1 Il collasso delle Torri Gemelle del WTC

Università degli Studi di Napoli “Federico II”
Il grattacielo e’ certamente
un’invenzione americana come la
buick e l’hamburger: e come la buick
e l’hamburger all’inizio e’ stato
sempre visto dal resto del mondo con
un misto di ammirazione e di
diffidenza.
Facoltà di Ingegneria
Prof. Antonello De Luca
E’ stato il simbolo della modernita’,
oscurato da un solo difetto: veniva
percepito come espressione di una
certa volgarita’, ma le sue forme in
compenso furono imitate
pedissequamente in tutto il mondo.
Il collasso delle Torri Gemelle del WTC:
Analisi e riflesioni sul Progetto
Salerno, 10 maggio 2008
STESSA 2003: “The collapse of the WTC twin towers: preliminary analysis of the original
design approach” di A. De Luca, F. Di Fiore, E. Mele, A. Romano
Mario Panizza
Sull’estetica dell’altezza
The WTC towers were highly redundant structure and
had significant overstrength, as a result of the:
From the structural point of view,
the WTC towers featured several
innovations at the time of their
design/construction
Robertson,
2002
Since 1964 the Towers were defined
as a major milestone in structural
steel design
Rapp, 1964
• structural typology (framed tube and top outrigger trusses)
• horizontal and vertical stiffness requirements
• some design load conditions which exceeded the minimum
code provisions
The ratio underlying such a design approach was:
“This reserve strength can be drawn upon should
the structure sufer severe damage for any reason “
Rapp, 1964
What about fire ??
Interaction between fire and structure strength ??
•1
First Skyscraper
(with load carrying framing)
The Home Insurance Building, Chicago
Completion: 1885 (Demolished 1931)
Height: 138 feet (180ft in 1891)
Stories: 10 (in 1885)+2 (in 1891)
Load Bearing Material: Steel
Facing Material: Brick
Structural Engineer:
The towers were the first high-rise buildings to use the concept of tube
as lateral load resistant system: the tube, working as a 3D system
utilizes the entire building perimeter to resist wind loads while the
central core only carries gravity loads.
The high efficiency of the FT System, the use of viscoelastic dampers,
the optimized employment of 12 Steel grades allowed to reduce by
40% weight of the structure up to 1.77kN/m2
Q. How and where did the skyscrapers start?
A. In Chicago, 1880’s
William LeBaron Jenney
(1832-1907)
Photo: Library of Congress. Courtesy of the Frances Loeb Library,
Graduate School of Design, Harvard University
Chrisler Building
Icona dello skyline NewYorkese
Major Developments:
1. Steel
Number of Stories
2. Electric Elevator
100
80
60
Wrought
Iron
and Cast
Iron Era
40
20
Otis’s
Elevator
Chicago
School
New York
Era
Steel
Rolled
Elec.
Elev.
0
1850
1870
1890
1910
1930
Year
Source of data:
Tall Building
Structures,
Analysis and
Design, by Bryan
Stafford Smith and
Alex Coull, John
Wiley & Sons
•2
First applications in high rise
buildings
Empire State Building
Separation of load resisting
systems:
The use of semirigid connections
Vertical (gravity) loads and
Horizontal (wind ad seismic)
loads
Connections are smart enough to
know what to take
Empire State Building, New York, 1931
Riveted steel braced frame
Type 2 Design
Framed Tube: dalla Sears alle Petronas
¾Completed in about a year with
unprecedented speed of construction
of sometimes one floor per day which
is not broken yet!
Credit: 100 World’s Tall
Buildings
•3
Framed Tube Controventato: dal John Hancock alla Bank of China
Hong Kong Shangai Bank:
The use of MegaFrames
LA STRUTTURA DELLE TWIN TOWERS
L’evoluzione strutturale
LA STRUTTURA DELLE TWIN TOWERS
L’evoluzione strutturale
•4
LA STRUTTURA DELLE TWIN TOWERS
Framed Tube:
the solution for high rise buildings after Twin Towers
Le prove in galleria del vento
Millennium Tower
Imagine a skyscraper almost twice the size of
the Empire State Building. This colossus would
be a city within a city, hosting its own
hospitals, schools, and a range of
entertainment and retail options large enough
to attract and keep the traffic necessary for the
financial success of such an endeavor.
