PSA - Impostazione del problema della sicurezza strutturale in presenza di incendio 09/10/2013

ROMA

Corso di
PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO

PROGETTAZIONE STRUTTURALE IN
PRESENZA DI INCENDIO

Docente: Prof. Ing. Franco Bontempi - franco.bontempi@uniroma1.it
Assistente: Ing. Chiara Crosti - chiara.crosti@uniroma1.it
chiara.crosti@uniroma1.it

INGEGNERIA ANTINCENDIO


http://www.promozioneacciaio.it/cms/it5563normative-di-prodotto.asp



Bontempi F., Crosti C.,
"Costruzioni in acciaio secondo
l'approccio ingegneristico di
progetto".
Rivista Antincendio, May 2008.


livello
1

OBIETTIVI

livello
2

ESPLICITAZIONE DEGLI
OBIETTIVI ATTRAVERSO
L'INDIVIDUAZIONE DI n
PRESTAZIONI;
ordinatamente, per ciascuna di
esse, i =1,..n:

C

DEFINIZIONE DELLA
PERFORMANCE i-esima

CRITERIO (QUANTITA')
CHE MISURA
LA PERFORMANCE i-esima

LIMITI DELLA
PERFORMANCE i-esima

B

livello
3

DEFINIZIONE
DELLA
SOLUZIONE
STRUTTURALE

livello
4

VERIFICA
DELLE
CAPACITA'
PRESTAZIONALI

RISPETTO DI
PRESCRIZIONI

MODELLI
NUMERICI

A

NO

ESITO

MODELLI
FISICI

SI'

Livello 1-2 del PBD
Lo Stato ha bisogno di una
Livello 1 rete infrastrutturale che collega
il punto A al punto B
L’obiettivo generale è
esplicitato nelle sue varie
specificità; ad esempio, a
Livello 2
proposito passaggio di treni ed
autoveicoli;
Performance:

Passaggio a doppia corsia
di marcia per gli autoveicoli

Performance Criteria:

Velocità di progetto

Performance Limits:

Velocità di almeno 90 Km/h


livello
1

OBIETTIVI

livello
2

Modificando gli obiettivi generali si
rinucia all’opera originariamente
pensata

ESPLICITAZIONE DEGLI
OBIETTIVI ATTRAVERSO
L'INDIVIDUAZIONE DI n
PRESTAZIONI;
ordinatamente, per ciascuna di
esse, i =1,..n:

C

DEFINIZIONE DELLA
PERFORMANCE i-esima

CRITERIO (QUANTITA')
CHE MISURA
LA PERFORMANCE i-esima

LIMITI DELLA
PERFORMANCE i-esima

B

livello
3

DEFINIZIONE
DELLA
SOLUZIONE
STRUTTURALE

livello
4

VERIFICA
DELLE
CAPACITA'
PRESTAZIONALI

RISPETTO DI
PRESCRIZIONI

MODELLI
NUMERICI

Ad es. : rilassando le richieste o
declassando l’utilizzo

A

NO

ESITO

MODELLI
FISICI

SI'

Ad es. : cambiamento dello schema
portante principale, tipologia di
connessioni,
caratteristiche
dei
materiali

MATRICE DI CORRELAZIONE (LIVELLI DI CRISI – CONSEGUENZE)
LIVELLI DI
CRISI /
CONSEGUENZE

DANNO
STRUTTURA

ESERCIZIO

SICUREZZA
COSE

SICUREZZA
PERSONE

MINORE

COMPONENTE
STRUTTURALE

POSSIBILE

-

-

MAGGIORE

ELEMENTO
STRUTTURALE

CERTO

POSSIBILE

-

SEVERO

PARTE DELLA
STRUTTURA

CERTO

CERTO

POSSIBILE

CATASTROFICO

SISTEMA
STRUTTURALE

CERTO

CERTO

CERTO


Definizione delle caratteristiche dell’opera in
termini prestazionali (vita utile, impiego della
costruzione, importanza sociale e strategica,...)
Redazione del progetto con particolare riguardo
alla individuazione dei livelli di sicurezza

X

X

COLLAUDATORE

X

DIRETTORE DEI
LAVORI

X

PRODUTTORE

COMPITI

PROGETTISTA

ATTORI

COSTRUTTORE

COMMITTENTE


X

Corretta realizzazione della costruzione con
garanzia di qualità di materiali e prodotti di base
di base e di loro corretto impiego
Controllo di qualità in fase di costruzione
Collaudo in corso d’opera e finale a costruzione
terminata con verifica dei livelli di sicurezza e
delle prestazioni richieste


