RESISTENZA AL FUOCO DEI COLLEGAMENTI DI STRUTTURE IN ACCIAIO_Crosti_Verona

VERONA, ITALY, 21 NOVEMBRE 2013

RESISTENZA AL FUOCO
DEI COLLEGAMENTI
DI STRUTTURE IN ACCIAIO
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

RESISTENZA AL FUOCO
DEI COLLEGAMENTI
DI STRUTTURE IN ACCIAIO


CASE HISTORY

Crollo di capannoni a seguito del sisma, Maggio 2012


CASE HISTORY

I-35W Bridge, 1 Agosto 2007, Minnesota


I-35W Bridge, 1 Agosto 2007, Minnesota

U10-W

[*] National Transportation Safety Board, “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. 2008.


CASE HISTORY

WORLD TRADE CENTER 5, September 11th, 2011


CASE HISTORY


Fema

CASE HISTORY


World Trade Center 5 Failure Analysis, Kevin J. LaMalva, Jonathan R. Barnett, Ph.D. and Donald O. Dusenberry, P.E


DEFINIZIONI E
ASPETTI NORMATIVI


DEFINIZIONI E ASPETTI NORMATIVI

NTC 2008



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.”
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.”



UNI EN 1993-1-8

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

Introduction
Basis of Design
Connections made with bolts, rivets or pins
Welded connections
Analysis, classification and modeling
Structural joints connecting H or I sections
Hollow section joints



CLASSIFICAZIONE DEL NODO SECONDO UNI EN 1993-1-8:2005
•Joint stiffness:
•Rigid;
•Semi-rigid;
•Pinned.

•Joint strength:
•Full strength;
•Partial strength;
•Pinned.

•Joint ductility:
•Continuos;
•Semi-continuos;
•Simple.
UNI EN 1993-1-8:2005


UNI EN 1993-1-8:2005



CLASSIFICAZIONE SECONDO LA RESISTENZA

ripristino di
resistenza
M, FULL STRENGTH
a parziale
ripristino
0.25*M, FULL STRENGTH
a cerniera

UNI EN 1993-1-8:2005


CLASSIFICAZIONE SECONDO LA DUTTILITA’

STIFFNESS/RESISTANCE

Full-strength

Partial-strength

Pinned

Rigid

Continuos

Semi-continuos

*

Semi-continuos Semi-continuos

*

Semi-rigid
Pinned

*

*

Simple

UNI EN 1993-1-8:2005



CLASSIFICAZIONE SECONDO I TIPI DI ANALISI
L’interpretazione da fornire a questa nuova classificazione dipende anche dal tipo di
analisi che si vuole condurre. Difatti, nel caso di un’analisi elastica globale, le uniche
caratteristiche rilevanti per la modellazione sono quelle di rigidezza; viceversa se stiamo
effettuando un’analisi rigido-plastica ci interessano principalmente le resistenze; infine,
in tutti gli altri casi, sia la rigidezza che la resistenza governano il modo in cui il nodo
dovrebbe essere modellato. La tabella seguente riassume la casistica presentata:

UNI EN 1993-1-8:2005

Per rappresentare il comportamento di un nodo si fa riferimento al diagramma
momento-rotazione da cui è possibile effettuare delle valutazioni riguardanti la
resistenza, la rigidezza e la duttilità; in funzione della tipologia di connessione.

Mj,R

Sj,ini
ϕCd

Nodo

Modello

Curva caratteristica momentorotazione

Mj,R = momento flettente resistente
Sj,ini = rigidezza rotazionale iniziale
ϕCd = rotazione ultima
Lorenzo Conversano-Valutazione dell’influenza delle connessioni semi-rigide nell’analisi globale delle strutture in acciaio



MODELLAZIONE DEL NODO
Il metodo che fornisce la più accurata conoscenza del comportamento dei nodi consiste
nell’effettuare test sperimentali; tuttavia, nella pratica di progettazione questa tecnica è
antieconomica, il che la rende adatta per lo più a propositi di ricerca. L’uso dei dati
sperimentali disponibili in letteratura è principalmente rivolto, più che alla progettazione,
alla validazione di modelli che mirano alla previsione del comportamento dei nodi a
partire dalle sue proprietà geometriche e meccaniche. I modelli per la previsione del
comportamento dei nodi si dividono in cinque categorie:

