Strutture temporanee arangio ottobre 2014 sapienza

VERIFICHE STRUTTURALI

PORDENONE

Seminario Tecnico

LA STATICA DEGLI ALLESTIMENTI

TEMPORANEI PER EVENTI

Quadro normativo e verifiche di sicurezza

Ing. Stefania [email protected]

[email protected]

ROMA – 10 Ottobre 2014

Ingegnere strutturista

Presidente della Commissione “Strutture tipologiche” dell’Ordine degli Ingegneri della Provincia di Roma

Structure of Next Generation – Energy harvesting and Resilience

Spin-off di Ricerca – www.stronger2012.com

• Progettazione, adeguamento e ottimizzazione di

strutture nuove ed esistenti

Modellazione numerica avanzata

• Approccio ingegneristico alla progettazione di

strutture in caso di incendio

• Ingegneria Forense

• Ricerca e sviluppo

Resilienza

Sostenibilità e recupero energetico

Soluzioni innovative per l’Ingegneria Strutturale

ATTIVITA’

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La statica degli allestimenti temporanei per eventi

VERIFICHE [email protected]

La commissione “Strutture tipologiche”

dell’Ordine degli Ingegneri della Provincia di Roma

Temi

• Problematiche legate alle strutture temporanee per lo spettacolo

• Modellazione a elementi finiti di strutture civili

• Norme tecniche e problemi applicativi

• Strutture speciali

• Materiali innovativi

• Vulnerabilità delle costruzioni ai fenomeni geologici e idrogeologici

• Life Cycle Engineering

• …

6/20



Introduzione

Quadro normativo nazionale ed internazionale

Parte I

Verifiche di sicurezza

Parte II

Comportamento dell’alluminio in caso di incendio

Conclusioni

OUTLINE

7/20



Introduzione


Parte I


Parte II


Conclusioni

OUTLINE

8/20



INTRODUZIONE: REQUISITI STRUTTURALI

Le strutture temporanee per eventi devono garantire gli stessi requisiti

strutturali delle altre strutture

• Resistenza meccanica e stabilità

• FunzionalitàLa struttura deve poter essere usata con un adeguato livello di affidabilità per

lo scopo per la quale è stata costruita durante tutta la vita utile di progetto

• RobustezzaConsiste nella capacità di evitare, nel caso di eventi eccezionali quali incendi,

esplosioni, urti o conseguenze di azioni antropiche, danni sproporzionati

rispetto all’entità delle cause innescanti

• DurabilitàLa struttura deve mantenere invariate, al trascorrere del tempo, le

caratteristiche fisiche e meccaniche dei materiali e delle strutture

• Resistenza al fuoco

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QUADRO NORMATIVO A LIVELLO EUROPEO

Dal punto di vista delle strutture portanti nell’Unione Europea, il quadro

normativo è caratterizzato da due famiglie di norme:

• Norme di prodotto: (Norme armonizzate – Enh, o Benestari

Tecnici Europei – BTE) che “armonizzano” le norme degli stati

membri per quanto riguarda le caratteristiche richieste ai materiali

e prodotti da costruzione;

Costituiscono il riferimento per la marcatura CE sui prodotti da

costruzione (secondo Direttiva 89/106/CE)

Per esempio:EN 485 Alluminio e leghe: fogli, strisce e piastre

EN 755 Alluminio e leghe: barre, tubi e profili estrusi

• Norme di progetto delle opere: Eurocodici strutturali, non

cogenti, che richiedono per la loro compiuta applicazione

dell’elaborazione di specifiche premesse e appendici nazionali

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EUROCODICI STRUTTURALI

1975 Sulla base dell’art. 95 del Trattato CE (avvicinamento delle

legislazioni) la Commissione delle Comunità Europee decide di

attuare un programma di azioni nel settore delle costruzioni

Armonizzazione delle specifiche tecniche

EUROCODICI STRUTTURALI

Confronto e integrazione di diversi

approcci, tecnologie, usi e materiali

1992 Pubblicazione dei primi Eurocodici sperimentali (indicati con la

sigla ENV)

1998 - 2006 Eurocodici sperimentali

ENV

Eurocodici

Norme Europee EN

Dopo un periodo transitorio, la completa entrata in vigore come standard

europeo era prevista per Marzo 2010….

