Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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1 Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio e problemi strutturali specifici Prof. Dr. Ing. Franco Bontempi Ordinario di Tecnica delle Costruzioni Facolta’ di Ingegneria Civile e Industriale Universita’ degli Studi di Roma La Sapienza www.francobontempi.org Str o N GER 1

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Giornata di Studio: LA RESISTENZA AL FUOCO DELLE STRUTTURE COSENZA, Universita' della Calabria, 6 Febbraio 2014

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Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

e problemi strutturali specifici

Prof. Dr. Ing. Franco Bontempi

Ordinario di Tecnica delle Costruzioni

Facolta’ di Ingegneria Civile e Industriale

Universita’ degli Studi di Roma La Sapienza

www.francobontempi.org

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Scopo della presentazione

• Far vedere gli aspetti piu’ generali dellaprogettazione strutturale antincendio:

Complessita’ del problema;

Approccio sistemico;

Natura accidentale dell’azione incendio;

Progettazione prestazionale/prescrittiva;

Aspetti specifici delle gallerie stradali.

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OGGETTOCaratteristiche delle gallerie

Geometrie

Impianti

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GEOMETRIE

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Tipo A - autostradew

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Tipo B – extraurbane principaliw

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Tipo C – extraurbane secondariew

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Sistema vs Strutturaw

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OperaMorta

OperaViva

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IMPIANTI VENTILAZIONE

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Piston effect

• Is the result of natural induced draft caused by free-flowing traffic (> 50 km/h) in uni-directional tunnel thus providing natural ventilation.

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Mechanical ventilation

• “forced” ventilation is required where piston effect is not sufficient such as in

– congested traffic situations;

– bi-directional tunnels (piston effect is neutralized by flow of traffic in two opposite directions);

– long tunnels with high traffic volumes.

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TUNNEL VENTILATION SYSTEMS

• Road Tunnel Ventilation Systems have two modes of operation:

• Normal ventilation, for control of air quality inside tunnels due to vehicle exhaust emissions: – in any possible traffic situation, tunnel users and staff must not suffer

any damage to their health regardless the duration of their stay in the tunnel;

– the necessary visual range must be maintained to allow for safe stopping.

• Emergency ventilation in case of fire, for smoke control: – the escape routes must be kept free from smoke to allow for self-

rescue; – the activities of emergency services must be supported by providing

the best possible conditions over a sufficient time period ;– the extent of damage and injuries (to people, vehicles and the tunnel

structure itself) must be kept to a minimum.

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Longitudinal ventilation system

• employs jet fans suspended under tunnel roof; in normal operation fresh air is introduced via tunnel entering portal and polluted air is discharged from tunnel leaving portal.

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Semi-transverse ventilation system

• employs ceiling plenum connected to central fan room equipped with axial fans; in normal operation fresh air is introduced along the tunnel trough openings in the ventilation plenum while polluted air is discharged via tunnel portals.

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Transverse ventilation system

• employs double supply and exhaust plenums connected to central fan rooms equipped with axial fans; in normal operation fresh air is introduced and exhausted via openings in double ventilation plenums.

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Attachments

• Dispersion stack and fan room combined with longitudinal ventilation: may be required in order to reduce adverse effect on environment of discharge of polluted air from tunnel, where buildings are located in proximity (< 100m) to tunnel leaving portal.

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Ventilation unitAir extraction

Ventilation unitSupply of fresh air

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COMPLESSITA’Approccio prestazionale

Modellazione

Sicurezza

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LINEAR interactions NONLINEAR

System Complexity (Perrow)w

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APPROCCIO PRESTAZIONALE

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Prescrittivo (1)

APPROCCIOPRESCRITTIVO

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

APPROCCIOPRESTAZIONALE

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prescrittivo

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Prescrittivo (2)w

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Prestazionale (1)

APPROCCIOPRESCRITTIVO

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

APPROCCIOPRESTAZIONALE

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Prestazionale (2)R

equ

isit

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equ

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Elementi CostituentiElementi Costituenti

Elementi CostituentiElementi Costituenti

Elementi CostituentiElementi Costituenti

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Elementi CostituentiElementi Costituenti

Elementi CostituentiElementi Costituenti

prescrittivo

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Elementi CostituentiElementi Costituenti

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Elementi CostituentiElementi CostituentiElementi CostituentiElementi Costituenti

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START

END

DEFINIZIONE E DISANIMADEGLI OBIETTIVI

INDIVIDUAZIONE DELLE

SOLUZIONI ATTE A

RAGGIUNGERE GLI OBIETTIVI

ATTIVITA' DI

MODELLAZIONE E MISURA

GIUDIZIO DELLE

PRESTAZIONI

RISULTANTI

No

Yes

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MODELLINUMERICI

MODELLIFISICI

RISPETTO DIPRESCRIZIONI

livello 1

OBIETTIVI

livello 3

DEFINIZIONE DELLA

SOLUZIONE STRUTTURALE

livello 4

VERIFICA DELLE

CAPACITA'PRESTAZIONALI

LIMITI DELLAPERFORMANCE i-esima

CRITERIO (QUANTITA') CHE MISURA

LA PERFORMANCE i-esima

DEFINIZIONE DELLAPERFORMANCE i-esima

livello 2

ESPLICITAZIONE DEGLI OBIETTIVI ATTRAVERSO L'INDIVIDUAZIONE DI n

PRESTAZIONI;ordinatamente, per ciascuna di

esse, i =1,..n:

