MADE EXPO 2012 crosti bontempi

Robustezza strutturale

e metodi di analisi

Chiara CROSTI & Franco BONTEMPIFacolta’ di Ingegneria Civile e Industriale,

Progettazione per le azioni eccezionali -Esplosioni, Incendi e Urti

Forum della Tecnica delle Costruzioni 2012

Facolta’ di Ingegneria Civile e Industriale,

Universita’ degli Studi di Roma La Sapienza

17 ottobre 2012 [email protected]

www.StrONGER2012.com17 ottobre 2012 [email protected]

Una struttura e’ robusta se mostra un degrado regolare delle qualita’ (resistenza,

rigidezza, stabilita’…) con l’entita’ del danneggiamento che subisce.

REQUISITO DI ROBUSTEZZA STRUTTURALE

In una progettazione globale il requisito di robustezza puo’ essere valutato verificando

ad esempio che la rimozione di un singolo elemento, di una parte della struttura o di

un danno localizzato si risolva al piu’ in un collasso localizzato.


REQUISITO DI ROBUSTEZZA STRUTTURALE

Il requisito di robustezza strutturale va valutato a livello di sistema strutturale e la

robustezza dei singoli elementi della struttura non e’ garanzia della robustezza della

struttura nel suo complesso.

ROBUSTEZZA STRUTTURALENON E’ SINONIMO DI

INVULNERABILITA’ DELLA

STRUTTURA.

La definizione di robustezza

precisa infatti che la struttura non

deve essere danneggiata in

maniera sproporzionata rispetto

alla causa.


CASI APPLICATIVI DI

MODELLAZIONE STRUTTURALE

PER STRUTTURE ESPOSTE

AD AZIONI ECCEZIONALI

Hangar per aeroporto

Ponte in acciaio a struttura reticolare


Determinare la resistenza al fuoco e valutare eventualiinterventi di retrofitting


CC

Vista B-B

32.82 m 32.82 m

Vista A-A

7.00 m

12

.82

m

Vista B-B

Sezione C-C

9.0

2 m

16.425 mVista A-A


Start

Analisi

Qualitativa

Analisi

Quantitativa

Verifiche

Analisi Qualitativa

Safety Objective: Evitare il crollo della struttura;

Performance Level: Evitare il collasso strutturale ;

Fire Scenarios: Incendio localizzato in 3 zone.

APPROCCIO INGEGNERISTICO

Presentazione

dei risultati

end

SI NO


Scenario B

Scenario A

APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Scelta degli scenari

Scenario C


Analisi Quantitativa

Fire Action Modeling: Nominal curve, ISO834;

Start

Analisi

Qualitativa

Analisi

Quantitativa

Verifiche

Analisi Qualitativa





Fire Action Modeling: Nominal curve, ISO834;

Heat Transfer Modeling: senza trasferimento del calore,

la temperatura e’ applicata solo agli elementi investiti

dall’incendio localizzato;

Structural Modeling: Analisi non lineari in materiale e

geometria(ADINA).

Presentazione

dei risultati

end

SI NO


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) ssssY

(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

Thermo-Plastic Material

5 ore di utilizzo di un

normale computer

APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa

Element mesh density : 2700 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

•2 node isobeam;

•General 3D beam with six degrees of freedom per node;

•Elements have constant rectangular cross-section;


Scenario Scenario A:A:

7,00 m

Scenario A:

6,54 m


Scenario A:


Trend of displacement X with time

Trend of displacement X with Temperature

t=240 sec

T=505°C

t=870sec

T=702°C

t=5936 sec

T=1000°C


7,00 m

6,54 m

Scenario B:


Scenario B:


7,00 m

6,54 m

Scenario C:


Scenario C:


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


Scenario B

Scenario C

Il collasso di un singolo elemento della struttura

reticolare e’ di certo un aspetto importante per la

valutazione della sicurezza della struttura ma che

non compromette il comportamento della

struttura nella sua globaliata’.