Stats:
Height: 2,755 feet, 170 stories
Resident Population: 52,000
Elevator Traffic: 100,000 people per day
Location: Hong Kong Harbor
Construction Duration: Approximately 10
years
Cost: $10 billion
David Nelson is chief architect of Millennium
Tower with the firm Foster and Partners, based
in London, England.
•5
Considerazioni ed Analisi sul Crollo delle Torri Gemelle
Sommario
•
•
•
•
•
•
•
•
Scope of presentation:Design Life and robustness
•Evaluate safety levels
•Evaluate capacity to undergo exceptional loadings
Aspetti innovativi nella costruzione
Eventi dell’11 settembre 2001
La struttura delle Torri
Questioni poste / competenze
Attività di studio, ricerca, indagine
Modellazione strutturale ed analisi numeriche
Il progetto al fuoco
Conclusioni
•Evaluate fire design: egression and fire resistance
Architectural and Structural Aspects of
WTC: egression and elevators
Construction Using Pre-fabricated Units
62.80 m
62.80 m
110
78
44
Assembled
Units
Exterior
Column
Splices
End Plates
4 or 6 Bolts in
Each Splice
•6
Wind Effects on WTC
Floor Systems
Wind tunnel tests were
conducted and 3M dampers
were developed and tested
to reduce wind induced
vibrations and
accelerations.
Schematic Typical Framing Plan
Wind Tunnel Test
Models of WTC
Credit: PANYNJ
EVENTI : 11 Settembre 2001
L’ impatto
11 SETTEMBRE 2001
I dati dell’attacco
•7
11 SETTEMBRE 2001
The 1993 Attacks
Engineering News Record
Credit: Engineering News Record
3-D Plane Hit Areas and Casualties
Framing Plan and Entry of Planes
Stairs
•8
EVENTI : 11 Settembre 2001
(Graphics by Weidlinger Associates Inc.)
Plane Impacting the Structure
External and Internal Columns as well as
floors were damaged in 3 floors
Angolo d’impatto: WTC1 e WTC2
Plane Impacting the Structure
External and Internal Columns as well
as floors were damaged in 3 stories
Ensuing Fires
External and Internal Columns as well as
floors were damaged in 3 floors
•9
Buckling of Columns due to Long Unbraced Length and High
Temperatures
EVENTI : 11 Settembre 2001
External and Internal Columns as well as
floors were damaged in 3 floors
Danneggiamento conseguente all’impatto: WTC1
11 SETTEMBRE 2001
L’incendio
EVENTI : 11 Settembre 2001
Danneggiamento conseguente all’impatto: WTC1
•10
EVENTI : 11 Settembre 2001
La sopravvivenza delle Torri dopo l’impatto
Il fuoco
WTC
Strength at Room Temperature
Strength at Higher Temperature
Effects of Fire on
Structural Steel and Concrete
1.0
Light
Weight
Concrete
0.8
0.6
0.4
EVENTI : 11 Settembre 2001
Steel
Normal
Weight
Concrete
0.2
0
0
400
800
1200
1600
2000
o
oC
F
oC
Temperature
Source: U.S. Steel Publications and Structural Design for Fire Safety by A. H. Buchanon
•11
The Fire design and egression
Compartments in Structural Tube System and
framing systems:
Towers had large column-free areas, the outside
closely spaced columns formed a tube with closely
spaced columns being relatively light.
63
m
(tube system)
63
m
Credit:PANYNJ
Traditional Structural Framing System
Resistance to impact of columns
Water Tower Place, Chicago
Credit: 100 World’s Tall Buildings
The Tube System: largely spaced columns
One Liberty Plaza
Source: 100 World’s Tall Buildings
•12
96th Floor Plan
EVENTI : 11 Settembre 2001
Il fuoco
EVENTI : 11 Settembre 2001
1.
Expansion of floor slabs and framing
results in outward deflection of
columns and potential overload
2.
Buckling of columns initiated by
failure of floor framing and
connections
3.