ESITO

NO

SI'

A

C

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MODELLINUMERICI

MODELLIFISICI

RISPETTO DIPRESCRIZIONI

livello 1

OBIETTIVI

livello 3

DEFINIZIONE DELLA

SOLUZIONE STRUTTURALE

livello 4

VERIFICA DELLE

CAPACITA'PRESTAZIONALI

LIMITI DELLAPERFORMANCE i-esima

CRITERIO (QUANTITA') CHE MISURA

LA PERFORMANCE i-esima

DEFINIZIONE DELLAPERFORMANCE i-esima

livello 2

ESPLICITAZIONE DEGLI OBIETTIVI ATTRAVERSO L'INDIVIDUAZIONE DI n

PRESTAZIONI;ordinatamente, per ciascuna di

esse, i =1,..n:

ESITO

NO

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A

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MODELLAZIONE

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Analysis Strategy #1: Sensitivity governance of priorities

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Analysis Strategy #2: Bounding behavior governance

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Analysis Strategy #3: Redundancy Governance

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NUMERICALMODELING

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Factors for Coupling

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

TERMALSTATE

(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

INFORMATIONFLOW DIRECTION

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Fully Coupled Scheme

timetK

TERMALSTATE

(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

timetK

TERMALSTATE

(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

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TERMALSTATE

(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

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(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

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Staggered Coupled Scheme

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TERMALSTATE

(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

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(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

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(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

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(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

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Temperature Driven Scheme

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TERMALSTATE

(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

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(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

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(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

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(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

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Scheme With No Memory

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(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

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(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

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(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

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(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

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(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

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Page 62: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

6262

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 63: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

6363

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 64: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

64

SICUREZZA

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

64

Page 65: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

65

ATTRIBUTES

THREATS

MEANS

RELIABILITY

FAILURE

ERROR

FAULT

FAULT TOLERANT DESIGN

FAULT DETECTION

FAULT DIAGNOSIS

FAULT MANAGING

DEPENDABILITYof

STRUCTURALSYSTEMS

AVAILABILITY

SAFETY

MAINTAINABILITY

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

INTEGRITY

ways to increase

the dependability of a system

An understanding of the things

that can affect the dependability

of a system

A way to assess

the dependability of a system

the trustworthiness

of a system which allows

reliance to be justifiably placed

on the service it delivers

SECURITY

High level / activeperformance

Low level / passiveperformance

Visions, I., Laprie, J.C., Randell,

B.,

Dependability and its threats:

a taxonomy,

18th IFIP

World Computer Congress,

Toulouse (France) 2004.

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

65

Page 66: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

66

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

Structural Robustness (1)

66

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

66

Page 67: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

67

Structural Robustness (2)

• Capacity of a construction to show a 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).

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

67

Page 68: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

68

Levels of Structural Crisis

Us

ual

UL

S &

SL

SV

eri

fica

tio

nF

orm

at

Structural RobustnessAssessment

1st level:Material

Point

2nd level:ElementSection

3rd level:StructuralElement

4th level:StructuralSystem

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

68

Page 69: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

69

Bad vs Good Collapses

STRUCTURE& LOADS

CollapseMechanism

NO SWAY

“IMPLOSION”OF THE

STRUCTURE

“EXPLOSION”OF THE

STRUCTURE

is a process in which objects are destroyed by collapsing on themselves

is a processNOT CONFINED

SWAY

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

69

Page 70: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

70

Design Strategy #1: Continuityw

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

70

Page 71: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

71

Design Strategy #2: Segmentationw

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

71

Page 72: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

72

Esempio di valutazionedi roubustezza strutturale

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 73: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

7373

Esempio: edificio altow

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 74: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

74

Analisi di un componente tipico

D0

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 75: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

75D1 D2

Scenari (1-2)w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

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Page 76: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

76D3 D4

Scenari (3-4)w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 77: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

77

Modalità di collasso (1-2)

D1 D2

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

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Page 78: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

78

Modalità di collasso (3-4)

D3 D4

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 79: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

79

Sintesi dei risultati: elemento critico

0

4

Lo scenario D4è quello più cattivo:

l’elemento strutturalecritico individuato è lacolonna più esterna!

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 80: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

80

Modellazione edificio alto

ww

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co

bo

nte

mp

i.o

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Page 81: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

81

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 82: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

82

Scenario 1

(1 asta eliminata)

Scenario 2

(3 aste eliminate)

Scenario 3

(5 aste eliminate)

Scenario 4

(7 aste eliminate)

Scenari di danneggiamentow

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 83: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

83

Collasso secondo scenario 1w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

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Page 84: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

84

Collasso secondo scenario 2w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

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Page 85: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

85

Collasso secondo scenario 3w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

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GER

Page 86: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

86

Collasso secondo scenario 4w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 87: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

87

Moltiplicatore Ultimo e sua variazione

4,053,57

3,192,64 2,40

0,480,86

1,41 1,65

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

D0 D1 D2 D3 D4

Scenario di danneggiamento

u Delta F

F

Sintesi dei risultati

Δ u

u

ww

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co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 88: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

88

AZIONENatura dell’azione incendio

Carattere accidentaleCarattere estensivoCarattere intensivo

3w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

88

Page 89: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

89

Aspetti caratteristici dell’incendio

• Carattere estensivo

(diffusione nello spazio):1.wildfire

2.urbanfire

3.all’esterno di una costruzione

4.all’interno di una costruzione

• Carattere intensivo

(andamento nel tempo).

