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VERIFICHE STRUTTURALI
PORDENONE
Seminario Tecnico
LA STATICA DEGLI ALLESTIMENTI
TEMPORANEI PER EVENTI
Quadro normativo e verifiche di sicurezza
Ing. Stefania [email protected]
[email protected]
ROMA – 10 Ottobre 2014
Ingegnere strutturista
Presidente della Commissione “Strutture tipologiche” dell’Ordine degli Ingegneri della Provincia di Roma
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Structure of Next Generation – Energy harvesting and Resilience
Spin-off di Ricerca – www.stronger2012.com
• Progettazione, adeguamento e ottimizzazione di
strutture nuove ed esistenti
Modellazione numerica avanzata
• Approccio ingegneristico alla progettazione di
strutture in caso di incendio
• Ingegneria Forense
• Ricerca e sviluppo
Resilienza
Sostenibilità e recupero energetico
Soluzioni innovative per l’Ingegneria Strutturale
ATTIVITA’
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La commissione “Strutture tipologiche”
dell’Ordine degli Ingegneri della Provincia di Roma
Temi
• Problematiche legate alle strutture temporanee per lo spettacolo
• Modellazione a elementi finiti di strutture civili
• Norme tecniche e problemi applicativi
• Strutture speciali
• Materiali innovativi
• Vulnerabilità delle costruzioni ai fenomeni geologici e idrogeologici
• Life Cycle Engineering
• …
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Introduzione
Quadro normativo nazionale ed internazionale
Parte I
Verifiche di sicurezza
Parte II
Comportamento dell’alluminio in caso di incendio
Conclusioni
OUTLINE
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Introduzione
Quadro normativo nazionale ed internazionale
Parte I
Verifiche di sicurezza
Parte II
Comportamento dell’alluminio in caso di incendio
Conclusioni
OUTLINE
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INTRODUZIONE: REQUISITI STRUTTURALI
Le strutture temporanee per eventi devono garantire gli stessi requisiti
strutturali delle altre strutture
• Resistenza meccanica e stabilità
• FunzionalitàLa struttura deve poter essere usata con un adeguato livello di affidabilità per
lo scopo per la quale è stata costruita durante tutta la vita utile di progetto
• RobustezzaConsiste nella capacità di evitare, nel caso di eventi eccezionali quali incendi,
esplosioni, urti o conseguenze di azioni antropiche, danni sproporzionati
rispetto all’entità delle cause innescanti
• DurabilitàLa struttura deve mantenere invariate, al trascorrere del tempo, le
caratteristiche fisiche e meccaniche dei materiali e delle strutture
• Resistenza al fuoco
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QUADRO NORMATIVO A LIVELLO EUROPEO
Dal punto di vista delle strutture portanti nell’Unione Europea, il quadro
normativo è caratterizzato da due famiglie di norme:
• Norme di prodotto: (Norme armonizzate – Enh, o Benestari
Tecnici Europei – BTE) che “armonizzano” le norme degli stati
membri per quanto riguarda le caratteristiche richieste ai materiali
e prodotti da costruzione;
Costituiscono il riferimento per la marcatura CE sui prodotti da
costruzione (secondo Direttiva 89/106/CE)
Per esempio:EN 485 Alluminio e leghe: fogli, strisce e piastre
EN 755 Alluminio e leghe: barre, tubi e profili estrusi
• Norme di progetto delle opere: Eurocodici strutturali, non
cogenti, che richiedono per la loro compiuta applicazione
dell’elaborazione di specifiche premesse e appendici nazionali
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EUROCODICI STRUTTURALI
1975 Sulla base dell’art. 95 del Trattato CE (avvicinamento delle
legislazioni) la Commissione delle Comunità Europee decide di
attuare un programma di azioni nel settore delle costruzioni
Armonizzazione delle specifiche tecniche
EUROCODICI STRUTTURALI
Confronto e integrazione di diversi
approcci, tecnologie, usi e materiali
1992 Pubblicazione dei primi Eurocodici sperimentali (indicati con la
sigla ENV)
1998 - 2006 Eurocodici sperimentali
ENV
Eurocodici
Norme Europee EN
Dopo un periodo transitorio, la completa entrata in vigore come standard
europeo era prevista per Marzo 2010….
