Analisi strutturale in caso di incendio: i test di Cardington -2a Parte.

Giugno 201914
I test eseguiti sull’edificio
a Cardington
C
ome accennato nella prima parte di questo
articoloacuisirimandaperunadescrizione
puntuale dell’edificio, il programma delle
prove eseguite dagli istituti BS/ECSC e BRE consi-
stono in test di incendio simulato su vari elementi
strutturali. I principali test furono 6, riassunti in Ta-
bella 1 e in Figura 1 invece è riportata una pianta
con le posizioni dei vari test.
L’abstract
In questo secondo contributo si riprendono i quattro
test di Cardington rappresentativi dello sviluppo di
incendio su elementi bidimensionali o aree più estese.
A differenza dei casi visti nel primo contributo, in questo
articolo verrà focalizzata l’attenzione sulla modellazione
della temperatura, come dato di ingresso nelle analisi.
Le curve di natura sperimentale, ricavate da serie di
temperature registrate negli elementi o nell’ambiente,
sono rappresentative dell’evoluzione reale di un incendio.
Tutte le analisi sono state svolte tramite il codice di calcolo
Straus7 (www.hsh.info) conducendo delle analisi non
lineari e non stazionarie.
Tabella 1 | Test eseguiti
Analisi strutturale
in caso di incendio:
i test di Cardington
2a
Parte
Ing. Alessandra Aguinagalde, Borsista di ricerca
Facoltà di Ingegneria degli Studi di Roma“La Sapienza”,
alessandra.aguinagalde@uniroma1.it
Ing. Franco Bontempi, Ordinario di Tecnica
delle Costruzioni
franco.bontempi@uniroma1.it
Ing. Francesco Petrini, Assegnista di ricerca
francesco.petrini@uniroma1.it
TEST SPONSOR DESCRIZIONE AREA PIANO
1 BS/ECSC Trave vincolata 24 7
2 BS/ECSC Telaio piano 53 4
3 BS/ECSC 1° corner 76 2
4 BS/ECSC
Grande
compartimento
(ufficio)
136 2
5 BRE 2° corner 56 3
6 BRE
Grande
compartimento
340 3

www.insic.it 15
ItestdiCardington
Figura 1 | Posizione dei test nell’edificio
Test 3:Corner test – Angolo di edificio
L’obiettivo di questo test è investigare il comporta-
mentodiuncompartimentosottoincendioeinpar-
ticolare l’effetto membrana del solaio composito.
È noto che l’azione della membrana viene attivata
quando le travi raggiungono temperature alle qua-
li non sono più in grado di sostenere per flessione
il carico applicato. Anche in questo caso, alla luce
delle considerazioni fatte per il test 2, le colonne
sono tutte protette. Tramite dei blocchi di cemen-
2 – Level 4
9 9 9 9
6
6
9
5 – Level 3 4 – Level 2
3 – Level 2
1 – Level 76 – Level 3

I test di Cardington
Giugno 201916
A
4
3
2
1
B C D E F
9000
9000
6000
6000
3000
4500
9000 9000 9000 9000
to è stato costruito un compartimento lungo 10 m
7.6 m, mediante dei muri giuntati con il solaio, che
impedissero gli spostamenti verticali eccessivi del
solaio, ma senza portare i carichi a inizio test. Le tra-
vi esterne sono anch’esse protette, al contrario delle
travi interne e le connessioni. Il test è stato svolto al
primo piano in cui alla luce dei risultati dei due test
precedentièstatosceltodisottoporreglielementiin
acciaioadunatemperaturadi1000°C.Ilcalcolodella
temperatura di progetto è stato effettuato tramite le
curve parametriche di incendio dell’Eurocodice EC1
Parte 2.2, in cui a partire da un carico di incendio di
45 kg di legno a e tramite l’apporto di una ventila-
zioneinizialesiègiuntiallatemperaturadiprogetto,
come si può vedere nelle Figure 3 e 4.
Nellefigure5e6sonoriportatiirisultatidelleanalisi
svolte con il codice di calcolo: è stato scelto di con-
frontarelospostamentoverticalemassimochesive-
rifica in mezzeria della trave secondaria di 428 mm.
In questo esempio e in quelli successivi sono stati
riportati solo i risultati inerenti alle diverse modella-
zioni dei collegamenti, in quanto si ritiene già cali-
bratoilmodelloinbaseaicritericitatiinprecedenza.
Ancheinquestocasol’instabilitàlocalesiverificain
prossimità della connessione trave-colonna (Figure
7,8). È interessante notare anche l’instabilità che si
Figura 2 | Area incendiata relativa al test 3 Figura 3 | Confronto tra curva parametrica di incendio
calcolata e curva naturale
Figura 4 | Temperatura utilizzata nel test 3
Figura 5 | Risultati relativi al test 3 Figura 6 | Risultati relativi al test 3 (fase iniziale)
1000
0 200 400 600 800 1000
t (min)
T(°C)
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
TIME IN MINUTE
1000
700
400
900
600
300
800
500
200
100
0
0 20 40 60 80 100 120 140
TEMPERATUREINDEG.C
Measured Behaviour
Calculated Behaviour
(min ventilation)
Calculated Behaviour
(max ventilation)
0 0200 50400 100600 150800 2001000
700 700
600 600
500 500
400 400
300 300
200 200
100 100
0 0
t (min) t (min)
Spostamentoverticalemassimo(mm)
Spostamenti
misurati
Spostamenti
misurati
Nodi rigidi Nodi rigidi
Nodi semirigidi Nodi semirigidi
Nodi flessibili Nodi flessibili

