Analisi strutturale in caso di incendio: impostazione e applicazioni

ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO:
IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI

Chiara Crosti
“Sapienza” University of Rome,
chiara.crosti@uniroma1.it , chiara.crosti@stronger2012.com

Structure of Next Generation – Energy harvesting and Resilience
Spin-off di Ricerca – www.stronger2012.com
Persone

Attivita’
Progettazione, adeguamento e ottimizzazione

Valutazione di Resilienza

Sostenibilita’ e Recupero Energetico

Modellazione numerica avanzata

Approccio ingegneristico alla progettazione di strutture in caso di
incendio

Ingegneria Forense

chiara.crosti@uniroma1.it - chiara.crosti@stronger2012.com



Norme Tecniche per le Costruzioni 14/01/2008




1) INDIVIDUAZIONE DELL’INCENDIO DI PROGETTO
Curva di incendio
NOMINALE

NATURALE

Usata per la classificazione delle costruzioni e
per le verifiche di resistenza al fuoco
convenzionali.

Determinata in base a modelli di incendio e a
parametri fisici.

•Curve Parametriche: ISO 834

•Modelli a Zone:
Simulazione limitata ad incendi Pre-Flashover

ISO 834

www.mace.manchester.ac.uk

www.promozioneacciaio.it




Curva di incendio
NOMINALE

NATURALE

convenzionali.

parametri fisici.

•Curve Parametriche: ISO 834

•Modelli a Zone:
Simulazione limitata ad incendi Pre-Flashover

ISO 834

•Modelli di Campo:
Simulazione estesa anche per incendi
Post-Flashover

www.promozioneacciaio.it




Curva di incendio
NOMINALE

NATURALE

convenzionali.

parametri fisici.




2) ANALISI DELL’EVOLUZIONE DELLA TEMPERATURA NEGLI ELEMENTI
AMBITO

NOME

ANNO

TITOLO

Cls

EN 1992 1-2

2004

Eurocode 2 – Design of concrete structures – Part 12: General rules – Structural fire design

Acciaio

EN 1993 1-2

2005

Eurocode 3 – Design of steel structures – Part 1-2:
General rules – Structural fire design

Acciaio–Cls

EN 1994 1-2

2005

Eurocode 4 – Design of composite steel and
concrete structures – Part 1-2: General rules –
Structural fire design

Legno

EN 1995 1-2

2004

Eurocode 5 – Design of timber structures – Part 1-2:
General rules – Structural fire design

Muratura

EN 1996 1-2

2005

Eurocode 6 – Design of masonry structures – Part 12: General rules – Structural fire design

Alluminio

EN 1999 1-2

1998

Eurocode 9 – Design of aluminium structures – Part
1-2: General rules – Structural fire design




3) ANALISI DEL COMPORTAMENTO MECCANICO DELLE STRUTTURE




ES. : MATERIALE ACCIAIO

COLLASSO:
• formazione di cerniere plastiche al crescere
della temperatura che rendono la struttura
labile;
• fenomeni di instabilità anticipata, dovuti al
decadimento della rigidezza.



