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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 FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale Antincendio 1
205

PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Jan 16, 2017

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Page 1: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

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Page 2: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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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Antincendio

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OGGETTOCaratteristiche delle gallerie

Geometrie

Impianti

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GEOMETRIE

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Tipo A - autostrade w

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Page 7: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Tipo B – extraurbane principaliw

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Page 8: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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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Page 20: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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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Page 21: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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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Page 22: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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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Page 25: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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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Page 26: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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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Page 30: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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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Page 32: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Ventilation unit

Air extraction

Ventilation unit

Supply of fresh air

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Progettazione Strutturale

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Page 34: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

COMPLESSITA’Approccio prestazionale

Modellazione

Sicurezza

2w

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Page 35: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

LOO

SE

co

up

lings

TIG

HT

LINEAR interactions NONLINEAR

System Complexity (Perrow)w

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Page 36: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

APPROCCIO PRESTAZIONALE

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Page 38: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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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Prescrittivo (2)w

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Page 40: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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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Page 41: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Prestazionale (2)w

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Page 42: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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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Page 45: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

MODELLI

NUMERICI

MODELLI

FISICI

RISPETTO DI

PRESCRIZIONI

livello

1OBIETTIVI

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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Page 46: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

MODELLI

NUMERICI

MODELLI

FISICI

RISPETTO DI

PRESCRIZIONI

livello

1OBIETTIVI

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

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Page 47: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

MODELLAZIONE

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Page 48: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Factors for Coupling

MECHANICAL

STATE

(Strain and Stress

Fields and

Mechanical related

Properties)

TERMAL

STATE(Temperature Field

and Termic Related

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INFORMATION

FLOW DIRECTION

time

tK

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Page 49: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Fully Coupled Scheme

time

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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

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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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Page 50: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Staggered Coupled Scheme

time

tK

TERMAL

STATE(Temperature Field

and Termic Related

Properties)

MECHANICAL

STATE

(Strain and Stress

Fields and

Mechanical related

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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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Page 51: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Temperature Driven Scheme

time

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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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Page 52: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Scheme With No Memory

time

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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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Page 53: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

NUMERICAL

MODELING

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Page 59: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Analysis Strategy #1:

Sensitivity governance of priorities

ww

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Page 60: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Analysis Strategy #2:

Bounding behavior governance

p

(p)

p

(p)

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Page 61: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Super

ControlloreProblema Risultato

Solutore #1

Solutore #2

Voting System

Analysis Strategy #3:

Redundancy Governance

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Page 62: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

SICUREZZA

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Page 63: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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.

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

63

Page 64: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015

Page 65: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

65

Page 66: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Levels of Structural Crisis

Usu

al

UL

S &

SL

S

Ve

rifi

ca

tio

n F

orm

at

Structural Robustness

Assessment

1st level:

Material

Point

2nd level:

Element

Section

3rd level:

Structural

Element

4th level:

Structural

System

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 66

Page 67: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015

Page 68: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Design Strategy #1: Continuityw

ww

.fra

nc

ob

on

tem

pi.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

68

Page 69: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Design Strategy #2: Segmentationw

ww

.fra

nc

ob

on

tem

pi.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

69

Page 70: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

AZIONENatura dell’azione incendio

Carattere accidentale

Carattere estensivo

Carattere intensivo

3w

ww

.fra

nc

ob

on

tem

pi.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

70

Page 71: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

71

Page 72: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Carattere intensivo

ww

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co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

72

Page 73: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

ISO 13387: Example of Design Firew

ww

.fra

nc

ob

on

tem

pi.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

73

Page 74: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

74

Page 75: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

fla

sho

ver

STRATEGIE

ATTIVE

(approccio

sistemico)

STRATEGIE

PASSIVE

(approccio

strutturale)

Tempo t

Tem

pera

tura

T(t

)

andamento di T(t) a

seguito del successo

delle strategie attive

fla

sho

ver

STRATEGIE

ATTIVE

(approccio

sistemico)

STRATEGIE

PASSIVE

(approccio

strutturale)

