Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendioe problemi strutturali specifici. Lezione del 2 dicembre 2015 al corso di Progettazione Strutturale Antincendio - Prof. Ing. Franco Bontempi, Facolta' di Ingegneria Civile e Industriale Universita' degli Studi di Roma La Sapienza

1. Approccio sistemico per la sicurezza
delle gallerie in caso di incendio
e problemi strutturali specifici
Prof. Ing. Franco Bontempi
Ordinario di Tecnica delle Costruzioni
Facolta’ di Ingegneria Civile e Industriale
Universita’ degli Studi di Roma La Sapienza
Corso di
PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
A.A. 2015/16
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Antincendio
1

2. Scopo della presentazione
• Far vedere gli aspetti piu’ generali della
progettazione strutturale antincendio:
Complessita’ del problema;
Approccio sistemico;
Natura accidentale dell’azione incendio;
Progettazione prestazionale/prescrittiva;
Aspetti specifici delle gallerie stradali.
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2

3. OGGETTO
Caratteristiche delle gallerie
Geometrie
Impianti
1
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3

4. GEOMETRIE
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4

5. Tipo A - autostrade
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5

6. www.francobontempi.org
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6

7. Tipo B – extraurbane principali
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7

8. Tipo C – extraurbane secondarie
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8

9. www.francobontempi.org
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10. www.francobontempi.org
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11. www.francobontempi.org
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12. www.francobontempi.org
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13. www.francobontempi.org
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16. www.francobontempi.org
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17. Sistema vs Struttura
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Opera
Morta
Opera
Viva
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18. IMPIANTI VENTILAZIONE
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20. 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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20

21. 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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22. 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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25. 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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26. 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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28. www.francobontempi.org
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29. www.francobontempi.org
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30. 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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31. www.francobontempi.org
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32. Ventilation unit
Air extraction
Ventilation unit
Supply of fresh air
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33. www.francobontempi.org
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34. COMPLESSITA’
Approccio prestazionale
Modellazione
Sicurezza
2
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35. LOOSEcouplingsTIGHT
LINEAR interactions NONLINEAR
System Complexity (Perrow)
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36. APPROCCIO PRESTAZIONALE
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37. www.francobontempi.org
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38. 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
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38

39. Prescrittivo (2)
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39

40. 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
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40

41. Prestazionale (2)
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41

42. START
APPLICAZIONE
DI
REGOLE
PRESTABILITE
E
TECNICHE
PREDEFINITE
END
START
END
DEFINIZIONE E DISANIMA
DEGLI OBIETTIVI
INDIVIDUAZIONE DELLE
SOLUZIONI ATTE A
RAGGIUNGERE GLI
OBIETTIVI
ATTIVITA' DI
MODELLAZIONE E MISURA
GIUDIZIO DELLE
PRESTAZIONI
RISULTANTI
No
Yes
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43. www.francobontempi.org
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44. www.francobontempi.org
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45. MODELLI
NUMERICI
MODELLI
FISICI
RISPETTO DI
PRESCRIZIONI
livello
1
OBIETTIVI
livello
3
DEFINIZIONE
DELLA
SOLUZIONE
STRUTTURALE
livello
4
VERIFICA
DELLE
CAPACITA'
PRESTAZIONALI
LIMITI DELLA
PERFORMANCE i-esima
CRITERIO (QUANTITA')
CHE MISURA
LA PERFORMANCE i-esima
DEFINIZIONE DELLA
PERFORMANCE 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
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45

46. MODELLI
NUMERICI
MODELLI
FISICI
RISPETTO DI
PRESCRIZIONI
livello
1
OBIETTIVI
livello
3
DEFINIZIONE
DELLA
SOLUZIONE
STRUTTURALE
livello
4
VERIFICA
DELLE
CAPACITA'
PRESTAZIONALI
LIMITI DELLA
PERFORMANCE i-esima
CRITERIO (QUANTITA')
CHE MISURA
LA PERFORMANCE i-esima
DEFINIZIONE DELLA
PERFORMANCE 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
Progettazione Strutturale
Antincendio
46

47. MODELLAZIONE
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47

48. Factors for Coupling
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
INFORMATION
FLOW DIRECTION
time
tK
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48

49. Fully Coupled Scheme
time
tK
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
time
tK
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
time
tK
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
time
tK
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
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49

50. Staggered Coupled Scheme
time
tK
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
time
tK
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
time
tK
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
time
tK
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
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50

51. Temperature Driven Scheme
time
tK
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
time
tK
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
time
tK
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
time
tK
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
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51

52. Scheme With No Memory
time
tK
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
time
tK
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
time
tK
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
time
tK
TERMAL
STATE
(Temperature Field
and Termic Related
Properties)
MECHANICAL
STATE
(Strain and Stress
Fields and
Mechanical related
Properties)
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52