• Natura accidentale.

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

89

Page 90: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

90

Carattere intensivo

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

90

Page 91: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

91

ISO 13387: Example of Design Firew

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

91

Page 92: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

92

Andamento nel tempo potenza termicaw

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

92

Page 93: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

93

ww

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ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

93

Page 94: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

94

flash

ove

rSTRATEGIE

ATTIVE(approcciosistemico)

STRATEGIEPASSIVE(approcciostrutturale)

Tempo t

Te

mpera

tura

T(t

)

andamento di T(t) aseguito del successodelle strategie attive

flash

ove

rSTRATEGIE

ATTIVE(approcciosistemico)

STRATEGIEPASSIVE(approcciostrutturale)

Tempo t

Te

mpera

tura

T(t

)

andamento di T(t) aseguito del successodelle strategie attive

Strategiew

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

94

Page 95: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

95

FLASHOVER

passive

Create fire compartments

Prevent damage in the elements

Prevent loss of functionality in the building

active

Detection measures(smoke, heat, flame detectors)

Suppression measures (sprinklers, fire extinguisher, standpipes, firemen)

Smoke and heat evacuation system

prevention protection robustness

Limit ignitionsources

Limit hazardous human behavior

Emergency procedure and evacuation

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

Fire Safety Strategies

systemic structural

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

95

Page 96: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

96

activeprotection

passiveprotection

no failures

doesn’t trigger

Y

N

Y

N

spreads

extinguishes

damages

Y

Nrobustness

no collapse

collapse

Y

N

triggers

prevention1 42 3

Fire Safety Strategies

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

96

Page 97: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

97

ww

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bo

nte

mp

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97

Page 98: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

98

ww

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bo

nte

mp

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GER

98

Page 99: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

99

SnakeFighterw

ww

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nco

bo

nte

mp

i.o

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Stro N

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Page 100: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

100

Carattere estensivo

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ran

co

bo

nte

mp

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100

Page 101: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

101

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

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bo

nte

mp

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Page 102: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

102

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nte

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Page 103: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

103

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co

bo

nte

mp

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Page 104: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

104

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ran

co

bo

nte

mp

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104

Page 105: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

105

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ran

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bo

nte

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105

Page 106: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

106

Windsor Hotel Madridw

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nco

bo

nte

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106

Page 107: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

107

Natura accidentale

ww

w.f

ran

co

bo

nte

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107

Page 108: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

108

Situazioni HPLC

High Probability Low Consequences

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

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108

Page 109: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

109

LPHC events

Low Probability High Consequences

ww

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co

bo

nte

mp

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109

Page 110: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

110

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 vs LPHC events

110

Page 111: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

111

Approcci di analisi

HPLCEventi Frequenti con

Conseguenze Limitate

LPHCEventi Rari con

Conseguenze Elevate

Complessità:Aspetti non lineari e

Meccanismi di interazioni

Impostazionedel problema:

DETERMINISTICA

STOCASTICA

ANALISIQUALITATIVA

DETERMINISTICA

ANALISIQUANTITATIVAPROBABILISTICA

ANALISIPRAGMATICACON SCENARI

ww

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ran

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bo

nte

mp

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111

Page 112: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

112

CAPITOLO 2:SICUREZZA

EPRESTAZONI

ATTESE

QUALITA’

CAPITOLO 3:AZIONI

AMBIENTALI

CAPITOLO 6:AZIONI

ANTROPICHE

CAPITOLO 4:AZIONI

ACCIDENTALI

DOMANDA

CAPITOLO 5:NORMESULLE

COSTRUZIONI

CAPITOLO 7:NORME PER LE

OPEREINTERAGENTI

CON I TERRENI ECON LE ROCCE,

PER GLIINTERVENTI NEITERRENI E PERLA SICUREZZA

DEI PENDII

CAPITOLO 9:NORMESULLE

COSTRUZIONIESISTENTI

PRODOTTO

CAPITOLO 11:MATERIALI

EPRODOTTIPER USO

STRUTTURALE

CAPITOLO 10:NORME PER LAREDAZIONI DEI

PROGETTIESECUTIVI

CAPITOLO 8:COLLAUDO

STATICO

CONTROLLO

Italian Code for ConstructionsD.M. 14 settembre 2005

ww

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ran

co

bo

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mp

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GER

112

Page 113: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

113

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.

