Si allega, come esempio, il capitolo 1

1 Sicurezza strutturale in caso di incendio
e metodi di calcolo
1.1 Definizione della sicurezza strutturale in caso di incendio
Nell’ambito dell’ingegneria civile, la sicurezza in caso di incendio di una costruzione è
stata oggetto di una chiara definizione con la Direttiva del 21 Dicembre 1988 del Consiglio
della Comunità Economica Europea (Construction Product Directive 89/106/CEE, 1988).
In questo Capitolo, nel trattare i criteri generali per la sicurezza strutturale in caso di incendio di una costruzione, viene fatto esplicito riferimento a questa definizione. In particolare tutti i criteri di valutazione esposti in questo volume, tratti dalle norme vigenti, sono
presentati con esplicito riferimento ad essa.
La Direttiva 89/106/CEE ha stabilito i requisiti essenziali, relativi alla sicurezza, che
devono soddisfare le opere da costruzione. Questi, che hanno costituito la base per l’elaborazione di norme armonizzate a livello europeo per le opere ed i prodotti da costruzione,
sono:
– resistenza meccanica e stabilità;
– sicurezza in caso di incendio;
– igiene, salute e ambiente;
– sicurezza dell’uso;
– protezione contro il rumore;
– energia, economia e rilascio di calore.
Sempre nell’ambito della stessa Direttiva, i requisiti essenziali sono stati definiti in
termini di obiettivi. Questi, per la sicurezza in caso di incendio, sono stabiliti attraverso la
seguente definizione (vedi figura 1.1): “le costruzioni devono essere progettate e costruite
in modo tale che, nel caso di sviluppo di un incendio:
– la capacità portante delle strutture sia garantita per un determinato periodo di
tempo;
– la produzione e la propagazione di fiamme e di fumi all’interno delle costruzioni
sia limitata;
– la propagazione dell’incendio alle costruzioni vicine sia limitata;
– gli occupanti possano abbandonare la costruzione o essere messi in salvo;
– la sicurezza delle squadre di soccorso sia presa in considerazione”.
Al fine di dare forma concreta, a livello tecnico, ad ognuno dei suddetti requisiti essenziali delle opere da costruzione, sono stati emanati appositi documenti, detti documenti interpretativi. Questi sono stati definiti con il principale obiettivo di stabilire il necessario
collegamento tra i requisiti essenziali definiti dalla Direttiva e le norme armonizzate a livello europeo in materia di opere e prodotti da costruzione.
Il Documento Interpretativo n. 2 (Interpretative Document No. 2: Safety in case of fire,
1993) è dedicato alla trattazione del requisito essenziale “sicurezza in caso di incendio”. Di
Bozza 30 novembre 2009
2
CAPITOLO 1
seguito sono richiamati principalmente quegli aspetti contenuti nel documento che hanno
influenza sui criteri di valutazione della capacità portante di una costruzione in condizioni
di incendio, ossia sulla sua sicurezza strutturale in caso di incendio.
Vista l’articolazione degli obiettivi che definiscono la sicurezza in caso di incendio,
quando essa viene adottata nel caso specifico di un edificio, diventa in generale necessario
intervenire su molteplici aspetti della progettazione, quali il layout dell’edificio, la prestazione delle strutture portanti, dei singoli prodotti da costruzione utilizzati e degli impianti
adottati, che devono essere valutati nelle condizioni di incendio. Ciò presuppone di individuare una strategia di sicurezza in caso di incendio che, in forma generale, nel Documento
Interpretativo è tracciata attraverso i seguenti passi:
– ridurre al minimo la probabilità di un evento di incendio (prevenzione incendi);
– valutare la sicurezza degli occupanti e stabilire se essa debba essere migliorata mediante l’adozione di sistemi di rilevazione, di allarme e di controllo dell’incendio
(sistema di protezione attiva);
– individuare un sufficiente livello di compartimentazione al fine di impedire la crescita eccessiva dell’incendio all’interno dell’edificio;
– prevenire la propagazione dell’incendio tra edifici contigui;
– individuare le condizioni affinché sia possibile l’intervento delle squadre di soccorso.
È chiaro come un’adeguata prestazione di stabilità delle strutture portanti principali
nelle condizioni di incendio, ossia un determinato livello di sicurezza strutturale in caso di
incendio, costituisca un prerequisito necessario per diversi punti di questa strategia.