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EUROCODICI STRUTTURALI: CONTENUTI

Eurocodice Contenuto

UNI EN 1990 Criteri generali di progettazione strutturale.

Stabilisce i principi e requisiti per la sicurezza. Introduce

l’approccio agli stati limite e il metodo dei coefficienti parziali.

UNI EN 1991: EC 1 Azioni sulle strutture

UNI EN 1992: EC 2 Strutture in cemento armato

UNI EN 1993: EC 3 Strutture in acciaio: edifici, generalità, fuoco, strutture sottili,

acciaio inossidabile, strutture piane, unioni, fenomeni di fatica,

ponti

UNI EN 1994: EC 4 Strutture miste acciaio- calcestruzzo: edifici, generalità, fuoco,

ponti

UNI EN 1995: EC 5 Strutture in legno: edifici, generalità, fuoco, ponti

UNI EN 1996: EC 6 Strutture in muratura: muratura armata e non, fuoco, esecuzione

UNI EN 1997: EC 7 Geotecnica, fondazioni e opere di sostegno

UNI EN 1998: EC 8 Strutture in zona sismica

UNI EN 1999: EC 9 Strutture in alluminio

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ORGANIZZAZIONE E COLLEGAMENTI TRA GLI EUROCODICI

EN 1990

EN 1998EN 1997

EN 1991

EN 1992 EN 1993 EN 1994

EN 1995 EN 1996 EN 1999

Basi della progettazione

Azioni sulle strutture

Progettazione

strutturale

Progettazione

geotecnica e sismica

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IN ITALIA: NTC 2008

CAPITOLO 2:

SICUREZZA E

PRESTAZIONI

ATTESE

CAPITOLO 9:

COLLAUDO STATICO

CAPITOLO 10:

REDAZIONE DEI

PROGETTI

STRUTTURALI

ESECUTIVI E DELLE

RELAZIONI DI

CALCOLO

CAPITOLO11:

MATERIALI E

PRODOTTI PER USO

STRUTTURALE

III III IV

CAPITOLO 3:

AZIONI SULLE

COSTRUZIONI

CAPITOLO 4:

COSTRUZIONI

CIVILI E

INDUSTRIALI

CAPITOLO 5:

PONTI

CAPITOLO 6:

PROGETTAZIONE

GEOTECNICA

CAPITOLO 7:

PROGETTAZIONE PER

AZIONI SISMICHE

CAPITOLO 8:

COSTRUZIONI

ESISTENTI

La Norma è articolata in 12 Capitoli

Non sono trattate

le strutture in alluminio

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RELAZIONE TRA NTC E EUROCODICI

NTC 2008. Cap. 1 – Oggetto

“Circa le indicazioni applicative per l’ottenimento delle prescritte prestazioni, per

quanto non espressamente specificato nel presente documento, ci si può

riferire a normative di comprovata validità e a altri documenti tecnici elencati nel

Cap. 12. In particolare quelle fornite dagli Eurocodici con le relative Appendici

nazionali costituiscono indicazioni di comprovata validità e forniscono il

sistematico supporto applicativo delle presenti norme.”

NTC 2008. Cap. 12 – Riferimenti tecnici

“Per quanto non diversamente specificato nella presente norma, si intendono

coerenti con i principi alla base della stessa, le indicazioni riportate nei

seguenti documenti:

- Eurocodici strutturali pubblicati dal CEN, con le precisazioni riportate nelle

Appendici Nazionali o, in mancanza di esse, nella forma internazionale EN;

- Norme UNI EN armonizzate i cui riferimenti siano pubblicati su Gazzetta

Ufficiale dell’Unione Europea;

- Norme per prove, materiali e prodotti pubblicate da UNI.”