53. NUMERICAL
MODELING
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54. www.francobontempi.org
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55. www.francobontempi.org
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56. www.francobontempi.org
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57. www.francobontempi.org
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58. 58
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58

59. Analysis Strategy #1:
Sensitivity governance of priorities
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60. Analysis Strategy #2:
Bounding behavior governance
p
(p)

p
(p)

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60

61. Super
Controllore
Problema Risultato
Solutore #1
Solutore #2
Voting System
Analysis Strategy #3:
Redundancy Governance
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61

62. SICUREZZA
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62

63. ATTRIBUTES
THREATS
MEANS
RELIABILITY
FAILURE
ERROR
FAULT
FAULT TOLERANT
DESIGN
FAULT DETECTION
FAULT DIAGNOSIS
FAULT MANAGING
DEPENDABILITY
of
STRUCTURAL
SYSTEMS
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 / active
performance
Low level / passive
performance
Visions, I., Laprie, J.C., Randell, B.,
Dependability and its threats:
a taxonomy,
18th IFIP
World Computer Congress,
Toulouse (France) 2004.
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64. 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)
64
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65. 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).
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65

66. 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
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67. Bad vs Good Collapses
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
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68. Design Strategy #1: Continuity
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68

69. Design Strategy #2: Segmentation
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69

70. AZIONE
Natura dell’azione incendio
Carattere accidentale
Carattere estensivo
Carattere intensivo
3
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Antincendio
70

71. 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.
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72. Carattere intensivo
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73. ISO 13387: Example of Design Fire
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75. flashover
STRATEGIE
ATTIVE
(approccio
sistemico)
STRATEGIE
PASSIVE
(approccio
strutturale)
Tempo t
TemperaturaT(t)
andamento di T(t) a
seguito del successo
delle strategie attive
flashover
STRATEGIE
ATTIVE
(approccio
sistemico)
STRATEGIE
PASSIVE
(approccio
strutturale)
Tempo t
TemperaturaT(t)
andamento di T(t) a
seguito del successo
delle strategie attive
Strategie
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75

76. F
L
A
S
H
O
V
E
R
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 ignition
sources
 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
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GER
76

77. active
protection
passive
protection
no
failures
doesn’t
trigger
Y
N
Y
N
spreads
extinguishes
damages
Y
N
robustness
no
collapse
collapse
Y
N
triggers
prevention1 42 3
Fire Safety Strategies
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77

78. www.francobontempi.org
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Antincendio
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79. www.francobontempi.org
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Antincendio
79

80. SnakeFighter
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GER
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Antincendio
80

81. SVILUPPO
Dinamica degli incendi in galleria
Effetti della ventilazione
4
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Antincendio
81

82. FIRE DYNAMICS IN TUNNELS
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Antincendio
82

83. FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale
Antincendio
83
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84. Tunnel Fires vs Compartment Fires (0)
84

85. Tunnel Fires Progression (1)
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Antincendio
85

86. www.francobontempi.org
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Antincendio
86

87. www.francobontempi.org
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88. Tunnel Fires Progression (2)
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89. Effects of ventilation
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Antincendio
89

90. Temperature development
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91. 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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Antincendio
91

92. Backlayering
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Antincendio
92

93. www.francobontempi.org
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94. Maximum gas temperatures in the ceiling area of
the tunnel during tests with road vehicles
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95. Maximum gas temperatures in the ceiling area of
the tunnel during tests with road vehicles
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Antincendio
95

96. Maximum gas temperatures in the cross section
of the tunnel during tests with road vehicles
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96

97. EMERGENCY VENTILATION
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Antincendio
97

98. Smoke stratification
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Antincendio
98

99. • It can be sufficient in short, level tunnels
where smoke stratification allows for
escape in clear/tenable conditions.
Natural smoke venting
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99

100. Smoke filling long tunnel
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Antincendio
100

101. 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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101

102. www.francobontempi.org
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Antincendio
102

103. www.francobontempi.org
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104. k size factor for small pool fire
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104

105. k size factor for HGV fire
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Antincendio
105

106. 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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Antincendio
106

107. www.francobontempi.org
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108. 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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Antincendio
108

109. 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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Progettazione Strutturale
Antincendio
109

110. 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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GER
110

111. 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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Antincendio
111

112. 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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Antincendio
112

113. 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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Antincendio
113

114. Strategies
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Antincendio
114

115. 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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Antincendio
115

116. 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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116

117. FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale
Antincendio
117
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118. FIRE MODELING
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118

119. www.francobontempi.org
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119

