Gestione e Manutenzione delle Strutture

Transcript

1 Gestione e Manutenzione delle Strutture EDIFICI ESISTENTI CONSOLIDAMENTO DELLE STRUTTURE Prof. Emidio NIGRO Dipartimento di Ingegneria Strutturale Università di Napoli Federico II

2 L incendio

3 Quadro Normativo vigente Decreti del Ministero dell Interno Decreto del Ministero delle Infrastrutture e dei trasporti UNI-EN 1991 Parte 1-2 UNI-EN 1994 Parte : Classificazione di resistenza al fuoco di prodotti ed elementi costruttivi di opere da costruzione : Prestazioni di resistenza al fuoco delle costruzioni nelle attività soggette al controllo del Corpo nazionale dei vigili del fuoco : Direttive per l attuazione dell approccio ingegneristico alla sicurezza antincendio : Norme tecniche per le costruzioni : Eurocode 1 Actions on structures Part 1-2: General Actions Actions on structures exposed to fire : Eurocode 4 - Design of Composite Steel and Concrete Structures Part 1-2: General Rules- Structural Fire Design

4 Introduzione L analisi semplificata per singoli elementi non consente però di cogliere risposta della struttura La risposta all incendio l effettiva delle strutture composte è, pertanto, principalmente Igovernata principali fenomeni trascurati sono: dalle forze e dagli spostamenti indotti dall azioni termiche in -configurazioni effetti delle dilatazioni curvature termiche vincoli termico dei di grandie spostamenti e non impedite solo dal dai degrado -materiali. configurazione deformata nell ambito dei grandi spostamenti - non-linearità geometriche e meccaniche - ridistribuzione globale delle sollecitazioni Test d incendio condotti su strutture in scala reale Cardington (UK) Effetto Membrana Instabilità locali

5 Quadro Normativo vigente La progettazione in caso d incendio, secondo le attuali norme tecniche può essere condotta secondo le seguenti procedure di calcolo: Metodi Tabellari Metodi Semplificati Modelli Avanzati Tabelle riportate nell EC4 Calcolo plastico delle resistenze Analisi agli elementi finiti NTC 2008: Si deve tener conto degli effetti delle sollecitazioni iperstatiche dovute alle dilatazioni termiche contrastate a meno che non sia riconoscibile a priori che esse sono trascurabili o favorevoli o siano implicitamente tenute in conto nei modelli semplificati e conservativi di comportamento strutturale in caso d incendio.

6 SOMMARIO Analisi strutturale con modelli di calcolo avanzati per la valutazione degli effetti delle sollecitazioni iperstatici indotte dalle deformazioni termiche impedite - Analisi globali di telai multipiano in struttura composta acciaio-cls, al variare della zona sismica, dello scenario d incendio, della tipologia di trave. - Analisi semplificate per sottostrutture e per singoli elementi di telai multipiano in struttura composta acciaio-cls, al variare della zona sismica, dello scenario d incendio STRUMENTI DI CALCOLO UTILIZZATI SAFIR 2004 Codice di calcolo agli elementi finiti per analisi strutturali in ambito non lineari METODO M-χ Calcolo del diagramma momento-curvatura e dei domini N-M

7 Effetti dell incendio Azioni indirette a)riduzione di resistenza e di rigidezza dei materiali e della struttura b) Deformazioni termiche e variazione delle sollecitazioni c) Effetti supplementari in regime di grandi spostamenti Sforzo Assiale di Compressione M + = N v > 0 Sforzo Assiale di Trazione (per spostamenti molto grandi) M = N v < 0

8 EFFETTI DELLA TEMPERATURA SU TRAVI INFLESSE IN C.A. Schemi isostatici: Riduzione di resistenza. Schemi iperstatici: Riduzione di resistenza a momento positivo e variazione delle sollecitazioni per la dilatazione termica impedita. Emidio Nigro

9 Influenza dello schema statico

10 Influenza dello schema statico CERNIERA - CERNIERA ROTTURA PER TRAZIONE t = 41.2 min

11 Influenza dello schema statico

12 Influenza dello schema statico Telaio mono-piano e bi-campata ROTTURA DELLA TRAVE t = 26.4 min

13 Influenza dello schema statico

14 Telaio in struttura composta acciaio-cls ZONA 2 LA PROGETTAZIONE A FREDDO ZONA Temperature [ C] 800 Curva di incendio ISO Tempo [min] SCENARIO 1 SCENARIO 2

