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

Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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6 febbraio 2014 -Si è svolta presso l’Università della Calabria di Arcavacata di Rende (Cs) la giornata di studio sulla “ Resistenza al fuoco delle strutture”, organizzata dalla Direzione Regionale dei Vigili del Fuoco e dall’Università della Calabria, con il Patrocinio dell’Ordine degli Ingegneri di Cosenza, e rivolta ai professionisti che operano nel settore dell’antincendio. http://www.vigilfuococalabria.com/territorio/direzione/291-unical-giornata-di-studio-resistenza-al-fuoco-delle-strutture-2.html

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Page 1: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

1

Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

e problemi strutturali specifici

Prof. Dr. Ing. Franco Bontempi

Ordinario di Tecnica delle Costruzioni

Facolta’ di Ingegneria Civile e Industriale

Universita’ degli Studi di Roma La Sapienza

www.francobontempi.org

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Scopo della presentazione

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

Complessita’ del problema;

Approccio sistemico;

Natura accidentale dell’azione incendio;

Progettazione prestazionale/prescrittiva;

Aspetti specifici delle gallerie stradali.

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OGGETTOCaratteristiche delle gallerie

Geometrie

Impianti

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GEOMETRIE

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Tipo A - autostradew

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Tipo B – extraurbane principaliw

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Tipo C – extraurbane secondariew

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Sistema vs Strutturaw

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OperaMorta

OperaViva

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IMPIANTI VENTILAZIONE

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Piston effect

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

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Mechanical ventilation

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

– congested traffic situations;

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

– long tunnels with high traffic volumes.

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TUNNEL VENTILATION SYSTEMS

• Road Tunnel Ventilation Systems have two modes of operation:

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

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

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

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

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

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

structure itself) must be kept to a minimum.

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Longitudinal ventilation system

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

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Semi-transverse ventilation system

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

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Transverse ventilation system

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

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Attachments

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

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Ventilation unitAir extraction

Ventilation unitSupply of fresh air

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COMPLESSITA’Approccio prestazionale

Modellazione

Sicurezza

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LOO

SE

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TIG

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LINEAR interactions NONLINEAR

System Complexity (Perrow)w

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APPROCCIO PRESTAZIONALE

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Prescrittivo (1)

APPROCCIOPRESCRITTIVO

1) BASI DEL PROGETTO, 2) LIVELLI DI SCUREZZA, 3) PRESTAZIONI ATTESE

NON ESPLICITATI

1) REGOLE DI CALCOLO E

2) COMPONENTI MATERIALI

SPECIFICATI E DETTAGLIATI

QUALITA' ED AFFIDABILITA' STRUTTURALI

ASSICURATI IN MODO INDIRETTO

GARANZIA DIRETTA DELLE PRESTAZIONI E DELLA SICUREZZA STRUTURALI

INSIEME DI STRUMENTI

LOGICI E MATERIALI #3

INSIEME DI STRUMENTI

LOGICI E MATERIALI #1

INSIEME DI STRUMENTI

LOGICI E MATERIALI #2

OBIETTIVI PRESTAZIONALI E

LIVELLI DI SICUREZZA ESPLICITATI

APPROCCIOPRESTAZIONALE

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Elementi CostituentiElementi Costituenti

Elementi CostituentiElementi Costituenti

Elementi CostituentiElementi Costituenti

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Elementi CostituentiElementi Costituenti

prescrittivo

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Elementi CostituentiElementi CostituentiElementi CostituentiElementi Costituenti

Elementi CostituentiElementi CostituentiElementi CostituentiElementi Costituenti

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Prescrittivo (2)w

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Prestazionale (1)

APPROCCIOPRESCRITTIVO

1) BASI DEL PROGETTO, 2) LIVELLI DI SCUREZZA, 3) PRESTAZIONI ATTESE

NON ESPLICITATI

1) REGOLE DI CALCOLO E

2) COMPONENTI MATERIALI

SPECIFICATI E DETTAGLIATI

QUALITA' ED AFFIDABILITA' STRUTTURALI

ASSICURATI IN MODO INDIRETTO

GARANZIA DIRETTA DELLE PRESTAZIONI E DELLA SICUREZZA STRUTURALI

INSIEME DI STRUMENTI

LOGICI E MATERIALI #3

INSIEME DI STRUMENTI

LOGICI E MATERIALI #1

INSIEME DI STRUMENTI

LOGICI E MATERIALI #2

OBIETTIVI PRESTAZIONALI E

LIVELLI DI SICUREZZA ESPLICITATI

APPROCCIOPRESTAZIONALE

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Prestazionale (2)R

equ

isit

iR

equ

isit

i

Elementi CostituentiElementi Costituenti

Elementi CostituentiElementi Costituenti

Elementi CostituentiElementi Costituenti

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Elementi CostituentiElementi Costituenti

prescrittivo

pre

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Elementi CostituentiElementi Costituenti