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EUROCODICI STRUTTURALI: CONTENUTI
Eurocodice Contenuto
UNI EN 1990 Criteri generali di progettazione strutturale.
Stabilisce i principi e requisiti per la sicurezza. Introduce
l’approccio agli stati limite e il metodo dei coefficienti parziali.
UNI EN 1991: EC 1 Azioni sulle strutture
UNI EN 1992: EC 2 Strutture in cemento armato
UNI EN 1993: EC 3 Strutture in acciaio: edifici, generalità, fuoco, strutture sottili,
acciaio inossidabile, strutture piane, unioni, fenomeni di fatica,
ponti
UNI EN 1994: EC 4 Strutture miste acciaio- calcestruzzo: edifici, generalità, fuoco,
ponti
UNI EN 1995: EC 5 Strutture in legno: edifici, generalità, fuoco, ponti
UNI EN 1996: EC 6 Strutture in muratura: muratura armata e non, fuoco, esecuzione
UNI EN 1997: EC 7 Geotecnica, fondazioni e opere di sostegno
UNI EN 1998: EC 8 Strutture in zona sismica
UNI EN 1999: EC 9 Strutture in alluminio
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ORGANIZZAZIONE E COLLEGAMENTI TRA GLI EUROCODICI
EN 1990
EN 1998EN 1997
EN 1991
EN 1992 EN 1993 EN 1994
EN 1995 EN 1996 EN 1999
Basi della progettazione
Azioni sulle strutture
Progettazione
strutturale
Progettazione
geotecnica e sismica
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IN ITALIA: NTC 2008
CAPITOLO 2:
SICUREZZA E
PRESTAZIONI
ATTESE
CAPITOLO 9:
COLLAUDO STATICO
CAPITOLO 10:
REDAZIONE DEI
PROGETTI
STRUTTURALI
ESECUTIVI E DELLE
RELAZIONI DI
CALCOLO
CAPITOLO11:
MATERIALI E
PRODOTTI PER USO
STRUTTURALE
III III IV
CAPITOLO 3:
AZIONI SULLE
COSTRUZIONI
CAPITOLO 4:
COSTRUZIONI
CIVILI E
INDUSTRIALI
CAPITOLO 5:
PONTI
CAPITOLO 6:
PROGETTAZIONE
GEOTECNICA
CAPITOLO 7:
PROGETTAZIONE PER
AZIONI SISMICHE
CAPITOLO 8:
COSTRUZIONI
ESISTENTI
La Norma è articolata in 12 Capitoli
Non sono trattate
le strutture in alluminio
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RELAZIONE TRA NTC E EUROCODICI
NTC 2008. Cap. 1 – Oggetto
“Circa le indicazioni applicative per l’ottenimento delle prescritte prestazioni, per
quanto non espressamente specificato nel presente documento, ci si può
riferire a normative di comprovata validità e a altri documenti tecnici elencati nel
Cap. 12. In particolare quelle fornite dagli Eurocodici con le relative Appendici
nazionali costituiscono indicazioni di comprovata validità e forniscono il
sistematico supporto applicativo delle presenti norme.”
NTC 2008. Cap. 12 – Riferimenti tecnici
“Per quanto non diversamente specificato nella presente norma, si intendono
coerenti con i principi alla base della stessa, le indicazioni riportate nei
seguenti documenti:
- Eurocodici strutturali pubblicati dal CEN, con le precisazioni riportate nelle
Appendici Nazionali o, in mancanza di esse, nella forma internazionale EN;
- Norme UNI EN armonizzate i cui riferimenti siano pubblicati su Gazzetta
Ufficiale dell’Unione Europea;
- Norme per prove, materiali e prodotti pubblicate da UNI.”
