background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

1

July 2002

Safety in 
tall buildings

and other buildings with large occupancy

Prepared by an international working group convened by

The Institution of Structural Engineers

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

2

Published by The Institution of Structural Engineers
11 Upper Belgrave Street
London SW1X 8BH
United Kingdom
Telephone: +44(0) 20 7235 4535
Fax: +44(0) 20 7235 4294
Email: mail@istructe.org.uk
Website: http://www.istructe.org.uk

ISBN 0 901297 24 0

© 2002 The Institution of Structural Engineers

The Institution of Structural Engineers and those who served on the Working Group which produced
this  report  have  endeavoured  to  ensure  the  accuracy  of  its  contents.  However,  the  guidance  and
recommendations given in the report should always be reviewed by those using the report in the light
of the facts of their particular case and specialist advice obtained as necessary. No liability for negligence
or otherwise in relation to this report and its contents is accepted by the Institution, the members of the
Working Group, its servants or agents.

No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system or transmitted in any form

or  by  any  means  without  prior  permission  of  the  Institution  of  Structural  Engineers  who  may  be
contacted at 11 Upper Belgrave Street, London SW1X 8BH, UK

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

3

Constitution of Working Group

John M Roberts, FREng BEng(Hons) PhD CEng FIStructE FICE, Babtie Group, Chairman
John Ahern, AADIP RIBA, J Ahern Associates, representing The Royal Institution of British Architects
Stuart J Alexander, MA CEng FIStructE FICE MIMgt, WSP Group
W Gene Corley, PhD CEng FIStructE, CTL Group
Keith J Eaton, BSc(Eng) PhD CEng FIStructE MIM, The Institution of Structural Engineers
Paul FEverall, MA(Cantab) CEng MICE Hon RICS HonFIBC Hon FB Eng, Department for 

Transport, Local Government and the Regions, Observer

Max Fordham, OBE FREng MA FCIBSE FConsE Hon FRIBA, Max Fordham LLP, representing The

Chartered Institution of Building Services Engineers

Craig Gibbons, BEng(Hons) PhD CEng MICE MHKIE, Arup, Hong Kong
Peter R Head, OBE FREng CEng FIStructE FICE, FaberMaunsell
Martin Kealy, BSc(Hons) CEng FIFireE MSFPE MCIBSE, WSP Fire, representing The Institution of

Fire Engineers

Gordon G T Masterton, BSc BA MSc DIC CEng FIStructE FICE FIES MCIWEM, Babtie Group, 

representing The Institution of Civil Engineers

David McCullogh, FRICS PPIBC, Hartlepool Building Control, representing The Royal Institution of

Chartered Surveyors

John B Menzies, FREng BSc(Eng) PhD CEng FIStructE Dip CU, Standing Committee on Structural 

Safety

David B Moore, BTech PhD CEng MIStructE, BRE Ltd
H K Ng, MSc CEng FIStructE, J M K Consulting Engineers Hong Kong
Alan Parnell, FRIBA PPIFireE, Fire Check Consultants, representing The Royal Institution of British 

Architects

Ysrael A Seinuk, PE CEng FACI FICE FASCE, Cantor Seinuk Group Inc
Faith H Wainwright, BA CEng FIStructE, Arup, London

Corresponding members
David I Blockley, FREng BEng PhD DSc CEng FIStructE FICE, University of Bristol
Thomas J P Byrne, BSc MSc, WSP Group
Charles Clifton, BE(Hons) ME(Civil) FIPENZ FNZSEE, HERA
Ian P Firth, BSc MSc DIC CEng FIStructE FICE, Flint & Neill Partnership
Graeme Forrest-Brown, MSc CEng MICE, Maunsell Structural Consultants Ltd
Norman Glover, BSc CE FIStructE, Aegis Institute, Architectural Institute ASCE
Mick G Green, BE CEng MIStructE MICE, Buro Happold
John A Hill, FREng BSc CEng FIStructE FICE, Doran Consulting
Alan P Jeary, PhD DSc CEng FIStructE MIEE FCIOB, University of Western Sydney
Bob A McKittrick, BSc CEng FIStructE FICE, Scott Wilson
Brian S Neale, AGCT CEng FIStructE MICE FIDE, Health and Safety Executive
Graham Owens, MSc PhD CEng FIStructE MICE MWeldI, Steel Construction Institute
Roger J Plank, BSc(Eng) PhD CEng MIStructE MICE, University of Sheffield
Ian Thirwall, CEng FIStructE MICE, Cameron Taylor Bedford
Martin J Wyatt, BSc MSc PhD CEng MIStructE MBCS, BRE Ltd

Secretary
Susan M Doran, BSc(Eng) AKC PhD CEng MICE ACIS, The Institution of Structural Engineers

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

4

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

5

Contents

Foreword  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

Definitions for the purposes of this Report  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

1 Introduction   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

2 Objectives of the Working Group  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

3 The World Trade Center towers  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15

4 The collapses of the World Trade Center towers  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

5 Safety issues raised by the collapses of the World Trade Center towers  . . . . . . . . . . . . . . . .18

5.1 Major safety issues  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
5.2 Vulnerability to progressive collapse  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
5.3 Passive and active fire protection  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

5.3.1 Passive fire protection, including compartmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
5.3.2 Active fire protection  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

5.4 Escape, its management and the emergency services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

5.4.1 Escape routes and emergency services access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
5.4.2 Management of escape  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
5.4.3 Interaction with emergency services  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

5.5 Other issues  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

5.5.1 Security and safety of cladding, including glazing  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
5.5.2 Security and safety of building services  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
5.5.3 Security against unauthorised entry  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
5.5.4 Implementation of design and construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

6 The new situation post 11 September 2001  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

7 Initial recommendations  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

7.1 Introduction  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
7.2 Vulnerability to progressive collapse  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
7.3 Passive and active fire protection  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

7.3.1 Passive fire protection, including compartmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
7.3.2 Active fire protection  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

7.4 Escape, its management and the emergency services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

7.4.1 Escape routes and emergency services access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
7.4.2 Management of escape  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
7.4.3 Interaction with emergency services  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

7.5 Other issues  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36

7.5.1 Security and safety of cladding, including glazing  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
7.5.2 Security and safety of building services  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
7.5.3 Security against unauthorised entry  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
7.5.4 Implementation of design and construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

8 Development and research needs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40

9 Concluding remarks  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42

10 References  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

6

Appendix A: Recent extreme event damage to tall/large buildings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44

Appendix B: Regulations and Codes of Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48

Appendix C: Use of risk management processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

7

Foreword

The  reality  of  threats  to  the  safety  of  tall  and  large  buildings  was  starkly  demonstrated  by  the
unprecedented events at the World Trade Center in New York on 11 September 2001. Had these events
not occurred, the World Trade Center would no doubt have continued to give many years of excellent
service. The buildings were not unsafe by any criterion hitherto regarded as being credible in peacetime.

This Report examines what can be learned from the extreme events of 11 September 2001 for the future
design of new buildings and the appraisal of existing ones. The purpose is to assist owners and operators
of tall/large buildings and their professional advisers to play their part in reacting to the new threats to
the safety of building occupants. The Report presents therefore initial recommendations by the Working
Group on ‘Safety in Tall Buildings’ following review of damage by extreme events to tall/large buildings
at the World Trade Center and elsewhere world wide.

The Working Group has concentrated initially on gaining an overview of the safety issues arising from
the events of 11 September 2001. The aim has been to point to directions for improving future provisions
for occupant safety in tall/large buildings. The resulting initial recommendations are in no way a panacea
for  dealing  with  threats  to  the  building  infrastructure.  Rather  they  indicate  possibilities  that  require
consideration and study. 

There are many ways to inflict heavy blows of death and destruction in cities. For society as a whole,
the  most  effective  measures  that  can  be  taken  following  the  events  of  11  September  2001  are  those
related to improving security in cities (especially around high ‘profile’ tall/large buildings, landmarks
and infrastructure), preventing terrorists from gaining control of means to make attacks, and the deeper
resolution of conflicts that breed resentment and create the environment in which terrorism flourishes.

The solutions to reducing the probability of a recurrence of extreme events, such as occurred on
11 September 2001, do not lie within the gift of building owners and construction professionals.
This Report, nevertheless, seeks to contribute to public safety by providing recommendations to
assist building owners and their professional advisers to provide buildings and infrastructure better
able to sustain any future malicious attacks with a reduced risk of loss of life. Much further work
and international collaboration amongst construction professionals and others is needed to assist
building owners and their professional advisers to optimise occupant safety in extreme events.

I  would  like  to  thank  members  of  the  Working  Group  and  others,  around  the  world,  who  have
collaborated and contributed generously to the preparation of this Report. I would also particularly like
to thank John Menzies for preparing drafts of the report for the Working Group.

John Roberts
Chairman
July 2002

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

8

Definitions for the purposes of this Report

Tall/large building 

A building of many storeys or of large size that may be occupied by significant numbers of people.

Hazard

Anything that has potential to cause loss or damage (harm).

Hazard (or emergency) scenario

The total circumstances within or around a tall/large building arising due to an event that may place
occupant health and safety in jeopardy.

Risk

The combination of the likelihood of occurrence of a particular hazard and the consequences thereof.

Incident

An  abnormal  event  within  or  outside  a  tall/large  building  that  requires  investigation  by  the  building
management and may give rise to an emergency.

Extreme event

A man-made or naturally-occurring abnormal event that may cause a major emergency in a tall/large
building.

Emergency

An incident outside or within a tall/large building that requires investigation or action by emergency
services.

Major emergency

An emergency caused by an extreme event outside or within a tall/large building that may place the
safety of all occupants in jeopardy either by causing loss of stability of the whole building or by the
environment in part or the whole of the building becoming harmful to health and safety due to fire gases
or contaminants in the air, water or food supply.

Multi-occupancy 

The occupancy of a tall/large building by more than one organisation.

Robustness

The ability of an engineered structure or system that enables it to survive a potentially damaging incident
or extreme event without disproportionate loss of function.

Redundant structure

A structure that possesses more load paths than required for equilibrium.

Fire compartment

A part of a building, comprising one or more rooms, spaces or storeys, constructed to prevent the spread
of fire to or from another part of the same building.

Ductility

The ability of a structural material or element to deform without fracturing.

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

9

Summary

Following  the  extreme  events  at  the  World  Trade  Center  in  New York  on  11  September  2001,  the
Institution of Structural Engineers convened a Working Group on ‘Safety in Tall Buildings’, with the
support of fellow professional bodies, industry and the United Kingdom government, to review and
report on the safety issues. The objective was to provide guidance and advice on the implications that
follow the structural collapses and loss of life at the World Trade Center.

At the outset it was decided the Working Group would not undertake any independent investigation of
the extreme events on 11 September 2001. Rather it would consider all relevant available information,
in particular the papers submitted to the Group by its members and others and the large number of other
papers recently published elsewhere. The scope included buildings of large occupancy generally, since
it was anticipated that the guidance produced would also be relevant to them. 

The Group considered not only the collapses and damage to buildings at the World Trade Center, but
also recent collapses and damage to other tall/large buildings due to extreme events in other parts of the
world. 

Review of available information on the collapse of the World Trade Center (WTC) towers identified
several major safety questions:

What  can  be  done  to  reduce  the  vulnerability  of  a  tall/large  building  to  collapsing
progressively and totally?

Should provisions for the protection of occupants and the building itself in the event of fire
be set at a higher standard?

Could  escape  routes  and  evacuation  of  building  occupants  and  the  linkage  with  the
emergency services be better provided and managed to help save lives?

Consideration  of  these  questions  focussed  attention  on  key  safety  issues  related  to  vulnerability  to
progressive  collapse,  to  passive  and  active  fire  protection,  and  to  escape,  its  management  and  the
emergency  services.  Other  safety  issues,  i.e.  security  and  safety  of  cladding,  security  and  safety  of
building services, security against unauthorised entry, and implementation of design and construction,
were also found to be relevant. The key issues as a whole are multi-disciplinary and strongly interrelated. 

There was recognition that extreme man-made events that may cause a major emergency in a tall/large
building can take many different forms. Their nature and scale cannot be predicted precisely. There was
consensus that loss of life and damage caused can be limited in many extreme events by the use of
broadly-based strategies involving design, construction and management of the building. 

Vulnerability to progressive collapse

The redundancy of the structure and available alternative load paths.

The strength, ductility and hence the energy absorption capacity of the structure (i.e. structural
elements and particularly the connections between them).

The retention of structural integrity in fire.

Key safety issues

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

10

Passive and active fire protection 

The  real  performance  of  buildings  in  fire  compared  to  data  from  standard  fire  tests  on
components.

The  robustness  of  passive  fire  protection  not  only  in  extreme  events  but  also  over  time  in
service.

The effectiveness of compartments to prevent spread of fire and smoke.

The survivability and functionality of active fire protection systems in extreme events.

The  desirability  of  a  building  being  able  to  survive  a  full  burn-out  of  its  contents  without
collapse.

Escape, its management and the emergency services

The physical robustness, size and safety of escape routes and the diversity of vertical escape
options.

The use of occupant access/egress lifts and emergency services’ lifts for evacuation. 

Timely access for effective fire fighting and rescue, and provision of protected water mains.

Provision for simultaneous evacuation in addition to phased evacuation. 

Management/emergency  response  plans  for  the  evacuation  of  occupants  depending  on  the
nature and severity of the extreme event.

Provision and use of communications and information systems during emergencies.

Training  of  building  management,  emergency  services  and  occupants  in  emergency
management and response.

Procedures  for  gathering  relevant  information  when  an  extreme  event  occurs  and  for
communication between building management, emergency services and occupants.

Other safety issues

Security and safety of cladding, including glazing

Propensity  to  cause  injury  in  the  event  of  explosion,  impact  or  fire  outside  or  within  the
building.

Security and safety of building services

Design of services systems for robustness, redundancy, and with isolation provisions.

Protection and sealing of systems.

Security against unauthorised access to building services equipment, plant and control rooms.

Security against unauthorised entry

Prevention of approach and entry with malicious intent.

Management and emergency services plans for response to potential extreme event scenarios.

Implementation of design and construction

Assurance of adequacy, including durability, of safety-critical elements.

Quality of components and workmanship in life-safety installations.

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

11

The Working Group concluded that the events of 11 September 2001 have created a new situation in
which a reappraisal of provisions for safety is required.

Whilst the events were unprecedented in scale, they were not wholly unique. An aircraft impact into a
tall building had occurred previously, although it was not a deliberate act. Indeed, some seven months
after the World Trade Center events, an aircraft struck the 32 storey Pirelli building in Milan. For the
future,  it  has  to  be  assumed  that  there  may  be  more  severe  and  different  extreme  events  in
tall/large buildings than have occurred to date. Limitation of damage for all eventualities to that
which is tolerable or practicable has to be the working aim. 
There is, however, no single or precise
answer to the safety issues of designing tall/large buildings and their operating and management systems
against the wide range of possible extreme man-made events that may occur. 

Decisions  need  to  be  made  by  owners,  operators,  designers  and  building  managers  based  on  an
understanding  of  all  the  issues.  There  are  strong  interactions  between  the  building  structure,  fire
protection, building services systems and the building management and emergency services. Overall
strategies involving the design of the building, its management and the relationships with emergency
services are required in order to maximise protection of building occupants for a wide range of possible
extreme events.

Identification of the key safety issues led the Working Group to develop initial recommendations for
consideration by owners, operators, designers, builders, and building and emergency services managers.
The recommendations necessarily at this early stage indicate only possible directions for actions relating
to the key safety issues. Provisions in these directions would help to improve the safety of occupants
when extreme events occur in a new or existing tall/large building. Decisions on their adoption and the
standards to use in any particular case would depend on wider considerations. For that purpose in-depth
technical and economic studies together with consideration of policies on safety of people in tall/large
buildings may be needed. The Report gives a preliminary list of needs for such work.

Vulnerability to progressive collapse

Raise the ‘trigger’ threshold, i.e. increase the capability of the structure to limit damage and to
bridge  over  damaged  parts  by  provision  of  alternative  load  paths.  For  this  purpose,  use
structural elements with robust, ductile and energy absorbing properties and tie them together
with strong ductile connections, recognising the directions of potential extreme event forces.

Give specific consideration to elements that are fundamental to the survival of the structure.

Passive and active fire protection

Provide robust, resilient and durable passive fire protection.

Treat active fire protection, e.g. sprinklers, as an addition to, and not a substitute for, passive
fire protection, and do not consider it for extreme events.

Ensure compartments are gas tight and seals are sound on building completion by inspection,
testing and certification.

Provide protection to compartments and mitigate spread of smoke.

Design building to survive complete ‘burn out’ of contents.

Require independent approval, as a part of licensing and periodic third-party audit of life-safety
systems, of modifications to passive and active fire protection.

Recommendations for consideration 

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

12

Escape, its management and the emergency services

Provide protection to escape routes from ingress of smoke.

Protect vulnerable parts of building services systems and incorporate redundancy.

Provide separate stand-by power for vital building services and for lighting of escape routes.

Provide  robust  adequately-sized  escape  routes  and  diverse  locations  for  them  and  provide
protection for final exit routes.

In addition to phased evacuation for emergencies, plan for timely simultaneous evacuation of
a large proportion of floors in major emergencies, including use of lifts as well as staircases.

Be prepared for extreme event emergencies through development and trial use of emergency
response strategies that guide decisions on evacuation, communication with occupants and the
emergency services.

