Introduzione all' ottimizzazione strutturale: elaborato Marcello Mangione

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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 STRUTTURALEDocente: Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione

“Sapienza” University of RomeSchool of civil and Industrial Engineering

Department of structural engineering and geotechnicsPh.D. – XXIX cycle

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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 ANTINCENDIOCORSO DI INTRODUZIONE ALL’OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE

Docente :Prof. F. Bontempi – Dottorando: Marcello Mangione

Sapienza” University of RomeSchool of civil and Industrial Engineering


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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

2


Docente :Prof. F. Bontempi – Studente M. Mangione



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Diagramma di analisi (FSE) e sintesi (FI)





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Direct Problem (FSE) and Inverse Problems (FI)

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«inverse problems» nell’ingegneria strutturale e forense

FIRE DESIGN OFADAPTATION

INVESTIGATIVE PHASEPROJECT MANAGEMENTPROJECT PHASE

PERFORMANCEWORK FIRE

UNEXPECTED EVENT

START FIREINVESTIGATION

ANALYSIS OFSTRUCTURAL

DAMAGE

RESULT

CHECK COMPATIBILITY OF DESIGN AND EXECUTIVE

EVALUATIONS FOR INSURANCE ON ERRORSOR PROJECT EXECUTIVE

SUCCESSION EVENTS

CHECK

LEGEND

RESULT

DESIGN STRUCTURAL CONSOLIDATION ORDEMOLITION

DETERMINE THE SAFETY OF THE STRUCTUREOF BURN

DETECTION OF USEFUL ELEMENTS FORBUSINESS IN LEGAL

FORENSIC ENGINEERING STRUCTURAL ENGINEERING

L’ottimizzazione inizia nella fase progettuale con la FSE e si completa con l’esperienza critica deglierrori commessi in passato valutati attraverso la FI.





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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 ingegneristicialla soluzione dei problemi tecnici (anche giudiziari), di una spiccata capacità critica e investigativa alfine di risalire dagli effetti alle cause che hanno generato il problema.La Fire Safety Engineering invece, partendo dalla valutazioni delle potenziali cause, cerca diprevenire gli effetti negativi calcolando la risposta della struttura. Entrambi i metodi, contribuisconoquindi all’ottimizzazione strutturale antincendio.

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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.





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Fire Safety Engineering e Fire Investigation nell’albero degli eventi

Nell’albero degli eventi la FSE e la FI seguono due percorsi opposti.

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Fire Safety Engineering e della Fire Investigation nella modellazione strutturale antincendio

L’approccio basato sulla simulazione del fenomeno incendio, grazie ai modelli di calcolo numericisemplificati 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 aseguito di incidente. Il grafico seguente colloca al centro delle due discipline la modellazione esimulazione del fuoco.

FIRE SAFETY ENGINEERING

FIRE INVESTIGATION

MODELING AND SIMULATION OF FIRE

PROJECT PHASE

INVESTIGATIVE PHASE





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I modelli nell’ottimizzazione strutturale antincendio

I modelli per l’analisi dell’incendio in una struttura sono raggruppati in più classi diverse percomplessità formale e dettaglio di rappresentazione come meglio illustrato nel grafico sottostante:

FIRE SAFETY ENGINEERING

FIRE INVESTIGATION

MODELING AND SIMULATION OF FIRE

PROJECT PHASE

INVESTIGATIVE PHASE

6





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Fire Safety Engineering e Fire Investigation nel processo di ottimizzazione antincendio

PERFORMANCE APPROACHFIRE SAFETY ENGINEERING

ANALYSIS OF EXPERIENCESFIRE INVESTIGATION

MODELING

STUDY OF FAILURES

DIRECT APPROACH TOOPTIMATION OF FIRE

L’approccio di ottimizzazione strutturale antincendio si fonda sia sulla FSE che si avvale dellemodellazioni per la ricerca della soluzione strutturale più efficacie (giusto equilibrio tra resistenza alfuoco e resistenza strutturale) e sia sulla FI per lo studio dei punti critici (ANTI-OTTIMIZZAZIONE) diuna struttura danneggiata da un incendio.

I danni repertati nell’attività investigativa aiutano ad ottimizzare le futureprogettazioni antincendio





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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

GEOMETRY OF THE STRUCTURE

HYPERSTATICITY

TYPE OF MATERIAL

SUBDIVISION

7





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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








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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





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TIPO DI MATERIALE

Una buona conoscenza dellecaratteristiche termiche del materiale(inerzia termica, conduttività, emissività,ecc.) portano ad ottimizzare i costi diadeguamento antincendio delle strutture.





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COMPARTIMENTAZIONILe compartimentazione antincendio limitano i danni solo ad una parte della struttura.