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RIFERIMENTI NORMATIVI INTERNAZIONALI
Strutture in alluminio
• EN 1999-1-1 EUROCODE 9 – Design of aluminium structures
• BS 8118 – British Standard – The structural use of aluminium
Trattano la progettazione delle strutture in alluminio ma non sono riferite in modo
specifico alle strutture temporanee per eventi
Strutture temporanee in alluminio per eventi
• ANSI E1.2 - American National Standards Institute – Design, manufacture and
use of aluminium trusses and towers
• BS 7904 – Specification for the design and manufacture of aluminium and steel
trusses and towers
• BS 7905 – Code of practice for the use of aluminium and steel trusses and
towers
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Introduzione
Quadro normativo nazionale ed internazionale
Parte I
Verifiche di sicurezza
Parte II
Comportamento dell’alluminio in caso di incendio
Conclusioni
OUTLINE
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VERIFICHE DI SICUREZZA
La sicurezza e le prestazioni di un’opera devono essere valutate in relazione
agli stati limite che si possono verificare durante la vita nominale
STATO LIMITE: condizione superata la quale l’opera non soddisfa più le
esigenze per le quali è stata progettata
Le opere devono possedere i seguenti requisiti:
• sicurezza nei confronti di stati limite ultimi (SLU): capacità di evitare
crolli, perdite di equilibrio e dissesti gravi
• sicurezza nei confronti di stati limite di esercizio (SLE): capacità di
garantire le prestazioni previste per le condizioni di esercizio
• sicurezza nei confronti di azioni eccezionali: capacità di evitare
danni sproporzionati rispetto all’entità delle cause innescanti quali
incendio, esplosioni, urti
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VERIFICHE DI SICUREZZA: METODO SEMIPROBABILISTICO
La probabilità di collasso è rappresentata dall’area di sovrapposizione
𝑅𝑑 = 𝑓 𝑅𝑘
𝛾𝑀; 𝑎𝑑 𝐸𝑑 = 𝑓 𝐹𝑘𝑖 ∙ 𝛾𝐹𝑖 ;𝑎𝑑 ;𝜓𝑖
La sicurezza non è una grandezza facilmente calcolabile in modo
deterministico. I carichi e le resistenze dei materiali sono grandezze aleatorie
affette da incertezze.
Una struttura viene giudicata sicura quando ha una probabilità adeguatamente
bassa di collassare
resistenza effetti carichi
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AZIONI AGENTI SULLE STRUTTURE TEMPORANEE PER EVENTI
• Carichi permanenti G
Permanenti strutturali G1:
peso proprio delle strutture
Permanenti non strutturali G2:
attrezzature audiovisive
• Variabili naturali (strutture outdoor)
• No sisma
• In genere non si considera il comportamento in caso di incendio
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CARATTERISTICHE DELL’ALLUMINIO
• Leggero
Ogni elemento può essere movimentato da due persone – facilmente
trasportabile per eventi temporanei
• Resistente alla corrosione
(usato per navi e componenti di strutture offshore)
• Versatile
• Riciclabile per infinite volte senza riduzione delle caratteristiche
meccaniche
• Lavorabilità: e’ identica a quella di altri metalli ma per il basso punto
di fusione e’ possibile la produzione per estrusione consentendo di
ottenere una gamma illimitata di sezioni
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RESISTENZA: COMPORTAMENTO MECCANICO DELL’ALLUMINIO
I vari tipi di alluminio hanno proprietà molto differenti.
Il comportamento non può essere schematizzato elastico-perfettamente
plastico come per l’acciaio
fp: limite elastico di proporzionalità
1) Elasto-plastico incrudente a tratti 2) Modello di Baehre
elastico inelastico incrudente
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3) Modello continuo di Ramberg- Osgood
• f0: limite elastico convenzionale
• B: parametro determinato
sperimentalmente
• n: esponente legato alla tasso di
deformazione nel ramo incrudente
RESISTENZA: COMPORTAMENTO MECCANICO DELL’ALLUMINIO
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RESISTENZA: COMPORTAMENTO MECCANICO DELL’ALLUMINIO
Proprietà meccaniche
AW 6082
T6f0.2 = 260 MPa fu = 310 MPa E = 70000 N/mm2 = 2700 kg/m3 α = 23,4 x 106/C
S 235 fy = 235 MPa fu = 360 MPa E = 210000 N/mm2 = 7850 kg/m3 α = 12 x 106/C
AW 6082 T6
Alluminio con
Mg e Si
Stato indurito per trattamento
termico, invecchiato artificialmente
• Non ci sono grandi differenze in termini di resistenza
• Modulo elastico più basso (materiale molto più deformabile)
• Coefficiente di allungamento termico molto più elevato
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SCHEMI STATICI UTILIZZATI NELLE STRUTTURE TEMPORANEE
Gli elementi sono collegati tra loro mediante
appositi dispositivi.
