il ruolo delle strutture nella protezione passiva contro l'incendio

L’approccio più gene-rale, completo e coe-rente, per affrontare iltema della sicurezza delle costruzio-

ni in presenza di incendio fa riferimento aquel settore dell’ingegneria definita in termi-ni anglosassoni come Fire Safety Enginee-ring. Gli aspetti fondamentali di questa disci-plina possono essere ritrovati nel manualeSFPE (The SFPE Handbook of Fire Protec-tion Engineering, 3rd Edition) [1], mentre unasintesi in termini più vicini a uno spirito nor-mativo sono indicati nel documento ISO13387 [2]. Da quest’ultimo documento, cheanche se non recentissimo conserva la suavalidità, si può partire per illustrare i diversipunti che devono essere considerati per as-

sicurare la sicurezza di unacostruzione in presenza del-l’azione incendio, come illu-strato schematicamente in Fi-

gura 1. In questo schema, gli aspetti da af-frontare sono così indicati:

– Identificazione e definizione dei parametristrutturali non modificabili;

– Stima dei parametri strutturali che posso-no essere scelti o che devono essereconsiderati;

– SS1: definizione dell’innesco e dello svi-luppo dell’incendio, in altre parole indivi-duazione degli scenari accidentali;

– SS2: studio del movimento delle fiammee dei fumi che si generano per effetto del-la combustione;

antincendioantincendio 2120 agosto 2008agosto 2008

– SS3: valutazione della risposta strutturalee della relativa resistenza meccanica;

– SS4: valutazione delle tecniche di indivi-duazione/localizzazione dell’incendio edell’eventuale attivazione di misure diprevenzione;

– SS5: valutazione della sicurezza degli oc-cupanti, tenendo conto della loro condi-zione;

– SS6: stima delle perdite della proprietà edei beni a seguito dell’incendio;

– SS7: stima delle conseguenze che si rife-riscono all’interruzione delle attività a se-guito dell’incendio;

– SS8: valutazione sulla contaminazionedell’ambiente e le relative conseguenze;

– SS9: valutazione della distruzione del pa-trimonio storico e culturale.

Tutti questi aspetti contribuiscono a forma-re una base comune di informazioni che per-mette di ottenere risultati prestazionali reali-

stici per la sicurezza delle costruzioni in pre-senza di incendio.

Lo schema della figura 1 permette di evi-denziare la natura intrinsecamente sistemicadell’impostazione della sicurezza strutturalein caso di incendio. Esistono quindi conside-razioni e richieste di origine diversa e allevolte contrastanti che devono essere atten-tamente valutate e coerentemente armoniz-zate.

Nel presente articolo, di questo quadrocomplessivo si prenderà in considerazionel’aspetto denominato SS3 che riguarda spe-cificamente il comportamento strutturale e laresistenza delle costruzioni soggette ad in-cendio: in tale punto è racchiuso l’approcciopassivo per la protezione delle strutture edelle persone dall’incendio, mentre l’approc-cio attivo è contenuto nel punto SS4.

Il ruolo del comportamentostrutturale nella protezionepassiva contro l’incendio

La modellazione dell’azione incendio,aspetto indicato con SS1 nella figura 1, rap-presenta un compito complesso.

Tale modellazione può essere fatta a diversi

Protezione

passiva

nelle

costruzioni

� Franco Bontempi�Chiara Crosti� Luisa Giuliani

Il ruolo delle strutturenella protezione passivacontro l’incendio

Per definire una strategiadi lotta passivaall’incendio occorreun’oculata definizionedel comportamentomeccanico degli elementidel sistema consideratoe della loro robustezzaattraverso analisinon lineari completesulla capacità portantedella struttura

Figura 1- Quadro generale degli aspetti da considerare per la verifica delle costruzioniin presenza di incendio (adattato da IS0 13387)

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combustibile, avendo raggiunto il cosiddettoflashover: da questo momento in poi, lo svi-luppo dell’azione è governato esclusivamen-te dalla quantità di combustibile o dallaquantità di ossigeno [5].

È opportuno a questo punto ricordare cheil Progettista, per affrontare un’azione (natu-rale, antropica o accidentale) che cimental’opera, può considerare le seguenti strate-gie [6]:

– ridurre la probabilità che l’azione avvengao ridurne l’intensità, attuando la cosid-detta prevenzione, ovvero implementan-do nel caso specifico misure, provvedi-menti e accorgimenti atti a ridurre al mini-mo la probabilità dell’insorgere dell’in-cendio;

– ridurre gli effetti dell’azione sulla struttura,operando così in termini di protezione;

– progettare e realizzare una struttura ingrado di sopportare senza danni l’azione;

– limitare il grado di danneggiamento dellastruttura a seguito dell’accadimento del-l’azione;

– mitigare le conseguenze del collasso (mi-tigazione).

In termini generali, le strategie a), b), ed e),sono misure non strutturali: esse possonoessere adottate efficacemente proprio nelcaso di azioni accidentali quali l’incendio.

Sono le strategie di protezione attiva, ri-chiamate prima con riferimento al documen-to ISO 13387, dove per protezione attiva siintende specificatamente l’insieme delle mi-sure che vengono adottate al fine di ottene-re lo spegnimento dell’incendio durante lasua fase iniziale.

agosto 2008 23antincendio

Protezione

passiva

nelle

costruzioni

livelli di sofisticazione, considerando fonda-mentalmente:

a) modellazione fluidodinamica completa,con una discretizzazione dello spazioracchiuso dalla costruzione in esame inelementi finiti o volumi finiti, che permet-te di ottenere valori puntuali della soluzio-ne; il codice FDS è uno degli strumentipiù diffusi ed affidabili, essendo inoltregratuitamente distribuito dal NIST (Natio-nal Institute of Standards and Technologyof the United States Department of Com-merce) americano [3]; l’utilizzo pratico diquesti codici richiede la manipolazione dirappresentazioni geometriche che ripro-ducono i volumi della costruzione in esa-me, la cui analisi può essere svolta solocon l’ausilio di pre e post-processori gra-fici specifici;

b) modellazione fluidodinamica semplifica-ta, concentrata in zone in cui sono me-diati i valori di campo; il codice CFAST è

uno degli strumenti più diffuso ed affida-bile, anch’esso gratuitamente distribuitodal NIST [4]; in questo caso, la soluzioneè ottenuta graficamente in modo piùsemplice, ma va corretta per tenere con-to di effetti locali che innalzano in regioniparticolari la temperatura.