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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.).


INDIRECT

LOAD OF FIRE

PLANT PROTECTION

VENTILATION





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CARICO D’INCENDIO

La disposizione del carico d’incendio e quindi l’eventuale scenario è fondamentale per lavalutazione degli effetti termici sulla struttura. Uno scenario d’incendio posto a livello z=ocomporta maggiori incrementi di temperatura ai piedi delle colonne e minori sbalzi termicinella struttura di copertura soprattutto in presenza di struttura molto alte.

Calcolo dell’altezza ottimale

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CARICO D’INCENDIO

Lo stoccaggio del materiale combustibile può favorire l’insorgenza dell’incendio ad una quotadiversa 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 strutturaleantincendio.





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IMPIANTI DI PROTEZIONE ATTIVA ANTINCENDIO

La presenza di impianti di protezione attiva, (ad. esempio sprinkler), abbatte la magnitudodell’incendio prima del raggiungimento del flash over (incendio generalizzato) abbassandoquindi la temperatura negli elementi strutturali. L’ottimizzazione in questo caso consiste nelvalutare l’intervento più conveniente tra l’installazione di un impianto di protezione (evacuatore difumi e calore) e la protezione diretta della struttura (rivestimenti protettivi).

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VENTILAZIONE

Lo sviluppo di un incendio in fase avanzata di evoluzione all'interno di un locale dipende dalvalore che assume il fattore di ventilazione «O»; infatti, esso modifica significativamente il valoremassimo che può raggiungere la velocità di combustione (kg/s di combustibile bruciato) ed èdefinito 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:





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ANTI-OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO nella FIRE INVESTIGATION

La FI individua i punti critici ed i meccanismi di bassa resistenza della struttura.

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ANTI-OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO nella FIRE INVESTIGATION

Scenari riscontrabili nelle attività di FI.





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Livelli investigativi a livello strutturaleL’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.

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Applicazioni di Fire investigation nell’ingegneria strutturale

Studio dei punti critici (fallimento) in ambito meccanico di una tubazione. Con l’uso di unatermocamera, si riesce a vedere la diminuzione nello spessore, dovuto alla corrosione delle paretidella tubazione.Esempio base per l’ottimizzazione dello spessore di particolari pezzi meccanici.





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La sicurezza residua a seguito di un incendio che ha colpito indirettamente la facciata di unedificio.


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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 pereffetto di sbalzi termici.






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Applicazione di Fire InvestigationRepertamento in una struttura lignea

Analisi dei danni utile perl’ottimizzazione della sezionedelle travi.

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Applicazione di Fire Investigation

Percorso del fuocoSpessori carbonizzati





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Residual section

Line of carbonization

Initial scope

Thick charred

Pyrolysis zone

Initial section

UNPROTECTED SECTION BEFORE THE FIRE SECTION AFTER THE FIRE

Protection

SECTION PROTECTED DURING FIRE

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Residual section

Line of carbonization

b

beff

d char,n

d0 k0

B

SECTION AFTER THE FIRE

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





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Un modo per abbassare l'infiammabilità del legno, e quindi ottimizzare l’elemento strutturale, è basato sultrattamento 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 piùfacile 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 essererinnovato periodicamente. L'impregnazione del legno da parte dell’agente ignifugo deve protegge l'intero volume dimateriale. Il legno è un materiale eterogeneo e la distribuzione dell’impregnante agente dopo il trattamento non èin 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 trattatomisurato con irradianza di 40 kW/m2. Le varie curve HRR si riferiscono a campioni con assorbimento 10, 20, e 40kg/m3.

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OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE ANTINCEDIO con l’ausilio della FIRE SAFETY ENGINEERING

La FSE rappresenta un metodo per vedere come risponde la struttura





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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 PRESTAZIONALETende ad ottimizzare la struttura tramite curve naturali d’incendio più realistiche alla struttura daprogettare.Rappresenta l’unico modo per giustificare soluzioni alternative di sicurezza antincendio. Valutandol’uso e la finalità di questo strumento potremmo essere in grado di fornire soluzioni che sianoeconomicamente efficienti e facilmente realizzabili, e questo senza compromettere la sicurezza dellepersone, la tutela della proprietà e i livelli di continuità operativa richiesti.

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L’approccio prescrittivo impone uniformemente una resistenza la fuoco R 120 mentre quelloprestazionale potrebbe portare a resistenze al fuoco diverse con l’ottimizzazione della struttura dicopertura.

