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

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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.

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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  • 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
  • 3. 3
  • 4. 4
  • 5. 5
  • 6. 6
  • 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. INCENDIO Natura del fenomeno 1 8
  • 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. 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. Condizioni (2) innesco (hazard) materiali (vulnerability) 11
  • 12. Sviluppo di un evento negativo innesco (hazard) materiali (vulnerability) 12
  • 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. Reazione al fuoco (1) http://www.vigilfuoco.it/aspx/page.aspx?IdPage=4253 14
  • 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. Reazione al fuoco (3) 0 16
  • 17. 17
  • 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 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 CARATTERE ESTENSIVO Diffusione nello spazio 20 20
  • 21. 21 1. WILDFIRE 21 21
  • 22. 2222 22
  • 23. 233/22/2011 23 23
  • 24. 24 2. URBANFIRE 24 24
  • 25. 25 The Great Fire of Chicago, Oct. 7-10, 1871 25 25
  • 26. 2626 26
  • 27. 27 3. ALL’ESTERNO DI UN EDIFICIO 27 27
  • 28. 283/22/2011 28 PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 28
  • 29. 29 4. ALL’INTERNO DI UN EDIFICIO 29 29
  • 30. 30
  • 31. 31
  • 32. 3232 32
  • 33. 3333 33
  • 34. 3434 34
  • 35. 3535 Interazioni 35
  • 36. 36 CARATTERE INTENSIVO Andamento temporale 36 36
  • 37. 37 ISO 13387: Design Fire 37 37
  • 38. 38 Potenza Termica nel tempo 38 38
  • 39. 39 Temperatura nel tempo (curva naturale d’incendio) 39 39
  • 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 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. http://www.vigilfuoco.it/aspx/page.aspx?IdPage=4075 42
  • 43. 43
  • 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 CARATTERE ACCIDENTALE Evento 45 45
  • 46. 46 Situazioni HPLC High Probability Low Consequences 46 46
  • 47. 47 LPHC events 47Low Probability High Consequences 47
  • 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
  • 50. 50
  • 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. 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. Scenario d’incendio 53
  • 54. 54 ISO 13387: Event Tree 54 54
  • 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 ISO 13387: Fire Spread Routes 56 56
  • 57. 57 ISO 13387: Fire Spread Routes 57 57
  • 58. scenario analysis 58 58
  • 59. SICUREZZA Rischio 2 59
  • 60. 60 PREVENZIONE / PROTEZIONE Strategie 60 60
  • 61. 61
  • 62. Struttura del documento 62
  • 63. 63 Andamento temperatura nel tempo (curva naturale d’incendio) 63 63
  • 64. Reazione al Fuoco 64
  • 65. Applicazione di prodotti/materiali 65
  • 66. Protezione Attiva 66
  • 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. Ingegneria della Sicurezza Antincendio (Fire Safety Engineering) 68
  • 69. Impostazione generale (1) 69
  • 70. Impostazione generale (2) 70
  • 71. Campo di applicazione 71
  • 72. Obiettivi della Prevenzione Incendi 72
  • 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. DESIGN ACTION RESPONSE SAFETY&PERFORMANCE 74 74
  • 75. Strategia antincendio per la mitigazione del rischio (0) 75
  • 76. Strategia antincendio per la mitigazione del rischio (1) 76
  • 77. 77
  • 78. 78
  • 79. Selezione dei livelli di prestazione delle strategie antincendio 79
  • 80. 80 RISCHIO Natura aleatoria 80 80
  • 81. Valutazione del profilo di rischio per l'attivita’ 81
  • 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. RISK CONCERN cause causa effect effetto 83
  • 84. Risk Treatment 84 84
  • 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. Quantitative Risk Analysis 86 86
  • 87. Risk-based Decision Making 87 87
  • 88. Obiettivi / Ipotesi della Progettazione Antincendio 88
  • 89. Sviluppo di un evento negativo 89
  • 90. STRUCTURAL SYSTEM CHARACTERISTICS STRUCTURAL SYSTEM WEAKNESS 90 90
  • 91. 91 91
  • 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
  • 94. 94 PERFORMANCE BASED DESIGN Prestazionale / Prescrittivo 94 94
  • 95. Come raggiungere gli obiettivi 95
  • 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. Prescrittivo (2) 97
  • 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. Prestazionale (2) 99
  • 100. 100
  • 101. 101 101
  • 102. 102
  • 103. 103
  • 104. RESISTENZA Risposta meccanica 3 104
  • 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. 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. Verification of fire resistance (R-safe) R = structural resistance T = temperature t = time Rfi,d,t Efi,requ,t 107 107
  • 108. Verification of fire resistance (R-fail) R = structural resistance T = temperature t = time Efi,requ,t Rfi,d,t Failure ! 108 108
  • 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. Verification of fire resistance (T) R = structural resistance T = temperature t = time Efi,requ,t Rfi,d,t Failure ! Td ≤ Tcr 110 110
  • 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 Es. 112
  • 113. #4 113 113
  • 114. #1 114 3/31/2011 114 PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 114
  • 115. 115 115
  • 116. 116 116
  • 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. 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. 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. D0 120 Es. 120
  • 121. D1 D2 Scenari (1-2) 121
  • 122. D3 D4 Scenari (3-4) 122
  • 123. Modalità di collasso (1-2) D1 D2 123 123
  • 124. Modalità di collasso (3-4) D3 D4 124 124
  • 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. 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. Design Strategy #1: CONTINUITY 127
  • 128. Design Strategy #2: SEGMENTATION 1283/31/2011 PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 128
  • 129. 28/4/2011 PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO 129 129
  • 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. TESTI Bibliografia & Informazioni 4 131
  • 132. 132
  • 133. 133
  • 134. 134
  • 135. 135
  • 136. 136
  • 137. 137
  • 138. Coordinate 138
  • 139. 139
  • 140. 140 140 Str o N GER www.stronger2012.com 140
  • 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. 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. 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. summing up 144
  • 145. DESIGN ACTION RESPONSE SAFETY&PERFORMANCE 145 145
  • 146. STRUCTURAL SYSTEM CHARACTERISTICS STRUCTURAL SYSTEM WEAKNESS 146 146
  • 147. 147 147
  • 148. 148 148
  • 149. 149
  • 150. 150
  • 151. Selezione dei livelli di prestazione delle strategie antincendio 151
  • 152. NUMERICAL MODELING 152
  • 153. ANALISI IN CASO DI INCENDIO Modellazione 5 153
  • 154. 154154
  • 155. STRATEGY #0: BREAKDOWN 155
  • 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
  • 158. 158
  • 159. 159
  • 160. 160
  • 161. The function: y(x1,x2) 161
  • 162. 162 STRATEGY #1: SENSITIVITY governance of priorities
  • 163. The sensibility of the function 163
  • 164. 164 STRATEGY #2: BOUNDING behavior governance p (p)  p (p) 
  • 165. The bounding of the function 165
  • 166. Super Controllore Problema Risultato Solutore #1 Solutore #2 Voting System STRATEGY #3: REDUNDANCY 166
  • 167. 167
  • 168. 168 approccio costruttivo e storico consapevolezza del problema modelli / tempo soluzione
  • 169. HOTEL WINDSOR Case History 6 169
  • 170. 170
  • 171. 171
  • 172. 172
  • 173. 173
  • 174. 174
  • 175. THE STRUCTURE Context 175
  • 176. 176176
  • 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. Outline of the structure 178
  • 179. 179
  • 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. 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. FIRE INCIDENT Event 182
  • 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. 184184
  • 185. 185185
  • 186. 186186
  • 187. 187187
  • 188. 188188
  • 189. 189189
  • 190. 190190
  • 191. 191 SISTEMA STRUTTURALE SCENARIO D’INCENDIO 1 2 COMPARTIMENTO STRUTTURALE SUPERIORE COMPARTIMENTO STRUTURALE INFERIORE 3 3 191
  • 192. 192192
  • 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 Outline of the fire 13 February 01.00 four storeys were on fire 194
  • 195. 195 Outline of the fire 02.00 flames almost all over the building 195
  • 196. 196 Outline of the fire 03.30 first collapse 04.00 fire revives 196
  • 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 Outline of the fire 198
  • 199. 199 Outline of the fire 199
  • 200. 200 Outline of the fire 200
  • 201. 201 Outline of the fire 07.00 firemen in adjacent buildings 201
  • 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 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 The aftermath Upper section Bays adjacent to facades almost compleatly collapsed Next bays parallel to north facade also collapsed 204
  • 205. STRUCTURAL BEHAVIOR Comments 205
  • 206. The fire in progress 01:00: some floors above 21st floor in fire 206
  • 207. 02:00: all floors above 21st floor in fire The fire in progress 207
  • 208. 02:00: chunks of façade fall off The fire in progress 208
  • 209. 02:15: steel columns deform like spaghetti The fire in progress 209
  • 210. Source – TVE 1 The fire in progress 210
  • 211. 05:30: fire spread below 16th floor, crossing over the upper technical floor The fire in progress 211
  • 212. 08:30: fire spread beneath 4th floor The fire in progress 212
  • 213. 13:30: fire under control The fire in progress 213
  • 214. After the fire The fire in progress 214
  • 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. 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. 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. Curtain wall  Horizontal fire barrier  Chimney effect for fire spread upwards  Falling pieces for fire spread downwards The fire spread & path 218
  • 219. Perimeter steel column protection Unprotected columns: Buckled steel Protected columns: Remained in place The performance of fire protection 219
  • 220. Curtain wall parapet Properly fixed: Remained in place Not properly fixed: disappeared The performance of fire protection 220
  • 221. 221
  • 222. Technical shafts Remained in place where installed The performance of fire protection 222
  • 223. 223 The progressive collapse 223
  • 224. 224 Collasso progressivo 224
  • 225. 225 Collasso progressivo (1) 225
  • 226. 226 Collasso progressivo (2) 226
  • 227. 227 Collasso progressivo (3) 227
  • 228. 228 Collasso progressivo (4) 228
  • 229. 229 Collasso progressivo (5) 229
  • 230. 230
  • 231. 231
  • 232. 232 compartimentzione 232
  • 233. 233 Windsor Outline of the fire 233
  • 234. 234 Windsor Outline of the fire 234
  • 235. 235 Windsor Outline of the fire 235
  • 236. 236 Windsor Outline of the fire 236
  • 237. 237
  • 238. 238
  • 239. 239
  • 240. 240
  • 241. CONSIDERAZIONI SPECIFICHE 7 241
  • 242. CONCEPTUAL DESIGN 242
  • 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
  • 245. 245
  • 246. 246 Load path
  • 247. 247
  • 248. CAPANNONI: disposizione del materiale 248
  • 249. NUMERICAL MODELING 249
  • 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. CAPANNONI: modalita’ di collasso 265
  • 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
  • 268. 268
  • 269. 269
  • 270. 270
  • 271. 271
  • 272. 272
  • 273. Scenario di incendio 273
  • 274. 274
  • 275. 275
  • 276. 276
  • 277. 277
  • 278. 278
  • 279. Tensile force 279
  • 280. Lateral stifness 280
  • 281. 281
  • 282. 282
  • 283. Configurazioni considerate (1) 283
  • 284. Configurazioni considerate (2) 284
  • 285. CAPANNONI: modelli 2D / 3D 285
  • 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. 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. 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. 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. 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. NON LINEARITA’ GEOMETRICHE 291
  • 292. EFFETTO CATENARIA 292
  • 293. EFFETTO MEMBRANA 293
  • 294. 294
  • 295. 295
  • 296. 296
  • 297. Total deflection of the floor: L/30+  /30 = (L+  )/30 L/30  /30 L  297
  • 298. ZONE DI COLLEGAMENTO 298
  • 299. 299 B-/D- Regions (2) A B C D E F G H
  • 300. 300
  • 301. 1.0 1.6 0.6 ANCHORAGEFORCE SHEAR (SUPPORTREACTION) RIGHT END REACTION 301
  • 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
  • 304. STRINGERS 304
  • 305. STRINGERS PROPERTIES 305
  • 306. CONNECTION PROPERTIES 306
  • 307. PANELS 307
  • 308. PANELS PROPERTIES 308
  • 309. 309
  • 310. 310
  • 311. 311
  • 312. SWL elastic behavior 312
  • 313. SWL elastic behavior 313
  • 314. 314
  • 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
  • 317. 317
  • 318. 318
  • 319. 319
  • 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. Verification of fire resistance (T) R = structural resistance T = temperature t = time Efi,requ,t Rfi,d,t Failure ! Td ≤ Tcr 321
  • 322. 0 200 400 600 800 1000 0 10 20 30 40 50 60 ISO 834 θ steel ISO Fire - Steel Temperature 322
  • 323. ANSYS ABAQUS PANEL STRESS, t= 0 sec, T= 20 °C, Yield stress 450 N/mm2 323
  • 324. ANSYS ABAQUS PANEL STRESS, t= 565 sec, T= 576 °C, Yield stress 245 N/mm2 324
  • 325. PANEL STRESS, t= 650 sec, T= 618 °C, Yield stress 192 N/mm2 ANSYS ABAQUS 325
  • 326. PANEL STRESS, t= 730 sec, T= 651 °C, Yield stress 156 N/mm2 ANSYS ABAQUS 326
  • 327. PANEL STRESS, t= 770 sec, T= 665 °C, Yield stress 141 N/mm2 ANSYS ABAQUS 327
  • 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. 0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 displ[mm] Time [min] Ansys Abaqus Structural Response (2) 329
  • 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
  • 332. 332
  • 333. 333
  • 334. 334
  • 335. 335
  • 336. 336
  • 337. Coordinate 337
  • 338. 338
  • 339. 339 339 Str o N GER www.stronger2012.com 339