Al fine di condurre in maniera efficace la suddetta strategia, il Documento Interpretativo n. 2 introduce in maniera esplicita l’approccio ingegneristico nel campo della sicurezza
in caso di incendio, che è mirato sia alla valutazione degli obiettivi di sicurezza necessari,
sia al progetto e alla verifica delle prestazioni di sicurezza adottate. La condizione di base
che viene posta per la sua applicazione è che le caratteristiche dei prodotti da costruzione e
le procedure di verifica adottate siano validate su basi concordate e armonizzate
nell’ambito dei Paesi membri della Comunità Europea.
Al fine di raggiungere gli obiettivi generali della sicurezza in caso di incendio, il documento richiama le principali funzioni legate alla stabilità della struttura principale di
un’opera da costruzione. Essa è necessaria per:
– permettere la sicurezza degli occupanti durante il tempo nel quale essi rimangono
dentro l’edificio;
– garantire la sicurezza delle squadre di soccorso;
– evitare crolli che possono causare pericolo per le persone;
– consentire che i prodotti da costruzione utilizzati per la sicurezza in caso di incendio
possano svolgere la loro funzione per tutto il tempo necessario.
Pertanto, quando la valutazione della sicurezza strutturale di una costruzione in condizioni di incendio è condotta mediante l’approccio ingegneristico, deve essere sempre riferita al mantenimento delle suddette funzioni.
1.2 Inquadramento normativo: le procedure per la valutazione
della sicurezza in caso di incendio
Come già ricordato, l’applicazione dell’approccio ingegneristico introdotto nel Documento
Interpretativo n. 2 per la valutazione della sicurezza in caso di incendio richiede che la va-
Bozza 30 novembre 2009
SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
3
lutazione delle caratteristiche dei prodotti da costruzione e la definizione dei criteri di calcolo sia condotta su basi concordate e armonizzate nell’ambito dei Paesi membri della
Comunità Europea.
A questo scopo, a partire dagli inizi degli anni ottanta, sono state finanziate numerose
attività di ricerca con l’obiettivo di mettere a punto un quadro normativo concordato e armonizzato nell’ambito della Comunità Europea.
Il risultato di queste attività è il quadro normativo attuale, già vigente in diversi Paesi
europei e in fase di introduzione negli altri. In esso troviamo gli strumenti per individuare
le misure tecniche necessarie perché una costruzione sia conforme al requisito di sicurezza
in caso di incendio e le regole per individuare se le caratteristiche dei prodotti da costruzione impiegati siano tali da garantire le prestazioni richieste in condizioni di incendio.
La capacità portante delle strutture sia garantita
per un determinato periodo di tempo
La produzione e la propagazione di fiamme e di
fumi all’interno delle costruzioni
sia limitata
La propagazione dell’incendio alle
costruzioni vicine sia limitata
Gli occupanti possano abbandonare
la costruzione o essere messi in salvo
La sicurezza delle squadre di soccorso
sia presa in considerazione
Figura 1.1 Gli obiettivi della sicurezza in caso di incendio secondo la Direttiva 89/106/CEE.
Bozza 30 novembre 2009
4
CAPITOLO 1
Per la valutazione della sicurezza strutturale in caso di incendio di un’opera o di un
prodotto da costruzione (in termini più comuni della resistenza al fuoco della struttura portante di una costruzione o di suoi elementi), in questo quadro normativo sono previste esclusivamente le seguenti procedure:
– prove sperimentali condotte secondo regolamenti armonizzati o linee guida fornite
dall’Organizzazione Europea per l’Approvazione Tecnica (EOTA);
– metodi di calcolo e progettuali di tipo armonizzato, definite nell’ambito del CEN
(Comitato Europeo di Normazione);
– una combinazione dei due precedenti metodi.
Per quanto riguarda il primo gruppo di procedure, per le diverse categorie di prodotti da
costruzione sono state definite apposite metodologie di prova sperimentale, comprendenti
anche i criteri valutativi dei risultati, mediante le quali è possibile ottenere il benestare tecnico europeo (ETA), ossia una valutazione tecnica positiva di idoneità per l’impiego previsto. Riferendosi ai prodotti da costruzione che vengono utilizzati per il contributo che forniscono alla resistenza al fuoco delle strutture di acciaio, è importante segnalare il caso dei
sistemi protettivi, per i quali l’introduzione dei regolamenti di tipo armonizzato, in particolare la ENV 13381-4 (2002), ha radicalmente cambiato i criteri di valutazione vigenti in
ambito nazionale ed i conseguenti dimensionamenti, come si vedrà più in dettaglio nel
successivo capitolo 3.
