resistenza al fuoco delle strutture c/o ordine degli ingegneri della provincia di pordenone

RESISTENZA AL FUOCO

DELLE STRUTTURE

Franco Bontempi

Ordinario di Tecnica delle Costruzioni

Facolta’ di Ingegneria Civile e Industriale

Universita’ degli Studi di Roma La Sapienza

Via Eudossiana 18 – 00184 Roma

franco.bontempi@uniroma1.it1

INDICE

1. Natura e caratteristiche dell’incendio

• Definizione

• Carattere estensivo

• Carattere intensivo

• Carattere accidentale

2. Sicurezza in caso di incendio• Prevenzione / Protezione

• Rischio

• Progettazione prestazionale / prescrittiva

3. Resistenza meccanica in caso di incendio

INCENDIO

Natura del fenomeno

Definizione (1)

• L’incendio è una combustione che si sviluppa in

modo incontrollato nel tempo e nello spazio.

• La combustione è una reazione chimica tra un

corpo combustibile e un corpo comburente.

• I combustibili sono numerosi: legno, carbone,

carta, petrolio, gas combustibile, ecc.

• Il comburente che interviene in un incendio è

l’aria o, più precisamente, l’ossigeno presente

nell’aria (21% in volume).

Condizioni (1)

• Per avvenire un incendio è necessario che siano presenti tre elementi fondamentali (triangolo del fuoco):

1. il combustibile: i materiali infiammabili sono classificati in base alla loro reazione al fuoco in classi (0 = incombustibile);

2. il comburente: ruolo svolto usualmente dall'ossigeno;

3. la temperatura (o calore, questa la terza C): è necessaria la presenza di un'adeguata temperatura affinché avvenga l'innesco.

• Combustibile e comburente devono essere presenti in proporzioni adeguate definite dal campo di infiammabilità.

• Se non sono presenti uno o più dei tre elementi della combustione, questa non può avvenire e - se l'incendio è già in atto - si determina l'estinzione del fuoco.

Condizioni (2)

innesco

(hazard)

materiali

(vulnerability)11

Sviluppo di un evento negativo

innesco

(hazard)

materiali

(vulnerability)

Vulnerabilita’

• Il termine vulnerabile deriva dalla parola latina vulnus che significa: ferita o lesione che essa può essere fisica, psicologica e per estensione anche di un diritto.

• Vulnerabile è tutto ciò che è esposto alla possibilità di essere ferito, violato, leso, colpito, percosso, offeso, tagliato, danneggiato.

• In questo modo vulnus sembra rinviare tanto all’azione del ferire (la causa, il colpo inferto da chi ha il potere e la possibilità di offendere), quanto allo stato del soggetto che subisce (l’effetto, la violazione del corpo, dell’anima, degli affetti, ecc.).

• Un primo punto fermo derivante dall’etimologia della parola è legato all’aspetto di possibilità e non di stato: vulnerabile è chi potrebbe, potenzialmente, essere ferito. 13

Reazione al fuoco (1)

http://www.vigilfuoco.it/aspx/page.aspx?IdPage=425314

• Dal D.M. Interno del 26/06/84, Classificazione di reazione al fuoco ed omologazione dei materiali ai fini della prevenzione incendi, la reazione al fuoco e’:

• Il grado di partecipazione di un materiale combustibile al fuoco al quale e’ sottoposto;

• in relazione a cio’, i materiali sono assegnati alle classi 0, 1, 2, 3, … con l’aumentare della loro partecipazione alla combustione;

• quelli di classe 0 sono non combustibili.

Strategie

di progetto / adeguamento• Le fasi iniziali della progettazione sono

quelle determinanti per conseguire ua

sensibile riduzione dei costi di

realizzazione dell’opera:

a) adozione di materiali da costruzione

incombustibili;

b) rimozione di materiali da costruzione

combustibili.