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Elementi CostituentiElementi CostituentiElementi CostituentiElementi Costituenti

Elementi CostituentiElementi CostituentiElementi CostituentiElementi Costituenti

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Elementi CostituentiElementi CostituentiElementi CostituentiElementi Costituenti

Elementi CostituentiElementi CostituentiElementi CostituentiElementi Costituenti

prescrittivo

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START

END

DEFINIZIONE E DISANIMADEGLI OBIETTIVI

INDIVIDUAZIONE DELLE

SOLUZIONI ATTE A

RAGGIUNGERE GLI OBIETTIVI

ATTIVITA' DI

MODELLAZIONE E MISURA

GIUDIZIO DELLE

PRESTAZIONI

RISULTANTI

No

Yes

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MODELLINUMERICI

MODELLIFISICI

RISPETTO DIPRESCRIZIONI

livello 1

OBIETTIVI

livello 3

DEFINIZIONE DELLA

SOLUZIONE STRUTTURALE

livello 4

VERIFICA DELLE

CAPACITA'PRESTAZIONALI

LIMITI DELLAPERFORMANCE i-esima

CRITERIO (QUANTITA') CHE MISURA

LA PERFORMANCE i-esima

DEFINIZIONE DELLAPERFORMANCE i-esima

livello 2

ESPLICITAZIONE DEGLI OBIETTIVI ATTRAVERSO L'INDIVIDUAZIONE DI n

PRESTAZIONI;ordinatamente, per ciascuna di

esse, i =1,..n:

ESITO

NO

SI'

A

C

B

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Page 48: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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MODELLINUMERICI

MODELLIFISICI

RISPETTO DIPRESCRIZIONI

livello 1

OBIETTIVI

livello 3

DEFINIZIONE DELLA

SOLUZIONE STRUTTURALE

livello 4

VERIFICA DELLE

CAPACITA'PRESTAZIONALI

LIMITI DELLAPERFORMANCE i-esima

CRITERIO (QUANTITA') CHE MISURA

LA PERFORMANCE i-esima

DEFINIZIONE DELLAPERFORMANCE i-esima

livello 2

ESPLICITAZIONE DEGLI OBIETTIVI ATTRAVERSO L'INDIVIDUAZIONE DI n

PRESTAZIONI;ordinatamente, per ciascuna di

esse, i =1,..n:

ESITO

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MODELLAZIONE

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Analysis Strategy #1: Sensitivity governance of priorities

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Analysis Strategy #2: Bounding behavior governance

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Analysis Strategy #3: Redundancy Governance

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NUMERICALMODELING

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Factors for Coupling

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

TERMALSTATE

(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

INFORMATIONFLOW DIRECTION

timetK

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Fully Coupled Scheme

timetK

TERMALSTATE

(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

timetK

TERMALSTATE

(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

timetK

TERMALSTATE

(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

timetK

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(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

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Staggered Coupled Scheme

timetK

TERMALSTATE

(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

timetK

TERMALSTATE

(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

timetK

TERMALSTATE

(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

timetK

TERMALSTATE

(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

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Temperature Driven Scheme

timetK

TERMALSTATE

(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

timetK

TERMALSTATE

(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

timetK

TERMALSTATE

(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

timetK

TERMALSTATE

(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

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Scheme With No Memory

timetK

TERMALSTATE

(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

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TERMALSTATE

(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

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(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

timetK

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(Temperature Fieldand Termic Related

Properties)

MECHANICALSTATE

(Strain and Stress Fields and

Mechanical related Properties)

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SICUREZZA

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ATTRIBUTES

THREATS

MEANS

RELIABILITY

FAILURE

ERROR

FAULT

FAULT TOLERANT DESIGN

FAULT DETECTION

FAULT DIAGNOSIS

FAULT MANAGING

DEPENDABILITYof

STRUCTURALSYSTEMS

AVAILABILITY

SAFETY

MAINTAINABILITY

permanent interruption of a system ability

to perform a required function

under specified operating conditions

the system is in an incorrect state:

it may or may not cause failure

it is a defect and represents a

potential cause of error, active or dormant

INTEGRITY

ways to increase

the dependability of a system

An understanding of the things

that can affect the dependability

of a system

A way to assess

the dependability of a system

the trustworthiness

of a system which allows

reliance to be justifiably placed

on the service it delivers

SECURITY

High level / activeperformance

Low level / passiveperformance

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

B.,

Dependability and its threats:

a taxonomy,

18th IFIP

World Computer Congress,

Toulouse (France) 2004.

