Limit-analysis of R/C slabs exposed to standard fires : application of the yield-line method

Designing, assessing, repairing and strengthening a fire-damaged structure are becoming increasingly critical in structural engineering, because of the increasing complexity of both buildings and infrastructures, which brings in severe damage levels and disruptions in fire conditions. Fire is a multi-faceted phenomenon, which brings together concrete technology and – more generally – structural-materials technologies, materials science, experimental techniques and Structural Enginering. In this MS work, a rather thin reinforced-concrete slab, simply supported along two opposite sides, clamped along the third side and free along the fourth is investigated with reference to the design at the Ultimate Limit State and to the verification in fire conditions, by means of the “strip method” in the former case and of the “yield-lines method” in the latter case. Three different fire scenarios are considered: standard fire ISO-834 (due to the burning of cellulosic materials), hydrocarbon fire and natural fire. During the fire, because of the increasing temperature the failure mechanism undergoes an evolution characterized by the increasing role of the built-in edge and by the shift from a mechanism based on a mostly-cylindrical deformed shape to a mechanism exhibiting diagonal yield lines, that takes care of the strong corner effects. Three are the main objectives: (a) to show once more the effectiveness and the handiness of the yield-lines method, especially in a rather tricky case like in fire; (b) to emphasize the relevance of the evolution of the static behavior in fire (which is represented by the failure mechanism); and (c) to underline that in thin members subjected to fire also concrete is severely affected and markedly contributes to the decay of the bearing capacity.

La progettazione, valutazione, riparazione e riabilitazione delle strutture danneggiate dal fuoco sono diventate di grande attualità di pari passo con l’aumento della complessità di edifici ed infrastrutture, che comporta danni anche molto elevati in presenza di incendio. L’incendio coinvolge molti aspetti riguardanti la tecnologia del calcestruzzo ed in generale dei materiali strutturali e non, la scienza dei materiali, le tecniche sperimentali e l'ingegneria strutturale. In questo lavoro di tesi, una relativamente sottile piastra rettangolare in calcestruzzo armato, appoggiata su due lati opposti, incastrata lungo il terzo lato e libera lungo l’ultimo viene studiata con riferimento sia alla progettazione in condizioni ordinarie usando il metodo delle strisce, sia alla verifica di resistenza all’incendio con il metodo delle line di plasticizzazione. Vengono esaminate tre condizioni (incendio standard ISO-834, incendio da idrocarburi ed incendio naturale). All’evolvere dell’incendio - e cioè all’aumentare della sua durata e conseguentemente della temperatura - il cinematismo di collasso subisce anch’esso un’evoluzione, con aumento degli effetti dell’incastro e passaggio da un cinematismo legato alla flessione cilindrica ad un cinematismo a line di plasticizzazione oblique tipico dei forti effetti di spigolo. L’obiettivo della tesi è triplice: (a) dimostrare una volta di più l’efficacia e la facilità d’uso del metodo delle line di plasticizzazione, specialmente in un caso abbastanza complesso, come è quello dell’incendio; (b) sottolineare come nel caso di incendio l’evoluzione del comportamento statico (rappresentato dal cinematismo di collasso) sia fondamentale; e (c) ricordare come nel caso di incendio di strutture bidimensionali – quindi alquanto sottili – anche il calcestruzzo “soffra” per effetto dell’alta temperatura e contribuisca in modo non trascurabile al decadimento complessivo della capacità portante.