120. www.francobontempi.org
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GER
Levels
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120

121. 1D
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121

122. 1D
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Antincendio
122

123. 2D (zone model)
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Antincendio
123

124. 2D (zone model)
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Antincendio
124

125. www.francobontempi.org
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Progettazione Strutturale
Antincendio
125

126. FDS Simulation
3D (ventilation)
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127. FDS Simulation
3D (fire)
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127

128. 3D (traffic)
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Antincendio
128

129. www.francobontempi.org
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129

130. Multiscale
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Antincendio
130

131. Multiscale (ventilation)
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131

132. Multiscale (fire)
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Antincendio
132

133. Multiscale (structural)
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Antincendio
133

134. Multiscale (structural)
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GER
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Antincendio
134

135. PROGETTO
Basis
Failure path
Risk
5
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Antincendio
135

136. BASIS
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Antincendio
136

137. 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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Antincendio
137

138. SS0a
PRESCRIBED
DESIGN
PARAMETERS
SS0b
ESTIMATED
DESIGN
PARAMETERS
SS1
initiation and
development
of fire and
fire efluent
SS2
movement of
fire effluent
SS3
structural response
and fire spread
beyond enclosure
of origin
SS4
detection,
activitation and
suppression
SS5
life safety:
occupant behavior,
location and
condition
SS6
property
loss
SS7
business
interruption
SS8
contamination
of
environment
SS9
destruction
of
heritage
(0)
DESIGN
CONSTRAINTS
AND
POSSIBILITIES
(1+2)
ACTION
DEFINITION
AND
DEVELOPMENT
(3+4)
SYSTEM
PASSIVE
AND ACTIVE
RESPONSE
BUSOFINFORMATION
RESULTS
DESIGN
ACTION
RESPONSE
SAFETY&PERFORMANCE
FSEwww.francobontempi.org
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Antincendio
138

139. 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
STRUCTURAL
SYSTEM
CHARACTERISTICS
STRUCTURAL
SYSTEM
WEAKNESS
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o N
GER
FB - Dicembre 2015 139

140. STRUCTURAL
CONCEPTION
STRUCTURAL
TOPOLOGY
&
GEOMETRY
threats
No
Yes
threats
STRUCTURAL
MATERIAL
& PARTS
No
Yespassive
structural
characteristics
threats
No
Yes
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
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o N
GER
FB - Dicembre 2015 140

141. FIRE DETECTION
& SUPPRESSION
active
structural
characteristics
threats
ORGANIZATION &
FIREFIGHTERS
No
Yes
threats
MAINTENANCE
& USE
No
Yes
threats
No
alive
structural
characteristics
Yes
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
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o N
GER
FB - Dicembre 2015 141

142. Fire fighting timeline
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o N
GER
142

143. STRUCTURAL
CONCEPTION
STRUCTURAL
TOPOLOGY
&
GEOMETRY
STRUCTURAL
MATERIAL
& PARTS
FIRE DETECTION
& SUPPRESSION
ORGANIZATION &
FIREFIGHTERS
MAINTENANCE
& USE
CRISIS
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o N
GER
FB - Dicembre 2015 143

144. HAZARD
IN-DEPTH
DEFENCE
HOLES DUE TO
ACTIVE ERRORS
HOLES DUE TO
FAILURE PATH
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o N
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FB - Dicembre 2015 144

145. Controlled vs. Uncontrolled Events
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146. Controlled vs. Uncontrolled Events
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o N
GER
146

147. Fire safety concepts tree (NFPA)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Buchanan,2002
Strategie per
la gestione
dell'incendio
1
Prevenzione
2
Gestione
dell'evento
3
Gestione
dell'incendio
4
Gestione delle
persone e
dei beni
15
Difesa sul posto
16
Spostamento
17
Disposibilità
delle vie
di fuga
18
Far avvenire
il deflusso
19
Controllo
della quantità
di
combustibile
5
Soppressione
dell'incendio
10
Controllo
dell'incendio
attraverso il
progetto
13
Automatica
11
Manuale
12
Controllo dei
materiali
presenti
6
Controllo
del movimento
dell'incendio
7
Resistenza e
stabilità
strutturale
14
Contenimento
9
Ventilazione
8
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o N
GER
147

148. 1
2
3
4
5
6
7
8
9
Strategie per
la gestione
dell'incendio
1
Prevenzione
2
Gestione
dell'evento
3
Gestione
dell'incendio
4
Gestione delle
persone e
dei beni
15
Difesa sul posto
16
Spostamento
17
Disposibilità
delle vie
di fuga
18
Far avvenire
il deflusso
19
Controllo
della quantità
di
combustibile
5
Soppressione
dell'incendio
10
Controllo
dell'incendio
attraverso il
progetto
13
Automatica
11
Manuale
12
Controllo dei
materiali
presenti
6
Controllo
del movimento
dell'incendio
7
Resistenza e
stabilità
strutturale
14
Contenimento
9
Ventilazione
8
Fire safety concepts tree (NFPA)
Buchanan,2002
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o N
GER
148