Tempo t

Tem

pera

tura

T(t

)

andamento di T(t) a

seguito del successo

delle strategie attive

Strategiew

ww

.fra

nc

ob

on

tem

pi.o

rg

Stro N

GER

75

Page 76: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

76

Page 77: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

77

Page 78: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

78

Page 79: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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co

bo

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mp

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

79

Page 80: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

SnakeFighter w

ww

.fra

nc

ob

on

tem

pi.o

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

80

Page 81: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

SVILUPPODinamica degli incendi in galleria

Effetti della ventilazione

4w

ww

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nc

ob

on

tem

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Stro N

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

81

Page 82: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

FIRE DYNAMICS IN TUNNELS

ww

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bo

nte

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Stro N

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

82

Page 83: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

83

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co

bo

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Stro N

GER

Page 84: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Tunnel Fires vs Compartment Fires (0)

84

Page 85: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Tunnel Fires Progression (1)w

ww

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nc

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on

tem

pi.o

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Stro N

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

85

Page 86: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Stro N

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

86

Page 87: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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FB - Dicembre 2015 87

Page 88: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Tunnel Fires Progression (2)w

ww

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on

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 88

Page 89: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Effects of ventilationw

ww

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ob

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tem

pi.o

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Stro N

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

89

Page 90: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Temperature developmentw

ww

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nc

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on

tem

pi.o

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Stro N

GER

Page 91: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

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Stro N

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

91

Page 92: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Backlayeringw

ww

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on

tem

pi.o

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Stro N

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

92

Page 93: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

ww

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i.o

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 93

Page 94: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

GER

FB - Dicembre 2015 94

Page 95: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

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Page 96: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Maximum gas temperatures in the cross section

of the tunnel during tests with road vehicles

ww

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Stro N

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

96

Page 97: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

EMERGENCY VENTILATION

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co

bo

nte

mp

i.o

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

97

Page 98: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Smoke stratification w

ww

.fra

nc

ob

on

tem

pi.o

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

98

Page 99: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

• It can be sufficient in short, level tunnels

where smoke stratification allows for

escape in clear/tenable conditions.

Natural smoke ventingw

ww

.fra

nc

ob

on

tem

pi.o

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

99

Page 100: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Smoke filling long tunnel w

ww

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tem

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

100

Page 101: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

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i.o

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Stro N

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

101

Page 102: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

ww

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co

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Stro N

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

102

Page 103: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Stro N

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FB - Dicembre 2015 103

Page 104: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

k size factor for small pool firew

ww

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

104

Page 105: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

k size factor for HGV firew

ww

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ob

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pi.o

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

105

Page 106: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

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i.o

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

106

Page 107: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

ww

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co

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 107

Page 108: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

i.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

108

Page 109: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

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co

bo

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mp

i.o

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Stro N

GER

Progettazione Strutturale

Antincendio

109

Page 110: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

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i.o

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Stro N

GER

110

Page 111: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

111

Page 112: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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.

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

112

Page 113: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

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co

bo

nte

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i.o

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Stro N

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

113

Page 114: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Strategies

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

114

Page 115: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

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co

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i.o

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

115

Page 116: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

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Stro N

GER

116

Page 117: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

117

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w.f

ran

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Stro N

GER

Page 118: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

FIRE MODELING

ww

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ran

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bo

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Stro N

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

118

Page 119: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

ww

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ran

co

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i.o

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Stro N

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119

Page 120: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

ww

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ran

co

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i.o

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GER

Levels

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

120

Page 121: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

1Dw

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ob

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pi.o

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Stro N

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

121

Page 122: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

1Dw

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Stro N

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

122

Page 123: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

2D (zone model)w

ww

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nc

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tem

pi.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

123

Page 124: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

2D (zone model)w

ww

.fra

nc

ob

on

tem

pi.o

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Stro N

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

124

Page 125: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

ww

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ran

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bo

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mp

i.o

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Progettazione Strutturale

Antincendio

125

Page 126: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

FDS Simulation3D (ventilation)

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

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Page 127: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

