Introduzione all' ottimizzazione strutturale: elaborato Marcello Mangione
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Il ruolo della Fire Safety Engineering e della Fire Investigation nell'ottimizzazione strutturale.
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Introduzione all' ottimizzazione strutturale: elaborato Marcello Mangione
- 1. COR Il r RSO DI IN ruolo della per L’ NTRODU a Fire Saf OTTIMIZ Depa UZIONE A Docente Dottorand fety Engin ZZAZION Asp Rom “Sap School of artment of ALL’OTTI e: Prof. F. B do: Marcello neering (F NE STRUT petti intro ma, 9 lugli pienza” U f civil and structural Ph.D. – IMIZZAZI Bontempi o Mangione FSE) e del TTURALE duttivi io 2014 niversity o Industria engineerin – XXIX cyc IONE ST lla Fire Inv E ANTINC of Rome l Enginee ng and geo cle TRUTTUR vestigatio CENDIO ring otechnics RALE n (FI)
- 2. 1 Il ruolo della Fire Safety Engineering (FSE) e della Fire Investigation (FI) per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO Aspetti introduttivi CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente: Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione “Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 1 Il Ruolo della Fire Safety Engineering (FSE) e della Fire Investigation (FI) per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Dottorando: Marcello Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 2 1. DIRECT AND INVERSE PROBLEMS NEL SETTORE ANTINCENDIO 2. IL RUOLO DELLA FIRE SAFETY ENGINEERING E DELLA FIRE INVESTIGATION 3. OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 4. ANTI-OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO NELLA FIRE INVESTIGATION 5. OTTIMIZZARE CON LA FIRE SAFETY ENGINEERING 6. CONCLUSIONI
- 3. 2 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 3 Diagramma di analisi (FSE) e sintesi (FI) FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione “Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 4 Direct Problem (FSE) and Inverse Problems (FI)
- 4. 3 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 5 «inverse problems» nell’ingegneria strutturale e forense FIRE DESIGN OF ADAPTATION INVESTIGATIVE PHASEPROJECT MANAGEMENTPROJECT PHASE PERFORMANCE WORK FIRE UNEXPECTED EVENT START FIRE INVESTIGATION ANALYSIS OF STRUCTURAL DAMAGE RESULT CHECK COMPATIBILITY OF DESIGN AND EXECUTIVE EVALUATIONS FOR INSURANCE ON ERRORS OR PROJECT EXECUTIVE SUCCESSION EVENTS CHECK LEGEND RESULT DESIGN STRUCTURAL CONSOLIDATION OR DEMOLITION DETERMINE THE SAFETY OF THE STRUCTURE OF BURN DETECTION OF USEFUL ELEMENTS FOR BUSINESS IN LEGAL FORENSIC ENGINEERING STRUCTURAL ENGINEERING L’ottimizzazione inizia nella fase progettuale con la FSE e si completa con l’esperienza critica degli errori commessi in passato valutati attraverso la FI. FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 6 Analisi cause/effetti tra Fire Safety Engineering (FSE) e Fire Investigation (FI) Il contesto ove si fonda la fire investigation necessita, nell’applicare i principi e i metodi ingegneristici alla soluzione dei problemi tecnici (anche giudiziari), di una spiccata capacità critica e investigativa al fine di risalire dagli effetti alle cause che hanno generato il problema. La Fire Safety Engineering invece, partendo dalla valutazioni delle potenziali cause, cerca di prevenire gli effetti negativi calcolando la risposta della struttura. Entrambi i metodi, contribuiscono quindi all’ottimizzazione strutturale antincendio.
- 5. 4 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 7 Albero delle cause e degli eventi tra FSE e FI In merito a tale particolarità, nella fire investigation possiamo tranquillamente parlare di: • back-analysis, per evidenziare il ricorso ad una metodologia inversa rispetto a quella usuale, che procede cioè dagli effetti per risalire alle cause; • reverse engineering, definendo il procedimento come inverso a quello della sequenza dell’accadimento. La fire Investigation è complementare alla Fire Safety Engineering. FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 8 Fire Safety Engineering e Fire Investigation nell’albero degli eventi Nell’albero degli eventi la FSE e la FI seguono due percorsi opposti.
