ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO MODELLAZIONE CON CODICI DI CALCOLO E APPLICAZIONI
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ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO MODELLAZIONE CON CODICI DI
CALCOLO E APPLICAZIONI
Corso di
LA RESISTENZA AL FUOCO DELLE STRUTTURE:CRITERI DI CALCOLO E CASI APPLICATIVI
Ing. Chiara [email protected]
StartAnalisi
QualitativaAnalisi
Quantitativa
Verifiche
Presentazionedei risultati
end
SI NO
Verifiche dei risultati:
Tempo TemperaturaResistenza
• Modellazione dell’azione di incendio;• Modellazione del trasferimento di calore;• Modellazione strutturale.
• Definizione degli obiettivi;• Individuazione dei livelli di prestazione;• Scelta degli scenari di incendio;
L’AZIONE INCENDIO E LA SUA MODELLAZIONE
D.M. 9/05/2007: Direttive per l’attuazione dell’ ap proccio ingegneristico alla sicurezza antincendio
RFire > SFire
Norme Tecniche per le Costruzioni 14/01/2008
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Individuazione dell’incendio di progetto
Analisi dell’evoluzione della Temperatura negli elementi
Analisi del comportamento meccanico della struttura
Verifica di resistenza al fuoco
1°
2°
3°
4°
Analisi di resistenza al fuoco
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
ELEMENTI ISOLATI
STRUTTURE INTELAIATE SEMPLICI
STRUTTURE COMPLESSE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
ELEMENTI ISOLATI
STRUTTURE INTELAIATE SEMPLICI
STRUTTURE COMPLESSE
1° ESEMPIO APPLICATIVO: TRAVE SEMPLICEMENTE APPOGGIATA
Sezione: 0.3x0.3 mMateriale: S235
MOD. E σy α NLG
1 Cost. Cost. Cost. no
2 E(T) Cost. Cost. no
3 E(T) σy (T) α(T) no
4 E(T) σy (T) α(T) SI
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
ANALISI NON LINEARI NON STAZIONARIE
Non linearità di materiale Non linearità di geometria
Equilibrio scritto nella configurazione deformata
QUADRO NORMATIVO NAZIONALE
PROCEDIMENTO ITERATIVO DEI CODICI DI CALCOLO
t
T
t t1
t1 = t + Δt
−
−−−
−
−
−
−
=
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
TT
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
e
L
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L
IE
L
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L
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L
IE
L
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L
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L
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AE
L
AEL
IE
L
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L
IE
L
IEL
IE
L
IE
L
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L
IEL
AE
L
AE
K
460
260
6120
6120
0000
260
460
6120
6120
0000
22
230
23
22
2323
−
−−−−
−
−−
=
1
12
1
1
1
12
1
0
21
13
1
12
1
13
1
1
1
1
1
1
1
12
1
1
1
12
1
1
21
13
1
12
1
13
1
1
1
1
1
1
460
260
6120
6120
0000
260
460
6120
6120
0000
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
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L
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L
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IE
L
IE
L
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L
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AE
L
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IE
L
IE
L
IE
L
IEL
IE
L
IE
L
IE
L
IEL
AE
L
AE
K
T
T1
QUADRO NORMATIVO NAZIONALE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Individuazione dell’incendio di progetto1°
Analisi dell’evoluzione della Temperatura negli elementi2°
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Analisi del comportamento meccanico della struttura 3°
