PSA - Structural Aspects 2016

STRUCTURAL ASPECTS FOR FIRE ACTION

Corso di Progettazione Strutturale Antincendio A.A. 2016/17

Franco BontempiProfessore Ordinario di Tecnica delle Costruzioni

Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale

Sapienza Università di Roma

[email protected]

PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 1

mailto:[email protected]

Peculiarities


MATERIALS


STEEL


NB

: st

och

asti

c va

riab

ility


NB

: d

iffe

ren

t m

od

elin

g


NB


CONCRETE

Compression


Traction


Reinforncing BARS


TEMPERATURE PROFILES


Slab – Plate – Wallsone side heated


Sections


SectionPROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 32

SectionPROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 33

Columns


ISOTHERM 500°


STRUCTURAL INTERACTIONS


A. Indirect Stresses (EC)



CURVE NOMINALI

ANALISI DELLE SINGOLE MEMBRATURE• Ripristino di idonee condizioni al contorno.

• Riduzione opportuna delle sollecitazioni ordinarie a freddo (Ed) mediante

un coefficiente riduttivo ηfi,d

• Azioni indirette sull’elemento (quelle derivanti da deformazioni termiche

impedite) solo derivanti da gradienti termici lungo le sezioni strutturali

trascurando le distorsioni termiche assiali o quelle piane.

• L’analisi di singole membrature deve risultare comunque conservativa.

3 rotazioni

3 traslazioni

(K determinato a t = 0)

57PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO

Thermal gradients


ANALISI DI PARTI DI STRUTTURE

(K determinato a t = 0

indipendente dal tempo)

3 rotazioni

3 traslazioni

• Ripristino di idonee condizioni al contorno.

• Riduzione opportuna delle sollecitazioni ordinarie a freddo (Ed) mediante

un coefficiente riduttivo ηfi,d

• All’interno della sottostruttura devono essere tenute in conto tutte le azioni

indirette, il decadimento delle proprietà meccaniche dei materiali, le

effettive rigidezze e il possibile meccanismo di collasso.

• Non sono utilizzabili metodi tabellari. Metodi semplificati sono applicabili

solo per incendi nominali. Nel caso di incendi reali, invece, sono consentiti

solo i metodi avanzati.60PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO

• Questo tipo di analisi strutturale è

il più completo.

• Può essere effettuato sia con regole

prescrittive che con un approccio

prestazionale.

• Sono utilizzabili solo metodi di

calcolo avanzati, che considerano

le proprietà dei materiali e la loro

variazione con la temperatura, le

distorsioni termiche, il verificarsi

di meccanismi di collasso parziali,

la rigidezza delle membrature.

• Senza dubbio per la loro

applicabilità necessitano di grandi

potenze di calcolo e di una

notevole specializzazione del

progettista.

ANALISI DELLA STRUTTURA INTERA



THERMAL EXPANSION

INDIRECT STRESSES

BOWING EFFECT

CATENARY/MEMBR. ACTION

possible overloading of elements

higher displacements induced

THERMAL EFFECTS

A

LARGE DISPLACEMETS

B

COLLAPSE MODE

C

LOW RESTRAIN

HIGH RESTRAIN

possible loss of supports

generally beneficial for members

sway collapse

early buckling

Structural analysis issues


relative thermal elongation (DL/L0 ) = a ∙ DT [ad.]

etherm = a(T) ∙ DT [ad.]

A. Thermal expansion

relative thermal elongation

DLtherm/L = a(T) ∙ DT [ad.]

thermal expansion coefficient [K-1]

Total deformation: etot = etherm(T) + emech(s,T)

not hindered hindered

elongation+

induced deformation

partially hindered

elongation and compression+

induced deformation and stresses

eigenstresses

seigen(T, ET) DLtherm(T)

Dseigen = kET E20 DLfree /L

compression+

induced stresses

RESTRAINT GRADE


Mo

tiva

tio

nP

rob

lem

sA

pp

roa

ch a

nd

met

ho

do

log

y

Esempio elementare


#4


#1


Initial deformed shape

Initial deformed shape: Scenario 1



Initial deformed shape





A. Thermal buckling



Example


Hinged column, h=1000 mm; square sections: 150x150 – 120x120 – 90x90 – 60x60 – 50x50 – 40x40 – 32x32 – 28x28 – 16x16 mm