- 6. 5 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 9 Fire Safety Engineering e della Fire Investigation nella modellazione strutturale antincendio L’approccio basato sulla simulazione del fenomeno incendio, grazie ai modelli di calcolo numerici semplificati o avanzati, sta diventando maturo a tal punto da essere impiegato non solo nella FSE, ma anche nell’ambito della “Fire Investigation” al fine di poter caratterizzare cosa è accaduto a seguito di incidente. Il grafico seguente colloca al centro delle due discipline la modellazione e simulazione del fuoco. FIRE SAFETY ENGINEERING FIRE INVESTIGATION MODELING AND SIMULATIONOFFIRE PROJECT PHASE INVESTIGATIVE PHASE FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 10 I modelli nell’ottimizzazione strutturale antincendio I modelli per l’analisi dell’incendio in una struttura sono raggruppati in più classi diverse per complessità formale e dettaglio di rappresentazione come meglio illustrato nel grafico sottostante: FIRE SAFETY ENGINEERING FIRE INVESTIGATION MODELING AND SIMULATIONOF FIRE PROJECT PHASE INVESTIGATIVE PHASE
- 7. 6 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 11 Fire Safety Engineering e Fire Investigation nel processo di ottimizzazione antincendio PERFORMANCE APPROACH FIRE SAFETY ENGINEERING ANALYSIS OF EXPERIENCES FIRE INVESTIGATION MODELING STUDY OF FAILURES DIRECT APPROACHTO OPTIMATIONOFFIRE L’approccio di ottimizzazione strutturale antincendio si fonda sia sulla FSE che si avvale delle modellazioni per la ricerca della soluzione strutturale più efficacie (giusto equilibrio tra resistenza al fuoco e resistenza strutturale) e sia sulla FI per lo studio dei punti critici (ANTI-OTTIMIZZAZIONE) di una struttura danneggiata da un incendio. I danni repertati nell’attività investigativa aiutano ad ottimizzare le future progettazioni antincendio FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 12 OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO DIRETTA Gli approcci dell’ottimizzazione strutturale antincendio possono essere diretti o indiretti. Un approccio diretto, si riferisce direttamente alla struttura e punta a definire: • la geometria ottimale della struttura (peso, sezione, ecc); • l’iperstaticità nei vari compartimenti antincendio (giusto equilibrio tra robustezza strutturale e resistenza al fuoco); • Il tipo di materiale utilizzato (legno, acciaio, murature, alluminio, ecc.) attraverso lo studio della combinazione ottimale in funzione del potenziale scenario d’incendio; • la compartimentazione (suddivisione per limitare i danni strutturali). DIRECT APPROACH TO OPTIMATION OF FIRE DIRECT GEOMETRY OF THE STRUCTURE HYPERSTATICITY TYPE OF MATERIAL SUBDIVISION
- 8. 7 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 13 GEOMETRIA DELLA STRUTTURA LEGEND FIRE DAMAGE Deformazione per inflessione elementi strutturali LEGEND FIRE Direzione delle fiamme Cedimento strutturale Spalling in elementi in cls Affumicature in elementi verticali Carbonizzazione trave lignea Caduta intonaco da parete Frantumazione elemento in vetro Punto di origine dell'incendio Cambio di colorazione Ingresso aria da aperture Elemento scheggiato Elemento frantumato Materiale rammollito Carico d'incendio accatastato Carico d'incendio distribuito orizzontalmente Danno strutturale grave molto diffuso Danno medio/basso Area non danneggiata Materiale fuso Dilatazione termica senza deformazioni STRUCTUR BEFORE THE FIRE STRUCTUR SCHEME Rotazioni per stress termico Ribaltamenti per stress termico FIRE FROM THE PROJECT Muri Res. a fuoco R 30 Muri Res. a fuoco R 60 Muri Res. a fuoco R 90 Muri Res. a fuoco R 120 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 14 IPERSTATITICA’ STRUTTURALE LOAD OF FIRE DAMAGE OF MATERIALS STRUCTURAL DAMAGE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C LEGEND FIRE DAMAGE Deformazione per inflessione elementi strutturali LEGEND FIRE Direzione delle fiamme Cedimento strutturale Spalling in elementi in cls Affumicature in elementi verticali Carbonizzazione trave lignea Caduta intonaco da parete Frantumazione elemento in vetro Punto di origine dell'incendio Cambio di colorazione Ingresso aria da aperture Elemento scheggiato Elemento frantumato Materiale rammollito Carico d'incendio accatastato Carico d'incendio distribuito orizzontalmente Danno strutturale grave molto diffuso Danno medio/basso Area non danneggiata Materiale fuso Dilatazione termica senza deformazioni Rotazioni per stress termico Ribaltamenti per stress termico Muri Res. a fuoco R 30 Muri Res. a fuoco R 60 Muri Res. a fuoco R 90 Muri Res. a fuoco R 120
