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  • 1. Robustezza strutturale e metodi di analisiChiara CROSTI & Franco BONTEMPI Facolta’ di Ingegneria Civile e Industriale, Universita’ degli Studi di Roma La SapienzaProgettazione per le azioni eccezionali - Esplosioni, Incendi e Urti Forum della Tecnica delle Costruzioni 2012
  • 2. www.StrONGER2012.com
  • 3. REQUISITO DI ROBUSTEZZA STRUTTURALEUna struttura e’ robusta se mostra un degrado regolare delle qualita’ (resistenza,rigidezza, stabilita’…) con l’entita’ del danneggiamento che subisce.In una progettazione globale il requisito di robustezza puo’ essere valutato verificandoad esempio che la rimozione di un singolo elemento, di una parte della struttura o diun danno localizzato si risolva al piu’ in un collasso localizzato.
  • 4. REQUISITO DI ROBUSTEZZA STRUTTURALEIl requisito di robustezza strutturale va valutato a livello di sistema strutturale e larobustezza dei singoli elementi della struttura non e’ garanzia della robustezza dellastruttura nel suo complesso. ROBUSTEZZA STRUTTURALE NON E’ SINONIMO DI INVULNERABILITA’ DELLA STRUTTURA. La definizione di robustezza precisa infatti che la struttura non deve essere danneggiata in maniera sproporzionata rispetto alla causa.
  • 5. CASI APPLICATIVI DI MODELLAZIONE STRUTTURALE PER STRUTTURE ESPOSTE AD AZIONI ECCEZIONALI Hangar per aeroportoPonte in acciaio a struttura reticolare
  • 6. Determinare la resistenza al fuoco e valutare eventuali interventi di retrofitting
  • 7. Vista B-B 32.82 m 32.82 m Vista A-A 12.82 mVista B-B C C 7.00 m Sezione C-C 9.02 m Vista A-A 16.425 m
  • 8. APPROCCIO INGEGNERISTICO Start Analisi Analisi Qualitativa QualitativaSafety Objective: Evitare il crollo della struttura; Analisi QuantitativaPerformance Level: Evitare il collasso strutturale ;Fire Scenarios: Incendio localizzato in 3 zone. Verifiche SI NO Presentazione dei risultati end
  • 9. APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Scelta degli scenari Scenario BScenario A Scenario C
  • 10. APPROCCIO INGEGNERISTICO Start Analisi Analisi Qualitativa QualitativaSafety Objective: Evitare il crollo della struttura; Analisi QuantitativaPerformance Level: Evitare il collasso strutturale ;Fire Scenarios: Incendio localizzato in 3 zone. Verifiche Analisi QuantitativaFire Action Modeling: Nominal curve, ISO834;Heat Transfer Modeling: senza trasferimento del calore, SI NOla temperatura e’ applicata solo agli elementi investitidall’incendio localizzato; PresentazioneStructural Modeling: Analisi non lineari in materiale e dei risultatigeometria(ADINA). end
  • 11. APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa Thermo-Plastic MaterialUsed Material : T (°C) E (Pa) s (Pa) EPl (Pa) αT (°C-1) Y• Steel S235; 0 2.10E+11 2.35E+08 1.05E+10 1.17E-05• Concrete Rck 35; 20 2.10E+11 2.35E+08 1.05E+10 1.17E-05Finite Element: Nonlinear Isobeam 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-05N°node : 1205 5 ore di utilizzo di un 300 1.68E+11 2.35E+08 8.40E+09 1.26E-05N°elements : 4422 normale computer 400 1.47E+11 2.35E+08 7.35E+09 1.30E-05N°sections: 27 500 1.26E+11 1.83E+08 6.30E+09 1.31E-05 600 6.51E+10 1.10E+08 3.26E+09 1.34E-05Element mesh density : 2 700 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 •2 node isobeam; •General 3D beam with six degrees of freedom per node; •Elements have constant rectangular cross-section;
  • 12. Scenario A:Scenario A: 7,00 m 6,54 m
  • 13. Scenario A:
  • 14. Trend of displacement X with timeTrend of displacement X with Temperature t=240 sec t=870sec t=5936 sec T=505°C T=702°C T=1000°C
  • 15. Scenario B: 7,00 m6,54 m
  • 16. Scenario B:
  • 17. Scenario C: 7,00 m6,54 m
  • 18. Scenario C:
  • 19. t=340 sec t=1600 sec t=5936 sec T=575°C T=804°C T=1000°CAndamento dello spostamento Y in funzione della Temperatura
  • 20. Scenario B Scenario CIl 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 globaliata’.