As  part  of  preparedness,  make  sure  that:  plans  of  the  building  are  deposited  in  a  remote
accessible  location;  engineering  advice  can  be  obtained  quickly  during  an  extreme  event;
communication systems with floors, stairwells and lifts are in place and functioning; training
for  the  management  team,  emergency  services  and  occupants  is  given;  and  evacuation
procedures are practised at regular intervals.

Require independent approval, as a part of licensing and periodic audit of life-safety systems,
of modifications to escape routes.

Other issues

Safety of cladding, including glazing

Use  laminated  and/or  toughened  glass  with  fixings  designed  to  take  account  of  potential
explosion loading/impact/fire.

Security and safety of building services

Use a broadly-based strategy involving design and building management to reduce the risks.

Security against unauthorised entry

Reduce  the  probability  of  occurrence  of  extreme  man-made  events  with  potential  to  cause
progressive collapse, where practicable. For this purpose, use incident prevention or limitation
measures,  e.g.  provide  barriers  to  protect  the  base  of  the  building  from  vehicle  impact  or
explosion, and provide security against unauthorised entry.

Use both design and management provisions to deter and protect against extreme man-made
events taking place in or near the building.

Inspection of design and construction

Reduce  the  risk  of  the  building  performance  being  compromised  during  the  design  and
construction processes by appropriate use of independent third-party inspection, testing and
certification of safety-related structure and systems.

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

13

1 Introduction

1.1

The collapse of the World Trade Center (WTC) towers in New York on Tuesday
11 September 2001 resulted in a great loss of life. The WTC towers were designed and
built using good practice of the time, in the mid-1960s/early 1970s. They had performed
well for three decades and indeed stood for some time following the immediate damage
caused by the attack. They had also performed well in a major bomb attack (1993) and a
relatively large fire (1975). For construction professionals, e.g. engineers, architects and
construction  and  facilities  managers,  involved  in  the  design,  construction  and
management  of  tall  buildings  and  other  buildings  that  house  large  numbers  of  people,
questions  about  the  safety  of  such  buildings  and  their  occupants  came  to  mind
immediately  following  the  collapses.  One  overall  question  was  at  the  forefront:  Can
tall/large buildings be made and managed so that they will be more resistant to damage
by extreme events caused by malicious acts and so that occupants are better protected and
have more time and opportunity to escape? 

1.2

The Institution of Structural Engineers therefore convened the Working Group on ‘Safety
in Tall Buildings’ with the support of fellow professional bodies, industry and the United
Kingdom government to review the issues and report. The Working Group was made up
of professional engineers and other professionals with wide and international experience
of safety issues in buildings.

1.3

The  solutions  to  reducing  the  probability  of  a  recurrence  of  extreme  events  such  as
occurred on 11 September 2001 do not lie within the gift of building owners, operators
and construction professionals. However, this Report seeks to assist them to provide safer
tall/large  buildings,  both  new  and  existing,  affording  better  protection  to  people  in
extreme events. 

1.4

This Report has been prepared by the Working Group taking into account international
feedback  and  practices.  Safety  issues  are  outlined  in  Section  5  and  initial  recommen-
dations for new and existing tall/large buildings are included in Section 7. At this early
stage,  the  recommendations  are  for  consideration  recognising  that  in-depth  studies,
development and research will be needed in many cases to determine application. Areas
for development and research are therefore also identified. 

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

14

2 Objectives of the Working Group

2.1

The Working Group, known as the ‘Working Group on Safety in Tall Buildings’, was set
up by the Institution of Structural Engineers in October 2001. The Working Group operated
in a collaborative way and included representatives from across the disciplines concerned
with design, construction and management of tall/large buildings. It had the backing of the
Construction Industry Council (CIC) and invited members included representatives of the
Institution of Civil Engineers (ICE), the Royal Institution of Chartered Surveyors (RICS),
the Chartered Institution of Building Services Engineers (CIBSE), the Royal Institution of
British  Architects  (RIBA)  and  the  Institution  of  Fire  Engineers  (IFE).  Members  also
included professional engineers from New York and Hong Kong as well as from the United
Kingdom  experienced  in  the  design  of  tall/large  buildings  and  in  safety  and  risk
management.  A number  of  other  experts  provided  assistance  to  the  Working  Group  by
correspondence.  The  UK  Department  of  Transport,  Local  Government  and  the  Regions
(DTLR) nominated an observer.

2.2

The  objective  of  the  Working  Group  was  to  provide  guidance  and  advice  on  the
implications  that  follow  the  collapses  and  the  subsequent  loss  of  life  at  the World Trade
Center in New York on 11 September 2001.

2.3

At  the  outset  it  was  decided  the  Working  Group  would  not  undertake  any  independent
investigation of what happened at the World Trade Center. It would, however, consider all
relevant  available  information,  in  particular  the  papers  submitted  to  the  Group  by  its
members  and  others  and  the  large  number  of  papers  published  elsewhere  since  11
September  2001. The  aim  has  been  to  develop  thinking  so  that  the  Group  could  provide
guidance on safety issues in tall buildings. It was anticipated that the guidance produced
would  also  be  relevant  to  other  buildings  and  structures  that  may  be  occupied  by  large
numbers of people. The Group considered not only the collapses of the WTC towers but
also  collapses  and  damage  to  other  tall/large  buildings  nearby  and  to  other  tall/large
buildings in other parts of the world due to extreme events in recent years.

2.4

The  activities  of  the  Working  Group  have  focussed  primarily  on  the  safety  of  people
(occupiers/users/workers)  in  and  around  tall/large  buildings  rather  than  the  safety  or
protection of the building itself. 

2.5

The  Working  Group  did  not  consider  hazards  that  a  tall/large  building  conceivably  may
pose  to  other  buildings  and  infrastructure  nearby.  In  particular,  foundation  movement
disrupting nearby infrastructure and, in the extreme, progressive collapse of the building
causing casualties and damage to buildings nearby were not examined. The likelihood of
this latter hazard arising has generally been assumed to be negligible and thus acceptable
until the collapse of the WTC towers on 11 September 2001. Avoidance of these potential
hazards  is  not  likely  to  be  possible  in  the  crowded  centres  of  major  cities.  This  Report
assumes that the construction of tall/large buildings in close proximity to other buildings
will continue to be permitted in cities.

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

15

3 The World Trade Center towers

3.1

Construction of the two 110-storey WTC towers of the World Trade Center began in August
1966. They were officially opened in April 1973. Each tower was 411m high above ground
level, 63.5 x 63.5m. square on plan, with a central core, 24 x 42m on plan, containing lifts,
staircases and service shafts. Their design and construction are described elsewhere

(1, 2, 3)

, but

briefly were as follows.

3.2

The  towers  were  examples  of  a  form  of  building  generally  referred  to  as  a  tube-tower
structure.  The  whole  building  façade  was  used  as  a  structural  member,  each  face
comprising a frame made up of 59 box-section steel columns at 1.02m centres connected
together by deep spandrel beams. Shear connection between the two faces at each corner
of  the  building  was  provided  so  that  the  frames,  together  with  the  floors,  formed  a
torsionally-rigid framed tube fixed to the foundations. This framed tube was designed as a
simple free-standing cantilever structure to carry all lateral loads. 

3.3

The core, consisting of 44 steel columns, was designed and detailed to carry vertical load
only. The floors spanned, without intermediate columns, from the facade to the core. The
floor  system  comprised  900mm-deep  lightweight  steel  primary  trusses  at  2.04m  centres,
braced by secondary trusses and spanning between the perimeter frames and the core. The
secondary trusses supported a profiled steel deck with a 100mm lightweight concrete slab
on  top  and  connected  compositely  to  the  primary  trusses.  There  were  three  independent
emergency fire exit staircases in the core of each building

(2)

. The staircases did not run in

continuous  vertical  shafts  from  the  top  to  bottom  of  each  building.  Occupants  using  the
stairs had to transfer from one vertical shaft to another via a transfer corridor at several floor
levels as they descended. There were also 99 separate passenger lifts in the core of each
tower with several serving each floor in two groups operated on different power supplies.

3.4

Passive fire protection was provided to the external box columns by spray-applied mineral
fibre  of  varying  thickness,  faced  with  aluminium  pre-formed  sheet  externally.  The
undersides of the floor systems were not protected by a fire-rated suspended ceiling but the
steel trusses were protected by a spray-applied mineral fibre. It has been reported that in the
north tower (WTC1), the fire protection to the trusses in the vicinity of the aircraft impact
had been upgraded

(2)

. A series of structural improvements had also been made in this tower

that  may  have  helped  it  to  remain  standing  longer  after  the  aircraft  impact.
Compartmentation was notionally horizontal by the floor construction, the floor slabs being
cast flush against the spandrel beams. At stair and lift shafts, separation was provided by
walls constructed of metal studs with two layers of gypsum board on the exterior and one
layer on the interior. Vertical separating walls varied, some spanning from slab to slab and
others extending only up to the suspended ceiling. The effectiveness of the compartmen-
tation is likely to have been progressively reduced over the years by the installation of IT
and communications systems. No pressurisation or other smoke control system was used
for the stairways, lift shafts or lift lobbies.

3.5

Active fire protection in the form of sprinklers had been retrofitted in the towers subsequent
to  their  construction.  Standpipes  supplying  water  for  hose  lines  were  located  in  each  of
three stair shafts.

3.6

Overall  the  WTC  towers  were  light  open  structures,  engineered  very  efficiently  to  meet
design serviceability and ultimate limit state conditions for normal dead, imposed and wind
loads. They were also designed to withstand as a whole the forces caused by the horizontal
impact of a large commercial aircraft of the time, a Boeing 707. The overturning effect of
this postulated event would not be particularly severe, being of the same order as the wind
load effect.

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

16

4 The collapses of the World Trade Center towers

4.1

The  WTC  towers  collapsed  following,  in  each  case,  deliberate  impact  by  a  Boeing  767
aircraft.  Information  on  the  attack  and  subsequent  events  leading  to  the  collapse  of  the
towers is given in detail elsewhere

(2)

. The events are summarised briefly below.

4.2

Each  tower  remained  standing  immediately  after  it  was  hit.  Although  the  structure  was
weakened by the impact, the immediate damage to it, it may be said, was not disproportionate
in  the  circumstances.  There  was  however  a  substantial  amount  of  local  damage  to  the
structures and to the passive and active fire protection. On impact, the aviation fuel from the
aircraft  caught  fire  and  an  immediate  conflagration  of  fuel,  aircraft  and  building  contents
developed in the vicinity. Gas temperatures as high as 900–1100oC locally in some areas and
400–800oC in others have been estimated

(2)

. After about 1 hour and 43 minutes in the case of

the north tower (WTC1) and about 56 minutes in the case of the south tower (WTC2), the
heat  from  the  widespread  fires  had  penetrated  the  remaining  structure.  The  increase  in
temperature  of  the  structure  weakened  it  further  in  the  vicinity  of  the  crash  location. As  a
result, it was unable to continue to support the section of the building above the crash site.
This structure then failed allowing the building above to fall under gravity onto the section
of building below. The descending section of building gained momentum as potential energy
was  released  and  converted  to  kinetic  energy. A progressive  collapse  of  the  whole  of  each
building  followed,  the  increasing  kinetic  energy  being  sufficient  to  cause  catastrophic
damage to propagate downwards through the essentially undamaged lower storeys. 

4.3

The aircraft impacted on the WTC1 tower almost centrally on the north face and the vertical
axis of the building between the 94th and 98th floor. It caused substantial  damage to the
north face. For the WTC2 tower, the aircraft impacted on the south face between the 78th
and 84th floor to one side of the central axis of the building. In this case substantial damage
was  apparent  to  the  south  face  in  the  zone  of  impact.  The  aircraft  impact  nearer  to  one
corner of the WTC2 tower appeared eventually to result in the upper section of that building
tilting over to some extent from the vertical as it collapsed. 

4.4

Prior  to  the  collapses,  several  fire  compartments  of  the  buildings  in  the  locality  of  the
impacts  had  probably  been  breached.  In  addition,  the  lightweight  fire  protection  to  the
nearby steel external columns, core columns and floor trusses was friable and would not
have withstood the impact and subsequent fires in the breached compartments sufficiently
to  prevent  the  affected  steelwork  from  heating  up  to  temperatures  at  which  load-bearing
capacity was severely reduced. The column failures initiating the progressive collapses may
have been somewhat different in the two cases because of differences in the impacts and
fire damage. However, the cause, in generic terms, and the end result was the same. Both
buildings suffered complete, catastrophic progressive collapse.

4.5

After  the  aircraft  impacts,  emergency  services  despatched  to  the  towers  concentrated  on
evacuating  and  rescuing  people.  Instructions  to  occupants  of  the  towers  appear  to  have
differed depending on location. In some cases people were advised to leave the building, in
others to remain. The reports of witnesses indicate that there was no expectation that the
towers might collapse. As the gravity of the situation became more apparent, more people
tried  to  leave  the  towers.  Most  of  those  below  the  impact-damaged  floors  managed  to
escape. For all but a very few people at or above the point of impact, escape was impossible
because the stairs were impassable and the lifts unusable. The other effort of the emergency
services was to fight the fires, but with lifts no longer working, access to the fire locations
required an arduous climb. The effort was to no avail. In hindsight, it can be concluded that
the circumstances made it impossible to put out the fires before the towers collapsed. The
task was impossible not only because of the difficulty of access, but also because of the
formidable  obstacles  to  providing  sufficient  water  at  the  fire  location.  In  addition,
destruction of the fire protection had greatly increased the vulnerability of the structure to
the fire. Sadly many fire fighters were in the towers and also perished when they collapsed.
There  were  more  than  3000  fatalities  amongst  the  occupants  of  the  buildings  and  the
aircraft, fire fighters, police and other emergency services personnel.

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

17

4.6

There was also substantial damage to buildings adjacent to the WTC towers

(2)

. Seven World

Trade  Center  (WTC7)  caught  fire  and  subsequently  collapsed,  see  Appendix  A.  The
Marriott  Hotel  (WTC3),  a  building  with  22  storeys  above  grade  and  6  storeys  below,
collapsed under the impact of falling debris from both WTC tower collapses but it did not
collapse progressively. In total, partial or complete collapse of 10 major buildings occurred
and  more  than  50  buildings  were  damaged.  Some  issues  raised  by  the  individual
performance of these buildings are incorporated into the discussion in this Report.

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

18

5 Safety issues raised by the collapses of the World Trade Center towers

5.1 Major safety issues

5.1.1 Tall/large  buildings  should  provide  a  safe  environment  for  people  within  them  and  in  their

vicinity, and they should enable people to escape to safety as far as is practicable following an
extreme man-made or naturally-occurring event. The provisions made have been tested in recent
years not only at the World Trade Center but also elsewhere in the world, see Appendix A.

5.1.2 The  aim  of  consideration  of  an  extreme  event  in  the  design  of  a  tall/large  building  is  to

accept that some damage to the building is likely to be inevitable and to design so that the
damage  is  localised  and  still  allows  occupants  the  best  chance  of  escape.  Prevention  of
extreme  man-made  events  through  national  and  international  security  is  a  priority.
However,  for the  future,  it  has  to  be  assumed  that  there  may  be  more  severe  and
different extreme events in tall/large buildings than have occurred to date. Limitation
of damage for all eventualities to that which is tolerable or practicable has to be the
working aim.

5.1.3 In  this  context,  several  key  questions  arise  from  the  experience  of  the  WTC  tower

collapses:

What can be done to reduce the vulnerability of a tall/large building to collapsing
progressively and totally?

Should provisions for the protection of occupants and the building itself in the 
event of fire be set at a higher standard?

Could escape routes and evacuation of building occupants and the linkage with 
the emergency services be better provided and managed to help save lives?

5.1.4 The  above  questions  and  others  lead  to  the  need  to  review  how  designers  and

owners/operators  determine  an  appropriate  level  of  protection  against  extreme  events
which  have  remote  probabilities  of  occurrence  but  which  potentially  have  very  severe
consequences. The questions focus attention on safety issues that are multi-disciplinary and
strongly interrelated. They are discussed below.

5.2 Vulnerability to progressive collapse

5.2.1 The  concept  of  disproportionate  damage  relates  to  the  cause  of  the  damage.  It  is

generally  expected  and  required  that  ‘small’ events  that  may  damage  man-made
artefacts  and  organisations  should  only  cause  relatively  ‘small’ damage.  Similarly
‘large’ events (in comparison to the artefact’s size and purpose or to the organisation)
causing  ‘large’ damage  may  be  accepted,  particularly  if  the  event  is  rare  or  totally
unforeseen. There is an expectation that damage will be resisted to a practical extent in
the operating environment. This expectation applies to all artefacts, including tall/large
buildings.  In  the  case  of  the  damage  on  11  September  2001  to  the  WTC  towers,  the
initial  impact  damage  caused  by  the  aircraft  was  not  disproportionate  in  the
circumstances. The subsequent situation where many fatalities resulted from inability of
occupants to escape from locations above the points of impact and from the eventual
fire-induced  progressive  collapses  may  be  less  acceptable  if  it  could  be  prevented  by
practicable means. The challenge now is to determine if and how such situations can be
avoided in the future.

