Behaviour of structural steels under fire in a wide range of strain rate
New York, 11 settembre 2001. Airolo, 24 ottobre 2001. Difficilmente dimenticheremo le date che hanno influenzato la vita di molti a causa del più terribile attentato terroristico della storia che provocò migliaia di morti e dell’incidente nella galleria del San Gottardo che ne provocò 11. Entrambi gli eventi, accomunati dalla presenza di alte temperature, hanno immediatamente fatto interrogare la comunità scientifica internazionale su come fosse possibile rendere più robuste e sicure le strutture soggette ad azioni estreme come incendi ed esplosioni.

Un progettista per poter realizzare strutture più sicure necessita delle caratteristiche meccaniche del materiale soprattutto in condizioni estreme, le quali sono difficilmente reperibili sulle normative vigenti.
Per sopperire a questa necessità, è stato sviluppato il progetto di ricerca “Behaviour of structural steels under fire in a wide range of strain rate” il quale ha permesso di studiare l’effetto delle suddette azioni estreme su acciai strutturali (S355, S690 e S960) e su barre d’armatura (AISI304, B500A, B500B) mediante un’importante serie di prove che combinavano le alte temperature, da 20°C fino a 900°C, alle diverse velocità di deformazione, dalle condizioni quasi-statiche (10-3 s-1) alle più estreme condizioni dinamiche (1000 s-1).
I risultati ottenuti dalle prove sperimentali hanno messo in evidenza sia la sensibilità alla velocità€ di deformazione, sia l’effetto della temperatura sulle proprietà meccaniche. In particolare è stato osservato come le condizioni dinamiche influiscano positivamente sulle prestazioni meccaniche dei materiali, mentre le elevate temperature operano in senso opposto, ovvero sono state osservate delle importanti diminuzioni di resistenza all’aumentare della temperatura.
Uno dei punti di forza del progetto è quello che ha permesso l’implementazione dei dati reali, ottenuti cioè sperimentalmente, in un codice di calcolo agli elementi finiti. È stato quindi possibile proporre un approccio multirischio affidabile per la valutazione dell’effetto combinato di esplosione ed incendio. Questo aspetto è stato oltretutto oggetto della mia tesi di dottorato. Inoltre, una buona parte dei risultati è già stata pubblicata su riviste internazionali con lo scopo di divulgare i dati sperimentali e permettere ai progettisti di eseguire delle simulazioni numeriche affidabili a livello macro strutturale (push-down analyses, alternate load path analyses, ecc.) per poter valutare la robustezza strutturale in condizioni estreme. Un aspetto critico è invece legato alla complessità delle analisi che possono essere eseguite: servono delle competenze specifiche, non sempre presenti negli studi di progettazione.
Durante l’analisi preliminare dei risultati sperimentali ci siamo accorti che l’acciaio strutturale S355 in condizioni dinamiche aveva un comportamento particolare evidenziato dalle prove ad alta temperatura. I risultati hanno evidenziato un insolito incremento delle capacità resistenziali all’aumentare della temperatura da 400°C a 550°C (Figura 1). Queste osservazioni sono state poi ricondotte al fenomeno noto come dynamic strain ageing, ovvero legate all’interazione degli atomi di azoto con le dislocazioni.
Certo! In questo progetto abbiamo studiato solo alcuni dei tanti materiali che vengono utilizzati nell’ingegneria civile. Sarebbe interessante approfondire la ricerca anche sui materiali utilizzati nell’ingegneria meccanica, automobilistica, aerospaziale, ecc…
Il progetto è stato svolto presso il Laboratorio SUPSI DynaMat coinvolgendo, oltre al sottoscritto, Ezio Cadoni, Matteo Dotta, Gianmario Riganti e Nicoletta Tesio. Una parte delle prove è stata svolta dal gruppo di ricerca di Prof. Mario Fontana presso l’Institute of Structural Engineering dell’ETH di Zurigo e con la collaborazione del Prof. Markus Knoblock dell’Institute of Steel, Lightweight and Composite Structures dell’Università di Bochum.

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