PSA - Natura accidentale dell'Azione Incendio e Procedimenti di Verifica - Bontempi

PSA:CARATTERISTICHE EVENTI

ACCIDENTALI

Prof. Ing. Franco BontempiIng. Chiara Crosti

Facolta’ di Ingegneria Civile e IndustrialeUniversita’ degli Studi di Roma “La Sapienza”

3/31/2011 1PROGETTAZIONE STRUTTURALE

ANTINCENDIO

www.francobontempi.org

2


3/31/2011PROGETTAZIONE STRUTTURALE

ANTINCENDIO

3



ANTINCENDIO


ANTINCENDIO4


5



ANTINCENDIO

6



ANTINCENDIO

1. During takeoff from runway 26 right at Roissy Charles de Gaulle Airport, shortly before rotation, the front right tyre (tyre No 2) of the left landing gear ran over a strip of metal, which had fallen from another aircraft, and was damaged.

2. Debris was thrown against the wing structure leading to a rupture of tank 5.

3. A major fire, fuelled by the leak, broke out almost immediately under the left wing.

4. Problems appeared shortly afterwards on engine 2 and for a brief period on engine 1.

5. The aircraft took off. The crew shut down engine 2, then only operating at near idle power, following an engine fire alarm.

6. They noticed that the landing gear would not retract.

7. The aircraft flew for around a minute at a speed of 200 kt and at a radio altitude of 200 feet, but was unable to gain height or speed. Engine 1 then lost thrust, the aircraftªs angle of attack and bank increased sharply. The thrust on engines 3 and 4 fell suddenly.

8. The aircraft crashed onto a hotel. 7



ANTINCENDIO


ANTINCENDIO8


1

0

23

9



ANTINCENDIO


ANTINCENDIO10


System Complexity (Perrow)


ANTINCENDIO11


Swiss Cheese Model (Reason)


ANTINCENDIO12


HAZARD

IN-D

EPTH

DEFE

NCE

HOLES DUE TOACTIVE ERRORS

HOLES DUE TOHIDDEN ERRORS

FAILURE PATH www.francobontempi.org


ANTINCENDIO

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

RESPONSE

SA

FE

TY

& P

ER

FO

RM

AN

CE



ANTINCENDIO

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



ANTINCENDIO

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



ANTINCENDIO

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


No

Yes

threats

MAINTENANCE

& USE

No

Yes

threats

No

alivestructural

characteristics

Yes



ANTINCENDIO

STRUCTURAL

CONCEPTION

STRUCTURAL

TOPOLOGY&

GEOMETRY

STRUCTURAL

MATERIAL& PARTS

FIRE DETECTION& SUPPRESSION


MAINTENANCE

& USE

CRISIS



ANTINCENDIO

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) 2004.19



ANTINCENDIO

ATTRIBUTES

RELIABILITY

AVAILABILITY

SAFETY

MAINTAINABILITY

INTEGRITY

SECURITY

FAILURE

ERROR

FAULT








THREATS

STRUCTURAL ROBUSTNESS (1)

20



ANTINCENDIO


• 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).

21



ANTINCENDIO

Levels of Structural Crisis

Usu

al

UL

S &

SL

SV

eri

fic

ati

on

Fo

rma

t

Structural RobustnessAssessment

1st level:Material

Point

2nd level:ElementSection

3rd level:StructuralElement

4th level:StructuralSystem

22



ANTINCENDIO

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 processNOT CONFINED

SWAY

23



ANTINCENDIO

Design Strategy #1: CONTINUITY

24



ANTINCENDIO

Design Strategy #2:COMPARTIMENTALIZATION

25



ANTINCENDIO

26

Edificio altowww.francobontempi.

org


ANTINCENDIO

Analisi di un componente tipico

D0



ANTINCENDIO

Scenari (1-2)

D1 D2



ANTINCENDIO

Scenari (3-4)

D3 D4



ANTINCENDIO

Modalità di collasso (1-2)

D1 D2



ANTINCENDIO

Modalità di collasso (3-4)

D3 D4



ANTINCENDIO

Sintesi dei risultati: elemento critico

0

4

Lo scenario D4è quello più cattivo:

l’elemento strutturalecritico individuato è lacolonna più esterna!