X
X

ASPETTI NORMATIVI

Decreto Ministeriale 14/01/2008
(Gazzetta Ufficiale n. 29 del 4 febbraio 2008 - Suppl. Ordinario n. 30)

NORME TECNICHE PER LE COSTRUZIONI


ASPETTI NORMATIVI – D.M. 14 Gennaio 2008



CIRCOLARE 2 febbraio 2009, n.617
Istruzioni per l’applicazione delle NTC D.M.
14 gennaio 2008



LA STRUTTURA DEVE ESSERE ROBUSTA DA UN PUNTO
DI VISTA STRUTTURALE

REQUISITO DI ROBUSTEZZA STRUTTURALE
Una struttura e’ robusta se mostra un degrado regolare delle qualita’ (resistenza,
rigidezza, stabilita’…) con l’entita’ del danneggiamento che subisce.
In una progettazione globale il requisito di robustezza puo’ essere valutato verificando
ad esempio che la rimozione di un singolo elemento, di una parte della struttura o di
un danno localizzato si risolva al piu’ in un collasso localizzato.


DAMAGE LOCALIZATION (DAMAGE LEVEL= 1)

Scenario 2

Scenario 1
Scenario 3

Scenario 4
Crosti C., Petrini F., (2013), “Multi-hazard analyses on steel truss bridge”, XXIV CTA 2013, Torino, September 30th, October 1-2.


Scenario
1

Time (sec)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
-0.10
-0.20
-0.30
-0.40
-0.50

Scenario 1

-0.60
-0.70

Max vertical displacement
(t= 15.3 sec)

Vertical displacement node.40 (m)

0.00

-0.80
Node n.40
-0.90
-1.00



Node
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

Vertical displacement (m)

0.2
0.0
-0.2
-0.4

Scenario 0
Scenario 1
Scenario 2
Scenario 3
Scenario 4

-0.6
-0.8
-1.0
-1.2
t= 0 sec

SCENARIO 1

t= 15.3 sec




Circolare, Armatura a spirale
RELIABILITY

Rettangolare, Staffatura

AVAILABILITY

ATTRIBUTES

SAFETY
SECURITY
INTEGRITY

Meno ROBUSTA

Piu’ ROBUSTA

STRUCTURAL QUALITY

Capacita’ nominale
MAINTAINABILITY

Capacita’ minima richiesta

NEGATIVE CAUSE

FAULT
THREATS

ERROR
FAILURE


it is a defect and represents a
potential cause of error, active or dormant
the system is in an incorrect state:
it may or may not cause failure
permanent interruption of a system ability
to perform a required function
under specified operating conditions

CONSIDERAZIONI SUL REQUISITO DI ROBUSTEZZA STRUTTURALE
ROBUSTEZZA STRUTTURALE NON E’ SINONIMO DI INVULNERABILITA’ DELLA
STRUTTURA. La definizione di robustezza precisa infatti che la struttura non deve
essere danneggiata in maniera SPROPORZIONATA rispetto alla causa.
Il requisito di ROBUSTEZZA STRUTTURALE va valutato a livello di SISTEMA
STRUTTURALE e la robustezza dei singoli elementi della struttura non e’ garanzia della
robustezza della struttura nel suo complesso.



SUDDIVIDERE LA COSTRUZIONI IN COMPARTIMENTI IN MODO TALE CHE IL COLLASSO DI
UNA PARTE DELLA STRUTTURA NON SI PROPAGHI ALLE PARTI ADIACENTI


CASO DI INCENDIO: HOTEL WINDSOR – MADRID
•

Costruita nel 1979

•

Altezza 106 m

•

32 piani di cui 29 sopra il livello
del suolo

•

Nucleo centrale in cemento
armato

•

Due piani tecnici: uno alla
base e uno a metà altezza

•

Incendio 12 febbraio 2005 al 21°
piano durante fase di completa
ristrutturazione

PRIMA


DOPO

EVOLUZIONE TEMPORALE


1st February 2013, an expressway bridge partially collapsed due to a truck explosion in Mianchi
County, Sanmenxia, central China's Henan Province;


Il 30 aprile 2007 è avvenuto il crollo di un intero impalcato di due vie di immissione del
ponte MacArthur Maze ad Oakland

A seguito dell'urto di un camion cisterna con un pilone, si è scatenato un notevole
incendio con fiamme che andavano a lambire la struttura portante del ponte. Le spesse
travi di sostegno dell'impalcato flessibile di calcestruzzo e bitume sono state aggredite
dal poderoso incendio, finendo per cedere sotto il peso stesso del ponte.

