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Analisi del comportamento dinamico e ad alte temperature di un acciaio da costruzione: dal materiale alla struttura
Progetti di ieri e di oggi per costruire l'università di domani
Dal punto di vista progettuale, per poter realizzare delle strutture più sicure è di essenziale importanza la conoscenza delle caratteristiche meccaniche del materiale soprattutto in condizioni estreme di incendio ed esplosione che, al momento, sono difficilmente reperibili.
Era la mattina del 16 maggio 1968 quando la proprietaria di un appartamento al diciottesimo piano di un edificio di ventidue piani (Ronan Point, Londra) accese un fiammifero per scaldare l’acqua per una tazza di tè. Una fuga di gas causò un’esplosione che ebbe conseguenze catastrofiche: si innescò infatti un collasso parziale della struttura che si propagò su tutta l’altezza dell’edificio, provocando la morte di quattro persone e il ferimento di altre diciassette. A seguito di questo episodio, nella comunità tecnico-scientifica cominciarono numerose discussioni, riflessioni e studi su come evitare tali eventi. Nacque il concetto di robustezza strutturale, definita come la proprietà di una struttura di subire un danno proporzionale all’evento che lo ha provocato. Questo chiaramente non avvenne nell’edificio Ronan Point, dove il collasso di un solo piano innescò un effetto domino, causando il crollo di tutte le solette sovrastanti e sottostanti. Questo meccanismo, noto come collasso progressivo, evidenziò la difficoltà nel prevedere tutte le possibili forme di danneggiamento e, conseguentemente, progettare adeguate soluzioni strutturali, come definire percorsi di carico alternativi (ridondanza strutturale) che consentano alla struttura di resistere a eventi eccezionali. Sebbene questi aspetti fossero stati immediatamente evidenziati nel 1970 con l’introduzione di misure volte a rendere più robuste le strutture, la comunità scientifica iniziò a studiare nel dettaglio questo problema solo dopo un evento di rilevanza mondiale: l’attentato dell’11 settembre 2001 alle Torri Gemelle (Figura 1).
Comprendere il comportamento delle strutture soggette a condizioni di carico estreme è dunque di notevole importanza per un duplice scopo: da un lato, progettare strutture più sicure e, dall’altro, comprendere le cause di eventuali collassi strutturali provocati da queste azioni. Nelle strutture metalliche per esempio, le azioni eccezionali che usualmente ne causano il collasso sono gli incendi e le esplosioni. Entrambi i casi sono stati oggetto di numerose ricerche finalizzate alla valutazione della risposta strutturale in presenza di un’azione o dell’altra. In particolari condizioni estreme però, esplosioni e alte temperature potrebbero agire contemporaneamente. In questa evenienza è quindi fondamentale considerare la combinazione degli effetti.
Dal punto di vista progettuale, per poter realizzare delle strutture più sicure è di essenziale importanza la conoscenza delle caratteristiche meccaniche del materiale soprattutto in condizioni estreme di incendio ed esplosione che, al momento, sono difficilmente reperibili.
Per sopperire a questa necessità, il Laboratorio interdipartimentale DynaMat della SUPSI e l’Istituto di Ingegneria Strutturale (IBK) del Politecnico federale di Zurigo (ETH) hanno sviluppato il progetto di ricerca «Behaviour of structural steels under fire in a wide range of strain rate», finanziato dalla Segreteria di Stato per la formazione, la ricerca e l’innovazione nell’ambito dell’azione COST TU0904 - Integrated Fire Engineering and Response (IFER). Il progetto ha permesso di studiare l’effetto delle suddette azioni estreme su acciai strutturali di ultima generazione (S355, S690 e S960) e su barre d’armatura (AISI304, B500A, B500B) mediante un’importante serie di prove che combinavano le alte temperature – da 20°C fino a 900°C – alle diverse velocità di deformazione, dalle condizioni quasi-statiche (10-3 s-1), alle più estreme condizioni dinamiche (1000 s-1).
I risultati ottenuti hanno permesso di valutare l’effetto combinato sul materiale della temperatura in condizioni dinamiche, che rappresentano le condizioni in cui si potrebbe trovare una struttura metallica durante un incendio e sollecitata da un’esplosione o da un forte impatto. A titolo di esempio, nelle Figure 2-3 sono riportati due diagrammi nei quali è rappresentato l’andamento tensionale-deformativo dell’acciaio S355 in particolari condizioni di prova. Le condizioni dinamiche influiscono positivamente sulle prestazioni meccaniche del materiale: è stato infatti registrato un generale incremento delle capacità resistenziali all’aumentare della velocità di deformazione (Figura 2). Per contro, l’alta temperatura opera in senso opposto: si osserva, infatti, un’importante diminuzione della resistenza all’aumentare della temperatura (Figura 3).
Confrontando le risultanze sperimentali con i valori proposti dall’Eurocodice 3, ad esempio per il coefficiente di riduzione del valore di snervamento1 (fp,0.2%), si può osservare in Figura 4 come i dati proposti dall’Eurocodice in condizioni statiche differiscano da quelli ottenuti sperimentalmente in condizioni dinamiche. Questi risultati aprono una nuova via per ulteriori modelli da proporre nelle future normative. Il passaggio dal materiale alla struttura è stato ottenuto implementando questi risultati in un modello numerico e in un codice di calcolo agli elementi finiti. La valutazione dell’effetto di un’esplosione su un pilastro in acciaio in caso di incendio, con diverse condizioni vincolari, è stata eseguita numericamente variando il carico dell’esplosivo e la distanza di detonazione come illustrato in Figura 5. I risultati sono di grande interesse per stabilire le condizioni iniziali che potrebbero innescare un collasso progressivo di strutture metalliche sollecitate dall’effetto dell’azione estrema di un’esplosione in presenza incendio.
In conclusione, oggigiorno occorre considerare sempre più i casi di carichi estremi provenienti sia da scenari naturali (forti sismi, uragani), sia derivanti da comportamenti umani accidentali (esplosioni, impatti, incendi) o volontari (attentati terroristici). La moderna ingegneria strutturale sta sviluppando in questi decenni nuovi concetti (robustezza, ridondanza, integrità strutturale) e nuovi scenari (analisi multi-rischio) per comprendere il reale comportamento delle strutture e presidiarne la sicurezza.
Il progettista del futuro dovrà quindi avere requisiti di preparazione ed esperienza che consentano di verificare la robustezza dell’intero organismo strutturale. Gli attentati terroristici così come i collassi strutturali degli ultimi anni testimoniano l’importanza del problema e l’urgente bisogno di nuovi dati e nuovi approcci.
Bibliografia
D. Forni, B. Chiaia, E. Cadoni, Strain rate behaviour in tension of S355 steel: Base for progressive collapse analysis, «Engineering Structures», 2016, vol. 119, pp. 164-173.
D. Forni, B. Chiaia, E. Cadoni, High strain rate response of S355 at high temperatures, «Materials & Design», 2016, vol. 94, pp. 467-478.
D. Forni, B. Chiaia, E. Cadoni, Blast effects on steel columns under fire conditions, «Journal of Constructional Steel Research», 2017, vol. 136, pp. 1-10.
Note
Il coefficiente di riduzione del valore di snervamento è calcolato come rapporto tra la tensione di snervamento a 20°C e quella valutata alte temperature.