ItestdiCardington
www.insic.it 17
verificanellaconnessionetravesecondaria-principa-
le (gridline E), causata dal vincolo assiale dato dalla
soletta.Nell’altrolato(gridlineF)incuilatraveècon-
nessa ad una trave perimetrale non si sono verificati
fenomeni di instabilità locale, poiché l’espansione
termica della trave secondaria provoca una torsione
dellatraveprincipale(Figura9)chequindinonforni-
sce vincoli laterali di rigidezza così tale da instaurare
fenomeni di instabilità. Lo stesso fenomeno lo si è
riscontrato nelle analisi numeriche (Figura 10).
Test 4:Office demonstration
Incendio in ufficio
Lo scopo del quarto test è dimostrare qualcuna
delle più importanti conclusioni raggiunte nei test
precedenti, in uno scenario di fuoco più realistico,
ovvero l’incendio in un ufficio. Il compartimento è
rappresentato in Figura 11 ed è stato costruito con
blocchi di cemento in maniera analoga a quanto
fatto nel test 3, di larghezza 18 m per 10 m di pro-
fondità e un’area complessiva di 135. La particola-
rità del test è che il compartimento è arredato con
forniture da ufficio e il carico di incendio disponibile
alla combustione è equivalente a 45.6 kg di legno
a (Figura 12).
Come nei test precedenti sono state disposte misu-
re di protezione per le colonne lungo tutta l’altezza
eperleconnessionitraveprincipale-colonnacon25
mm di fibra ceramica;invece tutte le travi principali
e secondarie sono completamente esposte.
Figura 10 | Fenomeno della torsione riscontrato nelle analisi
numeriche
Figura 7 | Instabilità locale connessione trave-colonna Figura 8 | Instabilità locale connessione trave-trave
Figura 9 | Torsione della trave perimetrale

Giugno 201918
In Figura 13 è riportata una immagine che rappre-
senta il compartimento dopo l’incendio. Non vi fu-
rono collassi nonostante attorno alla colonna cen-
trale si sia verificata la rottura del calcestruzzo della
soletta (Figura 14).
In questo caso è stato scelto di adottare due tipi di
modellazioni inerenti alla temperatura: una con-
siderando una temperatura uniforme (Figura 15)
A
4
3
2
1
B C D E F
9000
9000
6000
6000
3000
4500
9000 9000 9000 9000
Figura 11 | Area incendiata nel test 4 Figura 12 | Instabilità locale connessione trave-colonna
Figura 13 | Vista del compartimento dopo l’incendio
Figura 14 | Rottura della soletta
Figura 15 | Temperatura uniforme utilizzata nel test 4 Figura 16 | Temperature registrate nei vari elementi
relative al test 4
1000 1000
1200 1200
1400
50 0100 100150 200 200250 300 300350
t (min) t (min)
T(°C)
800 800
600 600
400 400
200 200
0 0
T(°C)
400 400

ItestdiCardington
www.insic.it 19
Figura 18 | Vista tridimensionale della deformazione della solettaFigura 17 | Punti scelti nel controllo dei risultati
Figura 21 | Risultati relativi al punto V22
e una considerando una temperatura differenzia-
ta in base alle zone, attraverso l’andamento delle
temperature misurate nelle varie zone presenti nei
database (Figura 16).
NelleFigure18,19,20invecesonoriportatiirisultati:
sono stati scelti tre punti significativi per il confronto
V10, V14, V22 rappresentati in Figura 17.
Da una valutazione critica dei risultati è possibili af-
fermarecheintuttiicasilamodellazionepiùraffina-
ta considerando il reale andamento della tempera-
tura nei vari elementi (temp in legenda nelle figure
presenti nel seguito) porta a dei risultati migliori
ovvero più aderenti alla risposta strutturale reale.
1000
NORTH
Iurnance
wall
1000
900
900
800
800
700
700
600
600
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
0
0
Spostamentoverticale(mm)Spostamentoverticale(mm)
t (min)
t (min)
0 20 40 60 10080
Spostamenti misurati Nodi rigidi_temp
Nodi rigidi Nodi semirigidi_temp
Nodi semirigidi Nodi flessibili_temp
Nodi flessibili
Nodi flessibili
V10
V22
Spostamentoverticale(mm)
700
600
500
400
300
200
100
0
t (min)
0 20 40 60 10080
V14
Spostamentoverticale(mm)
0 50 100
4500
V1
V3
V16
V7 V8 V9
V17
V21
V28
V10
V18
V22
V29
V26 V27
V31
V32
500
500
500
V11
V19
V23
V30
V12
V20
V13
V24
V25
V14 V15
V4 V5 V6
V2
222030 2220 22802250 2250 2250 2250
153030
1530
1530
1500
1470
1470
4500 4500 4500
D
⅔
¾
4
3
E F

