PSA - Structural Aspects 2016

STRUCTURAL ASPECTS FOR FIRE ACTION

Corso di Progettazione Strutturale Antincendio A.A. 2016/17

Franco BontempiProfessore Ordinario di Tecnica delle Costruzioni

Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale

Sapienza Università di Roma

franco.bontempi@uniroma1.it

PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 1

Peculiarities

MATERIALS

CONCRETE

Compression

Traction

Reinforncing BARS

TEMPERATURE PROFILES

Slab – Plate – Wallsone side heated

Sections

SectionPROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 32

SectionPROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 33

Columns

ISOTHERM 500°

STRUCTURAL INTERACTIONS

A. Indirect Stresses (EC)

CURVE NOMINALI

ANALISI DELLE SINGOLE MEMBRATURE• Ripristino di idonee condizioni al contorno.

• Riduzione opportuna delle sollecitazioni ordinarie a freddo (Ed) mediante

un coefficiente riduttivo ηfi,d

• Azioni indirette sull’elemento (quelle derivanti da deformazioni termiche

impedite) solo derivanti da gradienti termici lungo le sezioni strutturali

trascurando le distorsioni termiche assiali o quelle piane.

• L’analisi di singole membrature deve risultare comunque conservativa.

3 rotazioni

3 traslazioni

(K determinato a t = 0)

57PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO

Thermal gradients

ANALISI DI PARTI DI STRUTTURE

(K determinato a t = 0

indipendente dal tempo)

3 rotazioni

3 traslazioni

• Ripristino di idonee condizioni al contorno.

• Riduzione opportuna delle sollecitazioni ordinarie a freddo (Ed) mediante

un coefficiente riduttivo ηfi,d

• All’interno della sottostruttura devono essere tenute in conto tutte le azioni

indirette, il decadimento delle proprietà meccaniche dei materiali, le

effettive rigidezze e il possibile meccanismo di collasso.

• Non sono utilizzabili metodi tabellari. Metodi semplificati sono applicabili

solo per incendi nominali. Nel caso di incendi reali, invece, sono consentiti

solo i metodi avanzati.60PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO

• Questo tipo di analisi strutturale è

il più completo.

• Può essere effettuato sia con regole

prescrittive che con un approccio

prestazionale.

• Sono utilizzabili solo metodi di

calcolo avanzati, che considerano

le proprietà dei materiali e la loro

variazione con la temperatura, le

distorsioni termiche, il verificarsi

di meccanismi di collasso parziali,

la rigidezza delle membrature.

• Senza dubbio per la loro

applicabilità necessitano di grandi

potenze di calcolo e di una

notevole specializzazione del

progettista.

ANALISI DELLA STRUTTURA INTERA

THERMAL EXPANSION

INDIRECT STRESSES

BOWING EFFECT

CATENARY/MEMBR. ACTION

possible overloading of elements

higher displacements induced

THERMAL EFFECTS

LARGE DISPLACEMETS

COLLAPSE MODE

LOW RESTRAIN

HIGH RESTRAIN

possible loss of supports

generally beneficial for members

sway collapse

early buckling

Structural analysis issues

relative thermal elongation (DL/L0 ) = a ∙ DT [ad.]

etherm = a(T) ∙ DT [ad.]

A. Thermal expansion

relative thermal elongation

DLtherm/L = a(T) ∙ DT [ad.]

thermal expansion coefficient [K-1]

Total deformation: etot = etherm(T) + emech(s,T)

not hindered hindered

elongation+

induced deformation

partially hindered

elongation and compression+

induced deformation and stresses

eigenstresses

seigen(T, ET) DLtherm(T)

Dseigen = kET E20 DLfree /L

compression+

induced stresses

RESTRAINT GRADE

Esempio elementare

Initial deformed shape

Initial deformed shape: Scenario 1

Initial deformed shape

A. Thermal buckling

Example

Hinged column, h=1000 mm; square sections: 150x150 – 120x120 – 90x90 – 60x60 – 50x50 – 40x40 – 32x32 – 28x28 – 16x16 mm