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ATTRIBUTES

RELIABILITY

AVAILABILITY

SAFETY

MAINTAINABILITY

INTEGRITY

SECURITY

FAILURE

ERROR

FAULT

permanent interruption of a system ability

to perform a required function

under specified operating conditions

the system is in an incorrect state:

it may or may not cause failure

it is a defect and represents a

potential cause of error, active or dormant

THREATS

Structural Robustness (1)

66

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

66

Page 67: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

67

Structural Robustness (2)

• Capacity of a construction to show a regular decrease of its structural quality due to negative causes. It implies:

a) some smoothness of the decrease of structural performance due to negative events (intensive feature);

b) some limited spatial spread of the rupture (extensive feature).

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

67

Page 68: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

68

Levels of Structural Crisis

Us

ual

UL

S &

SL

SV

eri

fica

tio

nF

orm

at

Structural RobustnessAssessment

1st level:Material

Point

2nd level:ElementSection

3rd level:StructuralElement

4th level:StructuralSystem

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

68

Page 69: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

69

Bad vs Good Collapses

STRUCTURE& LOADS

CollapseMechanism

NO SWAY

“IMPLOSION”OF THE

STRUCTURE

“EXPLOSION”OF THE

STRUCTURE

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

is a processNOT CONFINED

SWAY

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

69

Page 70: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

70

Design Strategy #1: Continuityw

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

70

Page 71: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

71

Design Strategy #2: Segmentationw

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

71

Page 72: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

72

Esempio di valutazionedi roubustezza strutturale

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 73: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

7373

Esempio: edificio altow

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 74: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

74

Analisi di un componente tipico

D0

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 75: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

75D1 D2

Scenari (1-2)w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 76: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

76D3 D4

Scenari (3-4)w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 77: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

77

Modalità di collasso (1-2)

D1 D2

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 78: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

78

Modalità di collasso (3-4)

D3 D4

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 79: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

79

Sintesi dei risultati: elemento critico

0

4

Lo scenario D4è quello più cattivo:

l’elemento strutturalecritico individuato è lacolonna più esterna!

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 80: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

80

Modellazione edificio alto

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 81: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

81

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 82: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

82

Scenario 1

(1 asta eliminata)

Scenario 2

(3 aste eliminate)

Scenario 3

(5 aste eliminate)

Scenario 4

(7 aste eliminate)

Scenari di danneggiamentow

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 83: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

83

Collasso secondo scenario 1w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 84: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

84

Collasso secondo scenario 2w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 85: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

85

Collasso secondo scenario 3w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 86: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

86

Collasso secondo scenario 4w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 87: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

87

Moltiplicatore Ultimo e sua variazione

4,053,57

3,192,64 2,40

0,480,86

1,41 1,65

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

D0 D1 D2 D3 D4

Scenario di danneggiamento

u Delta F

F

Sintesi dei risultati

Δ u

u

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

Page 88: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

88

AZIONENatura dell’azione incendio

Carattere accidentaleCarattere estensivoCarattere intensivo

3w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

88

Page 89: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

89

Aspetti caratteristici dell’incendio

• Carattere estensivo

(diffusione nello spazio):1.wildfire

2.urbanfire

3.all’esterno di una costruzione

4.all’interno di una costruzione

• Carattere intensivo

(andamento nel tempo).

• Natura accidentale.

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

89

Page 90: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

90

Carattere intensivo

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

90

Page 91: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

91

ISO 13387: Example of Design Firew

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

91

Page 92: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

92

Andamento nel tempo potenza termicaw

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

92

Page 93: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

93

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

93

Page 94: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

94

flash

ove

rSTRATEGIE

ATTIVE(approcciosistemico)

STRATEGIEPASSIVE(approcciostrutturale)

Tempo t

Te

mpera

tura

T(t

)

andamento di T(t) aseguito del successodelle strategie attive

flash

ove

rSTRATEGIE

ATTIVE(approcciosistemico)

STRATEGIEPASSIVE(approcciostrutturale)

Tempo t

Te

mpera

tura

T(t

)

andamento di T(t) aseguito del successodelle strategie attive

Strategiew

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

94

Page 95: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

95

FLASHOVER

passive

Create fire compartments

Prevent damage in the elements

Prevent loss of functionality in the building

active

Detection measures(smoke, heat, flame detectors)

