analisi strutturale in caso di incendio: impostazione e applicazioni

ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO:

IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI

Chiara Crosti“Sapienza” University of Rome,

[email protected] , [email protected]

Structure of Next Generation – Energy harvesting and ResilienceSpin-off di Ricerca – www.stronger2012.com

Persone

Progettazione, adeguamento e ottimizzazione

Valutazione di Resilienza

Sostenibilita’ e Recupero Energetico

Modellazione numerica avanzata

Approccio ingegneristico alla progettazione di stru tture in caso di incendio

Ingegneria Forense

Attivita’

[email protected] - [email protected]

ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO:

IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI



Norme Tecniche per le Costruzioni 14/01/2008

ANALISI STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO: IMPOSTAZIONE E APPLICAZIONI

Usata per la classificazione delle costruzioni e per le verifiche di resistenza al fuoco

convenzionali.

Determinata in base a modelli di incendio e a parametri fisici.

Curva di incendio

NOMINALE NATURALE


•Curve Parametriche: ISO 834

ISO 834

www.promozioneacciaio.it

•Modelli a Zone:Simulazione limitata ad incendi Pre-Flashover

www.mace.manchester.ac.uk

1) INDIVIDUAZIONE DELL’INCENDIO DI PROGETTO



convenzionali.


Curva di incendio

NOMINALE NATURALE


•Curve Parametriche: ISO 834

ISO 834

www.promozioneacciaio.it

•Modelli a Zone:Simulazione limitata ad incendi Pre-Flashover

•Modelli di Campo:Simulazione estesa anche per incendi

Post-Flashover




convenzionali.


Curva di incendio

NOMINALE NATURALE




AMBITO NOME ANNO TITOLO

Cls EN 1992 1-2 2004Eurocode 2 – Design of concrete structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design

Acciaio EN 1993 1-2 2005Eurocode 3 – Design of steel structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design

Acciaio–Cls EN 1994 1-2 2005Eurocode 4 – Design of composite steel and concrete structures – Part 1-2: General rules –Structural fire design

Legno EN 1995 1-2 2004Eurocode 5 – Design of timber structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design

Muratura EN 1996 1-2 2005Eurocode 6 – Design of masonry structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design

Alluminio EN 1999 1-2 1998Eurocode 9 – Design of aluminium structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design


2) ANALISI DELL’EVOLUZIONE DELLA TEMPERATURA NEGLI ELEMENTI



3) ANALISI DEL COMPORTAMENTO MECCANICO DELLE STRUTT URE


COLLASSO:• formazione di cerniere plastiche al crescere

della temperatura che rendono la strutturalabile;

• fenomeni di instabilità anticipata, dovuti aldecadimento della rigidezza.



ES. : MATERIALE ACCIAIO



ANALISI NON LINEARI NON STAZIONARIE

Non linearità di materiale Non linearità di geometria

Equilibrio scritto nella configurazione deformata




PROCEDIMENTO ITERATIVO DEI CODICI DI CALCOLO



t

T

t t1

t1 = t + Δt

−

−−−

−

−

−

−

=

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

TT

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

e

L

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L

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L

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L

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AE

L

AEL

IE

L

IE

L

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L

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IE

L

IE

L

IE

L

IEL

AE

L

AE

K

460

260

6120

6120

0000

260

460

6120

6120

0000

22

230

23

22

2323

−

−−−

−

−

−

−

=

1

12

1

1

1

12

1

0

21

13

1

12

1

13

1

1

1

1

1

1

1

12

1

1

1

12

1

1

21

13

1

12

1

13

1

1

1

1

1

1

460

260

6120

6120

0000

260

460

6120

6120

0000

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

e

L

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L

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L

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L

IEL

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L

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L

IE

L

IEL

AE

L

AEL

IE

L

IE

L

IE

L

IEL

IE

L

IE

L

IE

L

IEL

AE

L

AE

K

T

T1


CORRETTA MODELLAZIONE DEL PROBLEMA

TRAVE SEMPLICEMENTE APPOGGIATA

Sezione: UB 356x171x51Materiale: S355Incendio: ISO834

-4,00

-3,50

-3,00

-2,50

-2,00

-1,50

-1,00

-0,50

0,000 250 500 750 1000 1250 1500

Spo

stam

enti

vert

ical

iN

odo

in m

eezz

eria

(m)

t (sec)

NLM


x

y

4 m





-4,00

-3,50

-3,00

-2,50

-2,00

-1,50

-1,00

-0,50

0,000 250 500 750 1000 1250 1500

Spo

stam

enti

vert

ical

iN

odo

in m

eezz

eria

(m)

t (sec)

