Simulazione multiscala di strutture in composito al fuoco. Matteo Codda e Daniela Cazzola (CETENA SpA)

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1 Simulazione multiscala di strutture in composito al fuoco Matteo Codda e Daniela Cazzola (CETENA SpA)

2 Chi è CETENA Società del Gruppo FINCANTIERI che si occupa di ricerca, sviluppo e innovazione in campo navale e marittimo e offre consulenza, servizi tecnici e formazione a costruttori, fornitori navali, operatori marittimi, armatori. Sede a Genova un ufficio a Trieste presso la Direzione Navi Mercantili; uffici nei cantieri di Muggiano, Palermo, Castellammare, Ancona; un laboratorio a Riva Trigoso Trieste Genova Riva T. Muggiano Ancona ELSAG 2,6% MARIOTTI 10% SEAF 15% INSEAN 1,3% FINCANTIERI 71,1% Castellammare Palermo

3 Che cosa fa CETENA studi e simulazioni numeriche prove in laboratorio e a bordo Aree di competenza tecnica: Fluidodinamica Strutture e Materiali Vibrazioni e Rumore Vulnerabilità nave Segnature navali Ergonomia e Fattori Umani Analisi di Rischio Simulazione di Processo Prototipazione virtuale e simulazione

4 Sommario Protezione al fuoco: inquadramento normativo Dalla progettazione prescrittiva all alternative design Esempio applicativo di alternative design Simulazioni al fuoco in larga scala propagazione incendio Simulazione al fuoco in piccola scala resistenza strutturale termomeccanica

5 Alternative design quadro normativo SOLAS (Safety of Life at Sea) Capitolo II-2 parte F - Regulation 17 Alternative design and arrangements 1. The purpose of this regulation is to provide a methodology for alternative design and arrangements for fire safety Fire safety design and arrangements may deviate from the prescriptive requirements set out in parts B, C, D, E or G, provided that the design and arrangements meet the fire safety objectives and the functional requirements When fire safety design or arrangements deviate from the prescriptive requirements of this chapter, engineering analysis, evaluation and approval of the alternative design and arrangements shall be carried out in accordance with this regulation. 3.The engineering analysis shall be prepared and submitted to the Administration, based on the guidelines developed by the Organization (in particolare nella circolare 1002/2001 di MSC, Maritime Safety Committee - senior technical body dell IMO sugli aspetti collegati alla sicurezza). 4. The engineering analysis required in paragraph 3 shall be evaluated and approved by the Administration taking into account the guidelines developed by the Organization (MSC/Circ.1002).

6 Alternative design campo di applicazione Il regolamento SOLAS si applica a tutte le unità che percorrono rotte internazionali, con l eccezione di: Navi da guerra e per il trasporto truppe Mercantili da meno di 500 tonnellate di stazza Imbarcazioni non propulse da sistemi meccanici Navi in legno di vecchia concezione Yachts Barche da pesca In particolare il Capitolo II-2 (Fire protection, detection and extinction) si applica solo a navi costruite dopo il 1 luglio 2002.

7 Esempio n 1 - Sala Pubblica troppo grande The length and width of main vertical zones may be extended to a maximum of 48 m in order to bring the ends of main vertical zones to coincide with watertight subdivision bulkheads or in order to accommodate a large public space extending for the whole length of the main vertical zone provided that the total area of the main vertical zone is not greater than 1,600 m 2 on any deck. (SOLAS II-2 Part C Regulation 9 Containment of fire). Lunghezza della Main Vertical Zone > 48 m Area della Main Vertical Zone > 1600 m 2

8 Esempio n 2 - Struttura in composito anziché in acciaio The hull, superstructures, structural bulkheads, decks and deckhouses shall be constructed of steel or other equivalent material. (SOLAS II-2 Part C Regulation 11 Structural integrity) Project Title: Design, Operation and Regulation for Safety Budget 20 M (12 M EU), Periodo: Coordinatore Germanischer Lloyd Sovrastruttura di una ro-pax in materiale composito

9 Alternative Design - Flusso logico Analisi di rischio e definizione dello scenario Simulazione della propagazione dell incendio e valutazione dei limiti di tollerabilità (FDS) visibilità (almeno 5 m per piccoli locali, 10 m per grandi locali) calore irradiato (non più di 2.5 kw/m 2 ) concentrazione specie gassose (CO, CO 2, O 2 ) temperatura Studio di evacuazione (EVI)

10 FDS - Fire Dynamics Simulator Codice CFD che risolve numericamente un set di equazioni di Navier-Stokes adattate ai flussi convettivi con particolare attenzione ai fumi ed al trasporto di calore di un incendio. Può essere usato per modellare i seguenti fenomeni: Trasporto di calore e di prodotti di combustione Trasporto di calore per irraggiamento, convezione e conduzione tra gas e superfici solide Sviluppo dell incendio Sistemi attivi antincendio (ad es. sprinkler) Ventilazione Parametri caratteristici della combustione: temperatura di ignizione Heat Release Rate (HRR) calore di reazione e stechiometria

