CTA 2007 - Bontempi

LA PROGETTAZIONE PRESTAZIONALE

DI STRUTTURE IN ACCIAIO

IN PRESENZA DI INCENDIO

Franco Bontempi, Chiara Crosti, Francesco Petrini, Luisa Giuliani

Facoltà di Ingegneria, Università degli Studi di Roma “La Sapienza”

Via Eudossiana 18 – 00184 [email protected] - [email protected]

[email protected] - [email protected]

LA VALUTAZIONE QUANTITATIVA

DELLE CAPACITA’ PRESTAZIONALI



1

2

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FB [email protected] 2


Ringraziamenti

• Il presente lavoro è frutto di una collaborazione con gli Ingg. Mauro Caciolai, Claudio De Angelis, Stefano Marsella, del Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco, Ministero dell’Interno, Roma, che si ringraziano per i preziosi consigli e l’importante supporto.

• Il presente lavoro e’ stato finanziato da Università degli Studi di Roma La Sapienza e MIUR.

• Ing. Sandro Pustorino e Ing. Luca Mandirola per il coinvolgimento nella Commissione per la Sicurezza delle Costruzioni in Acciaio in caso d’Incendio

LA PROGETTAZIONE PRESTAZIONALE





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1


LCHP vs. HCLP AccidentsEventi Frequenti con

Conseguenze Limitate

Eventi Rari con

Conseguenze Elevate

Stochastic

Complexity

Deterministic

Analysis

Methods

Stochastic

Complexity

Deterministic

Analysis

Methods

Qualitative

Analysis

Quantitative/Probabilistic

Analysis

Pragmatic

Risk

Scenarios


sistema


prestazionale

MODELLO


MODELLO


Numerical Scheme

for Non Stationary Coupled Problems

MECHANICAL

STATE

(Strain and Stress

Fields and

Mechanical related

Properties)

TERMAL

STATE(Temperature Field

and Termic Related

Properties)

INFORMATION

FLOW DIRECTION

time

tK


Fully Coupled Scheme

time

tK

TERMAL


and Termic Related

Properties)

MECHANICAL

STATE

(Strain and Stress

Fields and

Mechanical related

Properties)

time

tK

TERMAL


and Termic Related

Properties)

MECHANICAL

STATE

(Strain and Stress

Fields and

Mechanical related

Properties)

time

tK

TERMAL


and Termic Related

Properties)

MECHANICAL

STATE

(Strain and Stress

Fields and

Mechanical related

Properties)

time

tK

TERMAL


and Termic Related

Properties)

MECHANICAL

STATE

(Strain and Stress

Fields and

Mechanical related

Properties)


Staggered Coupled Scheme

time

tK

TERMAL


and Termic Related

Properties)

MECHANICAL

STATE

(Strain and Stress

Fields and

Mechanical related

Properties)

time

tK

TERMAL


and Termic Related

Properties)

MECHANICAL

STATE

(Strain and Stress

Fields and

Mechanical related

Properties)

time

tK

TERMAL


and Termic Related

Properties)

MECHANICAL

STATE

(Strain and Stress

Fields and

Mechanical related

Properties)

time

tK

TERMAL


and Termic Related

Properties)

MECHANICAL

STATE

(Strain and Stress

Fields and

Mechanical related

Properties)


Temperature Driven Scheme

time

tK

TERMAL


and Termic Related

Properties)

MECHANICAL

STATE

(Strain and Stress

Fields and

Mechanical related

Properties)

time

tK

TERMAL


and Termic Related

Properties)

MECHANICAL

STATE

(Strain and Stress

Fields and

Mechanical related

Properties)

time

tK

TERMAL


and Termic Related

Properties)

MECHANICAL

STATE

(Strain and Stress

Fields and

Mechanical related

Properties)

time

tK

TERMAL


and Termic Related

Properties)

MECHANICAL

STATE

(Strain and Stress

Fields and

Mechanical related

Properties)


