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.it
1

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
7

INCENDIO
Natura del fenomeno
1
8

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).
9

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. 10

Condizioni (2)
innesco
(hazard)
materiali
(vulnerability)
11

Sviluppo di un evento negativo
innesco
(hazard)
materiali
(vulnerability)
12

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=4253
14

Reazione al fuoco (2)
• 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.
15

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

19
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.
19
19

20
CARATTERE ESTENSIVO
Diffusione nello spazio
20
20

25
The Great Fire of Chicago, Oct. 7-10, 1871
25
25

27
3. ALL’ESTERNO
DI UN EDIFICIO
27
27

283/22/2011 28
PROGETTAZIONE STRUTTURALE
ANTINCENDIO
28

29
4. ALL’INTERNO
DI UN EDIFICIO
29
29

36
CARATTERE INTENSIVO
Andamento temporale
36
36

37
ISO 13387: Design Fire
37
37

38
Potenza Termica nel tempo
38
38

39
Temperatura nel tempo
(curva naturale d’incendio)
39
39

F
L
A
S
H
O
V
E
R
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 ignition
sources
 Limit hazardous
human behavior
 Emergency
procedure and
evacuation
 Prevent the
propagation
of collapse,
once local
damages
occurred (e.g.
redundancy)
Strategie
time
T
40

41
active
protection
passive
protection
no
failures
doesn’t
triggerY
N
Y
N
spreads
extinguishes
damages
Y
N
robustness
no
collapse
collapse
Y
N
triggers
prevention
1 42 3
Strategia antincendio: combinazione di misure di prevenzione,
protezione e gestionali per la riduzione del rischio di incendio.
41

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

45
CARATTERE ACCIDENTALE
Evento
45
45

46
Situazioni HPLC
High Probability Low Consequences 46
46

47
LPHC events
47Low Probability High Consequences 47

48
HPLC
High Probability
Low
Consequences
LPHC
Low Probability
High
Consequences
release of energy SMALL LARGE
numbers of breakdown SMALL LARGE
people involved FEW MANY
nonlinearity WEAK STRONG
interactions WEAK STRONG
uncertainty WEAK STRONG
decomposability HIGH LOW
course predictability HIGH LOW
HPLC – LPHC EVENTS
48
48

Approcci di analisi
HPLC
Eventi Frequenti con
Conseguenze Limitate
LPHC
Eventi Rari con
Conseguenze Elevate
Complessità:
Aspetti non lineari e
Meccanismi di interazioni
Impostazione
del problema:
Deterministico
Stocastico
ANALISI
QUALITATIVA
DETERMINISTICA
ANALISI
QUANTITATIVA
PROBABILISTICA
ANALISI
PRAGMATICA
CON SCENARI
51

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

54
ISO 13387: Event Tree
54
54

55
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.
55
55

56
ISO 13387: Fire Spread Routes
56
56

57
ISO 13387: Fire Spread Routes
57
57

60
PREVENZIONE / PROTEZIONE
Strategie
60
60

63
Andamento temperatura nel tempo
(curva naturale d’incendio)
63
63

Applicazione di prodotti/materiali
65

F
L
A
S
H
O
V
E
R
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 ignition
sources
 Limit hazardous
human behavior
 Emergency
procedure and
evacuation
 Prevent the
propagation
of collapse,
once local
damages
occurred (e.g.
redundancy)
Strategie
time
T
67

Ingegneria della Sicurezza
Antincendio (Fire Safety Engineering)
68

Obiettivi della Prevenzione Incendi
72

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).
73
73

DESIGN
ACTION
RESPONSE
SAFETY&PERFORMANCE
74
74

Strategia antincendio per la
mitigazione del rischio (0)
75

Strategia antincendio per la
mitigazione del rischio (1)
76

Selezione dei livelli di prestazione
delle strategie antincendio
79

80
RISCHIO
Natura aleatoria
80
80

Valutazione del profilo
di rischio per l'attivita’
81

Rischio, Rischio, Rischio
• Rischio è la potenzialità che un'azione o un'attività
scelta (includendo la scelta di non agire) porti a una
perdita o ad un evento indesiderabile.
• Profilo di rischio e’ un indicatore speditivo della
tipologia di rischio di incendio associata all'esercizio
ordinario di una 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.
82