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

Smoke and heat evacuation system

prevention protection robustness

Limit ignitionsources

Limit hazardous human behavior

Emergency procedure and evacuation

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

Fire Safety Strategies

systemic structural

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

95

Page 96: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

96

activeprotection

passiveprotection

no failures

doesn’t trigger

Y

N

Y

N

spreads

extinguishes

damages

Y

Nrobustness

no collapse

collapse

Y

N

triggers

prevention1 42 3

Fire Safety Strategies

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

96

Page 97: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

97

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

97

Page 98: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

98

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

98

Page 99: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

99

SnakeFighterw

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

99

Page 100: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

100

Carattere estensivo

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

100

Page 101: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

101

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

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

101

Page 102: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

102

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

102

Page 103: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

103

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

103

Page 104: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

104

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

104

Page 105: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

105

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

105

Page 106: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

106

Windsor Hotel Madridw

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

106

Page 107: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

107

Natura accidentale

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

107

Page 108: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

108

Situazioni HPLC

High Probability Low Consequences

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

108

Page 109: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

109

LPHC events

Low Probability High Consequences

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

109

Page 110: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

110

HPLCHigh Probability

Low Consequences

LPHCLow Probability

High Consequences

release of energy SMALL LARGE

numbers of breakdown SMALL LARGE

people involved FEW MANY

nonlinearity WEAK STRONG

interactions WEAK STRONG

uncertainty WEAK STRONG

decomposability HIGH LOW

course predictability HIGH LOW

HPLC vs LPHC events

110

Page 111: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

111

Approcci di analisi

HPLCEventi Frequenti con

Conseguenze Limitate

LPHCEventi Rari con

Conseguenze Elevate

Complessità:Aspetti non lineari e

Meccanismi di interazioni

Impostazionedel problema:

DETERMINISTICA

STOCASTICA

ANALISIQUALITATIVA

DETERMINISTICA

ANALISIQUANTITATIVAPROBABILISTICA

ANALISIPRAGMATICACON SCENARI

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

111

Page 112: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

112

CAPITOLO 2:SICUREZZA

EPRESTAZONI

ATTESE

QUALITA’

CAPITOLO 3:AZIONI

AMBIENTALI

CAPITOLO 6:AZIONI

ANTROPICHE

CAPITOLO 4:AZIONI

ACCIDENTALI

DOMANDA

CAPITOLO 5:NORMESULLE

COSTRUZIONI

CAPITOLO 7:NORME PER LE

OPEREINTERAGENTI

CON I TERRENI ECON LE ROCCE,

PER GLIINTERVENTI NEITERRENI E PERLA SICUREZZA

DEI PENDII

CAPITOLO 9:NORMESULLE

COSTRUZIONIESISTENTI

PRODOTTO

CAPITOLO 11:MATERIALI

EPRODOTTIPER USO

STRUTTURALE

CAPITOLO 10:NORME PER LAREDAZIONI DEI

PROGETTIESECUTIVI

CAPITOLO 8:COLLAUDO

STATICO

CONTROLLO

Italian Code for ConstructionsD.M. 14 settembre 2005

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

112

Page 113: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

113

Il Progettista, a seguito della classificazione e della caratterizzazione delle azioni,

deve individuare le possibili situazioni contingenti in cui le azioni possono

cimentare l’opera stessa. A tal fine, è definito:

lo scenario: un insieme organizzato e realistico di situazioni in cui l’opera

potrà trovarsi durante la vita utile di progetto;

lo scenario di carico: un insieme organizzato e realistico di azioni che

cimentano la struttura;

lo scenario di contingenza: l’identificazione di uno stato plausibile e

coerente per l’opera, in cui un insieme di azioni (scenario di carico) è

applicato su una configurazione strutturale.

Per ciascuno stato limite considerato devono essere individuati scenari di carico

(ovvero insiemi organizzati e coerenti nello spazio e nel tempo di azioni) che

rappresentino le combinazioni delle azioni realisticamente possibili e

verosimilmente più restrittive.

Scenari (D.M. 14 settembre 2005)w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

113

Page 114: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

114

Determine geometry, construction and use of the building

Establish maximum likely fuel loads

Estimate maximum likely number of occupants

and their locations

Assume certain fire protection

features

Carry out fire engineering analysis

Acceptable performance

Accept design

Modify fire protection

features

Establish performance requirements

No Yes

Bu

chanan,

200

2

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

114

Page 115: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

115

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

115

Page 116: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

116

SVILUPPODinamica degli incendi in galleria

Effetti della ventilazione

4w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

116

Page 117: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

117

FIRE DYNAMICS IN TUNNELS

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

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Stro N

GER

117

Page 118: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

118

Tunnel Fires vs Compartment Fires (0)

118

Page 119: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

119

Tunnel Fires Progression (1)w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

119

Page 120: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

120

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

120

Page 121: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

121

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

121

Page 122: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

122

Tunnel Fires Progression (2)w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

122

Page 123: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

123

Effects of ventilationw

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

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123

Page 124: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

124

Temperature developmentw

ww

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nco

bo

nte

mp

i.o

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Stro N

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124

Page 125: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

125

Smoke development

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

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

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

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

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

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

125

Page 126: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

126

Backlayeringw

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.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

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Page 127: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

127

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w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

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Page 128: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

128

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

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

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128

Page 129: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

129

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

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w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

129

Page 130: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

130

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

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w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

