analisi strutturale in caso di incendio: impostazione e applicazioni

ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO:

IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI

Chiara Crosti“Sapienza” University of Rome,

chiara.crosti@uniroma1.it , chiara.crosti@stronger2012.com

Structure of Next Generation – Energy harvesting and ResilienceSpin-off di Ricerca – www.stronger2012.com

Persone

Progettazione, adeguamento e ottimizzazione

Valutazione di Resilienza

Sostenibilita’ e Recupero Energetico

Modellazione numerica avanzata

Approccio ingegneristico alla progettazione di stru tture in caso di incendio

Ingegneria Forense

Attivita’

chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com

ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO:

IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI

Norme Tecniche per le Costruzioni 14/01/2008

ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI

Usata per la classificazione delle costruzioni e per le verifiche di resistenza al fuoco

convenzionali.

Determinata in base a modelli di incendio e a parametri fisici.

Curva di incendio

NOMINALE NATURALE

•Curve Parametriche: ISO 834

ISO 834

www.promozioneacciaio.it

•Modelli a Zone:Simulazione limitata ad incendi Pre-Flashover

www.mace.manchester.ac.uk

1) INDIVIDUAZIONE DELL’INCENDIO DI PROGETTO

convenzionali.

Curva di incendio

NOMINALE NATURALE

•Curve Parametriche: ISO 834

ISO 834

www.promozioneacciaio.it

•Modelli a Zone:Simulazione limitata ad incendi Pre-Flashover

•Modelli di Campo:Simulazione estesa anche per incendi

Post-Flashover

convenzionali.

Curva di incendio

NOMINALE NATURALE

AMBITO NOME ANNO TITOLO

Cls EN 1992 1-2 2004Eurocode 2 – Design of concrete structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design

Acciaio EN 1993 1-2 2005Eurocode 3 – Design of steel structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design

Acciaio–Cls EN 1994 1-2 2005Eurocode 4 – Design of composite steel and concrete structures – Part 1-2: General rules –Structural fire design

Legno EN 1995 1-2 2004Eurocode 5 – Design of timber structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design

Muratura EN 1996 1-2 2005Eurocode 6 – Design of masonry structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design

Alluminio EN 1999 1-2 1998Eurocode 9 – Design of aluminium structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design

2) ANALISI DELL’EVOLUZIONE DELLA TEMPERATURA NEGLI ELEMENTI

3) ANALISI DEL COMPORTAMENTO MECCANICO DELLE STRUTT URE

COLLASSO:• formazione di cerniere plastiche al crescere

della temperatura che rendono la strutturalabile;

• fenomeni di instabilità anticipata, dovuti aldecadimento della rigidezza.

ES. : MATERIALE ACCIAIO

ANALISI NON LINEARI NON STAZIONARIE

Non linearità di materiale Non linearità di geometria

Equilibrio scritto nella configurazione deformata

PROCEDIMENTO ITERATIVO DEI CODICI DI CALCOLO

t1 = t + Δt

−−−

CORRETTA MODELLAZIONE DEL PROBLEMA

TRAVE SEMPLICEMENTE APPOGGIATA

Sezione: UB 356x171x51Materiale: S355Incendio: ISO834

0,000 250 500 750 1000 1250 1500

t (sec)

0,000 250 500 750 1000 1250 1500

t (sec)

NLM + NLG

0 250 500 750 1000 1250 1500

t (sec)

NLM + NLGNLM

NON LINEARITA’ DI MATERIALE E DI GEOMETRIA

Trave incernierata all’estremita’

Trazione � Effetto catenaria

compression e� II ord. moment

Heating phase Cooling phase

Trazione

Compressione

flashover

ISO 834

compressione� II ord. moment

Trazione

Compressione

flashover

THERMAL BUCKLING

PROBLEMI NELLE CONNESSIONI

ISO 834

compressione� II ord. moment

Trazione

Compressione

flashover

THERMAL BUCKLING

PROBLEMI NELLE CONNESSIONI

ISO 834

Trave semplicemente appoggiata Trave incernierata all’estremita’