Catenary action of floor framing on
several floors initiates column
buckling failures
EVENTI : 11 Settembre 2001
Il collasso delle Torri: WTC2
•13
EVENTI : 11 Settembre 2001
Final Collapse Due to Gravity
The
damaged
floor
collapsed
dropping
top portion
on the lower
part
collapsing
the entire
structure
Il collasso delle Torri: WTC1
EVENTI : 11 Settembre 2001
Here are some examples of our field findings.
Photo by W. Farrington for A. Astaneh’s NSF Report
Photo: A. Astaneh-Asl
WTC site
Photo by A. Astaneh-Asl
Photo: HNSE
Studies of World Trade Center, Principal Investigator: A. Astaneh-Asl , University of California, Berkeley
Sponsor: National Science Foundation
•14
Considerazioni ed Analisi sul Crollo delle Torri Gemelle
The WTC towers were highly redundant structure and
had significant overstrength
The ratio underlying such a design approach was:
“This reserve strength can be drawn upon should
the structure sufer severe damage for any reason “
Rapp, 1964
Is this overstrength sufficient to overcome unesuful
(redundant columns) in absence of wind ?
La struttura delle Torri
• Il progetto architettonico
• La tipologia strutturale: Tubo intelaiato:
struttura perimetrale e nucleo interno;
struttura reticolare spaziale (outrigger truss) in
sommità
• Sistema di prefabbricazione “column tree”
• I tipi di acciaio e la loro ottimizzazione nella
struttura
• Il sistema strutturale di impalcato
• Azioni di vento e prove in galleria del vento
• Il sistema di smorzamanto delle vibrazioni
La struttura delle Torri
La struttura delle Torri
110 piani fuori terra + 7 piani
interrati
417 m altezza (fuori terra)
3.66 m interpiano tipico
63.1 x 63.1 m in pianta, con
angoli smussati per 2.1 m
3464 mq di superficie utile per
piano
nucleo rettangolare 26.5x41.8 m
H/B = 6.8
Peso impalcato 0.5 kN/mq
peso acciaio strutture principali
1.77 kN/mq
Dati principali
59 pilastri perimetrali per lato ad interasse 1016 mm (+ a piani
alternati 1 pilastro al centro dei 4 angoli smussati), collegati da
travi (sprandel beams) di lunghezza 70 cm ed altezza 1312 mm
La struttura perimetrale
•15
La struttura delle Torri
La struttura delle Torri
•Liv. 0
•Liv. 60
•Liv. 10
•Liv. 70
•Liv. 20
•Liv. 80
•Liv. 30
•Liv. 90
•Liv. 40
•Liv. 100
•Liv. 50
•Liv. 110
Pilastri perimetro a sezione scatolare di dimensioni esterne
costanti 356x356 mm, costituite da 4 piatti saldati di spessori
differenti fra loro e variabili lungo l’altezza, tra 6.35 e 101.6 mm.
Pilastri perimetro a sezione scatolare di dimensioni esterne
costanti 356x356 mm, costituite da 4 piatti saldati di spessori
differenti fra loro e variabili lungo l’altezza, tra 6.35 e 101.6 mm.
La struttura perimetrale: scarsa protezione interna ?
La struttura perimetrale
La struttura delle Torri
La struttura delle Torri
COL. 1 COL. 2
COL. 3
modulo tipico alto 3 piani costituito da 3 pilastri collegati da travi;
collegamenti tra moduli: giunto flangiato con bulloni ad alta resistenza
A325 e A490, configurazione e resistenza dei collegamenti variabile
lungo l’altezza, con 4 bulloni ai piani alti e 6 ai piani inferiori.
Comportamento struttura a tubo
La struttura perimetrale: i moduli prefabbricati
•16
La struttura delle Torri
La struttura delle Torri
giunto flangiato con bulloni ad
alta resistenza A325 e A490,
configurazione e resistenza dei
collegamenti variabile lungo
l’altezza, con 4 bulloni ai piani
alti e 6 ai piani inferiori.
COL. 1 COL. 2
COL. 3
La struttura perimetrale: giunzioni fra i moduli
La struttura delle Torri
various grades of high-strength
steel with minimum specified yield
stress between 50 and 100 ksi
Ottimizzazione dell’impiego di 12 tipi di acciaio
La struttura delle Torri
Nucleo rettangolare 26.5 x 41.8 m, con 47 pilastri di sezione diversa
Livello 1-84: sezioni scatolari saldate
Livello 85-110: sezioni a doppio T laminate o saldate
acciaio A36 (fy=248 MPa) – solo carichi gravitazionali
Dal 106° al 110° piano, sistema di controventature spaziali esteso tra il
perimetro e le colonne interne, costituito da 10 allineamenti di strutture
reticolari piane, di cui 6 lungo la direzione maggiore e 4 lungo la
direzione minore del nucleo.
