RISK-INFORMED STRUCTURAL PERFORMANCE OF CRITICAL INFRASTRUCTURES UNDER FIRE: An Agent-Based Modelling Approach with Material, Supply, and Occupants' Behavior Uncertainty

Abstract

La sicurezza antincendio negli edifici commerciali aperti al pubblico dipende dalle prestazioni delle singole misure di protezione. L’evoluzione dell’incendio, la resistenza strutturale, le condizioni di presenza di fumo, la risposta degli occupanti, le vie di esodo e i sistemi di protezione interagiscono nel tempo, mentre l’incertezza influenza ciascuna di queste componenti. La presente tesi sviluppa e applica il framework di valutazione Risk-Informed Fire-Structure-Evacuation Assessment Framework (RIFSEA) al supermercato Esselunga di Albenga (Italia). Il framework integra modelli semplificati di incendio e di condizioni di sopravvivenza (tenability), la valutazione delle prestazioni strutturali mediante modelli a ordine ridotto, la modellazione dell’evacuazione basata su agenti, nonché analisi di incertezza e sensibilità, all’interno di una procedura comune basata su scenari. I risultati dimostrano che lo scenario determinante per l’efficacia dell'evacuazione non è necessariamente quello che determina le condizioni di sopravvivenza o la risposta strutturale. RIFSEA fornisce pertanto un quadro decisionale trasparente, applicabile nelle fasi preliminari, per individuare le ipotesi chiave, confrontare gli scenari d’incendio e dare priorità alle aree che richiedono verifiche ingegneristiche più approfondite. Il metodo è concepito come uno strumento di screening e confronto basato sulla valutazione del rischio, piuttosto che come un sostituto della progettazione antincendio normativa, delle analisi CFD (Computational Fluid Dynamics), delle valutazioni strutturali termo-meccaniche dettagliate o della certificazione professionale dell’evacuazione.

Fire safety in public-access commercial buildings depends on the performance of individual fire-protection measures. Fire development, structural resistance, smoke conditions, occupant response, evacuation routes and protection systems interact over time, while uncertainty affects each of these components. This thesis develops and applies the Risk-Informed Fire-Structure-Evacuation Assessment Framework (RIFSEA) to the Esselunga Supermarket in Albenga, Italy. The framework combines simplified fire and tenability modelling, reduced-order structural performance assessment, agent-based evacuation modelling, uncertainty and sensitivity analysis within a common scenario-based procedure. The case study considers the underground car park, public sales area, storage and back-of-house compartment, selected technical and service areas, and roof-level technological systems. The final computational campaign comprised 41,360 quantitative simulation runs, including baseline stochastic simulations, direct uncertainty and improvement cases, and a Latin-hypercube design of experiments. Model credibility was examined through analytical checks, input consistency, monotonicity tests, repeatability and repeated-run stability; empirical validation against evacuation drills, full-scale fire tests or measured structural temperatures was not available. The results show that the scenario governing evacuation performance is not necessarily the one governing tenability or structural performance. RIFSEA therefore provides a transparent early-stage decision-support framework for identifying influential assumptions, comparing fire scenarios and prioritising areas requiring more detailed engineering verification. It is intended as a risk-informed screening and comparison method rather than a substitute for regulatory fire-safety design, CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis, detailed thermo-mechanical structural assessment or professional evacuation certification.