Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Crosti

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Giornata di Studio: LA RESISTENZA AL FUOCO DELLE STRUTTURE COSENZA,
Universita' della Calabria, 6 Febbraio 2014

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Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Crosti

  1. 1. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI Chiara Crosti “Sapienza” University of Rome, chiara.crosti@uniroma1.it , chiara.crosti@stronger2012.com
  2. 2. Structure of Next Generation – Energy harvesting and Resilience Spin-off di Ricerca – www.stronger2012.com Persone Attivita’ Progettazione, adeguamento e ottimizzazione Valutazione di Resilienza Sostenibilita’ e Recupero Energetico Modellazione numerica avanzata Approccio ingegneristico alla progettazione di strutture in caso di incendio Ingegneria Forense chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  3. 3. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  4. 4. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI Norme Tecniche per le Costruzioni 14/01/2008 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  5. 5. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  6. 6. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI 1) INDIVIDUAZIONE DELL’INCENDIO DI PROGETTO Curva di incendio NOMINALE NATURALE 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. •Curve Parametriche: ISO 834 •Modelli a Zone: Simulazione limitata ad incendi Pre-Flashover ISO 834 www.mace.manchester.ac.uk www.promozioneacciaio.it chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  7. 7. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI 1) INDIVIDUAZIONE DELL’INCENDIO DI PROGETTO Curva di incendio NOMINALE NATURALE 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. •Curve Parametriche: ISO 834 •Modelli a Zone: Simulazione limitata ad incendi Pre-Flashover ISO 834 •Modelli di Campo: Simulazione estesa anche per incendi Post-Flashover www.promozioneacciaio.it chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  8. 8. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI 1) INDIVIDUAZIONE DELL’INCENDIO DI PROGETTO Curva di incendio NOMINALE NATURALE 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. chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  9. 9. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI 2) ANALISI DELL’EVOLUZIONE DELLA TEMPERATURA NEGLI ELEMENTI AMBITO NOME ANNO TITOLO Cls EN 1992 1-2 2004 Eurocode 2 – Design of concrete structures – Part 12: General rules – Structural fire design Acciaio EN 1993 1-2 2005 Eurocode 3 – Design of steel structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design Acciaio–Cls EN 1994 1-2 2005 Eurocode 4 – Design of composite steel and concrete structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design Legno EN 1995 1-2 2004 Eurocode 5 – Design of timber structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design Muratura EN 1996 1-2 2005 Eurocode 6 – Design of masonry structures – Part 12: General rules – Structural fire design Alluminio EN 1999 1-2 1998 Eurocode 9 – Design of aluminium structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  10. 10. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI 3) ANALISI DEL COMPORTAMENTO MECCANICO DELLE STRUTTURE chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  11. 11. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI 3) ANALISI DEL COMPORTAMENTO MECCANICO DELLE STRUTTURE ES. : MATERIALE ACCIAIO COLLASSO: • formazione di cerniere plastiche al crescere della temperatura che rendono la struttura labile; • fenomeni di instabilità anticipata, dovuti al decadimento della rigidezza. chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  12. 12. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI 3) ANALISI DEL COMPORTAMENTO MECCANICO DELLE STRUTTURE ANALISI NON LINEARI NON STAZIONARIE Non linearità di materiale Non linearità di geometria Equilibrio scritto nella configurazione deformata chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  13. 13. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI 3) ANALISI DEL COMPORTAMENTO MECCANICO DELLE STRUTTURE PROCEDIMENTO ITERATIVO DEI CODICI DI CALCOLO T T1 t1 = t + Δt T t  ET A 0  L T  12ET I  0 3  LT  6ET I  0 2 LT  Ke =  E A T 0 − LT  12ET I  0 − 3  LT  6ET I  2  0 LT  − 0 6ET I 2 LT 4ET I LT 0 0 ET A LT 0 6ET I 2 LT 2ET I LT − ET A LT 0 0 0 12ET I 3 LT 6E I − T2 LT − 0 12E0 I 3 LT 6E I − T2 LT t1    6ET I  2 LT  2ET I   LT   0   6ET I  − 2  LT  4ET I  LT   0 t  ET 1 A 0  L T1  12ET 1I  0 3  LT 1  6ET1I  0 2 LT 1  Ke =  ET1 A 0 −  LT1 12ET 1I  0 − 3  LT 1  6E0 I  0 2  LT 1  0 6ET 1I 2 LT 1 4 ET 1I LT 1 0 6ET 1I 2 LT 1 2 ET 1I LT 1 − − ET 1 A LT1 0 0 ET 1 A LT1 0 0 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com 0 12ET 1I 3 LT 1 6E I − T1 2 LT 1 − 0 12ET 1I 3 LT 1 6E I − T1 2 LT 1    6ET 1I  2 LT 1  2 ET 1I   LT 1   0   6ET 1I  − 2 LT 1   4 ET 1I  LT 1   0