•test sperimentali; “Goverdhan data bank”, “Steel connection data bank”, “SERICON data bank”
•modelli empirici; Polimonio di Frye e Morris
•modelli analitici; 4 parametri di Richard e Abbott
•modelli agli elementi finiti;
METODO DELLE COMPONENTI
•modelli meccanici.
Detti anche modelli a molla, i modelli meccanici si basano sulla simulazione del
nodo/collegamento con un insieme di componenti rigide e flessibili.


METODO DELLE COMPONENTI A TEMPERATURA AMBIENTE


CONNESSIONI IN ACCIAIO
SOTTO L’AZIONE DEL FUOCO


CONNESSIONI IN ACCIAIO SOTTO L’AZIONE DEL FUOCO


APPROCCIO TRADIZIONALE


METODO APPENDICE D, EUROCODICE



1,2
Elementi
Bulloni
Saldature

1
0,8
K

Kb

Resistenza a taglio
Resistenza portante
Resistenza a trazione

0,6
0,4
0,2
0
0

T [C]
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000


ESEMPIO NUMERICO


ESEMPIO NUMERICO
COLLEGAMENTO TRAVE COLONNA

356x171x51 UB

356x171x51 UB

305x305x198 UC
Bulloni M20 8.8
Acciaio trave e colonna: S355
Acciaio piatto: S275
Piatto di giunto: 260x150x8

VE,d= 127.6 KN
ME,d (L/2)= 382.66 KNm

Temperatura ambiente

VE,d= 72.3 KN
ME,d (L/2)= 217 KNm

In caso di incendio

Beam-to-column joints with bolted end-plate connections

ESEMPIO NUMERICO
La resistenza del collegamento deve soddisfare quanto prescritto nel EC3 parte 1-8
La resistenza a taglio del giunto e’ basata sulla resistenza a taglio della bullonatura, la
resistenza a taglio della flangia di estremita’, la resitenza a rottura per meccanismi di
tipo “block shear” e la capacita’ portante della flangia di estremita’.
Resistenza a taglio bullonatura

700 KN

Resistenza a taglio della flangia d'estremita'

270 KN

Resistenza a rottura per "block shear"

320 KN

Capacita’ portante

294 KN

VE,d / 2 < Rmin a taglio

63.8 KN < 270 KN
OK!


ESEMPIO NUMERICO
Il grado di utilizzo del giunto deve essere minore uguale al massimo grado di utilizzo
dei due elementi connessi (trave, colonna)
μg = Grado di utilizzo giunto = (VEd /2) / Valore che governa la rottura del giunto = 0.24
OK!

μt = = Grado di utilizzo trave = MEd / Mc, Rd = 0.74

VE,d

356x171x51 UB

VE,d / 2

VE,d / 2

356x171x51 UB

305x305x198 UC

Temperatura ambiente


ESEMPIO NUMERICO
•Determinazione dello spessore di protezione antincendio
μt > μg
E’ sufficiente assicurare una protezione anticendio almeno equivalente a quella scelta
dalla trave
• Classe di Resistenza richiesta di 60 min
• Protezione passiva al fuoco realizzata con una lastra in gesso applicata su tre lati


ESEMPIO NUMERICO

Temperatura ( C )

1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0

Temperatura del gas
Temperatura dell'acciaio protetto

0
Ap/V [1/m]
ca [J/kgK]
cp [J/kgK]
dp [m]
λp [W/mK]
ρa [kg/m3]
ρp [kg/m3]
ɸ

10

20

30
t (min)

40

50

60

136
600
1700
0.02
0.2
7850
800
0.7854

ESEMPIO NUMERICO

OK!