Bombardiere B17 Fortezza Volante, che durante
la Seconda Guerra Mondiale dopo aver subito
una collisione in volo con un altro velivolo, è
riuscito comunque ad atterrare; questa capacità
di incassare un collasso strutturale (collapse
resistant structure), è legata alla conformazione
altamente iperstatica della fusoliera di questo
tipo di aereo

Aumentando la connessione delle parti
strutturali, introducendo un elevato
grado di continuita’, in modo che le
azioni si possano trasferire dalla parte
collassata a quelle adiacenti, ovvero la
costruzione possegga al suo interno
una ridondanza di percorsi atti a
trasmettere l’azione


COLLASSI STRUTTURALI FAVOREVOLI E SFAVOREVOLI

Un’altra forma di strategia di progetto per strutture soggette ad incendio e’
evidenziata dall’importanza di garantire modi di collassi favorevoli, in genere
attraverso confinamento del meccanismo di collasso (implosione).


COLLASSI STRUTTURALI FAVOREVOLI E SFAVOREVOLI
Due differenti modi di collasso:

NO SWAY:
il meccanismo che non
prevede svio del traverso;
presenta un confinamento
del collasso

SWAY:
prevede lo svio; è
potenzialmente capace di
coinvolgere strutture vicine,
con la possibilità di provocare
dei collassi a catena, ovvero
una crisi progressiva.


3.6.1.1. DEFINIZIONI


3.6.1.2. RICHIESTE DI PRESTAZIONI


3.6.1.3. CLASSI DI RESISTENZA AL FUOCO


3.6.1.4. CRITERI DI PROGETTAZIONE

INTERO SISTEMA COSTRUTTIVO

SINGOLI
ELEMENTI
STRUTTURALI

3 rotazioni
3 traslazioni

(K determinato a t = 0)

PORZIONI DI STRUTTURA
3 rotazioni
3 traslazioni

(K determinato a t = 0
indipendente dal tempo)


3.6.1.5. PROCEDURA DI ANALISI DI RESISTENZA AL FUOCO


3.6.1.5.1. INCENDIO DI PROGETTO



1200
1000

θ [ C]

800
600
Curva incendio standa rd

400

Curva incendio idrocarburi
200

Curva incendio esterno

0
0

20

40

60
t [min]


80

100

120

3.6.1.5.2. ANALISI DELL’EVOLUZIONE DELLA TEMPERATURA

3.6.1.5.3. ANALISI DEL COMPORTAMENTO MECCANICO


3.6.1.5.4 VERIFICHE DI SICUREZZA



Tempo di resistenza al fuoco: è il tempo che intercorre dall’inizio dell’incendio al

tr

raggiungimento del collasso.

Temperatura critica: la temperatura media della sezione trasversale in

Tcr

corrispondenza della quale si verifica la perdita della capacità
portante.

Resistenza minima: la resistenza minima (in termini di capacità portante)

Rd

raggiunta dalla sezione trasversale.


ASPETTI NORMATIVI

DM 09/03/2007

Prestazioni di resistenza al fuoco delle
costruzioni nelle attività soggette al controllo
del Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco

Vengono condivisi gli obiettivi e la strategia di progettazione per la
definizione della sicurezza strutturale introdotti dalla Direttiva 89/106/CEE

DM 09/05/2007

Direttive per l’attuazione dell’approccio
ingegneristico alla sicurezza antincendio

Precisa la procedura di applicazione dell’approccio ingegneristico, in senso
generale ma comprendente anche la valutazione della sicurezza strutturale.


ASPETTI NORMATIVI – D.M. 9 Marzo 2007

Decreto del Ministro dell’Interno 9/3/2007
(S.O.G.U. del 29/3/2007 n.87)

PRESTAZIONI DI RESISTENZA AL FUOCO DELLE
COSTRUZIONI NELLE ATTIVITÀ SOGGETTE AL
CONTROLLO DEL CORPO NAZIONALE DEI
VIGILI DEL FUOCO


ART.1 - OGGETTO E CAMPO DI APPLICAZIONE

• Il presente decreto stabilisce i criteri per determinare
le prestazioni di resistenza al fuoco che devono
possedere le costruzioni nelle attività soggette al
controllo del Corpo nazionale dei VV.F., ad
esclusione delle attività per le quali tali prestazioni
sono espressamente stabilite da specifiche regole
tecniche di prevenzione incendi.
• Le disposizioni del presente decreto si applicano
alle attività i cui progetti sono presentati ai Comandi
provinciali dei vigili del fuoco competenti per
territorio, per l'acquisizione del parere di conformità
di cui all'art. 2 del D.P.R. 12 gennaio 1998, n. 37.