Per quanto riguarda il secondo gruppo di procedure, sono state pubblicate una serie di
norme EN, i cosiddetti Eurocodici strutturali, dove sono raccolti metodi di calcolo e regole
per la progettazione strutturale concordati e armonizzati tra i Paesi membri della Comunità
Europea. In Italia, il recepimento degli Eurocodici strutturali, denominati “EN” (EuroNorma), da parte dell’UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione) ne determina la conversione in “UNI EN”.
Come negli altri Paesi membri, la definizione di questo quadro normativo armonizzato
ha trovato recentemente una diretta corrispondenza nell’evoluzione delle norme nazionali
vigenti:
– gli obiettivi e la strategia di progettazione per la definizione della sicurezza strutturale in caso di incendio introdotti dalla Direttiva 89/106/CEE sono stati condivisi
con la pubblicazione del Decreto del Ministero dell’Interno del 9 marzo 2007;
– essi sono stati confermati nelle Norme Tecniche per le Costruzioni, attraverso i due
Decreti del Ministero delle Infrastrutture del 14 settembre 2005 e del 14 gennaio
2008, dove, tra l’altro, l’azione incendio è inserita esplicitamente tra le azioni di tipo eccezionale agenti sulle strutture;
– per la determinazione della resistenza al fuoco dei prodotti da costruzione, con la
pubblicazione del Decreto del Ministero dell’Interno del 16 febbraio 2007, sono riconosciuti sia i metodi di calcolo definiti negli Eurocodici, sia le procedure di valutazione sperimentale di tipo armonizzato valide per le diverse categorie di prodotti
da costruzione, tra cui i rivestimenti protettivi impiegati per le strutture di acciaio;
– infine, la procedura di applicazione dell’approccio ingegneristico è stata precisata,
in senso generale ma comprendente anche la valutazione della sicurezza strutturale,
mediante le disposizioni del Decreto del Ministero dell’Interno del 9 maggio 2007.
L’ultimo passo di questo percorso, non ancora completato in ambito nazionale, è rappresentato dalla pubblicazione delle Appendici Nazionali, che devono accompagnare in
ogni Paese membro i singoli documenti EN degli Eurocodici.
Bozza 30 novembre 2009
SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
5
Tabella 1.1 Normativa di riferimento per la progettazione in caso di incendio di strutture di acciaio e composte acciaio-calcestruzzo.
Riferimenti
Data
Titolo
Ministero dell’Interno
Decreto 9 marzo 2007
09/03/2007
Prestazioni di resistenza al fuoco delle costruzioni nelle attività
soggette al controllo del Corpo nazionale dei Vigili del Fuoco
Ministero dell’Interno
Decreto 16 febbraio 2007
16/02/2007
Classificazione di resistenza al fuoco di prodotti ed elementi
costruttivi di opere da costruzione
Ministero dell’Interno
Decreto 9 maggio 2007
09/05/2007
Direttive per l’attuazione dell’approccio ingegneristico alla sicurezza antincendio
Ministero Infrastrutture
DM 14 gennaio 2008
14/01/2008
Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni
Circolare NTC2008 n. 617
2 Febbraio 2009
02/02/2009
Istruzioni per l’applicazione delle «Nuove Norme Tecniche per
le Costruzioni» di cui al decreto 14 gennaio 2008
EN 1990
01/05/2004
Eurocodice – Criteri generali di progettazione strutturale
EN 1991-1-2
01/10/2004
Eurocodice 1 – Azioni sulle strutture – Parte 1-2: Azioni sulle
strutture esposte al fuoco
EN 1993-1-2
01/07/2005
Eurocodice 3 – Progettazione delle strutture di acciaio – Parte 12: Regole generali – Progettazione strutturale contro l’incendio
EN 1994-1-2
27/10/2005
Eurocodice 4 – Progettazione delle strutture composte acciaiocalcestruzzo – Parte 1-2: Regole generali – Progettazione strutturale contro l’incendio
EN 13501-2
01/04/2005
Classificazione al fuoco dei prodotti e elementi da costruzione –
Parte 2: Classificazione in base ai risultati delle prove di resistenza al fuoco, esclusi i sistemi di ventilazione
prCEN/TS 13381-1
01/07/2005