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Analisi del comportamento meccanico della struttura 3°
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
-1,4
-1,2
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
00 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Dy
(m)
t (sec)
Modellazione 1Modellazione 2Modellazione 3Modellazione 4
nlm+nlg
nlm
Variazione E=f(T)
MOD. E σy α NLG
1 Cost. Cost. Cost. no
2 E(T) Cost. Cost. no
3 E(T) σy (T) α(T) no
4 E(T) σy (T) α(T) SI
I*E*48
L*P)6nodo(D
3
y =
1 2 3 4 5 7 8 9 10 11Elem.1 Elem.2 Elem.3 Elem.4 Elem.5 Elem.6 Elem.7 Elem.8 Elem.9 Elem.10
F Y
X6
Considerazioni sugli spostamenti verticali nodo n°6
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
-1,4
-1,2
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000t (sec)
Dx
(m)
Modellazione 1
Modellazione 2
Modellazione 3
Modellazione 4
Variazione E=f(T)nlm
nlm+nlgnlm+nlg
nlm Variazione E=f(T)
MOD. E σy α NLG
1 Cost. Cost. Cost. no
2 E(T) Cost. Cost. no
3 E(T) σy (T) α(T) no
4 E(T) σy (T) α(T) SI
1 2 3 4 5 7 8 9 10 11Elem.1 Elem.2 Elem.3 Elem.4 Elem.5 Elem.6 Elem.7 Elem.8 Elem.9 Elem.10
F Y
X6
Considerazioni sugli spostamenti orizzontale nodo n°11
ΔT*L*α(nodo11)Dx =
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Initial configuration
Time 0.00
Time 2600.00
Time 4730.00
NLM configuration
NLM +NLG configuration
Bowing effect
NON LINEARITA’ DI MATERIALE E DI GEOMETRIA
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
RFire > SFire
Verifica di resistenza al fuoco4°
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
VERIFICA DI RESISTENZA AL FUOCO
Risultati numerici delle analisi tf = 90 minCollassi convenzionali Dy = L/30
tf = 10 min
Dy = L/20
-2.7
-2.4
-2.1
-1.8
-1.5
-1.2
-0.9
-0.6
-0.3
0
0 1000 2000 3000 4000 5000
t(sec)
Dy
(m)
NLM+NLG
NLM
E(T)
ELASTICO
Dy = L/30
tf= 10 mintf= 10 mintf= 70 mintf= 90 min
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
TRAVE SEMPLICEMENTE APPOGGIATA
Sezione: UB 356x171x51Materiale: S355Incendio: ISO834 x
y
4 m
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
-4,00
-3,50
-3,00
-2,50
-2,00
-1,50
-1,00
-0,50
0,000 250 500 750 1000 1250 1500
Spo
stam
enti
vert
ical
iN
odo
in m
eezz
eria
(m)
t (sec)
NLM
xy
4 m
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
-4,00
-3,50
-3,00
-2,50
-2,00
-1,50
-1,00
-0,50
0,000 250 500 750 1000 1250 1500
Spo
stam
ento
vert
ical
iN
odo
in m
eezz
eria
(m)
t (sec)
NLM + NLG
NLM
Trave semplicemente appoggiata
ATTENZIONE NELLA LETTURA DEI RISULTATI!!
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
-4,00
-3,50
-3,00
-2,50
-2,00
-1,50
-1,00
-0,50
0,000 250 500 750 1000 1250 1500
Spo
stam
enti
vert
ical
iN
odo
in m
eezz
eria
(m)
t (sec)
NLM + NLG
NLM
xy
4 m
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
-2,40
-1,90
-1,40
-0,90
-0,40
0,10
0 250 500 750 1000 1250 1500
Spo
stam
ento
oriz
zont
ale
(m)
t (sec)
NLM + NLGNLM
xy
4 m
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
-4,00
-3,50
-3,00
-2,50
-2,00
-1,50
-1,00
-0,50
0,000 250 500 750 1000 1250 1500
Spo
stam
enti
vert
ical
iN
odo
in m
eezz
eria
(m)
t (sec)
NLM + NLG
Collasso convenzionali
Dy = L/30
Da analisi numeriche
Trave semplicemente appoggiata
Tcr= 795°CTcr= 560°C
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Analisi del comportamento meccanico della struttura 3°
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
L = 3 m
B = H Pimperfection
2° ESEMPIO APPLICATIVO: TRAVE INCERNIERATA
PE = π2 E(T) I / L2
PS = π2 Et(T) I / L2
Elastic buckling
Py = σy(T) A
Elastic-plastic bucklingMaterial crisis
Failure mode Critical load
0.1
0.1
0.2
0.2
PS (Shanley)PE (Euler) Py (yield)
EL. BUCKL.PL. BUCKL.