5.2.2 Progressive  collapse  is  a  term  well  understood  by  structural  engineers  to  refer  to  a

spreading of collapse through a considerable part or the whole of a structure following local
damage to a relatively small structural part. The event causing the initial local damage does
not generally provide the energy required to cause collapse to propagate progressively. In
most cases of progressive collapse in building and civil engineering structures, the energy
is  derived  from  potential  energy  released  as  parts  of  the  structure  fall  under  gravity.
Depending  on  the  form  of  the  structure,  progressive  collapse  may  progress  vertically  or
horizontally. For tall buildings, vertical progression is usually the main concern

(4)

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

19

5.2.3 The essential features of the progressive collapse phenomenon in buildings are therefore

that it requires a local damage event to ‘trigger’ it and, for propagation, it requires growth
of kinetic energy (usually derived from release of potential energy) to exceed the energy
needed to collapse the structure beyond the ‘trigger point’. The size of trigger event needed
and  the  vulnerability  to  collapse  propagation  depends  mainly  on  the  redundancy  of  the
structure,  and  the  strength,  ductility  and  hence  the  energy-absorption  capacity  of  the
structure, that is of the vertical and horizontal structural elements and, most importantly, the
connections between them. 

5.2.4 In general terms, the more redundant the structure (i.e. the more alternative load paths) and

the stronger and more ductile the elements and connections, the bigger the ‘trigger’ needed
to initiate progressive collapse and the less will be the vulnerability to collapse propagation.
Reduction  of  vulnerability  requires  the  structure  to  be  made  more  robust  so  that  the
threshold  for  initiating  progressive  collapse  is  raised.  As  a  result  the  probability  of  it
occurring due to an extreme event can be made smaller. There is a need to be aware that
some  potential  trigger  events,  such  as  explosions,  may  load  the  structure,  e.g.  floors,  in
opposite directions to the forces due to normal loads.

5.2.5 Structures  with  high  vulnerability  to  progressive  collapse  are  those  where  release  of

potential energy occurs when the initial local damage (the ‘primary’ damage) is a relatively
minor  event  in  the  vicinity,  such  as  a  local  accident  or  weakening  of  a  critical  structural
element. In contrast to cases where collapse is driven by external energy (e.g. explosion),
gravity-driven progressive collapse, as occurred at the WTC towers, results in damage that
is  usually  perceived  as  being  disproportionate  to  the  original  event.  Structures  that  are
highly  resistant  to  progressive  collapse  are  generally  termed  ‘robust’ structures  and  are
those  where  a  more  severe  accident  or  extensive  weakening  is  needed  in  order  to  make
collapse  progressive.  In  recent  times  there  have  been  several  incidents  of  partial  or
complete progressive building collapse, the best known being the partial collapse of Ronan
Point in London in 1968. Large losses of life resulted in some cases, see Appendix A.

5.2.6 For each of the WTC towers, the damage to the vertical load-carrying columns and floors

from the aircraft impacts was followed by further weakening caused by the ensuing fires.
The  total  weakening  was  then  sufficient  to  allow  the  potential  energy  of  the  part  of  the
building above to be released and converted to kinetic energy as that part fell under gravity.
This kinetic energy was sufficient to commence destruction of the building floors below the

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

20

fire  locations.  These  floors  then  began  to  add  to  the  kinetic  energy  of  the  falling
construction, adding more ‘fuel’ to the destruction of the building and bringing the rate of
collapse similar to that of free fall.

5.3 Passive and active fire protection

5.3.1 Passive fire protection, including compartmentation

5.3.1.1

The purpose of passive fire protection of structural elements in buildings is to prevent
or delay temperature rise in the elements so that they are not weakened to the extent that
they can no longer fulfil their load-carrying role before people have left the building and
surrounding  areas  and,  if  possible,  the  fire  is  brought  under  control  or  burns  out.  For
steel-framed buildings, the fire protection of columns is particularly critical. Protection
is  by  means  of  a  non-combustible  material  encasing  and  in  contact  with  the  element
and/or of an insulating casing that prevents fire gases reaching the element directly. For
this purpose the protection needs to have strength and stability in fire conditions as well
as heat insulating properties and a surface finish with low spread of flame properties. 

5.3.1.2

Passive fire protection is usually given a time rating over which it will remain effective,
based on standard laboratory tests, i.e. the BS 476 test in the United Kingdom and the
ASTM  E119  test  in  the  United  States

(5)

.  Laboratory  furnaces  are  relatively  small  and

therefore cannot mimic the real behaviour of a structure in fire, only the performance of
an individual element. The time rating does not bear any relation to the time the building
will  survive  in  a  ‘real’ fire.  The  standard  laboratory  tests  are  comparative  and  not
intended to be predictive of behaviour in fire in a building.

5.3.1.3

The  aircraft  impacts  and  fires  were  very  onerous  challenges  to  the  fire  resistance
provisions in the WTC towers. Gas temperatures as high as 900–1100oC have been
estimated to have developed locally in the fires

(2)

. Much of the passive fire protection

would  have  been  destroyed  in  the  vicinity  of  the  aircraft  impacts  by  the  impacts
themselves  and  the  fire  of  aviation  fuel,  followed  by  ignition  and  burning  of  the
aircraft  and  building  contents. Additionally,  there  is  the  possibility  that  the  overall
integrity of the passive fire protection systems was weak prior to the damage on 11
September 2001. Passive fire protection should be the correct thickness, durable and
remain firmly in place during the life of the building. It should not flake or fall off. It
should also be resistant to removal by building movement and vibration and by ‘wear
and tear’ by occupants and building maintenance personnel.

5.3.1.4

Compartmentation  is  used  as  a  passive  protection  in  buildings  to  prevent  (or  at  least
delay) the spread of fire and smoke from its initial location. Separate compartments may
be created from a floor, part of a floor, escape staircase or lift shaft so that people outside
the compartment on fire are safe until rescued, or have a safe escape route. Compartment
effectiveness  may  be  reduced  over  time  by  poorly  managed  building  operations,  for
example  installations  of  IT and  communications  systems.  Inadequately  supervised
cabling installations often leave holes where fire and smoke can pass through. 

5.3.1.5

Generally  passive  fire  protection  and  compartmentation  have  protected  people  to  a
considerable degree from conventional fires in buildings, i.e. fires involving the burning
of  the  contents  generally  found  in  offices,  residential  buildings  and  the  like.  Flame
damage is usually concentrated close to the origin of the fire indicating the effectiveness
of compartmentation. However, compartmentation is often less effective at controlling
smoke spread. When extreme damage is inflicted, such as in the WTC towers, compart-

Key issues: Vulnerability to progressive collapse

The redundancy of the structure and available alternative load paths.

The strength, ductility and hence the energy absorption capacity of the structure (i.e. the
structural elements and particularly the connections between them).

The retention of structural integrity in fire.

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

21

mentation  measures  will  clearly  have  limited  effectiveness  in  containing  a  major  fire
emergency. Compartmentation and control of air has a wider importance arising from
possibilities of extreme man-made events that use air contamination as the instrument
of damage, see Section 5.5.2.

5.3.1.6

An option that could be considered is the design for survival of the structure until the
compartment contents have burned out completely. A fire engineering approach based
on  a  natural  fire  exposure  would  be  needed  if  this  design  criterion  were  adopted.  In
recent years two building fires in the United Kingdom, at Broadgate

(6)

and at Churchill

Plaza,  Basingstoke,  have  provided  an  opportunity  to  observe  how  modern  buildings
perform in fire. In both cases most of the combustible materials were involved in the
combustion  process.  Structural  collapse  did  not  occur.  Similarly,  large-scale
experimental fire tests on steel, timber and concrete buildings undertaken by BRE

(7)

at

Cardington and by BHP

(8)

in Australia led to complete ‘burn out’ of all the fire load. Such

practical evidence suggests that buildings, if suitably designed, may be able to survive
complete ‘burn out’ without collapse.  

5.3.2 Active fire protection

5.3.2.1

The partial effectiveness of passive protection to keep occupants safe when fires occur
in buildings has led to the increasing use of active fire protection in addition to passive
protection. Active protection is usually provided in tall/large buildings by sprinklers that
operate  automatically  as  a  fire  develops,  dousing  the  fire  with  water.  Their  role  is  to
catch a fire when it is still small and put it out or inhibit its spread. For the WTC towers,
the active fire protection by sprinklers was effective in dousing small accidental fires
that occurred prior to 11 September 2001. On 11 September 2001, the sprinkler system
would  have  been  overwhelmed  by  the  fires,  even  supposing  the  sprinkler  and  water
supply systems were still operative. Active fire protection using sprinklers is not able to
stop fully developed fires and also is vulnerable separately to loss of water pressure due
to  extreme  event  damage.  Design  for  fire  needs  to  consider  the  likelihood  and
consequences of failure of the sprinkler system.

5.3.2.2

Fire fighting, of course, is an important means of active fire protection through the use
by occupants of equipment provided in the building to fight small fires and the use by
fire  fighting  services  of  their  more  powerful  equipment.  However,  in  tall/large
buildings, there are limits to the size of fire that a team of fire fighters can bring under
control.  The  limits  can  be  severely  reduced,  as  was  seen  at  the  WTC  towers,  by  the

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

22

impracticability of timely access to the fire when it is at height and lifts are inoperable.
Dedicated  lift  shafts  for  emergency  services  use  can  preserve  access  for  fire  fighting.
However, extreme event damage can lead to loss of fire fighting lifts thereby preventing
ready access by the emergency services to fire at height. Loss of water supply due to
extreme event damage can also render fire fighting impractical. The provision of robust
shafts and water supplies increases the possibility of effective fire fighting.

5.3.2.3

The  heating,  ventilation  and  air  conditioning  (HVAC)  systems  can  play  an  important
role in preventing the spread of smoke in tall buildings. However, such capabilities are
not required in UK codes (except Section 20 buildings in inner London). Pressurisation
of staircases (or natural ventilation) is only intended to keep escape and fire access stairs
reasonably  clear  of  smoke  –  it  is  not  intended  to  keep  floors  clear.  For  tall  buildings
compartmentation  is  intended  to  reduce  smoke  spread  from  floor  to  floor.  The
effectiveness  of  compartmentation  can  be  undermined  by  services  penetrations,  lift
shafts  and  poor  construction.  HVAC  systems  can  be  designed  to  depressurise  the  fire
floor and positively pressurise the adjacent floors, further reducing the spread of smoke
– this is commoly referred to as ‘sandwich pressurisation’ or ‘opposed airflow’. These
systems  are  commmonly  used  in  the  United  States  and  design  methods  are  given  in
CIBSE Guide E

(9)

and NFPA 92A

(10)

.

5.4 Escape, its management and the emergency services

5.4.1  Escape routes and emergency services access

5.4.1.1

The  possibility  of  escape  by  people  from  a  building  in  an  emergency  depends  on
whether  safe  evacuation  routes  are  available.  Questions  arise  on  the  size  of  escape
routes  and  safe  areas,  on  the  dependability  of  services  to  escape  routes  and  protected
areas, in particular clean air supply and light, and on the extent to which escape routes
and protected areas can be made resistant to extreme event damage. 

5.4.1.2

Protected areas can be within or outside of the building. It is necessary for escape routes
to protected areas and finally to places of safety to be adequate in size and negotiable
safely by occupants. Where practical, designated ‘safe refuge’ areas within the building
can be provided for some eventualities. 

5.4.1.3

In some modern buildings, cores, escape routes and protected areas may be sealed and
pressurised  by  air  conditioning  equipment,  e.g.  Petronas  Towers  in  Kuala  Lumpur.
These systems need to be made robust so that they are unlikely to be made ineffective
by physical damage or contamination in extreme events that are likely to occur. Smoke
contamination of escape stairs has been reported in a number of major fire incidents in
the  United  Kingdom,  United  States  and  Canada,  sometimes  with  fatal  consequences.
Contamination may arise due to failure of containment barriers – doors being left open
or inadequate sealing – or from lack of ventilation, pressurisation or purging provision
for contaminated air. 

5.4.1.4

In  the  United  Kingdom,  increased  levels  of  protection  for  escape  stairs  with  building
height  are  required  by  codes  relating  to  fires.  For  buildings  over  18m  high  or  when

Key issues: Passive and active fire protection

The real performance of buildings in fire compared to data from standard fire tests on
components.

The robustness of passive fire protection not only in extreme events but also over time in
service.

The effectiveness of compartments to prevent spread of fire and smoke.

The survivability of effective active fire protection systems in extreme events.

The desirability of a building being able to survive a full burn-out of its contents without
collapse.

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

23

phased evacuation is planned, a protected lobby to each stair or a smoke control system
is  required.  For  buildings  over  30m  high,  the  building  also  requires  protection  by  an
automatic sprinkler system, which makes serious smoke contamination of escape routes
less likely, at least for ‘conventional’ fires. 

5.4.1.5

Tall/large buildings in the United Kingdom are generally designed with a limited phased
evacuation, e.g. evacuating the ‘fire floor’ and the floor above, as the main response to
an emergency. Post 11 September 2001, large numbers of building occupants are likely
to  wish  to  evacuate  over  short  periods  in  response  to  real  or  perceived  emergencies.
Effective  communications  between  building  management  and  occupants  is  clearly  an
important factor in maintaining the safety of occupants during emergencies.

5.4.1.6

Similarly, issues need to be examined relating to the use of lifts for evacuation (and for
access  by  emergency  services’ personnel).  In  a  major  emergency  a  proportion  of
occupants are likely to try to use the lifts to escape whatever warnings are given about
not doing so. Evacuation by the lifts used by occupants for normal access/egress may be
possible safely in some emergencies. Where there is a warning of an event, the use of
lifts  for  evacuation  will  minimise  evacuation  time.  It  may  be  possible  also  to  use
dedicated  fire  fighting  lifts  for  evacuation,  perhaps  of  disabled  occupants,  in  some
emergency  circumstances.  However  their  use  could  inhibit  emergency  services
operations. Evacuation by lift is an established strategy in a few special structures.

5.4.1.7

The use of lifts is more likely to be safe if the shaft is of robust construction and the lift
system and its power supply is robust and protected. An important factor in determining
whether use of a lift in an emergency will be safe is the state of knowledge at the time
of functionality of the shaft and the lift system. Monitoring of the power system and the
air condition is needed to enable the building management to decide whether there is
low(acceptable)  risk  to  occupants,  given  the  emergency  in  hand,  in  allowing  use  of
particular lifts for evacuation. However, a major risk to occupants is that they may be
overwhelmed by smoke as they wait for the lift. Consideration also needs to be given to
providing emergency ‘break-out’ arrangements so that passengers in a lift can be rapidly
rescued (or can rescue themselves) if the lift stops functioning during use. 

5.4.1.8In  some  countries,  including  the  United  Kingdom,  the  provision  of  dedicated  fire

fighting  shafts  is  required.  Such  shafts  include  stairs,  lift  and  lobby  in  a  protected
enclosure. They can be an effective facility for enabling emergency services personnel
to reach the incident location quickly. A further advantage is that escape stairs are kept
free for use by occupants evacuating the building. Dedicated fire fighting shafts can also
provide protection for water mains and communications links.

5.4.1.9

Diversity in vertical escape options by lifts or stairs is likely to increase the chance of
successful  evacuations.  Options  might  be  increased  by  placing  stair  entrances  on
different sides of a central core. Options might also be increased by dispersing stairs and
lifts  in  separate  shafts  instead  of  placing  them  in  a  central  core.  The  balance  of
advantage  and  disadvantage  for  the  safety  of  occupants  is  not  clear. A central  core  is
usually large and can be built of robust construction to give good protection. Separate
cores  would  individually  be  smaller  and  placed  nearer  to  the  outside  of  the  building
where  they  would  tend  to  be  more  vulnerable  to  extreme  events.  Whatever  the
arrangement,  the  stairways  need  to  be  independently  robust  so  that  damage  affecting
one stair is less likely to affect nearby stairways.

5.4.2 Management of escape

5.4.2.1

Occupants of tall/large buildings have tended to feel secure in normal circumstances and
to  be  intent  on  pursuing  their  usual  day-to-day  activities. They  have  tended  not  to  be
particularly  receptive  to  fire  drills  and  to  be  reluctant  to  evacuate.  The  logistics  and
expense  of  completely  evacuating  a  tall/large  building  and  the  hazards  involved  are
considerable  even  as  a  fire  drill  in  non-emergency  circumstances.  For  most
emergencies, simultaneous evacuation may be considered inappropriate.

5.4.2.2

The safety of occupants in major emergencies can usefully be distinguished from their

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

24

safety in emergencies, i.e. what might be considered to be ‘conventional’ accidental events,
e.g. a local fire. In the latter case, there is generally no need for early complete evacuation
of  the  building,  although  phased  evacuation  of  several  floors  may  be  needed.  Normal
practice would involve a pre-alarm whereby only security personnel would be informed of
the  early  stages  of  an  incident.  An  alarm  or  evacuation  request  would  be  relayed  to
occupants by the building management after the incident has been investigated and only if
it is considered to be sufficiently serious to merit a partial or complete evacuation. This
approach  reduces  the  risk  of  false  alarm  but  inevitably  results  in  delay  in  starting
evacuation. However, where a fire can be seen, heard or felt, evacuation is likely to begin
earlier.  For  all  incidents,  the  building  management  (and  at  a  later  stage  the  emergency
services)  need  access  to  sufficient  accurate  information  to  formulate  an  appropriate
emergency response. Given the wide range of possible emergencies, reliable systems are
required to enable management to obtain the relevant information about the incident and
resulting  conditions  in  the  building  so  that  an  appropriate  response  can  be  determined.
Likewise, reliable systems are needed to enable implementation of the response.

5.4.2.3

The preliminary incident alarm to occupants may be followed by some form of partial
evacuation in which occupants are moved away from the affected area. The remainder
of  the  occupants  are  not  disturbed  or,  perhaps  more  usually,  are  informed  of  the
situation,  placed  on  standby,  and  requested  to  continue  normal  activities  unless
otherwise instructed as the incident progresses.