In entrambi i casi, è possibile determinareun andamento realistico della temperaturanelle varie parti della costruzione, ottenendouna rappresentazione che è detta, proprioper questo carattere, naturale.

c) Esiste poi un approccio elementare, chemantiene una sua valenza ingegneristica,che considera la’assegnazione direttadella curva che rappresenta l’andamentoin funzione del tempo della temperaturadei gas di combustione nell’intorno dellasuperficie degli elementi strutturali sog-getti ad incendio.

In questo caso, l’andamento della tempe-ratura può avere una certa somiglianza conl’andamento reale, e può essere ottenuto daformulazioni che sintetizzano lo sviluppo del-l’incendio, ovvero può avere andamentosemplificato e carattere convenzionale;esempi di questo ultimo tipo, sono le cosid-dette curve ISO834 (standard, degli idrocar-buri, o degli incendi esterni) riportate dalladiverse normative. In termini generali, men-tre le curve (Temperatura – Tempo) realisti-che o naturali permettono una simulazione equindi un’analisi realistica della rispostastrutturale come richiesta dall’approccioprestazionale al progetto strutturale, le curveconvenzionali permettono solo una valuta-zione a carattere più limitato, tipica degli ap-procci prescrittivi.

La Figura 2 raffigura schematicamente,con la curva di color rosso, l’andamento del-la temperatura T in funzione del tempo t du-rante lo sviluppo di un incendio.

Si riconoscono una fase di innesco e disviluppo, fino all’istante in cui l’incendio ècompletamente esteso a tutto il materiale

22 antincendio

Protezione

passiva

nelle

costruzioni

agosto 2008

FFrraannccoo BBoonntteemmppii - Professore ordinario di Tecnica delleCostruzioni nella Facoltà di Ingegneria dell’Università diRoma “La Sapienza”. Si occupa di analisi strutturale e pro-gettazione prestazionale di edifici alti e ponti, coordinandoun gruppo di ricerca tra i più attivi nel settore del calcoloautomatico e della modellazione strutturale. Negli ultimianni, è stato membro della Commissione per il Testo Unicodelle Norme Tecniche delle Costruzioni presso il Ministerodelle Infrastrutture e del Comitato Scientifico per il Pontesullo Stretto di Messina. Fa parte della CommissioneTecnica per la Sicurezza delle Costruzioni in Acciaio in casodi Incendio. Svolge attività di consulenza per strutture spe-ciali.

CChhiiaarraa CCrroossttii è allieva del Dottorato di Ricerca inIngegneria Strutturale presso l’Università di Roma “LaSapienza”, dove si occupa di analisi strutturale e di proget-tazione di costruzioni soggette ad incendio ed esplosioni.

LLuuiissaa GGiiuulliiaannii è allieva del Dottorato di Ricerca inIngegneria Strutturale presso l’Università di Roma “LaSapienza”, dove si occupa di robustezza strutturale e anali-si del rischio. Attualmente, svolge ricerca presso laTechnische Universität Hamburg – Harburg in Germania.

� IInngg.. FF.. BBoonntteemmppii

� IInngg.. CC.. CCrroossttii

� IInngg.. LL.. GGiiuulliiaannii

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– mantenimento della totale funzionalità.

I livelli di prestazione [7] comportano clas-si di capacità portante stabilite per i diversitipi di costruzioni in base al rischio e allestrategie antincendio stabilite di concertodal Committente e dal Progettista.

In ogni caso, tenendo conto delle specifi-cità delle situazioni, si deve adottare unaprogettazione strutturale orientata all’interosistema resistente, e non solo al dimensio-namento e alle verifiche dei singoli compo-nenti. L’analisi strutturale e le verifiche di si-curezza devono considerare:

– l’intera struttura, tenendo conto dell’evo-luzione nel tempo e con la temperaturadelle caratteristiche geometriche deglielementi strutturali e delle proprietà deimateriali.

Situazioni semplici, in un approccio essen-zialmente prescrittivo, possono essere con-dotte analizzando:

– singolarmente ciascun elemento costrut-tivo, nelle sue condizioni di vincolo e dicarico;

– parti significative della struttura.

I caratteri generalidel comportamento strutturale

La sicurezza e le prestazioni di una co-struzione, o di una parte di essa, devonoessere valutate in relazione agli Stati Limi-te che si possono verificare durante la vitanominale. Con il termine Stato Limite si in-tende la condizione superata la quale lastruttura non soddisfa più le esigenze per lequali è stata progettata. In termini generali, lasicurezza e le prestazioni devono verificarsinei confronti di:

– Stati Limite Ultimi, che comportano per-dite di equilibrio, collassi strutturali par-ziali o complessivi, ovvero dissesti gravi,

totali o parziali, che possano compro-mettere l’incolumità delle persone, com-portare la perdita di beni e proprietà,causare gravi conseguenze ambientali esociali;

– Stati Limite Esercizio, che comportano lafuori uscita dal regolare funzionamentodella costruzione, impedendone le pre-stazioni previste per le condizioni diesercizio.

Inoltre, la costruzione deve dimostrare dipossedere adeguata robustezza nei confron-ti di azioni accidentali, ovvero mostrare lacapacità di evitare danni sproporzionati ri-spetto all’entità delle cause innescanti, chepossono essere azioni di incendio, esplosio-ni, urti o, anche, errori umani in fase di pro-getto, costruzione, manutenzione e utilizzo.


Protezione passiva

nelle costruzioni

Tali misure comprendono sia l’impiegod’impianti tecnologici, come sistemi di rile-vazione automatica, sistemi di allarme, eva-cuatori di fumo, ordinari impianti di estinzio-ne (idranti e estintori), sistemi di spegnimen-to automatico (sprinkler), sia l’adozione discelte progettuali e di un’opportuna pro-grammazione organizzativa che rende velo-ce l’evacuazione dell’edificio e sicuro e tem-pestivo l’intervento delle squadre di soccor-so [1].