NLM + NLG

NLM


x

y


-2,40

-1,90

-1,40

-0,90

-0,40

0,10

0 250 500 750 1000 1250 1500

Spo

stam

ento

oriz

zont

ale

(m)

t (sec)

NLM + NLGNLM





x

y


NON LINEARITA’ DI MATERIALE E DI GEOMETRIA



Trave incernierata all’estremita’

q

DT

Trazione � Effetto catenaria

compression e� II ord. moment

tempo

Tem

pera

tura

Heating phase Cooling phase

Trazione

Compressione

tempo

For

zaas

sial

etr

ave

flashover


ISO 834

t

T



q

DT

Trazione � Effetto catenaria

compressione� II ord. moment

tempo

Tem

pera

tura

Heating phase Cooling phase

Trazione

Compressione

tempo

For

zaas

sial

etr

ave

flashover


THERMAL BUCKLING

PROBLEMI NELLE CONNESSIONI

ISO 834

t

T


Trave semplicemente appoggiata Trave incernierata all’estremita’

q q

DT DT

Trazione � Effetto catenariabowing effect2

Espansione termica impeditaEspansione termica libera1



Trave semplicemente appoggiata

q q

DT DT

Trazione � Effetto catenariabowing effect2

Espansione termica libera1 Espansione termica impedita



CERNIERA CARRELLO

CERNIERA CERNIERA

356x171x51 UB

4 m

CASO A: Cerniera – Carrello

CASO B: Cerniera - Cerniera


-1,80

-1,60

-1,40

-1,20

-1,00

-0,80

-0,60

-0,40

-0,20

0,000 400 800 1200 1600

Dy (m)

t (sec)

CASO A

CASO B


RFire > SFire


4) VERIFICA DI RESISTENZA AL FUOCO


-4,00

-3,50

-3,00

-2,50

-2,00

-1,50

-1,00

-0,50

0,000 250 500 750 1000 1250 1500

Spo

stam

enti

vert

ical

iN

odo

in m

eezz

eria

(m)

t (sec)

NLM + NLG


Collasso convenzionali

Dy = L/20

Da analisi numeriche

4) VERIFICA DI RESISTENZA AL FUOCOTrave semplicemente appoggiata


Tcr= 795°CTcr= 560°C

-4,00

-3,50

-3,00

-2,50

-2,00

-1,50

-1,00

-0,50

0,000 250 500 750 1000 1250 1500

Spo

stam

ento

vert

ical

iN

odo

in m

eezz

eria

(m)

t (sec)

NLM + NLG

NLM


4) VERIFICA DI RESISTENZA AL FUOCOTrave semplicemente appoggiata

ATTENZIONE NELLA LETTURA DEI RISULTATI!!


LA STRUTTURA DEVE ESSERE ROBUSTA DA UN PUNTO DI VISTA STRUTTURALE

UNA STRUTTURA E’ ROBUSTA SE MOSTRA UN DEGRADO

REGOLARE DELLE QUALITA’ (… RESISTENZA) CON L’ENTITA’ DEL

DANNEGGIAMENTO CHE SUBISCE



Start

Analisi

Qualitativa

Analisi

Quantitativa

Verifiche

Presentazione

dei risultati

end

SI NO

Verifiche dei risultati:

Tempo

Temperatura

Resistenza

RFire > SFireRFire > SFire

• Modellazione dell’azione di incendio;

• Modellazione del trasferimento di calore;

• Modellazione strutturale.

• Definizione degli obiettivi;

• Individuazione dei livelli di prestazione;

• Scelta degli scenari di incendio;

NUMERICAL

MODELING



Hangar per aeroporto

Ponte in acciaio a struttura reticolare

Edificio alto




HANGAR PER AEROPORTO

• Determinare la resistenza al fuoco;• Valutare eventuali interventi di retrofitting;



CC

Vista B-B

32.82 m 32.82 m

Vista A-A

Sezione C-C

7.00 m

12

.82

m9

.02

m

16.425 mVista A-A

Vista B-B



Start

Analisi

Qualitativa

Analisi

Quantitativa

Verifiche

Presentazione

dei risultati

end

SI NO

Analisi Qualitativa

Safety Objective: Evitare il crollo della struttura;

Performance Level: Evitare il collasso strutturale ;

Fire Scenarios: Incendio localizzato in 3 zone.

APPROCCIO INGEGNERISTICO



Scenario B

Scenario C

Scenario A

APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Scelta degli scenari



Analisi Quantitativa

Fire Action Modeling: Nominal curve, ISO834;

Heat Transfer Modeling: senza trasferimento del calore,

la temperatura e’ applicata solo agli elementi investiti

dall’incendio localizzato;

Structural Modeling: Analisi non lineari in materiale e

geometria (ADINA).

