Crosti - Laboratorio Azioni eccezionali sulle strutture - Cagliari

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

ROBUSTEZZA STRUTTURALE
NEL CASO DI AZIONI
ECCEZIONALI:APPLICAZIONI
Ing. Chiara Crosti
Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica, Sapienza Università di Roma
Chiara.Crosti@uniroma1.it
Chiara.Crosti@stronger2012.com

Robustezza strutturale nel caso di azioni eccezionali - Chiara.Crosti@uniroma1.it

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

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

REQUISITO DI ROBUSTEZZA STRUTTURALE
Una struttura e’ robusta se mostra un degrado regolare delle qualita’ (resistenza,
rigidezza, stabilita’…) con l’entita’ del danneggiamento che subisce.

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 DI
INVULNERABILITA’ 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 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;
Analisi
Performance Level: Evitare il collasso strutturale ; 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



Qualitativa
Analisi


Verifiche
Analisi Quantitativa

Fire Action Modeling: Nominal curve, ISO834;
Heat Transfer Modeling: senza trasferimento del calore, SI NO
la temperatura e’ applicata solo agli elementi investiti
dall’incendio localizzato;
Presentazione
Structural Modeling: Analisi non lineari in materiale e dei risultati
geometria (ADINA).
end


APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa
Thermo-Plastic Material
Used Material :
T (°C) E (Pa) s (Pa) EPl (Pa) αT (°C-1)
Y
• Steel S235;
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
200 1.89E+11 2.35E+08 9.45E+09 1.23E-05
N°node : 1205 5 ore di utilizzo di un 300 1.68E+11 2.35E+08 8.40E+09 1.26E-05
N°elements : 4422 normale computer 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
Element mesh density : 2
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


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 globaliata’.



Qualitativa
Analisi

Verifiche
Analisi Quantitativa

Fire Action Modeling: curva naturale (FDS);
SI NO
Heat Transfer Modeling: SI
Structural Modeling: Analisi non lineari in materiale e Presentazione
geometria(ADINA). 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 3

2 2

4 4


•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;
1200
Hydrocarbon
1000

800 ISO834
T(°C)

600

400 B3

200 B4 ambiente aperto
B4 ambiente chiuso
0
t(sec)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000


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


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

CASI APPLICATIVI DI MODELLAZIONE
STRUTTURALE PER STRUTTURE ESPOSTE
AD AZIONI ECCEZIONALI

Hangar per aeroporto

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.


Collasso del Al-Sarafiya Bridge, 12 Aprile 2007

Il collasso parziale del Al-Sarafiya Bridge e’ avvenuto a causa dell’esplosione di una bomba
disposta su un camion abbandonato.


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 325 m
Beam elements: 1849 139 m

Fu = 610 MPa
•Large displacement
formulation,

• Materiale elasto-plastico
Fy = 345 MPa
(National Transportation Safety
Board (2008) “Collapse of I-35 W
E = 199 GPa Highway Bridge, Minneapolis,
Minnesota, August 1, 2007” Accident
Report, NTSB/HAR 08/03 PB 2008-
916213, Washington D.C. 20594)


1st HAZARD: ESPLOSIONE
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

1.2

1.0
Si assume che un certo livello di
0.8
Load factor

Loads danno provocato da un’esplosione
Damage (livello di danno = 1) possa eliminare
0.6
instantaneamenete un elemento.
0.4

0.2

0.0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
time (sec)


1st HAZARD: ESPLOSIONE
LOCALIZZAZIONE DEL DANNO (LIVELLO DI DANNO = 1)

Scenario 2

Scenario 1
Scenario 3

Scenario 4


2ND HAZARD: INCENDIO
East truss

L’incendio e’ modellato usando la
curva degli idrocarburi, (EC3-
Part 1.2: Structural fire design)

1,200

1,000 West truss
Temperature ( C )

800

600 Curva degli idrocarburi
Curva ISO834
400

200

0
0 20 40 60 80 100 120
time (min)


2ND HAZARD: INCENDIO
•Thermo-plastic material (EC3- Part 1.2: Structural fire design)

T (°C) E (Pa) s (Pa) EPl (Pa) αT (°C-1)
Y

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


ESPLOSIONE
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
0.00
Vertical displacement node.40 (m)

-0.10

Max vertical displacement
-0.20

-0.30

(t= 15.3 sec)
-0.40

-0.50 Scenario 1
-0.60

-0.70

-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
0.2

0.0
Vertical displacement (m)

-0.2

-0.4 Scenario 0
Scenario 1
-0.6
Scenario 2
-0.8 Scenario 3
Scenario 4
-1.0

-1.2
SCENARIO 1
t= 0 sec

t= 15.3 sec


NONLINEAR ANALYSES RESULTS

EXPLOSION
Introduction

SCENARIO 1
Part I
Part II

SCENARIO 3
Conclusions

chiara.crosti@uniroma1.it

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
Vertical displacement node.40 (m)

-0.10
-0.20
East truss
-0.30
-0.40
-0.50
-0.60
-0.70 West truss
-0.80
-0.90
Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4
-1.00


SCENARIO 2
0.0 200.0 400.0 600.0 800.0
0.00 t (sec)

-0.10 t= 45 sec

-0.20 Scenario 2

-0.30
Node 1171
Dz node 1171 (m) -0.40

-0.50
t= 58 sec
-0.60
t= 728 sec
-0.70

Node 1171


SCENARIO 3
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0
0.00 t (sec)
-0.10

-0.20 Scenario 3
Node 1145
-0.30

Dz node 1145 (m)
-0.40

-0.50

-0.60
t= 30 sec
-0.70

-0.80
Node 1145
-0.90

-1.00

t= 48 sec


SCENARIO 4 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0
0.00
t (sec)

-0.20

Node 1070
-0.40

Dz node 1070 (m) -0.60
t= 45 sec

-0.80
Scenario 4
-1.00

-1.20
Node 1070

t= 52 sec



2

Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4
t u (sec) t u (sec) t u (sec)
58 48 53
T(C) T(C) T(C)
3
760 696 715

La scelta di differenti scenari porta ad
avere differenti percorsi di carico con
differenti modalita’ di collasso

4


0.0 200.0 400.0 600.0 800.0
0.00
t (sec)
-0.10

-0.20 Scenario 2
Dz node 1171 (m)

-0.30
0.0 20.0 40.0 60.0
-0.40 0.00
t (sec)
-0.50
-0.20
-0.60

Dz node 1145 (m)
-0.40 Scenario 3
-0.70

-0.60

-0.80
0.0 20.0 40.0 60.0
0.00
t (sec) -1.00
-0.20 Scenario 4
-1.20
Dz node 1070 (m)

-0.40

-0.60

-0.80 Collasso per instabilita’
-1.00

-1.20


CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE
AI FINI DELLA ROBUSTEZZA:
Scenario B
•Valutazione accurata dello
schema statico della struttura in
esame;

Scenario A •Scelte nella modellazione delle
Scenario C
azioni e degli scenari;

•Individuazione dei key element;

•Valutazioni prestazionali.
Scenario 2

Scenario
Scenario 1
3

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 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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