Analisi Quantitativa

Start

Analisi

Qualitativa

Analisi

Quantitativa

Verifiche

Analisi Qualitativa





Fire Action Modeling: curva naturale (FDS);

Heat Transfer Modeling: SI

Structural Modeling: Analisi non lineari in materiale e

geometria(ADINA).

Presentazione

dei risultati

end

SI NO


APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Fault tree (analisi del rischio)


REAL OBJECT

MODEL



BB

800

1000

1200

800

1000

1200

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;


0

200

400

600

800

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

t(sec)

T(°

C)

0

200

400

600

800

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

t(sec)

T(°

C)

B4 ambiente chiusoB4 ambiente aperto

B3

ISO834


Modelling with ISO834

Far external columns

Near external columns

Central columns

Scenario B4, ambiente chiuso

Scenario BAPPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa

Central columns


Scenario 2, apertura delle porte dopo 5 min (300 sec)

Anche se analisi di

modellazione avanzatacomportano un notevole

incremento di onerecomputazionale, solo

attraverso queste e’

possibile ottenere risultati

numerici che riproduconocosa accade realmente. cosa accade realmente.

Sono pertanto necessarie

per determinare la

sicurezza della struttura

in questione soggetta ad

incendio e di tutto cio’ che

la circonda


CASI APPLICATIVI DI

MODELLAZIONE STRUTTURALE

PER STRUTTURE ESPOSTE

AD AZIONI ECCEZIONALI

Hangar per aeroporto

Ponte in acciaio a struttura reticolare


STRESA, LAKE MAGGIORE, ITALY, JULY 8-12 2012

STRUCTURAL RESPONSE OF BRIDGES STRUCTURAL RESPONSE OF BRIDGES

TO FIRE AFTER EXPLOSION

Chiara Crosti, Pierluigi Olmati, Filippo Gentili

““SapienzaSapienza” University of Roma, ” University of Roma,

[email protected]@uniroma1.it, , [email protected]@uniroma1.it, , [email protected]@uniroma1.it


Collasso del MacArthur Maze Bridge ad Oakland, 30 Aprile 2007

A seguito dell'urto di un camion cisterna con un

pilone, si è scatenato un notevole incendio con

fiamme che andavano a lambire la struttura portante

del ponte. Le spesse travi di sostegno dell'impalcato

flessibile di calcestruzzo e bitume sono state

aggredite dal poderoso incendio, finendo per cedere

sotto il peso stesso del ponte.


Il collasso parziale del Al-Sarafiya Bridge e’ avvenuto a causa dell’esplosione di una

bomba disposta su un camion abbandonato.

Collasso del Al-Sarafiya Bridge, 12 Aprile 2007


CASO IN ESAME: I-35W Bridge in Minneapolis, 1 Agosto 2007


FRACTURE CRITICAL SYSTEMS

“The term “fracture critical” indicates that if one main component of a bridge fails, the entire

structure could collapse. Therefore, a fracture critical bridge is a steel structure that is designed

with little or no load path redundancy. Load path redundancy is a characteristic of the design that

allows the bridge to redistribute load to other structural members on the bridge if any one member

loses capacity. “


CASO IN ESAME: I-35W Bridge in Minneapolis, 1 Agosto 2007

“The deck truss comprised in two parallel Warren trusses (east

and west) with verticals. Steel gusset plates were used on all the

112 connections of the two main trusses. All nodes had two gusset

plates on either side of the connection. The east and west main

trusses were spaced 22 m apart and were connected by 27

transverse welded floor trusses spaced 11.6 m on centers and by

two floor beams at the north and south ends.”


Fu = 610 MPa

•Large strain-large

displacement formulation,

Nodes: 1172

Beam elements: 1849

FINITE ELEMENT MODEL

E = 199 GPa

Fy = 345 MPa • Materiale elasto-plastico

(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)


0.8

1.0

1.2

Lo

ad fa

cto

r Loads

Damage

1st HAZARD: ESPLOSIONE

1. Distribuzione dei carichi sulla struttura integra (livello di danno = 0);

2. Si esegue un’analisi non lineare incrementando il carico ;

3. Il livello di danno viene aumentato;

4. Si rimuove un elemento dalla struttura e si ritorna al passo 2

0.0

0.2

0.4

0.6

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Lo

ad fa

cto

r

time (sec)

Damage

Si assume che un certo livello di danno provocato da un’esplosione (livello di danno = 1) possa

eliminare instantaneamenete un elemento.