130

Page 131: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

131

EMERGENCY VENTILATION

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

131

Page 132: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

132

Smoke stratification w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

132

Page 133: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

133

Natural smoke venting

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

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

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Stro N

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133

Page 134: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

134

Smoke filling long tunnel w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

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Stro N

GER

134

Page 135: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

135

Emergency ventilation with longitudinal system

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

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

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Stro N

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135

Page 136: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

136

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w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

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Stro N

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136

Page 137: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

137

ww

w.f

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co

bo

nte

mp

i.o

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Stro N

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137

Page 138: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

138

k size factor for HGV firew

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

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138

Page 139: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

139

k size factor for small pool firew

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

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Page 140: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

140

Emergency ventilation with semi-transverse “point extraction” system

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

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

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Stro N

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140

Page 141: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

141

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

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Stro N

GER

141

Page 142: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

142

Observation: goal

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

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

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

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

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Page 143: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

143

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.

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

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rg

Stro N

GER

143

Page 144: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

144

Observations: turbulence

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

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

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

144

Page 145: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

145

Observation: fresh air

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

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

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

145

Page 146: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

146

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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w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

146

Page 147: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

147

Observation: traffic conditions

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

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

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

147

Page 148: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

148

Strategies

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co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

148

Page 149: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

149

Smoke extraction

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

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

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

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

149

Page 150: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

150

Tunnel with a single-point extraction system

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

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

150

Page 151: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

151

FIRE MODELING

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

151

Page 152: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

152

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w.f

ran

co

bo

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mp

i.o

rg

Stro N

GER

152

Page 153: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

153

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bo

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mp

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rg

Stro N

GER

153

Levels

Page 154: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

154

1Dw

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nco

bo

nte

mp

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rg

Stro N

GER

154

Page 155: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

155

1Dw

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nco

bo

nte

mp

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rg

Stro N

GER

155

Page 156: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

156

2D (zone model)w

ww

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nco

bo

nte

mp

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rg

Stro N

GER

156

Page 157: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

157

2D (zone model)w

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bo

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rg

Stro N

GER

157

Page 158: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

158

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Stro N

GER

158

Page 159: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

159

FDS Simulation3D (ventilation)

ww

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co

bo

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mp

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rg

Stro N

GER

159

Page 160: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

160

FDS Simulation3D (fire)

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co

bo

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mp

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rg

Stro N

GER

160

Page 161: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

161

3D (traffic)w

ww

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bo

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mp

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rg

Stro N

GER

161

Page 162: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

162

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co

bo

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mp

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rg

Stro N

GER

162

Page 163: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

163

Multiscalew

ww

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bo

nte

mp

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rg

Stro N

GER

163

Page 164: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

164

Multiscale (ventilation)w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

164

Page 165: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

165

Multiscale (fire)w

ww

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nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

165

Page 166: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

166

Multiscale (structural)w

ww

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nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

166

Page 167: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

167

Multiscale (structural)w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

167

Page 168: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

168

PROGETTOBasis

Failure path

Risk

5w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

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rg

Stro N

GER

168

Page 169: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

169

BASIS

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

169

Page 170: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

170

Design Process - ISO 13387

A. Design constraints and possibilities (blue),

B. Action definition and development

(red),

C. Passive system and active response(yellow),

D. Safety and performance

(purple).

3/22/2011

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

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rg

Stro N

GER

170

Page 171: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

171

SS0a

PRESCRIBEDDESIGN

PARAMETERS

SS0bESTIMATED

DESIGN

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SS1initiation and

developmentof fire and

fire efluent

SS2movement of

fire effluent

SS3

structural response and fire spread

beyond enclosureof origin

SS4

detection,

activitation andsuppression

SS5

life safety:occupant behavior,

location andcondition

SS6

propertyloss

SS7business

interruption

SS8contamination

of

environment

SS9

destruction

ofheritage

(0)

DESIGNCONSTRAINTS

AND

POSSIBILITIES

(1+2)ACTION

DEFINITION

ANDDEVELOPMENT

(3+4)