Le strategie c) e d), sono invece misurestrutturali, dette anche misure di protezionepassiva. La c) prevede un comportamentonominale e reversibile della struttura sottol’azione, mentre la d) ammette lo sviluppo dicrisi locali e proporzionali all’intensità dell’in-cendio: questa correlazione positiva fra ef-fetto (danno) e causa (incendio) è legato allacosiddetta robustezza strutturale.

In altre parole, le tecniche di protezionepassiva sono rivolte al miglioramento del-l’aspetto SS3 della figura 1, sono cioè l’insie-me delle misure che vengono adottate per ri-durre al minimo i danni dell’edificio durantela fase di incendio generalizzato intervenen-

do sulla resistenza della struttura e sul suocomportamento strutturale.

Le tecniche di protezione attiva, invece,sono implicite nell’aspetto SS4, poiché sonoquelle tecniche che prevedono l’individua-zione, la segnalazione e quindi la relativaestinzione dell’incendio durante la sua faseiniziale: il loro corretto funzionamento riducel’andamento della temperatura T in funzionedel tempo t dalla curva rossa alla curva bludi figura 2. Dal punto di vista normativo [7] èobbligatorio che la progettazione di strutturesoggette ad incendio, a prescindere dalletecniche di protezione impiegate, debba co-munque evidenziare la capacità del sistemastrutturale di:

– garantire la sicurezza degli occupanti du-rante tutta la loro permanenza previstanella costruzione;

– garantire la sicurezza delle squadre disoccorso e delle squadre antincendio;

– evitare crolli della costruzione;

– permettere ai componenti e ai sistemi an-tincendio di mantenere la loro funzionalità;

– consentire l’eventuale riutilizzazione dellastruttura, ove richiesto.

I punti a) e b) riguardano le persone; i pun-ti c) e d) la struttura durante l’incendio; ilpunto e) la costruzione dopo la fine dell’in-cendio.

In relazione a questi obiettivi di sicurezza,sono introdotti, in funzione dell’importanzadella costruzione, i seguenti differenti livelli diprestazioni:

– assenza di requisiti specifici;

– resistenza all’incendio per un tempo suf-ficiente per l’evacuazione;

– non raggiungimento del collasso;

– limitato danneggiamento;

agosto 200824 antincendio

Protezione passiva

nelle costruzioni

Figura 2 - Andamento della temperatura T in funzione del tempo t e distinzione delle strategie attive e passive

La sicurezza e le prestazioni di una costruzione devonoconsiderare gli stati limite ultimi e di esercizio oltre alla robustezza nei confronti di eventi accidentali

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A proposito delle verifiche previste per gliStati Limite Ultimi, è interessante osservare ilivelli di verifica previsti facendo riferimentoalla Figura 3, dove è riportato il caso idealedi una struttura soggetta ad un solo carico P.Si ha, infatti [8]:

Livello materiale

Se è vero che per P=0 la struttura è inte-gra, in altre parole non presenta alcun segnodi danno, al crescere del carico fino al valo-re PI in almeno un punto all’interno del volu-me della struttura si raggiungono le capacitàmassime del materiale con conseguente in-nesco del danneggiamento. Si è quindi rag-giunta la crisi in un punto all’interno dellastruttura, come previsto ad esempio dal for-mato di verifica alle tensioni ammissibili. Sela struttura è composta di materiale fragile,questa crisi puntuale si propaga più o menovelocemente a porzioni significative e perfi-no all’intero organismo strutturale, compor-tandone quindi il collasso, anche in manieraistantanea.

È intuitivo però pensare che a questa crisilocalizzata, in generale, non corrisponda ilcollasso dell’intera struttura: questo è, in ef-

fetti, vero se il materiale ha un minimo gradodi duttilità. In tal caso, pur essendosi pun-tualmente danneggiata, la struttura può sop-portare successivi incrementi di carico. Que-sto avviene perché nel continuo, lo stato disollecitazione si ridistribuisce nell’intorno delpunto materiale che ha raggiunto la suamassima capacità resistente.

Livello di sezione

In assenza di fragilità materiale, al cresce-re del carico, si perviene al valore PII in cui lecrisi puntuali si sono accumulate in almenouna sezione provocandone il collasso.

In questa sezione non possono quindi es-sere equilibrati valori maggiori delle variesollecitazioni: ad esempio, se il collasso è dinatura flessionale, si è aggiunto il massimomomento flettente sopportabile da quellasezione. Questo livello di crisi è quello usual-mente contemplato dal formato di verificaagli stati limite mediante coefficienti parzialidi sicurezza.

Anche a questo livello, se il comportamen-to sezionale è fragile, si può avere la propa-gazione della rottura al resto della struttura. Livello di elemento


Protezione passiva

nelle costruzioni

Figura 3 - Livelli di verifica della crisi strutturale

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Il comportamento sezionale preso isolata-mente può non essere pertinente. Questopuò avvenire perché:

– può non comportare automaticamenteuna crisi ad un livello strutturale successi-vo, come nel caso di una sezione con suf-ficiente duttilità in un sistema iperstatico;

– può non tenere conto di effetti negativiche si possono avere nel complesso del-l’elemento strutturale cui appartiene: èquesto un caso di interazione negativa fracomportamento sezionale e comporta-mento dell’elemento cui appartiene la se-zione come nel caso della presenza di fe-nomeni di instabilità.

Livello di struttura

È questo il livello più completo di verifica,perché riassume e integra tutti i livelli prece-denti, smorzando i fenomeni di crisi minori econtemplando invece le fragilità locali e lapossibile propagazione delle rotture.

Mentre i livelli precedenti possono essere

valutati con approcci semplificati, questo li-vello richiede un’analisi completa e coerentein campo non lineare.

Quest’ultimo livello di verifica è essenzialeper l’analisi delle costruzioni soggette adazioni accidentali, perché contiene in sé lavisione sistemica della struttura in esame,che trascende i singoli aspetti puntuali, se-zionali o di elemento, integrandoli in formacorretta e coerente nella risposta strutturalecomplessiva, come idealizzata nel diagram-ma riportato in Figura 4.

Il comportamento meccanico di una gene-rica struttura [8] può essere rappresentato inun piano in cui la grandezza presente sull’as-se delle ordinate può rappresentare il caricoo una qualsiasi azione esterna, mentre lagrandezza in ascissa può rappresentare unparametro che misura la risposta strutturalecome lo spostamento di un punto genericodella struttura.