ANTINCENDIO

3/31/2011

Modellazione edificio alto www.francobontempi.org

33PROGETTAZIONE STRUTTURALE

ANTINCENDIO



ANTINCENDIO

Scenario 1

(1 asta eliminata)

Scenario 2

(3 aste eliminate)

Scenario 3

(5 aste eliminate)

Scenario 4

(7 aste eliminate)

Scenari di danneggiamentowww.francobontempi.org


ANTINCENDIO

ATTRIBUTES

RELIABILITY

AVAILABILITY

SAFETY

MAINTAINABILITY

INTEGRITY

SECURITY

FAILURE

ERROR

FAULT








THREATS


36



ANTINCENDIO

Collasso secondo scenario 1www.francobontempi.org


ANTINCENDIO



ANTINCENDIO

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

Si hanno valutazioni quantitive del comportamento strutturale in presenza di danno!

Δ u

u



ANTINCENDIO

Decreti Ministeriali

• Ministero delle Infrastrutture:

– DM 14/1/08 - NORME TECNICHE PER LE COSTRUZIONI (G.U. n. 29 del 4 febbraio 2008 - Suppl. Ordinario n. 30).


ANTINCENDIO

• Ministero degli Interni / Ministero Industria, Commercio e Artigianato:

– DM 16/2/82 – MODIFICAZIONI DEL D. M. 27 settembre 1965, CONCERNENTE LA DETERMINAZIONE DELLE ATTIVITA’ SOGGETTE ALLE VISITE DI PREVENZIONE INCENDI - (G.U. n. 98 del 9 aprile 1982).


Decreti Ministeriali

• Ministero degli Interni:

– DM 9/3/2007 - PRESTAZIONI DI RESISTENZA AL FUOCO DELLE COSTRUZIONI NELLE ATTIVITA’ SOGGETTE AL CONTROLLO DEL CORPO NAZIONALE DEI VIGILI DEL FUOCO (S.O.G.U. del 29/3/2007 n.87).

– DM 16/2/2007 - CLASSIFICAZIONE DI RESISTENZA AL FUOCO DI PRODOTTI ED ELEMENTI COSTRUTTIVI DI OPERE DA COSTRUZIONE - (S.O.G.U. del 29/3/2007 n. 87).

– DM 9/5/07 – DIRETTIVE PER L’ATTUAZIONE DELL’APPROCCIO INGEGNERISTICO ALLA SICUREZZA ANTINCENDIO - (G.U. n. 117 del 22 maggio 2007).


ANTINCENDIO


DUE DILIGENCE

• Due diligence (also known as due care) is the effortmade by an ordinarily prudent or reasonable party toavoid harm to another party. Failure to make thiseffort is considered negligence.

• It is necessary to discover all risks and implicationsregarding a decision to be made

• Due diligence is also a dynamic concept in that it is aconstantly evolving standard of care that isdetermined by the requirements of law, industrystandards as well as professional and other codes ofpractice.



ANTINCENDIO

NORME TECNICHE PER LE COSTRUZIONI

Decreto Ministeriale 14/01/2008

(Gazzetta Ufficiale n. 29 del 4 febbraio 2008 - Suppl. Ordinario n. 30)


ANTINCENDIO


D.M. 14 gennaio 2008 (1)


ANTINCENDIO


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

RESPONSE

SA

FE

TY

& P

ER

FO

RM

AN

CE



ANTINCENDIO

D.M. 14 gennaio 2008 (2)


ANTINCENDIO


Indice 3.6.1. - INCENDIO

• 3.6.1.1 - Definizioni

• 3.6.1.2 - Richieste di prestazione

• 3.6.1.3 - Classi di resistenza al fuoco

• 3.6.1.4 - Criteri di progettazione

• 3.6.1.5 - Procedura di analisi della resistenza al fuoco

Incendio di progetto

Analisi dell’evoluzione della temperatura

Analisi del comportamento meccanico

Verifiche di sicurezza


ANTINCENDIO49

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

3.6.1.1. Definizioni (1)


ANTINCENDIO


I – INCIPIENT PHASE

Heating of potential fuel is taking place through combustion processes.II – GROWING PHASE

as other combustibles get involved in the fire, a hotter upper layer of smokes and combustion products is formed , which becomes thicker as the fire grows.

III – BURNING PHASE

the rate of heat release reaches the max. and the burning rate remains steady: usually most critical stage for fire spread and structural damages.

IV – DECAY PHASE

Ignition Propagation Flashover ExtinctionPeak

the burning rate decreases as all combustible materials is consumed. Temperatures of gases decrease, until fire extinguishes.