5.4.2.4

Such  procedures  of  phased  evacuation  may  be  considered  adequate  for  most  normal
hazard  scenarios,  particularly  accidental  fires  associated  with  the  specific  occupancy.
Such fires usually have small beginnings and can be confined to an area or to one floor
of a building, for an extended period. The challenge for building management in such
situations is usually to ensure a timely and calm response by the occupants, with a rapid
and efficient evacuation of the affected area or floor.

5.4.2.5

The  management  of  a  major  emergency  in  a  tall/large  building  arising  from  an  extreme
event can be crucial to the safe escape of the building occupants. The right decisions are not
easily determined, since any major emergency will be a unique event. Decisions have to be
made quickly bearing in mind the whole building and not just the location of the incident.

5.4.2.6

There  have  been  a  number  of  recent  incidents  in  tall/large  buildings  of  sufficient
magnitude to involve several floors at once, to threaten the whole building structure and
to alarm the building occupants as a whole, e.g. the aircraft strikes on the WTC towers,
and the bomb explosions at St Mary Axe, The Murrah building and the WTC1 tower, see
Appendix A. Dealing with such major emergencies requires integration of building design
and emergency management strategies. The incidents have highlighted inefficiencies and
difficulties  of  ensuring  efficient,  rapid  and  well-managed  evacuation  of  tall/large
buildings. Current prescriptive design has been developed with fire emergencies primarily
in  mind  and  emphasises  the  provision  of  horizontal  and  vertical  means  of  escape.
However,  reports  of  occupant  behaviour  during  the  recent  incidents  show  that  these
provisions are often inappropriately or inefficiently used. In some cases evacuation times
have been long because occupants have been slow to respond to requests to evacuate and
have  then  tended  to  crowd  some  routes  whilst  others  are  underused.  In  other  cases,
occupants  have  all  tried  to  leave  at  once,  clogging  escape  routes  designed  even  for
simultaneous  evacuation,  let  alone  those  designed  for  phased  evacuation.  Efficient
evacuation  depends  upon  the  implementation  of  an  effective  emergency  management
strategy, making the best use of warning systems, security staff and escape routes.

5.4.2.7

Where it is decided in a major emergency that the best strategy is to maintain occupants in
place with progressive phased evacuation of affected parts of the building, then particular
consideration needs to be given to the advice to occupants to remain or leave as required. 

5.4.2.8

Where  it  is  decided  that  complete  evacuation,  or  evacuation  of  large  numbers  of  people
from a number of floors simultaneously, is required, then escape routes must have sufficient
capacity and be a practical option for the majority of occupants. Not all occupants with the
normal range of physical capabilities are likely to be able to walk down 50–100 storeys of

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

25

stairs. Situations where there is an acceptable risk to using lifts to evacuate disabled or large
numbers  of  able-bodied  occupants  need  to  be  identified  in  escape  strategies.  The
communications systems provided for delivering advice to occupants are crucial. 

5.4.2.9

Escape depends on the arrangements for managing the evacuation, including advice
to occupants on when and how to evacuate the building, the routes to take, and the
assistance by emergency services. Simultaneous complete evacuation of a building by
all  occupants  without  use  of  lifts  may  not  be  a  practical  possibility  in  existing
tall/large buildings if this was not a design criterion. Provisions for phased evacuation
only, as at the WTC towers, are usually included in designs. However, the experience
of  11  September  2001  indicates  that  simultaneous  evacuation  of  a  substantial
proportion of all floors, is a key requirement in certain major emergencies and should
be planned for. Even where existing tall/large buildings have been designed only for
phased evacuation, there is need to plan for simultaneous evacuation.  

5.4.2.10 Irrespective of whether evacuation is phased or simultaneous, there clearly needs to be

good  communication  with  the  building  occupants  on  when  to  leave  and  the  routes  to
take.  The  experience  at  the  WTC  towers  raises  a  range  of  issues  about  occupant
response and management of evacuation in tall/large buildings. 

5.4.2.11 Consideration is needed concerning what information and requests/instructions should

be relayed to occupants for different emergency scenarios and also concerning how the
information is relayed. Several issues arise: 

• Following the World Trade Center events, very large numbers of occupants may decide

to evacuate during the early stages of an incident in a tall/large building. Crowding of
escape routes may then occur, possibly preventing occupants from evacuating affected
floors.  Depending  upon  the  effectiveness  of  compartmentation  and  ventilation  or
control of contaminated air, various parts of escape routes may become contaminated.
Occupants attempting to evacuate the building may then be in more danger than those
remaining in situ. On the other hand, if the emergency is serious, occupants delaying
evacuation may become trapped and compromise their own survival.

• The  information  and  requests/instructions  given  to  occupants  are  therefore  crucial.

Occupants need to have a confident understanding of the situation and the evacuation
strategy being used. Information and requests/instructions should be based on accurate
knowledge by the building management of the conditions in all areas of the building
and  of  the  likely  changes  in  each  area  as  the  emergency  develops. A position  often
taken  is  that  occupants  should  be  given  as  little  information  as  possible.  More
considered opinion is that occupants should be kept fully informed. They will then be
in a position to make rational decisions on the action they should take. It may also be
argued that occupants have a right to expect to be kept fully informed. It is generally
agreed that people do not ‘panic’ when an emergency first comes to notice. They tend
to  try  to  assess  the  situation  and,  as  a  result,  may  delay  their  escape.  A common
procedure  is  to  reassure  occupants  that  they  are  not  in  danger  but,  following  the
extreme events at the World Trade Center, occupants of tall/large buildings may not
accept such reassurance without tangible evidence.

• Good  communication  systems  are  needed  to  enable  the  effective  management  of

emergencies. The nature and type of communication and alarm systems have a major
influence on the response of occupants. Current guidance, e.g. the CIBSE Guide in the
United Kingdom

(9)

, assumes ‘conventional’ fire emergencies but can be used to model

the effects of extreme events.

5.4.2.12 Occupant  familiarisation  and  ‘training’ for  possible  emergencies  can  assist  them  to

remain  calm  and    respond  optimally  to  standby  or  evacuation  requests.  Training  of
occupants  can  greatly  increase  their  ability  to  escape  quickly  and  provide  valuable
reassurance about how quickly they can get out.

5.4.3 Interaction with emergency services

5.4.3.1

The collapses of the WTC towers have raised new concerns relating to the operational

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

26

response and safety of emergency services personnel (fire service, ambulance service,
police  and  those  who  are  required  to  disable  and  remove  dangerous  devices  and
substances)  in  major  emergencies.  As  for  building  occupants,  the  steps  taken  by
emergency services should be based on an assessment of the nature and effects of the
emergency,  including  judgment  of  the  likelihood  that  part  or  all  of  the  building  may
become  structurally  unsafe.  For  this  purpose,  informed  assessment  from  the  local
Building Control authority or structural engineers is essential. Its provision needs to be
included in the preparations for major emergencies. Informed assessment is also needed
to  identify  areas  within  the  building  that  are  already  or  may  become  dangerous  or
harmful to the health and safety of occupants. Finally contingency plans are needed for
situations  where  a  significant  number  of  emergency  services  personnel  are  injured  or
otherwise made unable to operate.

5.4.3.2

Preparations  for  major  emergencies  should  automatically  include  plans  for
attendance  in  the  shortest  possible  time,  for  access  to  the  building,  and  for  the
location  of  emergency  services  vehicles.  They  will  also  include  the  setting  up,  in
association with the building management, of command and control procedures so
that the response can be managed efficiently. Up-to-date information on the building
and the incident should be to hand. Communication systems are very important in
achieving  an  effective  response.  Reported  shortfalls  in  communications  in  some
tall/large building emergencies need to be avoided by initial planning, provision of
effective equipment and training. 

5.4.3.3

Emergency services teams cannot be effective in all possible emergency situations. For
example,  there  are  limits  to  what  a  team  of  fire  fighters  can  do.  For  some  major
emergencies,  there  are  some  circumstances  where  no  benefit  would  be  gained  by
allowing  emergency  services  personnel  to  enter  the  building,  e.g.  if  dedicated  fire
fighting  lifts  are  inoperable.  Such  considerations  need  to  be  taken  into  account  in
emergency response plans.

5.4.3.4

Optimum judgements on deployment of emergency services personnel are only likely to
be made if emergency services managers have relevant knowledge of their capabilities
and good information on the event. These managers need to be informed by the building
management about the building itself and about the nature of the event, its location and
scale,  and  the  possible  implications  for  the  safety  of  the  building  and  the  health  and
safety of its occupants. Such information is crucial to decisions on whether emergency
services should enter the building, the equipment they should carry, and their purpose.
These requirements need to be met through the development of emergency management
strategies and response plans for each tall/large building.

Key issues: Escape, its management and the emergency services

The physical robustness, size and safety of escape routes and diversity of vertical escape
options.

The use of occupant access/egress lifts and emergency services’ lifts for evacuation. 

Timely  access  for  effective  fire  fighting  and  rescue,  and  provision  of  protected  water
mains.

Provision for simultaneous evacuation in addition to phased evacuation. 

Management/emergency  response  plans  for  the  evacuation  of  occupants  depending  on
the nature and severity of the extreme event.

Provision and use of communication and information systems during emergencies.

Training  of  building  management,  emergency  services  and  occupants  in  emergency
management and response.

Procedures  for  gathering  relevant  information  when  an  extreme  event  occurs  and  for
communication between building management, emergency services and occupants.

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

27

5.5 Other issues

5.5.1 Security and safety of cladding, including glazing

5.5.1.1

Cladding, especially glazing, can become a hazard when certain extreme events occur
within or outside of a building, e.g. explosion or fire. For example, glass fell onto fire
fighters at the First Interstate Bank Building fire in Los Angeles from the 12th to 16th
floor levels and spread out up to 100 feet from the building, see Appendix A.

5.5.1.2

People in the vicinity at ground level near to a tall/large building can also be at risk from
falling glazing when an explosion occurs nearby. Another well-recognised hazard to people
in the vicinity of tall/large buildings is the detachment of cladding panels. The explosion
in the centre of Manchester in 1996, although it caused no fatalities, led to over 800 injuries
almost all of which were due to falling cladding debris, mostly glass, see Appendix A.

5.5.2 Security and safety of building services

5.5.2.1

Although not demonstrated in the attacks on the WTC towers, a wide range of extreme
events could place occupant health and safety in jeopardy by interfering with building
services  (ventilation,  air  conditioning,  water  supply,  heating/cooling  and  electricity
supplies,  waste  disposal  and  catering  services).  In  some  cases,  but  not  all,  similar
measures are needed to protect occupants to those measures that are used for protection
from the hazard of smoke.

5.5.2.2

Physical  damage  to  services  systems  can  cause  loss  of  functionality  or  make  them
unsafe. Contamination by chemical, radioactive or biological substances can have rapid
and  widespread  harmful  effects  on  occupants.  Such  hazardous  substances  may  be
delivered by airborne release outside the building at high or low level, or by airborne
release  within  the  building.  They  may  also  be  delivered  by  contamination  of  water
supplies,  by  spreading  contamination  around  inside  the  building  through  people  or
materials that are moved around or by contamination of food or catering equipment.

5.5.3 Security against unauthorised entry

5.5.3.1

Tall/large buildings usually have a high ‘profile’. They are likely to attract the curious
and  those  with  malicious  intent  because  they  are  landmarks,  often  occupied  by  high
profile organisations. They represent a concentration of commercial value. They contain
large numbers of people and are often multi-functional and have multi-occupancy. 

5.5.3.2

Threats  may  arise  from  commonly-occurring  criminal  acts,  or  from  malicious  actions
that pose a widespread hazard to the building and its occupants as a whole. Conceivably
they  may  also  arise  from  the  use  of  sophisticated  devices,  based  on  widely  available
electronic and information technology, placed in a building, possibly connected to the
buildings’ systems and activated when placed, or automatically, or remotely at a later
time. In addition, the latter type of threat may be through contamination using chemical,
radioactive or biological agents. Whilst the risks of commonly-occurring criminal acts
can  be  reduced  through  currently-available  entrance  design  and  security  systems,
malicious  acts  causing  widespread  hazards  require  decisions  based  on  a  thorough
appraisal  of  the  design  and  management  of  the  building  that  establishes  how
vulnerability can be reduced and controlled.

5.5.4 Implementation of design and construction

5.5.4.1

The safety of a tall /large building may be compromised by active and/or latent errors
by those involved in design, construction and management in use, including responses
to  emergencies.  The  underdesign  found  after  the  construction  of  the  Citicorp  Center
provides a salutary lesson

(11)

. The human error subsequently found in the design of a tall

building  in  Rio  de  Janeiro  after  its  progressive  collapse  in  1998  causing  8  fatalities
provides  another  example

(12)

.  There  have  also  been  cases  of  defective  construction  or

maintenance  leading  to  serious  damage,  e.g.  façade  failures

(13)

.  Actions  to  minimise

these risks to tall/large buildings in the past have followed current practice for buildings
generally,  although  frequently  to  a  higher  standard  of  attainment  on  the  basis  of  the
perceived importance of the building in question.

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

28

5.5.4.2

Buildings  generally,  including  tall/large  buildings,  invariably  have  defects  at  the  time
they are handed over after construction. Current experience in the United Kingdom, for
example,  indicates  that  ‘zero  defects’ at  handover  rarely  occurs.  Defects  are  often
present in life safety installations such as security and fire alarms, passive fire protection
and active fire fighting systems, e.g. sprinklers. Commercial pressures can result in sub-
standard  building  products  being  on  the  market.  Many  products  in  use  now  have  not
undergone third party evaluation and a large proportion fail to meet fitness for purpose
standards  on  first  testing.  The  quality  of  installed  sprinkler  systems  is  not  always
ensured  by  installation  inspections.  Installed  life-safety  systems  are  not  always
commissioned and tested, or subsequently maintained in working condition.

5.5.4.3

An important feature of protective products and systems is that they are durable over
time  in  service.  They  should  not  degrade  significantly  and  undermine  the  protective
capabilities of the systems. New installations or upgrades of existing installations should
be made with long-term robustness in mind. 

Key issues: Other issues

Security and safety of cladding, including glazing

Propensity to cause injury in the event of explosion, impact or fire outside or within the
building.

Security and safety of building services

Design of services systems for robustness, redundancy, and with isolation provisions.

Protection and sealing of systems.

Security  against  unauthorised  access  to  building  services  equipment,  plant  and  control
rooms.

Security against unauthorised entry

Prevention of approach and entry with malicious intent.

Management  and  emergency  services  plans  for  response  to  potential  extreme  event
scenarios.

Implementation of design and construction

Assurance of adequacy, including durability, of safety-critical elements.

Quality of components and workmanship in life-safety installations.

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

29

6 The new situation post 11 September 2001

6.1

The  extreme  events  that  destroyed  the  WTC  towers  on  11  September  2001  were
unprecedented  in  scale,  but  they  were  not  wholly  unique.  Aircraft  impacts  into  tall
buildings  had  occurred  previously,  although  not  as  a  deliberate  act.  Indeed,  a  further
landmark building, the 130m high Pirelli building in Milan, was hit by a relatively light
aircraft at the 26th floor level on 18 April 2002

(14)

. Several accidents have also occurred

where an aircraft has crashed in a built-up area of a city. In addition, damage to other
tall/large buildings caused by accidental or malicious acts, particularly explosions and
fire, has occurred over recent years, see Appendix A.

6.2

The explosion damage events referred to in Appendix A are those causing most loss of
life and damage to tall/large buildings in recent years (excluding war zones). Other less
serious events have occurred. In general, reinforced concrete and steel-framed buildings
with well-detailed connections are usually able to withstand nearby explosions without
sustaining extensive permanent damage. Structural damage is likely to be confined to a
zone close to the seat of the explosion. Collapse of an entire building is rare. However,
building  communication  and  services  systems  are  often  rendered  inoperable.  Most
injuries  and  fatalities  are  caused  by  falling  glass,  blast-propelled  debris,  or  by  smoke
inhalation.  World  wide,  the  incidence  of  substantial  damage  to  tall/large  buildings  by
explosions,  accidental  or  deliberate,  is  infrequent  but  possibly  increasing.  Given  the
potential large consequences, explosion damage from small or large devices remains a
major hazard to the occupants of tall/large buildings.

6.3

The  fire  damage  incidents  referred  to  in  Appendix  A are  those  that  have  caused
substantial losses of life and damage to tall/large buildings in recent years. World wide,
substantial fire damage, whether by accident or arson, causing large losses of life is quite
rare  although  fire  incidents  in  high-rise  buildings  are  common,  with  the  numbers  of
fatalities usually being relatively low. However the potential for large life losses exists
and fire is one of the greatest risks for tall/large buildings. Fire must therefore continue
to be considered a major hazard to the safety of occupants of tall/large buildings.

6.4

Extreme event damage to tall/large buildings caused by malicious acts is not therefore
a new problem. However, the events of 11 September 2001 have challenged perceptions
of the safety of tall/large buildings. They have shown that malicious acts  can cause the
total destruction of a tall/large building and result in large loss of life. A new situation
has been created in which a reappraisal of provisions for safety is required.

6.5

Further  incidents  of  extreme  damage  caused  by  malicious  acts  can  be  expected  in  the
future.  Whilst  the  risk  of  such  events  for  most  cities  and  buildings  is  very  low,  an
ongoing risk exists of large explosions, fire or other form of extreme man-made event
aimed at harming occupants and causing damage to tall/large buildings. Other extreme
events  that  can  be  expected  arising  from  malicious  acts  are  those  that  may  make
building  services  (ventilation,  air  conditioning,  water  supply,  heating  and  electricity
supplies and catering services) unsafe. 