Osservando la risposta strutturale idealeOABL della Figura 4, si individuano i seguen-ti aspetti generali: esiste una parte di rispo-sta lineare, che inizia con la situazione scari-ca e indeformata rappresentata dall’origine


Protezione passiva

nelle costruzioni

Figura 4 - Risposta strutturale complessiva

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quindi fenomeni catastrofici. Questa defini-zione di robustezza strutturale può essereformalizzata in questo modo [10]:

– si indica con E l’evento negativo la cuientità è misurata con ∆E,

– si indica con Q la qualità in esame e ∆Qrisulta la misura della variazione dellastessa a seguito dell’evento E di entità∆E.

La costruzione risulta robusta se il rappor-to ∆Q/∆E è limitato ad una costante L.

La Figura 5 illustra schematicamente ilconcetto di robustezza strutturale. In ordina-ta si trova la misura della qualità in esame:tale grandezza può essere, ad esempio, lacapacità portante rispetto ad una condizionedi carico, rappresentata dal moltiplicatore dicarico; in generale, in ordinata si può riporta-re una qualsiasi capacità prestazionale o unagrandezza rappresentativa della sicurezzastrutturale. In ascissa, si riporta l’entità del-l’evento negativo, che può essere pensatocome un danno strutturale o nel caso dell’in-cendio, la quantità di energia implicata.

Delle due strutture in esame, si nota comequella indicata col colore verde sia di qualitàmigliore nelle condizioni integre, o nominali,rispetto a quella indicata col colore blu: lastessa è però meno robusta della seconda,come si vede dal maggior degrado di quali-tà, a parità di danno, che risulta addiritturainferiore al livello minimo richiesto.

Un esempio elementare è un pilastro in ce-mento armato cerchiato con spirale (casoverde) rispetto a quello di un pilastro quadra-to staffato (caso blu): nella configura zionenominale, a parità di area di conglomerato, ilprimo è più resistente, ma a parità di entità dievento negativo (taglio di una sezione del-l’armatura trasversale), risulta anche più fra-gile perché la spirale si srotola facendo man-care l’azione di confinamento per un trattopiù lungo del pilastro rispetto al cedimento diuna singola staffa nel caso di pilastro qua-drato staffato. Il pilastro quadrato e staffatosingolarmente è quindi più robusto del pila-

stro cerchiato con una spirale continua.Riconducendosi alla suddivisione gerar-

chica delle diverse parti strutturali indicatanel paragrafo precedente, l’esempio di robu-stezza ora portato era riferito alla robustezzadi due elementi strutturali. Va tuttavia sotto-lineato che il requisito di robustezza va valu-tato a livello di sistema strutturale e la robu-stezza di tutti i singoli elementi della struttu-ra non è garanzia della robustezza dellastruttura nel suo complesso.

È bene precisare che robustezza struttura-le non è sinonimo di invulnerabilità dellastruttura. La definizione di robustezza preci-sa, infatti, che la struttura non deve esseredanneggiata in maniera sproporzionata ri-spetto alla causa.

Una struttura non dotata di adeguata robu-stezza, infatti, può subire, in caso di eventieccezionali, un collasso progressivo [11], ca-ratterizzato dalla perdita di capacità portan-te di una porzione relativamente piccola del-la struttura, che determina il collasso diun’altra porzione di struttura fino a estender-si così con un effetto domino a gran parte oa tutta la struttura stessa.

In una progettazione globale il requisito dirobustezza può essere valutato verificandoper esempio che la rimozione di un singoloelemento, di una parte limitata della struttu-ra o l’insorgenza di un accettabile livello didanno locale si risolva al più in un collassolocalizzato.

Si devono in altre parole garantire dei per-corsi alternativi di carico e pertanto un buongrado di duttilità, iperstaticità e ridondanza,diffuso su tutta la struttura, può costituireuna garanzia di un buon grado di robustezzastrutturale.

Strategie di progetto nel caso di azioni accidentali

La resistenza al fuoco è una delle fonda-mentali strategie di protezione da perseguireper garantire la sicurezza strutturale in con-dizioni di incendio, come visto precedente-mente.


Protezione passiva

nelle costruzioni

O e che termina in A; successivamente, alcrescere del carico, il comportamento siscosta da quello idealmente lineare indicatodalla retta 1, diventando marcatamente nonlineare, con progressiva perdita di rigidezza,fino al livello massimo rappresentato dallaretta orizzontale 2; il punto B rappresenta lamassima risposta strutturale, ovvero la mas-sima capacità portante del sistema struttura-le ideale.

Nella Figura 4 è rappresentato anche unaltro percorso di risposta strutturale, indica-to dalle lettere OAHI.

In tale percorso si nota il punto H che rap-presenta un punto di biforcazione per la pre-senza di fenomeni di instabilità: in tale pun-to, la risposta cambia e la struttura si avviaverso una cosiddetta deformata critica. Nelpunto H, la risposta significativa segue quin-di il percorso OHI e non quello OHB, con unarisposta massima pari al più a Pcr, rispetto allivello Pmax.

Nel caso di struttura non più ideale, ma ca-ratterizzata dalle inevitabili imperfezioni con-nesse con il mondo reale, il comportamentostrutturale si deteriora. Infatti, con riferimen-

to al punto H, si nota come il comportamen-to reale di una struttura imperfetta risulta ar-rotondato rispetto al percorso di equilibrioche la struttura avrebbe in assenza di imper-fezioni, in condizioni ideali. In tal modo si rie-sce a raggiungere solamente il livello di ri-sposta Preal, invece che quello relativo alpunto di biforcazione Pcr.

Risulta quindi necessario, dal punto di vi-sta ingegneristico, considerare sempre lapresenza di imperfezioni, in modo da valuta-re che la struttura nel suo progressivo defor-marsi segua la risposta che presenta la mi-nore capacità portante.

Valutata così la capacità resistente dellacostruzione, è necessario esplorare cometale capacità varia in presenza di azioni acci-dentali, come l’incendio: si vuole quindi valu-tare la robustezza strutturale.

