RESISTENZA AL FUOCO DEI COLLEGAMENTI DI STRUTTURE IN ACCIAIO_Crosti_Verona

VERONA, ITALY, 21 NOVEMBRE 2013

RESISTENZA AL FUOCO DEI COLLEGAMENTI

DI STRUTTURE IN ACCIAIO

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

RESISTENZA AL FUOCO DEI COLLEGAMENTI

DI STRUTTURE IN ACCIAIO

Crollo di capannoni a seguito del sisma, Maggio 2012

CASE HISTORY

Crollo di capannoni a seguito del sisma, Maggio 2012

CASE HISTORY

I-35W Bridge, 1 Agosto 2007, Minnesota

CASE HISTORY

[*] National Transportation Safety Board , “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. 2008.

I-35W Bridge, 1 Agosto 2007, Minnesota

CASE HISTORY

WORLD TRADE CENTER 5, September 11 th, 2011

CASE HISTORY

World Trade Center 5 Failure Analysis, Kevin J. LaMalva, Jonathan R. Barnett, Ph.D. and Donald O. Dusenberry, P.E

CASE HISTORY

DEFINIZIONI E ASPETTI NORMATIVI

NTC 2008

Cap. 1 – Oggetto“Circa le indicazioni applicative per l’ottenimento delle prescritte prestazioni, per quantonon espressamente specificato nel presente documento, ci si può riferire a normative dicomprovata validità e a altri documenti tecnici elencati nel Cap. 12. In particolare quellefornite dagli Eurocodici con le relative Appendici nazionali costituiscono indicazioni dicomprovata validità e forniscono il sistematico supporto applicativo delle presentinorme.”Cap. 12 – Riferimenti tecnici“Per quanto non diversamente specificato nella presente norma, si intendono coerenticon i principi alla base della stessa , le indicazioni riportate nei seguenti documenti:- Eurocodici strutturali pubblicati dal CEN, con le precisazioni riportate nelle Appendici

Nazionali o, in mancanza di esse, nella forma internazionale EN;- Norme UNI EN armonizzate i cui riferimenti siano pubblicati su Gazzetta Ufficialedell’Unione Europea;

- Norme per prove, materiali e prodotti pubblicate da UNI.”

NTC 2008

1. Introduction2. Basis of Design3. Connections made with bolts, rivets or pins4. Welded connections5. Analysis, classification and modeling6. Structural joints connecting H or I sections7. Hollow section joints

UNI EN 1993-1-8

CLASSIFICAZIONE DEL NODO SECONDO UNI EN 1993-1-8:2005

•Joint stiffness:•Rigid;•Semi-rigid;•Pinned.

•Joint strength:•Full strength;•Partial strength;•Pinned.

•Joint ductility:•Continuos;•Semi-continuos;•Simple.

UNI EN 1993-1-8:2005

CLASSIFICAZIONE SECONDO LA RESISTENZA

UNI EN 1993-1-8:2005

ripristino diresistenza

a cerniera

M, FULL STRENGTH

0.25*M, FULL STRENGTH

a parzialeripristino

STIFFNESS/RESISTANCE Full-strength Partial-strength Pinned

Rigid Continuos Semi-continuos *

Semi-rigid Semi-continuos Semi-continuos *

Pinned * * Simple

UNI EN 1993-1-8:2005

CLASSIFICAZIONE SECONDO LA DUTTILITA’

L’interpretazione da fornire a questa nuova classificazione dipende anche dal tipo dianalisi che si vuole condurre. Difatti, nel caso di un’analisi elastica globale, le unichecaratteristiche rilevanti per la modellazione sono quelle di rigidezza; viceversa se stiamoeffettuando un’analisi rigido-plastica ci interessano principalmente le resistenze; infine,in tutti gli altri casi, sia la rigidezza che la resistenza governano il modo in cui il nododovrebbe essere modellato. La tabella seguente riassume la casistica presentata:

UNI EN 1993-1-8:2005

CLASSIFICAZIONE SECONDO I TIPI DI ANALISI

Lorenzo Conversano-Valutazione dell’influenza delle connessioni semi-rigide nell’analisi globale delle strutture in acciaio

Sj,ini

Sj,ini = rigidezza rotazionale iniziale

Mj,R = momento flettente resistente

ϕCd = rotazione ultima

Nodo Modello Curva caratteristica momento-rotazione

Per rappresentare il comportamento di un nodo si fa riferimento al diagrammamomento-rotazione da cui è possibile effettuare delle valutazioni riguardanti laresistenza, la rigidezza e la duttilità; in funzione della tipologia di connessione.

