V Settimana dela costruzione in acciaio XXI Congresso C.T.A. Catania 1-2-3 ottobre 2007, Sheraton Catania Hotel. Costruire con l'acciaio

1. 1
LA PROGETTAZIONE PRESTAZIONALE
DI STRUTTURE IN ACCIAIO
IN PRESENZA DI INCENDIO
2
LA VALUTAZIONE QUANTITATIVA
DELLE CAPACITA’ PRESTAZIONALI
DI STRUTTURE IN ACCIAIO
IN PRESENZA DI INCENDIO
Franco Bontempi, Chiara Crosti, Francesco Petrini, Luisa Giuliani
Facoltà di Ingegneria, Università degli Studi di Roma “La Sapienza”
Via Eudossiana 18 – 00184 ROMA
franco.bontempi@uniroma1.it - chiara.crosti@francobontempi.org
francesco.petrini@uniroma1.it - luisa.giuliani@uniroma1.it

2. FB
franco.bontempi@uniroma1.it
2

3. Ringraziamenti
• Il presente lavoro è frutto di una collaborazione con gli
Ingg. Mauro Caciolai, Claudio De Angelis, Stefano
Marsella, del Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco,
Ministero dell’Interno, Roma, che si ringraziano per i
preziosi consigli e l’importante supporto.
• Il presente lavoro e’ stato finanziato da Università degli
Studi di Roma La Sapienza e MIUR.
• Ing. Sandro Pustorino e Ing. Luca Mandirola per il
coinvolgimento nella Commissione per la Sicurezza delle
Costruzioni in Acciaio in caso d’Incendio
FB
franco.bontempi@uniroma1.it
3

4. 1
LA PROGETTAZIONE PRESTAZIONALE
DI STRUTTURE IN ACCIAIO
IN PRESENZA DI INCENDIO
Franco Bontempi, Chiara Crosti, Francesco Petrini, Luisa Giuliani
Facoltà di Ingegneria, Università degli Studi di Roma “La Sapienza”
Via Eudossiana 18 – 00184 ROMA
franco.bontempi@uniroma1.it
chiara.crosti@francobontempi.org
francesco.petrini@uniroma1.it
luisa.giuliani@uniroma1.it

5. LCHP vs. HCLP Accidents
Analysis
Methods
Deterministic
Eventi Frequenti con
Conseguenze Limitate
Eventi Rari con
Conseguenze Elevate
Qualitative
Analysis
Pragmatic
Risk
Scenarios
Complexity
Stochastic
Quantitative/Probabilistic
Analysis
FB
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5

6. sistema
FB
franco.bontempi@uniroma1.it
6

7. prestazionale
MODELLO
FB
franco.bontempi@uniroma1.it
7

8. MODELLO
FB
franco.bontempi@uniroma1.it
8

9. FB
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9

10. Numerical Scheme
for Non Stationary Coupled Problems
time
tK
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
INFORMATION
FLOW DIRECTION
FB
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10

11. Fully Coupled Scheme
time
tK
time
tK
time
tK
time
tK
FB
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
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11

12. Staggered Coupled Scheme
time
tK
time
tK
time
tK
time
tK
FB
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
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12

13. Temperature Driven Scheme
time
tK
time
tK
time
tK
time
tK
FB
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
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13

14. Scheme With No Memory
time
tK
time
tK
time
tK
time
tK
FB
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
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14

15. flashover
Temperatura T(t)
curva (nominale/naturale) d’incendio
STRATEGIE
ATTIVE
(approccio
sistemico)
STRATEGIE
PASSIVE
(approccio
strutturale)
andamento di T(t) a
seguito del successo
delle strategie attive
Tempo t
FB
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15

16. 2
LA VALUTAZIONE QUANTITATIVA
DELLE CAPACITA’ PRESTAZIONALI
DI STRUTTURE IN ACCIAIO
IN PRESENZA DI INCENDIO
Franco Bontempi, Chiara Crosti, Francesco Petrini, Luisa Giuliani
Facoltà di Ingegneria, Università degli Studi di Roma “La Sapienza”
Via Eudossiana 18 – 00184 ROMA
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chiara.crosti@francobontempi.org
francesco.petrini@uniroma1.it
luisa.giuliani@uniroma1.it

17. GEOMETRIA DELLA STRUTTURA
32,85 m
Vista B-B
32,82 m
32,82 m
Vista A-A
12,82 m
Vista B-B
C
65,64 m
C
7,00 m
Sezione C-C
9,02 m
Vista A-A
16,425 m

