Appunti del Corso di Progettazione Strutturale Antincendio.
Prof. Ing. Franco Bontempi
A.A.2016/17
Facolta' di Ingegneria Civile e Industriale
Universita' degli Studi di Roma La Sapienza
1. STRUCTURAL ASPECTS
FOR FIRE ACTION
Corso di Progettazione Strutturale Antincendio
A.A. 2016/17
Franco Bontempi
Professore Ordinario di Tecnica delle Costruzioni
Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale
Sapienza Università di Roma
franco.bontempi@uniroma1.it
PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 1
57. ANALISI DELLE SINGOLE MEMBRATURE
• Ripristino di idonee condizioni al contorno.
• Riduzione opportuna delle sollecitazioni ordinarie a freddo (Ed) mediante
un coefficiente riduttivo ηfi,d
• Azioni indirette sull’elemento (quelle derivanti da deformazioni termiche
impedite) solo derivanti da gradienti termici lungo le sezioni strutturali
trascurando le distorsioni termiche assiali o quelle piane.
• L’analisi di singole membrature deve risultare comunque conservativa.
3 rotazioni
3 traslazioni
(K determinato a t = 0)
57PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
60. ANALISI DI PARTI DI STRUTTURE
(K determinato a t = 0
indipendente dal tempo)
3 rotazioni
3 traslazioni
• Ripristino di idonee condizioni al contorno.
• Riduzione opportuna delle sollecitazioni ordinarie a freddo (Ed) mediante
un coefficiente riduttivo ηfi,d
• All’interno della sottostruttura devono essere tenute in conto tutte le azioni
indirette, il decadimento delle proprietà meccaniche dei materiali, le
effettive rigidezze e il possibile meccanismo di collasso.
• Non sono utilizzabili metodi tabellari. Metodi semplificati sono applicabili
solo per incendi nominali. Nel caso di incendi reali, invece, sono consentiti
solo i metodi avanzati.
60PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
61. • Questo tipo di analisi strutturale è
il più completo.
• Può essere effettuato sia con regole
prescrittive che con un approccio
prestazionale.
• Sono utilizzabili solo metodi di
calcolo avanzati, che considerano
le proprietà dei materiali e la loro
variazione con la temperatura, le
distorsioni termiche, il verificarsi
di meccanismi di collasso parziali,
la rigidezza delle membrature.
• Senza dubbio per la loro
applicabilità necessitano di grandi
potenze di calcolo e di una
notevole specializzazione del
progettista.
ANALISI DELLA STRUTTURA INTERA
61PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
62. PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 62
THERMAL
EXPANSION
INDIRECT STRESSES
BOWING EFFECT
CATENARY/MEMBR.
ACTION
possible overloading of elements
higher displacements induced
THERMAL
EFFECTS
A
LARGE
DISPLACEMETS
B
COLLAPSE
MODE
C
LOW RESTRAIN
HIGH RESTRAIN
possible loss of supports
generally beneficial for members
sway collapse
early buckling
Structural analysis issues
100. 0,0E+00
4,0E+05
8,0E+05
1,2E+06
1,6E+06
2,0E+06
2,4E+06
2,8E+06
3,2E+06
3,6E+06
4,0E+06
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
T(°C)
Pcr,Rx(N)
Carico critico Elastico Carico di Snervamento Reazione vincolare p.to A
0,1
0,1
0,0E+00
4,0E+06
8,0E+06
1,2E+07
1,6E+07
2,0E+07
2,4E+07
2,8E+07
3,2E+07
3,6E+07
4,0E+07
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
T(°C)
Pcr,Rx(N)
Carico critico Elastico Carico di Snervamento
Reazione vincolare p.to A Carico critico Elasto-Plastico
0,2
0,2
A
B
2
2
E
E
s
2
st
2
pl
)(E
e
s
Formula di
Shanley
R
2
2
E
L
I)T(E
P
A*)T(P yy s
σ
ε
σP
E
Et
Thermal buckling
101. 0,0E+00
4,0E+05
8,0E+05
1,2E+06
1,6E+06
2,0E+06
2,4E+06
2,8E+06
3,2E+06
3,6E+06
4,0E+06
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
T (°C)
Pcr,Rx(N)
Carico critico Elastico Carico di Snervamento Reazione vincolare p.to A
0,0E+00
5,0E+07
1,0E+08
1,5E+08
2,0E+08
2,5E+08
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
T (°C)
Pcr,Rx(N)
Carico critico Elastico Carico di Snervamento
Reazione vincolare p.to A Carico critico Elasto-Plastico
0,0E+00
5,0E+07
1,0E+08
1,5E+08
2,0E+08
2,5E+08
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
T (°C)
Pcr,Rx(N)
Carico critico Elastico fuori grafico Carico di Snervamento
Reazione vincolare p.to A Carico critico Elasto-Plastico
0,0E+00
4,0E+06
8,0E+06
1,2E+07
1,6E+07
2,0E+07
2,4E+07
2,8E+07
3,2E+07
3,6E+07
4,0E+07
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
T (°C)
Pcr,Rx(N)
Carico critico Elastico Carico di Snervamento
Reazione vincolare p.to A Carico critico Elasto-Plastico
Punto Sezione T ( °C ) Modalità di collasso
A 0,1x0,1 77 Instabilità di Eulero
B 0,2x0,2 89,5 Instabilità di Shanley
C 0,6x0,6 331 Instabilità di Shanley
D 0,8x0,8 1000 Non collasso
D
C
B
A Sezione 0,1x0,1 Sezione 0,2x0,2
Sezione 0,6x0,6 Sezione 0,8x0,8
Thermal buckling
102. PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 102
THERMAL
EXPANSION
INDIRECT STRESSES
BOWING EFFECT
CATENARY/MEMBR.