149. 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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o N
GER
149

150. www.francobontempi.org
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o N
GER
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151. RISK CONCERN
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o N
GER
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Antincendio
151

152. Risk treatmentwww.francobontempi.org
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o N
GER
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153. 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.
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o N
GER
153

154. Quantitative Risk Analysis
Luur,2002
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o N
GER
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Antincendio
154

155. Risk Analysis, Assessment, Management
(IEC 1995)
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o N
GER
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156. 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
MONITOR
AND
REVIEW
RISK
MANAGEMENT
RISK
ANALYSIS
RISK
ASSESSMENT
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o N
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Antincendio
156

157. www.francobontempi.org
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o N
GER
Progettazione Strutturale
Antincendio
157

158. 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
RISK
ANALYSIS
FIRE
EVENT
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Antincendio
158

159. ISHIKAWA DIAGRAMwww.francobontempi.org
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Antincendio
159

160. EVENT TREE
Triggering
event
Fire
ignition
1. Fire
extinguished
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)
Fire
location
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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o N
GER
PREPARAZIONE EVOLUZIONE
160

161. 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
RISK
ANALYSIS
NUMERICAL
MODELING
SIMULATIONSwww.francobontempi.org
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o N
GER
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Antincendio
161

162. www.francobontempi.org
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GER
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Antincendio
162

163. www.francobontempi.org
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GER
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Antincendio
163

164. www.francobontempi.org
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o N
GER
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Antincendio
164

165. 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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o N
GER
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Antincendio
165

166. FN-curves UK Road Rail Aviation Transport, 67-01
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o N
GER
166

167. Persson, M. Quantitative Risk Analysis Procedure for
the Fire Evacuation of a Road Tunnel - An Illustrative
Example. Lund, 2002
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167

168. Risk acceptance – ALARP (1)
RISK MAGNITUDE
INTOLERABLE
REGION
As
Low
As
Reasonably
Practicable
BROADLY ACCEPTABLE
REGION
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
As
Low
As
Reasonably
Achievable
RISK MAGNITUDE
INTOLERABLE
REGION
As
Low
As
Reasonably
Practicable
BROADLY ACCEPTABLE
REGION
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
As
Low
As
Reasonably
Achievable
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168

169. Risk acceptance – ALARP (2)
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169

170. www.francobontempi.org
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170

171. Risk reduction by design
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171

172. 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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172

173. RESISTENZA
6
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173

174. The burnt out interior
of the Mont Blanc Tunnel
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174

175. Curve temperatura - tempo
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176. Types of fire exposure
for tunnel analysis
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177. 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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177

178. 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, chemicals
etc, 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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178

179. 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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180. 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 15
5 1200
60 1200
170 15
RABT-ZTV (car)
Time (minutes) T (°C)
0 15
5 1200
30 1200
140 15
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180

181. 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, RijksWaterStaat
Time
(minutes)
T
(°C)
0 20
3 890
5 1140
10 1200
30 1300
60 1350
90 1300
120 1200
180 1200
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182. www.francobontempi.org
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183. www.francobontempi.org
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183

184. Lönnermark, A. and Ingason, H., “Large Scale Fire Tests in the Runehamar
tunnel – gas temperature and Radiation”,
Proceedings of the International Seminar on Catastrophic Tunnel Fires,
Borås, Sweden, 20-21 November 2003.
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184

185. www.francobontempi.org
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186. Fire Scenario Recommendation
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187. Verifiche
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187

188. 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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188

189. 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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189

190. Verification of fire resistance (R-safe)
R = structural resistance
T = temperature
t = time
Rfi,d,t
Efi,requ,t
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190

191. Verification of fire resistance (R-fail)
R = structural resistance
T = temperature
t = time
Efi,requ,t
Rfi,d,t
Failure !
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191

192. 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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192

193. 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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193

194. 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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194

195. www.francobontempi.org
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195

196. www.francobontempi.org
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196

197. CONCLUSIONI
Conceptual design
Resilience
7
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197

198. Conceptual Design
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198

199. Conceptual Design
MULTI-HAZARD
BLACK-SWAN
DISASTER CHAIN
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199

200. Flow chart
Tabella dotazioni Frejùs
Forensic Engineering
200

201. Resilience
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201

202. 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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202

203. RESILIENCE
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203

204. 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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204

205. 205
205
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205