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A
4
3
2
1
B C D E F
9000
9000
6000
6000
3000
4500
9000 9000 9000 9000
Figura 22 | Area incendiata nel test 5
Figura 23 | Temperatura uniforme utilizzata nelle analisi
Figura 24 | Serie di temperature registrate
negli elementi utilizzata nelle analisi
100 150500
t (min)
T(°C)
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
100 150500
t (min)
T(°C)
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
è pari a 680°C con uno spostamento massimo di 52
mm, che confrontato con gli spostamenti registrati
dellatraveinternarisultabasso:questoèdovutoalla
presenza dei windpost (elementi secondari vertica-
li di supporto) che forniscono un supporto alle travi
incendiate. Gli spostamenti calcolati, nonostante
ripercorrano l’andamento reale, risultano più gran-
di rispetto a quelli misurati per quanto riguarda la
modellazione con temperatura uniforme. Al contra-
rio, applicando una temperatura differenziata nei
vari elementi, l’errore numerico si riduce molto. Dal
confronto con i risultati numerici derivanti da altri la-
vori [Wang, 2000 e Bailey 1998] (Figura 26) risulta
evidente che i risultati numerici del presente lavoro
risultano ragionevoli. Quello che si vuole mettere in
luce è come i risultati numerici siano sensibilmente
dipendenti dai dati in ingresso nel modello, portan-
do a variazioni non indifferenti nel risultato. Un altro
Test 5:2nd
Corner – Secondo test d’angolo
Il Test 5 è stato svolto nel secondo corner (Figura
22) tra il secondo e il terzo piano attraverso la com-
bustione di legname equivalente ad un carico di
incendio di 40 kg/. Anche in questo test le colonne
sono completamente protette. Circa 278 termocop-
pie sono state usate per monitorare la temperatura
dei vari elementi. Le temperature scelte in questo
test corrispondono alla temperatura misurata nella
trave secondaria al centro del compartimento (Fi-
gura 23) applicata uniformemente in tutti gli ele-
menti oppure alla serie di temperature registrate
nei vari elementi (Figura 24). Lo sviluppo di questo
incendio è largamente influenzato dalla mancanza
di ossigeno nel compartimento: infatti, in una pri-
ma fase durata circa 80 min il fuoco è quasi estin-
to; successivamente la rimozione di un pannello
di vetro ha permesso una crescita repentina della
temperatura con sviluppo del flashover. La massi-
ma temperatura registrata al centro del comparti-
mento è di 1051°C dopo 102 minuti mentre nella
trave secondaria centrale si sono raggiunti i 903°C
dopo 114 min.
In Figura 25 sono riportati i risultati della analisi
numeriche confrontati con i risultati sperimentali
relativi alla trave secondaria al centro del compar-
timento in cui si registra lo spostamento massimo.
Al contrario del test 3 inerente al primo corner, in
questo caso le travi perimetrali non sono protette.
Nonostante ciò, la temperatura massima registrata

ItestdiCardington
aspetto che si nota è come nel caso in cui la tempe-
raturasiaapplicatauniformemente,siabbiaunaso-
stanziale variazione di risultato tra il modello a nodi
rigidi e il modello a cerniere, invece nel modello più
Figura 25 | Risultati numerici del test 5 Figura 26 | Confronto con altre modellazioni
accurato, questa differenza diventa minima. In Figu-
ra 27 è riportata una immagine che rappresenta la
torsione della trave di bordo dovuto alla dilatazio-
ne termica delle travi secondarie:questo fenomeno
0 050 50100 100150 150
700 700
600 600
500 500
400 400
300 300
200 200
100 100
0 0
t (min) t (min)
Risultatisperimentali RisultatisperimentaliWang, 2000
Nodi semirigidi Nodi semirigidiNodi semirigidi_temp
Nodi rigidi Nodi rigidiNodi rigidi_temp
Nodi cerniere_tempNodi cerniere Nodi cerniere
Nodi semirigidi_temp
Nodi rigidi_temp
Wang, 2000
Nodi cerniere_temp
Bailey, 1998