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RIFERIMENTI NORMATIVI INTERNAZIONALI

Strutture in alluminio

• EN 1999-1-1 EUROCODE 9 – Design of aluminium structures

• BS 8118 – British Standard – The structural use of aluminium

Trattano la progettazione delle strutture in alluminio ma non sono riferite in modo

specifico alle strutture temporanee per eventi

Strutture temporanee in alluminio per eventi

• ANSI E1.2 - American National Standards Institute – Design, manufacture and

use of aluminium trusses and towers

• BS 7904 – Specification for the design and manufacture of aluminium and steel

trusses and towers

• BS 7905 – Code of practice for the use of aluminium and steel trusses and

towers

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Introduzione


Parte I


Parte II


Conclusioni

OUTLINE

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VERIFICHE DI SICUREZZA

La sicurezza e le prestazioni di un’opera devono essere valutate in relazione

agli stati limite che si possono verificare durante la vita nominale

STATO LIMITE: condizione superata la quale l’opera non soddisfa più le

esigenze per le quali è stata progettata

Le opere devono possedere i seguenti requisiti:

• sicurezza nei confronti di stati limite ultimi (SLU): capacità di evitare

crolli, perdite di equilibrio e dissesti gravi

• sicurezza nei confronti di stati limite di esercizio (SLE): capacità di

garantire le prestazioni previste per le condizioni di esercizio

• sicurezza nei confronti di azioni eccezionali: capacità di evitare

danni sproporzionati rispetto all’entità delle cause innescanti quali

incendio, esplosioni, urti

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VERIFICHE DI SICUREZZA: METODO SEMIPROBABILISTICO

La probabilità di collasso è rappresentata dall’area di sovrapposizione

𝑅𝑑 = 𝑓 𝑅𝑘

𝛾𝑀; 𝑎𝑑 𝐸𝑑 = 𝑓 𝐹𝑘𝑖 ∙ 𝛾𝐹𝑖 ;𝑎𝑑 ;𝜓𝑖

La sicurezza non è una grandezza facilmente calcolabile in modo

deterministico. I carichi e le resistenze dei materiali sono grandezze aleatorie

affette da incertezze.

Una struttura viene giudicata sicura quando ha una probabilità adeguatamente

bassa di collassare

resistenza effetti carichi

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AZIONI AGENTI SULLE STRUTTURE TEMPORANEE PER EVENTI

• Carichi permanenti G

Permanenti strutturali G1:

peso proprio delle strutture

Permanenti non strutturali G2:

attrezzature audiovisive

• Variabili naturali (strutture outdoor)

• No sisma

• In genere non si considera il comportamento in caso di incendio

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CARATTERISTICHE DELL’ALLUMINIO

• Leggero

Ogni elemento può essere movimentato da due persone – facilmente

trasportabile per eventi temporanei

• Resistente alla corrosione

(usato per navi e componenti di strutture offshore)

• Versatile

• Riciclabile per infinite volte senza riduzione delle caratteristiche

meccaniche

• Lavorabilità: e’ identica a quella di altri metalli ma per il basso punto

di fusione e’ possibile la produzione per estrusione consentendo di

ottenere una gamma illimitata di sezioni

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RESISTENZA: COMPORTAMENTO MECCANICO DELL’ALLUMINIO

I vari tipi di alluminio hanno proprietà molto differenti.