Scenari (D.M. 14 settembre 2005)w

ww

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nco

bo

nte

mp

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113

Page 114: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

114

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

Accept design

Modify fire protection

features

Establish performance requirements

No Yes

Bu

chanan,

200

2

ww

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ran

co

bo

nte

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114

Page 115: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

115

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115

Page 116: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

116

SVILUPPODinamica degli incendi in galleria

Effetti della ventilazione

4w

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116

Page 117: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

117

FIRE DYNAMICS IN TUNNELS

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117

Page 118: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

118

Tunnel Fires vs Compartment Fires (0)

118

Page 119: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

119

Tunnel Fires Progression (1)w

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Page 120: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

120

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Page 121: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Page 122: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

122

Tunnel Fires Progression (2)w

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bo

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Page 123: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

123

Effects of ventilationw

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bo

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Page 124: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

124

Temperature developmentw

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Page 125: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

125

Smoke development

• A smoke layer may be created in tunnels at the early stages of a fire with essentially no longitudinal ventilation. However,the smoke layer will gradually descend further from the fire.

• If the tunnel is very long, the smoke layer may descend to the tunnel surface at a specific distance from the fire depending on the fire size, tunnel type, and the perimeter and height of the tunnel cross section.

• When the longitudinal ventilation is gradually increased, the stratified layer will gradually dissolve.

• A backlayering of smoke is created on the upstream side of the fire.

• Downstream from the fire there is a degree of stratification of the smoke that is governed by the heat losses to the surrounding walls and by the turbulent mixing between the buoyant smoke layers and the normally opposite moving cold layer.

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Page 126: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

126

Backlayeringw

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Page 127: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

127

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Page 128: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

128

Maximum gas temperatures in the ceiling area of the tunnel during tests with road vehicles

ww

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Page 129: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

129

Maximum gas temperatures in the ceiling area of the tunnel during tests with road vehicles

ww

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co

bo

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mp

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Page 130: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

130

Maximum gas temperatures in the cross sectionof the tunnel during tests with road vehicles

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130

Page 131: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

131

EMERGENCY VENTILATION

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Page 132: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Smoke stratification w

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Page 133: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Natural smoke venting

• It can be sufficient in short, level tunnels where smoke stratification allows for escape in clear/tenable conditions.

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Page 134: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Smoke filling long tunnel w

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Page 135: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

135

Emergency ventilation with longitudinal system

• It can be employed in unidirectional, medium length tunnels, with free flowing traffic conditions. Smoke is mechanically exhausted in direction of traffic circulation, clear tenable conditions for escape are obtained on upstream side of fire.

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Page 136: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Page 137: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Page 138: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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k size factor for HGV firew

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Page 139: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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k size factor for small pool firew

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139

Page 140: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

140

Emergency ventilation with semi-transverse “point extraction” system

• Smoke is mechanically exhausted from single ceiling opening (reverse mode) leaving clear tenable escape conditions on both sides of fire.

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Page 141: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Page 142: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

142

Observation: goal

• The purpose of controlling the spread of smoke is to keep people as long as possible in a smoke-free environment.

• This means that the smoke stratification must be kept intact, leaving a more or less clear and breathable air underneath the smoke layer.

• The stratified smoke is taken out of the tunnel through exhaust openings located in the ceiling or at the top of the sidewalls.

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Page 143: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Observation: longitudinal velocity

• With practically zero longitudinal air velocity, the smoke layer expands to both sides of the fire. The smoke spreads in a stratified way for up to 10 min.

• After this initial phase, smoke begins to mix over the entire cross section, unless by this time the extraction is in full operation.

• The longitudinal velocity of the tunnel air must be below 2 m/s in the vicinity of the fire incidence zone. With higher velocities, the vertical turbulence in the shear layer between smoke and fresh air quickly cools the upper layer and the smoke then mixes over the entire cross section.

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143

Page 144: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

144

Observations: turbulence

• With an air velocity of around 2 m/s, most of the smoke of a medium-size fire spreads to one side of the fire (limited backlayering) and starts mixing over the whole cross section at a distance of 400 to 600 m downstream of the fire site. This mixing over the cross section can also be prevented if the smoke extraction is activated early enough.

• Vehicles standing in the longitudinal air flow increase strongly the vertical turbulence and encourage the vertical mixing of the smoke.

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144

Page 145: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

145

Observation: fresh air

• In a transverse ventilation system, the fresh air jets entering the tunnel at the floor level induce a rotation of the longitudinal airflow, which tends to bring the smoke layer down to the road.

• No fresh air is to be injected from the ceiling in a zone with smoke because this increases the amount of smoke and tends to suppress the stratification.

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145

Page 146: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Observation: smoke extraction

• In reversible semi-transverse ventilation with the duct at the ceiling, the fresh air is added through ceiling openings in normal ventilation operation.

• If a fire occurs, as long as fresh air is supplied through ceiling openings, the smoke quantity increases by this amount and strong jets tend to bring the smoke down to the road surface. The conversion of the duct from supply to extraction must be done as quickly as possible.

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146

Page 147: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

147

Observation: traffic conditions

• For a tunnel with one-way traffic, designed for queues (an urban area), the ventilation design must take into consideration that cars can likely stand to both sides of the fire because of the traffic. In urban areas it is usual to find stop-and-go traffic situations.

• For a tunnel with two-way traffic, where the vehicles run in both directions, it must be taken into consideration that in the event of a fire vehicles will generally be trapped on both sides of the fire.