Giugno 201922
coinvolgendo la stabilità globale, viene colto dal
modello agli elementi finiti (Figura 28).
Test 6:Large compartment
Incendio di un compartimento grande
L’ultimotestèstatosvoltotrailsecondoeterzopia-
no coinvolgendo un’area di 340 m2
. Tutte le travi
interne e perimetrali non sono protette, al contrario
dellecolonneedelleconnessioni.Comeneltestpre-
cedente l’incendio è governato dalla ventilazione,
fornitadalleapertureneiduelatiesterni.Latempe-
ratura massima atmosferica registrata era di 746°C
e quella nelle travi di 691°C. Data l’estensione del
test, sono state effettuate due modellazioni (Figure
Figura 27 | Torsione laterale della trave perimetrale
Figura 28 | Torsione laterale nel modello agli elementi finiti
30, 31):una considerando la temperatura massima
atmosferica nel compartimento e una consideran-
do la temperatura differenziata nelle varie zone,
come nei test 4 e 5. Non avendo a disposizione i va-
lori delle temperature registrate direttamente sugli
elementi si è ricorso alle temperature atmosferiche
che naturalmente risultano essere più elevate.
In Figura 32 sono riportati i risultati derivanti dal-
le analisi in cui è stato confrontato lo spostamento
massimo nel compartimento assunto come signi-
ficativo: la modellazione corrispondente alla tem-
peratura differenziata mostra dei buoni accordi con
quelli misurati. Si rileva che presso i 18 minuti la
temperatura raggiunge repentinamente il valore di
650°C: dunque è chiaro che corrispondentemente
il modello numerico restituisce dei valori di sposta-
mento elevati. Quello che appare insolito è come
invece gli spostamenti misurati crescano con una
legge lineare. Complessivamente, però, alla luce
delle approssimazioni fatte, i risultati numerici ap-
paiono accettabili. È evidente che questo è influen-
A
4
3
2
1
B C D E F
9000
9000
6000
6000
3000
4500
9000 9000 9000 9000
Figura 29 | Area incendiata nel test 6 Figura 30 | Temperatura atmosferica massima
utilizzata nelle analisi
100 150 200500
t (min)
T(°C)
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0

Rivelazione più rapida.
Meno falsi allarmi.
ZETTLER lo rende possibile. Anche un solo falso allarme può causare grossi problemi ai proprietari di edifici. Solo ZETTLER
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©2019 Johnson Controls, Inc.

Giugno 201924
zato dal fatto di non avere a disposizione le tempe-
rature registrate sugli elementi.
Le conclusioni
In questo secondo contributo, un ruolo importante
è assunto dalla corretta modellazione della tempe-
ratura, che, se condotta in diversi modi, può portare
ad una sensibile dispersione dei risultati ottenuti in
termini di risposta strutturale. È importante, quindi,
in tutti qui casi in cui vengono affrontate analisi non
lineari e non stazionarie, come quelle in oggetto,
prestare attenzione alla sensibilità dei risultati ri-
spetto ai dati in ingresso, al fine di affinare al meglio
la soluzione. Attraverso la simulazione dei vari test
effettuati a Cardington è stato riscontrato che la mo-
dellazione numerica in qualche caso restituisce dei
risultati in termini di spostamenti che sono maggio-
Figura 31 | Temperature atmosferiche applicate
ai vari elementi
100 150500 0 20 40 10060 12080 140
t (min)
T(°C)
800
800
700
700
600
600
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
0 0
Figura 32 | Risultati delle analisi numeriche relative al test 6
ri rispetto a quelli misurati sperimentalmente ma,
nell’ottica della progettazione antincendio fornisce
una visione globale a favore di sicurezza. La model-
lazione presentata in questo lavoro, eseguita con un
softwarecommerciale,sipuòritenereutileinambito
professionaleperleverifichediresistenzaalfuocodi
strutture esistenti, nonché in ausilio ad un approccio
prestazionale alla progettazione antincendio.
Ringraziamenti
Siringrazial’Ing.Perinperl’utilizzoafinidiricerca
delcodicedicalcoloStraus7 (www.hsh.info)el’Ing.
MarcelloMangionedell’ArmadeiCarabinieriper
ladisponibilitàallediscussionisultema.Laricerca
èfinanziatadalprogettoPRIN2015Mitigatingthe
impactsofnaturalhazardsonculturalheritagesites,
structuresandartefacts(MICHe).
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t (min)
Spostamenti misurati Nodi semirigidi_temp
Nodi semirigidi Nodi rigidi_temp
Nodi rigidi Nodi flessibili_temp
Nodi flessibili

ItestdiCardington
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[28] https://bit.ly/2UxzWAB
Adv_FireFlow__190X130_DEF.pdf 1 29/01/19 09:51

Analisi strutturale in caso di incendio: i test di Cardington -2a Parte.

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