Fire Behavior of Steel and Composite Floor Systems Gli studi numerici parametrici

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1 Fire Behavior of Steel and Composite Floor Systems Gli studi numerici

2 Indice della presentazione Risultati 2

3 studi Obiettivo Estendere le verifiche del metodo di calcolo semplificato al suo completo dominio di applicazione. Nell attuale approccio dell ingegneria della sicurezza in caso di incendio, tale verifica può essere condotta mediante uno numerico basato sull applicazione dei modelli di calcolo avanzato, in cui alcune caratteristiche specifiche, come l inflessione limite del solaio e l allungamento delle armature di acciaio, possono essere facilmente controllate. Background FRACOF (Test 1) - COSSFIRE (Test 2) test a scala reale con incendio standard FICEB (Test 3) test a scala reale con incendio reale e travi alveolari 3

4 Modello numerico: ANSYS Modelli numerici ad elementi finiti SHELL91: parte solida della soletta composta studi BEAM24 : Colonne in acciaio PIPE16: connessione a taglio tra le travi di acciaio e la soletta composta Beam24 : travi in acciaio, lamiera in acciaio, nervatura della soletta composta 4

5 Modello numerico: SAFIR Modelli numerici ad elementi finiti BEAM Element SHELL Element studi 5

6 Proprieta del solaio composto Modelli numerici ad elementi finiti AcciaioS235 COFRAPLUS60 Proflato trapezoidale della lamiera grecata Calcestruzzo C30/37 Rete di acciaio di armatura di grado di acciaio S mm (R30) 130 mm (R60) 58 mm 101 mm 107 mm 140 mm (R90) 150 mm (R120) 62 mm studi 6

7 Proprietà termo-meccaniche (1/2) Modelli numerici ad elementi finiti Proprieta termo-meccaniche del materiale Calcestruzzo: Proprieta termiche dal EC4-1.2 Peso specifico in accordo con quanto riportato nel EC4-1.2 Criterio di plasticita Drucker-Prager Fattore di riduzione (EC4-1.2): studi Temperature [ C] 7

8 Proprietà termo-meccaniche (2/2) Modelli numerici ad elementi finiti Proprieta termo-meccaniche del materiale acciaio: Proprieta termiche dal EC3-1.2 Peso specifico (ρ a = 7850 kg/m 3 ) Relazione tensioni-deformazioni: studi Stress [MPa] Strain 20 C 100 C 200 C 300 C 400 C 500 C 600 C 700 C 800 C 900 C 1000 C 1100 C 1200 C 8

9 Validazione del modello numerico ANSYS vs Test 1 (1/2) Confronto delle temperature (Analisi termiche) C B A modelli numerici C B A Travi secondarie non protette Travi secondarie protette C B A E D C A F B studi Travi principali protette Soletta composta 9

10 Validazione del modello numerico ANSYS vs Test 1 (2/2) Confronto delle inflessioni, t= 120 min (Analisi strutturali) Distribuzione della temperatura negli elementi strutturali modelli numerici studi Displacement (mm) Configurazione deformata del solaio Central part Mid-span of of of the floor unprotected beams central secondary beams Mid-span of protected primary beams Test Simulation Mid-span of protected edge secondary beams Time (min) 10

11 Validazione del modello numerico SAFIR vs Test 1 (1/2) Confronto delle temperature (Analisi termiche) C B A modelli numerici Travi secondarie non protette studi E D C A F B Soletta composta 11

12 Validazione del modello numerico SAFIR vs Test 1 (2/2) Confronto delle inflessioni (Analisi strutturali) Membrane Force - Membrane Force + modelli numerici t =194 sec t = sec studi 12

13 Validazione del modello numerico SAFIR vs Test 2 (1/2) Confronto delle temperature (Analisi termiche) C B A modelli numerici Travi secondarie non protette E D C A F B studi Soletta composta 13

14 Validazione del modello numerico SAFIR vs Test 1 (2/2) Confronto delle inflessioni (Analisi strutturali) Membrane Force - Membrane Force + modelli numerici t =67.5 sec t = sec studi 14

15 Validazione del modello numerico SAFIR vs Test 3 (1/3) Confronto delle temperature (Analisi termiche) modelli numerici Travi secondarie non protette studi Soletta composta 15