• Le correzioni sono costose…18

INCENDIO

• Incendio = combustione autoalimentata ed

incontrollata di materiali combustibili.

• Carattere estensivo (diffusione nello spazio):

1. wildfire

2. urbanfire

3. all’esterno di un edificio

4. all’interno di un interno

• Carattere intensivo (andamento nel tempo).

• Natura accidentale.1919

CARATTERE ESTENSIVO

Diffusione nello spazio

1. WILDFIRE

222222

233/22/2011 2323

2. URBANFIRE

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

262626

3. ALL’ESTERNO

DI UN EDIFICIO

283/22/2011 28PROGETTAZIONE STRUTTURALE

ANTINCENDIO

4. ALL’INTERNO

DI UN EDIFICIO

323232

333333

343434

Interazioni

CARATTERE INTENSIVO

Andamento temporale

ISO 13387: Design Fire

Potenza Termica nel tempo

Temperatura nel tempo

(curva naturale d’incendio)

FLASHOVER

passiva

Create fire compartments

Prevent damage in the elements

Prevent loss of functionality in the building

attiva

Detection measures(smoke, heat, flame detectors)

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

Smoke and heat evacuation system

prevenzione protezione robustezza

Limit ignitionsources

Limit hazardous human behavior

Emergency procedure and evacuation

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

Strategie

activeprotection

passiveprotection

no failures

doesn’t trigger

N spreads

extinguishes

damages

robustness

no collapse

collapse

triggers

prevention

1 42 3

Strategia antincendio: combinazione di misure di prevenzione,

protezione e gestionali per la riduzione del rischio di incendio.

http://www.vigilfuoco.it/aspx/page.aspx?IdPage=4075 42

Prevenzione Incendi

Funzione preminente di interesse pubblico diretta a conseguire, secondo criteri uniformi sul territorio italiano,

gli obiettivi di sicurezza della vita umana, di incolumita’ delle persone e di tutela dei beni e dell'ambiente

attraverso la promozione, lo studio la predisposizione e la sperimentazione di norme, misure, provvedimenti, accorgimenti e modi di azione

intesi ad evitare l'insorgenza di un incendio degli eventi ad esso comunque connessi o a limitarne le conseguenze. 44

CARATTERE ACCIDENTALE

Evento

Situazioni HPLC

High Probability Low Consequences4646

LPHC events

47Low Probability High Consequences 47

HPLCHigh Probability

Consequences

LPHCLow Probability

Consequences

release of energy SMALL LARGE

numbers of breakdown SMALL LARGE

people involved FEW MANY

nonlinearity WEAK STRONG

interactions WEAK STRONG

uncertainty WEAK STRONG

decomposability HIGH LOW

course predictability HIGH LOW

HPLC – LPHC EVENTS

Approcci di analisi

HPLCEventi Frequenti con

Conseguenze Limitate

LPHCEventi Rari con

Conseguenze Elevate

Complessità:Aspetti non lineari e

Meccanismi di interazioni

Impostazionedel problema:

Deterministico

Stocastico

ANALISIQUALITATIVA

DETERMINISTICA

ANALISIQUANTITATIVA

PROBABILISTICA

ANALISIPRAGMATICACON SCENARI

Scenari

(D.M. 14 settembre 2005)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 insiem i organizzati e coerenti nello spazio e nel tempo di azioni) che

rappresentino le combinazioni delle azioni realisticamente possibili e

verosimilmente più restrittive.52

Scenario d’incendio

ISO 13387: Event Tree

Controlling Fire Spread

• The larger a fire, the greater its destructive

potential.

• The control of fire movement, or fire

spread, is discussed in four categories:

1. within the room of origin;

2. to other rooms on the same level;

3. to other storey of the same building;

4. to other buildings.