RISK CONCERN
cause
causa
effect
effetto
83

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.
85
85

Quantitative Risk Analysis
86
86

Risk-based
Decision
Making
87
87

Obiettivi / Ipotesi
della Progettazione Antincendio
88

Sviluppo di un evento negativo
89

STRUCTURAL
SYSTEM
CHARACTERISTICS
STRUCTURAL
SYSTEM
WEAKNESS
90
90

STRUCTURAL
CONCEPTION
STRUCTURAL
TOPOLOGY
&
GEOMETRY
threats
No
Yes
threats
STRUCTURAL
MATERIAL
& 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
alive
structural
characteristics
Yes
92
92

94
PERFORMANCE BASED
DESIGN
Prestazionale / Prescrittivo
94
94

Come raggiungere gli obiettivi
95

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
96

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
98

RESISTENZA
Risposta meccanica
3
104

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);
105
105

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)
106
106

Verification of fire resistance (R-safe)
T = temperature
t = time
Rfi,d,t
Efi,requ,t
107
107

Verification of fire resistance (R-fail)
T = temperature
t = time
Efi,requ,t
Rfi,d,t
Failure !
108
108

Verification of fire resistance (t)
T = temperature
t = time
Efi,requ,t
Rfi,d,t
Failure !
tfi,d ≥ tfi,requ
109
109

Verification of fire resistance (T)
T = temperature
t = time
Efi,requ,t
Rfi,d,t
Failure !
Td ≤ Tcr
110
110

T = temperature
t = time
Efi,requ,t
Rfi,d,t
Failure !
Td ≤ Tcr
111

#1
114
3/31/2011 114
ANTINCENDIO
114

STRUCTURAL ROBUSTNESS (1)
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
117

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).
118
118

Levels of Structural Crisis
UsualULS&SLS
VerificationFormat
Structural Robustness
Assessment
1st level:
Material
Point
2nd level:
Element
Section
3rd level:
Structural
Element
4th level:
Structural
System 119

Modalità di collasso (1-2)
D1 D2 123
123

Modalità di collasso (3-4)
D3 D4 124
124

0
4
Lo scenario D4
è quello più cattivo:
l’elemento strutturale
critico individuato è la
colonna più esterna!
125
Sintesi dei risultati: elemento critico
125

Bad vs Good Collapse
STRUCTURE
& LOADS
Collapse
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
SWAY
126

Design Strategy #1: CONTINUITY
127

Design Strategy #2: SEGMENTATION
1283/31/2011
ANTINCENDIO
128

28/4/2011
ANTINCENDIO
129
129

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.
130
130

TESTI
Bibliografia & Informazioni
4
131

140
140
Str
o N
GER
www.stronger2012.com
140

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.it
141

INDICE
1. Natura e caratteristiche dell’incendio
• Definizione
• Carattere estensivo
• Carattere intensivo
• Carattere accidentale
2. Sicurezza in caso di incendio
• Rischio
3. Resistenza meccanica in caso di incendio
142

INDICE
5. Analisi in caso di incendio
• Scomposizione
• Sensitivita’
• Delimitazione
• Ridondanza
6. Windsor Hotel case history
• Rischio
7. Considerazioni specifiche
143

DESIGN
ACTION
RESPONSE
SAFETY&PERFORMANCE
145
145

STRUCTURAL
SYSTEM
CHARACTERISTICS
STRUCTURAL
SYSTEM
WEAKNESS
146
146

Selezione dei livelli di prestazione delle
strategie antincendio
151

ANALISI IN CASO DI
INCENDIO
Modellazione
5
153

SISTEMA
STRUTTURALE
PRINCIPALE
ZONE SPECIALI DI
IMPALCATO
SISTEMA DI
RITEGNO/SOSTEGNO
SISTEMA
STRUTTURALE
SECONDARIO
SISTEMA DI
SOSPENSIONE
IMPALCATO
CORRENTE
FONDAZIONI DELLE TORRI
ANCORAGGI
TORRI
SELLE
CAVI PRINCIPALI
PENDINI
CASSONI STRADALI
CASSONE FERROVIARIO
TRAVERSO
INTERNE
TERMINALI
SISTEMA STRUTTURALE
AUSILIARIO
STRADALE
FERROVIARIO
FUNZIONAMENTO
MANUTENZIONE
EMERGENZA
PONTE
MACROLIVELLO
MESOLIVELLO
156

162
STRATEGY #1: SENSITIVITY
governance of priorities

The sensibility of the function
163

164
STRATEGY #2: BOUNDING
behavior governance
p
(p)

p
(p)


The bounding of the function
165

Super
Controllore
Problema Risultato
Solutore #1
Solutore #2
Voting System
STRATEGY #3: REDUNDANCY
166

168
approccio costruttivo e storico
consapevolezza del problema
modelli / tempo
soluzione