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
)(TPR yyx σσ ≥⇒≥
E
Etσy
σ
ε
The Elastic Buckling Load defined by Euler Formula:
Becomes Elastic-Plastic Buckling Load, defined by Shanley Formula:
2
2 )(
L
ITEP t
S
π=
2
2 )(
L
ITEPE
π=
Diagram Stress-Deformation
THERMAL BUCKLING
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
L = 3 m
B = H Pimperfection
2° ESEMPIO APPLICATIVO: TRAVE INCERNIERATA
PE = π2 E(T) I / L2
PS = π2 Et(T) I / L2
Elastic buckling
Py = σy(T) A
Elastic-plastic bucklingMaterial crisis
Failure mode Critical load
0.6
0.6
0.8
0.8
PS (Shanley)PE (Euler) Py (yield)
MAT. CRISIS
MAT. DEGR.
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Trave incernierata all’estremita’
q
DT
Trazione � Effetto catenaria
compression e� II ord. moment
tempo
Tem
pera
tura
Heating phase Cooling phase
Trazione
Compressione
tempo
For
zaas
sial
etr
ave
flashover
ISO 834
t
T
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Trave incernierata all’estremita’
q
DT
Trazione � Effetto catenaria
compressione� II ord. moment
tempo
Tem
pera
tura
Heating phase Cooling phase
Trazione
Compressione
tempo
For
zaas
sial
etr
ave
flashover
THERMAL BUCKLING
PROBLEMI NELLE CONNESSIONI
ISO 834
t
T
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Trave incernierata all’estremita’
q
DT
Trazione � Effetto catenaria
compressione� II ord. moment
tempo
Tem
pera
tura
Heating phase Cooling phase
Trazione
Compressione
tempo
For
zaas
sial
etr
ave
flashover
THERMAL BUCKLING
PROBLEMI NELLE CONNESSIONI
ISO 834
t
T
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Trave semplicemente appoggiata Trave incernierata all’estremita’
q q
DT DT
Trazione � Effetto catenariabowing effect2
Espansione termica impeditaEspansione termica libera1
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Trave semplicemente appoggiata
q q
DT DT
Trazione � Effetto catenariabowing effect2
Espansione termica libera1 Espansione termica impedita
Trave incernierata all’estremita’
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
356x171x51 UB
4 m
CASO A: Cerniera – Carrello
CASO B: Cerniera - Cerniera
-1,80
-1,60
-1,40
-1,20
-1,00
-0,80
-0,60
-0,40
-0,20
0,000 400 800 1200 1600
Dy (m)
t (sec)
CASO A
CASO B
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
ELEMENTI ISOLATI
STRUTTURE INTELAIATE SEMPLICI
STRUTTURE COMPLESSE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
• Traverso: IPE 300
• Colonne: HEA 200
• Altezza: 6 m
• Lunghezza traverso: 10 m
• Curva d’incendio: ISO 834
(traverso)
• Vincoli base: Incastro
• Carico distribuito traverso
A. Montalban. Tesi di Laurea A.A. 2013/2014
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
-0,05
-0,04
-0,03
-0,02
-0,01
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0 100 200 300 400 500
Spo
stam
ento
oriz
zont
ale
[m]
Time [s]
U1_corner_P=15kN/m
PORTALE_NLM
PORATLE_NLM+NLG
Portale_NLM;t=426 s; T= 628 °C
Portale_NLM+NLG;t=380,4 s; T=611,2 °C
A. Montalban. Tesi di Laurea A.A. 2013/2014
t=426 s; T= 628 °C
t=380,4 s; T=611,2 °C
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
-0,05
-0,04
-0,03
-0,02
-0,01
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0 100 200 300 400 500
Spo
stam
ento
oriz
zont
ale
[m]
Time [s]
PORTALE_NLM
PORATLE_NLM+NLG
A. Montalban. Tesi di Laurea A.A. 2013/2014