ANALISI NON LINEARI NON STAZIONARIE

Non linearità di materiale

Non linearità di geometria

Equilibrio scritto nella
configurazione deformata




PROCEDIMENTO ITERATIVO DEI CODICI DI CALCOLO
T
T1

t1 = t + Δt

T

t
 ET A
0
 L
T

12ET I
 0
3

LT

6ET I
 0
2
LT

Ke =  E A
T
0
−
LT

12ET I
 0
−
3

LT

6ET I

2
 0
LT


−

0
6ET I
2
LT
4ET I
LT

0
0
ET A
LT

0
6ET I
2
LT
2ET I
LT

−

ET A
LT

0
0

0
12ET I
3
LT
6E I
− T2
LT

−

0
12E0 I
3
LT
6E I
− T2
LT

t1



6ET I 
2
LT 
2ET I 

LT 

0 

6ET I 
− 2 
LT

4ET I 
LT 

0

t
 ET 1 A
0
 L
T1

12ET 1I
 0
3

LT 1

6ET1I
 0
2
LT 1

Ke = 
ET1 A
0
−
 LT1
12ET 1I
 0
−
3

LT 1

6E0 I
 0
2

LT 1


0
6ET 1I
2
LT 1
4 ET 1I
LT 1
0
6ET 1I
2
LT 1
2 ET 1I
LT 1

−

−

ET 1 A
LT1
0
0

ET 1 A
LT1
0
0


0
12ET 1I
3
LT 1
6E I
− T1
2
LT 1

−

0
12ET 1I
3
LT 1
6E I
− T1
2
LT 1




6ET 1I 
2
LT 1 
2 ET 1I 

LT 1 

0 

6ET 1I 
−
2
LT 1 

4 ET 1I 
LT 1 

0



CORRETTA MODELLAZIONE DEL PROBLEMA
TRAVE SEMPLICEMENTE APPOGGIATA
y

Sezione: UB 356x171x51
Materiale: S355
Incendio: ISO834

x

4m

t (sec)

Spostamenti verticali
Nodo in meezzeria (m)

0,00
-0,50

0

250

500

750

1000

1250

-1,00
-1,50
-2,00
-2,50
-3,00

NLM

-3,50
-4,00

1500



y

Materiale: S355
Incendio: ISO834

x

t (sec)


0,00
-0,50

0

250

500

750

1000

1250

-1,00
-1,50
-2,00
-2,50
-3,00

NLM + NLG
NLM

-3,50
-4,00

1500



y

Materiale: S355
Incendio: ISO834

x

Spostamento orizzontale
(m)

0,10
0

250

500

750

1000

1250

-0,40
-0,90
-1,40

NLM + NLG
NLM

-1,90
-2,40

t (sec)
1500



NON LINEARITA’ DI MATERIALE E DI GEOMETRIA



T

Trave incernierata all’estremita’

ISO 834
Heating phase

compression e

II ord. moment

Temperatura

q
DT


Cooling phase

t
flashover

Trazione

Effetto catenaria

Forza assiale trave

tempo

Trazione
tempo

Compressione



T


ISO 834
Heating phase

compressione

II ord. moment

Temperatura

q
DT


Cooling phase

t
flashover

Trazione

Effetto catenaria

Forza assiale trave

THERMAL BUCKLING tempo

Trazione

PROBLEMI NELLE
tempo
CONNESSIONI
Compressione



T


ISO 834
Heating phase

compressione

II ord. moment

Temperatura

q
DT


Cooling phase

t
flashover

Trazione

Effetto catenaria

Forza assiale trave

THERMAL BUCKLING tempo

Trazione

PROBLEMI NELLE
CONNESSIONI
tempo

Compressione



Trave semplicemente appoggiata



q

q
DT

DT

1

2

Espansione termica libera

bowing effect

Espansione termica impedita

Trazione

Effetto catenaria


CERNIERA

CARRELLO

CERNIERA

CERNIERA



356x171x51 UB

4m

0

400

0,00

800

1200

1600
t (sec)

-0,20
-0,40
-0,60

CASO A:
Cerniera – Carrello

-0,80
-1,00
-1,20
-1,40

CASO A

-1,60

CASO B:
Cerniera - Cerniera

CASO B

-1,80
Dy (m)



4) VERIFICA DI RESISTENZA AL FUOCO

RFire > SFire




0

250

500

750

1000

1250

1500
t (sec)


0,00

Dy = L/20

-0,50
-1,00
-1,50
-2,00
-2,50
-3,00
-3,50
-4,00

NLM + NLG

Tcr= 560°C
Collasso convenzionali

Tcr= 795°C
Da analisi numeriche




0

250

500

750

1000

1250

Spostamentoverticali

0,00

1500
t (sec)

-0,50
-1,00
-1,50
-2,00
-2,50

NLM + NLG

-3,00

NLM

ATTENZIONE NELLA
LETTURA DEI RISULTATI!!