La robustezza strutturale è la proprietà diuna costruzione di mostrare una perdita diqualità proporzionata all’evento negativo ori-ginante tale perdita. In tal modo, se la strut-tura è robusta, esiste una relazione continuae regolare fra la causa innescante il decadi-mento e il conseguente effetto [9], evitando


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nelle costruzioni

Figura 5 - Definizione di robustezza strutturale

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– in mezzo, di un aereo di linea che nel-l’aprile 1988, a seguito della coalescenzadi numerose microfratture nella partecentrale superiore della fusoliera, ha su-bito un’esplosione per decompressione:la parte di carlinga collassata è stata de-limitata dalla presenza di longheroni edelementi di cerchiatura presenti nella fu-soliera;

– in basso, è infine riportata un’illustrazionepertinente alla concezione delle navi chepresentano compartimenti stagni, perevitare l’eventuale propagarsi dell’allaga-mento che sia avvenuto in uno di essi.

Da questi semplici esempi, è evidentecome l’ottenimento della robustezza strut-turale sia un problema che riguarda la con-cezione strutturale: le analisi strutturali,non potranno che misurare quantitativa-mente quello che è già stato inserito nelcodice genetico della costruzione.

In particolare, la robustezza risulta esse-re una proprietà sistemica, in quanto emer-ge da come le varie parti della costruzionesono connesse e da come si comportanomutuamente alla presenza di un danno lo-calizzato.

Per le costruzioni soggette all’azione del-l’incendio si cerca pertanto di fare la mede-sima cosa, ovvero realizzare nelle strutturecompartimenti antincendio cioè parti dellacostruzione delimitata da elementi costrut-tivi idonei a garantire, sotto l’azione delfuoco e per un dato intervallo di tempo, lacapacità di compartimentazione, così dalocalizzare l’incendio ed evitare la sua pro-pagazione.

Un’altra forma di strategia di progettoparticolarmente interessante per strutturesoggette ad incendio è quella presentatada O’Meagher et al. (1992) [12], [13]. Inquesto contributo è evidenziata l’importan-za di garantire modi di collasso favorevoli:uno di questi è illustrato in figura 7, doveper un edificio monopiano è illustrata l’im-plosione dell’edificio stesso, in modo tale

che le costruzioni adiacenti non vengonoin nessun modo coinvolti e si trovano cosìin condizioni di sicurezza.

Da questo semplice esempio si nota comegarantire la sicurezza di una struttura sog-getta all’azione accidentale dell’incendioconsiste non solo nella verifica di resistenzasviluppata con l’opportuno scenario di cari-co, ma anche nella simulazione del collassoper giudicarne le modalità.

In questo senso, la mera verifica dei singo-


Essa riguarda la capa-cità portante in caso d’in-cendio, per una struttura,per una parte della strut-tura o per un elementocostruttivo, nonché la ca-pacità di compartimenta-zione rispetto all’incendioper gli elementi di sepa-razione sia strutturali, co-me muri e solai, sia nonstrutturali, come porte etramezzi.

La capacità portante in caso d’incendio èl’attitudine della struttura, di una parte dellastruttura o di un elemento a conservare unasufficiente resistenza meccanica sotto l’azio-ne del fuoco con riferimento alle altre azioniagenti.

La capacità di compartimentazione in casod’incendio invece è l’attitudine di un elemen-to costruttivo a conservare, sotto l’azione delfuoco, (oltre alla propria stabilità strutturale)un sufficiente isolamento termico e una suf-ficiente tenuta ai fumi e ai gas caldi dellacombustione.

Tra tutte le costruzioni, per gli edifici è par-ticolarmente stringente il requisito della ro-bustezza, essendo tale categoria di strutturesoggette a essere occupate da un alto nu-mero di persone ed essendo sede delle piùdisparate attività, svolte frequentemente inmodo non organizzato e non controllato.

Per tale scopo, gli edifici devono essereprogettati in modo che il sistema strutturaleprincipale possa sopportare danneggiamen-ti locali senza subire un collasso totale; gliedifici devono avere un degrado delle pre-stazioni di resistenza proporzionale alla cau-sa che lo ha provocato.

Questo requisito deve essere raggiuntoessenzialmente attraverso un’organizzazio-ne degli elementi strutturali che mantengaresistenza e stabilità allo schema principaleattraverso un trasferimento dell’azione daqualunque regione strutturale danneggiata aquelle vicine: ciò può essere raggiunto for-nendo sufficiente continuità, iperstaticità,

duttilità alle parti che com-pongono l’edificio. In questomodo si dovrà anche evitarela diffusione del danneggia-mento da una regione limitatadella struttura a una parte ri-levante o addirittura a tuttoorganismo strutturale, secon-do la cosiddetta modalità dicollasso progressivo. Talemodo di collasso, e in gene-rale la propagazione del dan-

no, sarà raggiunto anche attraverso oppor-tuna compartimentazione dell’organismostrutturale.

Quest’ultima osservazione è espressivaperché indica due strategie per ottenere larobustezza strutturale. Tali strategie, in uncerto senso una duale dell’altra, sono:

– aumentare la connessione delle varieparti strutturali, introducendo un elevatogrado di continuità, in modo che le azionisi possano trasferire dalla parte collassa-ta a quelle adiacenti, ovvero la costruzio-ne abbia al suo interno una ridondanza dipercorsi atti a trasmettere l’azione;

– suddividere la costruzione in comparti-menti, in modo che il collasso di una par-te della struttura non si propaghi alle par-ti adiacenti.

Va ricordato che queste due strategie sonotradizionalmente utilizzate in settori dell’In-gegneria come quello Aeronautico o quelloNavale. In Figura 6 alla pag. seguente, si ri-portano, ad esempio, i casi:

– in alto, di un bombardiere B17 FortezzaVolante, che durante la Seconda GuerraMondiale dopo aver subito una collisionein volo con un altro velivolo, è riuscito co-munque ad atterrare; questa capacità diincassare un collasso strutturale (collap-se resistant structure), è legata alla con-formazione altamente iperstatica della fu-soliera di questo tipo di aereo;


Protezione passiva

nelle costruzioni

Gli edifici devono essere progettati in modo che il sistema strutturaleprincipale possa sopportaredanneggiamenti locali senza subire un collasso totale

Figura 6 - Strategie di progetto per ottenere robustezza strut-turale: nel caso di aerei, in alto, robustezza per continuità strut-turale; in mezzo, robustezza per compartimentazione; nel casodelle navi, in basso, compartimentazione

B-17F/Bf-109 midaircollision on February 11943 over Tunisia

B-17 flew 90 minutesand landed safely.