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147

Page 148: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

148

Strategies

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Page 149: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

149

Smoke extraction

• Continuous extraction into a return air duct is needed to remove a stratified smoke layer out of the tunnel without disturbing the stratification.

• The traditional way to extract smoke is to use small ceiling openings distributed at short intervals throughout the tunnel.

• Another efficient way to remove smoke quickly out of the traffic space is to install large openings with remotely controlled dampers. They are normally in an open position where equal extraction is taking place over the whole tunnel length.

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149

Page 150: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

150

Tunnel with a single-point extraction system

The usual way to control the longitudinal velocity is to provide several independent ventilation sections. When a tunnel has several ventilation sections, a certain longitudinal velocity in the fire section can be maintained by a suitable operation of the individual air ducts. By reversing the fan operation in the exhaust air duct, this duct can be used to supply air and vice versa.

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150

Page 151: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

151

FIRE MODELING

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GER

151

Page 152: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Page 153: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

153

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153

Levels

Page 154: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

154

1Dw

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Page 155: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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1Dw

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Page 156: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

156

2D (zone model)w

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Page 157: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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2D (zone model)w

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Stro N

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Page 158: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Page 159: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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FDS Simulation3D (ventilation)

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mp

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Page 160: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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FDS Simulation3D (fire)

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Page 161: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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3D (traffic)w

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Page 162: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Page 163: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

163

Multiscalew

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

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Stro N

GER

163

Page 164: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

164

Multiscale (ventilation)w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

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GER

164

Page 165: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

165

Multiscale (fire)w

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nco

bo

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Stro N

GER

165

Page 166: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

166

Multiscale (structural)w

ww

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nco

bo

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GER

166

Page 167: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

167

Multiscale (structural)w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

167

Page 168: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

168

PROGETTOBasis

Failure path

Risk

5w

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.fra

nco

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Stro N

GER

168

Page 169: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

169

BASIS

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bo

nte

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rg

Stro N

GER

169

Page 170: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

170

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).

3/22/2011

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co

bo

nte

mp

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rg

Stro N

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170

Page 171: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

171

SS0a

PRESCRIBEDDESIGN

PARAMETERS

SS0bESTIMATED

DESIGN

PARAMETERS

SS1initiation and

developmentof fire and

fire efluent

SS2movement of

fire effluent

SS3

structural response and fire spread

beyond enclosureof origin

SS4

detection,

activitation andsuppression

SS5

life safety:occupant behavior,

location andcondition

SS6

propertyloss

SS7business

interruption

SS8contamination

of

environment

SS9

destruction

ofheritage

(0)

DESIGNCONSTRAINTS

AND

POSSIBILITIES

(1+2)ACTION

DEFINITION

ANDDEVELOPMENT

(3+4)

