La modularizzazione delle strutture industriali in acciaio. Aspetti legati alla resistenza al fuoco

This work is part of a wider research project developed by the “Construction” department of ANIMP-Milano together with Politecnico di Milano. The main objective is the assessment of the fire resistance of a pipe-rack structure and it is mainly focused on the design and verification of the columns. The solution currently adopted (fully concrete encased column) is compared with an alternative one (concrete filled tubular column), in order to develop a tubular solution able to ensure the same load-bearing capacity of the first one. Thus, thermo-mechanical analyses of the two cross-sections have been carried out using, as fire scenario, the hydrocarbon curve. The results clearly show that the tubular solution has rapid decrease of its mechanical properties and, therefore, it cannot ensure the same performance of the section currently used. The introduction of a system of passive fire protection has allowed the range of temperatures within the section to reduce: as a consequence the structural behavior of the cross-section has improved and the tubular solution guarantees the same load-bearing capacity of the fully concrete encased solution. Finally, we carried out an analysis of the behavior of the tubular cross-section during the cooling phase: this aspect, often overlooked in the design of structural elements exposed to fire, is crucial to assess the residual load-bearing capacity of the part of structure subjected to fire: this kind of assessment provides the information needed to assess whether a structural element should be repaired or replaced in order to restore the load-bearing capacity. After showing the limits of the Eurocode constitutive model for the behavior of concrete during the cooling phase, the ETC (Explicit Transient Creep) model has been adopted and implemented in a finite element code: in this way it is possible to evaluate, with better adeguacy to the real mechanical behavior of concrete, the residual load-bearing capacity of the section during the cooling phase.

Il lavoro di tesi si colloca all’interno di un progetto di ricerca sviluppato dalla sezione “Construction” di ANIMP-Milano (Associazione Nazionale di Impiantistica Industriale) in collaborazione con il Politecnico di Milano. L’obiettivo del presente elaborato, basato su un caso studio reale, è la valutazione della resistenza al fuoco di una struttura pipe-rack, con riferimento alla progettazione e verifica delle colonne. La soluzione attualmente utilizzata (profilo in acciaio rivestito esternamente in calcestruzzo) è stata confrontata con una soluzione alternativa (sezione tubolare riempita in calcestruzzo). L’obiettivo finale è l’identificazione di una soluzione tubolare in grado di garantire la stessa capacità portante della soluzione precedente. Allo scopo sono state svolte delle analisi termo-meccaniche delle due sezioni, utilizzando come scenario di incendio la curva nominale da idrocarburi. I risultati del confronto mostrano chiaramente come la soluzione tubolare presenti un rapido degrado delle proprietà meccaniche e ciò non permetta di assicurare le stesse prestazioni della sezione attualmente utilizzata. L’adozione di un sistema di protezione passiva al fuoco ha permesso di ridurre il campo di temperature all’interno della sezione, garantendo, in questo modo, un miglioramento della risposta strutturale in caso di incendio. Infine si è svolta un’analisi del comportamento post-incendio della sezione tubolare: questo aspetto, molto spesso trascurato nella progettazione, è sicuramente importante per valutare la capacità portante residua degli elementi strutturali interessati dall’incendio: la valutazione fornisce gli strumenti necessari per la scelta ed eventuale progettazione di interventi atti a riportare la resistenza strutturale ai livelli di sicurezza richiesti. Dopo aver mostrato i limiti del legame costitutivo presente in normativa nel modellare il comportamento del calcestruzzo durante la fase di raffreddamento, si è adottato e implementato in un codice ad elementi finiti il modello ETC (Explicit Transient Creep), con il quale è stato possibile valutare, con maggiore aderenza al comportamento reale, la capacità portante della sezione durante il raffreddamento.