(Usa Museum photograf)

Centroid of meanwater plane C.F.

Meanwater plane

Centroid oflost buoyancy

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zione della resistenza al fuoco di una qual-siasi struttura può essere articolata sulla ba-se del diagramma di flusso che si riporta inFigura 9: tale diagramma fissa i principalipassi da compiere per il calcolo della capa-cità portante. In tale processo, ruolo centra-le è assegnato all’analisi quantitativa ovveroalla modellazione numerica del problema.

La Figura 9 entra infine nello specifico del-l’analisi quantitativa, che è la parte che si af-fronterà con il presente esempio di telaio.

Il punto di partenza è la modellazionedell’incendio, dalla quale si genera la tra-smissione di calore, fino ad arrivare allarealizzazione del modello strutturale sulquale saranno condotte analisi che per-metteranno di quantificare la capacità por-tante della struttura e condurre così valuta-zioni secondo prestabiliti criteri di sicurez-za.

Procedendo per passi, il primo da fare èindividuare gli scenari d’incendio, ovverolocalizzare l’incendio come riportato in Fi-gura 10 alla pag. successiva.

La determinazione degli scenari, che poisaranno impiegati nelle analisi strutturali,dipende essenzialmente dalla probabilitàche alcune circostanze avvengano, comead esempio l’estinzione dell’incendio daparte dagli occupanti dell’edificio stesso,l’estinzione da parte di opportuni sistemi dirilevamento, l’arrivo delle squadre Vigili delfuoco e la relativa apertura delle porte, etc.[14], come riportato in forma di albero de-gli eventi in Figura 11 alla pag. 35.

L’individuazione delle differenti circo-stanze in cui si può sviluppare un’azioneaccidentale come il fuoco e la loro elenca-zione ordinata e coerente nei cosiddettiscenari di continenza, è la parte forse piùimpegnativa dal punto di vista concettualeal fine di garantire la sicurezza strutturale.

La scelta di considerare tre circostanzeporta alla determinazione di 12 scenari, in-dividuati in Figura 11, ciascuno dei qualicon una probabilità di accadimento: nellaTabella 1 si riportano le probabilità di acca-dimento nel caso di incendio nella zona A,

mentre nel seguito, per brevità, si prende-ranno in considerazione solo gli scenari A4,B4, C4. Una volta individuati gli scenari dicontingenza si modella lo sviluppo dell’in-cendio con i livelli di approccio introdotti inprecedenza. In particolare, il livello più ele-mentare consiste nell’applicare alle partistrutturali coinvolte l’azione mediante dellecurve che legano al progressivo scorreredel tempo la relativa temperatura dei gascaldi che si generano durante l’incendio[15].


li elementi strutturali attraverso l’individua-zione delle combinazioni di carico previstedal formalismo agli stati limite non apparesufficientemente adeguata a garantire la si-curezza strutturale.

Bisogna, infatti, cercare di essere in gradodi giudicare il tipo di collasso, cosa che puòessere fatta solo con una corretta modella-zione del problema e quindi con l’uso di ana-lisi contenenti tutte le non linearità che il pro-blema richiama.

La simulazione del comportamento strutturale

Per rendere concreti gli aspetti della resi-stenza meccanica delle strutture sotto azio-ne d’incendio può essere interessante consi-derare il semplice telaio in acciaio illustratoschematicamente in Figura 8: si tratta di untelaio a due piani (interpiani 4 m e 5 m) conquattro campate uguali (luce 6 m).

In riferimento alla ISO 13387 [2], la valuta-


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Figura 7 - Esempio di collasso strutturale favorevole, O’Meagher (1992) [12]

Figura 8 - Geometria del problema

Figura 9 - Diagramma di flusso per il calcolo della capa-cità portante di una struttura esposta a fuoco, con partico-lare riferimento agli aspetti della modellazione inerenti al-l’analisi quantitativa

Tabella 1 - Probabilità di accadimento degli scenari nellazona A

Concretewall panel

Stell roof

Fire spread

Stell portalframe

Edge tie member

Rafter subjectto increased loads

Rafter subjectto increased loads

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Dal punto di vista meccanico, si passa oraalla costruzione del modello strutturale e alrelativo settaggio delle non linearità chel’azione dell’incendio chiama in causa.

Il comportamento meccanico della strut-tura è analizzato tenendo conto della ridu-zione della resistenza meccanica degli ele-menti dovuta al degrado delle caratteristi-che dei materiali per effetto dell’aumento ditemperatura. L’effetto della temperaturaprodotta dall’incendio, genera, infatti, neimateriali coinvolti, delle alterazioni dellecaratteristiche meccaniche, la cui imple-mentazione nel modello di calcolo è di fon-damentale importanza per la corretta valu-tazione della resistenza al fuoco. Il mate-riale considerato nel telaio di Figura 8 è l’ac-ciaio tipo Fe360/S235 [8]: tale tipo di acciaioè implementato nel modello strutturale comemateriale termo-plastico, in grado cioè di te-nere in conto della variazione dei parametrimeccanici al crescere della temperatura; tali

variazioni, fornite nelle normative europee[15], sono riportate in Tabella 2.

Dalla Tabella 2 si nota in particolare comeil decadimento della tensione di snervamen-to (σy) avvenga a partire da 400°C, valoreche si ottiene quando le fiamme investonodirettamente l’elemento, mentre il decadi-mento del modulo di elasticità (E) avviene apartire da 100°C, temperatura che si rag-giunge con la sola propagazione dei fumi.

Da queste considerazioni è possibile per-tanto comprendere che l’eventuale collassodella struttura può essere raggiunto sia perla formazione di cerniere plastiche che alcrescere della temperatura rendono la strut-tura labile ma anche per possibili crisi dovu-te a fenomeni di instabilità anticipata, [16],dovuto proprio al decadimento della rigidez-za [17]. Non tutti i programmi di calcolo perla modellazione strutturale ad elementi finiticonsentono però di cogliere l’aspetto termo-plastico dei materiali [18]: tra questi, sono


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Queste curve possono essere:

– nominali, che sono le curveadottate per la classificazionedelle costruzioni e per le veri-fiche di resistenza al fuoco ditipo convenzionale, tra que-ste sono note: la curva stan-dard, ISO834, quella degliidrocarburi e quella esterna;– naturale, determinate in ba-se a modelli d’incendio e aparametri fisici che definisco-no le variabili di stato all’inter-no del compartimento.