Scheme With No Memory

time

tK

TERMAL


and Termic Related

Properties)

MECHANICAL

STATE

(Strain and Stress

Fields and

Mechanical related

Properties)

time

tK

TERMAL


and Termic Related

Properties)

MECHANICAL

STATE

(Strain and Stress

Fields and

Mechanical related

Properties)

time

tK

TERMAL


and Termic Related

Properties)

MECHANICAL

STATE

(Strain and Stress

Fields and

Mechanical related

Properties)

time

tK

TERMAL


and Termic Related

Properties)

MECHANICAL

STATE

(Strain and Stress

Fields and

Mechanical related

Properties)


fla

sh

over

STRATEGIE

ATTIVE

(approccio

sistemico)

STRATEGIE

PASSIVE

(approccio

strutturale)

Tempo t

Te

mp

era

tura

T(t

)

andamento di T(t) a

seguito del successo

delle strategie attive

fla

sh

over

STRATEGIE

ATTIVE

(approccio

sistemico)

STRATEGIE

PASSIVE

(approccio

strutturale)

Tempo t

Te

mp

era

tura

T(t

)

andamento di T(t) a

seguito del successo

delle strategie attive

curva (nominale/naturale) d’incendio

LA VALUTAZIONE QUANTITATIVA

DELLE CAPACITA’ PRESTAZIONALI





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2

32,85 m

65,6

4m

Vista A-A

Vista B-B

CC

Vista A-A

Vista B-B

GEOMETRIA DELLA STRUTTURA

Sezione C-C

32,82 m 32,82 m

7,00 m

12,8

2 m

9,0

2 m

16,425 m


MODELLAZIONE DELL’INCENDIO

Curva standard ISO 834

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

t (sec)

T (

°C)

7,00 m

6,54m

Zona di incendio : 45,8 m2

SCENARIO DI INCENDIO

1° Scenario:

7,00 m

6,54 m

2°Scenario


7,00 m

3°Scenario


MODELLAZIONE DELLA STRUTTURA

N°nodi : 1205

N°equazioni : 7230

N°elementi : 4422

N°sezioni : 24

Elementi : Isobeam

N°discretizzazione per elemento : 2

Materiali utilizzati :

• Acciaio Fe360;

• Cls Rck 35;

Comportamento del materiale:

• Acciaio, Termo-Plastico;

• Cls, Elastico.


CARATTERISTICHE DEL MATERIALE


Tensioni-Deformazioni al variare della Temperatura

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2

Deformazioni (%)

Ten

sio

ni (K

N/m

2)

1100°C

1000°C

900°C

800°C

700°C

600°C

500°C

400°C

300°C

200°C

100°C

Fattori riduttivi delle caratteristiche meccaniche

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

T (°C)

Fatt

ori

rid

utt

ivi

Ky,T

Kp,T

K E,T

CARATTERISTICHE DEL MATERIALE

T (°C) E (Pa) σy

(Pa) α (1/°C)

0 210000000000 235000000 0,00001170

20 210000000000 235000000 0,00001170

100 210000000000 235000000 0,00001195

200 189000000000 232884193 0,00001227

300 168000000000 230689179 0,00001258

400 147000000000 228405976 0,00001297

500 126000000000 178561976 0,00001313

600 65100000000 107131683 0,00001338

700 27300000000 52248249 0,00001360

800 18900000000 25174565 0,00001382

900 14175000000 13851676 0,00001401

1000 9450000000 9234450,5 0,00001419


1° Scenario:

7,00 m

6,54 m


SCENARIO 1:


Spostamenti verticali Z

SCENARIO 1:


SCENARIO 1:

Spostamenti laterali

2°Scenario


7,00 m


SCENARIO 2:

3°Scenario



SCENARIO 3:


SCENARIO 3:

Spostamenti laterali Y


X

Z

λ•F

Livello IV:

SISTEMA

STRUTTURALE

Livello III:

ELEMENTO

STRUTTURALE

Livello II:

SEZIONE

STRUTTURALE

Livello I:

PUNTO

MATERIALE

X

Z

λ•F

Livello IV:

SISTEMA

STRUTTURALE

Livello III:

ELEMENTO

STRUTTURALE

Livello II:

SEZIONE

STRUTTURALE

Livello I:

PUNTO

MATERIALE

LIVELLI DI CRISI


PERFORMANCE ROBUSTNESS

QUALITY

DAMAGE or ERROR

REQUIRED PERFORMANCE

NOMINALPERFORMANCE

NOMINAL SITUATION


CONFRONTI IN TERMINI DI SPOSTAMENTI

Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3

Confronti spostamenti laterali Y

-2,50E-01

-2,00E-01

-1,50E-01

-1,00E-01

-5,00E-02

0,00E+00

5,00E-02

1,00E-01

1,50E-01

2,00E-01

0 1000 2000 3000 4000 5000

Tempo (sec)

Sp

osta

men

ti late

rali (

m)

Scenaio 3 Scenario 1


2° Scenario

1° Scenario

3° Scenario

CONCLUSIONI

• Nell’ambito del Performance-based Design, l’analisi strutturale accoppiata termo-meccanica in campo non lineare puo’ :– in sede di progettazione, dimostrare e certificare le prestazioni del

prodotto-struttura in termini di resistenza al fuoco;

– in sede di retrofitting, identificare in modo mirato gli interventi per l’ottenimento di prestazioni ritenute adeguate, evitando interventi estensivi, spesso inutilmente costosi e talvolta illusori di sicurezza.


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Elem.1 Elem.2 Elem.3 Elem.4 Elem.5 Elem.7 Elem.8 Elem.9 Elem.10

F=1410KN Y

X

Elem.6

L=3mSIα(T)σy (T)E(T)4

noα(T)σy (T)E(T)3

noCost.Cost.E(T)2

noCost.Cost.Cost.1

NLGαtσyEMOD.

E

0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

T(°C)

K

MODELLAZIONE N°3

E(T)

σy(T)

αt(T)

MODELLAZIONE N°2

0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

T(°C)

K

E(T)

αtσy

MODELLAZIONE N°1

0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

T(°C)

K

E αtσy

0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

T(°C)

K

MODELLAZIONE N°4

E(T)

σy(T)

αt(T)


-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+nlg

-1,4

-1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

t (sec)

Dy

(m

)

Modellazione 1

Modellazione 2

Modellazione 3

Modellazione 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

ΔT*L*α(nodo11)Dx

1 2 3 4 5 7 8 9 10 11

Elem.1 Elem.2 Elem.3 Elem.4 Elem.5 Elem.6 Elem.7 Elem.8 Elem.9 Elem.10

F Y

X6


Modellazione n°3: Nlm

Modellazione n°4: Nlm+Nlg


-2,5E-01

-2,0E-01

-1,5E-01

-1,0E-01

-5,0E-02

0,0E+00

5,0E-02

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

t (sec)

Def

orm

azi

on

i ass

iali

Modellazione1

Modellazione 2

Modellazione 3

Modellazione 4

Variazione E=f(T)

nlm+nlg

nlm

Comp.elastico

Effetto della

temperatura

Effetto del

carico

Sezione

+

εTrazione εCompressione

εTrazione εTrazione

Modellazione n°3: nlm

Modellazione n°4: nlm+nlg

Modellazione n°3: nlm

Modellazione n°4: nlm+nlg


CONFRONTI IN TERMINI DI SPOSTAMENTI

Confronti spostamenti verticali Z

-2,50E-01

-2,00E-01

-1,50E-01

-1,00E-01

-5,00E-02

0,00E+00

5,00E-02

1,00E-01

1,50E-01

0 1000 2000 3000 4000 5000

Tempo (sec)S

po

sta

men

ti v

ert

icali (

m)



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Design

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