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

franco.bontempi@uniroma1.it

Indice

1.ACCIDENTI

2.INCENDIO

3.SICUREZZA

4.RESISTENZA

5.INDAGINE2

ACCIDENTI

NTC2005

High Probability Low Consequences

HPLCevents

s LPHCevents

HPLCHigh Probability

Low Consequences

LPHCLow 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

LINEAR interactions NONLINEAR

Interazioni nel caso di incendio

decomposability

course predictability

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.

Approcci di analisi

HPLCEventi Frequenti con

Conseguenze Limitate

LPHCEventi Rari con

Conseguenze Elevate

Complessità:Aspetti non lineari e

Meccanismi di interazioni

Impostazionedel problema:

Deterministico

Stocastico

ANALISIQUALITATIVA

DETERMINISTICA

ANALISIQUANTITATIVA

PROBABILISTICA

ANALISIPRAGMATICACON SCENARI

Scenari (D.M. 14 settembre 2005)

ISO 13387: Example of Event Tree

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.

SAMEFLOOR

FROMONE

FLOORTO

ANOTHER

OUTSIDE

RUNAWAY (1)

effect

decomposability

EFFECT

decomposability

NATECH: Natural Hazard Triggeringa 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.

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

Word Cloud

INCENDIO

CARATTERISTICHE INCENDIO

• Incendio = combustione autoalimentata ed incontrollata di materiali combustibili.

• Natura accidentale.

• Carattere estensivo (diffusione nello spazio):1. wildfire2. urbanfire3. all’esterno di un edificio4. all’interno di un interno

• Carattere intensivo (andamento nel tempo).

CARATTERE ESTENSIVODiffusione nello spazio

1. WILDFIRE

2. URBANFIRE

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

3. ALL’ESTERNO DI UN EDIFICIO

Simulated exterior buckling of WTC 7 during the collapse.

4. ALL’INTERNO DI UN EDIFICIO

1st section:

floors 3 to 16

1st technical floorreception

5 basements

2nd technical floor

2nd section:

floors 17 to roof

empty floors

TIMELINE

SISTEMA STRUTTURALE SCENARIO D’INCENDIO

COMPARTIMENTOSTRUTTURALE

SUPERIORE

COMPARTIMENTOSTRUTURALE

INFERIORE

CARATTERE INTENSIVOAndamento nel tempo

ISO 13387: Design Fire

Temperatura nel tempo(curva naturale d’incendio)

FLASHOVER

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 ignitionsources

Limit hazardous human behavior

Emergency procedure and evacuation

Prevent the propagation of collapse, once local damages occurred (e.g. redundancy)

Strategie

Strategia antincendio: combinazione di misure di prevenzione, protezione e gestionali per la riduzione del rischio di incendio.

activeprotection

passiveprotection

no failures

doesn’t trigger

N spreads

extinguishes

damages

robustness

no collapse

collapse

triggers

prevention1 42 3

SICUREZZA

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).

DESIGN

ACTION

RESPONSE

Sviluppo di un evento negative (Reason)

STRUCTURAL

SYSTEM

CHARACTERISTICS

STRUCTURAL

SYSTEM

WEAKNESS

STRUCTURAL

CONCEPTION

STRUCTURAL

TOPOLOGY

GEOMETRY

threats

STRUCTURAL

MATERIAL

& PARTS

Yespassive

structural

characteristics

threats

FIRE DETECTION

& SUPPRESSION

active

structural

characteristics

threats

ORGANIZATION &

FIREFIGHTERS

threats

MAINTENANCE

threats

structural

characteristics

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 qualsiasiattivita’.

• Area a rischio specifico e’ una porzione dell'attivita’ caratterizzateda rischio di incendio sostanzialmente differente rispetto a quellotipico dell'attivita. L'individuazione delle aree a rischio specifico:

a. riportata nella regole tecniche verticali;

b. in assenza, e’ effettuata dal progettista secondo criterigenerali.