Analisi Qualitativa




APPROCCIO INGEGNERISTICOStart

Analisi

Qualitativa

Analisi

Quantitativa

Verifiche

Presentazione

dei risultati

end

SI NO



Used Material :

• Steel S235;

• Concrete Rck 35;

Finite Element: Nonlinear Isobeam

N° node : 1205

N° elements : 4422

N° sections: 27

Element mesh density : 2

T (°C) E (Pa) sY (Pa) EPl (Pa) αT (°C-1)

0 2.10E+11 2.35E+08 1.05E+10 1.17E-05

20 2.10E+11 2.35E+08 1.05E+10 1.17E-05

100 2.10E+11 2.35E+08 1.05E+10 1.20E-05

200 1.89E+11 2.35E+08 9.45E+09 1.23E-05

300 1.68E+11 2.35E+08 8.40E+09 1.26E-05

400 1.47E+11 2.35E+08 7.35E+09 1.30E-05

500 1.26E+11 1.83E+08 6.30E+09 1.31E-05

600 6.51E+10 1.10E+08 3.26E+09 1.34E-05

700 2.73E+10 5.41E+07 1.37E+09 1.36E-05

800 1.89E+10 2.59E+07 9.45E+08 1.38E-05

900 1.42E+10 1.41E+07 7.08E+08 1.40E-05

Thermo-Plastic Material

5 ore di utilizzo di un normale computer

APPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa



7,00 m

6,54 m

Scenario A:



Scenario A:



Trend of displacement X with time

Trend of displacement X with Temperature

t=240 sec

T=505°C

t=870sec

T=702°C

t=5936 sec

T=1000°C



7,00 m

6,54 m

Scenario B:



Scenario B:



7,00 m

6,54 m

Scenario C:



Scenario C:



Andamento dello spostamento Y in funzione della Temperatura

t=340 sec

T=575°C

t=1600 sec

T=804°C

t=5936 sec

T=1000°C



Il collasso di un singolo elemento della strutturareticolare e’ di certo un aspetto importante per lavalutazione della sicurezza della struttura ma chenon compromette il comportamento dellastruttura nella sua globalita’ .

Scenario B

Scenario C



Analisi Quantitativa

Fire Action Modeling: curva naturale (FDS);

Heat Transfer Modeling: SI

Structural Modeling: Analisi non lineari in materiale e

geometria(ADINA).

Analisi Qualitativa




APPROCCIO INGEGNERISTICOStart

Analisi

Qualitativa

Analisi

Quantitativa

Verifiche

Presentazione

dei risultati

end

SI NO



FINITE ELEMENT MODELING

FINITE VOLUME MODELING

FIRE SIMULATION

STRUCTURAL PERFORMANCE

MODELLAZIONE DELL’AZIONE



REAL OBJECT

MODEL




1

2

2

3 3

4

1

2

2

3 3

4

Discretizzazione per il modello strutturale Discretizzazione per la modellazione dell’azione



B4 ambiente chiusoB4 ambiente aperto

B3

ISO834

Hydrocarbon

•Nominal Temperature-time curve :Standard temperature-time curve, ISO834;Hydrocarbon curve;•Natural Temperature-time curve :B4 ambiente chiuso;B3 porte che si aprono dopo 300 sec;B4 ambiente aperto;




Modelling with ISO834Far external columnsNear external columnsCentral columns

Scenario B4, ambiente chiuso

Scenario BAPPROCCIO INGEGNERISTICO _ Analisi Qualitativa



Scenario 2, apertura delle portedopo 5 min (300 sec)

Anche se analisi dimodellazione avanzatacomportano un notevole

incremento di onerecomputazionale , solo

attraverso queste e’ possibile ottenere risultati

numerici che riproduconocosa accade realmente . Sono pertanto necessarie

per determinare la sicurezza della strutturain questione soggetta ad

incendio e di tutto cio’ chela circonda





Edificio alto




CASE STUDY: 40 floors, 160 m heigth, 35 m x 35 m fl oor, office building

RENDERING STRUCTURAL SYSTEM FEM MODEL

Gentili, Petrini, Bontempi, “Optimization of the tall building structural system for reliability against progressive collapse”, CTA 2013