Il metodo che fornisce la più accurata conoscenza del comportamento dei nodi consistenell’effettuare test sperimentali ; tuttavia, nella pratica di progettazione questa tecnica èantieconomica, il che la rende adatta per lo più a propositi di ricerca. L’uso dei datisperimentali disponibili in letteratura è principalmente rivolto, più che alla progettazione,alla validazione di modelli che mirano alla previsione del comportamento dei nodi apartire dalle sue proprietà geometriche e meccaniche. I modelli per la previsione delcomportamento dei nodi si dividono in cinque categorie:

•test sperimentali;•modelli empirici;•modelli analitici;•modelli agli elementi finiti;•modelli meccanici.

Detti anche modelli a molla, i modelli meccanici si basano sulla simulazione delnodo/collegamento con un insieme di componenti rigide e flessibili.

MODELLAZIONE DEL NODO

METODO DELLE COMPONENTI

“Goverdhan data bank”, “Steel connection data bank”, “SERICON data bank”

Polimonio di Frye e Morris

4 parametri di Richard e Abbott

METODO DELLE COMPONENTI A TEMPERATURA AMBIENTE

CONNESSIONI IN ACCIAIO SOTTO L’AZIONE DEL FUOCO

APPROCCIO TRADIZIONALE

METODO APPENDICE D, EUROCODICE

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

ElementiBulloniSaldatureResistenza a taglio

Resistenza portanteResistenza a trazione

ESEMPIO NUMERICO

COLLEGAMENTO TRAVE COLONNA

Bulloni M20 8.8

Acciaio trave e colonna: S355Acciaio piatto: S275

Piatto di giunto: 260x150x8

356x171x51 UB356x171x51 UB

305x305x198 UC

ESEMPIO NUMERICO

Beam-to-column joints with bolted end-plate connect ions

VE,d= 127.6 KNME,d (L/2)= 382.66 KNm

Temperatura ambiente

VE,d= 72.3 KNME,d (L/2)= 217 KNm

In caso di incendio

�La resistenza del collegamento deve soddisfare quanto prescritto nel EC3 parte 1-8

ESEMPIO NUMERICO

La resistenza a taglio del giunto e’ basata sulla resistenza a taglio della bullonatura, la resistenza a taglio della flangia di estremita’, la resitenza a rottura per meccanismi ditipo “block shear” e la capacita’ portante della flangia di estremita’.

Resistenza a taglio bullonatura 700 KN

Resistenza a taglio della flangia d'estremita' 270 KN

Resistenza a rottura per "block shear" 320 KN

Capacita’ portante 294 KN

VE,d / 2 < Rmin a taglio 63.8 KN < 270 KN

ESEMPIO NUMERICO

μg = Grado di utilizzo giunto = (VEd /2) / Valore che governa la rottura del giunto = 0.24

μt = = Grado di utilizzo trave = MEd / Mc, Rd = 0.74

�Il grado di utilizzo del giunto deve essere minore uguale al massimo grado di utilizzodei due elementi connessi (trave, colonna)

ESEMPIO NUMERICO

356x171x51 UB356x171x51 UB

305x305x198 UC

VE,dVE,d / 2 VE,d / 2

Temperatura ambiente

•Determinazione dello spessore di protezione antincendio

E’ sufficiente assicurare una protezione anticendio almeno equivalente a quella sceltadalla trave

μt > μg

ESEMPIO NUMERICO

• Classe di Resistenza richiesta di 60 min• Protezione passiva al fuoco realizzata con una lastra in gesso applicata su tre lati