18. MODELLAZIONE DELL’INCENDIO
Curva standard ISO 834
7,00 m
1000
900
800
T (°C)
700
600
500
400
300
6,54m
200
100
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
t (sec)
Zona di incendio : 45,8 m2
FB
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18

19. SCENARIO DI INCENDIO
1° Scenario:
7,00 m
6,54 m

20. SCENARIO DI INCENDIO
2°Scenario
7,00 m

21. SCENARIO DI INCENDIO
3°Scenario

22. MODELLAZIONE DELLA STRUTTURA
N°nodi :
1205
N°equazioni : 7230
N°elementi : 4422
N°sezioni :
24
Elementi :
Isobeam
N°discretizzazione per elemento : 2
Materiali utilizzati :
• Acciaio Fe360;
• Cls Rck 35;
Comportamento del materiale:
• Acciaio, Termo-Plastico;
• Cls, Elastico.

23. CARATTERISTICHE DEL MATERIALE
FB
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23

24. CARATTERISTICHE DEL MATERIALE
Tensioni-Deformazioni al variare della Temperatura
1100°C
300000
1000°C
Tensioni (KN/m 2)
250000
900°C
800°C
200000
700°C
150000
600°C
100000
500°C
400°C
50000
300°C
0,1
0,12
0,14
0,16
235000000
0,00001170
210000000000
235000000
0,00001195
189000000000
232884193
0,00001227
168000000000
230689179
0,00001258
147000000000
228405976
0,00001297
126000000000
178561976
0,00001313
65100000000
107131683
0,00001338
700
100°C
210000000000
600
0,2
0,00001170
300
0,18
235000000
27300000000
52248249
0,00001360
18900000000
25174565
0,00001382
900
0,08
210000000000
800
0,06
0
500
0,04
α (1/°C)
400
0,02
σy (Pa)
200
0
E (Pa)
100
200°C
T (°C)
20
0
14175000000
13851676
0,00001401
1000
9450000000
9234450,5
0,00001419
Deform azioni (%)
Fattori riduttivi delle caratteristiche meccaniche
1,2
Fattori riduttivi
1,0
Ky,T
0,8
Kp,T
0,6
K E,T
0,4
0,2
0,0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
T (°C)
FB
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24

25. SCENARIO DI INCENDIO
1° Scenario:
7,00 m
6,54 m

26. SCENARIO 1:
FB
franco.bontempi@uniroma1.it
26

27. SCENARIO 1:
FB
franco.bontempi@uniroma1.it
27

28. SCENARIO 1:
FB
franco.bontempi@uniroma1.it
28

29. SCENARIO 1:
Spostamenti verticali Z
FB
franco.bontempi@uniroma1.it
29

30. SCENARIO 1:
Spostamenti laterali
FB
franco.bontempi@uniroma1.it
30

31. SCENARIO DI INCENDIO
2°Scenario
7,00 m

32. SCENARIO 2:
FB
franco.bontempi@uniroma1.it
32

33. SCENARIO 2:
Spostamenti verticali Z
FB
franco.bontempi@uniroma1.it
33

34. SCENARIO DI INCENDIO
3°Scenario

35. SCENARIO 3:
FB
franco.bontempi@uniroma1.it
35

36. SCENARIO 3:
FB
franco.bontempi@uniroma1.it
36

37. SCENARIO 3:
Spostamenti verticali Z
FB
franco.bontempi@uniroma1.it
37

38. SCENARIO 3:
Spostamenti laterali Y
FB
franco.bontempi@uniroma1.it
38

39. LIVELLI DI CRISI
λ•F
Livello I:
PUNTO
MATERIALE
Livello III:
ELEMENTO
STRUTTURALE
Z
Livello II:
SEZIONE
STRUTTURALE
X
FB
Livello IV:
SISTEMA
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STRUTTURALE
39

40. PERFORMANCE ROBUSTNESS
QUALITY
NOMINAL
PERFORMANCE
REQUIRED
PERFORMANCE
DAMAGE or ERROR
NOMINAL SITUATION
FB
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40

41. CONFRONTI IN TERMINI DI SPOSTAMENTI
Confronti spostamenti laterali Y
2,00E-01
Spostamenti laterali (m)
1,50E-01
1,00E-01
5,00E-02
Tem po (sec)
0,00E+00
-5,00E-02
0
1000
2000
3000
4000
5000
-1,00E-01
-1,50E-01
-2,00E-01
-2,50E-01
Scenaio 3
Scenario 1
FB
Scenario 1
Scenario 2
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Scenario 3
41

