CAUSAL MODEL FOR THE FORENSIC INVESTIGATION OF STRUCTURAL FAILURES_Arangio, Crosti, Bontempi_SEMC2013

1. CAPE TOWN, SOUTH AFRICA, 2-4 SEPTEMBER 2013
CAUSAL MODEL FOR THE FORENSICCAUSAL MODEL FOR THE FORENSIC
INVESTIGATION OF STRUCTURAL FAILURES
Stefania Arangio, Chiara Crosti, Franco Bontempi
““SapienzaSapienza” University of Roma,” University of Roma,
stefania.arangio@uniroma1.itstefania.arangio@uniroma1.it,, chiara.crostichiara.crosti@uniroma1.it@uniroma1.it,, francofranco.bontempi.bontempi@uniroma1.it@uniroma1.it

2. OUTLINES
•STRUCTURAL COMPLEXITY
•DEVELOPMENT OF FAILURES
(Reason’s Swiss Cheese Model)
•BREAKDOWN OF THE PROBLEM
BASIC
CONCEPTS
OPERATIONAL
TOOLS
FRAMEWORK OF THE INVESTIGATION ACTIVITIES
2/20
•ANALYSIS OF THE TIMELINE
TOOLS
•ASSIGNMENT OF THE RESPONSIBILITY PROFILES
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3. 3/20
COUPLING
INTERACTIONS/CONNECTIONS
Tight
Perrow, 1984
COMPLEXITY
EXISTING ADJACENT MASONRY BUILDINGS.
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BEHAVIOR
Linear Nonlinear
UNCERTAINTIES
Low
High
Loose

4. 4/20 COMPLEXITY
EN 1998-3: 2005 (E)
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5. 5/20
NTC 2008 (Italian Building Code)
AGGREGATE OF BUILDINGS
•Delimited by an open space;
•Composed by various adjacent
non uniform constructions;
•Built in different epochs;
•Built with different materials;
COMPLEXITY
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•Built with different materials;
•They had different owners;
•Experienced different uses and
modifications during time
Neglecting these aspects can have significant consequences on the structures even
up the occurrence of catastrophic collapses

6. OUTLINES
•STRUCTURAL COMPLEXITY
•DEVELOPMENT OF FAILURES
(Reason’s Swiss Cheese Model)
•BREAKDOWN OF THE PROBLEM
BASIC
CONCEPTS
OPERATIONAL
TOOLS
FRAMEWORK OF THE INVESTIGATION ACTIVITIES
6/20
•ANALYSIS OF THE TIMELINE
TOOLS
•ASSIGNMENT OF THE RESPONSIBILITY PROFILES
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7. ERRORI LATENTI A LIVELLO
LOCAL BEHAVIORS
LATENT ERRORS
ACCIDENTAL CONDITIONS
LATENT ERRORS IN
THE ADMINISTRATION
AND DESIGN
7/20
Reason, 1991
DEVELOPMENT OF FAILURES
SWISS CHEESE MODEL
PRECURSORI
PSCOLOGICI
AZIONI CHE
AGISCONO
ACTIONS THAT
IINFLUENCE
THE SAFETY
PSICOLOGICAL
PRECURSORS
INTRINSIC SAFETY
FAILURE
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8. OUTLINES
•STRUCTURAL COMPLEXITY
•DEVELOPMENT OF FAILURES
(Reason’s Swiss Cheese Model)
•BREAKDOWN OF THE PROBLEM
BASIC
CONCEPTS
OPERATIONAL
TOOLS
FRAMEWORK OF THE INVESTIGATION ACTIVITIES
8/20
•ANALYSIS OF THE TIMELINE
TOOLS
•ASSIGNMENT OF THE RESPONSIBILITY PROFILES
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9. DEFINITION OF
PRINCIPAL FUNCTIONS /
GLOBAL PARTS
DEFINITION OF
INTERFACE VARIABLES /
COMPONENTS
DEFINITION OF
DEFINITION OF
PRINCIPAL FUNCTIONS /
GLOBAL PARTS
DEFINITION OF
INTERFACE VARIABLES /
COMPONENTS
DEFINITION OF
9/20 BREAKDOWN
TOP-DOWN
APPROACH
BOTTOM-UP
APPROACH
DEFINITION OF
DETAILED FUNCTIONS /
LOCAL ELEMENTS
DEFINITION OF
DETAILED FUNCTIONS /
LOCAL ELEMENTS
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Reverse Engineering Approach – Back Analysis Techniques

