LA SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO D INCENDIO

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1 LA SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO D INCENDIO Franco Bontempi Professore Ordinario di Tecnica delle Costruzioni Facolta' di Ingegneria, Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI ROMA "LA SAPIENZA", Via Eudossiana Roma franco.bontempi@uniroma1.it - franco.bontempi@francobontempi.org 1 Basi delle Norme ORGANIZZAZIONE DELLE NTC 2 1

2 3 Oggetto delle NTC i principi per il progetto, l esecuzione e il collaudo delle costruzioni, nei riguardi delle prestazioni loro richieste in termini di requisiti essenziali di resistenza meccanica e stabilità, anche in caso di incendio, e di durabilità. i criteri generali di sicurezza, le azioni che devono essere utilizzate nel progetto, le caratteristiche dei materiali e dei prodotti. 2

3 CAPITOLO 2: SICUREZZA E PRESTAZONI ATTESE DOMANDA PRODOTTO CONTROLLO QUALITA CAPITOLO 3: AZIONI AMBIENTALI CAPITOLO 4: AZIONI ACCIDENTALI CAPITOLO 6: AZIONI ANTROPICHE CAPITOLO 5: NORME SULLE COSTRUZIONI CAPITOLO 7: NORME PER LE OPERE INTERAGENTI CON I TERRENI E CON LE ROCCE, PER GLI INTERVENTI NEI TERRENI E PER LA SICUREZZA DEI PENDII CAPITOLO 9: NORME SULLE COSTRUZIONI ESISTENTI CAPITOLO 11: MATERIALI E PRODOTTI PER USO STRUTTURALE CAPITOLO 8: COLLAUDO STATICO CAPITOLO 10: NORME PER LA REDAZIONI DEI PROGETTI ESECUTIVI CAPITOLO 2: CAPITOLO SICUREZZA 2: SICUREZZA E PRESTAZONI E PRESTAZIONI ATTESE ATTESE QUALITA DOMANDA CAPITOLO 3: AZIONI AMBIENTALI CAPITOLO 3: CAPITOLO 4: AZIONI AZIONI ACCIDENTALI SULLE COSTRUZIONI CAPITOLO 6: AZIONI ANTROPICHE PRODOTTO CAPITOLO 5: 4: COSTRUZIONI NORME CIVILI SULLEE INDUSTRIALI COSTRUZIONI CAPITOLO 7: CAPITOLO 5: NORME PER LE PONTI OPERE INTERAGENTI CON CAPITOLO I TERRENI 6: E PROGETTAZIONE CON LE ROCCE, GEOTECNICA PER GLI INTERVENTI NEI TERRENI CAPITOLO E PER 7: LA SICUREZZA PROGETTAZIONE DEI PENDII PER AZIONI CAPITOLO SISMICHE9: NORME CAPITOLO SULLE 8: COSTRUZIONI ESISTENTI CONTROLLO CAPITOLO 9: COLLAUDO CAPITOLO STATICO 11: MATERIALI E CAPITOLO 10: PRODOTTI REDAZIONE PER USO DEI STRUTTURALE PROGETTI STRUTTURALI CAPITOLO ESECUTIVI 8: COLLAUDO E DELLE RELAZIONI STATICO DI CALCOLO CAPITOLO 10: NORME PER LA REDAZIONI CAPITOLO DEI 11: PROGETTI MATERIALI E ESECUTIVI PRODOTTI PER USO 6 STRUTTURALE 3

4 7 DUE DILIGENCE Due diligence (also known as due care) is the effort made by an ordinarily prudent or reasonable party to avoid harm to another party. Failure to make this effort is considered negligence. It is necessary to discover all risks and implications regarding a decision to be made Due diligence is also a dynamic concept in that it is a constantly evolving standard of care that is determined by the requirements of law, industry standards as well as professional and other codes of practice. 4