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
• Traverso: IPE 300• Colonne: HEA 200• Altezza: 6 m• Lunghezza traverso: 10 m• Curva D’incendio: ISO 834 (traverso)• Vincoli base: Incastro• Carico distribuito traverso 15 kN/m
0
200
400
600
800
1000
1200
0 20 40 60 80 100 120 140
T[°C
]
t [min]
CURVE D'INCENDIO
ISO 834Riscaldamento Acciaio
Curva d’incendio nominale standard ISO 834 :
Curva di riscaldamento sezioni di acciaio non protette:
(Eurocodice EN 1993-1-2)
A. Montalban. Tesi di Laurea A.A. 2013/2014
t cr
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
-1
-0,9
-0,8
-0,7
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
00 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Spo
stam
ento
ver
tical
e [m
]
Time (sec)
T_acciaioIso_834
t=380,4 s; T=611 °C t=874,2 s; T=611 °C
A. Montalban. Tesi di Laurea A.A. 2013/2014
14, 4 min6,5 min
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
-0,05
-0,04
-0,03
-0,02
-0,01
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0 200 400 600 800 1000
Spo
sam
enti
oriz
zont
ali [
m]
Time (sec)
T_acciaio
iso_834
Iso 834; t= 380.4 s; u1=-0.036 m
T_acc; t= 380.4 s; u1= 0.02 m
A. Montalban. Tesi di Laurea A.A. 2013/2014
Analisi dell’evoluzione della Temperatura negli elementi2°
Analisi di resistenza al fuoco
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Dy = L/30 =15/30= 0.50 mCollasso convenzionale:
4° SCENARIO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
1° SCENARIO
3° SCENARIO 4° SCENARIO
2° SCENARIO
t CR= 670 sec TCR= 675 °C
t CR= 1110 sec TCR= 750 °C
t CR= 950 sec TCR= 725 °C
t CR= 4445 sec TCR= 975 °C
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
ELEMENTI ISOLATI
STRUTTURE INTELAIATE SEMPLICI
STRUTTURE COMPLESSE
Hangar per aeroporto
Ponte in acciaio a struttura reticolare
Edificio alto
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
[email protected] - [email protected]
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
• Determinare la resistenza al fuoco;• Valutare eventuali interventi di retrofitting;
HANGAR PER AEROPORTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
CC
Vista B-B
32.82 m 32.82 m
Vista A-A
Sezione C-C
7.00 m
12.82 m9.02 m
16.425 mVista A-A
Vista B-B
HANGAR PER AEROPORTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Start
Analisi Qualitativa
Analisi Quantitativa
Verifiche
Presentazionedei risultati
end
SI NO
Analisi Qualitativa
Safety Objective: Evitare il crollo della struttura;Performance Level: Evitare il collasso strutturale ;Fire Scenarios: Incendio localizzato in 3 zone.
APPROCCIO INGEGNERISTICO
HANGAR PER AEROPORTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Scenario B
Scenario C
Scenario A
APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Scelta degli scenari
HANGAR PER AEROPORTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Analisi Quantitativa
Fire Action Modeling: Nominal curve, ISO834;Heat Transfer Modeling: senza trasferimento del calore,la temperatura e’ applicata solo agli elementi investitidall’incendio localizzato;Structural Modeling: Analisi non lineari in materiale egeometria (ADINA).
Analisi Qualitativa
Safety Objective: Evitare il crollo della struttura;Performance Level: Evitare il collasso strutturale ;Fire Scenarios: Incendio localizzato in 3 zone.