Gli elementi vengono considerati generalmente
incernierati tra di loro e incernierati o incastrati a
terra.
La scelta di schemi statici coerenti con quanto effettivamente realizzato
e’ di fondamentale importanza!
cerniera o nodo rigido
cerniera o incastro
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VERIFICHE DI SICUREZZA: HEAT AFFECTED ZONES
L’effetto delle saldature tra i vari elementi dei tralicci deve
essere valutato con attenzione: il materiale in prossimità
della saldatura viene esposto a un calore significativo che
riduce la resistenza della zona.
L’estensione della zona (heat affected zone – haz) e’
indicato nei codici normativi
𝜌ℎ𝑎𝑧
𝑓ℎ𝑎𝑧
𝑓𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡
Riduzione della resistenza
tramite il fattore di addolcimento HAZ
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VERIFICHE DI SICUREZZA: FATTORE DI ADDOLCIMENTO PER LE HAZ
Fattore di addolcimento HAZ per il calcolo delle resistenze nelle HAZ
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ESTENSIONE DELLE ZONE TERMICAMENTE ALTERATE
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VERIFICHE DI SICUREZZA: CALCOLO DELLE RESISTENZE
Resistenza a trazione secondo EC9
Nt,Rd,corr = MIN(Nt,Rd1,corr; Nt,Rd2,corr)
Nt,rd1,corr = Ag f0/ γM1Sforzo massimo a trazione per snervamento
Ag = area che considera l’addolcimento
Nt,rd2,corr = Anet fa/ γM2 Sforzo massimo a trazione per rottura locale
Anet = area netta
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VERIFICHE DI SICUREZZA: CALCOLO DELLE RESISTENZE
Resistenza a compressione per instabilità flessionale (EC9)
fs=χηk1k2f0
χ=1/(Φ+( Φ2-λ2)0.5) fattore di riduzione per instabilità flessionale Φ=0.5[1+α(λ- λ0)+ 2]
λ0 = fattore di imperfezione dipendente dal trattamento termico
λ = snellezza adimensionale
fattore legato alla forma della sezione
k1, k2 fattori dipendenti dalla sezione e dal trattamento termico
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VERIFICHE DI SICUREZZA: CALCOLO DELLE RESISTENZE
Resistenza a compressione per instabilità flessionale (EC9)
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Introduzione
Quadro normativo nazionale ed internazionale
Parte I
Verifiche di sicurezza
Parte II
Comportamento dell’alluminio in caso di incendio
Conclusioni
OUTLINE
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PROPRIETA’ MECCANICHE DELL’ALLUMINIO IN CASO DI INCENDIO
Le proprietà meccaniche dell’alluminio decadono molto più velocemente
di quelle dell’acciaio
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 200 400 600 800 1000 1200
EN AW 6082
steel
T
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 200 400 600 800 1000 1200
EN AW 6082
steel
T
Tensione di snervamento - temperatura
(EC9- EC3)
Modulo di elasticità - Temperatura
(EC9- EC3)
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PROPERTIES OF ALUMINIUM ALLOYS AT ELEVATED TEMPERATURE
• Alta conducibilità, maggiore di quella dell’acciaio a tutte le
temperature
• Bassa capacità termica in confronto con l’acciaio
• Rapido decadimento della resistenza meccanica al crescere della
temperatura
• Temperatura di fusione: 570 – 660 °C
• α = 23.4 · 106
• λ = 200 W/m°CLa alta conducibilità termica permette una
rapida dispersione del calore dalla zona
esposta ma la temperatura aumenterà in
qualche altra zona della struttura.