SYSTEMPASSIVE

AND ACTIVERESPONSE

BU

S O

F I

NF

OR

MA

TIO

N

RESULTS

DESIGN

ACTION

SA

FE

TY

& P

ER

FO

RM

AN

CE

FSEw

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bo

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rg

Stro N

GER

171

DESIGN

RESPONSE

Page 172: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

172

STRUCTURAL

CONCEPTION

STRUCTURAL TOPOLOGY

&

GEOMETRY

threats

No

Yes

threats

STRUCTURALMATERIAL

& 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

alivestructural

characteristics

Yes

STRUCTURAL SYSTEM

CHARACTERISTICS

STRUCTURALSYSTEM

WEAKNESS

ww

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co

bo

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mp

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rg

Stro N

GER

172

Page 173: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

173

STRUCTURAL

CONCEPTION

STRUCTURAL TOPOLOGY

&

GEOMETRY

threats

No

Yes

threats

STRUCTURALMATERIAL

& PARTS

No

Yespassive structural

characteristics

threats

No

Yes

STRUCTURAL CONCEPTION

STRUCTURAL TOPOLOGY

&

GEOMETRY

threats

No

Yes

threats

STRUCTURALMATERIAL

& 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

alivestructural

characteristics

Yes

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co

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mp

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Stro N

GER

173

Page 174: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

174

FIRE DETECTION

& SUPPRESSION

No

active structural

characteristics

threats

ORGANIZATION &

FIREFIGHTERS

No

Yes

threats

MAINTENANCE& USE

No

Yes

threats

No

alivestructural

characteristics

Yes

STRUCTURAL CONCEPTION

STRUCTURAL TOPOLOGY

&

GEOMETRY

threats

No

Yes

threats

STRUCTURALMATERIAL

& 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

alivestructural

characteristics

Yes

3/22/2011 174PROGETTAZIONE STRUTTURALE

ANTINCENDIO

ww

w.f

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co

bo

nte

mp

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rg

Stro N

GER

174

Page 175: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

175

Fire fighting timeline w

ww

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nco

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Stro N

GER

175

Page 176: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

176

STRUCTURAL

CONCEPTION

STRUCTURAL

TOPOLOGY&

GEOMETRY

STRUCTURAL

MATERIAL& PARTS

FIRE DETECTION& SUPPRESSION

ORGANIZATION & FIREFIGHTERS

MAINTENANCE

& USE

CRISIS

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176

Page 177: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

177IN

-DEPTH

DEFE

NCE

FAILURE PATHw

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nco

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Stro N

GER

177

Page 178: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

178

Controlled vs. Uncontrolled Eventsw

ww

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nco

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Stro N

GER

178

Page 179: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

179

Controlled vs. Uncontrolled Eventsw

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

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Stro N

GER

179

Page 180: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

180

Fire safety concepts tree (NFPA)1

2

3

4

5

6

7

8

9

Bu

chanan,

200

2

Strategie perla gestione

dell'incendio

1

Prevenzione

2

Gestionedell'evento

3

Gestionedell'incendio

4Gestione delle

persone edei beni

15

Difesa sul posto16

Spostamento17

Disposibilitàdelle vie di fuga

18

Far avvenireil deflusso

19

Controllo della quantità

di combustibile

5

Soppressione

dell'incendio

10Controllo

dell'incendio

attraverso ilprogetto

13

Automatica11

Manuale12

Controllo deimateriali

presenti

6Controllo

del movimento

dell'incendio

7Resistenza e

stabilità

strutturale

14

Contenimento9

Ventilazione8

ww

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co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

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180

Page 181: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

181

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Strategie perla gestione

dell'incendio

1

Prevenzione

2

Gestionedell'evento

3

Gestionedell'incendio

4Gestione delle

persone edei beni

15

Difesa sul posto16

Spostamento17

Disposibilitàdelle vie di fuga

18

Far avvenireil deflusso

19

Controllo della quantità

di combustibile

5

Soppressione

dell'incendio

10Controllo

dell'incendio

attraverso ilprogetto

13

Automatica11

Manuale12

Controllo deimateriali

presenti

6Controllo

del movimento

dell'incendio

7Resistenza e

stabilità

strutturale

14

Contenimento9

Ventilazione8

Fire safety concepts tree (NFPA)

Bu

chanan,

200

2

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mp

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Stro N

GER

181

Page 182: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

182

Basis of tunnel fire safety design

• The first priority identified in the literature for fire design of all tunnels is to ensure:1. Prevention of critical events that may endanger

human life, the environment, and the tunnel structure and installations.

2. Self-rescue of people present in the tunnel at time of the fire.

3. Effective action by the rescue forces.

4. Protection of the environment.

5. Limitation of the material and structural damage.

• Furthermore, part of the objective is to reduce the consequences and minimize the economic loss caused by fires.

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bo

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182

Page 183: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

183

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183

Page 184: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

184

RISK CONCERN

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bo

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184

Page 185: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

185

Risk treatment

Option 1 :

RISK AVOIDANCE

Option 2 :

RISK REDUCTION

Option 3 :RISK

TRANSFER

Option 4 :RISK

ACCEPTANCE

START

STOP

No

No

No

Yes

Yes

Yes

No

100 %

50 %

50 %

30 %

20 %

25 %

5 %

ww

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co

bo

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185

Page 186: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

186

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.

ww

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186

Page 187: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

187

Quantitative Risk Analysis

Luur,

200

2

ww

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187

Page 188: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

188

Risk Analysis, Assessment, Management (IEC 1995)

ww

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188

Page 189: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

189

RISK CONCERNS

DEFINE CONTEXT

(social, individual, political, organizational,

technological)

RSK ANALYSIS

(for the system are defined organization, scenarios, and consequences of

occurences)

RISK ASSESSMENT(compare risks

against criteria)

RISK TREATMENT

option 1 - avoidance option 2 - reduction

option 3 - transfer

option 4 - acceptance

MONITORAND

REVIEW

RISKMANAGEMENT

RISKANALYSIS

RISKASSESSMENT

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ran

co

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nte

mp

i.o

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Stro N

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189

Page 190: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Stro N

GER

190

Page 191: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

191

SCENARIOS

DEFINE SYSTEM

(the system is usually decomposed into a number of smaller subsystems and/or

components)

HAZARD SCENARIO ANALYSIS

(what can go wrong?

how can it happen?waht controls exist?)

ESTIMATE

CONSEQUENCES(magnitude)

ESTIMATE

PROBABILITIES(of occurrences)

DEFINE RISK SCENARIOS

SENSITIVITY ANALYSIS

RISKANALYSIS

FIREEVENT

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ran

co

bo

nte

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191

Page 192: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

192

ISHIKAWA DIAGRAMw

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nco

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Page 193: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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193

Page 194: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

194

EVENT TREE

Triggering event

Fireignition

1. Fireextinguished by personnel

2. Intrusion of fire fighters

Arson

Explosion

Short circuit

Cigarette fire

YES (P1)

NO (1-P1)YES (P2)

NO (1-P2)

Scenario

Other

A1

A2

A3

A4

A5

3. Fire suppression

YES (P3)NO (1-P3)

YES (P3)NO (1-P3)

Firelocation

AREA A(PA)

YES (P1)

NO (1-P1) YES (P2)

NO (1-P2)

B1

B2

B3

B4

B5

YES (P3)NO (1-P3)

YES (P3)NO (1-P3)

AREA B(PB)

YES (P1)

NO (1-P1) YES (P2)

NO (1-P2)

C1

C2

C3

C4

C5

YES (P3)NO (1-P3)

YES (P3)NO (1-P3)

AREA C(PC)

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GER

194

PREPARAZIONE EVOLUZIONE

Page 195: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

195

DEFINE SYSTEM

(the system is usually decomposed into a number of smaller subsystems and/or

components)

HAZARD SCENARIO ANALYSIS

(what can go wrong?

how can it happen?waht controls exist?)