HOTEL WINDSOR
Case History
6
169

177
Built during 70’s
Offices and commercial use
106 metres high
32 storeys above ground
level
5 storeys underground
Outline of the structure
177

Updating works
180
Works carried out to update the building going further
than 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 system
180

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 & structure
no Under construction
Fire protection to
steelwork
no
17th floor & above: Not yet
commencement
(18th floor partly completed)
4th - 15th floor: Completed
(except 9 & 15th floors)
Fire protection to
concrete members
no no
Sprinkler system no Under construction
Fire alarm system yes yes
Dry riser system yes yes
Spanish Fire Regulations
181

1st section:
floors 3 to 16
1st technical floorreception
5
basements
2nd technical floor
2nd section:
floors 17 to roof
empty floors
183

191
SISTEMA STRUTTURALE SCENARIO D’INCENDIO
1
2
COMPARTIMENTO
STRUTTURALE
SUPERIORE
COMPARTIMENTO
STRUTURALE
INFERIORE
3 3
191

193
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
193

194
Outline of the fire
13 February
01.00 four storeys were on fire
194

195
Outline of the fire
02.00 flames almost all over the building
195

196
Outline of the fire
03.30 first collapse 04.00 fire revives
196

197
Outline of the fire
Metallic structure strongly
damaged.
Collapse of upper floors
supported by steel columns.
Unforeseenly fire spread
downwards very quickly.
197

201
Outline of the fire
07.00 firemen in adjacent buildings
201

202
Outline of the fire
14.00 fire is still active
17.00 automatic
hoses cooling the
building and its
surroundings are
closed
202

203
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
203

204
The aftermath
Upper section
Bays adjacent to facades almost
compleatly collapsed
Next bays parallel to north facade
also collapsed
204

STRUCTURAL BEHAVIOR
Comments
205

The fire in progress
01:00: some floors above
21st floor in fire
206

02:00: all floors above 21st
floor in fire
207

02:00: chunks of façade fall off
208

02:15: steel columns deform
like spaghetti
209

Source – TVE 1
210

05:30: fire spread below 16th
floor, crossing over the
upper technical floor
211

08:30: fire spread beneath
4th floor
212

13:30: fire under control
213

After the fire
214

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
215

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
216

Curtain wall  Vertical parapets
Mechanism of fire barrier parapet between the floors
Height in Windsor Tower: 1.5 m
217

Curtain wall  Horizontal fire
barrier
 Chimney effect for fire spread upwards
 Falling pieces for fire spread downwards
218

Perimeter steel
column
protection
Unprotected columns:
Buckled steel
Protected columns:
Remained in place
The performance of fire protection
219

Curtain wall
parapet
Properly fixed:
Remained in place
Not properly fixed:
disappeared
220

Technical shafts
Remained in place where installed
222

223
The progressive collapse
223

225
Collasso progressivo (1)
225

226
226

227
227

228
228

229
229

233
Windsor
Outline of the fire
233

234
Windsor
Outline of the fire
234

235
Windsor
Outline of the fire
235

236
Windsor
Outline of the fire
236

CONSIDERAZIONI
SPECIFICHE
7
241

243
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
tempo
SISTEMA
Struttura durevole di elementi organizzati, che
viene osservata come unità che presenta
caratteristiche emergenti.

CAPANNONI:
disposizione del materiale
248

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 Ws0.5/(Km2)
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
hs

Gentili
Hydrodynamic
Model
Combustion
Model
Thermal
Radiation
Solid Phase
Model
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 locations

Gentili
Fire Model – Ventilation conditions

Gentili
0
200
400
600
800
1000
1200
0 5 10 15 20
Temperature[C]
time [min]
All opening closed
Breakingwindows
Smoke extractors
Openings doors 0
40
80
120
160
200
240
0 5 10 15 20
HRR[MW]
time [min]
All opening closed
Breaking windows
Smoke extractors
Openings doors
0
200
400
600
800
1000
1200
0 5 10 15 20 25 30
Temperature[C]
time [min]
Scenario 1
Scenario 2
Scenario 3
Scenario 4
0
40
80
120
160
200
0 5 10 15 20
HRR[MW]
time [min]
Scenario 1
Scenario 2
Scenario 3
Scenario 4
Fire Model
Ventilation Conditions
Fuel Locationstime [min]
Temperature[°C]
Temperature[°C]
time [min] time [min]
time [min]
HRR[MW]HRR[MW]
0