APPROCCIO INGEGNERISTICO Start
Analisi Qualitativa
Analisi Quantitativa
Verifiche
Presentazionedei risultati
end
SI NO
HANGAR PER AEROPORTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Used Material :
• Steel S235;
• Concrete Rck 35;
Finite Element: Nonlinear Isobeam
N° node : 1205
N° elements : 4422
N° sections: 27
Element mesh density : 2
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
Thermo-Plastic Material
5 ore di utilizzo di un normale computer
APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa
HANGAR PER AEROPORTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
7,00 m
6,54 m
Scenario A:
HANGAR PER AEROPORTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Trend of displacement X with time
Trend of displacement X with Temperature
t=240 secT=505°C
t=870secT=702°C
t=5936 secT=1000°C
HANGAR PER AEROPORTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
7,00 m
6,54 m
Scenario B:
HANGAR PER AEROPORTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
7,00 m
6,54 m
Scenario C:
HANGAR PER AEROPORTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Andamento dello spostamento Y in funzione della Temperatura
t=340 sec
T=575°C
t=1600 sec
T=804°C
t=5936 sec
T=1000°C
HANGAR PER AEROPORTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Il collasso di un singolo elemento della strutturareticolare e’ di certo un aspetto importante per lavalutazione della sicurezza della struttura ma chenon compromette il comportamento dellastruttura nella sua globalita’ .
Scenario B
Scenario C
HANGAR PER AEROPORTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Analisi Quantitativa
Fire Action Modeling: curva naturale (FDS);Heat Transfer Modeling: SIStructural Modeling: Analisi non lineari in materiale egeometria(ADINA).
Analisi Qualitativa
Safety Objective: Evitare il crollo della struttura;Performance Level: Evitare il collasso strutturale ;Fire Scenarios: Incendio localizzato in 3 zone.
APPROCCIO INGEGNERISTICO Start
Analisi Qualitativa
Analisi Quantitativa
Verifiche
Presentazionedei risultati
end
SI NO
HANGAR PER AEROPORTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
FINITE ELEMENT MODELING
FINITE VOLUME MODELING
FIRE SIMULATION
STRUCTURAL PERFORMANCE
MODELLAZIONE DELL’AZIONE
HANGAR PER AEROPORTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
REAL OBJECT
MODEL
APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa
HANGAR PER AEROPORTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
1
2
2
3 3
4
1
2
2
3 3
4
Discretizzazione per il modello strutturale Discretizzazione per la modellazione dell’azione
HANGAR PER AEROPORTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
B4 ambiente chiusoB4 ambiente aperto
B3
ISO834
Hydrocarbon
•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;
APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa
HANGAR PER AEROPORTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Modelling with ISO834Far external columnsNear external columnsCentral columns
Scenario B4, ambiente chiuso
Scenario BAPPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa
HANGAR PER AEROPORTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa
HANGAR PER AEROPORTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Scenario 2, apertura delle portedopo 5 min (300 sec)
Anche se analisi dimodellazione avanzatacomportano un notevole
incremento di onerecomputazionale , solo
attraverso queste e’ possibile ottenere risultati
numerici che riproduconocosa accade realmente . Sono pertanto necessarie
per determinare la sicurezza della strutturain questione soggetta ad
incendio e di tutto cio’ chela circonda
HANGAR PER AEROPORTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Hangar per aeroporto
Ponte in acciaio a struttura reticolare
Edificio alto
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
CASE STUDY: 40 floors, 160 m heigth, 35 m x 35 m fl oor, office building
RENDERING STRUCTURAL SYSTEM FEM MODEL
Gentili, Petrini, Bontempi, “Optimization of the tall building structural system for reliability against progressive collapse”, CTA 2013
EDIFICIO ALTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Outrigger
Bracing System
Frame BFrame A
Frame B
Frame A
EDIFICIO ALTO
Gentili, Petrini, Bontempi, “Optimization of the tall building structural system for reliability against progressive collapse”, CTA 2013
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Frame A- Exposure to 180 minutes of ISO Curve
- 30 cases of fire changing initial fire location and number of
involved columns
Frame B
FIRE LOCATION 6th floor
0
200
400
600
800
1000
0 10 20 30 40 50 60
ISO 834θ ipe 270θ ipe 300θ hem 260θ hea 240θ hem280
EDIFICIO ALTO
Gentili, Petrini, Bontempi, “Optimization of the tall building structural system for reliability against progressive collapse”, CTA 2013
Assumptions
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Frame A Assumptions Frame B
EDIFICIO ALTO