A. Thermal buckling


16x16 – λ~1000/8=125

28x28 – λ~1000/14=71

A. Thermal buckling


32x32 – λ~1000/16=62

A. Thermal buckling


40x40 – λ~1000/20=50

A. Thermal buckling


50x50 – λ~1000/25=40

A. Thermal buckling


60x60 – λ~1000/30=33

A. Thermal buckling


90x90 – λ~1000/45=22

A. Thermal buckling


120x120 – λ~1000/60=17

A. Thermal buckling


150x150 – λ~1000/75=13

A. Thermal buckling



T=250°


T=500°


T=750°


T=1000°

0,0E+004,0E+058,0E+05

1,2E+061,6E+062,0E+062,4E+062,8E+06

3,2E+063,6E+064,0E+06

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

T (°C)

P c

r, R

x (

N)

Carico critico Elastico Carico di Snervamento Reazione vincolare p.to A

0,1

0,1

0,0E+004,0E+068,0E+061,2E+071,6E+072,0E+072,4E+072,8E+073,2E+073,6E+074,0E+07

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000T (°C)

P c

r, R

x (N

)

Carico critico Elastico Carico di Snervamento

Reazione vincolare p.to A Carico critico Elasto-Plastico

0,2

0,2

A

B

2

2

E

E

s

2

st

2

pl

)(E

es

Formula di

Shanley

R2

2

EL

I)T(EP

A*)T(P yy s

σ

ε

σP

E

Et

Thermal buckling

0,0E+00

4,0E+05

8,0E+05

1,2E+06

1,6E+06

2,0E+06

2,4E+06

2,8E+06

3,2E+06

3,6E+06

4,0E+06

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

T (°C)

P c

r,

R x

(N

)

Carico critico Elastico Carico di Snervamento Reazione vincolare p.to A

0,0E+00

5,0E+07

1,0E+08

1,5E+08

2,0E+08

2,5E+08

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

T (°C)

P c

r,

R x

(N

)



0,0E+00

5,0E+07

1,0E+08

1,5E+08

2,0E+08

2,5E+08

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

T (°C)

P c

r, R

x

(N)

Carico critico Elastico fuori grafico Carico di Snervamento


0,0E+00

4,0E+06

8,0E+06

1,2E+07

1,6E+07

2,0E+07

2,4E+07

2,8E+07

3,2E+07

3,6E+07

4,0E+07

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

T (°C)

P c

r, R

x (N

)



Punto Sezione T ( °C ) Modalità di collasso

A 0,1x0,1 77 Instabilità di Eulero

B 0,2x0,2 89,5 Instabilità di Shanley

C 0,6x0,6 331 Instabilità di Shanley

D 0,8x0,8 1000 Non collasso

D

C

B

ASezione 0,1x0,1 Sezione 0,2x0,2

Sezione 0,6x0,6 Sezione 0,8x0,8

Thermal buckling


THERMAL EXPANSION

INDIRECT STRESSES

BOWING EFFECT




THERMAL EFFECTS

A

LARGE DISPLACEMETS

B

COLLAPSE MODE

C

LOW RESTRAIN

HIGH RESTRAIN



sway collapse

early buckling


Mo

tiva

tio

nP

rob

lem

sA

pp

roa

ch a

nd

met

ho

do

log

y

WHEN DISPLACEMENT ARE LARGE

THESE BEAMS BEHAVE DIFFERENTLY

UNDER VERTICAL LOADS

L

horizontally restrained

L

simply supported

1. A vertically loaded simply supported beam is exposed to fire. The sliding support:

a. will stay stillb. will move to the right (toward the outside)c. will move to the left (toward the other support)

2. What would happen if the beam were horizontally restrained instead?

B. Large displacements

Mo

tiva

tio

nP

rob

lem

sA

pp

roa

ch a

nd

met

ho

do

log

y

1. A vertically loaded simply supported beam is exposed to fire. The sliding support:

a. will stay stillb. will move to the right (toward the outside)c. will move to the left (toward the other support)

2. What would happen if the beam were horizontally restrained instead?

L

horizontally restrained

L

simply supported

N N

d

first expansionthen contraction

first compressionthen tension


Mo

tiva

tio

nP

rob

lem

sA

pp

roa

ch a

nd

met

ho

do

log

y

Mo

tiva

tio

nP

rob

lem

sA

pp

roa

ch a

nd

met

ho

do

log

y

simply supported beam horizontally restrained beam

q q

DT DT

tension catenary actionLD prevails bowing effect2

compression II ord. momentthermal effect prevails expansion1


Mo

tiva

tio

nP

rob

lem

sA

pp

roa

ch a

nd

met

ho

do

log

y

WTC

, Usm

ani&

al.2

00

3B. Collapse mode: vertical propagation


THERMAL EXPANSION

INDIRECT STRESSES

BOWING EFFECT




THERMAL EFFECTS

A

LARGE DISPLACEMETS

B

COLLAPSE MODE

C

LOW RESTRAIN

HIGH RESTRAIN



sway collapse

early buckling


B. Collapse mode: sway / non sway

Denmark 2013 Romania 2010

Alexandru Dondera, MSc thesis, 2013 PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 111

SWAY: prevede lo svio; è

potenzialmente capace di

coinvolgere strutture vicine,

con la possibilità di

provocare dei collassi a

catena, ovvero una crisi

progressiva.