-3,50
-4,00



LA STRUTTURA DEVE ESSERE ROBUSTA DA UN PUNTO DI VISTA STRUTTURALE
UNA STRUTTURA E’ ROBUSTA SE MOSTRA UN DEGRADO
REGOLARE DELLE QUALITA’ (… RESISTENZA) CON L’ENTITA’ DEL
DANNEGGIAMENTO CHE SUBISCE



Start


• Definizione degli obiettivi;
• Individuazione dei livelli di prestazione;
• Scelta degli scenari di incendio;

Analisi
Qualitativa
Analisi
Quantitativa

• Modellazione dell’azione di incendio;
• Modellazione del trasferimento di calore;
• Modellazione strutturale.

Verifiche

Verifiche dei risultati:
NUMERICAL

MODELING

SI

NO

Tempo
Temperatura
Resistenza

R
S
RFire> > SFire
Fire

Fire

Presentazione
dei risultati
end

ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI

Hangar per aeroporto

Ponte in acciaio a struttura reticolare

Edificio alto


ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI


HANGAR PER AEROPORTO



• Determinare la resistenza al fuoco;
• Valutare eventuali interventi di retrofitting;


Vista B-B

32.82 m

32.82 m

Vista A-A

12.82 m

Vista B-B

C

C
7.00 m

Sezione C-C

9.02 m

Vista A-A

16.425 m


APPROCCIO INGEGNERISTICO
Start
Analisi Qualitativa

Analisi
Qualitativa

Safety Objective: Evitare il crollo della struttura;
Performance Level: Evitare il collasso strutturale ;

Analisi
Quantitativa

Fire Scenarios: Incendio localizzato in 3 zone.
Verifiche

SI

NO

Presentazione
dei risultati
end


APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Scelta degli scenari

Scenario B

Scenario A
Scenario C


Analisi Qualitativa

Start
Analisi
Qualitativa
Analisi
Quantitativa

Verifiche
Analisi Quantitativa
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).

SI

NO

Presentazione
dei risultati
end


APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa
Thermo-Plastic Material

Used Material :

T (°C)

E (Pa)

sY (Pa)

EPl (Pa)

αT (°C-1)

0

2.10E+11

2.35E+08

1.05E+10

1.17E-05

• Concrete Rck 35;

20

2.10E+11

2.35E+08

1.05E+10

1.17E-05

Finite Element: Nonlinear Isobeam

100

2.10E+11

2.35E+08

1.05E+10

1.20E-05

• Steel S235;

200

1.89E+11

2.35E+08

9.45E+09

1.23E-05

5 ore di utilizzo di un
N° elements : 4422 normale computer

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

N° sections: 27

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

N° node : 1205

Element mesh density : 2


Scenario A:

7,00 m
6,54 m


Scenario A:


Trend of displacement X with time

Trend of displacement X with Temperature

t=240 sec

t=870sec

t=5936 sec

T=505°C

T=702°C

T=1000°C


Scenario B:

7,00 m
6,54 m


Scenario B:


Scenario C:
7,00 m

6,54 m


Scenario C:



t=340 sec

t=1600 sec

t=5936 sec

T=575°C

T=804°C

T=1000°C

Andamento dello spostamento Y in funzione della Temperatura



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 globalita’.


Analisi Qualitativa

Start
Analisi
Qualitativa


Analisi
Quantitativa

Verifiche

Analisi Quantitativa

Fire Action Modeling: curva naturale (FDS);
Heat Transfer Modeling: SI
Structural Modeling: Analisi non lineari in materiale e
geometria(ADINA).