Scenario 2

Scenario 1

LOCALIZZAZIONE DEL DANNO (LIVELLO DI DANNO = 1)

1st HAZARD: ESPLOSIONE

Scenario 3

Scenario 1

Scenario 4


West truss

East truss

L’incendio e’ modellato usando la

ISO834 curve, (EC3- Part 1.2:

Structural fire design)

2ND HAZARD: INCENDIO


•Thermo-plastic material (EC3- Part 1.2: Structural fire design)

T (°C) E (Pa) ssssY

(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

2ND HAZARD: INCENDIO

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


-0.50

-0.40

-0.30

-0.20

-0.10

0.00

0 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 28V

ert

ical d

isp

lacem

en

t n

od

e.4

0 (

m)

Time (sec)

Scenario 1

Max v

ert

ical d

isp

lacem

en

t(t

= 1

5.3

sec)

Scenario 1ESPLOSIONE

-1.00

-0.90

-0.80

-0.70

-0.60

-0.50

Vert

ical d

isp

lacem

en

t n

od

e.4

0 (

m)

Scenario 1

Max v

ert

ical d

isp

lacem

en

t(t

= 1

5.3

sec)

Node n.40


-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

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

Ve

rtic

al d

isp

lac

em

en

t (m

)

Node

Scenario 0Scenario 1Scenario 2Scenario 3Scenario 4

-1.2

-1.0

Ve

rtic

al d

isp

lac

em

en

t (m

)

t= 15.3 sec

t= 0 secSCENARIO 1


EXPLOSION

NONLINEAR ANALYSES RESULTSNONLINEAR ANALYSES RESULTS

Part

IIn

tro

du

cti

on

SCENARIO 1

[email protected]

Part

II

Conclu

sions

SCENARIO 3


0.60

0.801 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

Vert

ical d

isp

lacem

en

t (m

)

NodeScenario 2 + Fire

Scenario 3 + Fire

INCENDIO POST ESPLOSIONE

0

40

80

120

160

200

240

280

320

1 2 3 4

Tem

pe

ratu

re (

C )

Scenario

1

2

3

4

Scenario 0Scenario 2

Scenario 3

Scenario 1

Scenario 4

-0.80

-0.60

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

Vert

ical d

isp

lacem

en

t (m

)

Scenario 3 + Fire

Scenario 4 + Fire


A: t=5.5 sec, T= 100 C B: t=13.3 sec, T=164 C

D: t=44 sec, T= 310 C

Node 18

-0.10

-0.09

-0.08

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0

t (sec)

INCENDIO POST ESPLOSIONE

C: t=22 sec, T= 220 C D: t=44 sec, T= 310 C

-0.18

-0.17

-0.16

-0.15

-0.14

-0.13

-0.12

-0.11

-0.10

Dz n

od

e 1

8 (

m)

Scenario 2A

B

C

D


Scenario B

Scenario C

Scenario A

AI FINI DELLA ROBUSTEZZA:

•Valutazione accurata dello

schema statico della struttura in

esame;

•Scelte nella modellazione delle

azioni e degli scenari;

•Individuazione dei key element;

CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE

•Valutazioni prestazionali.

Scenario 2

Scenario 3

Scenario 1

Scenario 4


RINGRAZIAMENTI

Si ringrazia:

•Professor Franco Bontempi’ team, www.francobontempi.org, il the Metallurgy

division of the National Institute of Standard and Technology (NIST) in Gaithersburg

(MD), in particolare Dr Dat Duthinh, gli Ingg. Gioacchino Giomi, Mauro Caciolai,

Claudio De Angelis del Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco, per il supporto ed il

prezioso contributo scientifico;

•Eng. Piergiorgio Perin per l’utilizzo del codice di calcolo ad elementi finiti Straus7,

www.hsh.info


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