  • 21. APPROCCIO INGEGNERISTICO Start Analisi Analisi Qualitativa QualitativaSafety Objective: Evitare il crollo della struttura; Analisi QuantitativaPerformance Level: Evitare il collasso strutturale ;Fire Scenarios: Incendio localizzato in 3 zone. Verifiche Analisi QuantitativaFire Action Modeling: curva naturale (FDS); SI NOHeat Transfer Modeling: SIStructural Modeling: Analisi non lineari in materiale e Presentazionegeometria(ADINA). dei risultati end
  • 22. APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Fault tree (analisi del rischio)
  • 23. APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa MODEL REAL OBJECT
  • 24. APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa •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; 1200 Hydrocarbon 1000 B 800 ISO834T(°C) 600 400 B3 200 B4 ambiente aperto B4 ambiente chiuso 0 t(sec) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
  • 25. APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa Scenario B Scenario B4, ambiente chiuso Modelling with ISO834 Far external columns Near external columns Central columns
  • 26. APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa
  • 27. Scenario 2, apertura delle porte dopo 5 min (300 sec) Anche se analisi di modellazione avanzata comportano un notevole incremento di onere computazionale, solo attraverso queste e’ possibile ottenere risultatinumerici che riproducono cosa accade realmente. Sono pertanto necessarie per determinare la sicurezza della struttura in questione soggetta adincendio e di tutto cio’ che la circonda
  • 28. CASI APPLICATIVI DI MODELLAZIONE STRUTTURALE PER STRUTTURE ESPOSTE AD AZIONI ECCEZIONALI Hangar per aeroportoPonte in acciaio a struttura reticolare
  • 29. STRESA, LAKE MAGGIORE, ITALY, JULY 8-12 2012 STRUCTURAL RESPONSE OF BRIDGES TO FIRE AFTER EXPLOSION Chiara Crosti, Pierluigi Olmati, Filippo Gentili “Sapienza” University of Roma, Sapienza”chiara.crosti@uniroma1.it, pierluigi.olmati@uniroma1.it,chiara.crosti@uniroma1.it, pierluigi.olmati@uniroma1.it, filippo.gentili@uniroma1.it
  • 30. Collasso del MacArthur Maze Bridge ad Oakland, 30 Aprile 2007A seguito dellurto di un camion cisterna con unpilone, si è scatenato un notevole incendio confiamme che andavano a lambire la struttura portantedel ponte. Le spesse travi di sostegno dellimpalcatoflessibile di calcestruzzo e bitume sono stateaggredite dal poderoso incendio, finendo per cederesotto il peso stesso del ponte.
  • 31. Collasso del Al-Sarafiya Bridge, 12 Aprile 2007Il collasso parziale del Al-Sarafiya Bridge e’ avvenuto a causa dell’esplosione di unabomba disposta su un camion abbandonato.
  • 32. CASO IN ESAME: I-35W Bridge in Minneapolis, 1 Agosto 2007
  • 33. FRACTURE CRITICAL SYSTEMS“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. “
  • 34. CASO IN ESAME: I-35W Bridge in Minneapolis, 1 Agosto 2007“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.”