Ap/V [1/m] 136ca [J/kgK] 600cp [J/kgK] 1700

dp [m] 0.02λp [W/mK] 0.2ρa [kg/m 3] 7850ρp [kg/m 3] 800

ɸ 0.7854

ESEMPIO NUMERICO

0100200300400500600700800900

0 10 20 30 40 50 60

t (min)

Temperatura del gasTemperatura dell'acciaio protetto

ESEMPIO NUMERICO

0 100 200 300 400 500

T (oC)

ESEMPIO NUMERICO

TA = 392 oC

TB = 367 oC TC = 354 oC

TD = 334 oC

TE = 314 oC

TF = 294 oC

TG = 281 oC

Temperature

Le temperature in ogniposizione sono utilizzateper determinare i fattoridi riduzione dei singolielementi componenti ilgiunto

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Bulloni

Saldature

TA = 392 oC

TB = 367 oC TC = 354 oC

TD = 334 oC

TE = 314 oC

TF = 294 oC TG = 281 oC

Fattore di riduzione

kA = 1

kC = 0.83

kD = 0.86

kE = 0.89

kF = 0.94

Temperature

ESEMPIO NUMERICO

Temperatura Ambiente Alte Temp.

Resistenza a taglio bullonatura 700 KN 612 KN

Resistenza a taglio della flangia d'estremita' 270 KN 270 KN

Resistenza a rottura per "block shear" 320 KN 320 KN

Capacita’ portante 258 KN 258 KN

La resistenza a taglio del giunto:

μg = Grado di utilizzo del giunto = (Ved,ϑ /2) / Valore che governa la rottura del giunto = 0.14

Ved,ϑ = 72.3 KN

La riduzione del carico applicato nel caso di stato limite d’in cendio e’ maggiore dellariduzione delle proprieta’ del materiale dei componenti del collegamento. Tuttavia neicollegamenti che trasferiscono momento e’ piu’ probabile che l’utilizzo del collegamento possaessere maggiore di quello della trave e che per collegamenti non protetti la riduzione dellaresistenza dei componenti del giunto sia maggiore

ESEMPIO NUMERICO

HE 220A

IPE 300

GIUNTO SALDATO

Momento plastico della trave, IPE 300

My,T = Wy * σy = 153.2 kNm

Mu,T = Wpl * σy = 172.1 kNm

Momento plastico della colonna, HEA 220

My,T = Wy * σy = 141.7 kNm

Mu,T = Wpl * σy = 156.3 kNm

Acciaio: S275

ESEMPIO NUMERICO

CALCOLO DELLE RESISTENZE DELLE VARIE COMPONENTI

ESEMPIO NUMERICO

CALCOLO DEL MOMENTO RESISTENTE DEL GIUNTO

M RD = min { Fc,RD; Ft,RD; Vpl,RD } * z = Nc,RD * z = 184 * 0.29 = 53.36 kNm

La resistenza del giunto e’ governata dalla instabilita’ della colonna .

z = 0.29 m

321184 298

ESEMPIO NUMERICO

MF-S (beam) = 153 kN*m

MF-S (column) = 142 kN*m

M RD (JOINT) = 53.36 kNm < MF-S (column) = 142 kN*m < MF-S (beam) = 153 kN*m

ESEMPIO NUMERICO

Si realizza un guinto a completo ripristino:

•Inserimento di irrigidimenti per rinforzare la colonna:

•Irrigidimenti orizzontali + Irrigidimento obliquo:

M RD, giunto = Vpl,RD * z = 525* 0.29 = 152 kNm

MF-S (column) = 142 kN*m

MF-S (beam) = 153 kN*m

SOLUZIONE

INFLUENZA DELLE CONNESSIONI SUL COMPORTAMENTO GLOBALE

DELLE STRUTTURE SOTTO FUOCO

Trave incernierata all’estremita’

Trazione � Effetto catenaria

compression e� II ord. moment

Heating phase Cooling phase

Trazione

Compressione

flashover

compressione� II ord. moment

Trazione

Compressione

flashover

compressione� II ord. moment

Trazione

Compressione

flashover

QUALE E’ IL COMPORTAMENTO DELLE CONNESSIONI IN ACCI AIO SOTTO L’AZIONE DEL FUOCO?