  14. 14. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI CORRETTA MODELLAZIONE DEL PROBLEMA TRAVE SEMPLICEMENTE APPOGGIATA y Sezione: UB 356x171x51 Materiale: S355 Incendio: ISO834 x 4m t (sec) Spostamenti verticali Nodo in meezzeria (m) 0,00 -0,50 0 250 500 750 1000 1250 -1,00 -1,50 -2,00 -2,50 -3,00 NLM -3,50 -4,00 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com 1500
  15. 15. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI CORRETTA MODELLAZIONE DEL PROBLEMA TRAVE SEMPLICEMENTE APPOGGIATA y Sezione: UB 356x171x51 Materiale: S355 Incendio: ISO834 x t (sec) Spostamenti verticali Nodo in meezzeria (m) 0,00 -0,50 0 250 500 750 1000 1250 -1,00 -1,50 -2,00 -2,50 -3,00 NLM + NLG NLM -3,50 -4,00 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com 1500
  16. 16. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI CORRETTA MODELLAZIONE DEL PROBLEMA TRAVE SEMPLICEMENTE APPOGGIATA y Sezione: UB 356x171x51 Materiale: S355 Incendio: ISO834 x Spostamento orizzontale (m) 0,10 0 250 500 750 1000 1250 -0,40 -0,90 -1,40 NLM + NLG NLM -1,90 -2,40 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com t (sec) 1500
  17. 17. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI NON LINEARITA’ DI MATERIALE E DI GEOMETRIA chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  18. 18. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI 3) ANALISI DEL COMPORTAMENTO MECCANICO DELLE STRUTTURE chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  19. 19. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: T Trave incernierata all’estremita’ ISO 834 Heating phase compression e II ord. moment Temperatura q DT IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI Cooling phase t flashover Trazione Effetto catenaria Forza assiale trave tempo Trazione tempo Compressione chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  20. 20. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: T Trave incernierata all’estremita’ ISO 834 Heating phase compressione II ord. moment Temperatura q DT IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI Cooling phase t flashover Trazione Effetto catenaria Forza assiale trave THERMAL BUCKLING tempo Trazione PROBLEMI NELLE tempo CONNESSIONI Compressione chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  21. 21. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: T Trave incernierata all’estremita’ ISO 834 Heating phase compressione II ord. moment Temperatura q DT IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI Cooling phase t flashover Trazione Effetto catenaria Forza assiale trave THERMAL BUCKLING tempo Trazione PROBLEMI NELLE CONNESSIONI tempo Compressione chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  22. 22. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: Trave semplicemente appoggiata IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI Trave incernierata all’estremita’ q q DT DT 1 2 Espansione termica libera bowing effect Espansione termica impedita Trazione Effetto catenaria chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  23. 23. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: Trave semplicemente appoggiata IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI Trave incernierata all’estremita’ q q DT DT 1 2 Espansione termica libera bowing effect Espansione termica impedita Trazione Effetto catenaria chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  24. 24. CERNIERA CARRELLO CERNIERA CERNIERA
  25. 25. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI 356x171x51 UB 4m 0 400 0,00 800 1200 1600 t (sec) -0,20 -0,40 -0,60 CASO A: Cerniera – Carrello -0,80 -1,00 -1,20 -1,40 CASO A -1,60 CASO B: Cerniera - Cerniera CASO B -1,80 Dy (m) chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  26. 26. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI 4) VERIFICA DI RESISTENZA AL FUOCO RFire > SFire chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  27. 27. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI 4) VERIFICA DI RESISTENZA AL FUOCO Trave semplicemente appoggiata 0 250 500 750 1000 1250 1500 t (sec) Spostamenti verticali Nodo in meezzeria (m) 0,00 Dy = L/20 -0,50 -1,00 -1,50 -2,00 -2,50 -3,00 -3,50 -4,00 NLM + NLG Tcr= 560°C Collasso convenzionali Tcr= 795°C Da analisi numeriche chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  28. 28. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI 4) VERIFICA DI RESISTENZA AL FUOCO Trave semplicemente appoggiata 0 250 500 750 1000 1250 Spostamentoverticali Nodo in meezzeria (m) 0,00 1500 t (sec) -0,50 -1,00 -1,50 -2,00 -2,50 NLM + NLG -3,00 NLM ATTENZIONE NELLA LETTURA DEI RISULTATI!! -3,50 -4,00 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  29. 29. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI 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 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  30. 30. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  31. 31. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: Start IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI • Definizione degli obiettivi; • Individuazione dei livelli di prestazione; • Scelta degli scenari di incendio; Analisi Qualitativa Analisi Quantitativa • Modellazione dell’azione di incendio; • Modellazione del trasferimento di calore; • Modellazione strutturale. Verifiche Verifiche dei risultati: NUMERICAL MODELING SI NO Tempo Temperatura Resistenza R S RFire> > SFire Fire Fire Presentazione dei risultati end chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  32. 32. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI Hangar per aeroporto Ponte in acciaio a struttura reticolare Edificio alto chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  33. 33. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  34. 34. HANGAR PER AEROPORTO chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  35. 35. HANGAR PER AEROPORTO • Determinare la resistenza al fuoco; • Valutare eventuali interventi di retrofitting; chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  36. 36. HANGAR PER AEROPORTO Vista B-B 32.82 m 32.82 m Vista A-A 12.82 m Vista B-B C C 7.00 m Sezione C-C 9.02 m Vista A-A 16.425 m chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  37. 37. HANGAR PER AEROPORTO chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  38. 38. HANGAR PER AEROPORTO APPROCCIO INGEGNERISTICO Start Analisi Qualitativa Analisi Qualitativa Safety Objective: Evitare il crollo della struttura; Performance Level: Evitare il collasso strutturale ; Analisi Quantitativa Fire Scenarios: Incendio localizzato in 3 zone. Verifiche SI NO Presentazione dei risultati end chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  39. 39. HANGAR PER AEROPORTO APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Scelta degli scenari Scenario B Scenario A Scenario C chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  40. 40. HANGAR PER AEROPORTO APPROCCIO INGEGNERISTICO Analisi Qualitativa Safety Objective: Evitare il crollo della struttura; Performance Level: Evitare il collasso strutturale ; Start Analisi Qualitativa Analisi Quantitativa Fire Scenarios: Incendio localizzato in 3 zone. Verifiche 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). SI NO Presentazione dei risultati end chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  41. 41. HANGAR PER AEROPORTO APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa Thermo-Plastic Material Used Material : T (°C) E (Pa) sY (Pa) EPl (Pa) αT (°C-1) 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-05 Finite Element: Nonlinear Isobeam 100 2.10E+11 2.35E+08 1.05E+10 1.20E-05 • Steel S235; 200 1.89E+11 2.35E+08 9.45E+09 1.23E-05 5 ore di utilizzo di un N° elements : 4422 normale computer 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 N° 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-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 N° node : 1205 Element mesh density : 2 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  42. 42. HANGAR PER AEROPORTO Scenario A: 7,00 m 6,54 m chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  43. 43. HANGAR PER AEROPORTO Scenario A: chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  44. 44. HANGAR PER AEROPORTO Trend of displacement X with time Trend of displacement X with Temperature t=240 sec t=870sec t=5936 sec T=505°C T=702°C T=1000°C chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  45. 45. HANGAR PER AEROPORTO Scenario B: 7,00 m 6,54 m chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  46. 46. HANGAR PER AEROPORTO Scenario B: chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  47. 47. HANGAR PER AEROPORTO Scenario C: 7,00 m 6,54 m chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  48. 48. HANGAR PER AEROPORTO Scenario C: chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  49. 49. HANGAR PER AEROPORTO chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  50. 50. HANGAR PER AEROPORTO t=340 sec t=1600 sec t=5936 sec T=575°C T=804°C T=1000°C Andamento dello spostamento Y in funzione della Temperatura chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  51. 51. HANGAR PER AEROPORTO Scenario B Scenario C Il collasso di un singolo elemento della struttura reticolare e’ di certo un aspetto importante per la valutazione della sicurezza della struttura ma che non compromette il comportamento della struttura nella sua globalita’. chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  52. 