Il comportamento non può essere schematizzato elastico-perfettamente

plastico come per l’acciaio

fp: limite elastico di proporzionalità

1) Elasto-plastico incrudente a tratti 2) Modello di Baehre

elastico inelastico incrudente

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3) Modello continuo di Ramberg- Osgood

• f0: limite elastico convenzionale

• B: parametro determinato

sperimentalmente

• n: esponente legato alla tasso di

deformazione nel ramo incrudente


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Proprietà meccaniche

AW 6082

T6f0.2 = 260 MPa fu = 310 MPa E = 70000 N/mm2 = 2700 kg/m3 α = 23,4 x 106/C

S 235 fy = 235 MPa fu = 360 MPa E = 210000 N/mm2 = 7850 kg/m3 α = 12 x 106/C

AW 6082 T6

Alluminio con

Mg e Si

Stato indurito per trattamento

termico, invecchiato artificialmente

• Non ci sono grandi differenze in termini di resistenza

• Modulo elastico più basso (materiale molto più deformabile)

• Coefficiente di allungamento termico molto più elevato

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SCHEMI STATICI UTILIZZATI NELLE STRUTTURE TEMPORANEE

Gli elementi sono collegati tra loro mediante

appositi dispositivi.

Gli elementi vengono considerati generalmente

incernierati tra di loro e incernierati o incastrati a

terra.

La scelta di schemi statici coerenti con quanto effettivamente realizzato

e’ di fondamentale importanza!

cerniera o nodo rigido

cerniera o incastro

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VERIFICHE DI SICUREZZA: HEAT AFFECTED ZONES

L’effetto delle saldature tra i vari elementi dei tralicci deve

essere valutato con attenzione: il materiale in prossimità

della saldatura viene esposto a un calore significativo che

riduce la resistenza della zona.

L’estensione della zona (heat affected zone – haz) e’

indicato nei codici normativi

𝜌ℎ𝑎𝑧

𝑓ℎ𝑎𝑧

𝑓𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡

Riduzione della resistenza

tramite il fattore di addolcimento HAZ

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VERIFICHE DI SICUREZZA: FATTORE DI ADDOLCIMENTO PER LE HAZ

Fattore di addolcimento HAZ per il calcolo delle resistenze nelle HAZ

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ESTENSIONE DELLE ZONE TERMICAMENTE ALTERATE

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VERIFICHE DI SICUREZZA: CALCOLO DELLE RESISTENZE

Resistenza a trazione secondo EC9

Nt,Rd,corr = MIN(Nt,Rd1,corr; Nt,Rd2,corr)

Nt,rd1,corr = Ag f0/ γM1Sforzo massimo a trazione per snervamento

Ag = area che considera l’addolcimento

Nt,rd2,corr = Anet fa/ γM2 Sforzo massimo a trazione per rottura locale

Anet = area netta

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Resistenza a compressione per instabilità flessionale (EC9)

fs=χηk1k2f0

χ=1/(Φ+( Φ2-λ2)0.5) fattore di riduzione per instabilità flessionale Φ=0.5[1+α(λ- λ0)+ 2]

λ0 = fattore di imperfezione dipendente dal trattamento termico

λ = snellezza adimensionale

fattore legato alla forma della sezione

k1, k2 fattori dipendenti dalla sezione e dal trattamento termico

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Resistenza a compressione per instabilità flessionale (EC9)

31/20



Introduzione


Parte I


Parte II


Conclusioni

OUTLINE

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PROPRIETA’ MECCANICHE DELL’ALLUMINIO IN CASO DI INCENDIO

Le proprietà meccaniche dell’alluminio decadono molto più velocemente

di quelle dell’acciaio

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 200 400 600 800 1000 1200

EN AW 6082

steel

T

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 200 400 600 800 1000 1200

EN AW 6082

steel

T

Tensione di snervamento - temperatura

(EC9- EC3)

Modulo di elasticità - Temperatura

(EC9- EC3)

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PROPERTIES OF ALUMINIUM ALLOYS AT ELEVATED TEMPERATURE

• Alta conducibilità, maggiore di quella dell’acciaio a tutte le

temperature

• Bassa capacità termica in confronto con l’acciaio

• Rapido decadimento della resistenza meccanica al crescere della

temperatura

• Temperatura di fusione: 570 – 660 °C

• α = 23.4 · 106

• λ = 200 W/m°CLa alta conducibilità termica permette una

rapida dispersione del calore dalla zona

esposta ma la temperatura aumenterà in

qualche altra zona della struttura.