5 2 Basi delle Norme AZIONI ACCIDENTALI (INCENDIO) 9 4. AZIONI ACCIDENTALI 4.1. INCENDIO... pag Generalità... pag Definizioni... pag Criteri di Progettazione... pag Procedure generali per il progetto delle strutture all incendio... pag Classi di resistenza al fuoco... pag Richieste di prestazione... pag ESPLOSIONI... pag Generalità... pag Definizioni... pag Progetto per situazioni eccezionali... pag Classificazione delle azioni... pag Esplosioni in scenari di Categoria 2... pag Esplosioni in scenari di Categoria 3... pag URTI... pag Generalità... pag Campo di applicazione... pag Rappresentazione delle azioni... pag Urti da traffico veicolare... pag Urti da traffico ferroviario... pag Urti di imbarcazioni... pag Urti di elicotteri... pag

6 D.M. 14 gennaio 2008 (1) 11 D.M. 14 gennaio 2008 (2)

7 CIRCOLARE 2 febbraio 2009, n.617 Istruzioni per l applicazione delle NTC D.M. 14 gennaio Situazioni HPLC High Probability Low Consequences

8 Situazioni LPHC Low Probability High Consequences 15 Approcci di analisi Impostazione del problema: Deterministico HPLC Eventi Frequenti con Conseguenze Limitate ANALISI QUALITATIVA DETERMINISTICA HPLC Eventi Rari con Conseguenze Elevate ANALISI PRAGMATICA CON SCENARI Stocastico ANALISI QUANTITATIVA PROBABILISTICA Complessità: Aspettinon linearie Meccanismi di interazioni

9 ISO 13387: Example of Event Tree 17 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 insiemi organizzati e coerenti nello spazio e nel tempo di azioni) che rappresentino le combinazioni delle azioni realisticamente possibili e verosimilmente più restrittive

10 Esempio elementare Scenario n 1 n Scenario n 2 n Scenario n 3 n Scenario n 4 n 19 Overview of scenario analysis Modify fire protection features No Determine geometry, construction and use of the building Establish maximum likely fuel loads Estimate maximum likely number of occupants and their locations Assume certain fire protection features Carry out fire engineering analysis Acceptable performance Yes Establish performance requirements Accept design 20 Buchanan,

11 3 Basi delle Norme ROBUSTEZZA STRUTTURALE 21 ISO Schematic representation of the Fire Safety Engineering System

12 1 1 Strategie per la gestione dell'incendio Fire safety concepts tree Prevenzione 3 Gestione dell'evento 4 15 Gestione delle Gestione persone e dell'incendio dei beni Difesa sul posto Spostamento Disposibilità Far avvenire delle vie il deflusso di fuga Controllo Controllo della quantità Soppressione dell'incendio di dell'incendio attraverso il combustibile progetto Automatica Manuale Controllo dei Controllo Resistenza e materiali del movimento stabilità presenti dell'incendio strutturale 8 9 Ventilazione Contenimento 23 Buchanan, 2002 STRUCTURAL ROBUSTNESS (1) RELIABILITY AVAILABILITY ATTRIBUTES MAINTAINABILITY SAFETY SECURITY INTEGRITY THREATS FAULT 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 24 under specified operating conditions 12

13 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). 25 Levels of Structural Crisis 3rd level: Structural Element 1 st level: Material Point 2 nd level: Element Section Usual ULS & SLS Verification Format 4 th level: Structural System Structural Robustness Assessment

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15 Bad vs Good Collapse STRUCTURE & LOADS Collapse Mechanism NO SWAY IMPLOSION OF THE STRUCTURE is a process in which objects are destroyed by collapsing on themselves SWAY EXPLOSION OF THE STRUCTURE is a process NOT CONFINED 29 Design Strategy #1: CONTINUITY

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25 Design Strategy #2: COMPARTIMENTALIZATION

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28 4 Norme Tecniche per le Costruzioni D.M. 14 GENNAIO Definizioni (1)

29 ISO 13387: Example of Design Fire Incendio di progetto

30 Definizioni (2)

31 Definizioni (3) Richieste di prestazioni

32 Classi di resistenza al fuoco 63 Prescrittivo vs Prestazionale APPROCCIO PRESCRITTIVO APPROCCIO PRESTAZIONALE 1) BASI DEL PROGETTO, 2) LIVELLI DI SCUREZZA, 3) PRESTAZIONI ATTESE NON ESPLICITATI OBIETTIVI PRESTAZIONALI E LIVELLI DI SICUREZZA ESPLICITATI 1) REGOLE DI CALCOLO E 2) COMPONENTI MATERIALI SPECIFICATI E DETTAGLIATI INSIEME DI STRUMENTI LOGICI E MATERIALI #1 INSIEME DI STRUMENTI LOGICI E MATERIALI #2 INSIEME DI STRUMENTI LOGICI E MATERIALI #3 QUALITA' ED AFFIDABILITA' STRUTTURALI ASSICURATI IN MODO INDIRETTO GARANZIA DIRETTA DELLE PRESTAZIONI E DELLA SICUREZZA STRUTURALI 32