6.6

Natural  disasters,  such  as  earthquakes  and  hurricanes,  may  also  threaten  the  safety  of
occupants of tall/large buildings and the buildings themselves. Such extreme events are
prevalent  in  some  regions  of  the  world.  Tall/large  buildings  in  these  regions  are
designed to a practical extent to resist these events and protect occupants. Examples of
such  events  are  not  given  here.  Design  philosophy  and  practice  are  well  developed  in
many regions of the world relating to common natural disasters. Most buildings that are
properly  ‘engineered’ survive  well  and  generally  do  not  collapse  during  these  events.
Design routines continue to be improved as learning from events occurs. The design and
management  provisions  made  for  the  survival  and  safety  of  occupants  in  buildings  in
such disasters provide a basis for learning in order to improve the safety of buildings in
extreme man-made events such as explosions, fire and impact. 

6.7

It is clear that there is no single or precise answer to the issues of designing tall/large
buildings  and  their  operating  and  management  systems  against  the  wide  range  of

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

30

possible  extreme  man-made  events  that  may  occur.  There  may  be  many  options  for
enhancing provisions for the safety of building occupants. Decisions need to be made
by owners, operators, designers and building managers based on an understanding of all
the  issues.  They  need  to  be  based  on  rational  consideration  of  the  ‘profile’ of  the
building and the risks to safety during its intended life. There are strong links relating
to  safety  between  the  building  structure,  fire  protection,  services  systems  and  the
building  management  and  emergency  services.  Multi-disciplinary  effort  is  essential  to
optimise safety. Overall strategies involving the design and construction of the building,
its management and the relationships with emergency services are required in order to
maximise protection of building occupants.

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

31

7 Initial recommendations

7.1 Introduction

7.1.1 The extreme events of 11 September 2002 raise the question of what improvements in the

design of new tall/large buildings, or the appraisal of existing ones, can practically be made
for  the  protection  of  people  when  a  major  emergency  occurs.  Extreme  events  that  may
cause a major emergency take many different forms. Although many can be foreseen, some
cannot and, in any event, their nature cannot be predicted precisely. Nevertheless the risks
to occupants and the damage they cause can be decreased by the provision of more robust
structures, services systems, fire and other protection, and means of escape, and by the use
of emergency response plans. Enhanced provisions in these areas can give more effective
protection against many potential extreme events. 

7.1.2 The  design  of  buildings,  and  especially  tall/large  buildings,  is  a  complex  process  of

evaluating uncertainties and balancing risks and costs. For extreme events, risk management
techniques  are  available  that  can  assist  identification  and  evaluation  of  potential  hazard
scenarios and choices of design and management provisions, see Appendix C. The design of
fire protection systems, means of escape, emergency access and management is every bit
as important as the design of suitably robust structures and building services systems. There
are  strong  interactions  between  all  of  these  elements  and  the  management  of  a  major
emergency that have a marked influence on the safety of building occupants.

7.1.3 The Working Group has reviewed therefore the issues identified in Section 5 and makes the

following  initial  recommendations  of  matters  for  consideration  by  owners,  operators,
designers, and building and emergency services managers of tall/large buildings. To assist
consideration, in-depth technical and economic studies together with review of policies on
the  safety  of  people  in  tall/large  buildings  are  needed.  Recommendations  are  also  given
therefore on needs for supporting development and research, see Section 8. 

7.2 Vulnerability to progressive collapse

7.2.1 The  location,  direction  and  magnitude  of  the  forces  that  extreme  events  may  exert  on  a

tall/large building cannot usually be predicted accurately. In these circumstances, the main
protection against them initiating progressive collapse is to provide a robust structure that
will remain stable even if a number of structural elements are damaged, i.e. suffer ‘primary’
damage.  Robustness  is  achieved  by  use  of  structural  redundancy  and  structural  elements
that are strong and ductile and capable of absorbing a high amount of energy as they deform
under  extreme  loads.  The  elements  need  to  be  joined  by  connections  with  similarly
adequate strength and ductility properties so that alternative load paths are present in the
structure. It is insufficient merely to tie structural elements together. Tying alone does not
inherently provide a ductile structure or one with good energy absorption capability. Fully
tied  structures  made  up  of  strong  elements  and  connections  with  good  ductility  (to
maximise  their  ability  to  deform  under  load  before  they  break)  have  inherent  residual
strength and therefore low vulnerability to progressive collapse. Provision of strength and
ductility  needs  to  recognise  that  the  potential  directions  of  extreme  event  forces  may  be
opposite to the forces due to normal loads, e.g. uplift due to explosions. In addition, there
are  some  structural  situations  where  weak  tying  or  no  connection  between  parts  of  a
structure  can  protect  against  the  whole  structure  becoming  involved  in  a  progressive
collapse.  Knowledge  of  vulnerability  of  building  structures  to  progressive  collapse  is
incomplete and research is needed to improve understanding of the phenomenon.

7.2.2 Redundant structures have alternative load paths for carrying the loads around parts where

local  structural  damage  may  occur.  Where  a  structural  element  is  fundamental  to  the
survival of the whole structure, its design clearly should be given specific consideration.
Such  elements  need  to  be  robust  in  themselves  and,  if  possible,  protected  from  potential
exposure to hazards, e.g. where they are necessarily located near fuel storage that in some
extreme event scenarios might catch fire. 

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

32

7.2.3 Whilst extreme events are largely unpredictable, the occurrence of many amongst the large

number of possibilities can be foreseen, e.g. severe earthquake in some parts of the world,
accidental or deliberate road vehicle/aircraft impact, explosion, fire, or impact followed by
fire. Generally designers have considered single extreme events and not combined events,
such as occurred at the WTC towers where impact was followed by fire. Given a generally
robust structure, the protection provided against extreme events can usually be made more
effective  by  using  an  implicit  or  explicit  risk  identification  process  to  determine  the
extreme  events  and  combinations  of  circumstances  most  likely  to  occur.  It  may  then  be
possible  for  the  design  to  be  adjusted  to  provide  reduction  of  specific  risks  using  risk
management approaches as discussed in Appendix C. Such reductions may be identified in
particular for combinations of potential impact, explosion and fire events.

7.3 Passive and active fire protection

7.3.1 Passive fire protection, including compartmentation

7.3.1.1

To  be  effective  in  extreme  events,  passive  fire  resistance  materials  require  greater
capability for resisting removal by impact, explosion, fire, or by degradation over time
due to vibration or ‘wear and tear’ by occupants and maintenance. A greater capability
for protecting structures in fires than provided for by current standards is also needed.
The use of hydrocarbon-grade fire protection that has capability for withstanding rapid
temperature rise and temperatures up to 1200oC, might be considered. Practical research
is needed on the resilience of passive fire protection materials to blast, impact and large
deformations of the structure underneath, and the associated robustness criteria for these
materials.

7.3.1.2

Modern tall/large buildings tend to contain considerable amounts of combustibles that
can also cause relatively high temperature fires, especially if there is a through draught.
Given these circumstances and the potential range of extreme events, it is suggested fire
compartmentation  should  be  more  effectively  provided  and  maintained  in  tall/large
buildings. Pressurisation and smoke control should be a part of the design. Design fires
should perhaps be assumed to last to ‘burn out’ with design based on the performance
of the whole structure in real fires, as opposed to using the indications from standard
comparative  tests  on  building  elements. The  protection  and  compartmentation  around
key  sources  of  fuel  energy,  such  as  oil  storage,  should  be  made  to  a  high  standard.
Compromises to the integrity and effectiveness of compartmentation, for example as a
result of installation of new IT and communications systems during building use, should
be controlled by appropriate approval processes.

7.3.2 Active fire protection

7.3.2.1

Incidents of fire in buildings generally, and in tall/large buildings in particular, suggest
that sprinklers, which commence in operation when the fire is small, are very effective
in limiting the scale of fire losses, see Appendix A. However, sprinklers are usually not
capable  of  extinguishing  a  large  or  fully  developed  fire  as  may  arise  nearly  instanta-
neously from some man-made extreme events. Sprinklers remain a valuable protection
in cases where relatively small fires are the initiating event. It is desirable to increase the
effectiveness of sprinkler operation by providing redundancy in water supply systems
and protection of water supply routes.

Recommendations for consideration: Vulnerability to progressive collapse

Raise the ‘trigger’ threshold, i.e. increase the capability of the structure to limit damage
and to bridge over damaged parts by provision of alternative load paths. For this purpose,
use structural elements with robust, ductile and energy absorbing properties and tie them
together with strong ductile connections, recognising the directions of potential extreme
event forces.

Give  specific  consideration  to  elements  that  are  fundamental  to  the  survival  of  the
structure.

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

33

7.3.2.2

Heating, ventilating and air conditioning (HVAC) systems may be helpful in the control
of fire and occupant survival if linked to fire detection equipment or informed manual
control. For this purpose, control of ventilation fans needs to include, for example, the
ability  to  shut  them  down  quickly  in  a  fire-affected  zone,  and  to  pressurise  adjacent
compartments and escape routes appropriately.

7.4 Escape, its management and the emergency services

7.4.1 Escape routes and emergency services access

7.4.1.1

For  tall/large  buildings,  a  high  level  of  physical  protection  of  escape  routes  appears
desirable, for example by requiring robust shaft construction and stairwell protection by
ventilation,  pressurisation  or  smoke  lobbies.  Further  examination  is  needed  of  the
processes  by  which  smoke  may  spread  during  major  emergencies  and  of  methods  of
providing improved protection of occupants over extended periods in the building and
during evacuation.

7.4.1.2

Shafts  containing  escape  routes  need  to  have  sufficient  structural  robustness  and
integrity so that there is only a small risk of them becoming impassable by occupants
during  an  extreme  event.  Routes  should  be  separated  or  separately  protected  even  if
placed together in the same shafts. They also need to provide a secure environment so
that  occupants,  who  may  be  on  the  route  for  an  extended  period,  are  safe.  For  this
purpose, shaft pressurisation and blast-resistant doors to lobbies might be considered.
Diversity  of  numbers  and  location  of  escape  routes  and  exits  is  desirable  to  provide
occupants with more options for escape. This would reduce the likelihood that all routes
become impassable in an extreme event. Placing entrances to stairs on opposite sides of
a  central  core  to  give  alternative  exits  from  each  floor  may  be  a  way  of  increasing
diversity. Alternatively, the use of more than one core might be considered. 

7.4.1.3

The physical size of escape routes, e.g. stair widths, should also be such that they have
sufficient capacity to allow simultaneous evacuation from a number of adjacent floors and
possibly  the  whole  building. The  dimensions  of  staircases  need  to  be  sufficient  so  that
congestion and delays in evacuating affected floors are avoided in most circumstances.
Escape  routes  also  need  to  be  usable  by  occupants  with  a  wide  range  of  physical
capabilities.  It  may  be  that  properly  designed  and  protected  lifts  can  be  used  for
evacuation  generally. The  development  of  design  requirements  and  operating  protocols
for the use of lifts for evacuation is needed. In ‘fire’ emergencies, escape by lift needs to
be restricted to floors not affected by the fire as the risk of waiting for a lift on the ‘fire
floor’ is  too  high.  Lift  control  systems  should  be  designed  so  that  signals  from  the  fire
alarm system prevent lifts from stopping at ‘fire floors’. Provisions should be made for
escape from ‘stopped’ lifts.

7.4.1.4

Escape  route  provision  should  allow  all  occupants  to  evacuate  the  building  without
becoming  distressed  by  congestion  or  delay.  Support  systems,  e.g.  ventilation/air
conditioning  of  shafts,  electricity  supply  and  communications  systems  need  to  have

Recommendations for consideration: Passive and active fire protection 

Provide robust, resilient and durable passive fire protection.

Treat  active  fire  protection,  e.g.  sprinklers,  as  an  addition  to,  and  not  a  substitute  for,
passive fire protection, and do not consider it for extreme events.

Ensure  compartments  are  gas  tight  and  seals  are  sound  on  building    completion  by
inspection, testing and certification.

Provide protection to compartments and mitigate the spread of smoke.

Design building to survive complete ‘burn out’ of contents.

Require  independent  approval,  as  a  part  of  licensing  and  periodic  audit  of  life-safety
systems, of modifications to passive and active fire protection.

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

34

built-in redundancy. Effective live communications between the building management
and occupants, easy-to-follow signs, and reliable lighting of routes, e.g. using battery
back-up power, are important provisions.

7.4.2 Management of escape

7.4.2.1

The primary aim in management of emergencies in tall/large buildings is to maintain a
safe  environment  where  occupants  are  located  in  the  building,  especially  in  normal
circulation areas and escape routes. A second aim is to manage the occupant population
and ensure the optimal means of getting people safely to a place of safety, away from
danger and out of the building if necessary.

7.4.2.2

Maintenance  of  a  safe  environment  depends  firstly  upon  the  continuing  structural
stability and integrity of the building. Continuing structural stability is required for at
least sufficient time for occupants to receive warning and evacuate to a place of safety
within  the  building,  or  if  the  overall  stability  of  the  structure  is  in  doubt,  to  a  safe
distance  from  it.  Continuing  stability  is  also  important  to  enable  emergency  services
personnel to retreat clear of the building. 

7.4.2.3

Secondly,  keeping  the  environment  safe  usually  also  depends  upon  prevention  of  the
spread of smoke and other airborne hazardous substances. Prevention of their spread can
be achieved by compartmentation, assisted by HVAC systems that control air circulation
and ventilation, pressurise compartments, e.g. stairs, and contain or purge contaminated
air as appropriate.

7.4.2.4

Meeting the second aim depends mainly on:

• Implementation  of  an  emergency  response  strategy  appropriate  to  the  emergency

scenario.

• Provision  of  adequate  means  of  detecting,  locating  and  assessing  the  hazards  and

providing appropriate information and requests/instructions to occupants. Sensors are
not available or are not reliable for many possible contaminants. As a result, strategies
that do not rely on feedback have to be used.

• Provision  and  protection  of  safe  areas  in  the  building  and  of  emergency  means  of

escape  that  have  adequate  capacity  to  enable  occupants  to  reach  a  place  of  safety,
when necessary, without being exposed to hazardous conditions.

7.4.2.5

The development of better management, training and information systems is needed to
enable effective management of major emergencies as well as those emergencies that
can be considered as more conventional. Building managers need to have a wide range
of extreme event scenarios in mind.

7.4.3 Interaction with emergency services

7.4.3.1

New  emergency  response  strategies  and  protocols  need  to  be  developed  for  the
management  of  occupants  applicable  to  the  different  scenarios  that  may  arise.  The
nature of the extreme event and its location will have an important bearing on the risk
to  occupants  and  how  their  safety  is  best  protected.  For  the  wide  range  of  potential
hazard scenarios, it is necessary to consider how building management will be able to
obtain sufficient reliable information during an incident to enable them to decide on an
appropriate  plan  of  action  and  how  they  will  communicate  with  occupants  and
emergency services.

7.4.3.2

A key member of the building management team needs to be made responsible for the
preparation of emergency response strategies. Appropriate structures for devolution of
responsibility are required. Training of the building management team in the handling
of  emergencies  is  crucial. They  need  to  be  familiar  before  a  major  emergency  occurs
with  the  hazard  scenarios  that  may  arise  so  that  they  can  identify  them  and  decide
quickly  on  an  optimum  response  in  any  particular  case.  Knowledge,  experience  and
training  are  perhaps  the  best  safeguards  against  human  error  in  the  handling  of
emergencies. This consideration is also relevant to building occupants: they need to be
familiar through training with what could happen and how they could escape. 

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

35

7.4.3.3

Strategies need to be defined for each of the main types of major emergency that may
arise.  Necessarily  they  involve  control  of  HVAC  and  other  services,  management  of
occupants and the emergency services. There is justification for preparations for major
emergencies in tall/large buildings including exercises involving all emergency services
and local hospitals as are carried out for other hazard scenarios, such as train crashes.

7.4.3.4

For any emergency, rapid identification of the nature and location of the emergency is
required so that the optimum management response is selected. Communication systems
that  work  in  a  major  emergency  are  vital  to  the  survival  and  safety  of  occupants. A
further  critical  feature  is  the  location  and  protection  of  the  building  management
communication  and  control  system. As  far  as  is  practical  it  should  be  protected  from
becoming inoperable in extreme events. 

7.4.3.5

A performance  approach  based  on  time  to  escape  is  usually  employed  in  modern  fire
safety  design  of  large,  complicated  and  heavily  populated  buildings,  although  these
times are normally based on phased evacuation, and may not be valid for simultaneous
evacuation.  This  is  a  more  rational  approach  for  such  buildings  compared  to  the
traditional  prescriptions  given  in  codes  that  use  distance  as  the  escape  criteria.  Code
requirements for maximum travel distances in tall buildings vary significantly around
the world. A performance approach is likely to be more suitable for major emergencies,
including  those  that  are  not  fire-related.  It  can  be  used  for  existing  as  well  as  new
buildings. 

7.4.3.6

In  many  aspects  of  life  safety  in  major  emergencies,  time  is  of  the  essence.  Time  to
detection  of  incident,  to  action  by  building  management  to  control  the  incident,  to
movement of occupants to a place of safety, and to intervention by emergency services
can all be critical factors in the survival of occupants.  Further work is needed to improve
predictive modelling of incident development, of movement and evacuation of people in
relation to areas where the air is contaminated by the event, and of protective actions by
management and emergency services

(9)

. These tools may then be used to identify harmful

areas in the building and suggest design solutions and/or management strategies.

