco, è stato considerato, come riferimento, un compartimento antincendio in c.a. (superficie in pianta pari a 180 m2 ed altezza pari a 4.50 m), per il quale sono state ipotizzate due differenti soluzioni in termini di materiale combustibile; gli isolatori elastomerici, disposti in sommità dei pilastri del compartimento stesso, sono esposti all’azione del fuoco sulla superficie laterale. Con lo scopo di condurre anche uno studio sull’influenza della dimensione dei dispositivi HDRB, sono stati considerati due isolatori, caratterizzati da un diametro abbastanza grande (D=70 cm) e da un diametro piuttosto piccolo (D=49 cm). Inoltre, lo studio è stato condotto mettendo a confronto la formulazione teorica (§ 3.2.1.1) e la modellazione numerica in campo bidimensionale (§ 3.2.1.2), condotta per mezzo del software agli elementi finiti ABAQUS (2014).

Sulla base dei parametri di input definiti per il compartimento considerato e, quindi, per gli isolatori HDRB, sono state ottenute le classi di resistenza al fuoco corrispondenti ad un’esposizione all’incendio di durata pari a 15 (R15) e 30 (R30) minuti. Le curve d’incendio tempo-temperatura (EC1, 2004), che rappresentano l’evoluzione temporale della temperatura media dei gas di combustione nel compartimento considerato, relative alle classi di resistenza definite sopra, sono mostrate in Figura 3.5.

Figura 3.5 – Curve d’incendio tempo-temperatura.

I risultati dell’analisi di trasmissione del calore con risposta transitoria, condotta per mezzo del software ABAQUS (2014), sono mostrati in Figura 3.6. Le mappature termiche ottenute per la piastra metallica di diametro pari a 70 cm (diametro maggiore) sono riportate in Figura 3.6a (R15) e in Figura 3.6b (R30), mentre per la piastra di diametro pari a 49 cm (diametro minore) in Figura 3.6c (R15) e in Figura 3.6d (R30).

(a) D=70 cm (R15). (b) D=70 cm (R30).

(c) D=49 cm (R15). (d) D=49 cm (R30).

Figura 3.6 – Effetti della classe di resistenza al fuoco sul campo termico degli isolatori elastomerici (modellazione numerica in campo bidimensionale).

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Per le piastre metalliche è stato utilizzato l’elemento finito DC2D8 (Figura 3.3d, § 3.2.1.2) ed, inoltre, sono state considerate le proprietà termiche riportate al § 2.4.1.

Dai risultati di Figura 3.6 è possibile osservare l’effetto della classe di resistenza al fuoco, ma anche l’influenza della dimensione dei dispositivi sul campo termico interno, conseguentemente ad un’esposizione al fuoco sul bordo. A titolo di esempio, per la piastra metallica di diametro maggiore (D=70 cm), esposta al fuoco per 15 minuti (R15, Figura 3.6a), viene ottenuta una temperatura minima pari a 41°C. Dopo 15 minuti aggiuntivi di incendio (R30, Figura 3.6b), la temperatura minima subisce un incremento di circa 58°C. Per la piastra metallica di diametro minore (D=49 cm), invece, dopo un’esposizione al fuoco per 15 minuti (R15, Figura 3.6c), si ottiene una temperatura minima pari a 106°C; nel dettaglio, tale temperatura è superiore a quella raggiunta nella piastra di diametro maggiore, esposta allo stesso incendio, di circa 65°C. Dopo 15 minuti aggiuntivi di incendio (R30, Figura 3.6d) la temperatura minima subisce un incremento di circa 95°C; in particolare, viene raggiunta una temperatura pari al doppio della temperatura raggiunta per la piastra di diametro maggiore, esposta allo stesso incendio.

I risultati riportati in Figura 3.6 dimostrano chiaramente che il campo termico interno dipende principalmente dal tempo di esposizione all’azione del fuoco (classe di resistenza al fuoco, R); d’altra parte, la dimensione del dispositivo (in tal caso il diametro, D) influisce notevolmente sul fenomeno di propagazione del calore all’interno della sezione, comportando differenze sostanziali nella distribuzione interna di temperatura. Nei casi analizzati, è stato possibile osservare che una riduzione percentuale del diametro pari al 30% (da D=70 cm a D=49 cm) implica il raddoppio della temperatura minima, valutata nel punto centrale della sezione trasversale delle piastre metalliche (Figura 3.6a,c per R15 e Figura 3.6b,d per R30).

Gli effetti della classe di resistenza al fuoco sulla risposta strutturale all’azione del fuoco degli isolatori elastomerici, modellati in campo bidimensionale considerando una delle piastre metalliche interne, sono stati studiati anche attraverso l’applicazione della formulazione teorica (descritta al § 3.2.1.1). In Figura 3.7 vengono mostrati i profili di temperatura valutati in direzione radiale, mettendo a confronto i risultati ottenuti applicando la formulazione teorica e la modellazione numerica (§ 3.2.1.2), condotta per mezzo del software agli elementi finiti ABAQUS (2014). Nel caso della modellazione numerica (bidimensionale), i profili termici sono stati valutati considerando il campo termico in corrispondenza dei nodi di estremità degli elementi finiti utilizzati per la discretizzazione delle piastre metalliche. I profili sono stati valutati per entrambi i dispositivi (D=70 cm in Figura 3.7a,b e D=49 cm in Figura 3.7c,d), considerando le due classi di resistenza al fuoco (R15 in Figura 3.7a,c e R30 in Figura 3.7b,d).

Dai risultati di Figura 3.7 è possibile osservare che il campo termico ottenuto applicando la formulazione teorica è sempre inferiore al campo termico ottenuto applicando la modellazione numerica in campo bidimensionale. Nel dettaglio, l’applicazione della formulazione teorica produce un rapido decremento della temperatura, la quale raggiunge il valore normale (T=20°C). Tuttavia, tale comportamento può essere interpretato osservando che nell’applicazione della formulazione teorica vengono considerati una temperatura (T) ed un flusso radiale di calore (q), applicati sul bordo della piastra metallica, costanti nel tempo. In pratica, viene

considerata una condizione di stazionarietà delle variabili termodinamiche, che implica una sottostima del campo termico nella zona più interna della piastra metallica. D’altra parte, nello studio del problema attraverso l’applicazione della modellazione numerica, il campo termico viene valutato in regime transitorio per mezzo di un’analisi di trasmissione del calore in cui si tiene conto del fenomeno di propagazione del flusso di calore nel tempo (Mazza, 2017).

(a) D=70 cm (R15). (b) D=70 cm (R30).

(c) D=49 cm (R15). (d) D=49 cm (R30).

Figura 3.7 – Effetti della classe di resistenza al fuoco sui profili di temperatura (valutati in direzione radiale) degli isolatori elastomerici HDRB.

In conclusione, osservando i profili termici di Figura 3.7 è possibile notare che i risultati della formulazione teorica differiscono maggiormente da quelli ottenuti applicando la modellazione numerica agli elementi finiti all’aumentare della dimensione della piastra metallica e del tempo di esposizione incendio (classe di resistenza al fuoco).