15 Analisi termiche delle sezioni HE 260 B HE 240 B HE 500 B HE 280 B

16 Analisi globale della struttura Telaio con travi non rivestite progettato in zona sismica 2 sottoposto allo scenario d incendio 1 (curva di incendio ISO834) ROTTURA DELLA TRAVE t = 31.0 min Curva di incendio ISO834 t = min 2000 Sforzo Normale [kn] 800 Momento Flettente [knm] 1500 Trave centrale 400 Piede colonna esterna Trave esterna Tempo [min] Tempo [min] -400 Piede colonna Testa colonna centrale -800 Testa colonna esterna

17 Analisi globale della struttura Telaio con travi rivestite progettato in zona sismica 2 sottoposto allo scenario d incendio 1 (curva di incendio ISO834) ROTTURA DELLA COLONNA t = 57.2 min Curva di incendio ISO M [knm] t = min min Sforzo Normale [kn] Trave centrale Trave esterna Momento Flettente [knm] Piede colonna centrale N [kn] Piede colonna esterna Testa colonna centrale Sollecitazione nella sezione Testa colonna esterna di testa della colonna d'estremità Tempo [min] Tempo [min]

18 Analisi globale della struttura Telaio con travi rivestite progettato in zona sismica 4 sottoposto allo scenario d incendio 1 (curva di incendio ISO834) ROTTURA DELLA COLONNA t = 53.8 min Curva di incendio ISO M [knm] t = min min Sforzo Normale [kn] Momento Flettente [knm] 200 Trave centrale 100 Piede colonna centrale 0 0 N [kn] -100 Trave esterna Piede colonna esterna Testa colonna centrale Sollecitazione -300 nella sezione Testa colonna esterna -400 di testa della colonna -500 d'estremità Tempo [min] -500 Tempo [min]

19 Analisi globale della struttura Telaio con travi rivestite progettato in zona sismica 2 sottoposto allo scenario d incendio 2 (curva di incendio ISO834) ROTTURA DELLA TRAVE t = 162 min Curva di incendio ISO834 t = min Sforzo Normale [kn] Trave centrale Momento Flettente [knm] Piede colonna esterna Trave esterna Piede colonna centrale Testa colonna esterna -500 Tempo [min] Testa colonna centrale Tempo [min]

20 Analisi globale della struttura

21 Analisi per sottostrutture L obiettivo dell analisi per sottostrutture è quello di cogliere la risposta strutturale in caso di incendio dell intero organismo strutturale attraverso la modellazione di parti significative della struttura allo scopo di diminuire l onere computazionale. Scelta della sottostruttura Le possibili sottostrutture possono essere numerose e si differenziano per: DIMENSIONE CONDIZIONI AL CONTORNO Esse devono essere definite con lo scopo di riuscire a cogliere al meglio le rigidezze attivate dalle dilatazioni termiche indotte dall incendio, che insieme a queste ultime determinano l entità delle azioni indirette. Nelle normative non vengono fornite indicazioni specifiche inerenti le modalità di definizione delle condizioni al contorno nelle zone di separazione tra l elemento o la sottostruttura e la restante parte della struttura stessa, lasciando questo compito alla sensibilità del progettista. Procedura raccomandate nel testo Design of Steel Structures subjected to Fire di Franssen e Zaharia:

22 Analisi per sottostrutture SCENARIO DI INCENDIO 1 DIMENSIONE CONDIZIONI AL CONTORNO Sottostruttura b1 Sottostruttura b2

23 SCENARIO DI INCENDIO 2 Analisi per sottostrutture Sottostruttura b1 Sottostruttura b2 Sottostruttura b3 Sottostruttura c1 Sottostruttura c2 Sottostruttura c3

