Università degli studi di Napoli Federico II

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Faustino Spano
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Università degli studi di Napoli Federico II Tesi di Laurea Specialistica Ingegneria Strutturale e Geotecnica MODELLI DI CALCOLO AVANZATI PER L ANALISI IN CASO DI

1 Università degli studi di Napoli Federico II Tesi di Laurea Specialistica Ingegneria Strutturale e Geotecnica MODELLI DI CALCOLO AVANZATI PER L ANALISI IN CASO DI INCENDIO DI STRUTTURE METALLICHE Relatore Ch.mo prof. ing. Emidio NIGRO Correlatore ing. Giuseppe CEFARELLI Candidato Domenico SANNINO Matr: 344/133 Anno Accademico 2009/2010

2 Direttiva 89/106/CEE 21 Dicembre 1988 Requisiti di sicurezza per le costruzioni: resistenza meccanica e stabilità sicurezza in caso di incendio igiene, salute e ambiente sicurezza dell uso protezione contro il rumore energia, economia e rilascio di calore

3 Direttiva 89/106/CEE Ogni requisito viene definito in termini di obiettivi. Con riferimento alla sicurezza in caso di incendio gli obiettivi sono: - la capacità portante delle strutture sia garantita per un determinato periodo di tempo - la produzione e la propagazione di fiamme e di fumi all interno delle costruzioni sia limitata - la propagazione dell incendio alle costruzioni vicine sia limitata - gli occupanti possano abbandonare la costruzione o essere messi in salvo - la sicurezza delle squadre di soccorso sia presa in considerazione

4 Eurocodice 1 parte 1-2 APPROCCIO PRESCRITTIVO Si basa sull utilizzo di curve di incendio nominali. La norma stabilisce le condizioni sufficienti per il raggiungimento del requisito di sicurezza in caso di incendio Temperatura [ K] Tempo [sec] Curva di incendio standard ISO834 APPROCCIO PRESTAZIONALE (Performance Based-Design) Si basa sull utilizzo di curve di incendio naturali. La norma consente di verificare se le prestazioni della struttura portante siano compatibili con gli obiettivi che determinano il raggiungimento del requisito di sicurezza in caso di incendio. Curva di incendio naturale

Modelli di Calcolo Avanzati I software devono possedere capacità in termini: ANALISI TERMICA Non linearità materiale Transitorio termico ANALISI MECCANICA Calore specifico [J/Kg K] 5000 4000 3000

5 Modelli di Calcolo Avanzati I software devono possedere capacità in termini: ANALISI TERMICA Non linearità materiale Transitorio termico ANALISI MECCANICA Calore specifico [J/Kg K] Temperatura [ K] Non linearità geometriche Non linearità meccaniche Influenza del campo termico sulle sollecitazioni Influenza del campo termico sulle proprietà termo-meccaniche dei materiali SOFTWARE basati sul metodo FEM (SAFIR, ABAQUS, ANSYS, STRAUS7)

6 Legame Costitutivo Acciaio EN propone per l acciaio un modello di base del legame costitutivo alle alte temperature θ = temperatura Modulo Tensione Elastico limite di Tensione proporzionalità limite di snervamento

7 Legame Costitutivo Acciaio EN ABAQUS, SAFIR, ANSYS

8 Legame Costitutivo Acciaio EN Legame semplificato elastico perfettamente plastico T<=400 C 0.8 T=500 C T=600 C 0.2 T=700 C T=800 C T=900 C ε ABAQUS, SAFIR, ANSYS STRAUS7

estratto per l analisi strutturale in caso di incendio Acciaio S355

9 CEC Agreement 7210-PR-378, 2001 Modello Strutturale Benchmark Studio di un caso reale Collasso strutturale dovuto ad incendio Modello estratto per l analisi strutturale in caso di incendio Acciaio S355 Travi IPE 450 Colonne IPE 500 Luce 20 m Altezza colonne 5 m Altezza di colmo 5,5 m

Benchmark Scenario di Incendio 1000 1000 Temperatura [ C] 800 600 400 200 0 0 600 1200 1800

10 Benchmark Scenario di Incendio Temperatura [ C] Tempo [sec] Temperatura ( C) Tempo (sec)

11 Risultati Benchmark Tempo Spostamento

Risultati Benchmark Tempo Spostamento Tensione [N/mm^2] 500 400 300 200 100 0 Tensione Von

12 Risultati Benchmark Tempo Spostamento Tensione [N/mm^2] Tensione Von Mises Tensione di proporzionalità Tensione di snervamento Tempo (sec)

13 Progetto C.A.S.E. Complessi Antisismici Sostenibili Ecocompatibili Autorimesse 58 m 22 m Principali Elementi strutturali Piastra di fondazione 50 cm c.a. Pilastri in acciaio Verifica di resistenza al fuoco Isolatori sismici Piastra di sovrafondazione 50 cm c.a

Scenario di incendio localizzato Autorimesse progetto C.A.S.E.