EDIFICIO ALTO

Outrigger

Bracing System

Frame BFrame A

Frame B

Frame A


EDIFICIO ALTO


Frame A- Exposure to 180 minutes of ISO Curve

- 30 cases of fire changing initial fire location and number of

involved columns

Frame B

FIRE LOCATION 6th floor

0

200

400

600

800

1000

0 10 20 30 40 50 60

ISO 834θ ipe 270θ ipe 300θ hem 260θ hea 240θ hem280


EDIFICIO ALTO


Assumptions

Frame A Assumptions Frame B


EDIFICIO ALTO


- Exposure to 180 minutes of ISO Curve

- 30 cases of fire changing initial fire location and number of

involved columns

EDIFICIO ALTO: Frame A - Worst case scenarios

1 Heated Column

2 Heated Columns

3 Heated Columns

4 Heated Columns

5 Heated Columns


1 Heated Column

2 Heated Columns

3 Heated Columns

4 Heated Columns

5 Heated Columns

After 180 min After 180 min After 126 min After 144 min After 100 min


EDIFICIO ALTO: Frame A

Frame BFrame A

SWAY COLLAPSE NO-SWAY COLLAPSE


Frame A

Frame B

EDIFICIO ALTO

TEMPI DI RESISTENZA MEDIA PER TUTTE LE COMBINAZIONI CONSIDERATE


Configurations: position of the outrigger

CONFIGURATIONSG A B C

STEEL MASS [TON]

877 857 877 877

EDIFICIO ALTO


Configurations: vertical brace system

CONFIGURATIONSG D E F

STEEL MASS [TON]

877 817 994 939

EDIFICIO ALTO


OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE

Initial

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

D A C B G F E

tem

po d

i res

iste

nza

al fu

oco

(min

)

EDIFICIO ALTO

877 ton877 ton877 ton 939 ton 994 ton817 ton857 ton



Edificio alto





PONTE IN ACCIAIO A STRUTTURA RETICOLARE

CASE HISTORY

•on 1st February 2013 where an expressway bridge partially collapsed due to a truck explosion inMianchi County, Sanmenxia, central China's Henan Province ;



CASE HISTORY

•on 14 December 2011, where a truck transporting 33800 l of gasoline caught fire on theeastbound 60 Freeway under the Paramount Boulevard Bridge , in Montebello, Los Angeles, CA,USA. The intense fire, which lasted several hours, severely damaged the reinforced concretestructure of the overpass;



CASE HISTORY

•on 29 April 2007, where a truck transporting 32600 l of gasoline had an accident and burst intoflames the MacArthur Maze in California. The fire, which is believed to have reached very hightemperatures, heated the overpass above the incident, which served as connector between the I-80and the I-580.



A highway bridge is expected to experience numerous extreme events during its lifetime.Therefore multiple hazards (e.g. earthquake, wind gust, flood, vessel collision, trafficoverload and accidents, and terrorist attacks etc.) must be properly considered inhighway bridge design in addition to the normal functionality requirement. The severity ofthese hazards can significantly increase the costs of construction and maintenance,especially if they are considered for rehabilitation of existing bridges.



MULTI-HAZARD ANALYSES

EXPLOSION

Time

STRUCTURAL FAILURE

FIRE



CASO IN ESAME: I-35W Bridge in Minneapolis, 1 Agost o 2007



“The term “fracture critical ” indicates that if one main component of a bridge fails , the entirestructure could collapse. Therefore, a fracture critical bridge is a steel structure that is designedwith little or no load path redundancy . Load path redundancy is a characteristic of the design thatallows the bridge to redistribute load to other structural members on the bridge if any one memberloses capacity. “

FRACTURE CRITICAL SYSTEMS



“The deck truss comprised in two parallel Warren trusses (eastand west) with verticals . Steel gusset plates were used on all the112 connections of the two main trusses. All nodes had two gussetplates on either side of the connection. The east and west maintrusses were spaced 22 m apart and were connected by 27transverse welded floor trusses spaced 11.6 m on centers and bytwo floor beams at the north and south ends.”

CASO IN ESAME: I-35W Bridge in Minneapolis, 1 Agost o 2007



E = 199 GPa

Fy = 345 MPa

Fu = 610 MPa•Large displacement formulation,

• Elasto-plastic material

(National Transportation Safety Board (2008) “Collapse of I-35 W Highway Bridge, Minneapolis, Minnesota, August 1, 2007” Accident Report, NTSB/HAR 08/03 PB 2008-916213, Washington D.C. 20594)

Nodes: 1172Beam elements: 1849

FINITE ELEMENT MODEL

325 m

139 m



1st HAZARD: EXPLOSION

It is assumed that a certain level ofdamage caused by an explosion(damage level= 1) can instantlyremove an element.