52. HANGAR PER AEROPORTO APPROCCIO INGEGNERISTICO Analisi Qualitativa Start Analisi Qualitativa Safety Objective: Evitare il crollo della struttura; Performance Level: Evitare il collasso strutturale ; Analisi Quantitativa Fire Scenarios: Incendio localizzato in 3 zone. Verifiche Analisi Quantitativa Fire Action Modeling: curva naturale (FDS); Heat Transfer Modeling: SI Structural Modeling: Analisi non lineari in materiale e geometria(ADINA). SI NO Presentazione dei risultati end chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  53. 53. HANGAR PER AEROPORTO MODELLAZIONE DELL’AZIONE FINITE ELEMENT MODELING STRUCTURAL PERFORMANCE FINITE VOLUME MODELING FIRE SIMULATION chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  54. 54. HANGAR PER AEROPORTO APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa REAL OBJECT MODEL chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  55. 55. HANGAR PER AEROPORTO Discretizzazione per il modello strutturale Discretizzazione per la modellazione dell’azione 2 2 3 1 3 3 1 2 2 4 4 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com 3
  56. 56. HANGAR PER AEROPORTO 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; Hydrocarbon ISO834 B3 B4 ambiente aperto B4 ambiente chiuso chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  57. 57. HANGAR PER AEROPORTO APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa Scenario B Scenario B4, ambiente chiuso Modelling with ISO834 Far external columns Near external columns Central columns chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  58. 58. HANGAR PER AEROPORTO APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  59. 59. HANGAR PER AEROPORTO 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 risultati numerici che riproducono cosa accade realmente. Sono pertanto necessarie per determinare la sicurezza della struttura in questione soggetta ad incendio e di tutto cio’ che la circonda chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  60. 60. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI Hangar per aeroporto Ponte in acciaio a struttura reticolare Edificio alto chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  61. 61. EDIFICIO ALTO CASE STUDY: 40 floors, 160 m heigth, 35 m x 35 m floor, office building RENDERING STRUCTURAL SYSTEM FEM MODEL Gentili, Petrini, Bontempi, “Optimization of the tall building structural system for reliability against progressive collapse”, CTA 2013 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  62. 62. EDIFICIO ALTO Bracing System Frame A Frame B Outrigger Frame A Frame B Gentili, Petrini, Bontempi, “Optimization of the tall building structural system for reliability against progressive collapse”, CTA 2013 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  63. 63. EDIFICIO ALTO Assumptions Frame A Frame B - Exposure to 180 minutes of ISO Curve - 30 cases of fire changing initial fire location and number of involved columns 1000 800 ISO 834 θ ipe 270 θ ipe 300 θ hem 260 θ hea 240 θ hem280 600 400 200 0 0 10 20 30 40 50 60 FIRE LOCATION 6th floor Gentili, Petrini, Bontempi, “Optimization of the tall building structural system for reliability against progressive collapse”, CTA 2013 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  64. 64. EDIFICIO ALTO Assumptions Frame A - Exposure to 180 minutes of ISO Curve - Frame B 30 cases of fire changing initial fire location and number of involved columns Gentili, Petrini, Bontempi, “Optimization of the tall building structural system for reliability against progressive collapse”, CTA 2013 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  65. 65. EDIFICIO ALTO: Frame A - Worst case scenarios 1 Heated Column 2 Heated Columns 3 Heated Columns 4 Heated Columns chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com 5 Heated Columns
  66. 66. EDIFICIO ALTO: Frame A 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 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  67. 67. EDIFICIO ALTO TEMPI DI RESISTENZA MEDIA PER TUTTE LE COMBINAZIONI CONSIDERATE Frame B Frame A SWAY COLLAPSE NO-SWAY COLLAPSE Frame A Frame B chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  68. 68. EDIFICIO ALTO Configurations: position of the outrigger G CONFIGURATIONS A B C 877 STEEL MASS [TON] 857 877 877 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  69. 69. EDIFICIO ALTO Configurations: vertical brace system G CONFIGURATIONS D E F 877 STEEL MASS [TON] 817 994 939 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  70. 70. EDIFICIO ALTO OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE tempo di resistenza al fuoco (min) 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 D A C B G F E Initial 857 ton 817 ton 877 ton 877 ton 877 ton 939 ton chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com 994 ton