Metodi di prova per la determinazione del contributo alla resistenza al fuoco di elementi strutturali – Membrane protettive
orizzontali
ENV 13381-2
01/11/2002
Metodi di prova per la determinazione del contributo alla resistenza al fuoco di elementi strutturali – Membrane protettive
verticali
ENV 13381-3
01/11/2002
Metodi di prova per la determinazione del contributo alla resistenza al fuoco di elementi strutturali – Protezione applicata ad
elementi di calcestruzzo
ENV 13381-4
01/11/2002
Metodi di prova per la determinazione del contributo alla resistenza al fuoco di elementi strutturali – Protezione applicata ad
elementi di cacciaio
ENV 13381-5
01/11/2002
Metodi di prova per la determinazione del contributo alla resistenza al fuoco di elementi strutturali – Protezione applicata ad
elementi compositi di calcestruzzo/lastre profilate di acciaio
ENV 13381-6
01/11/2002
Metodi di prova per la determinazione del contributo alla resistenza al fuoco di elementi strutturali – Protezione applicata a
colonne cave di acciaio riempite con calcestruzzo
Ministero dell’Interno
Decreto 16 febbraio 2007
16/02/2007
Classificazione di resistenza al fuoco di prodotti ed elementi
costruttivi di opere da costruzione
Bozza 30 novembre 2009
6
CAPITOLO 1
Questi documenti servono a definire alcuni parametri che possono essere scelti a livello
nazionale (NDP, acronimo anglosassone di “Nationally Determined Parameters”). Comunque, a questo proposito, è da ricordare che il D.M. 16/02/07 consente l’applicazione di
quasi tutti gli EN (con esclusione solo di EN 1991-1-2 relativo alle azioni sulle costruzioni), anche prima della pubblicazione dei relativi NDP, purché per tali valori si faccia riferimento ai valori consigliati negli Eurocodici.
Riepilogando, nella tabella 1.1 sono riportate le principali disposizioni normative oggi
in vigore per la definizione del requisito di sicurezza in caso di incendio della struttura portante di una costruzione e per la valutazione della resistenza al fuoco degli elementi strutturali realizzati in acciaio o in struttura composta acciaio-calcestruzzo.
1.3 Approcci per la progettazione strutturale: prescrittivo e
prestazionale (o ingegneristico)
Come già ricordato, il Documento Interpretativo n. 2 introduce in maniera esplicita l’approccio ingegneristico nel campo della sicurezza in caso di incendio, che è mirato sia
all’individuazione del livello di prestazione richiesta alle strutture portanti in caso di incendio, sia alla determinazione delle prestazioni di prodotti ed elementi di strutture portanti
in caso di incendio. A questo scopo il documento riporta importanti concetti e definizioni
che sono richiamati nel presente paragrafo.
La prestazione di un’opera o di un prodotto da costruzione è relativa ad una specifica
azione. Per azione si intende un’azione meccanica (ad esempio i carichi applicati, le forze
risultanti dalle espansioni termiche impedite, gli urti), un’azione termica, un’azione determinata dalle condizioni ambientali o da una combinazione di queste.
Tra le azioni termiche, per i differenti effetti che hanno sugli elementi della struttura
portante, sono distinti i seguenti livelli di esposizione:
– piccola sorgente di ignizione (tipo fiammifero);
– singoli elementi di combustione (combustione di un arredo, di singoli materiali
stoccati in un edificio industriale);
– incendi pienamente sviluppati.
In presenza di azioni termiche, la valutazione della resistenza al fuoco delle strutture
può essere condotta secondo le seguenti possibilità:
– analisi di scenari di incendio convenzionali (ad esempio esposizione alla curva di
incendio standard temperatura-tempo);
– analisi di scenari di incendio naturali.
Queste due possibilità danno luogo a due differenti approcci per la valutazione della sicurezza strutturale in caso di incendio, un approccio prescrittivo ed un approccio prestazionale, che di seguito vengono presentati.