33 Prestazionale START DEFINIZIONE E DISANIMA DEGLI OBIETTIVI INDIVIDUAZIONE DELLE SOLUZIONI ATTE A RAGGIUNGERE GLI OBIETTIVI ATTIVITA' DI MODELLAZIONE E MISURA GIUDIZIO DELLE PRESTAZIONI RISULTANTI No Yes END Criteri di progettazione

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38 WTC 1/2 75 WTC 1/

39 WTC 1/ Procedura di analisi di resistenza al fuoco SCENARI ANALISI

40 Room geometry, Fuel load, Fire characteristics FIRE MODEL Fire thermal exposure Element geometry, Thermal properties, Heat transfer coefficients HEAT TRANSFER MODEL Thermal gradients Element geometry, Applied loads, Mechanical properties STRUCTURAL MODEL Load capacity Analisi dell evoluzione della temperatura

41 Verifiche di resistenza

42 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: R fi,d,t E fi,requ,t (resistance at time t load effects at time t); in the time domain: t fi,d t fi,requ (design value of time fire resistance time required) In the temperature domain: T d T cr (design value of the material temperature critical material temperature); 83 Verification of fire resistance (3D) R = structural resistance R=R(t,T)=R(t,T(t))=R(t) t = time T=T(t) T = temperature

43 Verification of fire resistance (R-safe) R = structural resistance E fi,requ,t t = time R fi,d,t T = temperature 85 Verification of fire resistance (R-fail) R = structural resistance Failure! E fi,requ,t t = time R fi,d,t T = temperature

44 Verification of fire resistance (t) R = structural resistance Failure! E fi,requ,t Rfi,d,t t = time T = temperature t fi,d t fi,requ 87 Verification of fire resistance (T) E fi,requ,t R = structural resistance Failure! Rfi,d,t T d T cr t = time T = temperature

45 Analisi del comportamento meccanico 89 Nonlinearita - MATERIALE

46 Nonlinearita - GEOMETRIA 91 No geometrical effects

47 Geometrical effect: bowing effect 93 Esempio elementare Scenario n 1 n Scenario n 2 n Scenario n 3 n Scenario n 4 n

48 Modello Straus 7 #

49 Scenario n 1 n Scenario n 3 n Scenario n 2 n Scenario n 4 n #1 97 Initial deformed shape Initial deformed shape: Scenario 1 Initial deformed shape: Scenario 2 Initial deformed shape: Scenario

50 1 SCENARIO 2 SCENARIO t CR= 670 sec TCR= 675 C t CR= 950 sec TCR= 725 C 3 SCENARIO 4 SCENARIO t CR= 1110 sec TCR= 750 C t CR= 4445 sec TCR= 975 C 99 5 Case history #1: simulazione comportamento strutturale PADIGLIONE FIERISTICO

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52 APPLICAZIONE IN UNA STRUTTURA COMPLESSA Scenari di incendio PADIGLIONE A3 Scenario 1 CARPENTERIA SOLAIO CALPESTIO IMPIANTI Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4 SCALA 1:200 LATO PASSERELLA Q.A. Rustico Scenario 5 Scenario 6 Q.A. Rustico Room geometry, Fuel load, Fire characteristics FIRE MODEL Fire thermal exposure Element geometry, Thermal properties, Heat transfer coefficients HEAT TRANSFER MODEL Thermal gradients Element geometry, Applied loads, Mechanical properties STRUCTURAL MODEL Load capacity

53 Scenario di incendio 1 Particolare carpenteria Area interessata = 208,8 m 2 Trave di bordo Trave principale 105 Scenario di incendio 1 Scenario