Trazione � Effetto catenariabowing effect2

Espansione termica impeditaEspansione termica libera1

Trave semplicemente appoggiata

Trazione � Effetto catenariabowing effect2

Espansione termica libera1 Espansione termica impedita

CERNIERA CARRELLO

CERNIERA CERNIERA

356x171x51 UB

CASO A: Cerniera – Carrello

CASO B: Cerniera - Cerniera

0,000 400 800 1200 1600

Dy (m)

t (sec)

CASO A

CASO B

RFire > SFire

4) VERIFICA DI RESISTENZA AL FUOCO

0,000 250 500 750 1000 1250 1500

t (sec)

NLM + NLG

Collasso convenzionali

Dy = L/20

Da analisi numeriche

4) VERIFICA DI RESISTENZA AL FUOCOTrave semplicemente appoggiata

Tcr= 795°CTcr= 560°C

0,000 250 500 750 1000 1250 1500

t (sec)

NLM + NLG

4) VERIFICA DI RESISTENZA AL FUOCOTrave semplicemente appoggiata

ATTENZIONE NELLA LETTURA DEI RISULTATI!!

LA STRUTTURA DEVE ESSERE ROBUSTA DA UN PUNTO DI VISTA STRUTTURALE

UNA STRUTTURA E’ ROBUSTA SE MOSTRA UN DEGRADO

REGOLARE DELLE QUALITA’ (… RESISTENZA) CON L’ENTITA’ DEL

DANNEGGIAMENTO CHE SUBISCE

Analisi

Qualitativa

Analisi

Quantitativa

Verifiche

Presentazione

dei risultati

Verifiche dei risultati:

Temperatura

Resistenza

RFire > SFireRFire > SFire

• Modellazione dell’azione di incendio;

• Modellazione del trasferimento di calore;

• Modellazione strutturale.

• Definizione degli obiettivi;

• Individuazione dei livelli di prestazione;

• Scelta degli scenari di incendio;

NUMERICAL

MODELING

Hangar per aeroporto

Ponte in acciaio a struttura reticolare

Edificio alto

HANGAR PER AEROPORTO

• Determinare la resistenza al fuoco;• Valutare eventuali interventi di retrofitting;

Vista B-B

32.82 m 32.82 m

Vista A-A

Sezione C-C

7.00 m

16.425 mVista A-A

Vista B-B

Analisi

Qualitativa

Analisi

Quantitativa

Verifiche

Presentazione

dei risultati

Analisi Qualitativa

Safety Objective: Evitare il crollo della struttura;

Performance Level: Evitare il collasso strutturale ;

Fire Scenarios: Incendio localizzato in 3 zone.

APPROCCIO INGEGNERISTICO

Scenario B

Scenario C

Scenario A

APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Scelta degli scenari

Analisi Quantitativa

Fire Action Modeling: Nominal curve, ISO834;

Heat Transfer Modeling: senza trasferimento del calore,

la temperatura e’ applicata solo agli elementi investiti

dall’incendio localizzato;

Structural Modeling: Analisi non lineari in materiale e

geometria (ADINA).

Analisi Qualitativa

APPROCCIO INGEGNERISTICOStart

Analisi

Qualitativa

Analisi

Quantitativa

Verifiche

Presentazione

dei risultati

Used Material :

• Steel S235;

• Concrete Rck 35;

Finite Element: Nonlinear Isobeam

N° node : 1205

N° elements : 4422

N° sections: 27

Element mesh density : 2

T (°C) E (Pa) sY (Pa) EPl (Pa) αT (°C-1)

0 2.10E+11 2.35E+08 1.05E+10 1.17E-05

20 2.10E+11 2.35E+08 1.05E+10 1.17E-05

100 2.10E+11 2.35E+08 1.05E+10 1.20E-05

200 1.89E+11 2.35E+08 9.45E+09 1.23E-05

300 1.68E+11 2.35E+08 8.40E+09 1.26E-05

400 1.47E+11 2.35E+08 7.35E+09 1.30E-05

500 1.26E+11 1.83E+08 6.30E+09 1.31E-05

600 6.51E+10 1.10E+08 3.26E+09 1.34E-05

700 2.73E+10 5.41E+07 1.37E+09 1.36E-05

800 1.89E+10 2.59E+07 9.45E+08 1.38E-05

900 1.42E+10 1.41E+07 7.08E+08 1.40E-05

Thermo-Plastic Material

5 ore di utilizzo di un normale computer

APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa

7,00 m

6,54 m

Scenario A:

Trend of displacement X with time

Trend of displacement X with Temperature

t=240 sec

T=505°C

t=870sec

T=702°C

t=5936 sec

T=1000°C

7,00 m

6,54 m

Scenario B:

7,00 m

6,54 m

Scenario C:

Andamento dello spostamento Y in funzione della Temperatura

t=340 sec

T=575°C

t=1600 sec

T=804°C

t=5936 sec

T=1000°C

Il collasso di un singolo elemento della strutturareticolare e’ di certo un aspetto importante per lavalutazione della sicurezza della struttura ma chenon compromette il comportamento dellastruttura nella sua globalita’ .

Scenario B

Scenario C

Analisi Quantitativa

Fire Action Modeling: curva naturale (FDS);

Heat Transfer Modeling: SI

Structural Modeling: Analisi non lineari in materiale e

geometria(ADINA).

Analisi Qualitativa

APPROCCIO INGEGNERISTICOStart

Analisi

Qualitativa

Analisi

Quantitativa

Verifiche

Presentazione

dei risultati

FINITE ELEMENT MODELING

FINITE VOLUME MODELING

FIRE SIMULATION

STRUCTURAL PERFORMANCE

MODELLAZIONE DELL’AZIONE

REAL OBJECT

Discretizzazione per il modello strutturale Discretizzazione per la modellazione dell’azione

B4 ambiente chiusoB4 ambiente aperto

ISO834

Hydrocarbon

•Nominal Temperature-time curve :Standard temperature-time curve, ISO834;Hydrocarbon curve;•Natural Temperature-time curve :B4 ambiente chiuso;B3 porte che si aprono dopo 300 sec;B4 ambiente aperto;

Modelling with ISO834Far external columnsNear external columnsCentral columns

Scenario B4, ambiente chiuso

Scenario BAPPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa

Scenario 2, apertura delle portedopo 5 min (300 sec)

Anche se analisi dimodellazione avanzatacomportano un notevole

incremento di onerecomputazionale , solo

attraverso queste e’ possibile ottenere risultati

numerici che riproduconocosa accade realmente . Sono pertanto necessarie

per determinare la sicurezza della strutturain questione soggetta ad

incendio e di tutto cio’ chela circonda

Edificio alto

CASE STUDY: 40 floors, 160 m heigth, 35 m x 35 m fl oor, office building

RENDERING STRUCTURAL SYSTEM FEM MODEL

Gentili, Petrini, Bontempi, “Optimization of the tall building structural system for reliability against progressive collapse”, CTA 2013

EDIFICIO ALTO

Outrigger

Bracing System

Frame BFrame A

Frame B

Frame A

EDIFICIO ALTO

Frame A- Exposure to 180 minutes of ISO Curve

- 30 cases of fire changing initial fire location and number of

involved columns

Frame B

FIRE LOCATION 6th floor

0 10 20 30 40 50 60

ISO 834θ ipe 270θ ipe 300θ hem 260θ hea 240θ hem280

EDIFICIO ALTO

Assumptions

Frame A Assumptions Frame B

EDIFICIO ALTO

- Exposure to 180 minutes of ISO Curve

- 30 cases of fire changing initial fire location and number of

involved columns

EDIFICIO ALTO: Frame A - Worst case scenarios

1 Heated Column

2 Heated Columns

3 Heated Columns

4 Heated Columns

5 Heated Columns

1 Heated Column

2 Heated Columns

3 Heated Columns

4 Heated Columns

5 Heated Columns

After 180 min After 180 min After 126 min After 144 min After 100 min

EDIFICIO ALTO: Frame A

Frame BFrame A

SWAY COLLAPSE NO-SWAY COLLAPSE

Frame A

Frame B

EDIFICIO ALTO

TEMPI DI RESISTENZA MEDIA PER TUTTE LE COMBINAZIONI CONSIDERATE

Configurations: position of the outrigger

CONFIGURATIONSG A B C

STEEL MASS [TON]