1.3.1
Approccio prescrittivo
Per alcune attività svolte negli edifici i regolamenti nazionali stabiliscono un periodo minimo di stabilità delle strutture portanti, espresso in termini di tempo di resistenza all’azione di un incendio convenzionale. Con questo tipo di approccio, detto approccio prescrittivo, è la norma vigente che stabilisce le condizioni sufficienti per il raggiungimento del requisito di sicurezza in caso di incendio (ovviamente nei limiti attribuibili al ruolo svolto
dalle strutture portanti).
Bozza 30 novembre 2009
SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Figura 1.2 Esempio di incendio localizzato, dovuto alla combustione di materiali
stoccati in un edificio industriale.
Figura 1.3 Esempio di incendio pienamente sviluppato, dovuto alla combustione di materiali
presenti dentro un edificio adibito ad ufficio.
Bozza 30 novembre 2009
7
8
CAPITOLO 1
Figura 1.4 Comparazione tra la curva di incendio standard ISO 834 e 50 curve di incendio misurate durante test di laboratorio (carichi di incendio variabili tra 10 e 45 kg legna/m2)
[Tratto da DIFISEK+, “DIssemination of FIre Safety Engineering Knowledge +”, 2008].
Per la definizione degli scenari di incendio convenzionali, a livello internazionale è stato concordato di utilizzare la curva standard temperatura-tempo, introdotta da ISO 834
parte 1 (ISO 834-1, 1999), come modello per un incendio pienamente sviluppato:
θ = θ 0 + 345 ⋅ log10 (8 ⋅ t + 1)
(1.1)
Per i casi in cui la severità dell’azione termica di un incendio può essere più elevata o
inferiore rispetto ai livelli definiti dalla curva di incendio standard, sono state definite altre
due curve temperatura-tempo di tipo armonizzato, rispettivamente la curva da idrocarburi
e la smouldering curve:
θ = 1080 ⋅ (1 − 0,325 ⋅ e −0,167⋅t − 0, 675 ⋅ e −2,5⋅t ) + θ 0
⎧⎪
θ = 154 ⋅ t 0,25 + 20
⎨
⎪⎩θ = 345 ⋅ log10 [8 ⋅ (t − 20) + 1] + 20
per 0 < t ≤ 21min
per t > 21min
(1.2)
(1.3)
in cui t è il tempo a partire dall’inizio dell’incendio [min], θ è la temperatura dei gas [°C]
e θ 0 è la temperatura iniziale dei gas [°C].
Questa seconda curva viene utilizzata in quelle circostanze in cui la prestazione dei
prodotti può essere ridotta nel caso di un’esposizione all’incendio di livello inferiore rispetto a quella della curva di incendio standard (come ad esempio nella valutazione del
comportamento di alcuni rivestimenti protettivi, quali le vernici intumescenti).
Come si vedrà più in dettaglio nel capitolo 3, nell’ambito delle norme emanate successivamente al Documento Interpretativo n. 2, è stata definita anche un’altra curva di incendio temperatura-tempo di tipo armonizzato, la curva degli incendi esterni:
Bozza 30 novembre 2009
SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
θ = 660 ⋅ (1 − 0, 687 ⋅ e−0,32⋅t − 0,313 ⋅ e−3,8⋅t ) + θ 0
9
(1.4)
Ovviamente, quando si applica un approccio prescrittivo, l’analisi strutturale sarà rivolta a garantire la stabilità almeno per il tempo di esposizione all’incendio stabilito dalla
norma di riferimento.
I prossimi capitoli trattano con particolare attenzione questo argomento. Si potrà notare
come, se l’approccio seguito è quello prescrittivo, le normative di riferimento consentono
opportune semplificazioni nella schematizzazione strutturale, al fine di rendere più veloce
la valutazione della resistenza al fuoco delle strutture portanti. In particolare, l’approccio
correntemente assunto, ad esempio in EN 1991-1-2 (2002) o in D.M. 09/03/07 sulla base
dei principi definiti nel Documento Interpretativo n. 2, è che una determinata resistenza al
fuoco di una struttura sia soddisfatta se è dimostrato che la resistenza al fuoco dei suoi elementi non sia inferiore e se essa non venga ridotta dal comportamento dei collegamenti.