ISO 13387: Fire Spread Routes

scenario

analysis

SICUREZZA

Rischio

PREVENZIONE / PROTEZIONE

Strategie

Struttura del documento

Andamento temperatura nel tempo

(curva naturale d’incendio)

Reazione al Fuoco

Applicazione di prodotti/materiali

Protezione Attiva

FLASHOVER

passiva

Create fire compartments

Prevent damage in the elements

Prevent loss of functionality in the building

attiva

Detection measures(smoke, heat, flame detectors)

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

Smoke and heat evacuation system

prevenzione protezione robustezza

Limit ignitionsources

Limit hazardous human behavior

Emergency procedure and evacuation

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

Strategie

Ingegneria della Sicurezza

Antincendio (Fire Safety Engineering)

Impostazione generale (1)

Impostazione generale (2)

Campo di applicazione

Obiettivi della Prevenzione Incendi

Design Process - ISO 13387

A. Design constraints and possibilities

(blue),

B. Action definition and development

(red),

C. Passive system and active response

(yellow),

D. Safety and performance

(purple).

DESIGN

ACTION

RESPONSE

Strategia antincendio per la

mitigazione del rischio (0)

Strategia antincendio per la

mitigazione del rischio (1)

Selezione dei livelli di prestazione

delle strategie antincendio

RISCHIO

Natura aleatoria

Valutazione del profilo

di rischio per l'attivita’

Rischio, Rischio, Rischio

• Rischio è la potenzialità che un'azione o un'attivitàscelta (includendo la scelta di non agire) porti a una perdita o ad un evento indesiderabile.

• Profilo di rischio e’ un indicatore speditivo della tipologia di rischio di incendio associata all'esercizio ordinario di una qualsiasi attivita’.

• Area a rischio specifico e’ una porzione dell'attivita’ caratterizzate da rischio di incendio sostanzialmente differente rispetto a quello tipico dell'attivita. L'individuazione delle aree a rischio specifico:a. riportata nella regole tecniche verticali;

b. in assenza, e’ effettuata dal progettista secondo i criteri dell'allegato 15.

RISK CONCERN

effect

effetto

Treatment

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. 8585

Quantitative Risk Analysis

Risk-based

Decision

Making

Obiettivi / Ipotesi

della Progettazione Antincendio

Sviluppo di un evento negativo

STRUCTURAL

SYSTEM

CHARACTERISTICS

STRUCTURAL

SYSTEM

WEAKNESS

STRUCTURAL

CONCEPTION

STRUCTURAL

TOPOLOGY

GEOMETRY

threats

STRUCTURAL

MATERIAL

& PARTS

Yespassive

structural

characteristics

threats

FIRE DETECTION

& SUPPRESSION

active

structural

characteristics

threats

ORGANIZATION &

FIREFIGHTERS

threats

MAINTENANCE

threats

structural

characteristics

PERFORMANCE BASED

DESIGN

Prestazionale / Prescrittivo

Come raggiungere gli obiettivi

Prescrittivo (1)

APPROCCIO

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

INSIEME DI

STRUMENTI

LOGICI E

MATERIALI #1

INSIEME DI

STRUMENTI

LOGICI E

MATERIALI #2

OBIETTIVI

PRESTAZIONALI E

LIVELLI DI

SICUREZZA

ESPLICITATI

APPROCCIO

PRESTAZIONALE

NUMERICAL

MODELING

Prescrittivo (2)

Prestazionale (1)

APPROCCIO

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

INSIEME DI

STRUMENTI

LOGICI E

MATERIALI #1

INSIEME DI

STRUMENTI

LOGICI E

MATERIALI #2

OBIETTIVI

PRESTAZIONALI E

LIVELLI DI

SICUREZZA

ESPLICITATI

APPROCCIO

PRESTAZIONALE

NUMERICAL

MODELING

Prestazionale (2)

101101

RESISTENZA

Risposta meccanica

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);

105105

Variation of fire resistance (3D)

R = structural resistance

T = temperature

t = time

T=T(t)

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

106106

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

T = temperature

t = time

Rfi,d,t

Efi,requ,t

107107

Verification of fire resistance (R-fail)

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !

108108

Verification of fire resistance (t)

T = temperature

t = time

Efi,requ,t Rfi,d,t

Failure !

tfi,d ≥ tfi,requ

109109

Verification of fire resistance (T)

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !

Td ≤ Tcr

110110

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !

Td ≤ Tcr

113113

1143/31/2011 114

PROGETTAZIONE STRUTTURALE

ANTINCENDIO

115115

116116

STRUCTURAL ROBUSTNESS (1)

ATTRIBUTES

RELIABILITY

AVAILABILITY

SAFETY

MAINTAINABILITY

INTEGRITY

SECURITY

FAILURE

permanent interruption of a system ability

to perform a required function

under specified operating conditions

the system is in an incorrect state:

it may or may not cause failure

it is a defect and represents a

potential cause of error, active or dormant

THREATS

STRUCTURAL ROBUSTNESS (2)

• Capacity of a construction to show regular

decrease of its structural quality due to

negative causes.

• It implies:

a) some smoothness of the decrease of

structural performance due to

negative events (intensive feature);

b) some limited spatial spread of the

rupture (extensive feature).

118118

Levels of Structural Crisis

Structural Robustness

Assessment

1st level:

Material

2nd level:

Element

Section

3rd level:

Structural

Element

4th level:

Structural

System 119

Scenari (1-2)

Scenari (3-4)

Modalità di collasso (1-2)

D1 D2 123123

Modalità di collasso (3-4)

D3 D4 124124

Lo scenario D4

è quello più cattivo:

l’elemento strutturale

critico individuato è la

colonna più esterna!

Sintesi dei risultati: elemento critico

Bad vs Good Collapse

STRUCTURE

& LOADSCollapse

Mechanism

NO SWAY

“IMPLOSION”OF THE

STRUCTURE

“EXPLOSION”OF THE

STRUCTURE

is a process in which

objects are destroyed by

collapsing on themselves

is a process

NOT CONFINED

Design Strategy #1: CONTINUITY

Design Strategy #2: SEGMENTATION

1283/31/2011PROGETTAZIONE STRUTTURALE

ANTINCENDIO

28/4/2011PROGETTAZIONE STRUTTURALE

ANTINCENDIO129

Definizioni: compartimentazione

• CAPACITÀ DI COMPARTIMENTAZIONE IN CASO

D’INCENDIO: attitudine di un elemento costruttivo a

conservare, sotto l’azione del fuoco, oltre alla propria stabilità,

un sufficiente isolamento termico ed una sufficiente tenuta ai

fumi e ai gas caldi della combustione, nonché tutte le altre

prestazioni se richieste.

• COMPARTIMENTO ANTINCENDIO: parte della costruzione

organizzata per rispondere alle esigenze della sicurezza in

caso di incendio e delimitata da elementi costruttivi idonei a

garantire, sotto l’azione del fuoco e per un dato intervallo di

tempo, la capacità di compartimentazione.

130130

Bibliografia & Informazioni

Coordinate

140140

Stro N

GERwww.stronger2012.com

2nd DAY

Franco Bontempi

Ordinario di Tecnica delle Costruzioni

Facolta’ di Ingegneria Civile e Industriale

Universita’ degli Studi di Roma La Sapienza

Via Eudossiana 18 – 00184 Roma

franco.bontempi@uniroma1.it141

INDICE

1. Natura e caratteristiche dell’incendio

• Definizione

• Carattere estensivo

• Carattere intensivo

• Carattere accidentale

2. Sicurezza in caso di incendio• Prevenzione / Protezione

• Rischio

3. Resistenza meccanica in caso di incendio

INDICE

5. Analisi in caso di incendio

• Scomposizione

• Sensitivita’