SOURCE OF HEAT SOURCE OF HEAT

APPROCCIO PRESCRITTIVO APPROCCIO PRESTAZIONALE

R 120

R 60

R 120

R 60





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ILa progettazione degli elementi strutturali ed in particolare della loro protezione passiva può essereottimizzata con l’uso dell’ingegneria strutturale antincendio. Questo tipo di analisi valuta gli effettitermici degli incendi sugli elementi strutturali. Attraverso l’uso di un’analisi termica agli elementi finiti èpossibile determinare la resistenza al fuoco di una struttura, e in questo modo valutare la resistenzadella struttura nella sua interezza in condizioni di incendio.Analisi di questo tipo vengono spesso impiegate come alternativa prestazionale all’approccioprescrittivo 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 ilmiglioramento dell’estetica, un costo di costruzione e manutenzione ridotto e una maggioreprotezione dei beni.

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Case study di ottimizzazione strutturale antincendio

Edificio in esame: "Maison de la Paix« costruito per il Graduate Institute of International and Development Studies aGinevra.La struttura ingloba una biblioteca, numerosi auditorium, sale per seminari e una grande sala conferenze oggetto dellapresentazione.L’ottimizzazione ha avuto lo scopo di analizzare la struttura in acciaio sottoposta ad incendio.





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Descrizione strutturale sommariaVertical StructuresLa struttura verticale è costituita da colonne circolari tipo HSS (High Speed Steel) di 324 mm di diametro, acciaioFe510/S355, e spessori di parete variabile da 10 a 40 mm. La strategia di adeguamento antincendio è stata quella diottimizzare le colonne in funzione dei carichi.Truss GirderLa struttura di copertura è del tipo reticolare in acciaio anch'essa in HSS in grado di sostenere i carichi di sei piani, cheha richiesto un’analisi tridimensionale. Gli elementi superiori del traliccio reagiscono con la lastra di cemento comeprofilato composito, mentre le altre aste sono sezioni in acciaio normali. L'analisi strutturale sul comportamento globalein un caso di incendio si è resa necessaria per ottimizzare anche lo spessore della saldatura.

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Descrizione strutturale sommaria

Modello tridimensionale strutturale del traliccio sopra la sala conferenze





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Fire analysisThermal ActionsPoiché l'edificio doveva avere una resistenza al fuoco (R 60), utilizzando l’approccio prescrittivo con la curva diincendio 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 unamodellazione a zone utilizzare un approccio basato su scenari di incendio naturale e prevedendo incendi localizzatisimulati 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 curvanaturale d’incendio rispetto alla curva standard ISO834 per diversi spessori della colonna. In questo calcolo, lo scenariod’incendio era costituito da un pallet di 500 kg di carta che si trovava ad una distanza di 300 mm dalla colonna.

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Fire AnalysisNatural FireGli scenari di incendio naturale sono stati calcolati secondo la EN 1991-1-2, stimando un livello medio di caricod’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 fuococon 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'altrorivolto verso l'alto per raffreddare la struttura contribuisce a ridurre la variazione termica negli elementi strutturali.





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Fire AnalysisCFD SimulationsOltre al modello a zona semplificato, varie simulazioni sono state eseguite con FDS per verificare le ipotesi utilizzatenei calcoli precedenti.Le prime simulazioni sono state eseguite per la sala conferenze, per valutare la temperatura massima all'interno.

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Structural AnalysisColumnsL’intero sistema delle colonne in acciaio è stato progettato e ottimizzato in situazione di incendio, utilizzando le ipotesidi incendi naturali e localizzati.In primo luogo, sono state condotte verifiche utilizzando il metodo NRCC 9 che si basa su prove in laboratorio in scalareale. Questi calcoli hanno dimostrato che, con un ragionevole rapporto di carico, il calcestruzzo non rinforzato cheriempie le colonne HSS poteva resistere ad alti carichi (fino a 8.000 kN). Ciò è stato confermato per ulteriori calcolinon 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 situazionidi incendio, sapendo che questo carico è funzione della temperatura della sezione che varia in modo non lineare con iltempo. Molti calcoli erano necessari per determinare la capacità di carico critico, per ogni gruppo di colonne condiverso carico e lunghezza libera di inflessione.Come risultato della procedura utilizzata, si è raggiunta un’ottimizzazione della sezione (molto più vicino alla effettivatemperatura critica) rispetto ai valori ottenuti con il più conservatore approccio fuoco ISO.





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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 idoneoprocesso di progettazione è davvero indispensabile.Grazie all'utilizzo dei nuovi metodi computazionali degli incendi, le colonne sono state ottimizzate raggiungendo uncarico inferiore che permette la loro non protezione, mentre le colonne sottoposte a carichi più elevati saranno costruitimediante l’abbinamento di calcestruzzo rinforzato.Il traliccio sopra la sala conferenza rimarrà protetto, grazie alle misure di protezione attiva antincendio.

Introduzione all' ottimizzazione strutturale: elaborato Marcello Mangione

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