  71. 71. EDIFICIO ALTO OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE tempo di resistenza al fuoco (min) 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 D A C B G F E Initial 857 ton 817 ton 877 ton 877 ton 877 ton 939 ton chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com 994 ton
  72. 72. EDIFICIO ALTO OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE tempo di resistenza al fuoco (min) 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 D A C B G F E Initial 857 ton 817 ton 877 ton 877 ton 877 ton 939 ton chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com 994 ton
  73. 73. EDIFICIO ALTO OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE tempo di resistenza al fuoco (min) 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 D A C B G F E Initial 857 ton 817 ton 877 ton 877 ton 877 ton 939 ton chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com 994 ton
  74. 74. ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI Hangar per aeroporto Ponte in acciaio a struttura reticolare Edificio alto chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  75. 75. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE 3) ANALISI DEL COMPORTAMENTO MECCANICO DELLE STRUTTURE chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  76. 76. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE CASE HISTORY •on 1st February 2013 where an expressway bridge partially collapsed due to a truck explosion in Mianchi County, Sanmenxia, central China's Henan Province; chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  77. 77. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE CASE HISTORY •on 14 December 2011, where a truck transporting 33800 l of gasoline caught fire on the eastbound 60 Freeway under the Paramount Boulevard Bridge, in Montebello, Los Angeles, CA, USA. The intense fire, which lasted several hours, severely damaged the reinforced concrete structure of the overpass; chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  78. 78. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE CASE HISTORY •on 29 April 2007, where a truck transporting 32600 l of gasoline had an accident and burst into flames the MacArthur Maze in California. The fire, which is believed to have reached very high temperatures, heated the overpass above the incident, which served as connector between the I-80 and the I-580. chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  79. 79. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE A highway bridge is expected to experience numerous extreme events during its lifetime. Therefore multiple hazards (e.g. earthquake, wind gust, flood, vessel collision, traffic overload and accidents, and terrorist attacks etc.) must be properly considered in highway bridge design in addition to the normal functionality requirement. The severity of these hazards can significantly increase the costs of construction and maintenance, especially if they are considered for rehabilitation of existing bridges. chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  80. 80. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE MULTI-HAZARD ANALYSES STRUCTURAL FAILURE Time EXPLOSION FIRE chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  81. 81. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE CASO IN ESAME: I-35W Bridge in Minneapolis, 1 Agosto 2007 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  82. 82. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE FRACTURE CRITICAL SYSTEMS “The term “fracture critical” indicates that if one main component of a bridge fails, the entire structure could collapse. Therefore, a fracture critical bridge is a steel structure that is designed with little or no load path redundancy. Load path redundancy is a characteristic of the design that allows the bridge to redistribute load to other structural members on the bridge if any one member loses capacity. “ chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  83. 83. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE CASO IN ESAME: I-35W Bridge in Minneapolis, 1 Agosto 2007 “The deck truss comprised in two parallel Warren trusses (east and west) with verticals. Steel gusset plates were used on all the 112 connections of the two main trusses. All nodes had two gusset plates on either side of the connection. The east and west main trusses were spaced 22 m apart and were connected by 27 transverse welded floor trusses spaced 11.6 m on centers and by two floor beams at the north and south ends.” chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  84. 84. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE FINITE ELEMENT MODEL Nodes: 1172 Beam elements: 1849 325 m 139 m Fu = 610 MPa •Large displacement formulation, Fy = 345 MPa E = 199 GPa • 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 2008916213, Washington D.C. 20594) chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  85. 85. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE 1st HAZARD: EXPLOSION 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 It is assumed that a certain level of damage caused by an explosion (damage level= 1) can instantly remove an element. chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  86. 86. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE 1st HAZARD: EXPLOSION DAMAGE LOCALIZATION (DAMAGE LEVEL= 1) Scenario 2 Scenario 1 Scenario 3 Scenario 4 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  87. 87. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE 2ND HAZARD: FIRE East truss 1.200 West truss Temperature ( C ) 1.000 800 600 Curva degli idrocarburi Curva ISO834 400 200 0 0 20 40 60 time (min) 80 100 120 (EC3- Part 1.2: Structural fire design) chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  88. 88. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE 2ND HAZARD: FIRE •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 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  89. 89. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE EXPLOSION 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 -0,10 -0,20 -0,30 -0,40 -0,50 Scenario 1 -0,60 -0,70 Max vertical displacement (t= 15.3 sec) Vertical displacement node.40 (m) 0,00 -0,80 Node n.40 -0,90 -1,00 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  90. 90. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE 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 Vertical displacement (m) 0,2 0,0 -0,2 -0,4 Scenario 0 Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4 -0,6 -0,8 -1,0 -1,2 t= 0 sec SCENARIO 1 t= 15.3 sec chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  91. 91. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE SCENARIO 1 SCENARIO 3 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  92. 92. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE SCENARIO 1 Scenario 1 Scenario 3 SCENARIO 3 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  93. 93. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE 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 Vertical displacement node.40 (m) 0,00 -0,10 -0,20 East truss -0,30 -0,40 -0,50 -0,60 -0,70 West truss -0,80 -0,90 -1,00 Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  94. 94. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE SCENARIO 2 t= 58 sec; T= 760 C East West Longitudinal view North South chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  95. 95. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE SCENARIO 3 t= 48 sec; T= 696 C Plan view East West Longitudinal view North South chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  96. 96. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE SCENARIO 4 t= 50 sec; T= 706 C Plan view East West Longitudinal view North South chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  97. 97. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE SCENARIO 4 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 0,00 t (sec) -0,20 Node 1070 Dz node 1070 (m) -0,40 -0,60 t= 45 sec -0,80 Scenario 4 -1,00 -1,20 Node 1070 t= 52 sec chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  98. 98. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE 2 3 Scenario 2 t u (sec) 58 T(C) 760 Scenario 3 t u (sec) 48 T(C) 696 Scenario 4 t u (sec) 53 T(C) 715 Different scenarios lead to different load path and therefore to different way to collapse. 4 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  99. 99. PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE MULTI-HAZARD ANALYSES 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 0,00 Vertical displacement node.40 (m) -0,10 -0,20 -0,30 -0,40 -0,50 Scenario 1 Scen… -0,60 -0,70 -0,80 -0,90 Scenario 4 + FIRE -1,00 chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  100. 100. CONCLUSIONI Struttura strategica Edificio alto Ponte in acciaio chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  101. 101. CONCLUSIONI RINGRAZIAMENTI Si ringrazia: •Il gruppo di ricerca www.francobontempi.org, •Metallurgy division of the National Institute of Standard and Technology (NIST) in Gaithersburg (MD), in particolare Dr. Dat Duthinh, •gli Ingg. Mauro Caciolai, Claudio De Angelis del Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco, •Ing. Piergiorgio Perin per l’utilizzo del codice di calcolo ad elementi finiti Straus7, www.hsh.info chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com
  102. 102. Robustezza strutturale e metodi di analisi - chiara.crosti@uniroma1.it MADE EXPO – Forum della Tecnica delle Costruzioni - Milano 17 Ottobre 2012

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