24 SCENARIO DI INCENDIO 1 Analisi per sottostrutture

25 SCENARIO DI INCENDIO 2 Analisi per sottostrutture

26 Analisi per singoli elementi Momento Flettente [knm] Momento resistente Momento Momento resistente resistente Momento Momento Momento sollecitante sollecitante NSd = kn NSd = kn t = 180 min Riserva di resistenza t = 120 min Tempo [min] Tempo [min] Momento Momento Flettente Flettente [knm] [knm] Momento Momento resistente resistente Momento Momento sollecitante sollecitante t = 111 min NSd = kn 1200 Momento Flettente [knm] Momento resistente 800 Momento sollecitante t = 180 min 400 Tempo [min] Momento Flettente [knm] 600 Momento resistente Momento sollecitante 400 t = 111 min 200 Tempo [min] Momento Flettente [knm] Momento resistente 1800 Momento sollecitante 1200 NSd = kn Momento Flettente [knm] Momento Flettente [knm] Momento resistente 1800 Momento resistente Riserva di resistenza 1800 Momento sollecitante Momento Tempo NSd = [min] kn NSd = kn Tempo [min] Riserva di resistenza Riserva di resistenza t = 120 min Tempo 200 [min] 0 0 Tempo [min] Tempo [min]

27 Conclusioni Prestazioni in caso di incendio: le strutture composte presentano una resistenza al fuoco intrinseca alla tipologia strutturale, fornita dell elevata inerzia termica del calcestruzzo. Capacità di ridistribuzione delle sollecitazioni: significative riserve di resistenza possono essere evidenziate rimuovendo l ipotesi di piccoli spostamenti: infatti le analisi effettuate mostrano che, durante l incendio, la struttura riesce a sopportare il carico anche grazie a configurazioni d equilibrio nei grandi spostamenti, con sviluppo del cosiddetto effetto catena. Importanza degli effetti iperstatici e delle sollecitazioni indotte: infatti, le due strutture manifestano tempi di collasso in condizioni di incendio non molto dissimili, nonostante la differente sovraresistenza delle colonne (gerarchia delle resistenze e stato limite di danno). Il risultato che il telaio avente sezioni meno resistenti (zona 4) manifesti un tempo di esposizione al fuoco quasi uguale a quello del telaio con le sezioni più resistenti (zona 2) è legato all entità delle sollecitazioni prodotte dalle dilatazioni termiche impedite, che risultano più levate nel caso del telaio con colonne più rigide. Analisi per sottostrutture: l affidabilità delle analisi per sottostrutture è dipendente dalle scelte effettuate nella definizione della sottostruttura stessa. Particolarmente significativo è il caso delle sottostrutture b2 e c2 dello scenario d incendio 2, per le quali la presenza del vincolo traslazionale orizzontale nei nodi I ed N tende a consentire uno sviluppo più ampio dell effetto catena sulla trave riscaldata con conseguente sopravvalutazione della durata di resistenza al fuoco della struttura. Analisi semplificate per singoli elementi: L analisi per singoli elementi, che non tiene in conto le sollecitazioni che nascono per effetto delle dilatazioni termiche impedite, può portare a risultati conservativi con scenari di incendio più compartimentati, in cui tali effetti sono meno importanti. Invece risulta a svantaggio di sicurezza nel caso di scenari più coinvolgenti, in cui gli effetti iperstatici non sono trascurabili.

28 EFFETTI DELL INCENDIO SU STRUTTURE IN ACCIAIO ED ACCIAIO-CALCESTRUZZO

29 INCENDIO REALE DI UN EDIFICIO DI ACCIAIO Windsor Building, Madrid (106 m e 32 piani) Tipologia di costruzione Resistenza all incendio Incendio Danni Nucleo di calcestruzzo armato; solette di piano sostenute da colonne in calcestruzzo armato e travi metalliche; colonne di acciaio perimetrali, che risultavano non protette al di sopra del 17 piano al momento dell incendio. Protezione passiva. Senza sprinklers 12 Febbraio 2005: l incendio inizia al 21 piano, diffondendosi in tutti i piani al di sopra del 2. Durata di ore circa. Ampi collassi dei solai al di sopra del 17 piano. L edificio è molto danneggiato dalle fiamme. Instabilità locale delle colonne perimetrali.

30 PROVE SPERIMENTALI SU ELEMENTI SINGOLI Consentono di verificare l applicabilità dei metodi di calcolo a freddo al calcolo delle membrature in caso di incendio, a patto di tener conto della riduzione di resistenza dei materiali e di alcuni correttivi.