ASPETTI NORMATIVI - D.M. 9 Maggio 2007
Con l’emanazione del D.P.R. 01 Agosto 2011 n.151 sono stati abrogati:
•il D.P.R. n. 37/1998,
•il D.P.R. n. 689/1959 ;e
• il D.M. 16/2/1982

http://www.promozioneacciaio.it/cms/it5475-dpr-151.asp

ART.2 – OBIETTIVI ... (1)

• Al fine di limitare i rischi derivanti dagli incendi, le costruzioni
devono essere progettate, realizzate e gestite in modo da
garantire:
1. la stabilità degli elementi portanti per un tempo utile ad
assicurare il soccorso agli occupanti;
2. la limitata propagazione del fuoco e dei fumi, anche
riguardo alle opere vicine;
3. la possibilità che gli occupanti lascino l'opera indenni o
che gli stessi siano soccorsi in altro modo;
4. la possibilità per le squadre di soccorso di operare in
condizioni di sicurezza.

ART.2 - ... , STRATEGIE, ... (2)

• I requisiti di protezione delle costruzioni dagli incendi,
finalizzati al raggiungimento degli obiettivi suddetti, sono
garantiti attraverso l'adozione di misure e sistemi di
protezione attiva e passiva.
• Tutte le misure e i sistemi di protezione, adottati nel progetto
ed inseriti nella costruzione, devono essere adeguatamente
progettati, realizzati e mantenuti secondo quanto prescritto
dalle specifiche normative tecniche o dalle indicazioni fornite
dal produttore al fine di garantirne le prestazioni nel tempo.


DEFINIZIONI: RESISTENZA

b) CAPACITÀ PORTANTE IN CASO DI INCENDIO: attitudine della
struttura, di una parte della struttura o di un elemento strutturale a
conservare una sufficiente resistenza meccanica sotto l’azione del
fuoco con riferimento alle altre azioni agenti.
j) RESISTENZA AL FUOCO: una delle fondamentali strategie di
protezione da perseguire per garantire un adeguato livello di
sicurezza della costruzione in condizioni di incendio. Essa riguarda la
capacità portante in caso di incendio, per una struttura, per una
parte della struttura o per un elemento strutturale nonché la
capacità di compartimentazione rispetto all’incendio per gli elementi
di separazione sia strutturali, come muri e solai, sia non strutturali,
come porte e tramezzi


RICHIESTE DI PRESTAZIONE


LIVELLO II DI PRESTAZIONE


CURVE NOMINALI DI INCENDIO


CURVE NATURALI DI INCENDIO (1)


CRITERI DI PROGETTAZIONE DEGLI ELEMENTI STRUTTURALI
RESISTENTI AL FUOCO
VISIONE SISTEMICA



Decreto del Ministro dell’Interno 9 maggio 2007
(G.U. n. 117 del 22 maggio 2007)

DIRETTIVE PER L’ATTUAZIONE DELL’
APPROCCIO INGEGNERISTICO ALLA
SICUREZZA ANTINCENDIO
Richiama le tecniche del FSE codificate nel 1998 con il rapporto tecnico ISO TR 13387

ART.1 - OGGETTO

• definisce gli aspetti procedurali e i criteri da
adottare per valutare il livello di rischio e
progettare le conseguenti misure compensative,
utilizzando, in alternativa a quanto previsto dal
Decreto del Ministro dell’interno 4 maggio 1998,
l’approccio
ingegneristico
alla
sicurezza
antincendio, al fine di soddisfare gli obiettivi
della prevenzione incendi.


ART.2 - CAMPO DI APPLICAZIONE (1)

• in presenza di insediamenti di tipo complesso o
a tecnologia avanzata, di edifici di particolare
rilevanza architettonica e/o costruttiva, ivi
compresi quelli pregevoli per arte o storia o
ubicati in ambiti urbanistici di particolare
specificità, la metodologia descritta nel presente
decreto può essere applicata:


ART.2 - CAMPO DI APPLICAZIONE (2)

per la individuazione dei provvedimenti da
adottare ai fini del rilascio del certificato di
prevenzione incendi nel caso di attività non
regolate da specifiche disposizioni antincendio;
per la individuazione delle misure di sicurezza
che si ritengono idonee a compensare il rischio
aggiuntivo nell’ambito del procedimento di
deroga di cui all’art. 6 del decreto del Presidente
della Repubblica 12 gennaio 1998, n. 37.