SYSTEMPASSIVE

AND ACTIVERESPONSE

BU

S O

F I

NF

OR

MA

TIO

N

RESULTS

DESIGN

ACTION

SA

FE

TY

& P

ER

FO

RM

AN

CE

FSEw

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mp

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rg

Stro N

GER

171

DESIGN

RESPONSE

Page 172: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

172

STRUCTURAL

CONCEPTION

STRUCTURAL TOPOLOGY

&

GEOMETRY

threats

No

Yes

threats

STRUCTURALMATERIAL

& PARTS

No

Yespassive structural

characteristics

threats

FIRE DETECTION

& SUPPRESSION

No

Yes

active structural

characteristics

threats

ORGANIZATION &

FIREFIGHTERS

No

Yes

threats

MAINTENANCE& USE

No

Yes

threats

No

alivestructural

characteristics

Yes

STRUCTURAL SYSTEM

CHARACTERISTICS

STRUCTURALSYSTEM

WEAKNESS

ww

w.f

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co

bo

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mp

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rg

Stro N

GER

172

Page 173: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

173

STRUCTURAL

CONCEPTION

STRUCTURAL TOPOLOGY

&

GEOMETRY

threats

No

Yes

threats

STRUCTURALMATERIAL

& PARTS

No

Yespassive structural

characteristics

threats

No

Yes

STRUCTURAL CONCEPTION

STRUCTURAL TOPOLOGY

&

GEOMETRY

threats

No

Yes

threats

STRUCTURALMATERIAL

& PARTS

No

Yespassive

structural

characteristics

threats

FIRE DETECTION

& SUPPRESSION

No

Yes

active

structural characteristics

threats

ORGANIZATION & FIREFIGHTERS

No

Yes

threats

MAINTENANCE

& USE

No

Yes

threats

No

alivestructural

characteristics

Yes

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

173

Page 174: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

174

FIRE DETECTION

& SUPPRESSION

No

active structural

characteristics

threats

ORGANIZATION &

FIREFIGHTERS

No

Yes

threats

MAINTENANCE& USE

No

Yes

threats

No

alivestructural

characteristics

Yes

STRUCTURAL CONCEPTION

STRUCTURAL TOPOLOGY

&

GEOMETRY

threats

No

Yes

threats

STRUCTURALMATERIAL

& PARTS

No

Yespassive

structural

characteristics

threats

FIRE DETECTION

& SUPPRESSION

No

Yes

active

structural characteristics

threats

ORGANIZATION & FIREFIGHTERS

No

Yes

threats

MAINTENANCE

& USE

No

Yes

threats

No

alivestructural

characteristics

Yes

3/22/2011 174PROGETTAZIONE STRUTTURALE

ANTINCENDIO

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

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rg

Stro N

GER

174

Page 175: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

175

Fire fighting timeline w

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

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rg

Stro N

GER

175

Page 176: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

176

STRUCTURAL

CONCEPTION

STRUCTURAL

TOPOLOGY&

GEOMETRY

STRUCTURAL

MATERIAL& PARTS

FIRE DETECTION& SUPPRESSION

ORGANIZATION & FIREFIGHTERS

MAINTENANCE

& USE

CRISIS

ww

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bo

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mp

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rg

Stro N

GER

176

Page 177: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

177IN

-DEPTH

DEFE

NCE

FAILURE PATHw

ww

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bo

nte

mp

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rg

Stro N

GER

177

Page 178: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

178

Controlled vs. Uncontrolled Eventsw

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

178

Page 179: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

179

Controlled vs. Uncontrolled Eventsw

ww

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nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

179

Page 180: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

180

Fire safety concepts tree (NFPA)1

2

3

4

5

6

7

8

9

Bu

chanan,

200

2

Strategie perla gestione

dell'incendio

1

Prevenzione

2

Gestionedell'evento

3

Gestionedell'incendio

4Gestione delle

persone edei beni

15

Difesa sul posto16

Spostamento17

Disposibilitàdelle vie di fuga

18

Far avvenireil deflusso

19

Controllo della quantità

di combustibile

5

Soppressione

dell'incendio

10Controllo

dell'incendio

attraverso ilprogetto

13

Automatica11

Manuale12

Controllo deimateriali

presenti

6Controllo

del movimento

dell'incendio

7Resistenza e

stabilità

strutturale

14

Contenimento9

Ventilazione8

ww

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co

bo

nte

mp

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rg

Stro N

GER

180

Page 181: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

181

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Strategie perla gestione

dell'incendio

1

Prevenzione

2

Gestionedell'evento

3

Gestionedell'incendio

4Gestione delle

persone edei beni

15

Difesa sul posto16

Spostamento17

Disposibilitàdelle vie di fuga

18

Far avvenireil deflusso

19

Controllo della quantità

di combustibile

5

Soppressione

dell'incendio

10Controllo

dell'incendio

attraverso ilprogetto

13

Automatica11

Manuale12

Controllo deimateriali

presenti

6Controllo

del movimento

dell'incendio

7Resistenza e

stabilità

strutturale

14

Contenimento9

Ventilazione8

Fire safety concepts tree (NFPA)

Bu

chanan,

200

2

ww

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bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

181

Page 182: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

182

Basis of tunnel fire safety design

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

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

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

3. Effective action by the rescue forces.

4. Protection of the environment.

5. Limitation of the material and structural damage.

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

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w.f

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co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

182

Page 183: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

183

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bo

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mp

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rg

Stro N

GER

183

Page 184: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

184

RISK CONCERN

ww

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co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