A. Thermal buckling

16x16 – λ~1000/8=125

28x28 – λ~1000/14=71

A. Thermal buckling

32x32 – λ~1000/16=62

A. Thermal buckling

40x40 – λ~1000/20=50

A. Thermal buckling

50x50 – λ~1000/25=40

A. Thermal buckling

60x60 – λ~1000/30=33

A. Thermal buckling

90x90 – λ~1000/45=22

A. Thermal buckling

90x90 – λ~1000/45=22

A. Thermal buckling

120x120 – λ~1000/60=17

A. Thermal buckling

120x120 – λ~1000/60=17

A. Thermal buckling

150x150 – λ~1000/75=13

A. Thermal buckling

150x150 – λ~1000/75=13

A. Thermal buckling

T=250°

T=500°

T=750°

T=1000°

0,0E+004,0E+058,0E+05

1,2E+061,6E+062,0E+062,4E+062,8E+06

3,2E+063,6E+064,0E+06

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

T (°C)

Carico critico Elastico Carico di Snervamento Reazione vincolare p.to A

0,0E+004,0E+068,0E+061,2E+071,6E+072,0E+072,4E+072,8E+073,2E+073,6E+074,0E+07

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000T (°C)

Carico critico Elastico Carico di Snervamento

Reazione vincolare p.to A Carico critico Elasto-Plastico

Formula di

Shanley

I)T(EP

A*)T(P yy s

Thermal buckling

0,0E+00

4,0E+05

8,0E+05

1,2E+06

1,6E+06

2,0E+06

2,4E+06

2,8E+06

3,2E+06

3,6E+06

4,0E+06

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

T (°C)

Carico critico Elastico Carico di Snervamento Reazione vincolare p.to A

0,0E+00

5,0E+07

1,0E+08

1,5E+08

2,0E+08

2,5E+08

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

T (°C)

0,0E+00

5,0E+07

1,0E+08

1,5E+08

2,0E+08

2,5E+08

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

T (°C)

Carico critico Elastico fuori grafico Carico di Snervamento

0,0E+00

4,0E+06

8,0E+06

1,2E+07

1,6E+07

2,0E+07

2,4E+07

2,8E+07

3,2E+07

3,6E+07

4,0E+07

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

T (°C)

Punto Sezione T ( °C ) Modalità di collasso

A 0,1x0,1 77 Instabilità di Eulero

B 0,2x0,2 89,5 Instabilità di Shanley

C 0,6x0,6 331 Instabilità di Shanley

D 0,8x0,8 1000 Non collasso

ASezione 0,1x0,1 Sezione 0,2x0,2

Sezione 0,6x0,6 Sezione 0,8x0,8

Thermal buckling

THERMAL EXPANSION

INDIRECT STRESSES

BOWING EFFECT

THERMAL EFFECTS

LARGE DISPLACEMETS

COLLAPSE MODE

LOW RESTRAIN

HIGH RESTRAIN

sway collapse

early buckling

WHEN DISPLACEMENT ARE LARGE

THESE BEAMS BEHAVE DIFFERENTLY

UNDER VERTICAL LOADS

horizontally restrained

simply supported

1. A vertically loaded simply supported beam is exposed to fire. The sliding support:

a. will stay stillb. will move to the right (toward the outside)c. will move to the left (toward the other support)

2. What would happen if the beam were horizontally restrained instead?

B. Large displacements

1. A vertically loaded simply supported beam is exposed to fire. The sliding support:

a. will stay stillb. will move to the right (toward the outside)c. will move to the left (toward the other support)

2. What would happen if the beam were horizontally restrained instead?

horizontally restrained

simply supported

first expansionthen contraction

first compressionthen tension

simply supported beam horizontally restrained beam

tension catenary actionLD prevails bowing effect2

compression II ord. momentthermal effect prevails expansion1

3B. Collapse mode: vertical propagation

THERMAL EXPANSION

INDIRECT STRESSES

BOWING EFFECT

THERMAL EFFECTS

LARGE DISPLACEMETS

COLLAPSE MODE

LOW RESTRAIN

HIGH RESTRAIN

sway collapse

early buckling

B. Collapse mode: sway / non sway

Denmark 2013 Romania 2010

Alexandru Dondera, MSc thesis, 2013 PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 111

SWAY: prevede lo svio; è

potenzialmente capace di

coinvolgere strutture vicine,

con la possibilità di

provocare dei collassi a

catena, ovvero una crisi

progressiva.