10. AUTORIZZATI I PERITI
- AD ESEGUIRE IL SOPRALLUOGO SUI
LUOGHI DI CAUSA;
- AD ACQUISIRE E PRENDERE VISIONE
DELLA DOUMENTAZIONE GIA' IN ATTI;
- AD ACQUISIRE EVENTUALE ULTERIORE
DOCUMENTAZIONE RITENUTA
NECESSARIA PRESSO UFFICI PUBBLICI E
PRIVATI (previo avviso e eventuamente alla
presenza dei consulenti di parte)
1) Accertino i periti la
casua del disastro
colposo di cui
all'imputazione
provvisoria sub A),
con particolare riferimento
anche alla:
1-a) correttezza o meno (sotto il profilo tecnico)
della progettazione e della direzione dei lavori
da parte dell'arch. Giovanni PAPARELLA;
1-b) correttezza o meno
- del "piano di demolizione" elaborato nel
febbraio 2008 dal geom. Vincenzo ZAGARIA,
- del "piano di sicurezza e coordinamento"
elaborato dal medesimo ZAGARIA,
e
- del "piano operativo di sicurezza' redatto da
2) 3)
4) Riferiscano
quant'altro necessario e
utile ai fini di giustizia.
Iperitisarannotenutiatenerecontodelleosservazionichesarannoformulatenelcorsodelleoperazioniperitalidaiconsulentitecnici,nominatidalleparti,ea
renderneloroadeguatamotivazionenellarelazioneperitale.
2-a) Accertino i periti la legittimita'
degli atti del procedimento
amministrativo sfociato nella
deliberazione del consiglio
comunale della Citta' di Barletta
n.4 del 10.1.2008 e degli atti
anche di provenienza privata, a
quella deliberazione conseguiti,
comprese la d.i.a. prot. n. 7001
dell'1.2.2008 e allegati e la
successiva d.i.a. prot.50018 del
3-a) Effettuino i periti un esame comparato
degli elaborati grafici posti a corredo delle due
denunce di inizio attivita', la n.7001
dell'1.2.2008 e la n. 50018 del 18.8.2010, al
fine di constatare se il restringimento operato
sulle planimetrie allegate alle due d.i.a.
riguardasse il solo lato confinante con l'edificio
prospiciente di Via de Leon o anche gli altri lati
del quadrlatero interessato dall'intervento
edilizio Giannini;
1 2 3
BREAKDOWN10/20
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Salvatore CHIARULLI nell'agosto 2008;
1-c) correttezza o meno delle modalita' di
demolizione concretamente poste in essere a
far data dall'ottobre 2008;
1-d) violazione o meno delle norme per la
prevenzione degli infortuni sul lavoro
eziologicamente influenti sulla produzione del
disastro;
1-e) correttezza o meno delle determinazioni
assunte dall'Ing. Rosario PALMITESSA all'esito
del sopralluogo del 30.9.2011, tenuto conto del
reale stato dei luoghi;
1-f) correttezza o meno della condotta tenuta
dall'Ufficio Edilizia Pubblica e Privata del
Comune di Barletta a fronte della
comunicazione prot. n. 56024 del 21.9.2011
inviata dall'arch. Giovanni PAPARELLA al
Dirigente del Settore Edilizia arch. Francesco
GIANFERRINI, in considerazione delle
problematiche concernenti la pubblica e privata
incolumita' da quell'Ufficio gia' affrontate in
relazione all'immobile con accesso da via De
Leon n.6;;
1-g) violazione o meno della normativa in tema
di costruzioni in zona sismica.
Iperitisarannotenutiatenerecontodelleosservazionichesarannoformulatenelcorsodelleoperazioniperitalidaiconsulentitecnici,nominatidalleparti,ea
renderneloroadeguatamotivazionenellarelazioneperitale.
18.82010;
2-b) Accertino i periti se, a fronte
della perizia giurata dell'arch.
Giovanni Paparella del 29.5.2006
con gli allegati relativi (gia' in atti),
vi fosse l'obbligo, fissato
espressamente da una norma di
legge, per l'Ufficio Tecnico del
Comune di Barletta di verificare la
corrispondenza della situazione
dei luoghi, rappresentati nella
perizia giurata, alla situazione
reale degli stessi, tenendo anche
conto del Regolamento Edilizio
Comunale vigente al momento
dei fatti.
3-b) precisino e specifichino i periti, la natura e
le modalita' esecutive delle indagini finalizzate
all'esecuzione delle palificate ed iniezioni sui
confini, alle quali l'arch. Paparella fa riferimento
nell'Ordine di Servizio del 21.9.2011 e alle cui
operazioni quell'ordine di servizio e' anche
finalizzato, sia all'interno del cantiere sia nelle
proprieta' confinanti e specifichino la
compatibilita' e la possibilita' di esecuzione di
tali indagini con lo stato dei residui corpi di
fabbrica, al netto di quanto gia' demolito alla
data del 21 settembre 2011, come
rappresentato negli elaboati grafici e fotografici,
gia dpositati a corredo della consulenza del
pubblico ministero;
3-c) verifichino e accertino i periti la storia
amministrativa e strutturale dell'intero edificio
crollato, con specifico riferimento agli aspetti
tecnico-costruttivi e agli eventuali interventi di
ristrutturazione, ampliamento, sopraelevazione,
sostituzione o modifica di parti strutturali,
nonche' alla regolarita' amministrativa e
progettuale di tali opere, ove e nella misura in
cui siano state effettuate.