Nel caso specifico, si sce-glie di usare la curva nomina-le standard ISO834, poichéciò che si desidera qui valu-tare è la resistenza al fuocodella struttura e la relativa ca-pacità portante. La curvaISO834 è applicata solo aglielementi segnati in rosso nel-la Figura 11, ipotizzando inol-tre il non trasferimento di ca-lore tra gli elementi. Tale ipo-tesi porta pertanto all’indivi-duazione compartimenti chepermettono di localizzare, inun modo per certi versi fitti-zio, l’incendio.


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Figura 10 - Localizzazione dell’incendio Figura 11 - Determinazione degli scenari

Tabella 2 - Caratteristiche meccaniche del materiale Acciaio Fe360/S235 in funzione della temperatura

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di sezioni HEA300 per le colonne.Si ipotizza la durata dell’azione incendio

presente nella struttura pari a 3000 s. Oltretale tempo, sulla configura zione così dan-neggiata, al fine di valutarne la capacità resi-dua, si applicano delle forze orizzontali conrisultante iniziale pari al 10% della risultantedei carichi verticali, che vengono fatte cre-scere attraverso un moltiplicatore funzionedel tempo come illu-strato in Figura 12 eFigura 13.

Attraverso il codicedi calcolo a elementifiniti ADINA si condu-cono pertanto analisinon stazionarie connon linearità di mate-riale e di geometriache prevedono fino ai3000 s la presenza diazioni verticali e lo svi-luppo dell’incendio at-traverso l’assegnazio-ne di storie di tempe-ratura agli elementi inacciaio di volta in vol-ta considerati, mentreoltre i 3000 s, sullaconfigurazione ormaidanneggiata dall’in-cendio, si procedecon analisi non lineari,note come analisi dipush-over, con le qua-li è possibile stimare lacapacità portante resi-dua della strutturadanneggiata.

Si riportano le curve(moltiplicatore di cari-co - spostamento oriz-zontale) per i tre sce-nari in esame, con-frontando il tutto conla situazione di confi-gura zione nominale,ovvero quella in cui la

struttura non è coinvolta da incendio; in que-st’ultimo caso, si ha fino a 3000 s l’applica-zione dei soli carichi verticali e, dopo taletempo, l’applicazione delle forze orizzontalicon moltiplicatori crescenti come sopra illu-strato. In tutti i casi, l’analisi è condotta finoall’istante τf, diverso caso per caso, in cui siraggiunge i collasso della struttura per man-canza di equilibrio sotto i carichi applicati.


particolarmente diffusi ed affidabiliANSYS [19], ADINA [20], NeiNA-STRAN [21].

Un altro aspetto essenziale daassegnare nelle analisi strutturali èla maniera di modellazione dellenon linearità di geometria. Tra i varie successivi gradi di modellazione,si devono considerare senz’altro glispostamenti che la struttura subi-sce, che non possono essere con-siderati piccoli. Per considerare ifenomeni d’instabilità che possonogenerarsi è, infatti, necessario scri-vere le equazioni di equilibrio te-nendo conto dell’influenza deglispostamenti: la scrittura delleequazioni di equilibrio deve esserefatta perciò necessariamente nellaconfigura zione deformata. Inoltre,in considerazione delle deformazio-ni che sono sviluppate dagli ele-menti strutturali durante lo sviluppodell’incendio, le deformazioni do-vrebbero essere considerate gran-di: nella Tabella 2, ad esempio, vanotato come la deformazione ulti-ma arriva al 20%.

Un ulteriore aspetto relativo allanon linearità di geometria che lamodellazione deve cogliere è il co-siddetto bowing effect: questo ef-fetto rappresenta l’avvicinamentoche i due estremi di un’asta subi-scono per effetto del momento flet-tente. Il bowing effect influenzaparticolarmente la risposta dellastruttura quando il comportamentoflessionale provoca grandi rotazio-ni, [22].

Nel caso in esame, per la model-lazione degli elementi strutturali,travi e colonne, attraverso il codicedi calcolo ADINA, sono stati utiliz-zati elementi isoparametrici (isobe-am) [23], definendo caratteristichegeometriche equivalenti a quelle disezioni IPE400 per le travi e quelle


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Figura 12 - Combinazione di carico

Figura 13 - Applicazione dei carichi agenti sulla struttura nel tempoFigura 15 - Risposta strutturale per le configurazioni danneggiate indagate, infunzione del tempo di applicazione dei carichi

Figura 14 - Risposta strutturale per le configurazioni danneggiate indagate, infunzione del tempo di applicazione dei carichi; per confronto, è riportata laconfigurazione nominale, in assenza di incendio

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mente la resistenza della struttura. Nel casoin questione ad esempio, avendo focalizzatogli elementi critici, si può pensare di aumen-tarne la sezione.

Nella Figura 9, a pag. 33, si nota l’incre-mento della capacità resistente passando,per elementi coinvolti dall’incendio, dalla se-zione IPE400 alla IPE450 per la trave, e dal-la HEA300 alla HEA320 per le due colonne.

Considerazioniconclusive

Il problema della sicu-rezza delle costruzionisoggette ad azioni acci-dentali quale, nello specifi-co l’incendio, è oggi un te-ma di grande interesse.Anche se la probabilità diaccadimento di tali eventiestremi può essere allevolte estremamente ridot-ta, le conseguenze posso-no essere talmente gravida avere indotto le norma-tive correnti ad imporre,oltre alle verifiche in termi-ni di resistenza e di defor-mabilità, anche delle verifi-che specifiche in termini dirobustezza strutturale.

Il requisito di robustezzaquindi, coerentemente adun comportamento strut-turale opportunamenteprogettato, rappresenta si-curamente la base per letecniche di protezionepassiva che possono es-sere impiegate per garan-tire la sicurezza di unastruttura all’incendio.