ESEMPIO NUMERICO
Temperature

E

TG = 281 oC
TF = 294 oC
TE = 314 oC

D

TD = 334 oC

C
B
A

TC = 354 oC
TB = 367 oC
TA = 392 oC

Distanza dalla flangia
inferiore della trave (mm)

G
F

350

G

300

F

250

E

200

D

150

C

100

B

50

T (oC)

A

0
0

100

200

300

400


500

ESEMPIO NUMERICO
Temperature

Fattore di riduzione

E

TG = 281 oC
TF = 294 oC
TE = 314 oC

kF = 0.94
kE = 0.89

D

TD = 334 oC

kD = 0.86

C
B
A

TC = 354 oC
TB = 367 oC
TA = 392 oC

kC = 0.83

G
F

kA = 1

1,2
Bulloni

1

Saldature

0,8
K

Le temperature in ogni
posizione sono utilizzate
per determinare i fattori
di riduzione dei singoli
elementi componenti il
giunto

0,6
0,4
0,2
T [C]

0
0

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000


ESEMPIO NUMERICO
La resistenza a taglio del giunto:

Temperatura

Ambiente

Alte Temp.

Resistenza a taglio bullonatura

700 KN

612 KN

Resistenza a taglio della flangia d'estremita'

270 KN

270 KN

Resistenza a rottura per "block shear"

320 KN

320 KN

Capacita’ portante

258 KN

258 KN

Ved,ϑ = 72.3 KN
μg = Grado di utilizzo del giunto = (Ved,ϑ /2) / Valore che governa la rottura del giunto = 0.14
La riduzione del carico applicato nel caso di stato limite d’incendio e’ maggiore della
riduzione delle proprieta’ del materiale dei componenti del collegamento. Tuttavia nei
collegamenti che trasferiscono momento e’ piu’ probabile che l’utilizzo del collegamento possa
essere maggiore di quello della trave e che per collegamenti non protetti la riduzione della
resistenza dei componenti del giunto sia maggiore

ESEMPIO NUMERICO

GIUNTO SALDATO

IPE 300
HE 220A

Acciaio: S275

Momento plastico della trave, IPE 300

Momento plastico della colonna, HEA 220

My,T = Wy * σy = 153.2 kNm

My,T = Wy * σy = 141.7 kNm

Mu,T = Wpl * σy = 172.1 kNm

Mu,T = Wpl * σy = 156.3 kNm


ESEMPIO NUMERICO

CALCOLO DELLE RESISTENZE DELLE VARIE COMPONENTI


ESEMPIO NUMERICO

CALCOLO DEL MOMENTO RESISTENTE DEL GIUNTO

M RD = min { Fc,RD; Ft,RD; Vpl,RD } * z = Nc,RD * z = 184 * 0.29 = 53.36 kNm
184

321

298

La resistenza del giunto e’ governata dalla instabilita’ della colonna.

MF-S (beam) = 153 kN*m
z = 0.29 m
MF-S (column) = 142 kN*m

M RD (JOINT) = 53.36 kNm < MF-S (column) = 142 kN*m < MF-S (beam) = 153 kN*m

ESEMPIO NUMERICO

NO!

SOLUZIONE
Si realizza un guinto a completo ripristino:
•Inserimento di irrigidimenti per rinforzare la colonna:
•Irrigidimenti orizzontali + Irrigidimento obliquo:

M RD, giunto = Vpl,RD * z = 525* 0.29 = 152 kNm
MF-S (column) = 142 kN*m
MF-S (beam) = 153 kN*m


INFLUENZA DELLE CONNESSIONI
SUL COMPORTAMENTO GLOBALE
DELLE STRUTTURE SOTTO
FUOCO


INFLUENZA DELLE CONNESSIONI SUL COMPORTAMENTO GLOBALE
Trave incernierata all’estremita’
Heating phase

DT

compression e

II ord. moment

Temperatura

q

Cooling phase

flashover

Trazione

Effetto catenaria

Forza assiale trave

tempo

Trazione
tempo

Compressione


Heating phase

DT

compressione

II ord. moment

Temperatura

q

Cooling phase

flashover

Trazione

Effetto catenaria

Forza assiale trave

tempo

Trazione
tempo

Compressione


QUALE E’ IL COMPORTAMENTO DELLE CONNESSIONI IN ACCIAIO SOTTO
L’AZIONE DEL FUOCO?
Cooling phase

Local buckling

Temperatura

Heating phase

Forza assiale trave

tempo

Tension

1

tempo
Compression


Sheared bolts

Cooling phase

Temperatura

Heating phase

Forza assiale trave

tempo

Tension
tempo
Compression


Cooling phase

Temperatura

Heating phase

Dai risultati di tali test
possibile confermare che
risposta della struttura
essenzialmente dominata:

e’
la
e’

