On the role of materials properties and structural context in reinforced concrete members exposed to natural fires

Fire is one of the most severe hazards that a structure can experience during its service life. Given that the most of the RC structures are able to survive the full heating-cooling phase, investigating the residual behaviour and suffered damage during fire becomes the priority. Still, the current design practice focuses only on the heating phase, giving very little indication on the behaviour during cooling and in the residual phase. Most of the knowledge on the structural behaviour of RC members in fire comes from standard testing; therefore most of the studies available in the literature are focused on the structural behaviour in the heating phase. A clear common background for performing analyses as regards fires involving heating and cooling is still missing. This thesis deals with the structural analysis of typical reinforced and prestressed concrete beams and columns, on the basis of three different modeling approaches: sectional analysis, finite element analysis via beam elements and finite element analysis via 3D elements. The aim of this thesis is twofold: (a) to investigate the role of materials properties in the cooling phase on the structural behaviour; (b) to give an overview on the possible modeling strategies, highlighting the particular aspects of the cooling phase.

Il fuoco è uno dei pericoli più gravi che una struttura può sperimentare durante la sua vita utile. Dato che la maggior parte delle strutture in calcestruzzo armato è in grado di resistere all’intera fase di riscaldamento-raffreddamento, investigare il comportamento residuo ed il danno subito durante l'incendio diventa la priorità. Tuttavia, l'attuale pratica di progettazione si concentra solo sulla fase di riscaldamento, fornendo pochissime indicazioni sul comportamento durante il raffreddamento e nella fase residua. La maggior parte delle conoscenze sul comportamento strutturale di elementi in calcestruzzo armato al fuoco proviene da test standard; quindi la maggior parte degli studi disponibili in letteratura sono focalizzati sul comportamento strutturale nella fase di riscaldamento. Manca ancora una chiara base comune per eseguire analisi relative agli incendi che coinvolgono riscaldamento e raffreddamento. Questa tesi si occupa dell'analisi strutturale di travi e pilastri tipici in calcestruzzo armato e precompresso, sulla base di tre diversi approcci di modellazione: analisi sezionale, analisi agli elementi finiti tramite elementi di tipo trave e analisi agli elementi finiti tramite elementi 3D. Lo scopo di questa tesi è duplice: (a) studiare il ruolo delle proprietà dei materiali nella fase di raffreddamento sul comportamento strutturale; (b) fornire una panoramica sulle possibili strategie di modellazione, evidenziando gli aspetti specifici della fase di raffreddamento.