NO SWAY: il meccanismo

che non prevede svio del

traverso; presenta un

confinamento del collasso

Scenario di incendio

Tensile force

Lateral stifness

Configurazioni considerate (1)

Configurazioni considerate (2)

EFFETTO CATENARIA

EFFETTO MEMBRANA

Total deflection of the floor:

L/30+ /30 = (L+ )/30 L/30

B. Collapse mode: early beam buckling

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000A

Temperature (°C)

THERMAL BUCKLING

PLASTIC HINGE

TENSILE COLLAPSE

IPE 270HE 1000 M

g = 0.9H

Riccardo Aiuti, MSc thesis, 2013

THERMAL EXPANSION

INDIRECT STRESSES

BOWING EFFECT

THERMAL EFFECTS

LARGE DISPLACEMETS

COLLAPSE MODE

LOW RESTRAIN

HIGH RESTRAIN

sway collapse

early buckling

STRUCTURAL CONNECTIONS

B-/D- Regions

1.0 1.6 0.6

ANCHORAGE FORCE

SHEAR (SUPPORT REACTION)

RIGHT END REACTION

12/20/2012 148

λ Shear

(slice 1.9685

Anchorage

(slice

1.9685

Right end

(slice

1.9685

Slice 0.3937

(model)

Slice 3.1496

(suggested)

kN Kips kN Kips kN Kips kN Kips kN Kips

SLS 1.0 120 26.98 190 42.71 72 16.19 24 5.40 192 43.16

ULS 1.5 180 40.47 285 64.07 108 24.28 36 8.09 288 64.74

SILS 1.9 230 51.71 365 82.06 139 31.25 45 10.12 365 82.06

1.0 1.6 0.6

ANCHORAGE FORCESHEAR

(SUPPORT REACTION)

RIGHT END REACTION

STRINGERS

STRINGERS PROPERTIES

CONNECTION PROPERTIES

PANELS

PANELS PROPERTIES

SWL elastic behavior

Structural Response

λ=1.9 – 230 kN – 52 Kips

λ=1.5 – 180 kN – 40 Kips

λ=1.0 – 120 kN – 28 Kips

Steel mechanical properties degradation

<=100°C200°C

400°C

600°C

800°C

500°C

20%0.2% 15%

Verification of fire resistance (T)

R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !

Td ≤ Tcr

ISO Fire - Steel Temperature

ABAQUS

PANEL STRESS, t= 0 sec, T= 20 °C, Yield stress 450 N/mm2

ABAQUS

0 200 400 600 800

TEMP [°C]

Abaqus

Structural Response (1)

0 5 10 15

Time [min]

Abaqus

Structural Response (2)

0 20 40 60 80 100 120

ISO 834

Acciaio non protetto

pittura intumescente

schiuma PROMAFOAM d=7mm

GessoTime [min]

Protective Measures

Mechanical Analysis

• The mechanical analysis shall be performed for the same duration as used in the temperature analysis.

• Verification of fire resistance should be in:– in the strength domain: Rfi,d,t ≥ Efi,requ,t

(resistance at time t ≥ load effects at time t);

– in the time domain: tfi,d ≥ tfi,requ

(design value of time fire resistance ≥ time required)

– In the temperature domain: Td ≤ Tcr

(design value of the material temperature ≤ critical material temperature);

Verification of fire resistance (3D)R = structural resistance

T = temperature

t = time

T=T(t)

R=R(t,T)=R(t,T(t))=R(t)

Verification of fire resistance (R-safe)R = structural resistance

T = temperature

t = time

Rfi,d,t

Efi,requ,t

Verification of fire resistance (R-fail)R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !

Verification of fire resistance (t)R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t Rfi,d,t

Failure !

tfi,d ≥ tfi,requ

Verification of fire resistance (T)R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !

Td ≤ Tcr

183PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 183

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