7.4.3.7

In  relation  to  building  maintenance  and  management  more  generally,  periodic  third-
party audit and certification is recommended during building use to make sure that life
safety  installations  are  maintained  as  intended.  In  addition,  the  management  of  the
operation of the buildings’ systems, including emergency response strategies and plans,
should be subject to independent audit and certification to make sure they remain alert

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

36

and capable of responding effectively to potential risks to safety. Consideration should
be given to adopting a licensing system for tall/large buildings akin to the systems used
for sports stadia in the United Kingdom.

7.5 Other issues

7.5.1 Security and safety of cladding, including glazing

7.5.1.1

It is possible through appropriate selection of materials and design of glazing systems
to reduce injuries to people caused by fragments of glass when explosion or fire occurs
within  or  outside  of  the  building.  Levels  of  protection  in  existing  buildings  can  be
improved by the use of anti-shatter film. For new buildings, a higher level of protection
can be obtained, for example by using laminated glass with an interlayer together with
suitably  designed  window  frames  and  fixings.  A combination  of  laminated  and
toughened glass can be used in particularly vulnerable locations. 

7.5.2 Security and safety of building services

7.5.2.1

The probability of occurrence of extreme events in which building services are used to
create a hazard to occupants can be reduced and the effects on occupants mitigated by
a broadly-based strategy. The strategy needs to involve both the design of the building
and its management. Measures for risk reduction that may be considered include:

• Minimise the risk of hazardous substances being brought into the building, see Section

7.5.3.

• Make the air and water distribution systems in the building secure and with vulnerable

points (e.g. air intakes, air handling units, air ducts and plenums, motor controls and
mechanical  equipment  rooms)  difficult  to  access  by  unauthorised  people,  and
monitored with vision systems or detectors.

• Reduce the vulnerability of air distribution systems by designing for rapid shut-down

and  incorporating  redundancy  in  routes  and  provisions  for  isolating  damaged  or
contaminated zones. Arrange systems so that contamination released in a zone can be

Recommendations for consideration: Escape, its management and the emergency
services

Provide protection to escape routes from ingress of smoke.

Protect vulnerable parts of building services systems and incorporate redundancy.

Provide  separate  stand-by  power  for  vital  building  services  and  for  lighting  of  escape
routes.

Provide robust adequately-sized escape routes and diverse locations for them and provide
protection for final exit routes.

In  addition  to  phased  evacuation  for  emergencies,  plan  for  timely  simultaneous
evacuation of a large proportion of floors in major emergencies, including use of lifts as
well as staircases.

Be  prepared  for  extreme  event  emergencies  through  development  and  trial  use  of
emergency response strategies that guide decisions on evacuation, communication with
occupants and the emergency services

As part of preparedness, make sure that: plans of the building are deposited in a remote
accessible location; engineering advice can be obtained quickly during an extreme event;
communication  systems  with  floors,  stairwells  and  lifts  are  in  place  and  functioning;
training  for  the  management  team,  emergency  services  and  occupants  is  given;  and
evacuation procedures are practised at regular intervals.

Require  independent  approval,  as  a  part  of  licensing  and  periodic  audit  of  life-safety
systems, of modifications to escape routes.

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

37

purged  quickly  or  contained  as  appropriate,  and  more  generally  so  that  they  can
respond flexibly to a range of scenarios. Provide redundancy in the siting of plant.

• Make entrances to the building, e.g. lobbies, mail rooms and utilities entries, separate

air distribution zones with separate air supply and extract.

• Locate  building  air  inlets  so  as  to  minimise  risk  of  externally  released  substances

being drawn into them.

• Filter or treat inlet air. These measures are desirable and may be appropriate in some

cases.  They  are  not  sufficient  alone  to  reduce  risks  to  occupants  from  airborne
contaminants. In addition, a flexible capability for pressurisation or depressurisation
of  compartment  volumes  relative  to  those  nearby  and  to  the  outdoors,  and  good
airtightness are desirable to enable control of contaminated air. Such measures involve
large consumption of energy. Provision for natural ventilation may be more suitable
since a higher rate of air change is possible compared to that achieved by mechanical
systems.

• Seal  air  distribution  systems,  including  preventing  bypass  around  filters.  Make

compartment boundaries good physical barriers by sealing unnecessary penetrations.

• Include redundancy and isolation capability in water supply systems. Dedicated risers

for  fire  fighting  purposes  may  not  be  the  only  water  supply  redundancy  that  is
justified.  Ability  to  isolate  parts  of  services  supply  can  be  especially  beneficial  in
preventing  growth  of  an  emergency,  e.g.  ability  to  stop  oil  being  pumped  through
pipes adjacent to a fire.

• Control and vet food and catering services.

7.5.2.2

Surveillance  and  security  measures  used  in  the  management  of  the  building  can  also
contribute to reducing risks to occupants from malicious acts against building services
systems, see Section 7.5.3. Access to vulnerable points around and within the building
can  be  made  as  difficult  as  possible  and,  in  addition,  fences,  grilles  and  locks  can
contribute to security. Access attempts can be deterred by the use of CCTV and other
surveillance methods that make apprehension and identification likely. Detectors may
also be used within services systems to detect some types of harmful substances.

7.5.2.3

In addition to strategies of deterrence and protection described above, methodologies for
clean-up and recommissioning after incidents need to be in place.

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

38

7.5.3 Security against unauthorised entry

7.5.3.1

The approach needs to focus on measures of deterrence and defence involving both the
design and management of the building since detection of many hazardous substances
is not practical. Measures that may be justified to reduce the risks of unauthorised entry
include:

• Provide no more entry points than are needed to enable efficient use of the building

and evacuation in major emergencies.

• Tightly manage and control entries, including goods delivery and basement parking.

Sophisticated  security  equipment  and  vetting  of  security  and  contract  staff  may  be
needed.

• Install surveillance and monitoring systems, both outside and within the building, to

give immediate warning of any suspicious activity and to deter access attempts and
make apprehension and identification likely.

7.5.3.2

Effective  security  measures  against  unauthorised  entry  to  tall/large  buildings  (and
also against approaching into close proximity carrying destructive substances on the
person or in road vehicles) can do much to reduce risks to occupants from malicious
acts. Whilst architectural and engineering design can be made so that possible points
of entry are limited in number and able to be controlled effectively, means of escape
for  occupants  should  not  be  prejudiced.  Security  systems  can  act  as  a  barrier  and
deterrent to potential intruders. Constant surveillance may assist by providing early
detection  and  record  for  subsequent  police  investigation.  Provision  of  effective
security is more difficult for tall/large buildings with multi-occupancy and/or multi-
functions.  A security  policy  is  needed  for  each  building  implemented  by  a
responsible team.

7.5.3.3

Preventing road vehicles from coming into close proximity of a tall/large building is an
important mitigation measure for protecting occupants against malicious acts involving
explosives. Physical barriers such as ditches, bollards, large planters and fountains can
be designed and placed to keep unauthorised vehicles at a distance from the building.
On the other hand, the design needs to allow access by emergency vehicles.

7.5.3.4

For  security,  performance  monitoring  and  post-event  analysis,  the  use  of  a  ‘black
box’ –  analogous  to  those  used  in  aircraft  –  could  be  considered.  Technology
associated with ‘intelligent’ buildings could be used to record useful data about the
‘health’ and status of the structure, the building systems, and occupant activity in and
around the building.

7.5.4 Implementation of design and construction

7.5.4.1

The best intentions to provide for the safety of occupants can be undermined during the
processes of design, construction, maintenance, repair and building management by:

• Errors in design.

• Defective  construction  (below-standard  components  and  installation)  not  in

accordance with the design and specifications.

• Shortfalls in the maintenance and repair of the building fabric and its systems.

• Shortfalls in the management of the building that allow management system failures

to remain uncorrected and preparedness plans to lapse.

7.5.4.2

The large potential consequences in tall/large buildings caused by extreme events make
it necessary for higher standards of risk control to be adopted in these processes. 

7.5.4.3

To control the risks, independent third-party inspection and certification of the safety-
critical  aspects  of  design,  construction  and  maintenance  is  needed  to  give  adequate
assurance  of  safety

(15)

.  In  particular,  stricter  and  tighter  on-site  construction  control  is

necessary, especially for safety-critical parts.

7.5.4.4

For tall/large buildings especially, independent third-party inspection and certification
of  fitness  for  use  of  products  and  installations  should  be  required.  The  costs  of  the

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

39

increase  in  quality  and  certainty  of  system  effectiveness  would  probably  be  no  more
than the costs of reworking faulty installations. Inspection should focus on the quality
and soundness of those parts of the structure and building systems that are critical to life
safety  in  extreme  events,  e.g.  structural  system,  cladding,  fire  protection  systems,
services supply facilities, and alarm and security systems.

Recommendations for consideration: Other issues

Safety of cladding, including glazing

Use laminated and/or toughened glass with fixings designed taking account of potential
explosion loading.

Security and safety of building services

Use a broadly-based strategy involving design and building management to reduce the
risks.

Security against unauthorised entry 

Reduce  the  probability  of  occurrence  of  extreme  man-made  events  with  potential  to
cause progressive collapse, where practicable. For this purpose, use incident prevention
or  limitation  measures,  e.g.  provide  barriers  to  protect  the  base  of  the  building  from
vehicle impact or explosion, and provide security against unauthorised entry.

Use both design and management provisions to deter and protect against extreme man-
made events taking place in or near the building.

Inspection of design and construction

Reduce the risk of the building performance being compromised during the design and
construction processes by appropriate use of independent third-party inspection, testing
and certification of safety-related structure and systems.

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

40

8 Development and research needs

8.1

Development and research work on the following topics, many of which are interrelated,
are needed to assist consideration of the initial recommendations for enhancing the safety
of  occupants  in  extreme  events.  In  some  cases,  original  study  and  testing  is  not  needed.
Rather  development  work  is  needed  to  bring  together  existing  knowledge  and
understanding in order to develop practical guidance.

8.2

Vulnerability to progressive collapse 

(1)

Robust structures for tall/large buildings – the provision of ductility, energy 
absorption capacity and redundancy, and the design and protection of structural 
elements fundamental to safety.

(2)

Provision of robustness and protection for stairwells and lift shafts.

(3)

Analytical tools to support performance-based engineering design of buildings 
for  extreme events, and in particular for combinations of events.

(4)

Guidance on design of robust structures based on parametric studies of ductility 
in different construction systems, building types and details.

8.3

Passive and active fire protection

(5)

The durability in a tall/large building environment of passive fire protection and 
its resilience to extreme events and to distortion of the base material.

(6)

The behaviour of whole building structures in real fires using fire modelling.

(7)

Compartmentation:

(a)

Ability of compartments to prevent the spread of smoke or contaminated
air.

(b)

Diversity and robustness of escape routes.

(8)

Standards of fire load and fire size for use in building design.

8.4

Escape, its management and emergency services

(9)

Escape route flow and number, location and occupancy capacities of stairs in   
emergency situations where many occupants may wish to evacuate over a short 
period of time. 

(10) Protection of escape routes from smoke or contaminated air for extended periods. 

(11) Decision support and information/communication systems for implementation of

response strategies and management of emergencies, including the escape of 
occupants and the protection of key personnel.

(12) Guidance on operational planning, including major emergency planning and 

management, based on emergency response strategies and protocols for the wide 
range of extreme event scenarios that can be foreseen as significant risks.

(13) Enhancement of the linkages between building management and the emergency 

services within emergency response strategies.

(14) Making communication between building management and occupants in a major 

emergency more effective. 

(15) Occupant evacuation models for engineering design relating to fire and other       

extreme event scenarios. Modelling of incident development and occupant 
movement in order to inform response strategies, including testing of models.

(16) Detection systems for providing building management with real-time information

on the conditions within and around the building and the status of building 
services and security systems.

(17) Use of lifts for evacuation and other use in emergencies. 

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

41

8.5

Other issues

8.5.1

Security and safety of cladding, including glazing

(18) Cladding and glazing systems with minimum propensity to cause injuries 

following impact, fire or explosion.

8.5.2

Security and safety of building services

(19) Robust and protected building services systems, their performance and control.

(20) The location and protection of plant rooms, water and oil storage.

(21) The means of protecting against dispersion of airborne contaminants in and 

around tall/large buildings in  major emergencies.

(22) The siting and number of air inlets for tall/large buildings.

8.5.3

General

(23) Risk management processes.

(24) Strategies for risk avoidance, reduction and acceptance.

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

42

9 Concluding remarks

9.1

Current world wide social and political conditions suggest that it is now necessary explicitly to
take account of risks arising from a wider range of extreme events than has been traditionally
considered in the design, operation and management of tall/large buildings. Consideration by the
Working Group of recent extreme events causing danger to occupants and damage to tall/large
buildings has identified a number of multi-disciplinary and interrelated safety issues.  

9.2

The safety of occupants in new and existing tall/large buildings can be enhanced in many extreme
event  scenarios  by  reductions  in  vulnerability  to  disproportionate  damage  and  more  effective
protection through design, construction and building management measures. The Working Group
believes the key to minimising risks to occupants in extreme man-made events is to use overall
strategies  involving  design,  construction,  maintenance,  operation  and  management  of  the
building.  The  initial  recommendations  made  in  this  Report  indicate  the  main  directions  for
reducing risks to occupants. 

9.3

The Working Group recognises that implementation of the recommendations in these directions
will depend on the ‘profile’ of the building and the extreme man-made events considered in any
particular  case.  Development  and  research  are  required  to  provide  the  necessary  tools  and
standards. In this way the safety of occupants in new and existing tall/large buildings and the
safety of the buildings themselves can be enhanced in the future. 

9.4

The Working Group benefited from drawing on a wide range of expertise across disciplines and
from  world-wide  locations.  In  itself  this  collaboration  has  proved  fruitful  and  may  serve  as  a
model for future investigations/reports into other building/construction issues.

9.5

The salutary reminders of the scale of loss of life and human tragedy at the World Trade Center
have been at the forefront in discussions of the implications. The Working Group acknowledges
that 11 September 2001 will remain a defining moment in the history of building performance in
the face of a malicious attack on civilised life.

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

43

10 References

(1)

Hart, F. et al.: Multi-storey buildings in steel, 2nd edition. London, Collins, 1985

(2)

Federal  Emergency  Management Agency.  World  Trade  Center  Building  Performance  Study:
Data Collection, Preliminary Observations, and Recommendations. 
FEMA 403, May 2002

(3)

11th September 2001, Supplement to High-rise Buildings, Munich Reinsurance Company, 2001

(4)

Standing Committee on Structural Safety.  Structural Safety 1996-99. Twelfth Report, London,
SETO, 1999

(5)

American Society for Testing and Materials. Standard Test Methods for Fire Tests of Building
Construction and Materials. 
ASTM E119-00. West Conshohocken, Pa, ASTM, 2000

(6)

Steel  Construction  Industry  Forum.  Investigation  of  Broadgate  Phase  8  Fire. Ascot,  Steel
Construction Institute, 1991

(7)

Bailey, C. G., Lennon, T. and Moore, D. B.: ‘The behaviour of full-scale steel-framed buildings
subjected to compartment fires’. The Structural Engineer, volume 77, no 8, pp 15-21, 20th April
1999

(8)

Thomas,  I.  R.  et  al.: Fire  Tests  of  the  140  William  Street  Office  Building.
BHPR/ENG/R/92/043/SG2C. Melbourne, Australia, BHP Research, 1992

(9)

Chartered Institute of Building Services Engineers. Fire Engineering, CIBSE Guide E. London,
CIBSE, 1998

(10)

National Fire Protection Association. Recommended Practice for Smoke Control Systems. NFPA
92A. Quincy, Mass., 1996

(11)

Katzman, G. M. et al.: ‘Risk Assessment of Citicorp Center Original Design’. In: Safety, Risk and
Reliability – Trends in Engineering, 
International Conference, Malta, 2001, p303-308.  Zurich,
IABSE, 2001

(12)

Do Valle, G.: ‘Failure of a building in Rio de Janeiro’. In: Safety, Risk and Reliability – Trends in
Engineering, 
International Conference, Malta, 2001, p699-704.  Zurich, IABSE, 2001

(13)

Nugent,  W.  J.  and  Schmidt,  M.  K.:  ‘Failures  of  Modern  High-Rise  Building  Facades  and
Components’. In: Safety, Risk and Reliability – Trends in Engineering, International Conference,
Malta, 2001, p711-716.  Zurich, IABSE, 2001

(14)

‘Pirelli floor beams sag after Milan plane crash explosion’. New Civil Engineer, 25 April 2002,
pp 6-7

(15)

Standing Committee on Structural Safety. Structural Safety 2000-01. Thirteenth Report. London,
SETO, 2001

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

44

Appendix A: Recent extreme event damage to tall/large buildings

A1 Damage caused by explosions

Ronan Point, London 1968

A1.1

In the United Kingdom, the progressive collapse of part of the 22-storey Ronan Point flats
following a gas explosion on the eighteenth floor is well known

(A1)

. There were four fatalities.

Subsequently the phenomenon of progressive collapse was demonstrated in the laboratories
of the Building Research Establishment in the United Kingdom. 

A1.2

Following the Ronan Point collapse, the UK Building Regulations were revised to include a
requirement for buildings of 5 or more storeys to be designed with the aim that damage caused
by an extreme event is not disproportionate to that event, see Appendix B. 

World Trade Center, New York 1993

A1.3

A large car bomb was detonated against the south wall of the 110-storey north tower (WTC1)
of the World Trade Center in an underground garage two levels below ground

(A2)

. There were

only six fatalities but over 1000 people were injured. Electrical and water supplies were cut
and  sprinklers  and  standpipes  were  made  inoperable.  The  most  severe  structural  damage
occurred in the basement levels, creating extensive bomb craters on some of the levels. A
shock wave propagated throughout the basement structure, causing the slabs at parking levels
to shear free from their supporting columns and other restraint locations. In certain positions,
the steel columns that were once braced at the parking levels had unbraced lengths as large as
21m after the explosion.