FDS Simulation3D (fire)

ww

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ran

co

bo

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Stro N

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

127

Page 128: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

3D (traffic)w

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ob

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tem

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

128

Page 129: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

ww

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ran

co

bo

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mp

i.o

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Stro N

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129

Page 130: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Multiscalew

ww

.fra

nc

ob

on

tem

pi.o

rg

Stro N

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

130

Page 131: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Multiscale (ventilation)w

ww

.fra

nc

ob

on

tem

pi.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

131

Page 132: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Multiscale (fire)w

ww

.fra

nc

ob

on

tem

pi.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

132

Page 133: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Multiscale (structural)w

ww

.fra

nc

ob

on

tem

pi.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

133

Page 134: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Multiscale (structural)w

ww

.fra

nc

ob

on

tem

pi.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

134

Page 135: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

PROGETTOBasis

Failure path

Risk

5w

ww

.fra

nc

ob

on

tem

pi.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

135

Page 136: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

BASIS

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

136

Page 137: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

i.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

137

Page 138: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

BU

S O

F I

NF

OR

MA

TIO

N

RESULTS

DESIGN

ACTION

RESPONSE

SA

FE

TY

& P

ER

FO

RM

AN

CE

FSEw

ww

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nc

ob

on

tem

pi.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

138

Page 139: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 139

Page 140: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

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

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 140

Page 141: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

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

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 141

Page 142: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Fire fighting timeline w

ww

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nc

ob

on

tem

pi.o

rg

Stro N

GER

142

Page 143: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

STRUCTURAL

CONCEPTION

STRUCTURAL

TOPOLOGY

&

GEOMETRY

STRUCTURAL

MATERIAL

& PARTS

FIRE DETECTION

& SUPPRESSION

ORGANIZATION &

FIREFIGHTERS

MAINTENANCE

& USE

CRISIS

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 143

Page 144: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

HAZARD

IN-D

EPTH

DEFE

NCE

HOLES DUE TO

ACTIVE ERRORS

HOLES DUE TO

HIDDEN ERRORS

FAILURE PATHw

ww

.fra

nc

ob

on

tem

pi.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 144

Page 145: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Controlled vs. Uncontrolled Eventsw

ww

.fra

nc

ob

on

tem

pi.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 145

Page 146: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Controlled vs. Uncontrolled Eventsw

ww

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nc

ob

on

tem

pi.o

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Stro N

GER

146

Page 147: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

4Gestione 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

10Controllo

dell'incendio

attraverso il

progetto

13

Automatica

11

Manuale

12

Controllo dei

materiali

presenti

6Controllo

del movimento

dell'incendio

7Resistenza e

stabilità

strutturale

14

Contenimento

9

Ventilazione

8

ww

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co

bo

nte

mp

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Stro N

GER

147

Page 148: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

4Gestione 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

10Controllo

dell'incendio

attraverso il

progetto

13

Automatica

11

Manuale

12

Controllo dei

materiali

presenti

6Controllo

del movimento

dell'incendio

7Resistenza e

stabilità

strutturale

14

Contenimento

9

Ventilazione

8

Fire safety concepts tree (NFPA)

Buchanan,

2002

ww

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ran

co

bo

nte

mp

i.o

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Stro N

GER

148

Page 149: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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.

ww

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ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

149

Page 150: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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co

bo

nte

mp

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 150

Page 151: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

RISK CONCERN

ww

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co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

151

Page 152: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Risk treatmentw

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nc

ob

on

tem

pi.o

rg

Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 152

Page 153: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

153

Page 154: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Quantitative Risk Analysis

Luur,

2002

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co

bo

nte

mp

i.o

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

154

Page 155: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Risk Analysis, Assessment, Management

(IEC 1995)

ww

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ran

co

bo

nte

mp

i.o

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 155

Page 156: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

ww

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co

bo

nte

mp

i.o

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

156

Page 157: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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co

bo

nte

mp

i.o

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Stro N

GER

Progettazione Strutturale

Antincendio

157

Page 158: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

ww

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co

bo

nte

mp

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

158

Page 159: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

ISHIKAWA DIAGRAMw

ww

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nc

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on

tem

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

159

Page 160: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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)

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

PREPARAZIONE EVOLUZIONE160

Page 161: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

SIMULATIONSw

ww

.fra

nc

ob

on

tem

pi.o

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

161

Page 162: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

162

Page 163: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

163

Page 164: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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i.o

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

164

Page 165: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

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ran

co

bo

nte

mp

i.o

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

165

Page 166: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

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nc

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tem

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Stro N

GER

166

Page 167: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Persson, M. Quantitative Risk Analysis Procedure for

the Fire Evacuation of a Road Tunnel - An Illustrative

Example. Lund, 2002

ww

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co

bo

nte

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i.o

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

167

Page 168: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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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co

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

168

Page 169: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Risk acceptance – ALARP (2)w

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Stro N

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

169

Page 170: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Stro N

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

170

Page 171: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Risk reduction by designw

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on

tem

pi.o

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Stro N

GER

171

Page 172: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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.

ww

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ran

co

bo

nte

mp

i.o

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Stro N

GER

172

Page 173: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

RESISTENZA

6w

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

173

Page 174: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

The burnt out interior

of the Mont Blanc Tunnel

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i.o

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Stro N

GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

174

Page 175: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Curve temperatura - tempo

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Stro N

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

175

Page 176: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Types of fire exposure

for tunnel analysis

ww

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co

bo

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Stro N

GER

176

Page 177: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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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co

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i.o

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Stro N

GER

177

Page 178: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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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co

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i.o

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Stro N

GER

178

Page 179: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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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co

bo

nte

mp

i.o

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Stro N

GER

Page 180: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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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co

bo

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

180

Page 181: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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

ww

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co

bo

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mp

i.o

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Stro N

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Page 182: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Page 183: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

183

Page 184: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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.

ww

w.f

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co

bo

nte

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Progettazione Strutturale

Antincendio

184

Page 185: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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185Progettazione Strutturale

Antincendio

FB - Dicembre 2015

Page 186: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Fire Scenario Recommendationw

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nc

ob

on

tem

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GER

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

186

Page 187: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Verifiche

ww

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co

bo

nte

mp

i.o

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FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

187

Page 188: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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);

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

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Antincendio

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Page 189: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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)

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

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Page 190: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Verification of fire resistance (R-safe)

R = structural resistance

T = temperature

t = time

Rfi,d,t

Efi,requ,t

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

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Page 191: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Verification of fire resistance (R-fail)

R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !ww

w.f

ran

co

bo

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mp

i.o

rg

Stro N

GER

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Page 192: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Verification of fire resistance (t)

R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t Rfi,d,t

Failure !

tfi,d ≥ tfi,requ

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

192

Page 193: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Verification of fire resistance (T)

R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !

Td ≤ Tcr

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

193

Page 194: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Verification of fire resistance (T)

R = structural resistance

T = temperature

t = time

Efi,requ,t

Rfi,d,t

Failure !

Td ≤ Tcr

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

i.o

rg

Stro N

GER

194

Page 195: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

ww

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co

bo

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Antincendio

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Page 196: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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Antincendio

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Page 197: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

CONCLUSIONIConceptual design

Resilience

7w

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nc

ob

on

tem

pi.o

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Antincendio

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Page 198: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Conceptual Designw

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nc

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tem

pi.o

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Stro N

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Antincendio

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Page 199: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Conceptual Design

MULTI-HAZARD

BLACK-SWAN

DISASTER CHAIN

ww

w.f

ran

co

bo

nte

mp

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Stro N

GER

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Page 200: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Flow chart

Tabella dotazioni Frejùs

Forensic Engineering

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Page 201: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

Resilience

FB - Dicembre 2015 Progettazione Strutturale

Antincendio

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Page 202: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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".

ww

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bo

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Antincendio

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Page 203: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

RESILIENCE

www.francobontempi.org

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Antincendio

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Page 204: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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 205: PSA - Sicurezza delle gallerie in caso di incendio

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GERwww.stronger2012.com

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Antincendio

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