•17
La struttura delle Torri
Solai a grigliato, con due sistemi di travature reticolari (principali e
secondarie) ortogonali fra loro, semplicemente appoggiate alle estremità,
con collegamenti bullonati ai pilastri al livello dei correnti superiori;
soletta di cls alleggerito (spessore 102 mm nel tubo e 127 mm nel
nucleo) sostenuta da lamiera grecata.
Il sistema strutturale di impalcato
La struttura delle Torri
Peso proprio solaio: 0.50 kN/m2
carichi permanenti + accidentali 4.8–4.9 kN/m2
Il sistema strutturale di impalcato
#4 (12mm) dia rebar
La struttura delle Torri
Lightweight
Concrete
#4 (12mm) dia rebar
Transverse Trusses
Longitudinal
Trusses
Light Weight Concrete
on Steel Deck
Cover Plate
In Some Spans
Transverse Trusses
Shear
Connector
A.G. Davenport: estesa indagine
per determinare le azioni da
vento.
Misurazioni della turbolenza del
vento in sito confrontate con i
dati ottenuti in galleria del vento
Inflessioni: componente statica
e dinamica dell’azione da vento.
Floor Beam
Viscous-elastic 2Ls Top Chord
25mm Dia. Bar
Dampers
Seat Angle
Ref: A. Astaneh’s Report to NSF
Diagonals
2L Bottom Chord
Channel Support
Interior Columns
Longitudinal Truss Joists
Credit: PANYNJ
Credit:Arch Record
Le prove in galleria del vento
•18
Smorzatori: 10.000 in tutto
l’edificio
L’inserimento degli smorzatori (utilizzati per la prima volta) ha consentito di
ridurre lo spostamento da vento da circa 200 cm a circa 100 cm.
L’edificio ancora nel 2000 era l’edificio alto con minori vibrazioni da vento in
New York (accelerazione al piano pari a 0.5 % g contro valori che arrivano
anche a 2 % g).
Il collasso delle Torri Gemelle del WTC:
riflessioni sui criteri di progettazione, sugli aspetti
della sicurezza strutturale e sul progetto al fuoco
Scope of presentation:Design Life and robustness
Come si progetta un grattacielo
Chris Wise, Domus, Agosto 2001
•
Arrotondare gli spigoli ed il coronamento ed allineare alla direzione del vento
•
Controllare le oscillazioni indotte dal vento prevedendo stabilizzatori
•
Sezionare la massa dell’edificio per far penetrare lame di luce in profondita’
•
Anche l’aria puo’ essere convogliata in modo che gli utenti possano respirare
in modo naturale
•Evaluate safety levels
•Evaluate capacity to undergo exceptional loadings
•Evaluate fire design: egression and fire resistance
ovviamente non ha senso costruire goffi grattacieli rettangolari sempre piu’
alti in un ambiente dominato dal vento …. sarebbe come paragonare una Ford
T ad una Ferrari …. L’automobile e’ nata come traduzione letterale di una
forma tecnologica obsoleta (la carrozza a cavalli) prima di evolversi in nuove
forme come la carrozeria portante
•19
Criteri di progetto di
edifici alti
Un grattacielo come questo
potrebbe essere semplicemente
l’ingrandimento
dei
consueti
grattacieli rettangolari di oggi,
ma ….
… sarebbe una prospettiva orrenda, illogica, una
fortezza dotata di un’unica entrata e di un’unica
uscita…..
Chris WISE
Elio Giangreco – Ingegneria delle Strutture
Antonello De Luca: Le tipologie strutturali
…. L’intensita’ di una azione esterna e’ proporzionale al periodo di
osservazione e tale periodo di osservazione e’ tanto piu’ lungo quanto piu’
lunga e’ la vita attesa della costruzione.
Sorgono quindi alcuni interrogativi:
•
Quale era la vita attesa di questa grande opera ?
