Crosti - Laboratorio Azioni eccezionali sulle strutture - Cagliari

ROBUSTEZZA STRUTTURALE NEL CASO DI AZIONI

ECCEZIONALI:APPLICAZIONI

Laboratorio: “Azioni Eccezionali sulle Strutture” – Cagliari – 28/02/2013

Ing. Chiara Crosti

Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica, Sapienza Università di Roma

[email protected]@stronger2012.com

ECCEZIONALI:APPLICAZIONI

Robustezza strutturale nel caso di azioni eccezionali - [email protected]

Structure of Next Generation – Energy harvesting and Resilience

Spin-off di Ricerca – www.stronger2012.com

Persone

Progettazione, adeguamento e ottimizzazione

Valutazione di Resilienza

Sostenibilita’ e Recupero Energetico

Attivita’

Laboratorio: “Azioni eccezionali sulle strutture” – Cagliari – 28/02/2013

Modellazione numerica avanzata

Approccio ingegneristico alla progettazione di strutture in caso di incendio

Ingegneria Forense



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 STRUTTURALE

NON E’ SINONIMO DIINVULNERABILITA’ 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

12

.82

m

Vista B-B


Sezione C-C

7.00 m

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

Analisi Qualitativa




APPROCCIO INGEGNERISTICO Start

Analisi

Qualitativa

Analisi

Quantitativa

Verifiche


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

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

Thermo-Plastic Material

5 ore di utilizzo di un

normale computer

APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa


Element mesh density : 2600 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


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 strutturareticolare e’ di certo un aspetto importante per lavalutazione della sicurezza della struttura ma che noncompromette il comportamento della struttura nellasua globaliata’.


Analisi Quantitativa

Analisi Qualitativa




APPROCCIO INGEGNERISTICO Start

Analisi

Qualitativa

Analisi

Quantitativa

Verifiche


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


FINITE ELEMENT MODELING

STRUCTURAL PERFORMANCE

MODELLAZIONE DELL’AZIONE


FINITE VOLUME MODELING

FIRE SIMULATION


REAL OBJECT

MODEL




1

2

2

3 3 1

2

2

3 3

Discretizzazione per il modello strutturale Discretizzazione per la modellazione dell’azione


4 4


1000

1200

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

Scenario B4, ambiente chiuso

Scenario BAPPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa


Near external columns

Central columns





Scenario 2, apertura delle porte

dopo 5 min (300 sec)

Anche se analisi di

modellazione avanzatacomportano un notevole

incremento di onere

computazionale, 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

Robustezza strutturale nel caso di azioni eccezionali: Applicazioni – Chiara Crosti

Ponte in acciaio a struttura reticolare




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 displacement

formulation,

Nodes: 1172

Beam elements: 1849

FINITE ELEMENT MODEL

325 m

139 m


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)


1.0

1.2

1st HAZARD: ESPLOSIONE

Si assume che un certo livello di

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 (livello di danno = 1);

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


0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

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

Lo

ad f

acto

r

time (sec)

Loads

Damage

Si assume che un certo livello di

danno provocato da un’esplosione

(livello di danno = 1) possa eliminare

instantaneamenete un elemento.


LOCALIZZAZIONE DEL DANNO (LIVELLO DI DANNO = 1)

1st HAZARD: ESPLOSIONE

Scenario 2

Scenario 1


Scenario 3

Scenario 1

Scenario 4


West truss

East truss

L’incendio e’ modellato usando la

curva degli idrocarburi, (EC3-

Part 1.2: Structural fire design)

2ND HAZARD: INCENDIO

1,000

1,200


0

200

400

600

800

0 20 40 60 80 100 120

Tem

pera

ture

( C

)

time (min)

Curva degli idrocarburi

Curva ISO834


•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


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 28

Vert

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 28V

ert

ica

l 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

)

Scenario 4

t= 15.3 sec

t= 0 secSCENARIO 1


EXPLOSION

NONLINEAR ANALYSES RESULTSNONLINEAR ANALYSES RESULTSP

art

IIn

tro

du

cti

on

SCENARIO 1

[email protected]

Part

II

Conclu

sions

SCENARIO 3

-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

Vert

ical d

isp

lacem

en

t n

od

e.4

0 (

m)

Time (sec)

East truss


-1.00

-0.90

-0.80

-0.70

-0.60

Vert

ical d

isp

lacem

en

t n

od

e.4

0 (

m)

Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4

West truss


SCENARIO 2

-0.50

-0.40

-0.30

-0.20

-0.10

0.000.0 200.0 400.0 600.0 800.0

Dz n

od

e 1

171 (

m)

t (sec)

Scenario 2

t= 58 sec


Node 1171

t= 45 sec

-0.70

-0.60

Dz n

od

e 1

171 (

m)

t= 58 sec


Node 1171

t= 728 sec

SCENARIO 3

-0.70

-0.60

-0.50

-0.40

-0.30

-0.20

-0.10

0.00

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0

Dz n

od

e 1

145 (

m)

t (sec)

Scenario 3

Node 1145

t= 30 sec


-1.00

-0.90

-0.80

-0.70Dz n

od

e 1

145 (

m)

t= 30 sec

Node 1145

t= 48 sec


-0.80

-0.60

-0.40

-0.20

0.00

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0

Dz n

od

e 1

070 (

m)

t (sec)

Scenario 4

SCENARIO 4

Node 1070

t= 45 sec


-1.20

-1.00

Dz n

od

e 1

070 (

m)

Scenario 4

Node 1070

t= 52 sec


Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4

t u (sec) t u (sec) t u (sec)

58 48 53

T ( C ) T ( C ) T ( C )

760 696 715


2

3

La scelta di differenti scenari porta ad

avere differenti percorsi di carico con

differenti modalita’ di collasso


4

-0.60

-0.40

-0.20

0.00

0.0 20.0 40.0 60.0

Dz n

od

e 1

14

5 (

m)

t (sec)

Scenario 3-0.70

-0.60

-0.50

-0.40

-0.30

-0.20

-0.10

0.00

0.0 200.0 400.0 600.0 800.0

Dz n

od

e 1

17

1 (

m)

t (sec)

Scenario 2


-1.20

-1.00

-0.80

-0.60

-0.40

-0.20

0.00

0.0 20.0 40.0 60.0

Dz n

od

e 1

07

0 (

m)

t (sec)

Scenario 4

-1.20

-1.00

-0.80

Dz n

od

e 1

14

5 (

m)

Collasso per instabilita’


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:

•Il gruppo di ricerca www.francobontempi.org,

•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 CorpoNazionale dei Vigili del Fuoco,


Nazionale dei Vigili del Fuoco,

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

www.hsh.info


Robustezza strutturale e metodi di analisi - [email protected]

MADE EXPO – Forum della Tecnica delle Costruzioni - Milano 17 Ottobre 2012

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