- 9. 8 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione “Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 15 TIPO DI MATERIALE Una buona conoscenza delle caratteristiche termiche del materiale (inerzia termica, conduttività, emissività, ecc.) portano ad ottimizzare i costi di adeguamento antincendio delle strutture. FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 16 COMPARTIMENTAZIONI Le compartimentazione antincendio limitano i danni solo ad una parte della struttura.
- 10. 9 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 17 OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO INDIRETTA Un approccio indiretto, si riferisce al contenuto della struttura e punta a definire: • il carico d’incendio contenuto nella struttura (quantità, potere calorifico, ecc.); • gli impianti di protezione attiva del compartimento antincendio; • la ventilazione (distribuzione, superficie, ecc.). DIRECT APPROACH TO OPTIMATION OF FIRE INDIRECT LOAD OF FIRE PLANT PROTECTION VENTILATION FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 18 CARICO D’INCENDIO La disposizione del carico d’incendio e quindi l’eventuale scenario è fondamentale per la valutazione degli effetti termici sulla struttura. Uno scenario d’incendio posto a livello z=o comporta maggiori incrementi di temperatura ai piedi delle colonne e minori sbalzi termici nella struttura di copertura soprattutto in presenza di struttura molto alte. Calcolo dell’altezza ottimale
- 11. 10 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 19 CARICO D’INCENDIO Lo stoccaggio del materiale combustibile può favorire l’insorgenza dell’incendio ad una quota diversa da z=0 e quindi avere ripercussioni termiche molto alte anche su strutture di copertura. Quindi la disposizione del carico d’incendio incide sul processo di ottimizzazione strutturale antincendio. FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 20 IMPIANTI DI PROTEZIONE ATTIVA ANTINCENDIO La presenza di impianti di protezione attiva, (ad. esempio sprinkler), abbatte la magnitudo dell’incendio prima del raggiungimento del flash over (incendio generalizzato) abbassando quindi la temperatura negli elementi strutturali. L’ottimizzazione in questo caso consiste nel valutare l’intervento più conveniente tra l’installazione di un impianto di protezione (evacuatore di fumi e calore) e la protezione diretta della struttura (rivestimenti protettivi).
- 12. 11 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione “Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 21 VENTILAZIONE Lo sviluppo di un incendio in fase avanzata di evoluzione all'interno di un locale dipende dal valore che assume il fattore di ventilazione «O»; infatti, esso modifica significativamente il valore massimo che può raggiungere la velocità di combustione (kg/s di combustibile bruciato) ed è definito dalla seguente relazione: dove: • Av è la superficie delle aperture di ventilazione ricavate sulle pareti del locale espressa in mq; • At è la superficie totale del compartimento (pavimento, pareti e soffitto) espressa in mq; • heq è l'altezza equivalente cioè la media ponderata delle altezze hj di tutte le aperture di ventilazione presenti nelle pareti, che viene così valutata: FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 22 ANTI-OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO nella FIRE INVESTIGATION La FI individua i punti critici ed i meccanismi di bassa resistenza della struttura.
