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RESISTENZA AL FUOCO
DELLE STRUTTURE
Franco Bontempi
Ordinario di Tecnica delle Costruzioni
Facolta’ di Ingegneria Civile e...
2
3
4
5
6
INDICE
1. Natura e caratteristiche dell’incendio
• Definizione
• Carattere estensivo
• Carattere intensivo
• Carattere acc...
INCENDIO
Natura del fenomeno
1
8
Definizione (1)
• L’incendio è una combustione che si sviluppa in
modo incontrollato nel tempo e nello spazio.
• La combus...
Condizioni (1)
• Per avvenire un incendio è necessario che siano presenti
tre elementi fondamentali (triangolo del fuoco):...
Condizioni (2)
innesco
(hazard)
materiali
(vulnerability)
11
Sviluppo di un evento negativo
innesco
(hazard)
materiali
(vulnerability)
12
Vulnerabilita’
• Il termine vulnerabile deriva dalla parola latina vulnus
che significa: ferita o lesione che essa può ess...
Reazione al fuoco (1)
http://www.vigilfuoco.it/aspx/page.aspx?IdPage=4253
14
Reazione al fuoco (2)
• Dal D.M. Interno del 26/06/84, Classificazione di
reazione al fuoco ed omologazione dei materiali
...
Reazione al fuoco (3)
0
16
17
Strategie
di progetto / adeguamento
• Le fasi iniziali della progettazione sono
quelle determinanti per conseguire ua
sens...
19
INCENDIO
• Incendio = combustione autoalimentata ed
incontrollata di materiali combustibili.
• Carattere estensivo (dif...
20
CARATTERE ESTENSIVO
Diffusione nello spazio
20
20
21
1. WILDFIRE
21
21
2222
22
233/22/2011 23
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2. URBANFIRE
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The Great Fire of Chicago, Oct. 7-10, 1871
25
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2626
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27
3. ALL’ESTERNO
DI UN EDIFICIO
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283/22/2011 28
PROGETTAZIONE STRUTTURALE
ANTINCENDIO
28
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4. ALL’INTERNO
DI UN EDIFICIO
29
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32
3333
33
3434
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3535
Interazioni
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36
CARATTERE INTENSIVO
Andamento temporale
36
36
37
ISO 13387: Design Fire
37
37
38
Potenza Termica nel tempo
38
38
39
Temperatura nel tempo
(curva naturale d’incendio)
39
39
F
L
A
S
H
O
V
E
R
passiva
 Create fire
compartments
 Prevent damage
in the elements
 Prevent loss of
functionality in
t...
41
active
protection
passive
protection
no
failures
doesn’t
triggerY
N
Y
N
spreads
extinguishes
damages
Y
N
robustness
no
...
http://www.vigilfuoco.it/aspx/page.aspx?IdPage=4075 42
43
Prevenzione Incendi
 Funzione preminente di interesse pubblico diretta a
conseguire, secondo criteri uniformi sul territo...
45
CARATTERE ACCIDENTALE
Evento
45
45
46
Situazioni HPLC
High Probability Low Consequences 46
46
47
LPHC events
47Low Probability High Consequences 47
48
HPLC
High Probability
Low
Consequences
LPHC
Low Probability
High
Consequences
release of energy SMALL LARGE
numbers of ...
49
50
Approcci di analisi
HPLC
Eventi Frequenti con
Conseguenze Limitate
LPHC
Eventi Rari con
Conseguenze Elevate
Complessità:
A...
Scenari
(D.M. 14 settembre 2005)
Il Progettista, a seguito della classificazione e della caratterizzazione delle azioni,
d...
Scenario d’incendio
53
54
ISO 13387: Event Tree
54
54
55
Controlling Fire Spread
• The larger a fire, the greater its destructive
potential.
• The control of fire movement, or ...
56
ISO 13387: Fire Spread Routes
56
56
57
ISO 13387: Fire Spread Routes
57
57
scenario
analysis
58
58
SICUREZZA
Rischio
2
59
60
PREVENZIONE / PROTEZIONE
Strategie
60
60
61
Struttura del documento
62
63
Andamento temperatura nel tempo
(curva naturale d’incendio)
63
63
Reazione al Fuoco
64
Applicazione di prodotti/materiali
65
Protezione Attiva
66
F
L
A
S
H
O
V
E
R
passiva
 Create fire
compartments
 Prevent damage
in the elements
 Prevent loss of
functionality in
t...
Ingegneria della Sicurezza
Antincendio (Fire Safety Engineering)
68
Impostazione generale (1)
69
Impostazione generale (2)
70
Campo di applicazione
71
Obiettivi della Prevenzione Incendi
72
Design Process - ISO 13387
A. Design constraints and possibilities
(blue),
B. Action definition and development
(red),
C. ...
DESIGN
ACTION
RESPONSE
SAFETY&PERFORMANCE
74
74
Strategia antincendio per la
mitigazione del rischio (0)
75
Strategia antincendio per la
mitigazione del rischio (1)
76
77
78
Selezione dei livelli di prestazione
delle strategie antincendio
79
80
RISCHIO
Natura aleatoria
80
80
Valutazione del profilo
di rischio per l'attivita’
81
Rischio, Rischio, Rischio
• Rischio è la potenzialità che un'azione o un'attività
scelta (includendo la scelta di non agir...
RISK CONCERN
cause
causa
effect
effetto
83
Risk
Treatment
84
84
Option 1 – Risk avoidance, which usually means not
proceeding to continue with the system; this is not
always a feasible o...
Quantitative Risk Analysis
86
86
Risk-based
Decision
Making
87
87
Obiettivi / Ipotesi
della Progettazione Antincendio
88
Sviluppo di un evento negativo
89
STRUCTURAL
SYSTEM
CHARACTERISTICS
STRUCTURAL
SYSTEM
WEAKNESS
90
90
91
91
STRUCTURAL
CONCEPTION
STRUCTURAL
TOPOLOGY
&
GEOMETRY
threats
No
Yes
threats
STRUCTURAL
MATERIAL
& PARTS
No
Yespassive
stru...
93
93
94
PERFORMANCE BASED
DESIGN
Prestazionale / Prescrittivo
94
94
Come raggiungere gli obiettivi
95
Prescrittivo (1)
APPROCCIO
PRESCRITTIVO
1) BASI DEL PROGETTO,
2) LIVELLI DI SCUREZZA,
3) PRESTAZIONI ATTESE
NON ESPLICITAT...
Prescrittivo (2)
97
Prestazionale (1)
APPROCCIO
PRESCRITTIVO
1) BASI DEL PROGETTO,
2) LIVELLI DI SCUREZZA,
3) PRESTAZIONI ATTESE
NON ESPLICITA...
Prestazionale (2)
99
100
101
101
102
103
RESISTENZA
Risposta meccanica
3
104
Mechanical Analysis
• The mechanical analysis shall be performed for
the same duration as used in the temperature
analysis...
Variation of fire resistance (3D)
R = structural resistance
T = temperature
t = time
T=T(t)
R=R(t,T)=R(t,T(t))=R(t)
106
106
Verification of fire resistance (R-safe)
R = structural resistance
T = temperature
t = time
Rfi,d,t
Efi,requ,t
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107
Verification of fire resistance (R-fail)
R = structural resistance
T = temperature
t = time
Efi,requ,t
Rfi,d,t
Failure !
1...
Verification of fire resistance (t)
R = structural resistance
T = temperature
t = time
Efi,requ,t
Rfi,d,t
Failure !
tfi,d ...
Verification of fire resistance (T)
R = structural resistance
T = temperature
t = time
Efi,requ,t
Rfi,d,t
Failure !
Td ≤ T...
Verification of fire resistance (T)
R = structural resistance
T = temperature
t = time
Efi,requ,t
Rfi,d,t
Failure !