Gentili, Petrini, Bontempi, “Optimization of the tall building structural system for reliability against progressive collapse”, CTA 2013
- Exposure to 180 minutes of ISO Curve
- 30 cases of fire changing initial fire location and number of
involved columns
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
EDIFICIO ALTO: Frame A - Worst case scenarios
1 Heated Column
2 Heated Columns
3 Heated Columns
4 Heated Columns
5 Heated Columns
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
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
EDIFICIO ALTO: Frame A
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Frame BFrame A
SWAY COLLAPSE NO-SWAY COLLAPSE
Frame A
Frame B
EDIFICIO ALTO
TEMPI DI RESISTENZA MEDIA PER TUTTE LE COMBINAZIONI CONSIDERATE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Configurations: position of the outrigger
CONFIGURATIONSG A B C
STEEL MASS [TON]
877 857 877 877
EDIFICIO ALTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Configurations: vertical brace system
CONFIGURATIONSG D E F
STEEL MASS [TON]
877 817 994 939
EDIFICIO ALTO
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE
Initial
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
D A C B G F E
tem
po d
i res
iste
nza
al fu
oco
(min
)
EDIFICIO ALTO
877 ton877 ton877 ton 939 ton 994 ton817 ton857 ton
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE
Initial
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
D A C B G F E
tem
po d
i res
iste
nza
al fu
oco
(min
)
EDIFICIO ALTO
877 ton877 ton877 ton 939 ton 994 ton817 ton857 ton
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE
Initial
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
D A C B G F E
tem
po d
i res
iste
nza
al fu
oco
(min
)
EDIFICIO ALTO
877 ton877 ton877 ton 939 ton 994 ton817 ton857 ton
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE
Initial
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
D A C B G F E
tem
po d
i res
iste
nza
al fu
oco
(min
)
EDIFICIO ALTO
877 ton877 ton877 ton 939 ton 994 ton817 ton857 ton
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Hangar per aeroporto
Ponte in acciaio a struttura reticolare
Edificio alto
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
ANALISI DEL COMPORTAMENTO MECCANICO DELLE STRUTTURE
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
CASE HISTORY
•on 1st February 2013 where an expressway bridge partially collapsed due to a truck explosion inMianchi County, Sanmenxia, central China's Henan Province ;
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
CASE HISTORY
•on 14 December 2011, where a truck transporting 33800 l of gasoline caught fire on theeastbound 60 Freeway under the Paramount Boulevard Bridge , in Montebello, Los Angeles, CA,USA. The intense fire, which lasted several hours, severely damaged the reinforced concretestructure of the overpass;
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
CASE HISTORY
•on 29 April 2007, where a truck transporting 32600 l of gasoline had an accident and burst intoflames the MacArthur Maze in California. The fire, which is believed to have reached very hightemperatures, heated the overpass above the incident, which served as connector between the I-80and the I-580.
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
A highway bridge is expected to experience numerous extreme events during its lifetime.Therefore multiple hazards (e.g. earthquake, wind gust, flood, vessel collision, trafficoverload and accidents, and terrorist attacks etc.) must be properly considered inhighway bridge design in addition to the normal functionality requirement. The severity ofthese hazards can significantly increase the costs of construction and maintenance,especially if they are considered for rehabilitation of existing bridges.
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
MULTI-HAZARD ANALYSES
EXPLOSION
Time
STRUCTURAL FAILURE
FIRE
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
CASO IN ESAME: I-35W Bridge in Minneapolis, 1 Agost o 2007
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
“The term “fracture critical ” indicates that if one main component of a bridge fails , the entirestructure could collapse. Therefore, a fracture critical bridge is a steel structure that is designedwith little or no load path redundancy . Load path redundancy is a characteristic of the design thatallows the bridge to redistribute load to other structural members on the bridge if any one memberloses capacity. “
FRACTURE CRITICAL SYSTEMS
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
“The deck truss comprised in two parallel Warren trusses (eastand west) with verticals . Steel gusset plates were used on all the112 connections of the two main trusses. All nodes had two gussetplates on either side of the connection. The east and west maintrusses were spaced 22 m apart and were connected by 27transverse welded floor trusses spaced 11.6 m on centers and bytwo floor beams at the north and south ends.”