877 857 877 877

EDIFICIO ALTO

Configurations: vertical brace system

CONFIGURATIONSG D E F

STEEL MASS [TON]

877 817 994 939

EDIFICIO ALTO

OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE

Initial

D A C B G F E

EDIFICIO ALTO

877 ton877 ton877 ton 939 ton 994 ton817 ton857 ton

Initial

D A C B G F E

EDIFICIO ALTO

Initial

D A C B G F E

EDIFICIO ALTO

Initial

D A C B G F E

EDIFICIO ALTO

Edificio alto

PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE

CASE HISTORY

•on 1st February 2013 where an expressway bridge partially collapsed due to a truck explosion inMianchi County, Sanmenxia, central China's Henan Province ;

CASE HISTORY

•on 14 December 2011, where a truck transporting 33800 l of gasoline caught fire on theeastbound 60 Freeway under the Paramount Boulevard Bridge , in Montebello, Los Angeles, CA,USA. The intense fire, which lasted several hours, severely damaged the reinforced concretestructure of the overpass;

CASE HISTORY

•on 29 April 2007, where a truck transporting 32600 l of gasoline had an accident and burst intoflames the MacArthur Maze in California. The fire, which is believed to have reached very hightemperatures, heated the overpass above the incident, which served as connector between the I-80and the I-580.

A highway bridge is expected to experience numerous extreme events during its lifetime.Therefore multiple hazards (e.g. earthquake, wind gust, flood, vessel collision, trafficoverload and accidents, and terrorist attacks etc.) must be properly considered inhighway bridge design in addition to the normal functionality requirement. The severity ofthese hazards can significantly increase the costs of construction and maintenance,especially if they are considered for rehabilitation of existing bridges.

MULTI-HAZARD ANALYSES

EXPLOSION

STRUCTURAL FAILURE

CASO IN ESAME: I-35W Bridge in Minneapolis, 1 Agost o 2007

“The term “fracture critical ” indicates that if one main component of a bridge fails , the entirestructure could collapse. Therefore, a fracture critical bridge is a steel structure that is designedwith little or no load path redundancy . Load path redundancy is a characteristic of the design thatallows the bridge to redistribute load to other structural members on the bridge if any one memberloses capacity. “

FRACTURE CRITICAL SYSTEMS

“The deck truss comprised in two parallel Warren trusses (eastand west) with verticals . Steel gusset plates were used on all the112 connections of the two main trusses. All nodes had two gussetplates on either side of the connection. The east and west maintrusses were spaced 22 m apart and were connected by 27transverse welded floor trusses spaced 11.6 m on centers and bytwo floor beams at the north and south ends.”

CASO IN ESAME: I-35W Bridge in Minneapolis, 1 Agost o 2007

E = 199 GPa

Fy = 345 MPa

Fu = 610 MPa•Large displacement formulation,

• Elasto-plastic material

(National Transportation Safety Board (2008) “Collapse of I-35 W Highway Bridge, Minneapolis, Minnesota, August 1, 2007” Accident Report, NTSB/HAR 08/03 PB 2008-916213, Washington D.C. 20594)

Nodes: 1172Beam elements: 1849

FINITE ELEMENT MODEL

1st HAZARD: EXPLOSION

It is assumed that a certain level ofdamage caused by an explosion(damage level= 1) can instantlyremove an element.