Td ≤ T...
112
Es.
112
#4
113
113
#1
114
3/31/2011 114
PROGETTAZIONE STRUTTURALE
ANTINCENDIO
114
115
115
116
116
STRUCTURAL ROBUSTNESS (1)
ATTRIBUTES
RELIABILITY
AVAILABILITY
SAFETY
MAINTAINABILITY
INTEGRITY
SECURITY
FAILURE
ERROR
FAUL...
STRUCTURAL ROBUSTNESS (2)
• Capacity of a construction to show regular
decrease of its structural quality due to
negative ...
Levels of Structural Crisis
UsualULS&SLS
VerificationFormat
Structural Robustness
Assessment
1st level:
Material
Point
2nd...
D0
120
Es.
120
D1 D2
Scenari (1-2)
121
D3 D4
Scenari (3-4)
122
Modalità di collasso (1-2)
D1 D2 123
123
Modalità di collasso (3-4)
D3 D4 124
124
0
4
Lo scenario D4
è quello più cattivo:
l’elemento strutturale
critico individuato è la
colonna più esterna!
125
Sintesi ...
Bad vs Good Collapse
STRUCTURE
& LOADS
Collapse
Mechanism
NO SWAY
“IMPLOSION”
OF THE
STRUCTURE
“EXPLOSION”
OF THE
STRUCTUR...
Design Strategy #1: CONTINUITY
127
Design Strategy #2: SEGMENTATION
1283/31/2011
PROGETTAZIONE STRUTTURALE
ANTINCENDIO
128
28/4/2011
PROGETTAZIONE STRUTTURALE
ANTINCENDIO
129
129
Definizioni: compartimentazione
• CAPACITÀ DI COMPARTIMENTAZIONE IN CASO
D’INCENDIO: attitudine di un elemento costruttivo...
TESTI
Bibliografia & Informazioni
4
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135
136
137
Coordinate
138
139
140
140
Str
o N
GER
www.stronger2012.com
140
2nd DAY
Franco Bontempi
Ordinario di Tecnica delle Costruzioni
Facolta’ di Ingegneria Civile e Industriale
Universita’ deg...
INDICE
1. Natura e caratteristiche dell’incendio
• Definizione
• Carattere estensivo
• Carattere intensivo
• Carattere acc...
INDICE
5. Analisi in caso di incendio
• Scomposizione
• Sensitivita’
• Delimitazione
• Ridondanza
6. Windsor Hotel case hi...
summing up
144
DESIGN
ACTION
RESPONSE
SAFETY&PERFORMANCE
145
145
STRUCTURAL
SYSTEM
CHARACTERISTICS
STRUCTURAL
SYSTEM
WEAKNESS
146
146
147
147
148
148
149
150
Selezione dei livelli di prestazione delle
strategie antincendio
151
NUMERICAL
MODELING
152
ANALISI IN CASO DI
INCENDIO
Modellazione
5
153
154154
STRATEGY #0: BREAKDOWN
155
SISTEMA
STRUTTURALE
PRINCIPALE
ZONE SPECIALI DI
IMPALCATO
SISTEMA DI
RITEGNO/SOSTEGNO
SISTEMA
STRUTTURALE
SECONDARIO
SISTE...
157
158
159
160
The function: y(x1,x2)
161
162
STRATEGY #1: SENSITIVITY
governance of priorities
The sensibility of the function
163
164
STRATEGY #2: BOUNDING
behavior governance
p
(p)

p
(p)

The bounding of the function
165
Super
Controllore
Problema Risultato
Solutore #1
Solutore #2
Voting System
STRATEGY #3: REDUNDANCY
166
167
168
approccio costruttivo e storico
consapevolezza del problema
modelli / tempo
soluzione
HOTEL WINDSOR
Case History
6
169
170
171
172
173
174
THE STRUCTURE
Context
175
176176
177
Built during 70’s
Offices and commercial use
106 metres high
32 storeys above ground
level
5 storeys underground
Outli...
Outline of the structure
178
179
Updating works
180
Works carried out to update the building going further
than regulations in force:
• National regulation...
Main fire Protection
System
At time of Construction
(1970s Spanish Codes
At time of Fire
(Refurbishment in Process)
Fire c...
FIRE INCIDENT
Event
182
1st section:
floors 3 to 16
1st technical floorreception
5
basements
2nd technical floor
2nd section:
floors 17 to roof
em...
184184
185185
186186
187187
188188
189189
190190
191
SISTEMA STRUTTURALE SCENARIO D’INCENDIO
1
2
COMPARTIMENTO
STRUTTURALE
SUPERIORE
COMPARTIMENTO
STRUTURALE
INFERIORE
3 3...
192192
193
Outline of the fire
12 February
23:05 smoke alarm on 21st floor
23:05-23:21 Security staff goes to check alarm
and att...
194
Outline of the fire
13 February
01.00 four storeys were on fire
194
195
Outline of the fire
02.00 flames almost all over the building
195
196
Outline of the fire
03.30 first collapse 04.00 fire revives
196
197
Outline of the fire
Metallic structure strongly
damaged.
Collapse of upper floors
supported by steel columns.
Unforese...
198
Outline of the fire
198
199
Outline of the fire
199
200
Outline of the fire
200
201
Outline of the fire
07.00 firemen in adjacent buildings
201
202
Outline of the fire
14.00 fire is still active
17.00 automatic
hoses cooling the
building and its
surroundings are
clo...
203
The aftermath
Lower section
Bays adjacent to facades in bad
conditions
Next bays parallel to north facade
also badly d...
204
The aftermath
Upper section
Bays adjacent to facades almost
compleatly collapsed
Next bays parallel to north facade
al...
STRUCTURAL BEHAVIOR
Comments
205
The fire in progress
01:00: some floors above
21st floor in fire
206
02:00: all floors above 21st
floor in fire
The fire in progress
207
02:00: chunks of façade fall off
The fire in progress
208
02:15: steel columns deform
like spaghetti
The fire in progress
209
Source – TVE 1
The fire in progress
210
05:30: fire spread below 16th
floor, crossing over the
upper technical floor
The fire in progress
211
08:30: fire spread beneath
4th floor
The fire in progress
212
13:30: fire under control
The fire in progress
213
After the fire
The fire in progress
214
Primary contributor: detection
• Long response time of detectors
to give alarm
• Closed doors in the room where
fire start...
Primary Contributor
• Gap between curtain wall and
floor slab never fire stopped
• Smoke & flame pass through
breach of co...
Curtain wall  Vertical parapets
Mechanism of fire barrier parapet between the floors
Height in Windsor Tower: 1.5 m
The f...
Curtain wall  Horizontal fire
barrier
 Chimney effect for fire spread upwards
 Falling pieces for fire spread downwards...
Perimeter steel
column
protection
Unprotected columns:
Buckled steel
Protected columns:
Remained in place
The performance ...
Curtain wall
parapet
Properly fixed:
Remained in place
Not properly fixed:
disappeared
The performance of fire protection
...
221
Technical shafts
Remained in place where installed
The performance of fire protection
222
223
The progressive collapse
223
224
Collasso progressivo
224
225
Collasso progressivo (1)
225
226
Collasso progressivo (2)
226
227
Collasso progressivo (3)
227
228
Collasso progressivo (4)
228
229
Collasso progressivo (5)
229
230
231
232
compartimentzione
232
233
Windsor
Outline of the fire
233
234
Windsor
Outline of the fire
234
235
Windsor
Outline of the fire
235
236
Windsor
Outline of the fire
236
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238
239
240
CONSIDERAZIONI
SPECIFICHE
7
241
CONCEPTUAL DESIGN
242
243
ELEMENTI E COMPONENTI
STRUTTURALI
ORGANIZZAZIONE
Le relazioni stabili di funzione, funzionalità
e topologia che danno ...
244
245
246
Load path
247
CAPANNONI:
disposizione del materiale
248
NUMERICAL
MODELING
249
Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
Gentili Multi-physics modelling...
Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
Gentili Multi-physics modelling...
Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
Gentili Multi-physics modelling...
Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
Gentili Multi-physics modelling...
Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
Gentili Multi-physics modelling...
Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
Gentili Multi-physics modelling...
Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
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Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
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Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
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Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
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Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
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Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
Gentili Multi-physics modelling...
Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
Gentili Multi-physics modelling...
Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
Gentili Multi-physics modelling...
Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
Gentili Multi-physics modelling...
CAPANNONI:
modalita’ di collasso
265
Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
Gentili Multi-physics modelling...
267
268
269
270
271
272
Scenario di incendio
273
274
275
276
277
278
Tensile force
279
Lateral stifness
280
281
282
Configurazioni considerate (1)
283
Configurazioni considerate (2)
284
CAPANNONI:
modelli 2D / 3D
285
Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
Gentili Multi-physics modelling...
Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
Gentili Multi-physics modelling...
Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
Gentili Multi-physics modelling...
Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
Gentili Multi-physics modelling...
Multi-physics modelling for the safety assessment
of complex structural systems under fire
Gentili Multi-physics modelling...
NON LINEARITA’ GEOMETRICHE
291
EFFETTO CATENARIA
292
EFFETTO MEMBRANA
293
294
295
296
Total deflection of the floor:
L/30+  /30 = (L+  )/30
L/30
 /30
L

297
ZONE DI COLLEGAMENTO
298
299
B-/D- Regions (2)
A
B
C
D E
F
G
H
300
1.0 1.6 0.6
ANCHORAGEFORCE
SHEAR
(SUPPORTREACTION)
RIGHT END REACTION
301
12/20/2012 302
Limit
Stat
e
λ Shear
(slice 1.9685
inch)
Anchorage
(slice
1.9685
inch)
Right end
(slice
1.9685
inch)
Slice ...
303
STRINGERS
304
STRINGERS PROPERTIES
305
CONNECTION PROPERTIES
306
PANELS
307
PANELS PROPERTIES
308
309
310
311
SWL elastic behavior
312
SWL elastic behavior
313
314
Structural Response
λ=1.9 – 230 kN – 52 Kips
λ=1.5 – 180 kN – 40 Kips
λ=1.0 – 120 kN – 28 Kips
315
316
317
318
319
Steel mechanical properties degradation
T
<=100°C
200°C
400°C
600°C
800°C
500°C
2%
e
20%0.2% 15%
s
fyk
320
Verification of fire resistance (T)
R = structural resistance
T = temperature
t = time
Efi,requ,t
Rfi,d,t
Failure !
Td ≤ T...
0
200
400
600
800
1000
0 10 20 30 40 50 60
ISO 834
θ steel
ISO Fire - Steel Temperature
322
ANSYS
ABAQUS
PANEL STRESS, t= 0 sec, T= 20 °C, Yield stress 450 N/mm2
323
ANSYS
ABAQUS
PANEL STRESS, t= 565 sec, T= 576 °C, Yield stress 245 N/mm2
324
PANEL STRESS, t= 650 sec, T= 618 °C, Yield stress 192 N/mm2
ANSYS
ABAQUS
325
PANEL STRESS, t= 730 sec, T= 651 °C, Yield stress 156 N/mm2
ANSYS
ABAQUS
326
PANEL STRESS, t= 770 sec, T= 665 °C, Yield stress 141 N/mm2
ANSYS
ABAQUS
327
0
2
4
6
8
10
12
14
0 200 400 600 800
displ[mm]
TEMP[°C]
Ansys
Abaqus
Structural Response (1)
328
0
2
4
6
8
10
12
0 5 10 15
displ[mm]
Time [min]
Ansys
Abaqus
Structural Response (2)
329
330
0
200
400
600
800
1000
1200
0 20 40 60 80 100 120
ISO 834
Acciaio non protetto
pittura intumescente
schiuma PROMAFOAM ...
331
332
333
334
335
336
Coordinate
337
338
339
339
Str
o N
GER
www.stronger2012.com
339
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RESISTENZA AL FUOCO DELLE STRUTTURE c/o Ordine degli Ingegneri della Provincia di Pordenone

155

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Lezioni del corso di formazione dell'Ordine degli Ingegneri della Provincia di Pordenone sulla RESISTENZA AL FUOCO DELLE STRUTTURE, 30 e 31 maggio 2014.

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Transcript of "RESISTENZA AL FUOCO DELLE STRUTTURE c/o Ordine degli Ingegneri della Provincia di Pordenone"

  1. 1. RESISTENZA AL FUOCO DELLE STRUTTURE Franco Bontempi Ordinario di Tecnica delle Costruzioni Facolta’ di Ingegneria Civile e Industriale Universita’ degli Studi di Roma La Sapienza Via Eudossiana 18 – 00184 Roma franco.bontempi@uniroma1.it 1
  2. 2. 2
  3. 3. 3
  4. 4. 4
  5. 5. 5
  6. 6. 6
  7. 7. INDICE 1. Natura e caratteristiche dell’incendio • Definizione • Carattere estensivo • Carattere intensivo • Carattere accidentale 2. Sicurezza in caso di incendio • Prevenzione / Protezione • Rischio • Progettazione prestazionale / prescrittiva 3. Resistenza meccanica in caso di incendio 7
  8. 8. INCENDIO Natura del fenomeno 1 8
  9. 9. Definizione (1) • L’incendio è una combustione che si sviluppa in modo incontrollato nel tempo e nello spazio. • La combustione è una reazione chimica tra un corpo combustibile e un corpo comburente. • I combustibili sono numerosi: legno, carbone, carta, petrolio, gas combustibile, ecc. • Il comburente che interviene in un incendio è l’aria o, più precisamente, l’ossigeno presente nell’aria (21% in volume). 9
  10. 10. Condizioni (1) • Per avvenire un incendio è necessario che siano presenti tre elementi fondamentali (triangolo del fuoco): 1. il combustibile: i materiali infiammabili sono classificati in base alla loro reazione al fuoco in classi (0 = incombustibile); 2. il comburente: ruolo svolto usualmente dall'ossigeno; 3. la temperatura (o calore, questa la terza C): è necessaria la presenza di un'adeguata temperatura affinché avvenga l'innesco. • Combustibile e comburente devono essere presenti in proporzioni adeguate definite dal campo di infiammabilità. • Se non sono presenti uno o più dei tre elementi della combustione, questa non può avvenire e - se l'incendio è già in atto - si determina l'estinzione del fuoco. 10
  11. 11. Condizioni (2) innesco (hazard) materiali (vulnerability) 11
  12. 12. Sviluppo di un evento negativo innesco (hazard) materiali (vulnerability) 12
  13. 13. Vulnerabilita’ • Il termine vulnerabile deriva dalla parola latina vulnus che significa: ferita o lesione che essa può essere fisica, psicologica e per estensione anche di un diritto. • Vulnerabile è tutto ciò che è esposto alla possibilità di essere ferito, violato, leso, colpito, percosso, offeso, tagliato, danneggiato. • In questo modo vulnus sembra rinviare tanto all’azione del ferire (la causa, il colpo inferto da chi ha il potere e la possibilità di offendere), quanto allo stato del soggetto che subisce (l’effetto, la violazione del corpo, dell’anima, degli affetti, ecc.). • Un primo punto fermo derivante dall’etimologia della parola è legato all’aspetto di possibilità e non di stato: vulnerabile è chi potrebbe, potenzialmente, essere ferito. 13
  14. 14. Reazione al fuoco (1) http://www.vigilfuoco.it/aspx/page.aspx?IdPage=4253 14
  15. 15. Reazione al fuoco (2) • Dal D.M. Interno del 26/06/84, Classificazione di reazione al fuoco ed omologazione dei materiali ai fini della prevenzione incendi, la reazione al fuoco e’: • Il grado di partecipazione di un materiale combustibile al fuoco al quale e’ sottoposto; • in relazione a cio’, i materiali sono assegnati alle classi 0, 1, 2, 3, … con l’aumentare della loro partecipazione alla combustione; • quelli di classe 0 sono non combustibili. 15
  16. 16. Reazione al fuoco (3) 0 16
  17. 17. 17
  18. 18. Strategie di progetto / adeguamento • Le fasi iniziali della progettazione sono quelle determinanti per conseguire ua sensibile riduzione dei costi di realizzazione dell’opera: a) adozione di materiali da costruzione incombustibili; b) rimozione di materiali da costruzione combustibili. • Le correzioni sono costose… 18
  19. 19. 19 INCENDIO • Incendio = combustione autoalimentata ed incontrollata di materiali combustibili. • Carattere estensivo (diffusione nello spazio): 1. wildfire 2. urbanfire 3. all’esterno di un edificio 4. all’interno di un interno • Carattere intensivo (andamento nel tempo). • Natura accidentale. 19 19
  20. 20. 20 CARATTERE ESTENSIVO Diffusione nello spazio 20 20
  21. 21. 21 1. WILDFIRE 21 21
  22. 22. 2222 22
  23. 23. 233/22/2011 23 23
  24. 24. 24 2. URBANFIRE 24 24
  25. 25. 25 The Great Fire of Chicago, Oct. 7-10, 1871 25 25
  26. 26. 2626 26
  27. 27. 27 3. ALL’ESTERNO DI UN EDIFICIO 27 27
  28. 28. 283/22/2011 28 PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 28
  29. 29. 29 4. ALL’INTERNO DI UN EDIFICIO 29 29
  30. 30. 30
  31. 31. 31
  32. 32. 3232 32
  33. 33. 3333 33
  34. 34. 3434 34
  35. 35. 3535 Interazioni 35
  36. 36. 36 CARATTERE INTENSIVO Andamento temporale 36 36
  37. 37. 37 ISO 13387: Design Fire 37 37
  38. 38. 38 Potenza Termica nel tempo 38 38
  39. 39. 39 Temperatura nel tempo (curva naturale d’incendio) 39 39
  40. 40. F L A S H O V E R passiva  Create fire compartments  Prevent damage in the elements  Prevent loss of functionality in the building attiva  Detection measures (smoke, heat, flame detectors)  Suppression measures (sprinklers, fire extinguisher, standpipes, firemen)  Smoke and heat evacuation system prevenzione protezione robustezza  Limit ignition sources  Limit hazardous human behavior  Emergency procedure and evacuation  Prevent the propagation of collapse, once local damages occurred (e.g. redundancy) Strategie time T 40
  41. 41. 41 active protection passive protection no failures doesn’t triggerY N Y N spreads extinguishes damages Y N robustness no collapse collapse Y N triggers prevention 1 42 3 Strategia antincendio: combinazione di misure di prevenzione, protezione e gestionali per la riduzione del rischio di incendio. 41
  42. 42. http://www.vigilfuoco.it/aspx/page.aspx?IdPage=4075 42
  43. 43. 43
  44. 44. Prevenzione Incendi  Funzione preminente di interesse pubblico diretta a conseguire, secondo criteri uniformi sul territorio italiano,  gli obiettivi di sicurezza della vita umana, di incolumita’ delle persone e di tutela dei beni e dell'ambiente  attraverso la promozione, lo studio la predisposizione e la sperimentazione di norme, misure, provvedimenti, accorgimenti e modi di azione  intesi ad evitare l'insorgenza di un incendio degli eventi ad esso comunque connessi o a limitarne le conseguenze. 44
  45. 45. 45 CARATTERE ACCIDENTALE Evento 45 45
  46. 46. 46 Situazioni HPLC High Probability Low Consequences 46 46
  47. 47. 47 LPHC events 47Low Probability High Consequences 47
  48. 48. 48 HPLC High Probability Low Consequences LPHC Low Probability High Consequences release of energy SMALL LARGE numbers of breakdown SMALL LARGE people involved FEW MANY nonlinearity WEAK STRONG interactions WEAK STRONG uncertainty WEAK STRONG decomposability HIGH LOW course predictability HIGH LOW HPLC – LPHC EVENTS 48 48
  49. 49. 49
  50. 50. 50
  51. 51. Approcci di analisi HPLC Eventi Frequenti con Conseguenze Limitate LPHC Eventi Rari con Conseguenze Elevate Complessità: Aspetti non lineari e Meccanismi di interazioni Impostazione del problema: Deterministico Stocastico ANALISI QUALITATIVA DETERMINISTICA ANALISI QUANTITATIVA PROBABILISTICA ANALISI PRAGMATICA CON SCENARI 51
  52. 52. Scenari (D.M. 14 settembre 2005) Il Progettista, a seguito della classificazione e della caratterizzazione delle azioni, deve individuare le possibili situazioni contingenti in cui le azioni possono cimentare l’opera stessa. A tal fine, è definito:  lo scenario: un insieme organizzato e realistico di situazioni in cui l’opera potrà trovarsi durante la vita utile di progetto;  lo scenario di carico: un insieme organizzato e realistico di azioni che cimentano la struttura;  lo scenario di contingenza: l’ identificazione di uno stato plausibile e coerente per l’opera, in cui un insieme di azioni (scenario di carico) è applicato su una configurazione strutturale. Per ciascuno stato limite considerato devono essere individuati scenari di carico (ovvero insiem i organizzati e coerenti nello spazio e nel tempo di azioni) che rappresentino le combinazioni delle azioni realisticamente possibili e verosimilmente più restrittive. 52
  53. 53. Scenario d’incendio 53
  54. 54. 54 ISO 13387: Event Tree 54 54
  55. 55. 55 Controlling Fire Spread • The larger a fire, the greater its destructive potential. • The control of fire movement, or fire spread, is discussed in four categories: 1. within the room of origin; 2. to other rooms on the same level; 3. to other storey of the same building; 4. to other buildings. 55 55
  56. 56. 56 ISO 13387: Fire Spread Routes 56 56
  57. 57. 57 ISO 13387: Fire Spread Routes 57 57
  58. 58. scenario analysis 58 58
  59. 59. SICUREZZA Rischio 2 59
  60. 60. 60 PREVENZIONE / PROTEZIONE Strategie 60 60
  61. 61. 61
  62. 62. Struttura del documento 62
  63. 63. 63 Andamento temperatura nel tempo (curva naturale d’incendio) 63 63
  64. 64. Reazione al Fuoco 64
  65. 65. Applicazione di prodotti/materiali 65
  66. 66. Protezione Attiva 66
  67. 67. F L A S H O V E R passiva  Create fire compartments  Prevent damage in the elements  Prevent loss of functionality in the building attiva  Detection measures (smoke, heat, flame detectors)  Suppression measures (sprinklers, fire extinguisher, standpipes, firemen)  Smoke and heat evacuation system prevenzione protezione robustezza  Limit ignition sources  Limit hazardous human behavior  Emergency procedure and evacuation  Prevent the propagation of collapse, once local damages occurred (e.g. redundancy) Strategie time T 67
  68. 68. Ingegneria della Sicurezza Antincendio (Fire Safety Engineering) 68
  69. 69. Impostazione generale (1) 69
  70. 70. Impostazione generale (2) 70
  71. 71. Campo di applicazione 71
  72. 72. Obiettivi della Prevenzione Incendi 72
  73. 73. Design Process - ISO 13387 A. Design constraints and possibilities (blue), B. Action definition and development (red), C. Passive system and active response (yellow), D. Safety and performance (purple). 73 73
  74. 74. DESIGN ACTION RESPONSE SAFETY&PERFORMANCE 74 74
  75. 75. Strategia antincendio per la mitigazione del rischio (0) 75
  76. 76. Strategia antincendio per la mitigazione del rischio (1) 76
  77. 77. 77
  78. 78. 78
  79. 79. Selezione dei livelli di prestazione delle strategie antincendio 79
  80. 80. 80 RISCHIO Natura aleatoria 80 80
  81. 81. Valutazione del profilo di rischio per l'attivita’ 81
  82. 82. Rischio, Rischio, Rischio • Rischio è la potenzialità che un'azione o un'attività scelta (includendo la scelta di non agire) porti a una perdita o ad un evento indesiderabile. • Profilo di rischio e’ un indicatore speditivo della tipologia di rischio di incendio associata all'esercizio ordinario di una qualsiasi attivita’. • Area a rischio specifico e’ una porzione dell'attivita’ caratterizzate da rischio di incendio sostanzialmente differente rispetto a quello tipico dell'attivita. L'individuazione delle aree a rischio specifico: a. riportata nella regole tecniche verticali; b. in assenza, e’ effettuata dal progettista secondo i criteri dell'allegato 15. 82
  83. 83. RISK CONCERN cause causa effect effetto 83
  84. 84. Risk Treatment 84 84
  85. 85. Option 1 – Risk avoidance, which usually means not proceeding to continue with the system; this is not always a feasible option, but may be the only course of action if the hazard or their probability of occurrence or both are particularly serious; Option 2 – Risk reduction, either through (a) reducing the probability of occurrence of some events, or (b) through reduction in the severity of the consequences, such as downsizing the system, or (c) putting in place control measures; Option 3 – Risk transfer, where insurance or other financial mechanisms can be put in place to share or completely transfer the financial risk to other parties; this is not a feasible option where the primary consequences are not financial; Option 4 – Risk acceptance, even when it exceeds the criteria, but perhaps only for a limited time until other measures can be taken. 85 85
  86. 86. Quantitative Risk Analysis 86 86
  87. 87. Risk-based Decision Making 87 87
  88. 88. Obiettivi / Ipotesi della Progettazione Antincendio 88
  89. 89. Sviluppo di un evento negativo 89
  90. 90. STRUCTURAL SYSTEM CHARACTERISTICS STRUCTURAL SYSTEM WEAKNESS 90 90
  91. 91. 91 91
  92. 92. STRUCTURAL CONCEPTION STRUCTURAL TOPOLOGY & GEOMETRY threats No Yes threats STRUCTURAL MATERIAL & PARTS No Yespassive structural characteristics threats FIRE DETECTION & SUPPRESSION No Yes active structural characteristics threats ORGANIZATION & FIREFIGHTERS No Yes threats MAINTENANCE & USE No Yes threats No alive structural characteristics Yes 92 92
  93. 93. 93 93
  94. 94. 94 PERFORMANCE BASED DESIGN Prestazionale / Prescrittivo 94 94
  95. 95. Come raggiungere gli obiettivi 95
  96. 96. Prescrittivo (1) APPROCCIO PRESCRITTIVO 1) BASI DEL PROGETTO, 2) LIVELLI DI SCUREZZA, 3) PRESTAZIONI ATTESE NON ESPLICITATI 1) REGOLE DI CALCOLO E 2) COMPONENTI MATERIALI SPECIFICATI E DETTAGLIATI QUALITA' ED AFFIDABILITA' STRUTTURALI ASSICURATI IN MODO INDIRETTO GARANZIA DIRETTA DELLE PRESTAZIONI E DELLA SICUREZZA STRUTURALI INSIEME DI STRUMENTI LOGICI E MATERIALI #3 INSIEME DI STRUMENTI LOGICI E MATERIALI #1 INSIEME DI STRUMENTI LOGICI E MATERIALI #2 OBIETTIVI PRESTAZIONALI E LIVELLI DI SICUREZZA ESPLICITATI APPROCCIO PRESTAZIONALE NUMERICAL MODELING 96
  97. 97. Prescrittivo (2) 97
  98. 98. Prestazionale (1) APPROCCIO PRESCRITTIVO 1) BASI DEL PROGETTO, 2) LIVELLI DI SCUREZZA, 3) PRESTAZIONI ATTESE NON ESPLICITATI 1) REGOLE DI CALCOLO E 2) COMPONENTI MATERIALI SPECIFICATI E DETTAGLIATI QUALITA' ED AFFIDABILITA' STRUTTURALI ASSICURATI IN MODO INDIRETTO GARANZIA DIRETTA DELLE PRESTAZIONI E DELLA SICUREZZA STRUTURALI INSIEME DI STRUMENTI LOGICI E MATERIALI #3 INSIEME DI STRUMENTI LOGICI E MATERIALI #1 INSIEME DI STRUMENTI LOGICI E MATERIALI #2 OBIETTIVI PRESTAZIONALI E LIVELLI DI SICUREZZA ESPLICITATI APPROCCIO PRESTAZIONALE NUMERICAL MODELING 98
  99. 99. Prestazionale (2) 99
  100. 100. 100
  101. 101. 101 101
  102. 102. 102
  103. 103. 103
  104. 104. RESISTENZA Risposta meccanica 3 104
  105. 105. 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); 105 105
  106. 106. Variation of fire resistance (3D) R = structural resistance T = temperature t = time T=T(t) R=R(t,T)=R(t,T(t))=R(t) 106 106
  107. 107. Verification of fire resistance (R-safe) R = structural resistance T = temperature t = time Rfi,d,t Efi,requ,t 107 107
  108. 108. Verification of fire resistance (R-fail) R = structural resistance T = temperature t = time Efi,requ,t Rfi,d,t Failure ! 108 108
  109. 109. Verification of fire resistance (t) R = structural resistance T = temperature t = time Efi,requ,t Rfi,d,t Failure ! tfi,d ≥ tfi,requ 109 109
  110. 110. Verification of fire resistance (T) R = structural resistance T = temperature t = time Efi,requ,t Rfi,d,t Failure ! Td ≤ Tcr 110 110
  111. 111. Verification of fire resistance (T) R = structural resistance T = temperature t = time Efi,requ,t Rfi,d,t Failure ! Td ≤ Tcr 111
  112. 112. 112 Es. 112
  113. 113. #4 113 113
  114. 114. #1 114 3/31/2011 114 PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 114
  115. 115. 115 115
  116. 116. 116 116
  117. 117. STRUCTURAL ROBUSTNESS (1) ATTRIBUTES RELIABILITY AVAILABILITY SAFETY MAINTAINABILITY INTEGRITY SECURITY FAILURE ERROR FAULT permanent interruption of a system ability to perform a required function under specified operating conditions the system is in an incorrect state: it may or may not cause failure it is a defect and represents a potential cause of error, active or dormant THREATS 117
  118. 118. STRUCTURAL ROBUSTNESS (2) • Capacity of a construction to show regular decrease of its structural quality due to negative causes. • It implies: a) some smoothness of the decrease of structural performance due to negative events (intensive feature); b) some limited spatial spread of the rupture (extensive feature). 118 118
  119. 119. Levels of Structural Crisis UsualULS&SLS VerificationFormat Structural Robustness Assessment 1st level: Material Point 2nd level: Element Section 3rd level: Structural Element 4th level: Structural System 119
  120. 120. D0 120 Es. 120
  121. 121. D1 D2 Scenari (1-2) 121
  122. 122. D3 D4 Scenari (3-4) 122
  123. 123. Modalità di collasso (1-2) D1 D2 123 123
  124. 124. Modalità di collasso (3-4) D3 D4 124 124
  125. 125. 0 4 Lo scenario D4 è quello più cattivo: l’elemento strutturale critico individuato è la colonna più esterna! 125 Sintesi dei risultati: elemento critico 125
  126. 126. Bad vs Good Collapse STRUCTURE & LOADS Collapse Mechanism NO SWAY “IMPLOSION” OF THE STRUCTURE “EXPLOSION” OF THE STRUCTURE is a process in which objects are destroyed by collapsing on themselves is a process NOT CONFINED SWAY 126
  127. 127. Design Strategy #1: CONTINUITY 127
  128. 128. Design Strategy #2: SEGMENTATION 1283/31/2011 PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 128
  129. 129. 28/4/2011 PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 129 129
  130. 130. Definizioni: compartimentazione • CAPACITÀ DI COMPARTIMENTAZIONE IN CASO D’INCENDIO: attitudine di un elemento costruttivo a conservare, sotto l’azione del fuoco, oltre alla propria stabilità, un sufficiente isolamento termico ed una sufficiente tenuta ai fumi e ai gas caldi della combustione, nonché tutte le altre prestazioni se richieste. • COMPARTIMENTO ANTINCENDIO: parte della costruzione organizzata per rispondere alle esigenze della sicurezza in caso di incendio e delimitata da elementi costruttivi idonei a garantire, sotto l’azione del fuoco e per un dato intervallo di tempo, la capacità di compartimentazione. 130 130
  131. 131. TESTI Bibliografia & Informazioni 4 131
  132. 132. 132
  133. 133. 133
  134. 134. 134
  135. 135. 135
  136. 136. 136
  137. 137. 137
  138. 138. Coordinate 138
  139. 139. 139
  140. 140. 140 140 Str o N GER www.stronger2012.com 140
  141. 141. 2nd DAY Franco Bontempi Ordinario di Tecnica delle Costruzioni Facolta’ di Ingegneria Civile e Industriale Universita’ degli Studi di Roma La Sapienza Via Eudossiana 18 – 00184 Roma franco.bontempi@uniroma1.it 141
  142. 142. INDICE 1. Natura e caratteristiche dell’incendio • Definizione • Carattere estensivo • Carattere intensivo • Carattere accidentale 2. Sicurezza in caso di incendio • Prevenzione / Protezione • Rischio • Progettazione prestazionale / prescrittiva 3. Resistenza meccanica in caso di incendio 142
  143. 143. INDICE 5. Analisi in caso di incendio • Scomposizione • Sensitivita’ • Delimitazione • Ridondanza 6. Windsor Hotel case history • Prevenzione / Protezione • Rischio • Progettazione prestazionale / prescrittiva 7. Considerazioni specifiche 143
  144. 144. summing up 144
  145. 145. DESIGN ACTION RESPONSE SAFETY&PERFORMANCE 145 145
  146. 146. STRUCTURAL SYSTEM CHARACTERISTICS STRUCTURAL SYSTEM WEAKNESS 146 146
  147. 147. 147 147
  148. 148. 148 148
  149. 149. 149
  150. 150. 150
  151. 151. Selezione dei livelli di prestazione delle strategie antincendio 151
  152. 152. NUMERICAL MODELING 152
  153. 153. ANALISI IN CASO DI INCENDIO Modellazione 5 153
  154. 154. 154154
  155. 155. STRATEGY #0: BREAKDOWN 155
  156. 156. SISTEMA STRUTTURALE PRINCIPALE ZONE SPECIALI DI IMPALCATO SISTEMA DI RITEGNO/SOSTEGNO SISTEMA STRUTTURALE SECONDARIO SISTEMA DI SOSPENSIONE IMPALCATO CORRENTE FONDAZIONI DELLE TORRI ANCORAGGI TORRI SELLE CAVI PRINCIPALI PENDINI CASSONI STRADALI CASSONE FERROVIARIO TRAVERSO INTERNE TERMINALI SISTEMA STRUTTURALE AUSILIARIO STRADALE FERROVIARIO FUNZIONAMENTO MANUTENZIONE EMERGENZA PONTE MACROLIVELLO MESOLIVELLO 156
  157. 157. 157
  158. 158. 158
  159. 159. 159
  160. 160. 160
  161. 161. The function: y(x1,x2) 161
  162. 162. 162 STRATEGY #1: SENSITIVITY governance of priorities
  163. 163. The sensibility of the function 163
  164. 164. 164 STRATEGY #2: BOUNDING behavior governance p (p)  p (p) 
  165. 165. The bounding of the function 165
  166. 166. Super Controllore Problema Risultato Solutore #1 Solutore #2 Voting System STRATEGY #3: REDUNDANCY 166
  167. 167. 167
  168. 168. 168 approccio costruttivo e storico consapevolezza del problema modelli / tempo soluzione
  169. 169. HOTEL WINDSOR Case History 6 169
  170. 170. 170
  171. 171. 171
  172. 172. 172
  173. 173. 173
  174. 174. 174
  175. 175. THE STRUCTURE Context 175
  176. 176. 176176
  177. 177. 177 Built during 70’s Offices and commercial use 106 metres high 32 storeys above ground level 5 storeys underground Outline of the structure 177
  178. 178. Outline of the structure 178
  179. 179. 179
  180. 180. Updating works 180 Works carried out to update the building going further than regulations in force: • National regulations (1996) • Regional regulations from Region of Madrid (2003). They consists in: • Construction of an exterior staircase • Renovation of electrical wiring • Protection of metallic structure with fire resisting material • Sealing of concealed spaces • Fire barriers in curtain-walls • Renovation of smoke detectors • Installation of new sprinkler system 180
  181. 181. Main fire Protection System At time of Construction (1970s Spanish Codes At time of Fire (Refurbishment in Process) Fire compartmentation no Under construction Fire stopping between cladding & structure no Under construction Fire protection to steelwork no 17th floor & above: Not yet commencement (18th floor partly completed) 4th - 15th floor: Completed (except 9 & 15th floors) Fire protection to concrete members no no Sprinkler system no Under construction Fire alarm system yes yes Dry riser system yes yes Spanish Fire Regulations 181
  182. 182. FIRE INCIDENT Event 182
  183. 183. 1st section: floors 3 to 16 1st technical floorreception 5 basements 2nd technical floor 2nd section: floors 17 to roof empty floors 183
  184. 184. 184184
  185. 185. 185185
  186. 186. 186186
  187. 187. 187187
  188. 188. 188188
  189. 189. 189189
  190. 190. 190190
  191. 191. 191 SISTEMA STRUTTURALE SCENARIO D’INCENDIO 1 2 COMPARTIMENTO STRUTTURALE SUPERIORE COMPARTIMENTO STRUTURALE INFERIORE 3 3 191
  192. 192. 192192
  193. 193. 193 Outline of the fire 12 February 23:05 smoke alarm on 21st floor 23:05-23:21 Security staff goes to check alarm and attempts to tackle fire 23:21 Call to fire brigade 23:25 Firemen arrive 23:25-00:00 Quick spreading of flames 00:00 Firemen leave the building 193
  194. 194. 194 Outline of the fire 13 February 01.00 four storeys were on fire 194
  195. 195. 195 Outline of the fire 02.00 flames almost all over the building 195
  196. 196. 196 Outline of the fire 03.30 first collapse 04.00 fire revives 196
  197. 197. 197 Outline of the fire Metallic structure strongly damaged. Collapse of upper floors supported by steel columns. Unforeseenly fire spread downwards very quickly. 197
  198. 198. 198 Outline of the fire 198
  199. 199. 199 Outline of the fire 199
  200. 200. 200 Outline of the fire 200
  201. 201. 201 Outline of the fire 07.00 firemen in adjacent buildings 201
  202. 202. 202 Outline of the fire 14.00 fire is still active 17.00 automatic hoses cooling the building and its surroundings are closed 202
  203. 203. 203 The aftermath Lower section Bays adjacent to facades in bad conditions Next bays parallel to north facade also badly damaged Other areas: concrete columns diversely damaged Central core slightly damaged 203
  204. 204. 204 The aftermath Upper section Bays adjacent to facades almost compleatly collapsed Next bays parallel to north facade also collapsed 204
  205. 205. STRUCTURAL BEHAVIOR Comments 205
  206. 206. The fire in progress 01:00: some floors above 21st floor in fire 206
  207. 207. 02:00: all floors above 21st floor in fire The fire in progress 207
  208. 208. 02:00: chunks of façade fall off The fire in progress 208
  209. 209. 02:15: steel columns deform like spaghetti The fire in progress 209
  210. 210. Source – TVE 1 The fire in progress 210
  211. 211. 05:30: fire spread below 16th floor, crossing over the upper technical floor The fire in progress 211
  212. 212. 08:30: fire spread beneath 4th floor The fire in progress 212
  213. 213. 13:30: fire under control The fire in progress 213
  214. 214. After the fire The fire in progress 214
  215. 215. Primary contributor: detection • Long response time of detectors to give alarm • Closed doors in the room where fire started • Lack of effective fire fighting measures for first intervention (automatic sprinklers, training of security guards, …) Secondary contributor: Internal intervention • Lack of water pressure for fire brigade intervention The fire initiation 215
  216. 216. Primary Contributor • Gap between curtain wall and floor slab never fire stopped • Smoke & flame pass through breach of compartment:  no fire doors  no penetration seals  no shaft protection • Burning droplets allowed to pass down. Fire started on floor 21, but spread as far down as floor 2 !!! Secondary contributor • Glazed façade had no fire rating • Windows failed at early stag The fire spread & path 216
  217. 217. Curtain wall  Vertical parapets Mechanism of fire barrier parapet between the floors Height in Windsor Tower: 1.5 m The fire spread & path 217
  218. 218. Curtain wall  Horizontal fire barrier  Chimney effect for fire spread upwards  Falling pieces for fire spread downwards The fire spread & path 218
  219. 219. Perimeter steel column protection Unprotected columns: Buckled steel Protected columns: Remained in place The performance of fire protection 219
  220. 220. Curtain wall parapet Properly fixed: Remained in place Not properly fixed: disappeared The performance of fire protection 220
  221. 221. 221
  222. 222. Technical shafts Remained in place where installed The performance of fire protection 222
  223. 223. 223 The progressive collapse 223
  224. 224. 224 Collasso progressivo 224
  225. 225. 225 Collasso progressivo (1) 225
  226. 226. 226 Collasso progressivo (2) 226
  227. 227. 227 Collasso progressivo (3) 227
  228. 228. 228 Collasso progressivo (4) 228
  229. 229. 229 Collasso progressivo (5) 229
  230. 230. 230
  231. 231. 231
  232. 232. 232 compartimentzione 232
  233. 233. 233 Windsor Outline of the fire 233
  234. 234. 234 Windsor Outline of the fire 234
  235. 235. 235 Windsor Outline of the fire 235
  236. 236. 236 Windsor Outline of the fire 236
  237. 237. 237
  238. 238. 238
  239. 239. 239
  240. 240. 240
  241. 241. CONSIDERAZIONI SPECIFICHE 7 241
  242. 242. CONCEPTUAL DESIGN 242
  243. 243. 243 ELEMENTI E COMPONENTI STRUTTURALI ORGANIZZAZIONE Le relazioni stabili di funzione, funzionalità e topologia che danno significato agli elementi indipendentemente dalla loro specificità. STRUTTURA Elementi specifici che tramite le relazioni strutturali formano una configurazione persistente nel tempo SISTEMA Struttura durevole di elementi organizzati, che viene osservata come unità che presenta caratteristiche emergenti.
  244. 244. 244
  245. 245. 245
  246. 246. 246 Load path
  247. 247. 247
  248. 248. CAPANNONI: disposizione del materiale 248
  249. 249. NUMERICAL MODELING 249
  250. 250. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili Case Study I Stack height 3.0 m No. of pallets in a stack 20 --- HRRmax of a stack 6.81 MW No. stacks in the hall 18 --- HRRmax, tot 176 MW Floor area Af 1200 m2 Enclosure area At 3135 m2 Opening factor O 0.055 m0.5 Thermal Inertia b 1017 Ws0.5/(Km2) Fuel load density (enclosure) q 30 MJ/m2 Fuel load density (floor) qf 79 MJ/m2 Total fuel load Q 94500 MJ Fire growing rate a 0.156 kJ/s3 hs
  251. 251. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili Hydrodynamic Model Combustion Model Thermal Radiation Solid Phase Model Fire Detection Devices FDS: Solver • The partial derivatives of the conservation equations of mass, momentum and energy are approximated as finite differences. • The solution is updated in time on a three- dimensional, rectilinear grid. • Thermal radiation is computed using a finite volume technique on the same grid as the flow solver. • Lagrangian particles are used to simulate smoke movement, sprinkler discharge, and fuel sprays. . Notes: http://code.google.com/p/fds-smv/
  252. 252. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili Fire Model – Fuel locations
  253. 253. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili Fire Model – Ventilation conditions
  254. 254. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili 0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 20 Temperature[C] time [min] All opening closed Breakingwindows Smoke extractors Openings doors 0 40 80 120 160 200 240 0 5 10 15 20 HRR[MW] time [min] All opening closed Breaking windows Smoke extractors Openings doors 0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 20 25 30 Temperature[C] time [min] Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4 0 40 80 120 160 200 0 5 10 15 20 HRR[MW] time [min] Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4 Fire Model Ventilation Conditions Fuel Locationstime [min] Temperature[°C] Temperature[°C] time [min] time [min] time [min] HRR[MW]HRR[MW] 0
  255. 255. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili Fire Model – Mesh optimization dx %D* D*/Dx Number of cells 0.3 0.039 25.31 298080 0.4 0.052 18.98 126360 0.5 0.065 15.18 64512 0.6 0.075 12.65 38880 0 40 80 120 160 200 240 0 5 10 15 20 HRR[MW] time [min] 60 cm 50 cm 40 cm 30 cm 0 1 2 3 4 5 0 5 10 15 20 SmokeHeight[m] time [min] 60 cm 50 cm 40 cm 30 cm 0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 20 temperature[C] time [min] 60 cm 50 cm 40 cm 30 cm
  256. 256. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili Fire Model – Fuel involvement   019.0 05.0 30min   d HRRNFPA CRITERION FDS CRITERION Temperature Heat Release Rate CT  275min
  257. 257. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili Structural Response – Scenario 1 Point D Point C Collapse ISO 834 FDS Local 18 min 9 min Global 22 min 9 min 3 Gentili F. (in press), Advanced numerical analyses for the assessment of steel structures under fire, International Journal of Lifecycle Performance Engineering, Special Issue on Fire Safety Design and Robustness Considerations in Structural Engineering, Inderscience. displacement[m] time [min] -2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 0 10 20 30 40 Point C - ISO Point C - FDS Point D - ISO Point D - FDS Global Collapse Local Collapse