ACTION
possible overloading of elements
higher displacements induced
THERMAL
EFFECTS
A
LARGE
DISPLACEMETS
B
COLLAPSE
MODE
C
LOW RESTRAIN
HIGH RESTRAIN
possible loss of supports
generally beneficial for members
sway collapse
early buckling
Structural analysis issues
104. MotivationProblemsApproachandmethodology
WHEN DISPLACEMENT ARE LARGE
THESE BEAMS BEHAVE DIFFERENTLY
UNDER VERTICAL LOADS
L
horizontally restrained
L
simply supported
1. A vertically loaded simply supported beam is exposed to fire. The sliding support:
a. will stay still
b. will move to the right (toward the outside)
c. will move to the left (toward the other support)
2. What would happen if the beam were horizontally restrained instead?
B. Large displacements
105. MotivationProblemsApproachandmethodology
1. A vertically loaded simply supported beam is exposed to fire. The sliding support:
a. will stay still
b. will move to the right (toward the outside)
c. will move to the left (toward the other support)
2. What would happen if the beam were horizontally restrained instead?
L
horizontally restrained
L
simply supported
N N
d
first expansion
then contraction
first compression
then tension
B. Large displacements
110. PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 110
THERMAL
EXPANSION
INDIRECT STRESSES
BOWING EFFECT
CATENARY/MEMBR.
ACTION
possible overloading of elements
higher displacements induced
THERMAL
EFFECTS
A
LARGE
DISPLACEMETS
B
COLLAPSE
MODE
C
LOW RESTRAIN
HIGH RESTRAIN
possible loss of supports
generally beneficial for members
sway collapse
early buckling
Structural analysis issues
111. B. Collapse mode: sway / non sway
Denmark 2013 Romania 2010
Alexandru Dondera, MSc thesis, 2013PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 111
115. SWAY: prevede lo svio; è
potenzialmente capace di
coinvolgere strutture vicine,
con la possibilità di
provocare dei collassi a
catena, ovvero una crisi
progressiva.
NO SWAY: il meccanismo
che non prevede svio del
traverso; presenta un
confinamento del collasso
PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 115
143. PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 143
THERMAL
EXPANSION
INDIRECT STRESSES
BOWING EFFECT
CATENARY/MEMBR.
ACTION
possible overloading of elements
higher displacements induced
THERMAL
EFFECTS
A
LARGE
DISPLACEMETS
B
COLLAPSE
MODE
C
LOW RESTRAIN
HIGH RESTRAIN
possible loss of supports
generally beneficial for members
sway collapse
early buckling
Structural analysis issues
167. Verification of fire resistance (T)
R = structural resistance
T = temperature
t = time
Efi,requ,t
Rfi,d,t
Failure !
Td ≤ Tcr
PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 167
168. ISO Fire - Steel Temperature
PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 168
177. Mechanical Analysis
• The mechanical analysis shall be performed for the
same duration as used in the temperature analysis.
• Verification of fire resistance should be in:
– in the strength domain: Rfi,d,t ≥ Efi,requ,t
(resistance at time t ≥ load effects at time t);
– in the time domain: tfi,d ≥ tfi,requ
(design value of time fire resistance ≥ time required)
– In the temperature domain: Td ≤ Tcr
(design value of the material temperature ≤ critical
material temperature);
177PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
178. Verification of fire resistance (3D)
R = structural resistance
T = temperature
t = time
T=T(t)
R=R(t,T)=R(t,T(t))=R(t)
178PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
179. Verification of fire resistance (R-safe)
R = structural resistance
T = temperature
t = time
Rfi,d,t
Efi,requ,t
179PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
180. Verification of fire resistance (R-fail)
R = structural resistance
T = temperature
t = time
Efi,requ,t
Rfi,d,t
Failure !
180PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
181. Verification of fire resistance (t)
R = structural resistance
T = temperature
t = time
Efi,requ,t
Rfi,d,t
Failure !
tfi,d ≥ tfi,requ
181PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
182. Verification of fire resistance (T)
R = structural resistance
T = temperature
t = time
Efi,requ,t
Rfi,d,t
Failure !
Td ≤ Tcr
182PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO