Progettazione Strutturale Antincendio: Successi e Fallimenti.

Progettazione Strutturale Antincendio:
Successi / Fallimenti
Franco Bontempi* - Marcello Mangione**
*Professore Ordinario di Tecnica delle Costruzioni - Professor of Structural Analysis and Design
** Allievo Dottorato di Ricerca in Ingegneria Strutturale
Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale - School of Civil and industrial Engineering
UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI ROMA LA SAPIENZA - UNIVERSITY OF ROME LA SAPIENZA
Via Eudossiana 18 - 00184 Roma - ITALIA
1
franco.bontempi@uniroma1.it

Indice
1.ACCIDENTI
2.INCENDIO
3.SICUREZZA
4.RESISTENZA
5.INDAGINE
2

ACCIDENTI
1
3

NTC
2005
4

High Probability Low Consequences
HPLC
events
5

LowProbabilityHighConsequences LPHC
events
6

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
7

Perrow
LINEAR interactions NONLINEAR
LOOSEcouplingsTIGHT
8

Interazioni nel caso di incendio
decomposability
course predictability
9

Cascade Effect / Domino Effect
• A cascade effect is an inevitable and sometimes
unforeseen chain of events due to an act affecting
a system.
• In biology, the term cascade refers to a process
that, once started, proceeds stepwise to its full,
seemingly inevitable, conclusion.
• A domino effect or chain reaction is the cumulative
effect produced when one event sets off a chain of
similar events.
• It typically refers to a linked sequence of events
where the time between successive events is
relatively small.
10

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
11

Scenari (D.M. 14 settembre 2005)
12

ISO 13387: Example of Event Tree
A
B
C
D
E
G
F
13

Controlling the spread of fire
•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.
14

ISO13387:
ExamplesofFireSpreadRoutes
SAME
FLOOR
FROM
ONE
FLOOR
TO
ANOTHER
OUTSIDE
15

RUNAWAY (1)
effect
time
decomposability
16

17

18

19

20

EFFECT
RUNAWAY(2)
decomposability
21

22

23

NATECH: Natural Hazard Triggering
a Technological Disaster
• There is growing evidence that natural disasters can
trigger technological disasters, and that these joint
events (also known as NATECHs) may pose
tremendous risks to regions which are unprepared
for such events.
• However, there is scarce information available on
the inter actions between natural disasters and
simultaneous technological accidents.
24

25

26

27

28

A Black Swan is an event with the following three attributes.
1. First, it is an outlier, as it lies outside the realm of regular expectations,
because nothing in the past can convincingly point to its possibility.
Rarity -The event is a surprise (to the observer).
2. Second, it carries an extreme 'impact'.
Extreme “impact” - the event has a major effect.
3. Third, in spite of its outlier status, human nature makes us concoct
explanations for its occurrence after the fact, making it explainable and
predictable.
Retrospective (though not prospective) predictability
- After the first recorded instance of the event, it is rationalized by
hindsight, as if it could have been expected; that is, the relevant data were
available but unaccounted for in risk mitigation programs. The same is
true for the personal perception by individuals.
References: Taleb, Nassim Nicholas (April 2007). The Black Swan: The Impact of the Highly Improbable (1st ed.).
London: Penguin. p. 400. ISBN 1-84614045-5.
Black Swan Events
29

Word Cloud
30

INCENDIO
2
31

CARATTERISTICHE INCENDIO
• Incendio = combustione autoalimentata ed
incontrollata di materiali combustibili.
• Natura accidentale.
• 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).
32

CARATTERE ESTENSIVO
Diffusione nello spazio
33

1. WILDFIRE
34

35

36

37

38

2. URBANFIRE
39

The Great Fire of Chicago, Oct. 7-10, 1871
40

41

42
3. ALL’ESTERNO DI UN EDIFICIO
42

43

44

45
WTC 7

Simulated exterior buckling of WTC 7 during the collapse.
46

4. ALL’INTERNO DI UN EDIFICIO
47

1st section:
floors 3 to 16
1st technical floor
reception
5
basements
2nd technical floor
2nd section:
floors 17 to roof
empty floors
48

TIMELINE
49

SISTEMA STRUTTURALE SCENARIO D’INCENDIO
1
2
COMPARTIMENTO
STRUTTURALE
SUPERIORE
COMPARTIMENTO
STRUTURALE
INFERIORE
3 3
50

51

CARATTERE INTENSIVO
Andamento nel tempo
52

ISO 13387: Design Fire
53

Temperatura nel tempo
(curva naturale d’incendio)
54

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
55

Strategia antincendio: combinazione di misure di prevenzione,
protezione e gestionali per la riduzione del rischio di incendio.
active
protection
passive
protection
no
failures
doesn’t
trigger
Y
N
Y
N
spreads
extinguishes
damages
Y
N
robustness
no
collapse
collapse
Y
N
triggers
prevention
1 42 3
56

SICUREZZA
3
57

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).
58

DESIGN
ACTION
RESPONSE
SAFETY&PERFORMANCE
59

60

Sviluppo di un evento negative (Reason)
61

STRUCTURAL
SYSTEM
CHARACTERISTICS
STRUCTURAL
SYSTEM
WEAKNESS
62

63

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
64

AccidentTrajectory
65

Rischio, Rischio, Rischio (CPI)
• Rischio è la potenzialità che un'azione o un’ attivita’ 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 criteri
generali.
66

Prevention
Prorection
Risk = Probability · Magnitudo
67

Risk=Probability·Magnitudodo
discretizationinlog-logplane
68

Profili di rischio (CPI)
69

Profilo di rischio Rvita
70

Caratteristiche occupanti
71

Velocita’ di sviluppo dell’incendio
72

Profilo di rischio Rvita
Incendio ---->
<----occupanti
73

Profilo di rischio RBENI
74

Strategie / Misure antincendio
• Strategia antincendio:
combinazione di misure
antincendio finalizzate
al raggiungimento degli
obiettivi di sicurezza
antincendio.
• Misura antincendio:
categoria di strumenti
di prevenzione,
protezione e gestionali
per ridurre rischio
incendio (S.1÷S.10).
75

76
Strategieantincendio

Livello di prestazione:
reazione al fuoco
77

resistenza al fuoco
78

compartimentazione
79

TriangleShirtwaistFire,1911
80

81

82

esodo
83

Soluzioni progettuali
• Soluzione conforme: soluzione di immediata
applicazione, che garantisce il raggiungimento del
livello di prestazione (Soluzione progettuale
prescrittiva che non richiede ulteriori valutazioni)
• Soluzione alternativa: il progettista è tenuto a
dimostrare il raggiungimento del livello di
prestazione (Soluzione progettuale prestazionale
che richiede ulteriori valutazioni).
• Soluzione in deroga: richiesta l'attivazione del
procedimento di deroga secondo la normativa
vigente.
84

Metodi ordinari di progettazione
della sicurezza antincendio
85

Metodi avanzati di progettazione
della sicurezza antincendi
86

87
Prescrittivo

Prestazionale
88

RESISTENZA
4
89

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);
90

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)
91

Verification of fire resistance (R-safe)
T = temperature
t = time
Rfi,d,t
Efi,requ,t
92

Verification of fire resistance (R-fail)
T = temperature
t = time
Efi,requ,t
Rfi,d,t
Failure !
93

Verification of fire resistance (t)
T = temperature
t = time
Efi,requ,t
Rfi,d,t
Failure !
tfi,d ≥ tfi,requ
94

Verification of fire resistance (T)
T = temperature
t = time
Efi,requ,t
Rfi,d,t
Failure !
Td ≤ Tcr
95

Es.
96

#4
97

98
#1
98

99

100

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
101

102
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
NEGATIVE CAUSE
STRUCTURALQUALITY
more robust
less robust

• 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).
103
Structural Robustness (2)

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
104

105

Scenario di incendio
106

107

108

109

110

111

The progressive collapse
112

113

Collasso progressivo (1)
114

115

116

117

118

119

compartimentzione
120

INDAGINE
5
121

122

123

Lac-Mégantic, Quebec - 06 July 2013
http://www.tsb.gc.ca/eng/rapports-reports/rail/2013/r13d0054/r13d0054.asp
124

125

spiegazióne s. f.
[der. di spiegare; cfr. lat. explicationis]
1. L’atto, il fatto e il modo di rendere chiaro ciò che è
oscuro e difficile da comprendere: chiedere la s. di ciò
che non si è riusciti a capire; se non ti è ancora tutto
chiaro, ti darò un’ulteriore s.; la s. di un indovinello, di
una sciarada; un enigma di difficile spiegazione.
2. Ciò che serve a spiegare un fatto, cioè a giustificarlo,
a capirne le ragioni: non so darmi una s. del suo
comportamento; non riesco a trovare una s. alla sua
violenta reazione; la s. da lui fornita non ha convinto
nessuno; la s. di quanto è accaduto non può essere
che questa; per fatti come questi non c’è una s.
plausibile.
126

Forensic Engineering: definitions
• Forensic Engineering is the application of
engineering methods in determination and
interpretation of causes of damage to, or failure
of, equipment, machines, or structures.
• Forensic Engineering is the application of the art
and science of engineering in matters which are
in, or may possibly relate to, the jurisprudence
system, inclusive of alternative dispute
resolution.
127

Sensibilitytoinitialconditions:
FORWARDANALYSIS
INITIAL
CONDITIONS
FOR #1 - #2
FINAL
STATE
FOR #1
FINAL
STATE
FOR #2
evolutive analysis
decomposability
128

Sensibilitytoinitialconditions:
BACKWARDANALYSIS
FINAL
CONDITIONS
FOR #1 - #2
INITIAL
STATE
FOR #1
INITIAL
STATE
FOR #2
investigative analysis
decomposability
129

Direct vs. Inverse Problems
Back-analysis
Forward-analysis
Direct problem
Inverse problem
130

ExampleofApplyingtheScientificMethod
toFireOriginDetermination
131

ExampleofApplyingtheScientificMethod
toFireCauseDetermination
132

133

134

Sviluppo di un evento negative (Reason)
135

Diagramma di Ishikawa
PROBLEM
CAUSE 1 CAUSE 2 CAUSE 3
CAUSE 4 CAUSE 5 CAUSE 6
SUB CAUSE 1
SUB CAUSE
2
SUB CAUSE 3
E’ una tecnica manageriale utilizzata nel settore industriale e nei
servizi per individuare la/le causa/e più probabile/i di un effetto
(problema), detta anche diagramma causa-effetto o a lisca di pesce.136

 evidenza: rilievo materiale o documentale a carattere probatorio;
 deduzione deriva dalla singola evidenza;
 la compatibilità accerta l’ammissibilità della deduzione con quelle derivanti da
altre evidenze;
 la compatibilità totale compara le singole compatibilità.
137

Il primo tipo di controllo (globale / totale) è del tipo lineare e conseguenziale, esso mostra
come le cause in generale portano a una sequenza di evidenze per arrivare alle deduzioni e
alle verifiche di compatibilità. Da ogni evidenza, possono derivare una o più deduzioni, a
volte antitetiche tra loro, da valutare attraverso un giudizio di compatibilità.
Il secondo tipo di controllo (locale) è di tipo circolare e parte dalle evidenze, verificando:
- se l’evidenza è compatibile con la deduzione di massima (phase 1);
- se la deduzione riscontrata è accettabile e conseguenziale alle cause (phase 2);
- se le cause hanno carattere di compatibilità con quanto già affermato (phase 3);
- la compatibilità totale è ricollegabile alle evidenze ed al controllo lineare (phase 4).
138

Cause e errori nella Fire Investigation (1)
Condizioni latenti (latent condition)
Derivano dalle decisioni assunte dal
management di qualsiasi livello: in ogni
momento si trovano endemiche
nell’organizzazione e possono insorgere da
decisioni sbagliate non riconosciute.
Fattori contribuenti (contributory factors)
Sono quei fattori che influenzano la
performance della struttura le cui azioni
hanno effetto sulla funzionalità,
determinando un problema strutturale.
(After Reason)
139

Azioni non sicure (unsafe act)
Sono azioni o omissioni, al di fuori di
indicazioni o procedure, che aumentano il
rischio incendio.
Errori attivi (active failure)
Sono azioni non sicure effettuate da coloro
che sono nelle interfacce estreme del
sistema organizzativo. Questi atti non sicuri
sono influenzati dai fattori contribuenti,
come l’inadeguato addestramento
(manutenzione impianti antincendio) che
producono effetti negativi sulle
performance individuali.
Errori latenti (latent failure)
Nascono da decisioni gestionali
apparentemente corrette ma sbagliate. La
presenza o la consapevolezza del problema
viene alla luce solo nel momento in cui si è
verificato un incidente.
(After Reason)
140

Errore umano (human error)
Accade quando le azioni e le decisioni degli
individui provocano effetti che possono
immediatamente o direttamente ledere la
sicurezza. In generale è l’azione od
omissione che determina insuccesso nel
compimento di un’azione pianificata come
disegnata, ovvero l’inidoneità di quanto
pianificato al raggiungimento dello scopo.
Violazioni
Si determinano per allontanamento dalle
regole di pratica o di procedura. Si
differenziano dagli errori rule-based in
quanto c’è consapevolezza di operare in
maniera difforme da quanto stabilito,
mentre nel caso degli errori non c’è
intenzionalità.
(After Reason)
141

142
Causal Pearl Chain
END
TRIGGERING
CAUSE
ROOT
CAUSE
GO/NO GO
POINT

Cause
INTERMEDIATE
CAUSE
CAUSE
APPARENT
CAUSE
ROOT
CAUSE
TRIGGERING
CAUSE
NECESSARY
CAUSE
NECESSARY
CAUSE
SUFFICIENT
CAUSE
SUFFICIENT
CAUSE
FACTO
ROOT CA
APPARENT CA
143

Acute
Non acute
Not classified
as an incident
Type of incident
Near miss or Near Hit
deviations
Situation
Actual losses
Investigation and trending
of chronic events
Nearly all invedtigated1%
Not investigated.
May be dealt with through
Behavior-based Risk
managenent
Variations or Unsafe
Acts or Conditions,
errors or Failures
Moderate to low
Hight
Low
Frequency Investigated Learning potential
5%
10%
85%
Potentially harmful
circumstances but
no actual loss
Regardless, all data about
events should be entered in
database to allow potential
for treding
Apprendimento dagli incidenti
144

COSE – STRUTTURE - SISTEMI
THINGS – STRUCTURES - SYSTEMS
PERSONE – COMPORTAMENTI
PEOPLE – HUMAN BEHAVIOR
COSA
WHAT
CHI
WHO
ROTTURA – COLLASSO - CRISI
FAILURE – COLLPASE - CRISIS
PERCHE’
WHY
SPIEGAZIONE – CAUSE
REASON - DISCLOSURE
CONOSCENZA
KONWLEDGE
Aumento conoscenza – Knowledge gain
145

146

http://www.vigilfuoco.it/aspx/isaAttiConvegniDett.aspx?id=201
147

148

Struttura investigativa: fasi e operazioni
149

Raccolta delle informazioni iniziali
150

Timeline informazioni investigative
151

Operazioni di repertamento dell’incendio
152

Spacchettamento ai fini del repertamento.
153

Metodi di campionamento geometrico
154

Ricostruzione post incendio.
155

Ricostruzione ante incendio.
156

Semiotica degli incendi
• L’analisi semiotica degli incendi impone una codifica dei
segni, alcuni citati nella norma NFPA 921. In linea
generale essi posso essere classificati nel modo
seguente:
segni a colonna e a clessidra (column or hourglass);
segni a V o a cono (cone) e a cono rovescio (inverted
cone) e a U e a doppia U;
segni di protezione (signs of protection);
segni da liquidi infiammabili (signs of fiammable
liquids);
segni da afflusso di O2 su pareti (floor jet);
segni da combustione pulita (clean burn);
linee di demarcazione dell’orizzonte dei fumi e del
calore (line of smoke or heat). 157

158

Controllo documentale fase investigativa.
159

Computational Fire Investigation.
160

161
Str
o N
GER
www.stronger2012.com
Prof. Ing. Franco Bontempi
Ing. Marcello Mangione
School of Civil and Industrial Engineering
Sapienza University of Rome

Str
o N
GER
www.stronger2012.com

Effetti dell’incendio sulle strutture:
indagini e interventi di consolidamento
• L’obiettivo del seminario è esaminare il problema
della valutazione della sicurezza strutturale dopo
l'incendio con i conseguenti interventi di ripristino.
• Gli argomenti saranno presentati a partire da casi
studio reali con un approccio professionalizzante
teso a mostrare in maniera semplice e sintetica
quali sono le potenzialità delle moderne tecnologie
e come possono aiutare il tecnico nelle sue
decisioni.
165Prof. Ing. Franco Bontempi
Ing. Marcello Mangione
School of Civil and Industrial Engineering
Sapienza University of Rome

166

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