CASO IN ESAME: I-35W Bridge in Minneapolis, 1 Agost o 2007
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
E = 199 GPa
Fy = 345 MPa
Fu = 610 MPa•Large displacement formulation,
• 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 2008-916213, Washington D.C. 20594)
Nodes: 1172Beam elements: 1849
FINITE ELEMENT MODEL
325 m
139 m
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
1st HAZARD: EXPLOSION
It is assumed that a certain level ofdamage caused by an explosion(damage level= 1) can instantlyremove an element.
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
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
DAMAGE LOCALIZATION (DAMAGE LEVEL= 1)
1st HAZARD: EXPLOSION
Scenario 2
Scenario 3
Scenario 1
Scenario 4
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
West truss
East truss
(EC3- Part 1.2: Structural fire design)
2ND HAZARD: FIRE
0
200
400
600
800
1.000
1.200
0 20 40 60 80 100 120
Tem
pera
ture
( C
)
time (min)
Curva degli idrocarburi
Curva ISO834
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
•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
2ND HAZARD: FIRE
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
-1,00
-0,90
-0,80
-0,70
-0,60
-0,50
-0,40
-0,30
-0,20
-0,10
0,000 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
Ver
tical
dis
plac
emen
t nod
e.40
(m
)
Time (sec)
Scenario 1
Max
ver
tical
dis
plac
emen
t(t
= 15
.3 s
ec)
Node n.40
Scenario 1EXPLOSION
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
-1,2
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,21 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
Ver
tical
dis
plac
emen
t (m
)
Node
Scenario 0Scenario 1Scenario 2Scenario 3Scenario 4
t= 15.3 sec
t= 0 secSCENARIO 1
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
SCENARIO 1
SCENARIO 3
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Scenario 1
Scenario 3
SCENARIO 1
SCENARIO 3
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
-1,00
-0,90
-0,80
-0,70
-0,60
-0,50
-0,40
-0,30
-0,20
-0,10
0,000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
Ver
tical
dis
plac
emen
t nod
e.40
(m
)Time (sec)
Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4
West truss
East truss
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
SCENARIO 2
Longitudinal view
East
West
South
North
t= 58 sec; T= 760 C
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
SCENARIO 3Plan view
Longitudinal view
East
West
South
North
t= 48 sec; T= 696 C
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
SCENARIO 4Plan view
Longitudinal view
East
West
South
North
t= 50 sec; T= 706 C
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
-1,20
-1,00
-0,80
-0,60
-0,40
-0,20
0,000,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0
Dz
node
107
0 (m
)
t (sec)
Scenario 4
SCENARIO 4
Node 1070
t= 45 sec
Node 1070
t= 52 sec
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4t u (sec) t u (sec) t u (sec)
58 48 53T ( C ) T ( C ) T ( C )
760 696 715
Different scenarios lead to different load path and therefore to
different way to collapse.
2
3
4
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
MULTI-HAZARD ANALYSES
-1,00
-0,90
-0,80
-0,70
-0,60
-0,50
-0,40
-0,30
-0,20
-0,10
0,000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Ver
tical
dis
plac
emen
t nod
e.40
(m
)
Time (sec)
Scen…
Scenario 1
Scenario 4 + FIRE
PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Struttura strategica
Ponte in acciaio
Edificio alto
CONCLUSIONI
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
RINGRAZIAMENTI
Si ringrazia:
•Il gruppo di ricerca www.francobontempi.org ,
•Metallurgy division of the National Institute of Standard and Technology (NIST) inGaithersburg (MD), in particolare Dr. Dat Duthinh ,
•gli Ingg. Mauro Caciolai, Claudio De Angelis del Corpo Nazionale dei Vigili delFuoco ,
•Ing. Piergiorgio Perin per l’utilizzo del codice di calcolo ad elementi finiti Straus7,www.hsh.info
CONCLUSIONI
ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Robustezza strutturale e metodi di analisi - [email protected] EXPO – Forum della Tecnica delle Costruzioni - Milano 17 Ottobre 2012