A1.4

The structural integrity of the tower was not threatened due to the ductility of the framed tube
of structural steel and the provisions made in the design of the tower. It was designed to resist
a 240km/h wind storm, the loss of perimeter columns by sabotage, and the impact of a fully-
loaded  Boeing  707  aircraft  at  any  height. Although  lateral  horizontal  pressures  during  the
explosion were severe, the tower did not collapse because the magnitude was insufficient to
cause the columns to fail in shear or in combined axial load and bending.

A1.5

Buildings  adjacent  to  the  WTC1  tower  were  designed  to  less  onerous  requirements  and
suffered extensive damage that threatened their structural integrity.

Murrah Federal Building, Oklahoma City 1995

A1.6

A large vehicle bomb was detonated approximately 5m from the north face of the Murrah
Building

(A3)

. The explosion and resulting collapse caused 168 fatalities and substantial damage

to  the  Murrah  Building  and  to  other  buildings  in  the  vicinity  of  the  blast. The  nine-storey
Murrah Building of reinforced concrete slab and column construction was damaged severely
at  the  north  face  where  three  of  the  four  external  columns  and  an  internal  column  were
destroyed causing a 3rd floor spandrel to give way. As a result, eight of the ten bays along the
northern half of the building collapsed progressively, together with two bays on the south side.
Surveys  of  the  damaged  building  found  that  progressive  collapse  extended  the  damage
beyond that caused directly by the blast.

St Mary Axe and Bishopsgate, London 1992/3

A1.7

Two separate incidents of detonation of relatively large bombs occurred in London

(A2)

. Only

one  building  suffered  complete  collapse,  a  14th  century  church,  but  many  suffered
considerable  damage  to  cladding  and  internal  fixtures  and  fittings.  Only  four  buildings
immediately adjacent to the explosions suffered severe local structural damage.

A1.8The  European  Bank  for  Reconstruction  and  Development,  approximately  150m  from  the

bomb in St Mary Axe, suffered extensive glass damage. The building was shielded from the
blast by an adjacent building and so did not suffer structural damage.

A1.9

The glass damage to the European Bank building illustrated the influence of glass type, size,

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

45

strength,  and  orientation.  Nearly  all  windows  on  the  upwind  faces  were  shattered.  Large
annealed glass windows were blown in and glass shards were projected well into adjacent
offices. Where blinds were drawn on windows, the projectile hazard was reduced noticeably.
It was also evident that blast effects of the explosion on the interior were of low intensity. The
only windows to survive on the upwind face of the building were double-glazed in toughened,
10mm-thick glass. These windows were found to be crazed. The 33mm-thick laminated glass
windows at street level survived without crazing.

Manchester City Centre 1996

A1.10

A large bomb was detonated in the central shopping district of Manchester, England causing
extensive damage

(A2)

. There were no fatalities but many injuries were caused by flying glass.

Structural assessments found that the damage caused by the explosion was mainly to glazing
and  cladding  panels. Although  glazing  damage  was  extensive,  it  appeared  to  be  randomly
distributed.  Ground-floor  windows  relatively  close  to  the  blast  remained  intact,  whilst
windows much further away and at high elevation were shattered. The worst case of structural
damage occurred near to the heart of the explosion where the structural frame of a 200 tonne
pedestrian bridge was twisted and lifted off its bearings. A retail store immediately adjacent
to the site of the explosion was subsequently demolished.

London Docklands 1996

A1.11

There were two fatalities and office buildings and nearby homes were damaged extensively
when a home-made vehicle bomb was detonated in London Docklands

(A2)

. There was little

structural damage to nearby buildings. However glazing and cladding damage was extensive.
No glazing within 50m of the blast survived.

A2 Damage caused by fire

Seven World Trade Center 2001 

A2.1

The 47-storey building known as Seven World Trade Center (WTC7) was set on fire by debris
from  the  WTC  towers  (WTC1  and  WTC2)  when  they  collapsed  on  11  September  2001.
WTC7  collapsed  totally  about  seven  hours  later.  The  collapse  appears  to  have  been  due
primarily to the effects of fire, and not to impact damage from the collapsing WTC towers

(2)

.

The collapse may have been associated with the burning of a large quantity of diesel fuel
stored in tanks on the 5th, 7th and 8th floors, and with nearby steel trusses used to bridge the
building structure over electricity substations. No other case of a fire-protected steel-framed
building collapsing totally in fire is believed to have occurred in spite of there having been
several cases world wide of large uncontrolled fires in tall buildings, even where the fire has
burnt  out  all  combustible  materials  inside.  The  mechanisms  causing  the  total  collapse  of
WTC7 have not yet been confirmed. Loss of structural integrity in one of the load transfer
systems caused by fire has been suggested as the ‘trigger’ event.

Andraus Building, Sao Paulo 1972 

A2.2

The fire developed on four floors of the 31-storey department store and office building. It then
spread  externally  up  the  side  of  the  building  involving  another  24  floors.  Wind  and
combustible interior finishes and contents contributed to the fire spread. The building was
constructed of reinforced concrete. Its façade had extensive floor to ceiling glazed areas, with
a spandrel of only 350mm in height and projecting 305mm from the face of the building. After
the fire broke through the windows, three to four floors above the department store floors were
exposed to a flame front. The front increased in height as more floors became involved. At its
peak the mass of flame over the external façade was 40m wide and 100m high and projecting
at least 15m over the street. There were 16 fatalities.

Joelma Building, Sao Paulo 1974

A2.3

Fire started on the 12th floor near to a window of this 25-storey office building of reinforced
concrete construction. The in situ concrete floor slabs projected 900mm on the north wall and
600mm on the south wall. The exterior facade was made of hollow tiles rendered with cement

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

46

plaster  on  both  sides  and  aluminium-framed  windows.  The  fire  spread  externally  up  13
storeys on two of the facades to the top of the building, readily igniting combustible finishes
inside the windows of the floors above, enabling the vertical spread of the fire to continue.
There were 179 fatalities.

Las Vegas Hilton Hotel 1981

A2.4

This  30-storey  hotel  of  reinforced  concrete  construction  had  windows  between  floors
separated vertically by a prefabricated spandrel of masonry, plaster and plasterboard on steel
studs. The fire started on the 8th floor of the east tower lift lobby involving curtains, carpeting
on  the  walls,  ceiling  and  floor,  and  furniture.  An  exterior  plate  glass  window  shattered
allowing a flame front to extend upwards outside the building. The fire spread from the 8th
floor up 22 storeys to the top of the building in about 20 minutes.

A2.5

The vertical fire spread was facilitated mainly by two mechanisms. Flames outside the upper
windows radiated heat through the windows and ignited curtains and timber benches with
polyurethane  foam  padding  which  then  ignited  carpeting  on  room  surfaces.  The  second
mechanism  involved  the  flames  contacting  the  plate  glass  windows.  It  is  believed  the
triangular shape of the spandrels and recessed plate glass caused additional turbulence which
rolled the flames onto the windows causing their early failure. 

A2.6

There were 9 fatalities. The doors to the hotel rooms where four fatalities occurred were open
or had been opened by the fire. There were no fatalities in rooms where the doors had been
kept closed.

First Interstate Bank Building, Los Angeles 1988

A2.7

This  62-storey  building  had  sprinkler  protection  only  in  the  basement,  garage  and
underground pedestrian tunnel. The building had a structural steel frame with sprayed fire
protection and steel floor pans and lightweight concrete decking. The exterior curtain walls
were glass and aluminium with a 100mm gap between the curtain wall and the floor slab, fire
stopped with 15mm gypsum board and fibreglass caulking.

A2.8The fire started on the 12th floor and extended to the floors above primarily via the outer walls

of the building. Flames also penetrated behind the spandrel panels around the ends of the floor
slab where there was sufficient deformation of the aluminium mullions to weaken the fire
stopping  allowing  the  flames  to  pass  through,  even  before  the  windows  and  mullions  had
failed. Flames were estimated to be lapping 10m up the face of the building. The curtain walls
including windows, spandrel panels and mullions were almost completely destroyed by the
fire. However, the building structure as a whole did not collapse. There was one fatality.

One Meridian Plaza, Philadelphia 1991

A2.9

The construction of this 38-storey bank building used structural steel with concrete floors
on metal decking and protected with spray-on fire protection. The exterior of the building
was covered by granite curtain wall panels with glass windows attached to perimeter floor
girders and spandrels. Only the below-ground services floors were fitted with sprinklers at
the time of construction. Subsequently sprinklers had been installed on the 30th, 31st, 34th,
and 35th floors and to parts of the 11th to 15th floors. Fire broke out on the 22nd floor,
penetrated through the windows and heat exposure from the fire plumes ignited materials
on the seven floors above. The fire was stopped as it approached the 30th floor which had
sprinklers.  Although  the  fire  burned  for  19  hours,  the  structure  did  not  collapse.  Three
firemen lost their lives.

President Tower, Bangkok 1997 

A2.10

This  37-storey  retail,  commercial  office  and  hotel  development  was  under  construction.
Interior fit-out was not fully completed and the sprinkler system was not yet operational. An
explosion  and  fire  on  level  seven  caused  the  destruction  of  the  aluminium  framed  curtain
walling. The effectiveness of fire stopping at the floor edges was compromised by floor to

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

47

floor cabling. Window and spandrel glass shattered. The fire spread up three floors to level
ten. There were three fatalities.

A3 References

(A1)

Ministry of Housing & Local Government. Report of the inquiry into the collapse of flats at
Ronan Point, Canning Town, 
London. HMSO, 1968

(A2)

Yandzio, E., and Gough, M.: Protection of buildings against explosions. SCI Publication 244,
Steel Construction Institute, 1999

(A3)

Federal Emergency Management Agency. The Oklahoma City Bombing: Improving building
performance through multi-hazard mitigation. 
FEMA 277. Reston, Pa., ASCE, 1996

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

48

Appendix B: Regulations and codes of practice

B1 General

B1.1

The  regulations  and  directives  governing  the  construction  of  tall/large  buildings  generally
cover  a  similar,  but  not  always  the  same,  scope  in  each  country.  National  and/or  local
regulations  require  application  for  permission,  often  in  the  form  of  a  licence,  to  construct
buildings. Other regulations govern the form and detail of the building itself. The latter are
usually  intended  primarily  to  ensure  personal  safety  and,  as  a  requirement  of  lower
importance, to protect the building against damage and defects. There do not appear to be
regulations in any country requiring a licence to operate and use a tall/large building once
built, although there are controls on some aspects of buildings such as emergency exits and
fire  escapes,  e.g.  in  hotels.  In  comparison,  licences  to  operate  some  other  types  of  facility
where large numbers of people are accommodated, e.g. sports grounds, are required in some
countries. These licence systems are generally for the control of safety-related aspects of the
facility and its operation.

B1.2

Regulations governing protection against natural hazards, such as wind and earthquake, are
usually  related  to  requirements  for  structural  stability  of  the  building.  The  severity  of  the
natural hazard that must be resisted is usually specified, sometimes via associated standards
and codes. These requirements usually also serve to protect people in the vicinity from falling
parts of the building, especially parts of the façade. In some cases regulations give specific
requirements  for  the  structure  to  be  resistant  to  progressive  collapse  in  the  event  of  an
accident. Generally, man-made hazards to the structure are known as accidents, e.g. impact
and explosions. Malicious acts are specifically excluded or are not specifically referred to.
Guidance on the magnitude of accidents to take into account in design is sometimes given in
codes of practice.

B1.3

Regulations generally recognise fire as a major risk to buildings and require provisions for fire
protection  that  cover  fire  resistance,  compartmentation,  sprinklers  and  escape  routes.  The
requirements may be more onerous for tall buildings than others. The differences reflect the
higher risk in tall/large buildings of spread of fire and smoke and the greater limitations in
such buildings on escape and on the ability of emergency services to rescue people at height
and to fight fires within the building. 

B1.4

Regulatory  requirements  for  operational  security  usually  include  the  safety  of  lifts,  stairs,
guard rails and parapets, emergency lighting and non-slip floor coverings.

B1.5

In England and Wales, approved documents together with codes provide guidance on meeting
the performance requirements of the Building Regulations

(B1)

. They relate to performance on

completion of construction. Similar requirements apply in other parts of the United Kingdom.
National  standards  and  codes  in  the  United  Kingdom  are  increasingly  influenced  by
developing  European  codes  that  are  expected  to  supersede  the  national  standards  in  due
course.

B1.6

In the United States, there is no national Building Code and most of the states have their own
code. Each community determines its own building code requirements

(B2)

. There are, however,

model building codes:

• Uniform Building Code by the International Conference of Building Officials.

• National Basic Building Code by the Building Officials and Code Administrators.

• Standard Building Code by the Southern Building Code Congress.

• Codes relating to fire by the National Fire Protection Association.

B1.7

An  International  Building  Code  by  the  International  Codes  Council  (applicable  in  United
States only) also exists. It is essentially a conventional prescriptive code obtained by merging
the  three  United  States  model  codes.  An  alternative,  the  International  Codes  Council
Performance Code, has recently become available.

B1.8None of these codes is mandatory but many states adopt one of them, at least in part. Others,

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

49

such as New York and Florida feel their specific needs are best met by a locally-developed
code. Some cities, such as New York, Chicago and Los Angeles, also have unique codes that
do not entirely conform to the local state codes. Many codes in the United States, e.g. New
York City, provide exceptions/exemptions for government agencies and public utilities. The
New York City Building Code did not require detailing for seismic events when the WTC
towers  were  designed  and  built.  Requirements  for  fire  (covering  compartmentation,  fire
resistance and escape routes) are quite detailed. 

B1.9

The National Fire Protection Association in the United States has produced a ‘Life Safety
Code’ that is specific to fire

(B3)

. An NFPA task group has developed guidance on performance-

based design.

B1.10

Many codes for design are largely prescriptive. The relationship to life safety is not always
clear. However, performance-based guidance is becoming more widely established. 

B1.11

This very brief review of some of the regulations that relate to the safety issues in tall/large
buildings indicates that requirements are not consistent around the world. The differences are
due largely to independent development of regulations in each country and local experience
and conditions. Even where regulations are the same, important differences in the detailed code
rules for implementation exist that may substantially influence the levels of safety achieved. 

B1.12

Development work is needed in many areas of performance-based design covering the main
safety  issues.  Performance-based  fire  safety  engineering  design  is  perhaps  the  area  where
development is already well advanced and can be speeded up. The approach has already been
used in the design of tall/large buildings and other facilities with unique design features, e.g.
airport buildings, railway stations and tunnels. Generally time, e.g. time to escape, is likely to
be  the  performance  parameter  of  greatest  relevance  in  many  aspects  of  building  design,
operation and management for extreme events.

B1.13

The  discussion  below  briefly  describes  some  of  the  main  requirements  and  provisions  of
Regulations  and  codes  of  practice  in  the  United  Kingdom,  United  States, Australia,  Hong
Kong and some other countries. The discussion is not intended to be exhaustive but rather to
illustrate the large number and different scope of regulations and code requirements that exist
around the world relating to safety issues in tall/large buildings.

B2 Vulnerability to progressive collapse

B2.1

Some regulations and codes of practice explicitly recognise the design principle for buildings
that damage should not be disproportionate to the cause. Currently, regulations and codes of
practice  for  buildings  in  the  United  Kingdom,  United  States  and  elsewhere  have  different
requirements  for  design  against  progressive  collapse.  In  the  United  Kingdom,  there  is  a
regulatory  requirement,  originally  introduced  following  the  progressive  collapse  of  Ronan
Point in 1968, to provide (in buildings over 5 storeys tall) structural resistance with the aim of
limiting damage caused by an accident so that it is not disproportionate to the cause. Building
Regulations Approved  Document A 
and  British  Standard  codes  of  practice  give  advice  on
meeting the requirement. During 2001 the UK Department of Transport, Local Government
and  the  Regions  (DTLR)  consulted  on  proposals  to  amend  the  Regulations  to  bring  all
buildings within the compass of the requirement. The associated British Standard codes of
practice  provide  guidance  on  designing  the  form  and  detail  of  structures  for  ductility  and
robustness. Structural elements fundamental to the survival of the structure are recognised.
Effective vertical and horizontal tying forms the main thrust of the approved design rules. 

B2.2

The Eurocode EN1990: Basis of design

(B4)

adopts, as a fundamental requirement, the principle

that a structure shall be designed in such a way that it will not be damaged by events like fire,
explosion, impact or consequences of human errors, to an extent disproportionate to the cause.
It gives strategies for avoiding or limiting damage along the lines of the recommendations in
Section 7.2. Essentially, avoid or reduce hazards, select a redundant structural form with a low
sensitivity to the hazards considered, and design and connect the structure together with strong
ductile elements and connections so that it can absorb energy and survive removal of parts in
an extreme event. 

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

50

B2.3

In the United States, whilst there is no explicit provision aimed at prevention of progressive
collapse, current design guidance of cast in situ reinforced concrete structures and structural
steel  frames  (with  properly  designed  and  constructed  connections)  generally  produces
structures  with  substantial  ductility.  For  zones  of  high  seismicity,  the  model  codes  in  the
United States have detailing provisions that are intended to increase structural ductility and
toughness, thereby reducing the risk of progressive collapse during earthquakes. Following
the explosion at the Murrah building in 1995, see Section A1.6, the potential of failure of key
elements to trigger progressive collapse has been recognised

(B5)

B2.4

Australian requirements are given first as a functional statement of capability of the building
to withstand combinations of loads and other actions to which a building may reasonably be
subjected

(B6)

. Associated performance requirements include resistance at an acceptable level of

safety to the most adverse combinations of loads that might result in potential for progressive
collapse. 