•
Era destinata forse ad essere sostituita dopo un certo periodo, differentemente
da quanto, probabilmente, previsto dai costruttori romani e, certamente da
quelli egiziani?
•
E, quindi, quali erano le azioni attese ?
•
Quali coefficienti di sicurezza sono stati adottati per questa costruzione, il cui
crollo avrebbe determinato una enorme perdita in termini di vite
umane,rispetto ad una costruzione tradizionale ?
•
Era una traduzione della “carrozza a cavalli” ?
•
Dove erano gli studiosi ?
AGOSTO 2001 !!
Elio Giangreco – Ingegneria delle Strutture
Antonello De Luca: Le tipologie strutturali
…. A questi interrogativi daranno risposta gli studiosi
che stanno analizzando il problema. Si puo’ forse
somessamente ipotizzare che nella societa’ dei consumi
non viene dato un grande valore all’eternita’ della
costruzione, come avveniva nel passato, poiche’ oggi gli
aspetti economici prevalgono spesso sulle esigenze dei
progettisti.
Questions
Can the structure really take advantage from its extra strength
without a particular attention to ductility ?
Robustness cannot simply be overstrength and redundancy, but
also ductility necessarily must be considered in the design
expecially for structural details like connections
For this aim, the scientific, technical and field-exerience
kowledge developed in the last decades in the seismic design of
structures can be a valuable contribution:
In fact a major issue of seismic design is “special detailing”
whih increases structural ductility and toughness, thus reducing
the possibilities of progressive collapse at occurrence of severe
earthquakes.
•20
IL PROGETTO ORIGINALE
IL PROGETTO ORIGINALE
Modellazione Strutturale ed Analisi Numeriche
Modellazione Strutturale ed Analisi Numeriche
MODELLO SAP 2000
Nodi CORE: 47x111 livelli (110 impalcati + 1 piano terra) = 5217
Nodi WALL FRAME: 240x111 livelli = 26640 - Nodi MASTER: 1 X 110 impalcati = 110
No. NODI modello: 31967
GRADI DI LIBERTA’ I nodi alla base sono stati incastrati. Ad ogni livello (dal 1° al 110°) è stata fatta
l’ipotesi di impalcato rigido assegnando l’opzione DIAPH (diaframma nel piano x-y)
carichi permanenti 3 kN/mq
F=1319 kg
carichi accidentali 3 kN/mq
carichi verticali totali 6 kN/mq.
carico unitario distribuito tra
colonne del tubo esterno e del
nucleo interno in base alle aree di
influenza, ed applicato tramite
forze verticali concentrate nelle
colonne ad ogni piano.
F=5828 kg
Nucleo: Variabile tra
5235 Kg e 51180 Kg
F= 7046 kg
31967 joints 65450 elements
WTC 1 : Il modello
materiale acciaio w = 7830 kg/mc
E = 2038902 kg/cmq
Il modello
•21
Modellazione Strutturale ed Analisi Numeriche
Modellazione Strutturale ed Analisi Numeriche
COLONNE ESTERNE
SEZIONI SAP
SEZIONI REALI
LIVELLO 0
LIVELLO 10
LIVELLO 20
LIVELLO 30
LIVELLO 40
LIVELLO 50
LIVELLO 60
LIVELLO 70
LIVELLO 80
colonne
LIVELLO 90
travi
LIVELLO 100
LIVELLO 110
Il modello – sezioni delle colonne e delle travi
Sezioni colonne
La struttura delle Torri
Modellazione Strutturale ed Analisi Numeriche
WTC - Velocità media del vento
ENV 1991-2-4
WTC - Velocità media del vento
ENV 1991-2-4
450
450
400
400
• velocità del vento: più del doppio
del NYC Code;
• carico totale sulla
dell’edificio: 50000 kN;
facciata
350
300
300
250
200
200
150
100
100
50
50
0
•Vento proveniente da Nord, 4a
classe di rugosità del terreno, riferita
ad aree urbane con al massimo il
15% della superficie coperta da
edifici alti 15 m;
250
150
0
0
20
40
Vm (z) [m/s]
• pressione sulla superficie di
facciata: 2.63 kN/m2, 2.20 kN/m2,
1.80 kN/m2
Il vento: il modello e i dati
•2 esposizioni che intendono
simulare il vento proveniente dal
centro
urbano
di
Manhattan
(direzione
Nord)
e
quello
proveniente dal mare (direzione
Sud).