Tuttavia è da ricordare come le deformazioni e le dilatazioni causate dall’incremento di
temperatura, ma contrastate dai vincoli o dalla iperstaticità strutturale, possono giocare un
ruolo importante per la stabilità della struttura in condizioni di incendio. Trascurare la loro
presenza non sempre risulta a favore di sicurezza. In pratica ciò è consentito laddove, attraverso l’adozione di una classe di resistenza al fuoco stabilita nell’ambito di un approccio
prescrittivo, viene messa in conto un’azione termica sensibilmente maggiore rispetto a
quella che nella realtà può verificarsi. Nei casi in cui ciò non avviene, come ad esempio
può succedere quando l’azione termica è definita mediante l’analisi di incendi naturali,
l’analisi strutturale non può trascurare questi effetti. Essa quindi, come vedremo nel seguito, non può essere condotta nelle ipotesi semplificative valide per l’approccio prescrittivo.
Nella tabella 1.2 sono riportati i risultati di un’analisi condotta nell’ambito di un progetto di ricerca europeo (CEC Agreement 7210, 1999) e aggiornati nel 2006 nell’ambito
dei lavori della Commissione per la sicurezza delle costruzioni in acciaio in caso di incendio (1), che ha messo a confronto diverse tipologie di edifici ed i valori prescrittivi della resistenza al fuoco richiesti per le strutture portanti dalle norme vigenti nei diversi Paesi della Comunità Europea.
1.3.2
Approccio prestazionale o ingegneristico
I concetti e le definizioni stabiliti con la direttiva 89/106/CEE consentono la concreta applicazione di un approccio per la valutazione della sicurezza in caso di incendio alternativo
a quello prescrittivo, che, fino ad oggi, si è sviluppato soprattutto nell’ambito dell’ingegneria strutturale. Infatti, i principi delineati nel Documento Interpretativo n. 2 per la definizione dell’approccio ingegneristico consentono di verificare se le prestazioni della struttura portante di una costruzione siano compatibili o meno con gli obiettivi che determinano
(1)
La Commissione Tecnica istituita nel 2006 dalla Fondazione Promozione Acciaio per la “Sicurezza delle
strutture in acciaio in caso di incendio” è composta da rappresentanti nazionali nel campo della ricerca
europea sulla sicurezza strutturale in caso di incendio, da docenti universitari e da esponenti del Ministero degli Interni e ha l’obiettivo di costituire un tavolo tecnico per la valutazione della ricerca nazionale
ed europea sulla tematica incendio e di fornire strumenti tecnici per l’aggiornamento dei professionisti e
dei Vigili del Fuoco (monografie, corsi di aggiornamento, organizzazione di convegni tecnicoscientifici).
Bozza 30 novembre 2009
10
CAPITOLO 1
il raggiungimento del requisito di sicurezza in caso di incendio. Questo tipo di approccio è
detto approccio prestazionale o ingegneristico.
Tabella 1.2 Confronto tra i requisiti di resistenza al fuoco richiesti per le strutture portanti dalle norme di alcuni paesi europei.
Tipo di
edificio
Centri
commerciali
n
1
Locali di
pubblico
spettacolo
2
Scuole
4
Piccoli edifici
per uffici
Alberghi
Ospedali
Medi edifici
per uffici
4
6
8
11
h
0
5
12
10
16
24.5
33
H
4
9
16
13
20
28
37
X
500
1000
300
50
60
60
50
L
80
60
60
50
50
70
50
b
80
30
20
30
30
30
30
X(*)
S
B
CH
D
F
si
0
0
0
0 / 30
no
(1)
(1) (10)
(1)
30
4
I
60/90
(7)
90/120
(7)
L
NL
FIN
E
30
0
0
90
(3)
0
60
90
UK
0
(8)
0
(8)
si
0
0
(2)
60
-
30
0
60(4)
90
30
no
0
30
90
60
60
30
0
60(5)
90
60
si
60(6)
no
60(6)
si
60(6)
no
60(6)
si
60(6)
no
60(6)
60
si
120
no
120
4
4
2
2
2
2
0-30
(2)
60
-
90
60
60(4)
60
60
90
60
60
90
60
60(5)
60
60
(2)
60
-
90
60
60(4)
60
30
90
60
60
90
60
60(5)
60
60
(2)
60
(11)
90
60
60(4)
90
60
90
60
60
90
60
60(5)
90
60
60
(2)
60
(12)
90/120
120
60(4)
120
90
90
90
60
120
120
120
60(5)
120
90
120
(10)
60
0-30
(10)
(1) (10)
30-60
(10)
60-90
si
120
(2)
120
-
90
60
120(4)
120
no
120
90
90
120
90
120
90
120(5)
120
(3)
si
120
90
90
120
-
120
90
120(4)
120
120
no
120
90 (10)
(3)
120
120
(3)
90
120(5)
120
(3)
(10)
Grandi edifici
per uffici
31
Parcheggi
chiusi
2
-
-6
-
-
-
-
-
120
60
90
30-90
90
90
?