• Delimitazione

• Ridondanza

6. Windsor Hotel case history• Prevenzione / Protezione

• Rischio

7. Considerazioni specifiche

summing up

DESIGN

ACTION

RESPONSE

145145

STRUCTURAL

SYSTEM

CHARACTERISTICS

STRUCTURAL

SYSTEM

WEAKNESS

146146

147147

148148

Selezione dei livelli di prestazione delle

strategie antincendio

NUMERICAL

MODELING

ANALISI IN CASO DI

INCENDIO

Modellazione

154154

STRATEGY #0: BREAKDOWN

SISTEMA

STRUTTURALE

PRINCIPALE

ZONE SPECIALI DI

IMPALCATO

SISTEMA DI

RITEGNO/SOSTEGNO

SISTEMA

STRUTTURALE

SECONDARIO

SISTEMA DI

SOSPENSIONE

IMPALCATO

CORRENTE

FONDAZIONI DELLE TORRI

ANCORAGGI

CAVI PRINCIPALI

PENDINI

CASSONI STRADALI

CASSONE FERROVIARIO

TRAVERSO

INTERNE

TERMINALI

SISTEMA STRUTTURALE

AUSILIARIO

STRADALE

FERROVIARIO

FUNZIONAMENTO

MANUTENZIONE

EMERGENZA

MACROLIVELLO

MESOLIVELLO

The function: y(x1,x2)

STRATEGY #1: SENSITIVITY

governance of priorities

The sensibility of the function

STRATEGY #2: BOUNDING

behavior governance

The bounding of the function

ControlloreProblema Risultato

Solutore #1

Solutore #2

Voting System

STRATEGY #3: REDUNDANCY

approccio costruttivo e storico

consapevolezza del problema

modelli / tempo

HOTEL WINDSOR

Case History

THE STRUCTURE

Context

176176

Built during 70’s

Offices and commercial use

106 metres high

32 storeys above ground level

5 storeys underground

Outline of the structure

Updating works

Works carried out to update the building going furtherthan regulations in force:

• National regulations (1996)

• Regional regulations from Region of Madrid (2003).

They consists in:

• Construction of an exterior staircase

• Renovation of electrical wiring

• Protection of metallic structure with fire resisting material

• Sealing of concealed spaces

• Fire barriers in curtain-walls

• Renovation of smoke detectors

• Installation of new sprinkler system180

Main fire Protection

System

At time of Construction

(1970s Spanish Codes

At time of Fire

(Refurbishment in Process)

Fire compartmentation no Under construction

Fire stopping between

cladding & structureno Under construction

Fire protection to

steelworkno

17th floor & above: Not yet

commencement

(18th floor partly completed)

4th - 15th floor: Completed

(except 9 & 15th floors)

Fire protection to

concrete membersno no

Sprinkler system no Under construction

Fire alarm system yes yes

Dry riser system yes yes

Spanish Fire Regulations

FIRE INCIDENT

1st section:

floors 3 to 16

1st technical floorreception

5 basements

2nd technical floor

2nd section:

floors 17 to roof

empty floors

184184

185185

186186

187187

188188

189189

190190

SISTEMA STRUTTURALE SCENARIO D’INCENDIO

COMPARTIMENTOSTRUTTURALE

SUPERIORE

COMPARTIMENTOSTRUTURALE

INFERIORE

192192

Outline of the fire

12 February

23:05 smoke alarm on 21st floor

23:05-23:21 Security staff goes to check alarm

and attempts to tackle fire

23:21 Call to fire brigade

23:25 Firemen arrive

23:25-00:00 Quick spreading of flames

00:00 Firemen leave the building

Outline of the fire

13 February

01.00 four storeys were on fire194

Outline of the fire

02.00 flames almost all over the building

Outline of the fire

03.30 first collapse 04.00 fire revives

Outline of the fire

Metallic structure strongly damaged.

Collapse of upper floors supported by steel columns.

Unforeseenly fire spread downwards very quickly.