  • 35. FINITE ELEMENT MODEL Nodes: 1172 Beam elements: 1849 Fu = 610 MPa •Large strain-large displacement formulation,Fy = 345 MPa • Materiale elasto-plastico (National Transportation SafetyE = 199 GPa 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)
  • 36. 1st HAZARD: ESPLOSIONE 1. Distribuzione dei carichi sulla struttura integra (livello di danno = 0); 2. Si esegue un’analisi non lineare incrementando il carico ; 3. Il livello di danno viene aumentato; 4. Si rimuove un elemento dalla struttura e si ritorna al passo 2 1.2 1.0 0.8 Load factor Loads Damage 0.6 0.4 0.2 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 time (sec)Si assume che un certo livello di danno provocato da un’esplosione (livello di danno = 1) possaeliminare instantaneamenete un elemento.
  • 37. 1st HAZARD: ESPLOSIONELOCALIZZAZIONE DEL DANNO (LIVELLO DI DANNO = 1) Scenario 2 Scenario 1 Scenario 3 Scenario 4
  • 38. 2ND HAZARD: INCENDIO East trussL’incendio e’ modellato usando laISO834 curve, (EC3- Part 1.2:Structural fire design) West truss
  • 39. 2ND HAZARD: INCENDIO•Thermo-plastic material (EC3- Part 1.2: Structural fire design) T (°C) E (Pa) s (Pa) EPl (Pa) αT (°C-1) Y 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
  • 40. ESPLOSIONE Scenario 1 Time (sec) 0 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 0.00Vertical displacement node.40 (m) -0.10 Max vertical displacement -0.20 -0.30 (t= 15.3 sec) -0.40 -0.50 Scenario 1 -0.60 -0.70 -0.80 Node n.40 -0.90 -1.00
  • 41. Node 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 0.2 0.0Vertical displacement (m) -0.2 -0.4 Scenario 0 Scenario 1 -0.6 Scenario 2 -0.8 Scenario 3 Scenario 4 -1.0 -1.2 SCENARIO 1 t= 0 sec t= 15.3 sec
  • 42. NONLINEAR ANALYSES RESULTS EXPLOSIONIntroduction SCENARIO 1Part IPart IISCENARIO 3Conclusions chiara.crosti@uniroma1.it
  • 43. INCENDIO POST ESPLOSIONE 320 280 Scenario 2 Temperature ( C ) 240 Scenario 0 200 Scenario 1 1 160 Scenario 3 2 120 80 3 Scenario 4 40 4 0 1 2 3 4 Scenario 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 0.80 Node 0.60Vertical displacement (m) Scenario 2 + Fire 0.40 Scenario 3 + Fire Scenario 4 + Fire 0.20 0.00 -0.20 -0.40 -0.60 -0.80
  • 44. INCENDIO POST ESPLOSIONE A: t=5.5 sec, T= 100 C B: t=13.3 sec, T=164 C C: t=22 sec, T= 220 C D: t=44 sec, T= 310 CNode 18 D: t=44 sec, T= 310 C 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 -0.08 t (sec) -0.09 -0.10 B Dz node 18 (m) -0.11 A C -0.12 Scenario 2 -0.13 -0.14 -0.15 D -0.16 -0.17 -0.18
  • 45. CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE AI FINI DELLA ROBUSTEZZA: Scenario B •Valutazione accurata dello schema statico della struttura in esame;Scenario A •Scelte nella modellazione delle azioni e degli scenari; Scenario C •Individuazione dei key element; •Valutazioni prestazionali. Scenario 2 Scenario Scenario 1 3 Scenario 4
  • 46. RINGRAZIAMENTISi ringrazia:•Professor Franco Bontempi and il suo team, www.francobontempi.org, il theMetallurgy division of the National Institute of Standard and Technology (NIST) inGaithersburg (MD), in particolare Dr Dat Duthinh, gli Ingg. Gioacchino Giomi, MauroCaciolai, Claudio De Angelis del Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco, per ilsupporto ed il prezioso contributo scientifico;•Eng. Piergiorgio Perin per l’utilizzo del codice di calcolo ad elementi finiti Straus7,www.hsh.info
  • 47. Robustezza strutturale e metodi di analisi - chiara.crosti@uniroma1.itMADE EXPO – Forum della Tecnica delle Costruzioni - Milano 17 Ottobre 2012