184

Page 185: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

185

Risk treatment

Option 1 :

RISK AVOIDANCE

Option 2 :

RISK REDUCTION

Option 3 :RISK

TRANSFER

Option 4 :RISK

ACCEPTANCE

START

STOP

No

No

No

Yes

Yes

Yes

No

100 %

50 %

50 %

30 %

20 %

25 %

5 %

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

185

Page 186: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

186

Option 1 Risk avoidance, which usually means not proceeding to continue with the system; this is not always a feasible option, but may be the only course of action if the hazard or their probability of occurrence or both are particularly serious;

Option 2 Risk reduction, either through (a) reducing the probability of occurrence of some events, or (b) through reduction in the severity of the consequences, such as downsizing the system, or (c) putting in place control measures;

Option 3 Risk transfer, where insurance or other financial mechanisms can be put in place to share or completely transfer the financial risk to other parties; this is not a feasible option where the primary consequences are not financial;

Option 4 Risk acceptance, even when it exceeds the criteria, but perhaps only for a limited time until other measures can be taken.

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

186

Page 187: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

187

Quantitative Risk Analysis

Luur,

200

2

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

187

Page 188: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

188

Risk Analysis, Assessment, Management (IEC 1995)

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

188

Page 189: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

189

RISK CONCERNS

DEFINE CONTEXT

(social, individual, political, organizational,

technological)

RSK ANALYSIS

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

occurences)

RISK ASSESSMENT(compare risks

against criteria)

RISK TREATMENT

option 1 - avoidance option 2 - reduction

option 3 - transfer

option 4 - acceptance

MONITORAND

REVIEW

RISKMANAGEMENT

RISKANALYSIS

RISKASSESSMENT

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

189

Page 190: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

190

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

190

Page 191: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

191

SCENARIOS

DEFINE SYSTEM

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

components)

HAZARD SCENARIO ANALYSIS

(what can go wrong?

how can it happen?waht controls exist?)

ESTIMATE

CONSEQUENCES(magnitude)

ESTIMATE

PROBABILITIES(of occurrences)

DEFINE RISK SCENARIOS

SENSITIVITY ANALYSIS

RISKANALYSIS

FIREEVENT

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

191

Page 192: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

192

ISHIKAWA DIAGRAMw

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

192

Page 193: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

193

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

193

Page 194: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

194

EVENT TREE

Triggering event

Fireignition

1. Fireextinguished by personnel

2. Intrusion of fire fighters

Arson

Explosion

Short circuit

Cigarette fire

YES (P1)

NO (1-P1)YES (P2)

NO (1-P2)

Scenario

Other

A1

A2

A3

A4

A5

3. Fire suppression

YES (P3)NO (1-P3)

YES (P3)NO (1-P3)

Firelocation

AREA A(PA)

YES (P1)

NO (1-P1) YES (P2)

NO (1-P2)

B1

B2

B3

B4

B5

YES (P3)NO (1-P3)

YES (P3)NO (1-P3)

AREA B(PB)

YES (P1)

NO (1-P1) YES (P2)

NO (1-P2)

C1

C2

C3

C4

C5

YES (P3)NO (1-P3)

YES (P3)NO (1-P3)

AREA C(PC)

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

194

PREPARAZIONE EVOLUZIONE

Page 195: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

195

DEFINE SYSTEM

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

components)

HAZARD SCENARIO ANALYSIS

(what can go wrong?

how can it happen?waht controls exist?)

ESTIMATE

CONSEQUENCES(magnitude)

ESTIMATE

PROBABILITIES(of occurrences)

DEFINE RISK SCENARIOS

SENSITIVITY ANALYSIS

RISKANALYSIS

NUMERICALMODELING

SIMULATIONSw

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

195

Page 196: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

196

ww

w.f

ran

co

bo

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mp

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Stro N

GER

196

Page 197: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

197

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w.f

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bo

nte

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i.o

rg

Stro N

GER

197

Page 198: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

198

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w.f

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co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

198

Page 199: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

199

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.

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

199

Page 200: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

200

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

ww

.fra

nco

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

200

Page 201: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

201

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

Example. Lund, 2002

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

201

Page 202: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

202

Risk acceptance – ALARP (1)

RISK MAGNITUDE

INTOLERABLEREGION

AsLowAsReasonablyPracticable

BROADLY ACCEPTABLEREGION

Risk cannot be justified in any circumstances

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

Tolerable if cost of reduction would exceed the improvements gained

Necessary to maintain assurance that the risk remains at this level

AsLowAsReasonablyAchievable

RISK MAGNITUDE

INTOLERABLEREGION

AsLowAsReasonablyPracticable

BROADLY ACCEPTABLEREGION

Risk cannot be justified in any circumstances

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

Tolerable if cost of reduction would exceed the improvements gained

Necessary to maintain assurance that the risk remains at this level

AsLowAsReasonablyAchievable

ww

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co

bo

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rg

Stro N

GER

202

Page 203: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

203

Risk acceptance – ALARP (2)w

ww

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bo

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mp

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Stro N

GER

203

Page 204: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

204

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bo

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Stro N

GER

204

Page 205: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

205

Risk reduction by designw

ww

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nco

bo

nte

mp

i.o

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Stro N

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Page 206: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

206

Monetary values – cost of human life (!)