NO SWAY: il meccanismo

che non prevede svio del

traverso; presenta un

confinamento del collasso


Scenario di incendio


Tensile force


Lateral stifness


Configurazioni considerate (1)


Configurazioni considerate (2)


EFFETTO CATENARIA


EFFETTO MEMBRANA


Total deflection of the floor:

L/30+ /30 = (L+ )/30 L/30

/30

L


B. Collapse mode: early beam buckling

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000A

xial

Fo

rce

(kN

)

Temperature (°C)

THERMAL BUCKLING

PLASTIC HINGE

TENSILE COLLAPSE

IPE 270HE 1000 M

g = 0.9H

IGH

RES

TRA

INT

LOW

RES

TRA

INT

Riccardo Aiuti, MSc thesis, 2013



THERMAL EXPANSION

INDIRECT STRESSES

BOWING EFFECT




THERMAL EFFECTS

A

LARGE DISPLACEMETS

B

COLLAPSE MODE

C

LOW RESTRAIN

HIGH RESTRAIN



sway collapse

early buckling


STRUCTURAL CONNECTIONS


B-/D- Regions

A

B

C

D E

F

G

H


1.0 1.6 0.6

ANCHORAGE FORCE

SHEAR (SUPPORT REACTION)

RIGHT END REACTION


12/20/2012 148

Limit

Stat

e

λ Shear

(slice 1.9685

inch)

Anchorage

(slice

1.9685

inch)

Right end

(slice

1.9685

inch)

Slice 0.3937

inch

(model)

Slice 3.1496

inch

(suggested)

kN Kips kN Kips kN Kips kN Kips kN Kips

SLS 1.0 120 26.98 190 42.71 72 16.19 24 5.40 192 43.16

ULS 1.5 180 40.47 285 64.07 108 24.28 36 8.09 288 64.74

SILS 1.9 230 51.71 365 82.06 139 31.25 45 10.12 365 82.06

1.0 1.6 0.6

ANCHORAGE FORCESHEAR

(SUPPORT REACTION)

RIGHT END REACTION


STRINGERS


STRINGERS PROPERTIES


CONNECTION PROPERTIES


PANELS


PANELS PROPERTIES


SWL elastic behavior


Structural Response

λ=1.9 – 230 kN – 52 Kips

λ=1.5 – 180 kN – 40 Kips

λ=1.0 – 120 kN – 28 Kips


Steel mechanical properties degradation

T

<=100°C200°C

400°C

600°C

800°C

500°C

2%

e

20%0.2% 15%

s

fyk


Verification of fire resistance (T)

R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !

Td ≤ Tcr


ISO Fire - Steel Temperature


ANSYS

ABAQUS

PANEL STRESS, t= 0 sec, T= 20 °C, Yield stress 450 N/mm2


ANSYS

ABAQUS



0

2

4

6

8

10

12

14

0 200 400 600 800

dis

pl [

mm

]

TEMP [°C]

Ansys

Abaqus

Structural Response (1)


0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15

dis

pl [

mm

]

Time [min]

Ansys

Abaqus

Structural Response (2)


0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100 120

ISO 834

Acciaio non protetto

pittura intumescente

schiuma PROMAFOAM d=7mm

GessoTime [min]

TE

MP

[°C

]

Protective Measures


Mechanical Analysis

• The mechanical analysis shall be performed for the same duration as used in the temperature analysis.

• Verification of fire resistance should be in:– in the strength domain: Rfi,d,t ≥ Efi,requ,t

(resistance at time t ≥ load effects at time t);

– in the time domain: tfi,d ≥ tfi,requ

(design value of time fire resistance ≥ time required)

– In the temperature domain: Td ≤ Tcr

(design value of the material temperature ≤ critical material temperature);


Verification of fire resistance (3D)R = structural resistance

T = temperature

t = time

T=T(t)

R=R(t,T)=R(t,T(t))=R(t)


Verification of fire resistance (R-safe)R = structural resistance

T = temperature

t = time

Rfi,d,t

Efi,requ,t


Verification of fire resistance (R-fail)R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !


Verification of fire resistance (t)R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t Rfi,d,t

Failure !

tfi,d ≥ tfi,requ


Verification of fire resistance (T)R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !

Td ≤ Tcr


183PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 183

PSA - Structural Aspects 2016

Engineering

Transcript of PSA - Structural Aspects 2016