31 PROVA SPERIMENTALE DI INCENDIO SU EDIFICIO CARDINGTON (UK) Edificio in scala reale di 8 piani, altezza 35 m, pianta rettangolare di circa 1000 m 2 per piano. Struttura portante metallica con solai e travi composte acciaio-calcestruzzo. Vari tipi di incendi: localizzati ed in grandi compartimenti.

32 PROVA INCENDIO SU EDIFICIO IN CARDINGTON (UK) Colonne di acciaio con solette e travi composte acciaio-calcestruzzo

33 PROVA INCENDIO SU EDIFICIO IN CARDINGTON (UK) Protezioni totali o parziali degli elementi strutturali e dei nodi

34 PROVA INCENDIO SU EDIFICIO IN CARDINGTON (UK) Slab deflection after test Date: 23th January Solette composte acciaio-calcestruzzo: grandi spostamenti e sviluppo dell effetto membrana

35 PROVA INCENDIO SU EDIFICIO IN CARDINGTON (UK) Instabilità locale della flangia della colonna Instabilità locale della flangia della trave (assenza di protezione) Schiacciamento delle colonne di acciaio in corrispondenza del nodo (non protetto)

36 PROVA INCENDIO SU EDIFICIO IN CARDINGTON (UK) D2 E2 N D1 E1 Instabilità locale delle travi Effetto dei rivestimenti protettivi

37 PROVA INCENDIO SU EDIFICIO IN CARDINGTON (UK) Crisi a taglio delle travi D2 E2 N D1 E1

38 PROVA INCENDIO SU EDIFICIO IN CARDINGTON (UK) Temperatura nelle connessioni interne (trave-trave) Fin plate Beam low er flange (mid-span) D2 E Temperature, C fin-plate (4th bolt-row ) fin plate (1st bolt row ) 4th bolt-row 3rd bolt-row 1st bolt-row 800 Beam w eb 600 D1 N E Time, min

39 PROVA INCENDIO SU EDIFICIO IN CARDINGTON (UK) Temperatura nelle connessioni di bordo (trave-colonna) Header plate D2 E Temperature, C Beam low er flange (mid-span) Plate (4th bolt-row ) plate (1st bolt-row ) 4th bolt-row 1st bolt-row 2nd bolt-row 800 N 600 D1 E Time, min Thermocouples (TC) TC + HSG in Bolt HT Strain Gauges (HSG)

40 PROVA INCENDIO SU EDIFICIO IN CARDINGTON (UK) Osservazioni derivanti dall esame della sperimentazione Sperimentazione su singoli elementi: i metodi di calcolo a freddo possono essere sostanzialmente estesi al calcolo delle strutture in caso di incendio, salvo tener conto della ovvia riduzione di resistenza degli elementi strutturali Importanza della sperimentazione su strutture complesse: le condizioni vincolari e le sollecitazioni variano durante l incendio; l iperstaticità strutturale consente di avere grandi deformazioni, senza tuttavia collasso strutturale. Effetto membrana nelle solette. Collaborazione travi-impalcato. Vulnerabilità colonne senza protezione. Connessioni trave-trave e trave-colonna.