- 13. 12 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 23 ANTI-OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO nella FIRE INVESTIGATION Scenari riscontrabili nelle attività di FI. FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 24 Livelli investigativi a livello strutturale L’attività investigativa può essere condotta secondo tre livelli, tenendo conto della natura del materiale: • analisi investigativa per singoli elementi in cui ogni elemento della struttura viene valutato considerandolo completamente separato dagli altri elementi; • analisi di parti della struttura in cui una porzione strutturale è direttamente presa in considerazione nella valutazione usando appropriate condizioni al contorno; • analisi globale in cui tutta la struttura è presa in considerazione nella valutazione investigativa nel suo insieme.
- 14. 13 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 25 Applicazioni di Fire investigation nell’ingegneria strutturale Studio dei punti critici (fallimento) in ambito meccanico di una tubazione. Con l’uso di una termocamera, si riesce a vedere la diminuzione nello spessore, dovuto alla corrosione delle pareti della tubazione. Esempio base per l’ottimizzazione dello spessore di particolari pezzi meccanici. FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 26 La sicurezza residua a seguito di un incendio che ha colpito indirettamente la facciata di un edificio. Applicazioni di Fire investigation nell’ingegneria strutturale
- 15. 14 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 27 Attività investigativa incentrata su fusti coinvolti in un incendio e bombole di infiammabili. Ottimizzare la resistenza dell’involucro in funzione delle pressioni che si generano per effetto di sbalzi termici. Applicazioni di Fire investigation nell’ingegneria strutturale FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 28 Applicazione di Fire Investigation Repertamento in una struttura lignea Analisi dei danni utile per l’ottimizzazione della sezione delle travi.
- 16. 15 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 29 Applicazione di Fire Investigation Percorso del fuoco Spessori carbonizzati FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 30 Applicazione di Fire Investigation Residual section Lineof carbonization Initial scope Thick charred Pyrolysiszone Initial section UNPROTECTEDSECTIONBEFORETHEFIRE SECTIONAFTERTHEFIRE Protection SECTIONPROTECTEDDURINGFIRE
- 17. 16 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 31 Applicazione di Fire Investigation Residual section Lineof carbonization b beff dchar,n d0 k0 B SECTIONAFTERTHEFIRE In linea generale la durata dell’incendio può quindi essere ricavata con la seguente formula inversa: deff = dchar,n + K0d0 = ßnt + 7K0 t [min] = (deff - 7K0) / ßn Strumentazione usata per calcolare lo spessore di carbonizzazione FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 32 Applicazione di Fire Investigation Un modo per abbassare l'infiammabilità del legno, e quindi ottimizzare l’elemento strutturale, è basato sul trattamento chimico con ritardanti di fiamma che vengono applicati come rivestimenti sulla superficie del legno. L'uso di ritardanti di fiamma sulla superficie è generalmente più economico, e nella maggior parte dei casi è di più facile realizzazione in quanto può essere eseguito dopo che il materiale è installato sul suo luogo di utilizzo. Lo svantaggio del trattamento superficiale è che il rivestimento di finitura può essere danneggiato e deve essere rinnovato periodicamente. L'impregnazione del legno da parte dell’agente ignifugo deve protegge l'intero volume di materiale. Il legno è un materiale eterogeneo e la distribuzione dell’impregnante agente dopo il trattamento non è in genere omogenea. Tuttavia questa eterogeneità è inferiore nel faggio, tipico legno prescelto per questo studio. Nella seguente, sono rappresentate le curve HRR specifico dipendenti dal tempo per legno di faggio non trattato misurato con irradianza di 40 kW/m2. Le varie curve HRR si riferiscono a campioni con assorbimento 10, 20, e 40 kg/m3.