Outline of the fire

07.00 firemen in adjacent buildings

Outline of the fire

14.00 fire is still active

17.00 automatic hoses cooling the building and its surroundings are closed

The aftermath

Lower section

Bays adjacent to facades in bad conditions

Next bays parallel to north facade also badly damaged

Other areas: concrete columns diversely damaged

Central core slightly damaged

The aftermath

Upper section

Bays adjacent to facades almost compleatly collapsed

Next bays parallel to north facade also collapsed

STRUCTURAL BEHAVIOR

Comments

The fire in progress

01:00: some floors above

21st floor in fire

02:00: all floors above 21st

floor in fire

02:00: chunks of façade fall off

02:15: steel columns deform

like spaghetti

Source – TVE 1

05:30: fire spread below 16th

floor, crossing over the

upper technical floor

08:30: fire spread beneath

4th floor

13:30: fire under control

After the fire

Primary contributor: detection

• Long response time of detectors to give alarm

• Closed doors in the room where fire started

• Lack of effective fire fighting measures for first intervention(automatic sprinklers, training of security guards, …)

Secondary contributor:

Internal intervention

• Lack of water pressure for fire brigade intervention

The fire initiation

Primary Contributor

• Gap between curtain wall and floor slab never fire stopped

• Smoke & flame pass through breach of compartment:

no fire doors

no penetration seals

no shaft protection

• Burning droplets allowed to pass down. Fire started on floor 21, but spread as far down as floor 2 !!!

Secondary contributor

• Glazed façade had no fire rating

• Windows failed at early stag

The fire spread & path

Curtain wall Vertical parapets

Mechanism of fire barrier parapet between the floorsHeight in Windsor Tower: 1.5 m

Curtain wall Horizontal fire barrier

Chimney effect for fire spread upwards

Falling pieces for fire spread downwards

Perimeter steel

column

protection

Unprotected columns:Buckled steel

Protected columns:Remained in place

The performance of fire protection

Curtain wall

parapet

Properly fixed:Remained in place

Not properly fixed:disappeared

Technical shafts

Remained in place where installed

The progressive collapse

Collasso progressivo

Collasso progressivo (1)

WindsorOutline of the fire

CONSIDERAZIONI

SPECIFICHE

CONCEPTUAL DESIGN

ELEMENTI E COMPONENTI

STRUTTURALI

ORGANIZZAZIONE

Le relazioni stabili di funzione, funzionalità

e topologia che danno significato agli

elementi indipendentemente dalla loro specificità.

STRUTTURA

Elementi specifici che tramite le relazioni

strutturali formano una configurazione persistente nel

SISTEMA

Struttura durevole di elementi organizzati, che

viene osservata come unità che presenta

caratteristiche emergenti.

Load path

CAPANNONI:

disposizione del materiale

NUMERICAL

MODELING

Multi-physics modelling for the safety assessment

of complex structural systems under fire

Gentili Multi-physics modelling for the safety assessment

of complex structural systems under fire.

Gentili

Case Study I

Stack height 3.0 m

No. of pallets in a stack 20 ---

HRRmax of a stack 6.81 MW

No. stacks in the hall 18 ---

HRRmax, tot 176 MW

Floor area

Af 1200 m2

Enclosure area

At 3135 m2

Opening factor

O 0.055 m0.5

Thermal Inertia

b 1017 Ws0.5/(Km2)

Fuel load density (enclosure)

q 30 MJ/m2

Fuel load density (floor)

qf 79 MJ/m2

Total fuel load

Q 94500 MJ

Fire growing rate

a 0.156 kJ/s3

Gentili

Hydrodynamic

Combustion

Thermal

Radiation

Solid Phase

Fire Detection

Devices

FDS: Solver

• The partial derivatives of the conservation

equations of mass, momentum and energy are

approximated as finite differences.

• The solution is updated in time on a three-

dimensional, rectilinear grid.