Nord
Sud
350
H Piano [m]
H Piano [m]
Nord
Sud
•Rif. Eurocodice 1
T= 50 anni
60
0
20
40
60
Vm (z) [m/s]
T=500 anni
Azione del vento
•Vento proveniente da Sud, 1a
classe di rugosità del terreno
nell’ipotesi di mare aperto, laghi,
terreni piani e uniformi senza
ostacoli.
•velocità di riferimento del vento,
valutata per due periodi di ritorno,
50 e 500, pari a 28 m/s e 30 m/s
•densità dell’aria pari a 1,25
Kg/m3
•22
450
450
400
400
350
350
300
300
250
200
250
Totale
Media
200
Quasi Statica
WTC - Composizione delle pressioni da vento (Nord)
WTC - Composizione delle pressioni da vento (Sud)
ENV 1991-2-4
ENV 1991-2-4
450
450
400
400
350
350
300
300
250
Totale
Media
200
Quasi Statica
Risonante
150
100
Quasi Statica
Media
Quasi Statica
Risonante
150
150
100
100
50
50
50
Risonante
0
0
0
10
20
30
40
50
x 100
0
10
We (z) [N/mq]
20
30
40
50
x 100
0
0
We (z) [N/mq]
10
20
30
W e (z) [N/mq]
Azione del vento – periodo di ritorno T=50 anni
Modellazione Strutturale ed Analisi Numeriche
WTC - Forze da Vento su Aree di Interpiano
ENV 1991-2-41
40
50
x 100
0
0
10
20
30
40
50
x 100
W e (z) [N/mq]
Azione del vento – periodo di ritorno T=500 anni
Modellazione Strutturale ed Analisi Numeriche
WTC - Forze da Vento su Aree di Interpiano
ENV 1991-2-41
450
450
400
400
Nord
Sud
350
Nord
Sud
350
300
H Piano [m]
300
H Piano [m]
Totale
200
100
Media
50
250
Risonante
150
Totale
H Piano [m]
WTC - Composizione delle pressioni da vento
(Nord)
ENV 1991-2-4
Modellazione Strutturale ed Analisi Numeriche
H Piano [m]
WTC - Composizione delle pressioni da vento
(Sud)
ENV 1991-2-4
H Piano [m]
H Piano [m]
Modellazione Strutturale ed Analisi Numeriche
250
200
250
200
150
150
100
100
50
50
0
0
0
200
400
600
Fw (z) [kN]
800
1.000
0
200
400
600
800
1.000
Fw (z) [kN]
T= 50 anni
T=500 anni
Azione del vento
Deformazioni e spostamenti
•23
Modellazione Strutturale ed Analisi Numeriche
Modellazione Strutturale ed Analisi Numeriche
1000
500
N [kN]
110
110
0
HWNX
HWNY
HWSX
HWSY
HWNX
HWNY
HWSX
HWSY
100
100
T= 50 years
Joint Labels
-500
T= 500 years
90
90
80
80
70
70
60
60
0
50
-500
-1000
1000
Level
Level
50
40
-1000
30
1000
20
T= 500
years
20
500
N [kN]
HWNX
HWNY
HWSX
HWSY
HWNX
HWNY
HWSX
HWSY
Joint Labels
T= 50 years
40
30
N [kN]
500
0
10
10
Joint Labels
δ/h [%]
d [mm]
0
0
400
800
1200
1600
2000
-500
0
0,0% 0,2% 0,4% 0,6% 0,8% 1,0%
-1000
Deformazioni e spostamenti
ANALISI
Effetto Shear-lag sul tubo esterno
Modellazione Strutturale ed Analisi Numeriche
SFORZI ASSIALI NELLE COLONNE DI BASE:
0,60
0,50
MODELLO BASE
Stress ratio (N +M)
σ / σy
TELAI LONGITUDINALI
W3
W4
W2
0,40
MODELLO COLONNE DISTANZIATE
0,30
W1