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CASO STUDIO

Gli elementi strutturali vengono movimentati utilizzando specifiche

attrezzature (per esempio imbracature in poliestere).

Le imbracature vengono spesso lasciate sugli elementi strutturali al

fine di facilitarne lo smontaggio

Il poliestere e’ facilmente

infiammabile

Si analizza il comportamento di una

struttura nel caso in cui le

imbracature prendano fuoco

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SCENARIO CONSIDERATO PER IL CASO STUDIO

Scenario considerato: Incendio delle imbracature in poliestere usate

per sollevare la trave

6 m6 m

36/20



MODELLO A ELEMENTI FINITI

Lunghezza: 12 m

Correnti: 50x4 mm

Diagonali: 30x3 mm

Lega di alluminio EN AW 6082

Curva di incendio: ISO 834

Sono considerate le nonlinearita’ di materiale e di geometria

1 kN/m

6 m

6 m

Sling in fire

37/20



RISULTATI (1/2)

-0.020

-0.016

-0.012

-0.008

-0.004

0.000

0 50 100 150 200 250

dy (m)

time(s)

Spostamento verticale del nodo di mezzeria

t = 14 s

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RISULTATI (2/2)

Sforzo normale

-1.6E+05

-1.2E+05

-8.0E+04

-4.0E+04

0.0E+00

0 50 100 150 200 250

Axia

l fo

rce

(N

)

time(s)

t = 14 s

• Il calore fluisce rapidamente

grazie alla elevata conducibilità

termica ma le proprietà

meccaniche peggiorano

velocemente

• L’espansione termica

dell’elemento permette una

diminuzione dello sforzo

normaleN aumenta velocemente e poi diminuisce

ma la tensione al 0,2% viene raggiunta

in soli 15 secondi

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DALLAS – 8 LUGLIO 2011

40/20



Introduzione


Parte I


Parte II


Conclusioni

OUTLINE

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Sono stati considerati aspetti specifici legati alla progettazione di strutture

temporanee per eventi

1. Quadro normativo

Le NTC 2008 non trattano le strutture in alluminio.

Esistono varie normative come per esempio l’EC9 ma non sono specifiche

per le strutture per eventi.

2. Verifiche di sicurezza

• Nei modelli di calcolo e’ importante assegnare vincoli e condizioni al

contorno coerenti con la situazione reale.

• Vanno effettuate verifiche che controllino il comportamento nelle zone

termicamente alterate.

3. Comportamento dell’alluminio in caso di incendio

La conseguenze di un incendio e i possibili scenari critici spesso non

vengono considerati ma le proprietà meccaniche dell’alluminio

decadono molto velocemente e un incendio durante uno spettacolo

potrebbe avere conseguenze catastrofiche

Conclusioni

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6 m

6 m

10/10/2014 [email protected] 43

StroNGER S.r.l. Research Spin-off for Structures of the Next Generation:

Energy Harvesting and Resilience

Roma – Milano – Terni – Atene - Nice Cote Azur

Sede operativa: Via Giacomo Peroni 442-444, Tecnopolo Tiburtino, 00131 Roma (ITALY) - [email protected]

Stro N

GERwww.stronger2012.com

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Le azioni elementari sono processi stocastici nel tempo e nello spazio.

Per tenere conto di questa variabilità le normative le caratterizzano considerando

dei valori di riferimento

Le azioni e le caratteristiche dei materiali vengono modellate come quantità aventi

distribuzioni di probabilità gaussiane

Il valore caratteristico dell’azione Sk è il

frattile al 95% della popolazione dei massimi

Il valore caratteristico della

resistenza Rk è il frattile al 5%

AZIONI RESISTENZA

CARATTERIZZAZIONE DELLE AZIONI e VALUTAZIONE DELLA CAPACITA’

Strutture temporanee arangio ottobre 2014 sapienza

Engineering

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