Tension

Compression

Local buckling

Tension

Compression

Sheared bolts

Tension

Compression

ave Stiff restraint to

horizontal movement

Ductile restraint tohorizontal movement

Dai risultati di tali test e’possibile confermare che larisposta della struttura e’essenzialmente dominata:

•dall’espansione termica;•dal degrado del materiale;•vincoli;

piuttosto che dai carichigravitazionali.

Trave semplicemente appoggiata Trave incernierata all’estremita’

Trazione � Effetto catenariabowing effect2

Espansione termica impeditaEspansione termica libera1

Trave semplicemente appoggiata Trave incernierata all’estremita’

Trazione � Effetto catenariabowing effect2

Espansione termica libera1

Espansione termica impedita

356x171x51 UB

CASO A: Cerniera – Carrello

CASO B: Cerniera - Cerniera

0,000 400 800 1200 1600

Dy (m)

t (sec)

CASO A

CASO B

Compressione

Trazione

METODO DELLE COMPONENTI A TEMPERATURA ELEVATE

FORZA DI COMPRESSIONE

METODO DELLE COMPONENTI A TEMPERATURA ELEVATE

FORZA DI TRAZIONE

UNI EN 1993-1-8:2005

Sotto incendio

a Temperatura ambiente

� Le connessioni sono in generale progettate per resistere a forze a temperaturaambiente che sono facilmente calcolabili. Tuttavia e’ stato visto che in condizioni diincendio la risposta strutturale degli elementi strutturali ad esse connesse generauna complessa variazione di forze per le quali le connessioni non sono statecertamente progettate .

� Le strutture dovrebbero essere progettata al fuoco cosi’ come si fa per vento e/osisma.

� La presenza di forza assiale , sia essa di compressione o di trazione , puo’ inficiareil comportamento strutturale del nodo in questione.

CONSIDERAZIONI

CONCLUSIONI - RIEPILOGO

RIEPILOGO

ASPETTI NORMATIVI: CONNESSIONI IN ACCIAIONTC2008

EC PART 1-8

ASPETTI NORMATIVI: CONNESSIONI IN ACCIAIO SOTTO FUO COAPPROCCIO TRADIZIONALE

METODO APPENDICE D EC3 PART 1-2

ESEMPI NUMERICI:GIUNTO BULLONATA

GIUNTO SALDATO

INFLUENZA DELLE CONNESSIONI SUL COMPORTAMENTO GLOBA LE DELLE STRUTTURE

TRAVI INCERNIERATETRAVI LIBERE DI MUOVERSI LATERALMENTE

METODO DELLE COMPONENTI (AZIONE INCENDIO)

RINGRAZIAMENTI

Si ringrazia:

•Il gruppo di ricerca www.francobontempi.org ,

•La Fondazione Promozione Acciaio,

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

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

CONCLUSIONI

REFERENCES

• “British Constructional Steelwork Association/Steel Construction Institute (2002) Joint in SteelConstruction: Simple connections”. Steel Construction Institute, Ascot, Publication P212.

• “Guida agli Eurocodici 1,2,3 e 4”. Lennon T., Moore D.B., Wang Y.C., Baley C.G., EPC Editore.

• “Structural Design for Fire Safety”. Buchanan A. H., John Wiley & Sons, 2001.

• “Resistenza al fuoco delle costruzioni”. Ponticelli L., Caciolai M., De Angelis C., UTET 2008.

• “L’ingegneria della sicurezza anticendio e il processo prestazionale”. Marsella S., Nasi L., EPCLibri, 2006.

• The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. Third Edition, NFPA, 2002.

• “Tecnica delle Costruzioni. Basi della progettazione – Elementi intelaiati in acciaio,” Bontempi F.,Arangio S., Sgambi L.,Carocci Editore, 2008.

CONCLUSION

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