W2
W3
W4
0,20
0,10
W1
Joint Labels (W all Frame)
0,00
0
N [t]
60
120
N [t]
180
240
(a)
Nmax =1022 t
0,60
Stress ratio (N +M )
σ / σy
Nmax =741 t
0,50
0,40
C1
MODELLO OUTRIGGER
MODELLO COMPLETO
C2
C3
C4
C5
C6
C6
C5
0,30
C4
C3
0,20
C2
C1
0,10
J oint La bels (Core Box)
0,00
0
10
20
30
40
(b)
Nmax =744 t
N [t]
Nmax =1027 t
N [t]
Diagrammi N+M per carichi verticali
•24
Modellazione Strutturale ed Analisi Numeriche
MODELLAZIONE E ANALISI STRUTTURALE
0,60
Stress ratio (N +M)
σ / σy
0,50
W3
W4
0,40
W1
W2
W3
W2
W4
Results from analyses:
0,30
0,20
W1
0,10
Joint Labels (Wall Frame)
σ/σy = 0.1 under gravity loads,
σ/σy = 0.4 gravity + wind loads
0,00
0
60
(a)
120
180
240
0,60
Stress ratio (N +M)
σ / σy
0,50
C1
C2
C3
C4
C6
C5
0,40
C6
C5
0,30
C4
C3
0,20
C2
C1
So overstrength should be there
0,10
Joint Labels (Core Box)
0,00
0
10
20
(b)
30
40
Diagrammi N+M per carichi verticali e orizzontali
Il nostro punto di vista
ECCEZIONALITA’
Collapse of Twin Towers:
Exceptional Actions ?
Velocità aereo:
560 mph (WTC2) (Rep. NIST, May 2003)
Vulnerable construction ?
470 mph, (WTC1); 586 mph (WTC2) (ASCE–FEMA)
Carburante:
circa 10.000 gal (ASCE–FEMA); altri: Circa 24.000 gal
•25
Il nostro punto di vista
Il nostro punto di vista
… impatto aereo davvero
eccezionale per edifici alti ?
… aircraft impact really
exceptional for tall buildings ?
July 28 1945: a B-25 flying at 200 mph slammed into the 78th
and 79th floors of the Empire State Building, gouging 18-by-20foot hole 913 feet above the streets of Manhattan
Il nostro punto di vista
… impatto aereo davvero eccezionale per edifici alti
?
• Designing office building to withstand events like
the Sept.11 may be structurally feasible, but might
not be economically practical
• Events like impact of aircraft are not anticipated
and addressed by current codes and design
practice
Il nostro punto di vista
… impatto aereo
davvero
eccezionale
per edifici alti ?
(WTC Sept.11,2001 - Briefing 2, ARUP)
• the scenario of an aircraft striking a tower ….
is within the realm of the possible,
but highly unlikely
(from a property risk assessment report prepared for Silverstein
Properties prior to leasing the WTC towers in 2001. In: NIST Rep. May
2003)
•26
Fireproofing on
Steel Structure of WTC
Collapse of Twin Towers:
Vulnerable construction ?
Weakness in Fire protection .
Floor Truss Joists
Connections ?
Core Columns
Courtesy: ASTANEH
Il nostro punto di vista
CONNECTIONS
Column connection
COL. 1 COL. 2
COL. 3
Connections:
Do really exist full strength
connections or they are only
used in class lectures and
comferences of earthquake
enginering ?