11. EXAMPLE OF BACK ANALYSIS PROCESS: COLLAPSE OF AN AGGREGATE OF BUILDINGS
BREAKDOWN
A
B
11/20
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12. BREAKDOWN
[1] Master Thesis : “Analisi non lineare di aggregati edilizi in muratura”,
Student: Molinaro S., Advisor: Bontempi F., Co-Advisor: Arangio S.
Geometry Finite Element Model [1]
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13. BREAKDOWN
[1] Master Thesis : “Analisi non lineare di aggregati edilizi in muratura”,
Student: Molinaro S., Advisor: Bontempi F., Co-Advisor: Arangio S.
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Mechanical properties of the masonry
Volume weight w 18 kN/m3
Longitudinal elastic modulus E (cracked conditions) 500 N/mm2
Tangential elastic modulus G (cracked conditions) 200 N/mm2
Compression strength fm 200 N/cm2
Design compression strength fd 166.7 N/cm2
Shear strength (o fvm0) in absence of normal stress 3.5 N/cm2
Design shear strength t0d (o fvd0) in absence of normal stress 2.9 N/cm2
[1]

14. Modeling of the various steps of the demolition
BREAKDOWN
common wall Horizontal actions due to
vaulted ceilings
[1]
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step 1 step 2 step 3
Step 1:
represents the situation before
demolition
Step 2:
shows an advanced condition of
demolition where most of vaults of
building A have been eliminated
and the lateral thrust of the vaults
of building B are sustained mainly
by the buttresses
Step 3:
the remaining part
of building A was
demolished and
the wall alone
could not sustain
all the actions.

15. BREAKDOWN
Step 1 Step 2 Step 3
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In color only the deformation between 0.0028 and 0.015 (limit in the Italian Building Code) [1]

16. OUTLINES
•STRUCTURAL COMPLEXITY
•DEVELOPMENT OF FAILURES
(Reason’s Swiss Cheese Model)
•BREAKDOWN OF THE PROBLEM
BASIC
CONCEPTS
OPERATIONAL
TOOLS
FRAMEWORK OF THE INVESTIGATION ACTIVITIES
16/20
•ANALYSIS OF THE TIMELINE
TOOLS
•ASSIGNMENT OF THE RESPONSIBILITY PROFILES
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17. DESIGN/STRUCTURAL
ASPECTS
NOT ADEQUATE
UNDERSTANDING OF THE
EXISTING
STRUCTURAL SYSTEM
(AGGREGATE OF
BUILDINGS)
DEFICIENT
DESIGN
NON
COMPLIANCE
WITH THE
TECHNICAL
CODE
STARTCOLLAPSE
TIMELINE
DESIGN
PHASE
REALIZATION
PHASE
EXAMPLE OF BACK ANALYSIS PROCESS: COLLAPSE OF AN AGGREGATE OF BUILDINGS
17/20
CONSTRUCTION ASPECTS/
SAFETY AT WORK
NOT ADEQUATE DEMOLITION
ACTIVITIES
SCARCE
ADMINISTRATIVE
SUPERVISORY
ACTIVITIES
SCARCE
CONTROL ACTIVITIES/
DIRECTION/
SAFETY RELATED ACTIVITIES
DEFICENT
DEMOLITION PLAN
ADMINISTRATIVE PRACTICES
CONSTRUCTION
AUTHORIZATION
URBAN
AUTHORIZATION
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ADMINISTRATIVE
PRACTICES