ANTINCENDIO

Initial phase: fire affected by combustible type

Final phase: cooling due to combustible exhaustion

Central phase: fire controlled by ventilation

Realistic temperature – time function


ANTINCENDIO


Curve d’incendio nominali

53

0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100 120

θ [

C]

t [min]

Curva incendio standard

Curva incendio idrocarburi

Curva incendio esterno


ANTINCENDIO


3.6.1.5.1. Incendio di progetto


ANTINCENDIO


NUMERICALMODELING



ANTINCENDIO



ANTINCENDIO


Decreto del Ministro dell’Interno 9/3/2007



ANTINCENDIO


3.6.1.2. Richieste di prestazioni


ANTINCENDIO


Decreto del Ministro dell’Interno 9/3/2007


ANTINCENDIO59



ANTINCENDIO60


PRESCRITTIVO / PRESTAZIONALEAPPROCCIO

PRESCRITTIVO

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





OBIETTIVI PRESTAZIONALI E

LIVELLI DI SICUREZZA ESPLICITATI

APPROCCIOPRESTAZIONALE

NUMERICALMODELING



ANTINCENDIO

Fire

ph

ase

s

62

Fire Safety Design Approaches

b. against failure c. against collapsea. against casualties

verifications for all duration of a compartment fire

(parametric fire – hand calculations)

BUILDING RESPONSE

verifications ofconventional collapse

under different fire scenarios

(PB! Often natural fire – FEM)

Safety of people Integrity of the structure

verifications for alimited time of standard fire

(nominal fire - hand calculations)

WELL-ESTABLISHED PROCEDURE ADVANCED DESIGN

design

complexity

knowledge

RESISTANCE CLASS FULLY DEVELOPED FIRE


ANTINCENDIO


Fire

ph

ase

s

a. against casualties

63

Fire Safety Design Approaches

b. against failure c. against collapse

verifications for all duration of a compartment fire

(parametric fire – hand calculations)

BUILDING RESPONSE

verifications ofconventional collapse

under different fire scenarios

(PB! Often natural fire – FEM)

Safety of people Integrity of the structure

verifications for alimited time of standard fire

(nominal fire - hand calculations)

WELL-ESTABLISHED PROCEDURE ADVANCED DESIGN

design

complexity

knowledge

RESISTANCE CLASS FULLY DEVELOPED FIRE


ANTINCENDIO


[email protected] 03/03/20103/31/2011 64PROGETTAZIONE STRUTTURALE

ANTINCENDIO


03/03/20103/31/2011 65PROGETTAZIONE STRUTTURALE

ANTINCENDIO



ANTINCENDIO


PROCESSO DI PROGETTAZIONEPRESTAZIONALE

Situazione Auspicabile

OBIETTIVI PRESTAZIONALI

Ben definiti

PRESTAZIONI STRUTTURALI

Ben definiti

METODI DI CALCOLO: Vari, da scegliere

Difetti :

• Maggiore responsabilità per il progettista

Approccio prestazionale

Pregi :

• Scelta del Livello prestazionale voluto

• Ampliare il campo delle tecnologie costruttive ed includere nuove aree di ricerca

• Scelta tra soluzioni alternative e di ottimizzazione dei costi

• Garanzia della prestazione “diretta”

Bontempi and Fantastico 2003 03/03/20103/31/2011 68PROGETTAZIONE STRUTTURALE

ANTINCENDIO


PROCESSO DI PROGETTAZIONEPRESTAZIONALE

Situazione Auspicabile

OBIETTIVI PRESTAZIONALI

Ben definiti

PRESTAZIONI STRUTTURALI

Ben definiti

METODI DI CALCOLO: Vari, da scegliere

Approccio prestazionale

Bontempi and Fantastico 2003 03/03/20103/31/2011 69PROGETTAZIONE STRUTTURALE

ANTINCENDIO


70

Processo di analisi e processo di sintesi (1)

DATI

CALCOLO

RISULTATI

START

END

START

END

MODIFICAK=K+1

K=0

DATIK

CALCOLO

RISULTATIK

TESTSI’ NO

Pre-processing

Post-processing


ANTINCENDIO


71

Processo di analisi e processo di sintesi (2)