16 Validazione del modello numerico SAFIR vs Test 3 (2/3) Modellazione dell instabilita dell anima della trave 1,0 modelli numerici Reduction factors (x 1E-3) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 k ay,θ k Ea,θ k ap,θ Temperature ( C) studi Reduction factors 1 0,8 0,6 0,4 0,2 k Ea,θ k ap,θ k ay,θ Temperature ( C) 16

17 17 Membrane Force - Membrane Force + Confronto delle inflessioni (Analisi strutturali) Validazione del modello numerico SAFIR vs Test 3 (3/3) modelli numerici studi

18 (1/4) Maglia strutturale di un edificio reale Condizioni di vincolo Modello in ANSYS studi S1 S3 S4 S2 C O R N E R 9 m 9 m 9 m 9 m L inflessione calcolata dell angolo della maglia con due bordi continui è la più importante tra tutte le quattro maglie. Pertanto, tutte le simulazioni numeriche dello hanno simulato le appropriate condizioni di vincolo nell angolo della campata con due bordi lateralmente vincolati, in modo da simulare la continuità della soletta. S1 S3 S2 S4 18

19 (2/4) Misure di campate investigate: Travi secondarie intermedie non protette Travi principali Travi secondarie protette studi 6 m x 6 m 6 m x 9 m 9 m x 9 m 6 m x 12 m 9 m x 12 m Livelli di carico 7.5 m x 15 m 9 m x 15 m In accordo con la combinazione dei carichi EC0 in caso di azione incendio in edifici adibiti ad uso uffici: G (Carichi Permanenti) Q (Carichi Variabili) G= Peso proprio kn/m² Q= 2.5 & 5 kn/m² 19

20 (3/4) Collegamento meccanico tra la soletta e le colonne: Soletta in cls Soletta in cls Slab-panel Slab-panel Colonna Trave Connessione Colonna Trave studi a taglio Connessione a taglio 20

21 (4/4) Durata dell incendio: R30, R60, R90 and R120 Temperature [ C] R30 R60 R90 R120 studi Time [min] 21

22 Risultati dello (1/5) Confronto dell inflessione calcolata dal metodo di calcolo avanzato con la massima inflessione consentita in accordo al metodo di calcolo semplificato (SDM) con il collegamento meccanico tra soletta e colonne Safe SDM limit [mm] Unsafe studi R 30 R 60 R 90 R Advanced numerical model [mm] 22

23 SDM limit [mm] Risultati (2/5) Confronto dell inflessione calcolata con il modello di calcolo avanzato con l inflessione massima consentita in accordo al Metodo di Calcolo Semplificato, senza connessione meccanica tra soletta e colonne. Safe 10% Unsafe studi R 30 R 60 R 90 R Advanced numerical model [mm] 23

24 Risultati (3/5) Limite di inflessione totale del solaio studi 24

25 3 Risultati (4/5) Rapporto tra il tempo in cui l inflessione calcolata raggiunge 1/30 della luce e la resistenza al fuoco calcolata in accordo al Metodo di Calcolo Semplificato. 6m x 6m 6m x 9m 9m x 9m 6m x 12m 9m x 12m 7.5m x 15m 9m x 15m studi t Span/30 / t Fire Resistance 2 1 0,5 2,5 4,5 6,5 8,5 10,5 12,5 14,5 R 30 R 60 R 90 R

26 Risultati (5/5) Allungamento massimo delle barre d armature studi 5% 4% 3% 2% 1% 0% Max. mechanical strain of reinforcing steel 6m x 6m 6m x 9m 9m x 9m 6m x 12m 9m x 12m 7.5m x 15m 9m x 15m 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 R 30 R 60 R 90 R 120 L allungamento della rete di armatura di acciaio rimane sotto il 5% requisito di minimo allungamento raccomandato da EN

27 studi Per quanto riguarda la capacità portante, il metodo di calcolo semplificato fornisce risultati conservativi rispetto a quelli forniti dai modelli di calcolo avanzato; L allungamento della rete di armatura di acciaio rimane sotto il 5%, che è il requisito di minimo allungamento raccomandato da EN per tutti i tipi di armatura di acciaio; Il collegamento meccanico tra la soletta e le colonne non è necessario; tuttavia, questo dettaglio costruttivo può ridurre l inflessione del sistema di solaio composto in condizioni di incendio; I risultati dello mostrano che il metodo di calcolo semplificato è in grado di valutare in maniera sicura le prestazioni strutturali dei solai composti acciaio-calcestruzzo soggetti alle condizioni di incendio ISO. 27