Obiettivi di Sicurezza

Livelli di Prestazione

Sicurezza degli occupanti
durante tutta la loro permanenza
prevista nell’edificio;

Assenza di requisiti specifici;

Sicurezza delle squadre di
soccorso e delle squadre
antincendio;

Resistenza all’incendio per un
tempo sufficiente per
l’evacuazione;

Evitare crolli dell’edificio;

Non raggiungimento del
collasso;

Permettere ai componenti e ai
sistemi antincendio di mantenere
la loro funzionalità;

Limitato danneggiamento;

Consentire l’eventuale
riutilizzazione della struttura;

Mantenimento della totale
Funzionalità;


SCENARI D’INCENDIO = PROIEZIONI DEI POSSIBILI EVENTI DI INCENDIO

• Nel processo di individuazione degli scenari di
incendio di progetto, devono essere valutati gli
incendi realisticamente ipotizzabili nelle
condizioni di esercizio previste, scegliendo i più
gravosi per lo sviluppo e la propagazione
dell’incendio, la conseguente sollecitazione
strutturale, la salvaguardia degli occupanti e la
sicurezza delle squadre di soccorso.


CONDIZIONI PER GLI SCENARI D’INCENDIO

• caratteristiche dell’edificio (geometria del locale, condizioni di
ventilazione interna ed esterna,
• stato delle porte e delle finestre, (eventuale rottura di vetri,
ecc.);
• stato, tipo e quantitativo del combustibile;
• configurazione e posizione del combustibile;
• tasso di crescita del fuoco e picco della potenza termica
rilasciata (HRR max);
• tasso di sviluppo dei prodotti della combustione;
• condizioni delle persone presenti (affollamento, stato psicofisico, presenza di disabili, ecc.).


ASPETTI NORMATIVI D.M. 9 Maggio 2007


ASPETTI NORMATIVI
Start
Analisi
Qualitativa
Analisi
Quantitativa

Verifiche

SI

NO

• Definizione degli obiettivi;
• Individuazione dei livelli di prestazione;
• Scelta degli scenari di incendio;
• Modellazione dell’azione di incendio;
• Modellazione del trasferimento di calore;
• Modellazione strutturale.
Verifiche dei risultati:
Tempo
Temperatura
Resistenza

Presentazione
dei risultati
end

R
S
RFire> < SFire
Fire

Fire

ASPETTI NORMATIVI - EUROCODICI
Ambito

Nome

Anno

Titolo

Azioni

EN 1991 1-2

2002

Eurocode 1 – Actions on structures – Part 1-2: General
Actions – Actions on structures exposed to fire

Cls

EN 1992 1-2

2004

Eurocode 2 – Design of concrete structures – Part 1-2:
General rules – Structural fire design

Acciaio

EN 1993 1-2

2005

Eurocode 3 – Design of steel structures – Part 1-2:

Acciaio – Cls

EN 1994 1-2

2005

Eurocode 4 – Design of composite steel and concrete
structures – Part 1-2: General rules – Structural fire
design

Legno

EN 1995 1-2

2004

Eurocode 5 – Design of timber structures – Part 1-2:

Muratura

EN 1996 1-2

2005

Eurocode 6 – Design of masonry structures – Part 1-2:

Alluminio

EN 1999 1-2

1998

Eurocode 9 – Design of aluminium structures – Part 12: General rules – Structural fire design


ASPETTI NORMATIVI - EUROCODICI
Eurocode 1 – Actions on structures – Part 1-2: General Actions
Actions on structures exposed to fire


RIEPILOGO
•Progettazione Strutturale Antincendio: quando nasce e perche’
Approccio Prescrittivo
Approccio Prestazionale
•D.M. 14/01/2008 – Azioni sulle costruzioni
Azioni Ecccezionali
Incendio
Strategie di progetto
Robustezza strutturale
Compartimentazione
Continuita’
Collassi favorevoli / sfavorevoli
•D.M. 9/03/2007
Oggetto e campo di applicazione (Prestazioni di resistenza al fuoco delle
costruzioni nelle attività soggette al controllo del Corpo nazionale dei vigili
del fuoco)
•D.M. 9/05/2007
Oggetto e campo di applicazione (Approccio ingegneristico alla sicurezza
antincendio)
•Eurocodici

Str
o N
GER
www.stronger2012.com

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