54 Scenario di incendio 1 Scenario Scenario di incendio 1 Scenario

55 Scenario di incendio 2 Particolare carpenteria Area interessata = 448 m 2 Trave principale Trave principale Trave principale Trave di colmo Trave di colmo 109 Scenario di incendio 2 Scenario

56 Scenario di incendio 4 Particolare carpenteria Area interessata = 196,80 m 2 Trave principale Trave principale 111 Scenario di incendio 4 Scenario

57 SCALA 1:20 0 Franco Bontempi SINTESI Scenari P A D IGdi L IO Nincendio E A 3 C ARPE NTERIA SOLA IO CA LPESTIO IM P IANTI LATO PASSEREL LA Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4 Scenario 5 Scenario 6 Q.A. Rustico Q.A. Rustico SENSIBILITA DEL MODELLO

58 ESPLORAZIONE DELLA RISPOSTA 115 Modello Straus

59 Scenari di incendio PADIGLIONE A3 Scenario 1 CARPENTERIA SOLAIO CALPESTIO IMPIANTI Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4 SCALA 1:200 LATO PASSERELLA Q.A. Rustico Scenario 5 Scenario 6 Q.A. Rustico Modello Straus 7 Scenario 6 Scenario 2 F. Bontempi, F. Petrini, F. Gentili Performance-Based Fire Engineering 59

60 Scenario 2: Spostamenti verticali Scenario 2 Curva ISO F. Bontempi, F. Petrini, F. Gentili Performance-Based Fire Engineering Scenario 2: Spostamenti orizzontali lato corto Scenario 2 Curva ISO F. Bontempi, F. Petrini, F. Gentili Performance-Based Fire Engineering 60

61 Scenario 2: Spostamenti orizzontali lato lungo Scenario 2 Curva ISO F. Bontempi, F. Petrini, F. Gentili Performance-Based Fire Engineering Scenario 2: Verifica in resistenze Scenario 2 Curva ISO F. Bontempi, F. Petrini, F. Gentili Performance-Based Fire Engineering 61

62 Scenario 6: Spostamenti verticali Scenario 6 Curva ISO F. Bontempi, F. Petrini, F. Gentili Performance-Based Fire Engineering Scenario 2: Spostamenti orizzontali lato corto Scenario 6 Curva ISO F. Bontempi, F. Petrini, F. Gentili Performance-Based Fire Engineering 62

63 Scenario 2: Verifica in resistenze Scenario 6 Curva ISO F. Bontempi, F. Petrini, F. Gentili Performance-Based Fire Engineering Room geometry, Fuel load, Fire characteristics FIRE MODEL Fire thermal exposure Element geometry, Thermal properties, Heat transfer coefficients HEAT TRANSFER MODEL Thermal gradients Element geometry, Applied loads, Mechanical properties STRUCTURAL MODEL Load capacity

64 Scenari d incendio - FDS Tipologia attività Sviluppo atteso Uffici Medio Area vendita ed. commerciali Veloce Camera degenze Medio Camera albergo Medio Biblioteche Veloce Aule scolastiche Medio Cinema e teatri Veloce Appartamenti Medio Trasporti (spazi pubblici) Lento Scenario d incendio #1 - FDS 64

65 Scenario d incendio #2 - FDS Scenario d incendio #3 - FDS 65

66 Scenario d incendio #4 - FDS Scenario d incendio #5 - FDS 66

67 Scenario d incendio #6 - FDS Confronto curve d incendio - FDS Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4 Scenario 5 Scenario 6 ISO t [s] 67

68 Scenario 2: Spostamenti verticali Scenario 2 Scenario 2: Spostamenti orizzontali lato corto Scenario

69 Scenario 2: Spostamenti orizzontali lato lungo Scenario 2 Scenario 2: Verifica in resistenze Scenario

70 Scenario 2: Verifica in tempi Scenario

71 HE luglio Case history #2: Structural Assessment against Fire EXISTING HANGAR

72 Prescrittivo / Prestazionale START START DEFINIZIONE E DISANIMA DEGLI OBIETTIVI APPLICAZIONE DI REGOLE PRESTABILITE E TECNICHE PREDEFINITE INDIVIDUAZIONE DELLE SOLUZIONI ATTE A RAGGIUNGERE GLI OBIETTIVI ATTIVITA' DI MODELLAZIONE E MISURA GIUDIZIO DELLE PRESTAZIONI RISULTANTI No Yes END END ,85 m Geometry Vista B-B 32,82 m 32,82 m Vista A-A Vista B-B C Vista A-A C 65,64 m 7,00 m Sezione C-C 16,425 m ,82 m 9,02 m 72

