Formulazione di un modello numerico per la resistenza a punzonamento di piastre in C.A. esposte ad alte temperature

Reinforced concrete slabs are structural members characterized by a small thickness compared to the in-plane dimensions that are used in situations in which a high structural efficiency related to large spans is required. In general, it is supported by concrete columns and this induces a high concentrated load on a small area; this could pave the way for a collapse of the slab-column connection. This phenomenon is called punching shear and it is due to both the entity of the load coming from the vertical member and the thickness of the slab. Punching shear failure of structural concrete members without transverse reinforcement is characterized by the development of a conical failure surface which is bounded by inclined cracks that originate from the column edge and propagate toward the extrados of the slab. The effect of this failure mode is amplified when the slab-column connection is subjected to the action of fire and the capacity of the slab tends to decrease. In this situation, both a decay of the mechanical properties (strength and stiffness) and thermal dilatation of concrete element take place and thus, an increase on the internal actions must be considered during the design stage. At the exposed surface of the slab there is a higher thermal dilation which tends to decrease in a non-linear way toward the upper layers of the structural member and this may affect the internal forces on the structural member. It is of primary importance to understand which is the actual bearing capacity of the slab upon exposure to high temperatures and/or fire. From a structural point of view, the problem may be treated by means of the comparison between the bearing capacity and the internal forces, both expressed in terms of fire duration. The punching shear failure of slabs in ordinary conditions can be studied by means of the Critical Shear Crack Theory (CSCT) developed by Muttoni et al., which is based on the comparison between the load-rotation relationship, and a suitably defined failure criterion. The intersection between the two yields the punching strength and the related slab deformation (expressed in terms of rotation of the slab-column connection). The aim of this work is the validation of a mechanical model able to predict the punching strength of concrete slab with no transverse reinforcement exposed to high temperatures or fire. This model is an extension of the one used in ambient conditions and its accuracy is validated by means of a comparison between the numerical results and the available experimental results.

Nelle situazioni in cui si richiede un elevata efficienza strutturale associata a grandi luci, si ricorre all’utilizzo di piastre in calcestruzzo armato, le quali altro non sono che elementi bidimensionali caratterizzati da uno spessore sufficientemente contenuto. Queste sono sostenute da elementi verticali, i pilastri, che inducono un’azione concentrata di elevata intensità su un’area relativamente piccola, con il rischio di un collasso per “perforazione” della piastra da parte del pilsatro. Il fenomeno in questione è definito punzonamento e si verifica quando lo spessore dell’elemento strutturale è piccolo in relazione all’entità dell’azione applicata e si ha anche quando, piccole risultano essere le dimensioni dell’area di impronta su cui questo carico si propaga. La rottura per punzonamento è caratterizzata da una superficie tronco-conica delimitata da fessure inclinate che si propagano a partire dal perimetro del pilastro e conducono a una rottura di tipo fragile. Il problema in questione è amplificato quando la connessione piastra - pilastro è soggetta all’azione del fuoco poichè si verifica una riduzione nella capacità della piastra nel contrastare il fenomeno. In generale, l’azione delle alte temperature sulle strutture induce sia una riduzione delle proprietà meccaniche dei materiali (rigidezza e resistenza), sia una dilatazione termica associata a spostamenti e deformazioni che portano ad un incremento delle azioni interne. Quest’ultima è dovuta ad una espansione non uniforme del materiale che sarà soggetto ad una dilatazione maggiore negli strati esposti alle fiamme. Essendo questo fenomeno ostacolato nelle connessioni in esame, si manifesta sia un incremento nel momento ordinario della piastra, sia un incremento nell’azione assiale dell’elemento di supporto, che conduce a un incremento di azione tagliante nell’elemento bidimensionale, influenzando negativamente la resistenza a punzonamento. È dunque fondamentale comprendere quale sia la reale capacità portante della struttura esposta a situazioni caratterizzate da temperature al di fuori del campo di ordinaria applicazione. La questione, da un punto di vista strutturale, verte sul confronto fra capacità portante e azioni interne, entrambe calcolate in funzione della durata dell’incendio. La resistenza al punzonamento di piastre sottili in condizioni ordinarie di temperatura può essere studiata tramite l’utilizzo di un modello che fonda le sue radici sulla Critical shear crack theory (CSCT) sviluppata presso il Politecnico Federale di Losanna (EPFL) da Muttoni et al (2008). Alla base della CSCT vi è l’idea che il collasso per punzonamento si verifichi nel momento in cui la curva caratterizzante il criterio di rottura interseca quella che descrive la relazione fra carico e rotazione. Lo scopo della presente tesi è la validazione di un modello meccanico volto alla valutazione del carico ultimo per punzonamento di piastre sottili e prive di armatura trasversale in condizioni di incendio; esso altro non è che una estensione della teoria appena detta ed è in grado di cogliere gli effetti dell’incendio sugli elementi strutturali. La sua validazione si baserà sul confronto fra i risultati numerici ottenuti e quelli sperimentali proposti nelle diverse campagne di indagine svolte presso vari laboratori e con diverse modalità di prova, avendo cura di comprendere che il fenomeno è interessato da numerose incertezze che riguardano sia le modalità di esecuzione delle prove, sia le proprietà meccaniche e geometriche dei campioni.