ESTIMATE

CONSEQUENCES(magnitude)

ESTIMATE

PROBABILITIES(of occurrences)

DEFINE RISK SCENARIOS

SENSITIVITY ANALYSIS

RISKANALYSIS

NUMERICALMODELING

SIMULATIONSw

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bo

nte

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195

Page 196: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Page 197: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Page 198: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Page 199: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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F (frequency) – N (number of fatalities) curve

• An F–N curve is an alternative way of describing the risk associated with loss of lives.

• An F–N curve shows the frequency (i.e. the expected number) of accident events with at least N fatalities, where the axes normally are logarithmic.

• The F–N curve describes risk related to large-scale accidents, and is thus especially suited for characterizing societal risk.

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Page 200: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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FN-curves UK Road Rail Aviation Transport, 67-01w

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Page 201: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

201

Persson, M. Quantitative Risk Analysis Procedure for the Fire Evacuation of a Road Tunnel - An Illustrative

Example. Lund, 2002

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201

Page 202: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

202

Risk acceptance – ALARP (1)

RISK MAGNITUDE

INTOLERABLEREGION

AsLowAsReasonablyPracticable

BROADLY ACCEPTABLEREGION

Risk cannot be justified in any circumstances

Tolerable only if risk reduction is impracticable or if its cost is greatly disproportionate to the improvement gained

Tolerable if cost of reduction would exceed the improvements gained

Necessary to maintain assurance that the risk remains at this level

AsLowAsReasonablyAchievable

RISK MAGNITUDE

INTOLERABLEREGION

AsLowAsReasonablyPracticable

BROADLY ACCEPTABLEREGION

Risk cannot be justified in any circumstances

Tolerable only if risk reduction is impracticable or if its cost is greatly disproportionate to the improvement gained

Tolerable if cost of reduction would exceed the improvements gained

Necessary to maintain assurance that the risk remains at this level

AsLowAsReasonablyAchievable

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Page 203: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

203

Risk acceptance – ALARP (2)w

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Page 204: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

204

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Page 205: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

205

Risk reduction by designw

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Page 206: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

206

Monetary values – cost of human life (!)

What is the maximum amount the society (or the decisionmaker) is willing to pay to reduce the expected number of fatalities by 1?

Typical numbers for the value of a statistical life used in cost-benefit analysis are 1–10 million euros.

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Page 207: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

207

RESISTENZA

6w

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Page 208: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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The burnt out interior of the Mont Blanc Tunnel

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Page 209: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Curve temperatura - tempo

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Page 210: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Types of fire exposure for tunnel analysis

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 30 60 90 120 150 180

Tem

per

atu

re (

°C)

Time (min.)

Cellulosic Hydrocarbon Hydrocarbon modified

RABT-ZTV train RABT-ZTV car RWS

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Page 211: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Cellulosic curve

• Defined in various national standards, e.g. ISO 834, BS 476: part 20, DIN 4102, AS 1530 etc.

• This curve is the lowest used in normal practice.

• It is based on the burning rate of the materials found in general building materials.

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Page 212: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Hydrocarbon (HC) curve

• Although the cellulosic curve has been in use for many years, it soon became apparent that the burning rates for certain materials e.g. petrol gas, chemicalsetc, were well in excess of the rate at which for instance, timber would burn.

• The hydrocarbon curve is applicable where small petroleum fires might occur, i.e. car fuel tanks, petrol or oil tankers, certain chemical tankers etc.

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Page 213: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Hydrocarbon mod. (HCM) curve

• Increased version of the hydrocarbon curve, prescribed by the French regulations.

• The maximum temperature of the HCM curve is 1300ºC instead of the 1100ºC, standard HC curve.

• However, the temperature gradient in the first few minutes of the HCM fire is as severe as all hydrocarbon based fires possibly causing a temperature shock to the surrounding concrete structure and concrete spalling as a result of it.

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Page 214: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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RABT ZTV curves

• The RABT curve was developed in Germany as a result of a series of test programs such as the EUREKA project. In the RABT curve, the temperature rise is very rapid up to 1200°C within 5 minutes.

• The failure criteria for specimens exposed to the RABT-ZTV time-temperature curve is that the temperature of the reinforcement should not exceed 300°C. There is no requirement for a maximum interface temperature.

RABT-ZTV (train)Time (minutes) T (°C)

0 155 120060 1200

170 15RABT-ZTV (car)

Time (minutes) T (°C)

0 155 120030 1200

140 15

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Page 215: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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RWS (Rijkswaterstaat) curve

• The RWS curve was developed by the Ministry of Transport in the Netherlands. This curve is based on the assumption that in a worst case scenario, a 50 m³ fuel, oil or petrol, tanker fire with a fire load of 300MW could occur, lasting up to 120 minutes.