•dall’espansione termica;
•dal degrado del materiale;
•vincoli;
piuttosto
che
gravitazionali.

dai

carichi

Forza assiale trave

tempo

Tension

Stiff restraint to
horizontal movement
tempo

Ductile restraint to
horizontal movement

Compression


Trave semplicemente appoggiata

q

q
DT

DT

1

2

Espansione termica libera

bowing effect

Espansione termica impedita

Trazione

Effetto catenaria



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

CASO B:
Cerniera - Cerniera

-1,20
-1,40

CASO A

-1,60

CASO B

-1,80
Dy (m)

METODO DELLE COMPONENTI A TEMPERATURA ELEVATE

1

FORZA DI
COMPRESSIONE


METODO DELLE COMPONENTI A TEMPERATURA ELEVATE

FORZA DI
TRAZIONE


2

a Temperatura ambiente

Sotto
incendio

UNI EN 1993-1-8:2005



CONSIDERAZIONI
Le connessioni sono in generale progettate per resistere a forze a temperatura
ambiente che sono facilmente calcolabili. Tuttavia e’ stato visto che in condizioni di
incendio la risposta strutturale degli elementi strutturali ad esse connesse genera
una complessa variazione di forze per le quali le connessioni non sono state
certamente progettate.
Le strutture dovrebbero essere progettata al fuoco cosi’ come si fa per vento e/o
sisma.
La presenza di forza assiale, sia essa di compressione o di trazione, puo’ inficiare
il comportamento strutturale del nodo in questione.


CONCLUSIONI - RIEPILOGO

RIEPILOGO
ASPETTI NORMATIVI: CONNESSIONI IN ACCIAIO
NTC2008
EC PART 1-8
ASPETTI NORMATIVI: CONNESSIONI IN ACCIAIO SOTTO FUOCO
METODO APPENDICE D EC3 PART 1-2
ESEMPI NUMERICI:
GIUNTO BULLONATA
GIUNTO SALDATO
INFLUENZA DELLE CONNESSIONI SUL COMPORTAMENTO GLOBALE DELLE
STRUTTURE
TRAVI INCERNIERATE
TRAVI LIBERE DI MUOVERSI LATERALMENTE
METODO DELLE COMPONENTI (AZIONE INCENDIO)

CONCLUSIONI
RINGRAZIAMENTI
Si ringrazia:
•Il gruppo di ricerca www.francobontempi.org,
•La Fondazione Promozione Acciaio,
•Ing. Piergiorgio Perin per l’utilizzo del codice di calcolo ad elementi finiti Straus7,
www.hsh.info
•Metallurgy division of the National Institute of Standard and Technology (NIST) in
Gaithersburg (MD), in particolare Dr. Dat Duthinh,


CONCLUSION
REFERENCES
• “British Constructional Steelwork Association/Steel Construction Institute (2002) Joint in Steel
Construction: Simple connections”. Steel Construction Institute, Ascot, Publication P212.
• “Guida agli Eurocodici 1,2,3 e 4”. Lennon T., Moore D.B., Wang Y.C., Baley C.G., EPC Editore.
• “Structural Design for Fire Safety”. Buchanan A. H., John Wiley & Sons, 2001.
• “Resistenza al fuoco delle costruzioni”. Ponticelli L., Caciolai M., De Angelis C., UTET 2008.
• “L’ingegneria della sicurezza anticendio e il processo prestazionale”. Marsella S., Nasi L., EPC
Libri, 2006.
• The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. Third Edition, NFPA, 2002.
• “Tecnica delle Costruzioni. Basi della progettazione – Elementi intelaiati in acciaio,” Bontempi F.,
Arangio S., Sgambi L.,Carocci Editore, 2008.


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