• Thermal radiation is computed using a finite

volume technique on the same grid as the flow

solver.

• Lagrangian particles are used to simulate

smoke movement, sprinkler discharge, and

fuel sprays.

Notes:

http://code.google.com/p/fds-smv/

Gentili

Fire Model – Fuel locations18

Gentili

Fire Model – Ventilation conditions19

Gentili

0 5 10 15 20

ture [ C

time [min]

All opening closed

Breaking windows

Smoke extractors

Openings doors 0

0 5 10 15 20

time [min]

All opening closed

Breaking windows

Smoke extractors

Openings doors

0 5 10 15 20 25 30

time [min]

Scenario 1

Scenario 2

Scenario 3

Scenario 4

0 5 10 15 20

time [min]

Scenario 1

Scenario 2

Scenario 3

Scenario 4

Fire Model

Ventilation Conditions

Fuel Locationstime [min]

time [min] time [min]

time [min]

Gentili

Fire Model – Mesh optimization21

dx %D* D*/DxNumber

of cells

0.3 0.039 25.31 298080

0.4 0.052 18.98 126360

0.5 0.065 15.18 64512

0.6 0.075 12.65 388800

0 5 10 15 20

time [min]

0 5 10 15 20

time [min]

0 5 10 15 20

time [min]

60 cm50 cm40 cm30 cm

Gentili

Fire Model – Fuel involvement

05.030

HRRNFPA CRITERION

FDS CRITERION Temperature

Heat Release Rate

CT 275min

Gentili

Structural Response – Scenario 1

Point D

Point C

Collapse ISO 834 FDS

Local 18 min 9 min

Global 22 min 9 min

Gentili F. (in press), Advanced numerical analyses for the assessment of steel structures under fire, International Journal of

Lifecycle Performance Engineering, Special Issue on Fire Safety Design and Robustness Considerations in Structural

Engineering, Inderscience.

ment [m

time [min]

0 10 20 30 40

Point C - ISO

Point C - FDS

Point D - ISO

Point D - FDS

Global Collapse

Local Collapse

Gentili

Case Study II

Stack height 3.0 m

No. of pallets in a stack 20 ---

HRRmax of a stack 6.81 MW

No. stacks in the hall 16 ---

HRRmax, tot 157 MW

Floor area

Af 1200 m2

Enclosure area

At 3135 m2

Opening factor

O 0.055 m0.5

Thermal Inertia

b 1017 Ws0.5/(Km2)

Fuel load density (enclosure)

q 27 MJ/m2

Fuel load density (floor)

qf 70 MJ/m2

Total fuel load

Q 84000 MJ

Fire growing rate

a 0.156 kJ/s3

Gentili

Partial vs Complete Model25

Gentili

Combustible stacking26

Gentili

Combustible stacking

TC - 1

TC - 8

Gentili

Travelling Fire (I)28

Gentili F, Giuliani L, Bontempi F. (in press), Effects of combustible stacking in large compartments, Journal of Structural Fire

Engineering

Gentili

Travelling Fire (II)

Temperature

Tgas-1

Tgas-2

Tsteel-2

Tsteel-1

Gentili

Local temperatures much

higher than those predicted by

a flashover fire

Fire Action

Fuel Stacking

in Large Compartments

Possible

Travelling Fire

Low ConcentrationHigh Concentration

CAPANNONI:

modalita’ di collasso

Gentili

SWAY: prevede lo svio; è

potenzialmente capace di

coinvolgere strutture vicine,

con la possibilità di

provocare dei collassi a

catena, ovvero una crisi

progressiva.