• The failure criteria for specimens is that the temperature of the interface between the concrete and the fire protective lining should not exceed 380°C and the temperature on the reinforcement should not exceed 250°C.

RWS, RijksWaterStaatTime

(minutes) T

(°C) 0 203 8905 1140

10 120030 130060 135090 1300120 1200180 1200

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Page 216: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Page 217: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Page 218: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Lönnermark, A. and Ingason, H., “Large Scale Fire Tests in the Runehamartunnel – gas temperature and Radiation”,

Proceedings of the International Seminar on Catastrophic Tunnel Fires, Borås, Sweden, 20-21 November 2003.

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Page 219: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Page 220: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Page 221: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Fire Scenario Recommendationw

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Page 222: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

222

Verifiche

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Page 223: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

223

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);

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Page 224: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

224

Verification of fire resistance (3D)

R = structural resistance

T = temperature

t = time

T=T(t)

R=R(t,T)=R(t,T(t))=R(t)

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Page 225: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Verification of fire resistance (R-safe)

R = structural resistance

T = temperature

t = time

Rfi,d,t

Efi,requ,t

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Page 226: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Verification of fire resistance (R-fail)

R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !ww

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Page 227: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Verification of fire resistance (t)

R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t Rfi,d,t

Failure !

tfi,d ≥ tfi,requ

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Page 228: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Verification of fire resistance (T)

R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !

Td ≤ Tcr

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Page 229: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Verification of fire resistance (T)

R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !

Td ≤ Tcr

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Page 230: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Comportamenti termo-meccanici

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Page 231: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

231

Trasformazione del calcestruzzo alle alte temperature

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Page 232: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

232

Parametri per la relazione tensioni-deformazioni

per il calcestruzzo ad elevate temperature.

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Page 233: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

233

Calcestruzzo ad aggregato siliceo in condizioni di compressione uniassiale ad elevate temperature

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Page 234: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Variazione del coefficiente di riduzione della resistenza a compressione del calcestruzzo ad

aggregato siliceo con la temperatura

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Page 235: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Relazioni tensioni-deformazioni per acciai da calcestruzzo armato ordinario

laminati a caldo ad elevate temperature

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Page 236: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Parametri per la relazione tensioni-deformazioni per acciai da calcestruzzo armato ordinario

laminati a caldo, a temperature elevate

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Page 237: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Spalling

Spalling is an umbrella term, covering different damage phenomena that may occur to a concrete structure during fire. These phenomena are caused by different mechanisms:

•Pore pressure rises due to evaporating water when the temperature rises;

•Compression of the heated surface due to a thermal gradient in the cross section;

•Internal cracking due to difference in thermal expansion between aggregate and cement paste;

•Cracking due to difference in thermal expansion/deformation between concrete and reinforcement bars;

•Strength loss due to chemical transitions during heating.

www.francobontempi.org

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Page 238: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

238

• Explosive spalling occurs during the first 20-30 minutes of the standard cellulosic and hydrocarbon fire curves.

• After the 2nd minute of a typical hydrocarbon exposure, spalling can occur in high strength concretes with polypropylene fibres and in concretes with high moisture content independent of the type of standard curve. Also, concretes with high moisture content can suffer spalling after the 3rd minute of exposure.

• External temperature increments between 20-30ºC/min are typical in the occurrence of explosive spalling.

• Temperature increments of more than 3ºC/min are enough for the occurrence of explosive spalling.

• Concrete external layers can be released from concrete members when these reach temperatures between 250 - 420ºC; 375 - 425ºC.

Spalling criteria (literature review)

www.francobontempi.org

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Page 239: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Page 241: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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CONCLUSIONIConceptual design

Resilience

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Page 242: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Page 243: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Conceptual Designw

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Page 244: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Conceptual Design

MULTI-HAZARD

BLACK-SWAN

DISASTER CHAIN

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Page 245: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Flow chart

Tabella dotazioni Frejùs

Forensic Engineeringw

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Page 246: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Resiliencew

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Page 247: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

247

Resilience

• Resilience is defined as

“the positive ability of a system or company to adapt itself to the consequences of a catastrophic failure caused by power outage, a fire, a bomb or similar event”

or as

"the ability of a system to cope with change".

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Page 248: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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RESILIENCE

www.francobontempi.org

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Page 249: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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Page 250: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

250

ACKNOWLEDGEMENTS

• Dr. Konstantinos GKOUMAS – Uniroma1

• Dr. Francesco PETRINI – Uniroma1

• Ing. Alessandra LO CANE – MIT

• Dr. Filippo GENTILI – Coimbra (PT)

• Mr. Tiziano BARONCELLI – Uniroma1

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Page 251: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

251251

251

Stro N

GERwww.stronger2012.com

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Page 252: Convegno sulla Resistenza al Fuoco, Cosenza 6 Febbraio 2014, Bontempi

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StroNGER S.r.l. Research Spin-off for Structures of the Next Generation:

Energy Harvesting and Resilience

Roma – Milano – Terni – Atene - Nice Cote Azur

Sede operativa: Via Giacomo Peroni 442-444, Tecnopolo Tiburtino, 00131 Roma (ITALY) - [email protected]

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