18. DESIGN/STRUCTURAL
ASPECTS
NOT ADEQUATE
UNDERSTANDING OF THE
EXISTING
STRUCTURAL SYSTEM
(AGGREGATE OF
BUILDINGS)
DEFICIENT
DESIGN
NON
COMPLIANCE
WITH THE
TECHNICAL
CODE
STARTCOLLAPSE
TIMELINE
DEMOLITION /RECONSTRUCTION OF A BUILDING THAT ENDED WITH A COLLAPSE
CAUSAL
JOINT
18/20
CONSTRUCTION ASPECTS/
SAFETY AT WORK
NOT ADEQUATE DEMOLITION
ACTIVITIES
SCARCE
ADMINISTRATIVE
SUPERVISORY
ACTIVITIES
SCARCE
CONTROL ACTIVITIES/
DIRECTION/
SAFETY RELATED ACTIVITIES
DEFICENT
DEMOLITION PLAN
ADMINISTRATIVE PRACTICES
CONSTRUCTION
AUTHORIZATION
URBAN
AUTHORIZATION
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19. OUTLINES
•STRUCTURAL COMPLEXITY
•DEVELOPMENT OF FAILURES
(Reason’s Swiss Cheese Model)
•BREAKDOWN OF THE PROBLEM
BASIC
CONCEPTS
OPERATIONAL
TOOLS
FRAMEWORK OF THE INVESTIGATION ACTIVITIES
19/20
•ANALYSIS OF THE TIMELINE
TOOLS
•ASSIGNMENT OF THE RESPONSIBILITY PROFILES
chiara.crosti@uniroma1.it

20. DESIGN/STRUCTURAL
ASPECTS
NOT ADEQUATE DEMOLITION
ACTIVITIES
NOT ADEQUATE
UNDERSTANDING OF THE
EXISTING
STRUCTURAL SYSTEM
(AGGREGATE OF
BUILDINGS)
DEFICIENT
DESIGN
NON
COMPLIANCE
WITH THE
TECHNICAL
CODE
STARTCOLLAPSE
Responsability
RESPONSIBILITY PROFILE20/20
CONSTRUCTION ASPECTS/
SAFETY AT WORK
ACTIVITIES
SCARCE
ADMINISTRATIVE
SUPERVISORY
ACTIVITIES
SCARCE
CONTROL ACTIVITIES/
DIRECTION/
SAFETY RELATED ACTIVITIES
DEFICENT
DEMOLITION PLAN
ADMINISTRATIVE PRACTICES
CONSTRUCTION
AUTHORIZATION
URBAN
AUTHORIZATION
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Time

22. ATTRIBUTES
RELIABILITY
FAULT
DEPENDABILITY
of
STRUCTURAL
AVAILABILITY
SAFETY
MAINTAINABILITY
it is a defect and represents a
potential cause of error, active or dormant
INTEGRITY
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
ATTRIBUTES
RELIABILITYRELIABILITY
FAULT
DEPENDABILITY
of
STRUCTURAL
AVAILABILITY
SAFETY
MAINTAINABILITY
it is a defect and represents a
potential cause of error, active or dormant
INTEGRITY
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
3/22
THREATS
MEANS
FAILURE
ERROR
FAULT TOLERANT
DESIGN
FAULT DETECTION
FAULT DIAGNOSIS
FAULT MANAGING
STRUCTURAL
SYSTEMS
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
ways to increase
the dependability of a system
An understanding of the things
that can affect the dependability
of a system
THREATS
MEANSMEANS
FAILURE
ERROR
FAULT TOLERANT
DESIGN
FAULT TOLERANT
DESIGN
FAULT DETECTIONFAULT DETECTION
FAULT DIAGNOSISFAULT DIAGNOSIS
FAULT MANAGINGFAULT MANAGING
STRUCTURAL
SYSTEMS
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
ways to increase
the dependability of a system
An understanding of the things
that can affect the dependability
of a system
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