B2.5

The Hong Kong Building Authority uses locally-developed codes of practice for the structural
use of steel and concrete. The approach to structural robustness, accidental damage and dispro-
portionate  collapse  essentially  follows  the  principles  and  methods  adopted  in  the  United
Kingdom, although there is little specific reference to robustness in the Hong Kong Building
(Construction) Regulations 
and Hong Kong codes of practice for structural design. The code:
Structural Use of Steel 1978 issued by the Building Authority gives no guidance on the issue,
either in principle or prescriptive. The code: The Structural Use of Concrete 1987 does however
state  the  principle  –  ‘The  structure  should  be  designed  to  support  loads  caused  by  normal
function, but there should be a reasonable probability that it will not collapse catastrophically
under the effect of misuse or accident. No structure can be expected to resist excessive loads or
forces that could arise due to an extreme cause, but it should not be damaged to an extent dispro-
portionate to the original cause.’ From time to time Practice Notes for Authorised Persons and
Registered Structural Engineers (PNAPs) are issued by the Building Authority. PNAP 140 gives
a  list  of  standards  that  are  considered  to  satisfy  the  technical  requirements  of  the  Building
Regulations. This list includes British Standards BS 8110 and BS 5950. It is through these two
particular  codes  that  the  conventional  provisions  for  tying,  localisation  of  damage,  and  key
elements, as used in design in the United Kingdom, are applied.

B2.6

Overall therefore, regulatory and code requirements across the world differ in the extent to
which they recognise vulnerability to progressive collapse. There appear to be none that deal
explicitly  with  the  issues  of  weakening  from  impact  or  explosion  combined  with  further
weakening from a major fire.

B3 Passive and active fire resistance

B3.1

There are regulatory requirements in the United Kingdom for inhibiting the spread of fire
within a building through the use of linings that resist the spread of flame, and through fire-
resisting  construction  that  sub-divides  the  building  into  fire  compartments.  Overall,  these
requirements seek to prevent the premature failure of the building structure in a fire. There are
also requirements to restrict fire spread over external walls and roofs and from one building
to another. 

B3.2

Sprinklers  are  recommended  in  all  buildings  (except  those  for  residential  use)  where  they
exceed 30m in height to the highest floor. Under the Building Regulations, the sprinklers need
to  be  designed  to  a  higher  specification  of  ‘life  safety  standard’.  The  higher  specification
includes additional measures that reduce the likelihood of sprinkler failure. The regulations
relating to fire work together as a package. Compartmentation is required to contain the spread
of a fire, sprinklers to stop the fire developing sufficiently to breach the compartmentation,
and protected shafts to enable people to escape safely when, by necessity, they have to escape
passed the fire. 

B3.3

In the United States, many states and cities have fire codes that give building requirements.
Building code requirements for structural fire protection are based on laboratory tests, the
ASTM  E119  standard  fire  test  on  building  components

(5)

.  This  standard  test  provides

comparisons between component behaviour under controlled conditions. Similarly to the

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

51

BS 476 standard test used in the United Kingdom, the test is not intended to predict actual
behaviour of the component in a building during a real fire. A handbook of fire protection
engineering has been published by the Society for Fire Protection Engineering

(B7)

.

B3.4

Australian  building  codes  require  fire-resisting  construction  according  to  building  size,
building  over  5  storeys  being  the  highest  category.  Load-bearing  elements  are  required  to
maintain integrity  and insulation for specified times. Lightweight non-combustible materials,
specified for protecting structure from heat, are required to meet prescribed mechanical tests.
Requirements  for  compartmentation  are  specified  in  terms  of  floor  area  and  volume.  Fire
stopping of services penetrations is required. 

B3.5

In Hong Kong, the Building Code

(B8)

for fire resisting construction has been derived mainly

from  earlier  British  counterparts. A barrier  is  required  at  openings  in  floors  to  prevent  the
spread  of  fire  and  smoke.  Curtain  walls  extending  beyond  one  storey  must  be  of  non-
combustible  materials  and  have  fire  stops  in  any  void  between  the  wall  and  the  building
perimeter.

B3.6

Pressurisation  methods  required  for  the  control  of  smoke  from  fire  and  prevention  of  its
spread through a tall/large building differ across the world. In the United Kingdom, positive
pressurisation of stair wells and negative pressures on fire floors are required. In Hong Kong,
the  fire  floor  does  not  have  to  be  depressurised,  whilst  in Australia  additionally  the  floors
above and below the fire floor have to be positively pressurised.

B3.7

Overall, the requirements for the fire protection of building structures and smoke control vary
significantly  around  the  world.  In  many  countries,  e.g.  United  Kingdom,  United  States,
Australia,  Hong  Kong,  Sweden  and  Singapore,  the  requirements  for  fire  protection  are
obtained from tabulated data of the performance of structural elements in standard laboratory
tests. There  are  anomalies  in  the  ratings  that  are  derived.  Other  methods  are  available  for
deriving requirements, e.g. the Eurocode method

(B9)

. These methods are based on ‘real’ fire

scenarios  and  provide  more  realistic  gas-temperature/time  curves  that  can  then  be  used  to
input  into  structural  fire  analyses  to  give  predictions  of  the  behaviour  of  the  load-bearing
system as it is heated by the fire. Proposals being considered by the ISO/TC92 Committee for
a framework for long-term standardisation of fire safety in support of performance-based fire
engineering design may provide an effective international forum.

B4 Escape, its management and the emergency services

B4.1

The Building Regulations of the United Kingdom have requirements in Regulation B1 for
means of escape in case of fire

(B10)

. Provisions for early warning of fire and for means of escape

to  a  place  of  safety  outside  the  building  are  required.  The  requirements  for  escape  routes
depend on the use, size and height of the building. They cover number and capacity of routes,
distance of travel, protection, lighting, signing and facilities to limit ingress of smoke or to
restrict  the  fire  and  remove  smoke.  There  are  also  requirements  for  fire  precautions  that
require a fire certificate for a tall/large building

(B11)

. The precautions required, in addition to

means of escape, include the provision of fire alarms and fire fighting equipment. As a whole,
the requirements for fire safety are designed to ensure the provision of adequate general fire
safety, means of escape and related fire precautions. 

B4.2

Phased  evacuation  is  recognised  in  several  countries,  e.g.  United  Kingdom

(B10)

,  United

States

(B3)

and Australia

(B6)

, as an appropriate way of evacuating tall buildings. The Australian

building code provisions for escape require at least two exits for tall buildings and they must
be  fire-isolated  and  exit  within  a  certain  distance  to  an  open  space.  There  are  limits  to
distances in the building from exits. The size of the exits is related to the number of people
accommodated in the building. Barriers must be provided to prevent vehicles blocking exits. 

B4.3

In Hong Kong, the Building Code is also prescriptive but well developed on the basis of the
long history of tall buildings there. Prescriptive measures include stair pressurisation of fire
fighting lift and stair shafts, and provision of refuge floors. Means of escape are defined using
total evacuation as the escape strategy. Escape stairs must lead directly to a street and exit
doors must be easily operated from within. The width of staircases depends on the number of
occupants. Refuge floors are required every 20 storeys, except for residential buildings where

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

52

the requirement is relaxed to 40 storeys. In Germany, concrete shafts are required for escape
stairs.

B4.4

The  use  of  lifts  for  evacuation  in  emergencies  in  airport  control  towers  is  allowed  in  the
American code NFPA 101

(B3)

and, in the United Kingdom, Part 5 of BS 5588

(B12)

allows their

use in buildings.

B4.5

Code  requirements  for  fire  detection  systems  vary  significantly  around  the  world.  For
example, in Australia, both smoke detectors and sprinklers are required in tall office buildings
whilst, in Hong Kong, only sprinklers are required for the detection and suppression of fire. 

B4.6

Various standards exist for informative warning systems, including BS 5839: Part 8

(B13)

,

AS 2200

(B14)

, and NFPA 72

(B15)

. In many countries, only relatively simple alarm systems are

required, e.g. a bell. 

B4.7

The provision of access and facilities for emergency fire services are required in the United
Kingdom. Designated fire fighting shafts (lift and stairs) are required that have additional fire
protection  measures  to  protect  ‘emergency  services’ personnel  and  to  facilitate  their  fire
fighting work, i.e. the shafts may be pressurised or ventilated. Similar requirements apply in
Hong Kong. Other countries, e.g. Australia, do not have this requirement.

B4.8Overall current regulations and codes are focussed on emergencies and means of escape in

case of fire. Further research is needed not only on systems for escape and emergency services
access in case of fire, but also on life safety in non-fire types of extreme event where different
evacuation and rescue strategies may be needed. 

B5

Other issues

B5.1 Security and safety of cladding, including glazing

B5.1.1

In the United Kingdom, cladding, including glazing, is considered in the Building Regulations
to be ‘structure’. The regulatory requirements for safety of the structure and resistance against
disproportionate collapse therefore apply. Approved documents give guidance on design of
cladding and fixings to meet the requirements. Enhanced glazing is only required at locations
where occupants may accidentally impact against it.

B5.2 Security and safety of building services

B5.2.1

There are no regulations in the United Kingdom specifically covering the security and safety
of services in buildings. However there are regulations and standards controlling the supply
of electricity and clean potable water.

B5.3 Security against unauthorised entry

B5.3.1

The  introduction  of  regulatory  requirements  for  entrance  security  of  buildings  is  being
considered in the United Kingdom.

B6 References

(B1)

The Building Regulations 2000. London, TSO, 2000

(B2)

Pachecano,  R.  R.,  and  Goldsmith,  J.:  ‘One  Size  Does  Not  Fit All’.  Facilities  Design  and
Management, 
April 2002, pp26-28

(B3)

National  Fire  Protection  Association.  Code  for  safety  to  life  from  fire  in  buildings  and
structures. 
NFPA101A. Quincy, Mass., NFPA, 2000

(B4)

prEN1990, Basis of design, CEN, July 2001

(B5)

Hinman, E. E., and Hammond, D. J.: Lessons from the Oklahoma City bombing: defensive
design techniques. 
New York, ASCE, 1997

(B6)

Australian Building Codes Board. Building Code of Australia, 1996 – Canberra. ABCB, 1996

(B7)

Society for Fire Protection Engineers. Handbook of Fire Protection Engineering, 3rd edition.
Quincy, Mass., NFPA, 2002

(B8)

Building  Department,  Hong  Kong.  Hong  Kong  Building  Code:  Code  of  practice  for  the

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

53

provision of means of escape in case of fire, 1996; Minimum fire services installations and
equipment,  and  inspection,  testing  and  maintenance  of  installations  and  equipment. 
Hong
Kong, Fire Services Department, 1998

(B9)

Draft prEN 1991-1-2, 2000. Actions on structures exposed to fire, CEN 2000

(B10)

The Building Regulations 2000: Approved Document B: fire safety. London, TSO, 2000

(B11)

Fire Precautions Act 1971, London, HMSO, 1971

(B12)

BS  5588  Fire  precautions  in  the  design,  construction  and  use  of  buildings, Series,  BSI,
London

(B13)

BS  5839: Part 8: 1995. Code of practice for the design, installation and servicing of voice
alarm systems, Fire detection and alarm systems for buildings, 
BSI, London

(B14)

Standards  Australia.  Emergency  warning  and  intercommunication  systems  in  buildings.
Australian Standard 2220, Sydney, 1989

(B15)

National Fire Protection Association. National Fire Alarm Code Handbook. Quincy, Mass.,
NFPA, 1999

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

54

Appendix C: Use of risk management processes

C1

Virtually all human activity involves risk. Owners and occupiers should therefore appreciate that
absolute safety in tall/large buildings is not achievable. Design, operation and management can
only seek to keep risks to occupants and the building itself at an acceptably low level.

C2

A practical  overall  aim  of  design  of  a  tall/large  building  against  extreme  events  with  a  low
probability  of  occurrence  is  to  make  provisions,  both  in  the  building  and  in  its  operation  and
management, such that the damage caused is not disproportionate to the event. The ‘damage’ of
primary concern relates to the safety of people. The physical damage to the building itself is also
of concern, particularly since damage to the building usually places people at risk. Minimising
the damage to the building fabric and its services systems can minimise the ‘damage’ to people
in many, but not all, cases.

C3

Codes and standards have evolved to enable provision of safe buildings. They provide reasonable
protection  for  the  occupants  of  a  building  in  ‘normal’ hazard  events,  e.g.  ‘conventional’ fire
scenarios. As a result, modern tall/large buildings designed using current good practice to resist
normal loading conditions and recognised extreme events such as extreme winds, earthquakes,
and road vehicle impacts, have performed well. This success can be attributed to the provision of
generally robust structures and systems, and of protective measures within and around buildings
to protect the buildings and their occupants from such events. Tragic incidents with loss of life
often  stimulate  a  re-evaluation  of  codes  and  standards  and  lead  to  changes  in  practice  which
improve levels of safety. 

C4

Safety  and  the  protection  of  occupants  provided  by  design  and  by  building  management  for
normal  circumstances  may  be  strengthened  and  made  more  effective  in  extreme  events  by
specifically identifying possible hazard scenarios, assessing the risks and improving robustness
and/or  protective  measures  and  emergency  response  plans  accordingly.  A rational  structured
consideration  of  the  hazards  and  risks  of  extreme  events  that  may  occur  during  the  life  of  a
tall/large  building  can  assist  designers  and  building  management  to  enhance  protection  and
advise building owners and operators.

C5

Explicit processes for identifying potential hazard scenarios and for managing risks due to extreme
events have not yet been generally adopted world wide in current regulations and codes relating
to building design and management. There is, however, a trend in this direction. Use of explicit
risk management processes in structural engineering has been advocated elsewhere

(C1, C2, C3)

. Their

use has been encouraged in some other industries, e.g. offshore oil and railways, following reports
on  incidents  of  extreme  event  damage. The  reports  on,  for  example,  Flixborough  oil  refinery
(1974),  Seveso  chemical  plant  (1976),  Piper Alpha  off-shore  oil  platform  (1988),  and  King’s
Cross Underground station (1987) strengthened the trend away from prescriptive design methods
towards probabilistic analyses and performance-based design.

C6

In the United Kingdom, the use of risk-based scenarios as the basis of design of structures is
becoming established practice. Some relevant standards have been produced, e.g. BS 7974

(C4)

.

This fire engineering standard recommends an initial qualitative design review by several experts
to  decide  what  are  the  realistic  scenarios  and  the  fire  safety  objectives.  The  draft  European
standard for structural design against accidental impact and explosions

(C5)

uses the concept that

some damage is acceptable and gives design guidance on measures for reducing the probability
of the event and the consequences. In other industries in the United Kingdom and elsewhere, e.g.
offshore  oil,  railway  and  nuclear  power,  explicit  risk  management  processes  are  required  by
regulations and supported by codes. 

C7

Well-developed  techniques  of  hazard  identification  and  risk  assessment  exist  to  inform  risk
management processes. Their use can aid judgments by designers and building managers on the
risks of man-made hazard scenarios for which it is appropriate to make provisions or enhanced
provisions. 

C8Such processes usually begin during the early stages of feasibility and development of the clients’

requirements  and  brief.  They  can  enable  more  consistent  implementation  of  the  principle  in
design that damage should not be disproportionate to the cause. Application of these processes to

background image

IStructE Safety in tall buildings and other buildings with large occupancy

55

tall/large buildings necessarily embraces consideration of the building as a whole, its design and
construction, its protective systems, operation, management, and links to the emergency services.
The process typically includes identification of potential events/threats/hazards, assessment of the
risks judged against acceptability criteria, and choices and decisions about how the risks will be
managed. A range of techniques is available to assist, see for example, reference (C6). Although
there is no certain way of identifying all potential hazards and the judgment of what is acceptable
is  subjective,  the  process  of  thinking  through  different  scenarios  can  be  helpful  in  identifying
those  measures  –  whether  simple  or  complex  –  that  have  the  greatest  potential  within  the
constraints of the project to improve life safety. 

C9

Specific  consideration  of  risk  in  extreme  event  scenarios  can  play  an  important  role  in
determining what ‘enhancements’ should be considered, for example, relating to provisions for
fire:

• The use of phased and simultaneous evacuation.

• Use of lifts for evacuation.

• Target time for building evacuation.

• Evacuation management regimes.

• Selection and training of fire marshalls.

• Increasing robustness of escape stairs.

• Robustness of fire protection.

C10

More explicit risk management processes along the above lines could become a wider part of the
routine  of  the  creation  of  tall/large  buildings  with  potential  benefit  for  occupant  safety.
Development work is needed to transfer and develop the relevant risk management processes
used in related industries for tall/large buildings.

C11 References

(C1) 

Standing Committee on Structural Safety. Thirteenth Report, 2000-01. London, SETO, 2001

(C2)

Schneider,  J.:  Introduction  to  safety  and  reliability  of  structures. IABSE  Structural
Engineering  Document  5.  Zurich,  International  Association  for  Bridge  and  Structural
Engineering, 1997

(C3)

prEN1990, Basis of design. CEN, July 2001

(C4)

BS7974. Application of fire safety engineering principles to the design of buildings, Code of
practice. 
London, BSI, 2001

(C5)

Draft prEN 1991-1-7. Accidental actions due to impact and explosions. CEN, March 2002

(C6)

Managing safety risk. Guidance Note RT/LS/G/001. Railtrack plc, June 2000