42. CONCLUSIONI
1° Scenario
2° Scenario
3° Scenario
• Nell’ambito del Performance-based Design, l’analisi strutturale
accoppiata termo-meccanica in campo non lineare puo’ :
– in sede di progettazione, dimostrare e certificare le prestazioni del
prodotto-struttura in termini di resistenza al fuoco;
– in sede di retrofitting, identificare in modo mirato gli interventi per
l’ottenimento di prestazioni ritenute adeguate, evitando interventi
estensivi, spesso inutilmente costosi e talvolta illusori di sicurezza.
FB
franco.bontempi@uniroma1.it
42

43. FB
franco.bontempi@uniroma1.it
43

44. F=1410KN
Elem.2
4
Elem.3
5
Elem.4
Elem.5
7
Elem.6
8
Elem.7
9
Elem.8
10
Elem.9
11
E
σy
αt
NLG
1
Cost.
Cost.
Cost.
no
2
E(T)
Cost.
Cost.
no
E(T)
σy (T)
α(T)
no
4
6
MOD.
3
3
E(T)
σy (T)
α(T)
SI
X
Elem.10
L=3m
MODELLAZIONE N°1
MODELLAZIONE N°2
1,5
1,5
σy
E
1,2
σy
1,2
αt
K
0,9
0,6
0,6
0,3
0,3
0
100 200
300 400
500
600 700
E(T)
T(°C )
T(°C)
0
0
0
800 900 1000
100
MODELLAZIONE N°3
1,5
0,6
400
500
600
700
800
900
1000
αt(T)
1,2
σy(T)
K
0,9
E
0,6
E(T)
0,3
300
1,5
σy(T)
0,9
200
MODELLAZIONE N°4
αt(T)
1,2
T(°C)
0
E(T)
0,3
T(°C)
0
0
FB
αt
0,9
K
Elem.1
2
K
1
Y
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0
franco.bontempi@uniroma1.it
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
44

45. MOD.
E
σy
α
NLG
1
Cost.
Cost.
Cost.
no
0
2
E(T)
Cost.
Cost.
no
-0,2
3
E(T)
σy (T)
α(T)
no
-0,4
4
E(T)
σy (T)
α(T)
SI
Dy (m)
0
1000
2000
3000
4000
5000
Variazione E=f(T)
-0,6
nlm+nlg
-0,8
3
Modellazione 1
-1
P*L
D y (nodo6) 
48 * E * I
Modellazione 2
nlm
-1,2
Modellazione 3
-1,4
Modellazione 4
0,2
nlm
Variazione E=f(T)
0
D x (nodo11)  α * L * ΔT
-0,2 0
Dx (m)
6000
t (sec)
1000
2000
3000
4000
5000
t (sec)
6000
-0,4
-0,6
nlm+nlg
-0,8
F
1
Elem.1
2
Elem.2
FB
3
Elem.3
4
Elem.4
5
Elem.5
6
Elem.6
Y
Modellazione 1
-1
Modellazione 2
-1,2
7
Elem.7
8
Elem.8
9
Elem.9
10
Elem.10
11
X
-1,4
franco.bontempi@uniroma1.it
Modellazione 3
Modellazione 4
45

46. Modellazione n°3: Nlm
Modellazione n°4: Nlm+Nlg
FB
franco.bontempi@uniroma1.it
46

47. 5,0E-02
Comp.elastico
Deformazioni assiali
0,0E+00
0
1000
2000
-5,0E-02
3000
4000
t (sec)
6000
5000
Modellazione n°3: nlm
Variazione E=f(T)
Modellazione n°4: nlm+nlg
-1,0E-01
-1,5E-01
nlm+nlg
Modellazione1
-2,0E-01
nlm
Modellazione 2
-2,5E-01
Modellazione 3
Modellazione 4
εTrazione
Modellazione n°3: nlm
Modellazione n°4: nlm+nlg
+
εTrazione
Sezione
FB
εCompressione
Effetto della
temperatura
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εTrazione
Effetto del
carico
47

48. CONFRONTI IN TERMINI DI SPOSTAMENTI
Confronti spostamenti verticali Z
1,50E-01
Spostamenti verticali (m)
1,00E-01
5,00E-02
Tem po (sec)
0,00E+00
-5,00E-02
0
1000
2000
3000
4000
5000
-1,00E-01
-1,50E-01
-2,00E-01
-2,50E-01
Scenario 1
Scenario 1
FB
Scenario 2
Scenario 3
Scenario 2
franco.bontempi@uniroma1.it
Scenario 3
48

49. FB
franco.bontempi@uniroma1.it
49