START

END

MODIFICAK=K+1

K=0

DATIK

CALCOLO

RISULTATIK

TESTSI’ NO

AN

AL

ISI

SIN

TE

SI


ANTINCENDIO



ANTINCENDIO72

START

END

DEFINIZIONE E DISANIMADEGLI OBIETTIVI

INDIVIDUAZIONE DELLE SOLUZIONI ATTE A

RAGGIUNGERE GLI OBIETTIVI

ATTIVITA' DI

MODELLAZIONE E MISURA

GIUDIZIO DELLEPRESTAZIONI

RISULTANTI

No

Yes


73

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

B


ANTINCENDIO



ANTINCENDIO


3.6.1.3. Classi di resistenza al fuoco


ANTINCENDIO


3.6.1.4. Criteri di progettazione


ANTINCENDIO


ANALISI DI SINGOLE MEMBRATURE

• Ripristino di idonee condizioni al contorno.

• Riduzione opportuna delle sollecitazioni ordinarie a freddo (Ed) mediante uncoefficiente riduttivo ηfi,d

• Azioni indirette sull’elemento (quelle derivanti da deformazioni termiche impedite)solo derivanti da gradienti termici lungo le sezioni strutturali trascurando le distorsionitermiche assiali o quelle piane.

L’analisi di singole membrature deve risultare comunque conservativa

3 rotazioni

3 traslazioni

(K determinato a t = 0)

Ponticelli L., Caciolai M., Resistenza al fuoco delle costruzioni, UTET, 2008


ANTINCENDIO


ANALISI DI PARTI DI STRUTTURE

(K determinato a t = 0

indipendente dal tempo)

3 rotazioni

3 traslazioni

• Ripristino di idonee condizioni al contorno.

• Riduzione opportuna delle sollecitazioni ordinarie a freddo (Ed) mediante uncoefficiente riduttivo ηfi,d

• All’interno della sottostruttura devono essere tenute in conto tutte le azioniindirette, il decadimento delle proprietà meccaniche dei materiali, le effettive rigidezzee il possibile meccanismo di collasso.

Non sono utilizzabili metodi tabellari. Metodi semplificati sono applicabili solo per incendi nominali. Nel caso di incendi reali, invece, sono consentiti solo i metodi avanzati.



ANTINCENDIO


• Questo tipo di analisi strutturale è il più completo.

• Può essere effettuato sia con regole prescrittive che con un approccio prestazionale.

• Sono utilizzabili solo metodi di calcolo avanzati, che considerano le proprietà dei materiali e la loro variazione con la temperatura, le distorsioni termiche, il verificarsi di meccanismi di collasso parziali, la rigidezza delle membrature.

• Senza dubbio per la loro applicabilità necessitano di grandi potenze di calcolo e di una notevole specializzazione del progettista.

ANALISI DELLA STRUTTURA INTERA



ANTINCENDIO


3.6.1.5. Procedura di analisi di resistenza al fuoco


ANTINCENDIO


3.6.1.5.2. Analisi dell’evoluzionedella temperatura


ANTINCENDIO


3.6.1.5.3. Analisi del comportamento meccanico


ANTINCENDIO


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);


ANTINCENDIO


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)


ANTINCENDIO


Verification of fire resistance (R-safe)R = structural resistance

T = temperature

t = time

Rfi,d,t

Efi,requ,t


ANTINCENDIO


Verification of fire resistance (R-fail)R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !


ANTINCENDIO


Verification of fire resistance (t)R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t Rfi,d,t

Failure !

tfi,d ≥ tfi,requ


ANTINCENDIO


Verification of fire resistance (T)R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !

Td ≤ Tcr


ANTINCENDIO


Esempio elementare


ANTINCENDIO


#4


ANTINCENDIO


#1

913/31/2011 91

PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO



ANTINCENDIO



ANTINCENDIO94



ANTINCENDIO95



ANTINCENDIO96



ANTINCENDIO97

htt

p:/

/his

tory

.nasa

.gov/

rogers

rep/g

enin

dex.

htm

www.francobontempi.

org


ANTINCENDIO98



ANTINCENDIO99



ANTINCENDIO100

htt

p:/

/ca

ib.n

asa

.gov/

board

_m

em

bers

/defa

ult.

htm

lwww.francobontempi.

org

101101

102

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

Energy Harvesting and Resilience

Rome – Athens – Milan – Nice Cote Azur

Sede operativa: Via Giacomo Peroni 442-444, Tecnopolo Tiburtino,

00131 Roma (ITALY) – [email protected]

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