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

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

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Page 207: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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RESISTENZA

6w

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Page 208: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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The burnt out interior of the Mont Blanc Tunnel

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Page 209: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Curve temperatura - tempo

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Page 210: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Types of fire exposure for tunnel analysis

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 30 60 90 120 150 180

Tem

per

atu

re (

°C)

Time (min.)

Cellulosic Hydrocarbon Hydrocarbon modified

RABT-ZTV train RABT-ZTV car RWS

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Page 211: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Cellulosic curve

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

• This curve is the lowest used in normal practice.

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

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Page 212: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Hydrocarbon (HC) curve

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

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

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Page 213: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Hydrocarbon mod. (HCM) curve

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

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

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

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Page 214: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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RABT ZTV curves

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

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

RABT-ZTV (train)Time (minutes) T (°C)

0 155 120060 1200

170 15RABT-ZTV (car)

Time (minutes) T (°C)

0 155 120030 1200

140 15

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Page 215: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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RWS (Rijkswaterstaat) curve

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

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

RWS, RijksWaterStaatTime

(minutes) T

(°C) 0 203 8905 1140

10 120030 130060 135090 1300120 1200180 1200

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Page 216: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Page 217: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Page 218: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

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

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Page 219: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Page 220: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Page 221: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Fire Scenario Recommendationw

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Page 222: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Verifiche

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Page 223: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

223

Mechanical Analysis

• The mechanical analysis shall be performed for the same duration as used in the temperature analysis.

• Verification of fire resistance should be in:– in the strength domain: Rfi,d,t ≥ Efi,requ,t

(resistance at time t ≥ load effects at time t);– in the time domain: tfi,d ≥ tfi,requ

(design value of time fire resistance ≥time required)

– In the temperature domain: Td ≤ Tcr

(design value of the material temperature ≤critical material temperature);

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Page 224: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Verification of fire resistance (3D)

R = structural resistance

T = temperature

t = time

T=T(t)

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

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Page 225: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Verification of fire resistance (R-safe)

R = structural resistance

T = temperature

t = time

Rfi,d,t

Efi,requ,t

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Page 226: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Verification of fire resistance (R-fail)

R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !ww

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Page 227: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Verification of fire resistance (t)

R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t Rfi,d,t

Failure !

tfi,d ≥ tfi,requ

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Page 228: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Verification of fire resistance (T)

R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !

Td ≤ Tcr

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Page 229: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Verification of fire resistance (T)

R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !

Td ≤ Tcr

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Page 230: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Comportamenti termo-meccanici

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Page 231: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Trasformazione del calcestruzzo alle alte temperature

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Page 232: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Parametri per la relazione tensioni-deformazioni

per il calcestruzzo ad elevate temperature.

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Page 233: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

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Page 234: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

aggregato siliceo con la temperatura

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Page 235: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Relazioni tensioni-deformazioni per acciai da calcestruzzo armato ordinario

laminati a caldo ad elevate temperature

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Page 236: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

laminati a caldo, a temperature elevate

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Page 237: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Spalling

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

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

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

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

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

•Strength loss due to chemical transitions during heating.

www.francobontempi.org

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Page 238: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

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

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

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

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

Spalling criteria (literature review)

www.francobontempi.org

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Page 239: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Page 241: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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CONCLUSIONIConceptual design

Resilience

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Conceptual Designw

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Page 244: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Conceptual Design

MULTI-HAZARD

BLACK-SWAN

DISASTER CHAIN

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Page 245: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Flow chart

Tabella dotazioni Frejùs

Forensic Engineeringw

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Resiliencew

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Page 247: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Resilience

• Resilience is defined as

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

or as

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

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Page 248: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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RESILIENCE

www.francobontempi.org

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ACKNOWLEDGEMENTS

• Dr. Konstantinos GKOUMAS – Uniroma1

• Dr. Francesco PETRINI – Uniroma1

• Ing. Alessandra LO CANE – MIT

• Dr. Filippo GENTILI – Coimbra (PT)

• Mr. Tiziano BARONCELLI – Uniroma1

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Page 251: Approccio sistemico per la sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Stro N

GERwww.stronger2012.com

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

Energy Harvesting and Resilience

Roma – Milano – Terni – Atene - Nice Cote Azur

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

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GERwww.stronger2012.com

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