73 145 Structural modelling (1)

74 Structural modelling (2) 147 Performance goal Structural strength for 20 minutes

75 Room geometry, Fuel load, Fire characteristics FIRE MODEL Fire thermal exposure Element geometry, Thermal properties, Heat transfer coefficients HEAT TRANSFER MODEL Thermal gradients Element geometry, Applied loads, Mechanical properties STRUCTURAL MODEL Load capacity 149 Fire modeling 6,54m 7,00 m Fire zone size : 45,8 m 2 T ( C) Curva standard ISO t (sec)

76 Constitutive law for steel Tensioni-Deformazioni al variare della Temperatura Fattori riduttivi Tensioni (KN/m 2 ) ,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 Deformazioni (%) Fattori riduttivi delle caratteristiche meccaniche 1,2 1,0 Ky,T 0,8 Kp,T 0,6 K E,T 0,4 0, C 1000 C 900 C 800 C 700 C 600 C 500 C 400 C 300 C 200 C 100 C T ( C) E (Pa) σ y (Pa) α (1/ C) , , , , , , , , , , , ,5 0, , T ( C) 151 Definition of scenarios 2 Scenario 1 Scenario 3 Scenario

77 1 st Scenario 7,00 m 6,54 m

78 1 st st

79 1 st st - lateral displacements

80 1 st - vertical displacements nd Scenario 7,00 m 80

81 161 2 nd

82 2 nd vertical displacements rd Scenario 82

83 3 rd rd

84 3 rd vertical displacements rd lateral displacements

85 RESULTS SYNTHESIS Confronti spostamenti laterali Y Spostamenti laterali (m) 2,00E-01 1,50E-01 1,00E-01 5,00E-02 0,00E+00 Tempo (sec) 0-5,00E ,00E-01-1,50E-01-2,00E-01-2,50E-01 Scenaio 3 Scenario 1 Scenario 1 Scenario 2 Scenario Room geometry, Fuel load, Fire characteristics FIRE MODEL Fire thermal exposure Element geometry, Thermal properties, Heat transfer coefficients HEAT TRANSFER MODEL Thermal gradients Element geometry, Applied loads, Mechanical properties STRUCTURAL MODEL Load capacity

86 ACTION MODELING FINITE ELEMENT MODELING STRUCTURAL PERFORMANCE FINITE VOLUME MODELING FIRE SIMULATION 171 EXPLICIT FIRE MODELING REAL OBJECT MODEL

87 SYSTEM SCENARIOS 1 Case : NO OPENING 2 Case : OPENING OF THE DOORS AFTER 5 MINUTES DUE TO FIREFIGTHERS ARRIVE 3 Case : DOORS ALWAYS OPEN 173 Structure / Action Interaction Discretization for structural modeling Discretization for action modeling

88 175 2 Case : OPENING OF THE DOORS AFER 5 MINUTES VENT FIRES

89 Franco Bontempi

90 Ceiling Jet 179 Scenarios Temperatures T( C ) Confronto Zona 1 1 Caso: Ambiente chiuso 2 Caso: Arrivo VVF 5min 3 Caso: Ambiente aperto t(sec) Case : NO OPENING 2 Case : DOORS OPEN AFTER 5 MNUTES 3 Case : DOORS ALWAYS OPEN

91 T ( C ) CURVA ISO834 CURVA IDROCARBURI 200 t(sec) T( C) ELICOTTERO CURVA ISO834 CURVA IDROCARBURI t(sec) FIRE MODEL Fire thermal exposure HEAT TRANSFER HUMAN MODEL BEHAVIOR MODEL Thermal gradients STRUCTURAL MODEL Load capacity

92 7 Case history #3: Failure Analysis of a Tall Building Fire WINDSOR BUILDING MADRID

93 SISTEMA STRUTTURALE SCENARIO D INCENDIO COMPARTIMENTO STRUTTURALE SUPERIORE COMPARTIMENTO STRUTURALE INFERIORE

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