- 18. 17 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 33 OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCEDIO con l’ausilio della FIRE SAFETY ENGINEERING La FSE rappresenta un metodo per vedere come risponde la struttura FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 34 Approcci per l’ottimizzazione strutturale antincendio I APPROCCIO PRESCRITTIVO Tende tramite l’applicazione delle normative verticali ad adeguare la struttura in maniera uniforme, senza eventuali ottimizzazioni strutturali. Esso risulta quindi un approccio determinato e statico. Utilizza curve di incendio nominali (ISO 834) spesso rigorose per la struttura in esame. APPROCCIO PRESTAZIONALE Tende ad ottimizzare la struttura tramite curve naturali d’incendio più realistiche alla struttura da progettare. Rappresenta l’unico modo per giustificare soluzioni alternative di sicurezza antincendio. Valutando l’uso e la finalità di questo strumento potremmo essere in grado di fornire soluzioni che siano economicamente efficienti e facilmente realizzabili, e questo senza compromettere la sicurezza delle persone, la tutela della proprietà e i livelli di continuità operativa richiesti.
- 19. 18 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 35 Approcci per l’ottimizzazione strutturale antincendio L’approccio prescrittivo impone uniformemente una resistenza la fuoco R 120 mentre quello prestazionale potrebbe portare a resistenze al fuoco diverse con l’ottimizzazione della struttura di copertura. SOURCE OFHEAT SOURCE OFHEAT APPROCCIO PRESCRITTIVO APPROCCIO PRESTAZIONALE R 120 R 60 R 120 R 60 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 36 Approcci per l’ottimizzazione strutturale antincendio I La progettazione degli elementi strutturali ed in particolare della loro protezione passiva può essere ottimizzata con l’uso dell’ingegneria strutturale antincendio. Questo tipo di analisi valuta gli effetti termici degli incendi sugli elementi strutturali. Attraverso l’uso di un’analisi termica agli elementi finiti è possibile determinare la resistenza al fuoco di una struttura, e in questo modo valutare la resistenza della struttura nella sua interezza in condizioni di incendio. Analisi di questo tipo vengono spesso impiegate come alternativa prestazionale all’approccio prescrittivo tradizionale che può risultare a volte costoso, non estetico e di difficile manutenzione. (ANTI OTTIMIZZAZIONE). Tra i benefici principali che l’ottimizzazione strutturale antincendio è in grado di fornire citiamo il miglioramento dell’estetica, un costo di costruzione e manutenzione ridotto e una maggiore protezione dei beni.
- 20. 19 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 37 Case study di ottimizzazione strutturale antincendio Edificio in esame: "Maison de la Paix« costruito per il Graduate Institute of International and Development Studies a Ginevra. La struttura ingloba una biblioteca, numerosi auditorium, sale per seminari e una grande sala conferenze oggetto della presentazione. L’ottimizzazione ha avuto lo scopo di analizzare la struttura in acciaio sottoposta ad incendio. FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 38 Descrizione strutturale sommaria Vertical Structures La struttura verticale è costituita da colonne circolari tipo HSS (High Speed Steel) di 324 mm di diametro, acciaio Fe510/S355, e spessori di parete variabile da 10 a 40 mm. La strategia di adeguamento antincendio è stata quella di ottimizzare le colonne in funzione dei carichi. Truss Girder La struttura di copertura è del tipo reticolare in acciaio anch'essa in HSS in grado di sostenere i carichi di sei piani, che ha richiesto un’analisi tridimensionale. Gli elementi superiori del traliccio reagiscono con la lastra di cemento come profilato composito, mentre le altre aste sono sezioni in acciaio normali. L'analisi strutturale sul comportamento globale in un caso di incendio si è resa necessaria per ottimizzare anche lo spessore della saldatura.
- 21. 20 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 39 Descrizione strutturale sommaria Modello tridimensionale strutturale del traliccio sopra la sala conferenze FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 40 Fire analysis Thermal Actions Poiché l'edificio doveva avere una resistenza al fuoco (R 60), utilizzando l’approccio prescrittivo con la curva di incendio standard ISO 834 i calcoli hanno dimostrato che l’obiettivo non poteva essere raggiunto nelle pareti, relativamente sottili, delle colonne cave. Pertanto, per controllare se le strutture in acciaio potevano rimanere non protette, è stato necessario effettuare una modellazione a zone utilizzare un approccio basato su scenari di incendio naturale e prevedendo incendi localizzati simulati mediante software basati sulla fluidodinamica computazionale (Fire Dynamics Simulator - FDS). Questa figura mostra la significativa differenza di temperatura nella sala conferenze quando si utilizza una curva naturale d’incendio rispetto alla curva standard ISO834 per diversi spessori della colonna. In questo calcolo, lo scenario d’incendio era costituito da un pallet di 500 kg di carta che si trovava ad una distanza di 300 mm dalla colonna.