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CASO STUDIO
Gli elementi strutturali vengono movimentati utilizzando specifiche
attrezzature (per esempio imbracature in poliestere).
Le imbracature vengono spesso lasciate sugli elementi strutturali al
fine di facilitarne lo smontaggio
Il poliestere e’ facilmente
infiammabile
Si analizza il comportamento di una
struttura nel caso in cui le
imbracature prendano fuoco
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SCENARIO CONSIDERATO PER IL CASO STUDIO
Scenario considerato: Incendio delle imbracature in poliestere usate
per sollevare la trave
6 m6 m
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MODELLO A ELEMENTI FINITI
Lunghezza: 12 m
Correnti: 50x4 mm
Diagonali: 30x3 mm
Lega di alluminio EN AW 6082
Curva di incendio: ISO 834
Sono considerate le nonlinearita’ di materiale e di geometria
1 kN/m
6 m
6 m
Sling in fire
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RISULTATI (1/2)
-0.020
-0.016
-0.012
-0.008
-0.004
0.000
0 50 100 150 200 250
dy (m)
time(s)
Spostamento verticale del nodo di mezzeria
t = 14 s
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RISULTATI (2/2)
Sforzo normale
-1.6E+05
-1.2E+05
-8.0E+04
-4.0E+04
0.0E+00
0 50 100 150 200 250
Axia
l fo
rce
(N
)
time(s)
t = 14 s
• Il calore fluisce rapidamente
grazie alla elevata conducibilità
termica ma le proprietà
meccaniche peggiorano
velocemente
• L’espansione termica
dell’elemento permette una
diminuzione dello sforzo
normaleN aumenta velocemente e poi diminuisce
ma la tensione al 0,2% viene raggiunta
in soli 15 secondi
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DALLAS – 8 LUGLIO 2011
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Introduzione
Quadro normativo nazionale ed internazionale
Parte I
Verifiche di sicurezza
Parte II
Comportamento dell’alluminio in caso di incendio
Conclusioni
OUTLINE
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La statica degli allestimenti temporanei per eventi
VERIFICHE [email protected]
Sono stati considerati aspetti specifici legati alla progettazione di strutture
temporanee per eventi
1. Quadro normativo
Le NTC 2008 non trattano le strutture in alluminio.
Esistono varie normative come per esempio l’EC9 ma non sono specifiche
per le strutture per eventi.
2. Verifiche di sicurezza
• Nei modelli di calcolo e’ importante assegnare vincoli e condizioni al
contorno coerenti con la situazione reale.
• Vanno effettuate verifiche che controllino il comportamento nelle zone
termicamente alterate.
3. Comportamento dell’alluminio in caso di incendio
La conseguenze di un incendio e i possibili scenari critici spesso non
vengono considerati ma le proprietà meccaniche dell’alluminio
decadono molto velocemente e un incendio durante uno spettacolo
potrebbe avere conseguenze catastrofiche
Conclusioni
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6 m
6 m
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10/10/2014 [email protected] 43
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StroNGER S.r.l. Research Spin-off for Structures of the Next Generation:
Energy Harvesting and Resilience
Roma – Milano – Terni – Atene - Nice Cote Azur
Sede operativa: Via Giacomo Peroni 442-444, Tecnopolo Tiburtino, 00131 Roma (ITALY) - [email protected]
Stro N
GERwww.stronger2012.com
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VERIFICHE [email protected]
Le azioni elementari sono processi stocastici nel tempo e nello spazio.
Per tenere conto di questa variabilità le normative le caratterizzano considerando
dei valori di riferimento
Le azioni e le caratteristiche dei materiali vengono modellate come quantità aventi
distribuzioni di probabilità gaussiane
Il valore caratteristico dell’azione Sk è il
frattile al 95% della popolazione dei massimi
Il valore caratteristico della
resistenza Rk è il frattile al 5%
AZIONI RESISTENZA
CARATTERIZZAZIONE DELLE AZIONI e VALUTAZIONE DELLA CAPACITA’