1. Distribution of loads on the structure intact (damage level = 0);

2. Nonlinear analyses are run ;

3. The damage level is increased (damage level= 1);

4. A structural element is cut off and



DAMAGE LOCALIZATION (DAMAGE LEVEL= 1)

1st HAZARD: EXPLOSION

Scenario 2

Scenario 3

Scenario 1

Scenario 4



West truss

East truss

(EC3- Part 1.2: Structural fire design)

2ND HAZARD: FIRE

0

200

400

600

800

1.000

1.200

0 20 40 60 80 100 120

Tem

pera

ture

( C

)

time (min)

Curva degli idrocarburi

Curva ISO834



•Thermo-plastic material (EC3- Part 1.2: Structural fire design)

T (°C) E (Pa) sY (Pa) EPl (Pa) αT (°C-1)

0 2.10E+11 2.35E+08 1.05E+10 1.17E-05

20 2.10E+11 2.35E+08 1.05E+10 1.17E-05

100 2.10E+11 2.35E+08 1.05E+10 1.20E-05

200 1.89E+11 2.35E+08 9.45E+09 1.23E-05

300 1.68E+11 2.35E+08 8.40E+09 1.26E-05

400 1.47E+11 2.35E+08 7.35E+09 1.30E-05

500 1.26E+11 1.83E+08 6.30E+09 1.31E-05

600 6.51E+10 1.10E+08 3.26E+09 1.34E-05

700 2.73E+10 5.41E+07 1.37E+09 1.36E-05

800 1.89E+10 2.59E+07 9.45E+08 1.38E-05

900 1.42E+10 1.41E+07 7.08E+08 1.40E-05

2ND HAZARD: FIRE



-1,00

-0,90

-0,80

-0,70

-0,60

-0,50

-0,40

-0,30

-0,20

-0,10

0,000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

Ver

tical

dis

plac

emen

t nod

e.40

(m

)

Time (sec)

Scenario 1

Max

ver

tical

dis

plac

emen

t(t

= 15

.3 s

ec)

Node n.40

Scenario 1EXPLOSION



-1,2

-1,0

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,21 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

Ver

tical

dis

plac

emen

t (m

)

Node

Scenario 0Scenario 1Scenario 2Scenario 3Scenario 4

t= 15.3 sec

t= 0 secSCENARIO 1



SCENARIO 1

SCENARIO 3



Scenario 1

Scenario 3

SCENARIO 1

SCENARIO 3



-1,00

-0,90

-0,80

-0,70

-0,60

-0,50

-0,40

-0,30

-0,20

-0,10

0,000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Ver

tical

dis

plac

emen

t nod

e.40

(m

)Time (sec)

Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4

West truss

East truss



SCENARIO 2

Longitudinal view

East

West

South

North

t= 58 sec; T= 760 C



SCENARIO 3

Plan view

Longitudinal view

East

West

South

North

t= 48 sec; T= 696 C



SCENARIO 4

Plan view

Longitudinal view

East

West

South

North

t= 50 sec; T= 706 C



-1,20

-1,00

-0,80

-0,60

-0,40

-0,20

0,000,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0

Dz

node

107

0 (m

)

t (sec)

Scenario 4

SCENARIO 4

Node 1070

t= 45 sec

Node 1070

t= 52 sec



Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4t u (sec) t u (sec) t u (sec)

58 48 53T ( C ) T ( C ) T ( C )

760 696 715

Different scenarios lead to different load path and therefore to

different way to collapse.

2

3

4



MULTI-HAZARD ANALYSES

-1,00

-0,90

-0,80

-0,70

-0,60

-0,50

-0,40

-0,30

-0,20

-0,10

0,000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

Ver

tical

dis

plac

emen

t nod

e.40

(m

)

Time (sec)

Scen…

Scenario 1

Scenario 4 + FIRE




Struttura strategica

Ponte in acciaio

Edificio alto

CONCLUSIONI

RINGRAZIAMENTI

Si ringrazia:

•Il gruppo di ricerca www.francobontempi.org ,

•Metallurgy division of the National Institute of Standard and Technology (NIST) inGaithersburg (MD), in particolare Dr. Dat Duthinh ,

•gli Ingg. Mauro Caciolai, Claudio De Angelis del Corpo Nazionale dei Vigili delFuoco ,

•Ing. Piergiorgio Perin per l’utilizzo del codice di calcolo ad elementi finiti Straus7,www.hsh.info


CONCLUSIONI

Robustezza strutturale e metodi di analisi - [email protected] EXPO – Forum della Tecnica delle Costruzioni - Milano 17 Ottobre 2012

analisi strutturale in caso di incendio: impostazione e applicazioni

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