11 Simulazione al fuoco in larga scala: caso applicativo Caso di incendio nel bancone del bar della cafeteria del traghetto ro-pax Evoluzione delle temperature delle pareti dopo 6 min e 9 min

12 Simulazione al fuoco in larga scala: risultati Temperatura dell aria nelle vie di fuga dopo 10 min (limite 120 C) Calore irradiato dopo 10 min (limite 2.5 kw/m 2)

13 Simulazione al fuoco in larga scala: risultati Distribuzione dei fumi dopo 10 min (qualitativa) Visibilità dopo 10 min (limite 10 m)

14 Simulazione al fuoco in piccola scala: ambito Contratto N. 00/RFP 03.21/005 firmato da WEU (Western European Union) e il Prime Contractor DNV (Det Norske Veritas). Valore complessivo = 4 M Periodo: 20/03/ /12/ nazioni coinvolte: Norvegia (capofila), Italia, Francia, Danimarca, Olanda, UK Giunto metallo-composito Giunto composito-composito

15 Simulazione termo-meccanica: applicazione test di resistenza al fuoco in fornace orizzontale con curva HC (molto severa!) di un giunto composito-composito dimostratore strumentato con 55 termocoppie test in fornace - lato esposto test in fornace - lato non esposto

16 Modello dei materiali - proprietà termiche 0) 1) 2) Analisi Termo Gravimetriche (TGA) glass resin glass resin air glass air andamento delle frazioni ponderali dei costituenti (funzione della sola temperatura) 0) wood 1) wood air 2) air regola delle miscele (media pesata su massa o volume) + ipotesi volume costante proprietà del composito funzione della sola temperatura densità conducibilità termica calore specifico V/Vtot Volumetric fractions of glass-resin-air in DBL laminate as a function of temperature V tot resin glass air T [ C]

17 Modello dei materiali - proprietà meccaniche Caratterizzazione meccanica ad elevata temperatura per core e skin: modulo di Young decrescente con la temperatura coefficiente di dilatazione lineare dipendenti dalla temperatura

18 Modellazione FEM - massimo dettaglio FE mesh ponte paratia Giunto a T modello piano piano di simmetria dimensione elemento singola ply proprietà ortotropiche

19 Modello FEM - condizioni al contorno Condizioni al contorno termiche: Lato ambiente Temperature sperimentali imposte mediante tabelle sul lato fuoco (interfaccia isolazione/struttura) Scambio termico per convezione naturale sul lato non esposto Condizione di simmetria adiabaticità Adiab. Lato fuoco Condizioni al contorno meccaniche: Peso proprio struttura Peso coibente (non modellato) Carichi concentrati (pesi) Condizione di simmetria meccanica Appoggi

20 Simulazione termomeccanica - risultati Evoluzione temporale temperature (K)

21 Simulazione termomeccanica - risultati Evoluzione temporale spostamenti (m) Storie temporali stress in una direzione preferenziali (Pa)

22 Simulazione al fuoco in media scala Caso applicativo: Incendio con curva HC che si sviluppa in un compartimento entro lo scafo in acciaio Isolazione A30 Valutazione carico termico sui giunti metallo-composito Modello e flusso 3D con elementi solidi con proprietà equivalenti Convezione e irraggiamento con esterno e hangar Transitorio termico calcolo evoluzione campo di temperatura

23 Simulazione al fuoco in media scala: risultati t = 150s t = 600s t = 3600s Temperature finali Caso peggiore

24 Simulazione al fuoco in media scala: risultati Modello master 3 modelli di dettaglio - sottostrutture Giunto 2 Giunto1 Giunto 3

25 Simulazione al fuoco in media scala: risultati Storie di temperature da modello master imposte come condizioni al contorno del modello di dettaglio Confronto storia temperatura di un punto significativo Giunto 2 dopo 1h 30

26 Conclusioni La simulazione al fuoco può efficacemente affiancare la progettazione con materiali compositi e rendere accettabili soluzioni in deroga ai regolamenti prescrittivi. E possibile effettuare simulazioni di scenario in grande scala a supporto di studi di evacuazione (strumento CFD). E possibile effettuale simulazioni di estremo dettaglio per valutare la resistenza al fuoco di strutture in composito (strumento FEM). E possibile effettuale simulazioni di media scala, per valutare l evoluzione del campo di temperatura di zone estese di struttura, anche con approccio globale locale. In tutti i casi l affidabilità dei risultati dipende fortemente dalla preventiva caratterizzazione dei materiali (analisi DSC, TGA, prove meccaniche ad elevata T, modelli di degradazione, ecc ).

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