Sway vs No sway Collapse

NO SWAY: il meccanismo

che non prevede svio del

traverso; presenta un

confinamento del collasso

Scenario di incendio

Tensile force

Lateral stifness

Configurazioni considerate (1)

Configurazioni considerate (2)

CAPANNONI:

modelli 2D / 3D

Gentili

Substructure Vs Global models

Deformation

in the plan XZ

Point BPoint A

Model 1:

A two-span pitched portal

in two dimensions

Model 2:

A two-span pitched portal

in three dimensions

Model 3:

Whole 3D structure

Gentili

θ [ C]

t [min]

∆𝜃𝑎 ,𝑡 =

𝐴𝑚𝑉

𝑐𝑎 ∙ 𝜌𝑎∙ ℎ 𝑛𝑒𝑡 ,𝑑 ∙ ∆𝑡

STEEL TEMPERATURE FOR UNPROTECTED BEAM ENV 1993 – 1 – 2 : 1995

FIRE MODEL

HEAT TRANSFER MODEL

Fire and Heat Transfer Models

Gentili

Horizontal DisplacementVertical Displacement

Deformed shape in Structural Code 1

(Scale Factor 1)

(Scale Factor 5)

Model 1: A two-span pitched portal in two dimensions

N [N] displacement [m]

Abaqus

DianaAbaqus

Point BPoint A

Point C

Point BPoint A

Point C

Point APoint B

Gentili

Model 2: A two-span pitched portal in three dimensions

(Scale Factor 10)

displacement [m]

-0.25 -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00

Abaqus

Literature

0 5 10 15 20 25

time [min]

Abaqus

Literature

In plane displacement Out of plane displacement

Point BPoint A

Point C

Point BPoint A

Point C

Point A

Code 2

Code 1

(Scale Factor 5)

Point C

Gentili

Point BPoint A

Model 3: Whole 3D structure

Horizontal DisplacementVertical Displacement

(Scale Factor 5)

Point A

Point B

NON LINEARITA’ GEOMETRICHE

EFFETTO CATENARIA

EFFETTO MEMBRANA

Total deflection of the floor:

L/30+ /30 = (L+ )/30 L/30

ZONE DI COLLEGAMENTO

B-/D- Regions (2)

1.0 1.6 0.6

ANCHORAGE FORCE

SHEAR (SUPPORT REACTION)

RIGHT END REACTION

12/20/2012 302

λ Shear

(slice 1.9685

Anchorage

(slice

1.9685

Right end

(slice

1.9685

Slice 0.3937

(model)

Slice 3.1496

(suggested)

kN Kips kN Kips kN Kips kN Kips kN Kips

SLS 1.0 120 26.98 190 42.71 72 16.19 24 5.40 192 43.16

ULS 1.5 180 40.47 285 64.07 108 24.28 36 8.09 288 64.74

SILS 1.9 230 51.71 365 82.06 139 31.25 45 10.12 365 82.06

1.0 1.6 0.6

ANCHORAGE FORCESHEAR

(SUPPORT REACTION)

RIGHT END

REACTION

STRINGERS

STRINGERS PROPERTIES

CONNECTION PROPERTIES

PANELS

PANELS PROPERTIES

SWL elastic behavior

Structural Response

λ=1.9 – 230 kN – 52 Kips

λ=1.5 – 180 kN – 40 Kips

λ=1.0 – 120 kN – 28 Kips

Steel mechanical properties degradation

<=100°C200°C

400°C

600°C

800°C

500°C

20%0.2% 15%

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !

Td ≤ Tcr

0 10 20 30 40 50 60

ISO 834

θ steel

ISO Fire - Steel Temperature

ABAQUS

PANEL STRESS, t= 0 sec, T= 20 °C, Yield stress 450 N/mm2

ABAQUS

0 200 400 600 800

TEMP [°C]

Abaqus

Structural Response (1)

0 5 10 15

Time [min]

Abaqus

Structural Response (2)

0 20 40 60 80 100 120

ISO 834

Acciaio non protetto

pittura intumescente

schiuma PROMAFOAM d=7mm

GessoTime [min]

Protective Measures

Coordinate

339339

Stro N

GERwww.stronger2012.com

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