41 INCENDIO DEL NUOVO PALAZZO DI GIUSTIZIA DI NAPOLI

42 INCENDIO DEL NUOVO PALAZZO DI GIUSTIZIA DI NAPOLI

43 INCENDIO DEL NUOVO PALAZZO DI GIUSTIZIA DI NAPOLI

44 PROVA INCENDIO SU IMPALCATO COMPOSTO (CTICM)

45 PROVA INCENDIO SU IMPALCATO COMPOSTO (CTICM)

46 DANNI PRODOTTI DALL INCENDIO IN STRUTTURE DI CALCESTRUZZO ARMATO

47 DANNI PRODOTTI DALL INCENDIO In seguito all esposizione al fuoco, gli elementi strutturali in calcestruzzo possono essere soggetti allo scheggiamento degli inerti, alla fessurazione e anche allo sfaldamento. Lo scheggiamento degli inerti è provocato dallo scoppio o dalla frantumazione dei granuli degli inerti, a causa delle trasformazioni fisiche e chimiche che avvengono alle alte temperature. La fessurazione è provocata da sforzi di coazione in seguito alle differenti dilatazioni termiche collegate alla distribuzione non uniforme del calore nella sezione trasversale dell elemento. Lo sfaldamento è il distacco di strati o frammenti di calcestruzzo di svariate dimensioni e si verifica in seguito a un esposizione al fuoco di notevole durata. È influenzato dalla frantumazione e fessurazione del calcestruzzo e si verifica, con maggiore probabilità, in presenza di stati tensionali di rilevante entità. Le esplosioni interne dipendono dagli sforzi di trazione, causati dal vapore acqueo, e dalle deformazioni impedite che si verificano inevitabilmente durante l incendio.

48 INDICATORI INDIRETTI DELLA ENTITA DELL INCENDIO Profondità di carbonizzazione di elementi in legno Cavi in PVC bruciati (T > 300 C) Fusione dell alluminio (T > 650 C) Fusione del vetro (T > 1000 C) Rete di fessure sulla superficie di calcestruzzo (profondità di circa 2 cm a T=1000 C ca.) Presenza di materiale incombusto etc.

49 Insufficienza del collegamento tra trave e pilastro in c.a. realizzati in tempi successivi

50 Insufficienza del collegamento tra trave e pilastro in c.a. realizzati in tempi successivi

51 Insufficienza del collegamento tra trave e pilastro in c.a. realizzati in tempi successivi

52 SOLAIO DI COPERTURA ESPULSIONE COPRIFERRO A CAUSA DELLA CORROSIONE DELLE ARMATURE E DISTACCO FONDELLI DI LATERIZIO

53 SOLAIO DI COPERTURA ESPULSIONE COPRIFERRO A CAUSA DELLA CORROSIONE DELLE ARMATURE E DISTACCO FONDELLI DI LATERIZIO

54 DANNI AD UN SOLAIO DI COPERTURA PER ESPULSIONE COPRIFERRO A CAUSA DELLA CORROSIONE DELLE ARMATURE

55 DANNI AD UN SOLAIO DI COPERTURA PER ESPULSIONE COPRIFERRO A CAUSA DELLA CORROSIONE DELLE ARMATURE

56 DANNI AD UN SOLAIO DI COPERTURA PER ESPULSIONE COPRIFERRO A CAUSA DELLA CORROSIONE DELLE ARMATURE

57 INCENDIO IN UNA FABBRICA DI MOBILI

58 EFFETTI DELL INCENDIO

59 EFFETTI DELL INCENDIO

60 EFFETTI DELL INCENDIO SU COPERTURE CON TEGOLI IN C.A.P. Emidio Nigro Notevoli deformazioni plastiche dei tegoli di copertura

61 EFFETTI DELL INCENDIO SU COPERTURE CON TEGOLI IN C.A.P. Emidio Nigro Notevoli deformazioni plastiche dei tegoli di copertura

62 EFFETTI DELL INCENDIO SU COPERTURE CON TEGOLI IN C.A.P. Emidio Nigro Crollo di alcuni tegoli di copertura

63 EFFETTI DELL INCENDIO SU COPERTURE CON TEGOLI IN C.A.P. Emidio Nigro Notevoli deformazioni plastiche dei tegoli di copertura

64 EFFETTI DELL INCENDIO Danneggiamento all estremità delle travi

65 INCENDIO NEL SEMINTERRATO DI UN EDIFICIO

66 EFFETTI DELL INCENDIO

67 EFFETTI DELL INCENDIO

68 EFFETTI DELL INCENDIO

69 EFFETTI DELL INCENDIO

70 Struttura in c.a. danneggiata da un incendio

71 Struttura in c.a. danneggiata da un incendio

72 Struttura in c.a. danneggiata da un incendio

73 Struttura in c.a. danneggiata da un incendio

74 Struttura in c.a. danneggiata da un incendio

75 Struttura in c.a. danneggiata da un incendio

76 Struttura in c.a. danneggiata da un incendio

77 Ringraziamenti Si ringraziano per il supporto fornito alle attività di cui al presente lavoro: Grazie per l attenzione