SI

NO

Presentazione
dei risultati
end


MODELLAZIONE DELL’AZIONE
FINITE ELEMENT MODELING

STRUCTURAL PERFORMANCE

FINITE VOLUME MODELING

FIRE SIMULATION


REAL OBJECT

MODEL


Discretizzazione per il modello strutturale

Discretizzazione per la modellazione dell’azione

2

2
3

1

3

3

1

2

2

4

4


3

•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;

Hydrocarbon
ISO834

B3
B4 ambiente aperto
B4 ambiente chiuso



Scenario B

Scenario B4, ambiente chiuso
Modelling with ISO834
Far external columns
Near external columns
Central columns


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

Anche se analisi di
modellazione avanzata
comportano un notevole
incremento di onere
computazionale, solo
attraverso queste e’
possibile ottenere risultati
numerici che riproducono
cosa accade realmente.
Sono pertanto necessarie
per determinare la
sicurezza della struttura
in questione soggetta ad
incendio e di tutto cio’ che
la circonda


EDIFICIO ALTO
CASE STUDY: 40 floors, 160 m heigth, 35 m x 35 m floor, office building
RENDERING

STRUCTURAL SYSTEM

FEM MODEL

Gentili, Petrini, Bontempi, “Optimization of the tall building structural system for reliability against progressive collapse”, CTA 2013


EDIFICIO ALTO

Bracing
System

Frame A

Frame B

Outrigger
Frame A

Frame B



EDIFICIO ALTO
Assumptions

Frame A

Frame B

-

Exposure to 180 minutes of ISO Curve

-

30 cases of fire changing initial fire location and number of
involved columns
1000
800

ISO 834
θ ipe 270
θ ipe 300
θ hem 260
θ hea 240
θ hem280

600
400
200
0
0

10

20

30

40

50

60

FIRE LOCATION 6th floor



EDIFICIO ALTO
Assumptions

Frame A
-

Exposure to 180 minutes of ISO Curve

-

Frame B

30 cases of fire changing initial fire location and number of
involved columns



EDIFICIO ALTO: Frame A - Worst case scenarios
1 Heated
Column

2 Heated
Columns

3 Heated
Columns

4 Heated
Columns


5 Heated
Columns

EDIFICIO ALTO: Frame A
1 Heated
Column

2 Heated
Columns

3 Heated
Columns

4 Heated
Columns

5 Heated
Columns

After 180 min

After 180 min

After 126 min

After 144 min

After 100 min


EDIFICIO ALTO
TEMPI DI RESISTENZA MEDIA PER TUTTE LE COMBINAZIONI CONSIDERATE
Frame B

Frame A
SWAY COLLAPSE

NO-SWAY COLLAPSE

Frame A
Frame B


EDIFICIO ALTO
Configurations: position of the outrigger
G

CONFIGURATIONS
A
B

C

877

STEEL MASS [TON]
857
877

877


EDIFICIO ALTO
Configurations: vertical brace system
G

CONFIGURATIONS
D
E

F

877

STEEL MASS [TON]
817
994

939


EDIFICIO ALTO
OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE
tempo di resistenza al fuoco
(min)

200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
D

A

C

B

G

F

E

Initial

857 ton

817 ton

877 ton

877 ton

877 ton

939 ton


994 ton

PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE



CASE HISTORY
•on 1st February 2013 where an expressway bridge partially collapsed due to a truck explosion in
Mianchi County, Sanmenxia, central China's Henan Province;


CASE HISTORY
•on 14 December 2011, where a truck transporting 33800 l of gasoline caught fire on the
eastbound 60 Freeway under the Paramount Boulevard Bridge, in Montebello, Los Angeles, CA,
USA. The intense fire, which lasted several hours, severely damaged the reinforced concrete
structure of the overpass;


CASE HISTORY
•on 29 April 2007, where a truck transporting 32600 l of gasoline had an accident and burst into
flames the MacArthur Maze in California. The fire, which is believed to have reached very high
temperatures, heated the overpass above the incident, which served as connector between the I-80
and the I-580.


A highway bridge is expected to experience numerous extreme events during its lifetime.
Therefore multiple hazards (e.g. earthquake, wind gust, flood, vessel collision, traffic
overload and accidents, and terrorist attacks etc.) must be properly considered in
highway bridge design in addition to the normal functionality requirement. The severity of
these hazards can significantly increase the costs of construction and maintenance,
especially if they are considered for rehabilitation of existing bridges.