Dall’esempio riportatonel presente articolo, si èvisto come lo svolgimentodi analisi non lineari su

configurazioni diversamente danneggiatedall’incendio, permette l’individuazione degliscenari critici e la localizzazione degli even-tuali interventi strutturali per migliorare ilcomportamento globale della struttura sog-getta a incendio.

È quindi possibile capire il comportamentodi una struttura soggetta a fuoco e interveni-re nei suoi punti critici aumentandone la ro-bustezza.


Dai risultati delle analisi si può notare che,rispetto al moltiplicatore della configura zio-ne nominale, si hanno considerevoli diminu-zioni, essendo in particolare il moltiplicatoreminimo pari a 17.8 contro il 32.1 della confi-gura zione nominale. Va posto l’accento co-me in base a questi valori numerici il proget-tista è in grado di giudicare la robustezzadella struttura.

Come successivo risultato, da queste ana-lisi è possibile individuare lo scenario più cri-tico e quindi i relativi elementi strutturali che,se danneggiati, comportano la riduzionemaggiore di capacità portante: nel presentecaso, appare evidente che gli elementi criticisono quelli coinvolti dallo scenario B.

Il progettista ha quindi indicazioni di dovepoter intervenire per aumentare eventual-


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Figura 16 - Deformate a t=3000 s e a t = τf

Figura 18 - Configurazione strutturale irrobustita con incrementi delle sezioni

Figura 19 - Risposta strutturale per le varie configurazioni indagate, oltre a quella irrobustitaFigura 17 - Decrementi dei moltiplicatori di carico orizzontale

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Va infine rilevato come la sicurezza struttu-rale debba considerare il quadro più ampiodella Fire Safety Engineering, come ricorda-to all’inizio del presente articolo. Questo è,infatti, l’ambito sistemico in cui ricondursi alfine di ottenere una sicurezza strutturale chesia sostanziale.

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano sinceramente per il continuosupporto e gli importanti spunti di riflessione i col-leghi Ingg. Gioacchino Giomi, Mauro Caciolai,Claudio De Angelis, Stefano Marsella, del CorpoNazionale dei Vigili del Fuoco.

Bibliografia1 The SFPE Handbook of Fire Protection Engi-neering. Third Edition, NFPA (2002).2 ISO 13387 Fire safety engineering – Part 1: “Theapplication of fire performance concepts to de-sign objectives”.3 FDS, http://fire.nist.gov/fds/4 CFAST, http://fast.nist.gov/5 A. H. Buchanan:“Structural Design for FireSafety”. John Wiley & Sons (2001).6 F. Bontempi, L. Giuliani, K. Gkoumas: “Han-dling the exceptions: dependability of systemsand structural robustness” (invited lecture), 3rd in-ternational conference on structural engineering,mechanics and computation (SEMC 2007), CapeTown, South Africa, 10-12 September 2007.7 D.M. 14/09/2005 e D.M. 14/01/08, Norme Tec-niche per le Costruzioni (Ministero delle Infrastrut-ture e dei Trasporti). 8 F. Bontempi, S. Arangio, L. Sgambi, “Tecnicadelle costruzioni. Basi della progettazione. Strut-ture intelaiate in acciaio”, Carocci (2008).9 F. Bontempi, “Robustezza strutturale”, Atti delConvegno CRASC’06, Università degli Studi diMessina, Messina, 20-22 Aprile 2006.10 L.Giuliani, M. Wolff: “Strategie per il conse-guimento della robustezza strutturale: connessio-ne e compartimentazione”, 3rd national congresson collapse and reliability of civil structures (CRA-SC’06), “Università degli Studi di Messina”, Mes-sina, Italy, 20-22 April 200611 U.Starossek: “Typology of progressive collap-se”, Engineering Structures, Vol. 29, No. 9, pp.2302-2307, September 200712 Ming Wei Bong, “Structural Fire Performanceof Steel Portal Frame Buildings”. Tesi di Master inIngegneria del Fuoco. Dipartimento di IngegneriaCivile, Università di Canterbury. Relatore Prof.A.H.Buchanan, Prof. P.J.Moss, Dr. R.Dhakal.13 A.J.O’Meagher, I.D.Bennets, , P.H. Daya-

wansa, I.R. Thomas, “Design of Single Storey In-dustrial Buildings for Fire Resistance”, Journal ofthe Australian Institute of Steel Construction, Vol.26, No. 2, pp. 2-17, Maggio, 199214 C. Gkoumas, C. Crosti, F. Bontempi, “Riskanalysis and modelling techniques for structuralfire safety”, Proceedings CST2008 & ECT2008Conferences, Atene 2-5 Settembre 2008. 15 Eurocodice 3. Design of steel structures, Part1.2: General rules. Structural fire design. 2002.16 Corradi dell’Acqua L., “Instabilità delle strut-ture”, Edizione CLUP 1978.17 Bontempi F., Crosti C., Petrini F., Giuliani L.:“La progettazione prestazionale di strutture in ac-ciaio in presenza di incendio”. XXI Congresso Ca-tania, Costruire con l’Acciaio. Catania 1-3 Ottobre2007.18 www.francobontempi.org19 www.ansys.com20 www.adina.com21 www.neinastran.com22 F. Bontempi, C. Crosti, F. Petrini, L. Giulia-ni:“La valutazione quantitativa delle capacità pre-stazionali di strutture in acciaio in presenza di in-cendio”. XXI Congresso Catania, Costruire conl’Acciaio. Catania 1-3 Ottobre 2007.23 K.J. Bathe, “Finite Element Procedures”,Prentice Hall 1996.


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Per approfondire l’argomento trattato in questo articolo si può consultare anche:

Antincendio - Maggio 2008Costruzioni in acciaio secondo l’approccio ingegneristico di progetto F. Bontempi, C. Crosti

Antincendio - Febbraio 2007Realizzazione e gestione efficace dei compartimenti antincendio L. Ponticelli

Antincendio - Agosto 2004Protezioni passive: così si difende l’edificio dal rischio di incendi M. MarchiniGli articoli citati e le intere annate di Antincendio, dal 1994 al 2007,sono consultabili su www.insic.itil portale per gli specialisti della sicurezza, nella sezione LETTERATURA

antincendiolliinnkk

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http://www.controllogic.it