Gentili
Fire Model – Mesh optimization
dx %D* D*/Dx
Number
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 38880
0
40
80
120
160
200
240
0 5 10 15 20
HRR[MW]
time [min]
60 cm
50 cm
40 cm
30 cm
0
1
2
3
4
5
0 5 10 15 20
SmokeHeight[m]
time [min]
60 cm
50 cm
40 cm
30 cm
0
200
400
600
800
1000
1200
0 5 10 15 20
temperature[C]
time [min]
60 cm
50 cm
40 cm
30 cm

Gentili
Fire Model – Fuel involvement
 
019.0
05.0
30min


d
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
3
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.
displacement[m]
time [min]
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
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 Ws0.5/(Km2)
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
hs

Gentili
Partial vs Complete Model25

Gentili
Combustible stacking

Gentili
Combustible stacking
TC - 1
TC - 8
27

Gentili
Travelling Fire (I)8
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
Time
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
265

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

Configurazioni considerate (1)
283

Configurazioni considerate (2)
284

CAPANNONI:
modelli 2D / 3D
285

Gentili
Substructure Vs Global models
Deformation
inthe planXZ
PointBPointA
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]
∆𝜃 𝑎,𝑡 =
𝐴 𝑚
𝑉
𝑐 𝑎 ∙ 𝜌 𝑎
∙ 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]
displacement[m]
time[min]
Abaqus
Diana
Abaqus
Diana
PointBPointA
PointC
PointBPointA
PointC
Point APoint B

Gentili
Model 2: A two-span pitched portal in three dimensions
(Scale Factor 10)
(Scale Factor 10)
displacement [m]
0
5
10
15
20
25
-0.25 -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00
time[min]
Abaqus
Literature
Diana
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0 5 10 15 20 25
displacement[m]
time [min]
Abaqus
Literature
Diana
In plane displacement Out of plane displacement
PointBPointA
PointC
PointBPointA
PointC
Point A
Code 2
Code 1
(Scale Factor 5)
(Scale Factor 5)
Point C

Gentili
Point BPoint A
Model 3: Whole 3D structure
Horizontal DisplacementVertical Displacement
(Scale Factor 5)
(Scale Factor 5)
Point A
Point B

NON LINEARITA’ GEOMETRICHE
291

Total deflection of the floor:
L/30+  /30 = (L+  )/30
L/30
 /30
L

297

299
B-/D- Regions (2)
A
B
C
D E
F
G
H

1.0 1.6 0.6
ANCHORAGEFORCE
SHEAR
(SUPPORTREACTION)
RIGHT END REACTION
301

12/20/2012 302
Limit
Stat
e
λ Shear
(slice 1.9685
inch)
Anchorage
(slice
1.9685
inch)
Right end
(slice
1.9685
inch)
Slice 0.3937
inch
(model)
Slice 3.1496
inch
(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
1.0 1.6 0.6
ANCHORAGE FORCE
SHEAR
(SUPPORT REACTION)
RIGHT END
REACTION
302

Structural Response
λ=1.9 – 230 kN – 52 Kips
λ=1.5 – 180 kN – 40 Kips
λ=1.0 – 120 kN – 28 Kips
315

Steel mechanical properties degradation
T
<=100°C
200°C
400°C
600°C
800°C
500°C
2%
e
20%0.2% 15%
s
fyk
320

T = temperature
t = time
Efi,requ,t
Rfi,d,t
Failure !
Td ≤ Tcr
321

0
200
400
600
800
1000
0 10 20 30 40 50 60
ISO 834
θ steel
ISO Fire - Steel Temperature
322

ANSYS
ABAQUS
PANEL STRESS, t= 0 sec, T= 20 °C, Yield stress 450 N/mm2
323

ANSYS
ABAQUS
324

ANSYS
ABAQUS
325

ANSYS
ABAQUS
326

ANSYS
ABAQUS
327

0
2
4
6
8
10
12
14
0 200 400 600 800
displ[mm]
TEMP[°C]
Ansys
Abaqus
Structural Response (1)
328

0
2
4
6
8
10
12
0 5 10 15
displ[mm]
Time [min]
Ansys
Abaqus
Structural Response (2)
329

330
0
200
400
600
800
1000
1200
0 20 40 60 80 100 120
ISO 834
Acciaio non protetto
pittura intumescente
schiuma PROMAFOAM d=7mm
GessoTime [min]
TEMP[°C]
Protective Measures

339
339
Str
o N
GER
www.stronger2012.com
339

RESISTENZA AL FUOCO DELLE STRUTTURE c/o Ordine degli Ingegneri della Provincia di Pordenone

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