1. Distribution of loads on the structure intact (damage level = 0);

2. Nonlinear analyses are run ;

3. The damage level is increased (damage level= 1);

4. A structural element is cut off and

DAMAGE LOCALIZATION (DAMAGE LEVEL= 1)

1st HAZARD: EXPLOSION

Scenario 2

Scenario 3

Scenario 1

Scenario 4

West truss

East truss

(EC3- Part 1.2: Structural fire design)

2ND HAZARD: FIRE

0 20 40 60 80 100 120

time (min)

Curva degli idrocarburi

Curva ISO834

•Thermo-plastic material (EC3- Part 1.2: Structural fire design)

T (°C) E (Pa) sY (Pa) EPl (Pa) αT (°C-1)

0 2.10E+11 2.35E+08 1.05E+10 1.17E-05

20 2.10E+11 2.35E+08 1.05E+10 1.17E-05

100 2.10E+11 2.35E+08 1.05E+10 1.20E-05

200 1.89E+11 2.35E+08 9.45E+09 1.23E-05

300 1.68E+11 2.35E+08 8.40E+09 1.26E-05

400 1.47E+11 2.35E+08 7.35E+09 1.30E-05

500 1.26E+11 1.83E+08 6.30E+09 1.31E-05

600 6.51E+10 1.10E+08 3.26E+09 1.34E-05

700 2.73E+10 5.41E+07 1.37E+09 1.36E-05

800 1.89E+10 2.59E+07 9.45E+08 1.38E-05

900 1.42E+10 1.41E+07 7.08E+08 1.40E-05

2ND HAZARD: FIRE

0,000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

Time (sec)

Scenario 1

Node n.40

Scenario 1EXPLOSION

0,21 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

Scenario 0Scenario 1Scenario 2Scenario 3Scenario 4

t= 15.3 sec

t= 0 secSCENARIO 1

SCENARIO 1

SCENARIO 3

Scenario 1

Scenario 3

SCENARIO 1

SCENARIO 3

0,000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

)Time (sec)

Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4

West truss

East truss

SCENARIO 2

Longitudinal view

t= 58 sec; T= 760 C

SCENARIO 3

Plan view

Longitudinal view

t= 48 sec; T= 696 C

SCENARIO 4

Plan view

Longitudinal view

t= 50 sec; T= 706 C

0,000,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0

t (sec)

Scenario 4

SCENARIO 4

Node 1070

t= 45 sec

Node 1070

t= 52 sec

Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4t u (sec) t u (sec) t u (sec)

58 48 53T ( C ) T ( C ) T ( C )

760 696 715

Different scenarios lead to different load path and therefore to

different way to collapse.

MULTI-HAZARD ANALYSES

0,000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

Time (sec)

Scen…

Scenario 1

Scenario 4 + FIRE

Struttura strategica

Ponte in acciaio

Edificio alto

CONCLUSIONI

RINGRAZIAMENTI

Si ringrazia:

•Il gruppo di ricerca www.francobontempi.org ,

•Metallurgy division of the National Institute of Standard and Technology (NIST) inGaithersburg (MD), in particolare Dr. Dat Duthinh ,

•gli Ingg. Mauro Caciolai, Claudio De Angelis del Corpo Nazionale dei Vigili delFuoco ,

•Ing. Piergiorgio Perin per l’utilizzo del codice di calcolo ad elementi finiti Straus7,www.hsh.info

CONCLUSIONI

Robustezza strutturale e metodi di analisi - chiara.crosti@uniroma1.itMADE EXPO – Forum della Tecnica delle Costruzioni - Milano 17 Ottobre 2012

analisi strutturale in caso di incendio: impostazione e applicazioni

Education

impostazione orari del campo

psa - impostazione del problema della sicurezza strutturale...

nuova bulloneria strutturale

impostazione dei parametri · impostazione dei parametri...

chitarra impostazione perfetta in 3 passi

analisi strutturale

il vetro strutturale

110703_vetro strutturale

protec incendio-combate-incendio

comando remoto - shop.fondital.it · range impostazione...

16 xii_analisi strutturale

1 sicurezza strutturale in caso di incendio e metodi di...

manuale utente - garmin...

quaderno quaderno strutturale … strutturale...

progettazione strutturale antisismica

impostazione sconti last minute

impostazione del calcolo strutturale · impostazione del...

perenthaler - bulloneria strutturale

combate incendio extintores classes de incendio

istruzioni per impostazione di tesi