14 Verifica In caso di Incendio (NIGRO et al.) Approccio prestazionale SCELTA SCENARI (INERIS-CTICM) Scenario di incendio localizzato Autorimesse progetto C.A.S.E. ANALISI GLOBALE (SAFIR) ANALISI ELEMENTO (ABAQUS) Scenario di incendio generalizzato

15 Input delle analisi di dettaglio Input termico Input meccanico Temperatura/flusso Sforzo normale INCENDIO STANDARD (ISO834) INCENDIO LOCALIZZATO (HASEMI) Tempo [sec] Sforzo Normale [kn] INCENDIO GENERALIZZATO Tempo [sec] Sforzo Normale [kn]

16 Riassunto Analisi I. STRAUS7 vs. ABAQUS T<=400 C 0.8 T=500 C II. STRAUS7 vs. ABAQUS 0.6 T=600 C T=700 C 0.2 T=800 C 1.0 T<=400 C T=900 C ε T=500 C 0.20 III. STRAUS7 vs. STRAUS T=600 C MODELLO con elementi BRICK T=700 C T=800 C T=900 C ε T<=400 C T=500 C T=600 C MODELLO con elementi PLATE T=700 C T=800 C T=900 C IV. STRAUS7 vs. STRAUS7 vs. STRAUS7 Brick Plate Beam ε

17 Curva di incendio ISO834 I. STRAUS7 vs. ABAQUS LEGAMI COSTITUTIVI PER L ACCIAIO DIFFERENTI Analisi Termica Analisi termica Carichi Analisi Meccanica

18 I. STRAUS7 vs. ABAQUS LEGAMI COSTITUTIVI PER L ACCIAIO DIFFERENTI

19 I. STRAUS7 vs. ABAQUS Scenario di incendio Localizzato LEGAMI COSTITUTIVI PER L ACCIAIO DIFFERENTI Analisi Termica Analisi termica Carichi Sforzo Normale [kn] Tempo [sec] Analisi Meccanica

2800 2400 2000 Carichi 1600 1200 800 400 Tempo

20 I. STRAUS7 vs. ABAQUS LEGAMI COSTITUTIVI PER L ACCIAIO DIFFERENTI Scenario di Incendio Generalizzato Analisi Termica Analisi termica Carichi Tempo [sec] Sforzo Normale [kn] Analisi Meccanica

21 II. STRAUS7 vs. ABAQUS LEGAMI COSTITUTIVI PER L ACCIAIO IDENTICI Curva di Incendio Iso834 Scenario di Incendio Localizzato Scenario di Incendio Generalizzato

22 III. BRICK vs. PLATE LEGAMI COSTITUTIVI PER L ACCIAIO DIFFERENTI Curva di incendio ISO834 Analisi Termica Analisi termica Carichi Analisi Meccanica

23 III. STRAUS7vs. STRAUS7 Differente tipologia di elemento finito adoperato nella mesh

24 III. STRAUS7vs. STRAUS7 Differente tipologia di elemento finito adoperato nella mesh Scenario di Incendio Localizzato Scenario di Incendio Generalizzato

25 IV. Brick vs. Plate vs. Beam Spostamento DZ [mm] Scenario di Incendio Localizzato Straus_brick Straus_beam 24 Straus_plate Tempo [sec] Spostamento [mm] Curva di Incendio Iso834 Straus_brick Straus_beam Straus_plate Tempo [sec] Spostamento DZ [mm] Scenario di Incendio Generalizzato Straus_beam Straus_plate Straus_brick Tempo [sec]

26 CONCLUSIONI Influenza legame costitutivo semplificato in condizioni di incendio Corretta individuazione del collasso strutturale Differenza nella ridistribuzione di tensione Differenza valutazione campi deformativi e spostamenti residui Modellazione con elementi di tipo Beam Trascura i fenomeni di instabilità locale Trascura i fenomeni di crisi localizzata Trascura le concentrazioni localizzate di tensione Modellazione con elementi di tipo Plate Analisi termica coerente con modello Brick Eccessive concentrazioni di tensione Modellazione con elementi di tipo Brick Analisi termica completa Individua tutti i fenomeni di tipo localizzato

27 GRAZIE PER L ATTENZIONE

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