  258. 258. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili Case Study II Stack height 3.0 m No. of pallets in a stack 20 --- HRRmax of a stack 6.81 MW No. stacks in the hall 16 --- HRRmax, tot 157 MW Floor area Af 1200 m2 Enclosure area At 3135 m2 Opening factor O 0.055 m0.5 Thermal Inertia b 1017 Ws0.5/(Km2) Fuel load density (enclosure) q 27 MJ/m2 Fuel load density (floor) qf 70 MJ/m2 Total fuel load Q 84000 MJ Fire growing rate a 0.156 kJ/s3 hs
  259. 259. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili Partial vs Complete Model25
  260. 260. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili Combustible stacking
  261. 261. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili Combustible stacking TC - 1 TC - 8 27
  262. 262. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili Travelling Fire (I)8 Gentili F, Giuliani L, Bontempi F. (in press), Effects of combustible stacking in large compartments, Journal of Structural Fire Engineering
  263. 263. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili Travelling Fire (II) Temperature Time Tgas-1 Tgas-2 Tsteel-2 Tsteel-1
  264. 264. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili Local temperatures much higher than those predicted by a flashover fire Fire Action Fuel Stacking in Large Compartments Possible Travelling Fire Low ConcentrationHigh Concentration
  265. 265. CAPANNONI: modalita’ di collasso 265
  266. 266. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili SWAY: prevede lo svio; è potenzialmente capace di coinvolgere strutture vicine, con la possibilità di provocare dei collassi a catena, ovvero una crisi progressiva. Sway vs No sway Collapse NO SWAY: il meccanismo che non prevede svio del traverso; presenta un confinamento del collasso
  267. 267. 267
  268. 268. 268
  269. 269. 269
  270. 270. 270
  271. 271. 271
  272. 272. 272
  273. 273. Scenario di incendio 273
  274. 274. 274
  275. 275. 275
  276. 276. 276
  277. 277. 277
  278. 278. 278
  279. 279. Tensile force 279
  280. 280. Lateral stifness 280
  281. 281. 281
  282. 282. 282
  283. 283. Configurazioni considerate (1) 283
  284. 284. Configurazioni considerate (2) 284
  285. 285. CAPANNONI: modelli 2D / 3D 285
  286. 286. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili Substructure Vs Global models Deformation inthe planXZ PointBPointA Model 1: A two-span pitched portal in two dimensions Model 2: A two-span pitched portal in three dimensions Model 3: Whole 3D structure
  287. 287. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili θ [ C] t [min] ∆𝜃 𝑎,𝑡 = 𝐴 𝑚 𝑉 𝑐 𝑎 ∙ 𝜌 𝑎 ∙ ℎ 𝑛𝑒𝑡 ,𝑑 ∙ ∆𝑡 STEEL TEMPERATURE FOR UNPROTECTED BEAM ENV 1993 – 1 – 2 : 1995 FIRE MODEL HEAT TRANSFER MODEL Fire and Heat Transfer Models
  288. 288. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili Horizontal DisplacementVertical Displacement Deformed shape in Structural Code 1 (Scale Factor 1) Deformed shape in Structural Code 2 (Scale Factor 5) Model 1: A two-span pitched portal in two dimensions N [N] displacement [m] displacement[m] time[min] Abaqus Diana Abaqus Diana PointBPointA PointC PointBPointA PointC Point APoint B
  289. 289. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili Model 2: A two-span pitched portal in three dimensions (Scale Factor 10) (Scale Factor 10) displacement [m] 0 5 10 15 20 25 -0.25 -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 time[min] Abaqus Literature Diana -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0 5 10 15 20 25 displacement[m] time [min] Abaqus Literature Diana In plane displacement Out of plane displacement PointBPointA PointC PointBPointA PointC Point A Code 2 Code 1 (Scale Factor 5) (Scale Factor 5) Point C
  290. 290. Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment of complex structural systems under fire. Gentili Point BPoint A Model 3: Whole 3D structure Horizontal DisplacementVertical Displacement Deformed shape in Structural Code 1 (Scale Factor 5) Deformed shape in Structural Code 2 (Scale Factor 5) Point A Point B
  291. 291. NON LINEARITA’ GEOMETRICHE 291
  292. 292. EFFETTO CATENARIA 292
  293. 293. EFFETTO MEMBRANA 293
  294. 294. 294
  295. 295. 295
  296. 296. 296
  297. 297. Total deflection of the floor: L/30+  /30 = (L+  )/30 L/30  /30 L  297
  298. 298. ZONE DI COLLEGAMENTO 298
  299. 299. 299 B-/D- Regions (2) A B C D E F G H
  300. 300. 300
  301. 301. 1.0 1.6 0.6 ANCHORAGEFORCE SHEAR (SUPPORTREACTION) RIGHT END REACTION 301
  302. 302. 12/20/2012 302 Limit Stat e λ Shear (slice 1.9685 inch) Anchorage (slice 1.9685 inch) Right end (slice 1.9685 inch) Slice 0.3937 inch (model) Slice 3.1496 inch (suggested) kN Kips kN Kips kN Kips kN Kips kN Kips SLS 1.0 120 26.98 190 42.71 72 16.19 24 5.40 192 43.16 ULS 1.5 180 40.47 285 64.07 108 24.28 36 8.09 288 64.74 1.0 1.6 0.6 ANCHORAGE FORCE SHEAR (SUPPORT REACTION) RIGHT END REACTION 302
  303. 303. 303
  304. 304. STRINGERS 304
  305. 305. STRINGERS PROPERTIES 305
  306. 306. CONNECTION PROPERTIES 306
  307. 307. PANELS 307
  308. 308. PANELS PROPERTIES 308
  309. 309. 309
  310. 310. 310
  311. 311. 311
  312. 312. SWL elastic behavior 312
  313. 313. SWL elastic behavior 313
  314. 314. 314
  315. 315. Structural Response λ=1.9 – 230 kN – 52 Kips λ=1.5 – 180 kN – 40 Kips λ=1.0 – 120 kN – 28 Kips 315
  316. 316. 316
  317. 317. 317
  318. 318. 318
  319. 319. 319
  320. 320. Steel mechanical properties degradation T <=100°C 200°C 400°C 600°C 800°C 500°C 2% e 20%0.2% 15% s fyk 320
  321. 321. Verification of fire resistance (T) R = structural resistance T = temperature t = time Efi,requ,t Rfi,d,t Failure ! Td ≤ Tcr 321
  322. 322. 0 200 400 600 800 1000 0 10 20 30 40 50 60 ISO 834 θ steel ISO Fire - Steel Temperature 322
  323. 323. ANSYS ABAQUS PANEL STRESS, t= 0 sec, T= 20 °C, Yield stress 450 N/mm2 323
  324. 324. ANSYS ABAQUS PANEL STRESS, t= 565 sec, T= 576 °C, Yield stress 245 N/mm2 324
  325. 325. PANEL STRESS, t= 650 sec, T= 618 °C, Yield stress 192 N/mm2 ANSYS ABAQUS 325
  326. 326. PANEL STRESS, t= 730 sec, T= 651 °C, Yield stress 156 N/mm2 ANSYS ABAQUS 326
  327. 327. PANEL STRESS, t= 770 sec, T= 665 °C, Yield stress 141 N/mm2 ANSYS ABAQUS 327
  328. 328. 0 2 4 6 8 10 12 14 0 200 400 600 800 displ[mm] TEMP[°C] Ansys Abaqus Structural Response (1) 328
  329. 329. 0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 displ[mm] Time [min] Ansys Abaqus Structural Response (2) 329
  330. 330. 330 0 200 400 600 800 1000 1200 0 20 40 60 80 100 120 ISO 834 Acciaio non protetto pittura intumescente schiuma PROMAFOAM d=7mm GessoTime [min] TEMP[°C] Protective Measures
  331. 331. 331
  332. 332. 332
  333. 333. 333
  334. 334. 334
  335. 335. 335
  336. 336. 336
  337. 337. Coordinate 337
  338. 338. 338
  339. 339. 339 339 Str o N GER www.stronger2012.com 339
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