- 22. 21 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 41 Fire Analysis Natural Fire Gli scenari di incendio naturale sono stati calcolati secondo la EN 1991-1-2, stimando un livello medio di carico d’incendio pari a circa ≅ 500 MJ/m2 e le misure di protezione attive considerate nel progetto . La forma della fiamma può variare a seconda dell'intensità del fuoco ed a seconda della altezza del locale. Per esempio, l'anello esterno in acciaio delle colonne si scalda fino a 800 °C dopo 30 minuti di esposizione al fuoco con l’utilizzo della curva ISO 834, invece con la curva naturale d’incendio, la colonna si riscalda fino a 450 °C. Nei parametri d’incendio naturale, l'utilizzo di un sistema sprinkler, con spruzzatore diretto verso il fuoco e l'altro rivolto verso l'alto per raffreddare la struttura contribuisce a ridurre la variazione termica negli elementi strutturali. FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 42 Fire Analysis CFD Simulations Oltre al modello a zona semplificato, varie simulazioni sono state eseguite con FDS per verificare le ipotesi utilizzate nei calcoli precedenti. Le prime simulazioni sono state eseguite per la sala conferenze, per valutare la temperatura massima all'interno.
- 23. 22 FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 43 Structural Analysis Columns L’intero sistema delle colonne in acciaio è stato progettato e ottimizzato in situazione di incendio, utilizzando le ipotesi di incendi naturali e localizzati. In primo luogo, sono state condotte verifiche utilizzando il metodo NRCC 9 che si basa su prove in laboratorio in scala reale. Questi calcoli hanno dimostrato che, con un ragionevole rapporto di carico, il calcestruzzo non rinforzato che riempie le colonne HSS poteva resistere ad alti carichi (fino a 8.000 kN). Ciò è stato confermato per ulteriori calcoli non lineari FEM utilizzando SAFIR. Tuttavia, utilizzando FEM, è stato possibile per spingere l'ottimizzazione delle sezioni . Una procedura incrementale è stata usata per trovare la capacità di carico critico sotto naturali e localizzate situazioni di incendio, sapendo che questo carico è funzione della temperatura della sezione che varia in modo non lineare con il tempo. Molti calcoli erano necessari per determinare la capacità di carico critico, per ogni gruppo di colonne con diverso carico e lunghezza libera di inflessione. Come risultato della procedura utilizzata, si è raggiunta un’ottimizzazione della sezione (molto più vicino alla effettiva temperatura critica) rispetto ai valori ottenuti con il più conservatore approccio fuoco ISO. FIRE SAFETY ENGINEERING e FIRE INVESTIGATION per L’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO CORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione Sapienza” University of Rome School of civil and Industrial Engineering Department of structural engineering and geotechnics Ph.D. – XXIX cycle 44 Conclusioni La progettazione basata sull’approccio prestazionale accompagna sempre il processo di ottimizzazione strutturale. La struttura in acciaio, come desiderato dall'architetto, è rimasta non protetta e slanciata. L‘ottimizzazione strutturale antincendio eseguita dimostra che una corretta analisi dello scenario d’incendio e un idoneo processo di progettazione è davvero indispensabile. Grazie all'utilizzo dei nuovi metodi computazionali degli incendi, le colonne sono state ottimizzate raggiungendo un carico inferiore che permette la loro non protezione, mentre le colonne sottoposte a carichi più elevati saranno costruiti mediante l’abbinamento di calcestruzzo rinforzato. Il traliccio sopra la sala conferenza rimarrà protetto, grazie alle misure di protezione attiva antincendio.