Prevention

Risk = Probability · Magnitudo

Profili di rischio (CPI)

Profilo di rischio Rvita

Caratteristiche occupanti

Velocita’ di sviluppo dell’incendio

Profilo di rischio Rvita

Incendio ---->

Profilo di rischio RBENI

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).

Livello di prestazione:reazione al fuoco

Livello di prestazione:resistenza al fuoco

Livello di prestazione:compartimentazione

Livello di prestazione:esodo

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.

Metodi ordinari di progettazione della sicurezza antincendio

Metodi avanzati di progettazione della sicurezza antincendi

Prescrittivofranco.bontempi@uniroma1.it

Prestazionale

RESISTENZA

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);

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)

Verification of fire resistance (R-safe)

T = temperature

t = time

Rfi,d,t

Efi,requ,t

Verification of fire resistance (R-fail)

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !

Verification of fire resistance (t)

T = temperature

t = time

Efi,requ,t Rfi,d,t

Failure !

tfi,d ≥ tfi,requ

Verification of fire resistance (T)

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !

Td ≤ Tcr

Levels of Structural Crisis

Structural Robustness

Assessment

1st level:

Material

2nd level:

Element

Section

3rd level:

Structural

Element

4th level:

Structural

System

Structural Robustness (1)

ATTRIBUTES

RELIABILITY

AVAILABILITY

SAFETY

MAINTAINABILITY

INTEGRITY

SECURITY

FAILURE

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 CAUSEST

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).

Structural Robustness (2)

Bad vs Good CollapseSTRUCTURE

& LOADSCollapse

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

Scenario di incendio

The progressive collapse

Collasso progressivo (1)

INDAGINE

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

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.

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.

INITIAL CONDITIONSFOR #1 - #2

FINAL STATE

FOR #1

FINAL STATE

FOR #2

evolutive analysisdecomposability

FINALCONDITIONSFOR #1 - #2

INITIAL STATE

FOR #1

INITIAL STATE

FOR #2

investigative analysisdecomposability

Direct vs. Inverse Problems

Back-analysis

Forward-analysisDirect problem

Inverse problem

Sviluppo di un evento negative (Reason)

Diagramma di Ishikawa

PROBLEM

CAUSE 1 CAUSE 2 CAUSE 3

CAUSE 4 CAUSE 5 CAUSE 6

SUB CAUSE 1SUB CAUSE

2SUB 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.

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).

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)

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)

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.ViolazioniSi 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)

Causal Pearl Chain

TRIGGERINGCAUSE

ROOTCAUSE

GO/NO GOPOINT

INTERMEDIATE

APPARENT

TRIGGERING

CAUSENECESSARY

NECESSARY

SUFFICIENT

FACTOR REASON

ROOT CAUSE ANALYSIS

APPARENT CAUSE ANALYSIS

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

Frequency Investigated Learning potential

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

COSE – STRUTTURE - SISTEMITHINGS – STRUCTURES - SYSTEMS

PERSONE – COMPORTAMENTIPEOPLE – HUMAN BEHAVIOR

COSAWHAT

CHIWHO

ROTTURA – COLLASSO - CRISIFAILURE – COLLPASE - CRISIS

PERCHE’WHY

SPIEGAZIONE – CAUSEREASON - DISCLOSURE

Aumento conoscenza – Knowledge gain

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

Struttura investigativa: fasi e operazioni

Raccolta delle informazioni iniziali

Timeline informazioni investigative

Operazioni di repertamento dell’incendio

Spacchettamento ai fini del repertamento.

Metodi di campionamento geometrico

Ricostruzione post incendio.

Ricostruzione ante incendio.

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

Controllo documentale fase investigativa.

Computational Fire Investigation.

Stro N

GERwww.stronger2012.com

Prof. Ing. Franco BontempiIng. Marcello Mangione

School of Civil and Industrial Engineering Sapienza University of Rome

Stro N

GERwww.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 BontempiIng. Marcello Mangione

School of Civil and Industrial Engineering Sapienza University of Rome

Progettazione Strutturale Antincendio: Successi e Fallimenti.

Engineering

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