MULTI-HAZARD ANALYSES
STRUCTURAL
FAILURE

Time
EXPLOSION

FIRE


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.”


FINITE ELEMENT MODEL

Nodes: 1172
Beam elements: 1849

325 m
139 m

Fu = 610 MPa

•Large displacement
formulation,
Fy = 345 MPa
E = 199 GPa

• Elasto-plastic material
(National Transportation Safety
Board (2008) “Collapse of I-35 W
Highway Bridge, Minneapolis,
Minnesota, August 1, 2007” Accident
Report, NTSB/HAR 08/03 PB 2008916213, Washington D.C. 20594)


1st HAZARD: EXPLOSION
1. Distribution of loads on the structure intact (damage level = 0);
2. Nonlinear analyses are run ;
3. The damage level is increased (damage level= 1);
4. A structural element is cut off and

It is assumed that a certain level of
damage caused by an explosion
(damage level= 1) can instantly
remove an element.


1st HAZARD: EXPLOSION
DAMAGE LOCALIZATION (DAMAGE LEVEL= 1)

Scenario 2

Scenario 1
Scenario 3

Scenario 4


2ND HAZARD: FIRE
East truss

1.200

West truss

Temperature ( C )

1.000
800
600

Curva degli idrocarburi
Curva ISO834

400
200
0
0

20

40

60
time (min)

80

100

120

(EC3- Part 1.2: Structural fire design)

2ND HAZARD: FIRE
•Thermo-plastic material (EC3- Part 1.2: Structural fire design)
T (°C)

E (Pa)

sY (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

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


EXPLOSION

Scenario 1

Time (sec)
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
-0,10
-0,20
-0,30
-0,40
-0,50

Scenario 1

-0,60
-0,70

Max vertical displacement
(t= 15.3 sec)

Vertical displacement node.40 (m)

0,00

-0,80
Node n.40
-0,90
-1,00


Node
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

Vertical displacement (m)

0,2
0,0
-0,2
-0,4

Scenario 0
Scenario 1
Scenario 2
Scenario 3
Scenario 4

-0,6
-0,8
-1,0
-1,2
t= 0 sec

SCENARIO 1

t= 15.3 sec



SCENARIO 1

SCENARIO 3



SCENARIO 1

Scenario 1

Scenario 3

SCENARIO 3


Time (sec)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

0,00
-0,10
-0,20
East truss

-0,30
-0,40
-0,50
-0,60
-0,70

West truss

-0,80
-0,90
-1,00

Scenario 1

Scenario 2

Scenario 3

Scenario 4


SCENARIO 2

t= 58 sec; T= 760 C
East

West

Longitudinal view

North

South


SCENARIO 3

t= 48 sec; T= 696 C
Plan view

East

West

Longitudinal view

North

South


SCENARIO 4

t= 50 sec; T= 706 C
Plan view

East

West

Longitudinal view

North

South


SCENARIO 4
0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

0,00
t (sec)
-0,20
Node 1070

Dz node 1070 (m)

-0,40
-0,60
t= 45 sec
-0,80
Scenario 4
-1,00
-1,20
Node 1070

t= 52 sec


2

3

Scenario 2
t u (sec)
58
T(C)
760

Scenario 3
t u (sec)
48
T(C)
696

Scenario 4
t u (sec)
53
T(C)
715

Different scenarios lead to
different load path and therefore to
different way to collapse.
4


MULTI-HAZARD ANALYSES

Time (sec)
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
0,00

-0,10
-0,20
-0,30
-0,40
-0,50

Scenario 1
Scen…

-0,60
-0,70
-0,80
-0,90

Scenario 4 + FIRE

-1,00


CONCLUSIONI
Struttura strategica

Edificio alto

Ponte in acciaio


CONCLUSIONI
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. Mauro Caciolai, Claudio De Angelis del Corpo 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 - chiara.crosti@uniroma1.it
MADE EXPO – Forum della Tecnica delle Costruzioni - Milano 17 Ottobre 2012

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