Mp,conn = 161,3 kN m
Mp,conn=20-30% Mp,col
•27
Girder connection
Floor to column connection
Il nostro punto di vista
Colonne nucleo (h=3.66 m) :
Æ λ = 30 – 24
Æ ω = 1.05 – 1.03
(h=2x3.66 m) : Æ λ = 49-52
Æ ω = 1.15 – 1.2
(h=3x3.66 m) : Æ λ = 73-78
Æ ω = 1.4 – 1.6
(h=5x3.66 m) : Æ λ = 120 -130 Æ ω = 2.7 – 3.0
In assenza di dannegiamento e
degrado dovuto al fuoco:
Pausa
Tra il 90° e 100° piano: N = 10820
kN
con (h=3.66 m) :
MPa
ω N/A = 160
con (h=5x3.66 m) : ω N/A = 413
MPa
Snellezza delle colonne
•28
•29
•30
•31
•32
•33
•34
•35
•36
•37
PROGETTI FINALISTI PER IL NUOVO WTC
Foster and partners
PROGETTI FINALISTI PER IL NUOVO WTC
Foster and partners
PROGETTI FINALISTI PER IL NUOVO WTC
Richard Meier
•38
PROGETTI FINALISTI PER IL NUOVO WTC
Richard Meier
PROGETTI FINALISTI PER IL NUOVO WTC
Peterson - Littemberg
PROGETTI FINALISTI PER IL NUOVO WTC
Peterson - Littemberg
PROGETTI FINALISTI PER IL NUOVO WTC
THINK – Shigeru Ban
•39
PROGETTI FINALISTI PER IL NUOVO WTC
THINK – Shigeru Ban
PROGETTI FINALISTI PER IL NUOVO WTC
UNITED ARCHITECTS
PROGETTI FINALISTI PER IL NUOVO WTC
SOM
PROGETTI FINALISTI PER IL NUOVO WTC
UNITED ARCHITECTS
•40
IL PROGETTO VINCITORE
Daniel Libeskind
IL PROGETTO VINCITORE
Daniel Libeskind
Il nostro punto di vista
Questions
Can the structure really take advantage from its extra strength
without a particular attention to ductility ?
Robustness cannot simply be overstrength and redundancy, but
also ductility necessarily must be considered in the design
expecially for structural details like connections
For this aim, the scientific, technical and field-exerience
kowledge developed in the last decades in the seismic design of
structures can be a valuable contribution:
In fact a major issue of seismic design is “special detailing”
whih increases structural ductility and toughness, thus reducing
the possibilities of progressive collapse at occurrence of severe
earthquakes.
What is ROBUSTNESS ?
•EN 1990: Eurocode: Basis of Structural Design
not causing disproportionate damage by events such explosions
and impacts
Actions from vandalism and terrorist acts: adoption of
robustness strategies safeguarding against the consequences of
localised damage should ensure that the extent of collapse of a
building following such abuse will not be disproportionate to the
cause
•41
Connections:
Do really exist full strength connections or they are only used in
conference of earthquake enginering ?
…. A questi interrogativi daranno risposta gli studiosi che stanno analizzando
il problema. Si puo’ forse somessamente ipotizzare che nella societa’ dei
consumi non viene dato un grande valore all’eternita’ della costruzione,
come avveniva nel passato, poiche’ oggi gli aspetti economici prevalgono
spesso sulle esigenze dei progettisti.
Conclusions:
We hope that all the lessons learned from earthquake engineering
will be transferred to good design of important structures:
Ductility
Connections
Energy dissipation
Collapse modes
Robustness
D’altronde l’accostamento tra gli edifici alti di oggi e quelli di ieri, gli uni
spinti da motivi economici, e gli altri dall’anelito verso un principio di
bellezza, era stato fatto gia’ da Henry James agli inizi del Novecento al
ritorno nella sua terra natale. Egli contrappone i grattacieli di New York “quei
grattacieli onnipresenti che, per chi guarda dal mare, si ergono bene in vista,
come fantastici spilli conficcati in un cuscinetto gia’ troppo pieno come se vi
fossero stati infilati al buio, per ogni dove ed in ogni guisa”, “trionfali
erogatori di dividendi”,
al Campanile di Giotto a Firenze che appare nella sua bellezza sommamente
sereno.
L’obiettivo mentale del suo creatore e’ stata la bellezza, e, una volta
raggiunta, quella ha trovato la forma in cui splendidamente permane”
I termini letterari di Henry James: “serenita’, bellezza e permanenza”,
sottendono significati piu’ intimamente strutturali poiche’ la permanenza e’
certamente legata alla durata di una costruzione, o, per usare un termine piu’
tecnico, alla vita attesa della costruzione stessa.
Il confronto tra le grandi opere del passato e quelle contemporanee, ci
indica, anche dopo gli eventi dell’11 settembre che ancora molto resta
da studiare agli ingegneri per inventare e reinventare tipologie strutturali
che consentiranno il raggiungimento di traguardi sempre piu’ ambiziosi
ma nel rispetto dela sicurezza anche nei confronti di azioni forse oggi
inattese.
…..senza per questo tralasciare la bellezza, la permanenza
e la serenita’ citate da Henry James.
•42