60
120
120
Parcheggi
aperti
8
-
22
-
-
-
-
-
60
-
0
30-90
90
90
60
60
120
15
90
93
100
50
50
2
n = numero dei piani (incluso piano terra)
h = altezza dell’ultimo piano calpestabile
H = altezza del tetto
L = larghezza del compartimento
B = lunghezza del compartimento
X = numero di persone per ogni piano
X(*) = numero di uscite
S = sprinkler
NOTE
(1) dimensioni del compartimento troppo grandi
(2) nessun regolamento adottato
(3) non permesso
(4) q > 600 MJ/m2 piano
(5) q < 600 MJ/m2 piano
(6) nuovi edifici + estensioni o ristrutturazioni edifici esistenti
(7) periodi normalmente richiesti dalle autorità locali
(non c’è ancora norma nazionale)
Bozza 30 novembre 2009
SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
11
Ricordiamo le funzioni affidate alla stabilità di una costruzione dal Documento Interpretativo n. 2., verso cui deve essere indirizzata l’analisi strutturale nella condizione di incendio. Essa è necessaria per:
– consentire la sicurezza degli occupanti durante il tempo nel quale essi rimangono
dentro l’edificio;
– garantire la sicurezza delle squadre di soccorso;
– evitare crolli che possono causare pericolo per le persone;
– permettere che i prodotti da costruzione utilizzati per la sicurezza in caso di incendio possano svolgere la loro funzione per tutto il tempo necessario.
È chiaro che casi specifici di edifici e di attività in essi svolte possano richiedere un
aumento delle prestazioni della struttura portante in caso di incendio, rispetto a queste ora
richiamate. Ad esempio, specifiche prestazioni mirate alla difesa del patrimonio edilizio,
che non sono prese in considerazione dalla Direttiva 89/106/CEE, possono essere fissate
dai proprietari degli immobili.
Il primo passo dell’applicazione di un approccio prestazionale è la valutazione dell’azione termica, che avviene mediante l’analisi di scenari di incendio naturali che descrivono qualitativamente l’evoluzione di un incendio ed individuano gli eventi chiave che lo caratterizzano e che lo differenziano dagli altri incendi. In pratica devono essere selezionati,
tra quelli prevedibili, i più pericolosi scenari di incendio ai fini della stabilità strutturale.
Successivamente, per ognuno degli scenari di incendio definiti, sono necessari, in generale,
i seguenti punti:
– valutazione del tipo e della quantità di combustibili presenti, con il relativo tasso di
combustione;
– determinazione dei quantitativi di aria disponibile durante la combustione (in funzione degli scambi con l’esterno);
– individuazione della geometria dell’ambiente confinato, definita dal compartimento;
– definizione delle proprietà termiche della frontiera del compartimento, come pavimenti, pareti e soffitti.
Inoltre, a seconda della particolare strategia antincendio adottata, la valutazione può includere anche:
– l’influenza degli impianti di spegnimento dell’incendio (ad esempio gli sprinkler);
– l’intervento delle squadre di soccorso.
Il passo successivo di questo approccio è l’analisi strutturale. Essa deve mirare a valutare le condizioni di stabilità delle strutture portanti dell’edificio in presenza delle azioni
termiche individuate per ognuno degli scenari di incendio analizzati e degli altri carichi
agenti.
Nella figura 1.5 è presentato uno schema generale, definito nell’ambito della ricerca europea (CEC Agreement 7210, 1999), di applicazione dell’approccio prestazionale per la
valutazione della sicurezza strutturale in condizioni di incendio.
Come precisato meglio nei successivi capitoli, per questo tipo di approccio le norme di
riferimento (EN 1991-1-2(2002), D.M. 09/03/07) in generale non consentono schematizzazioni strutturali approssimate. In particolare è necessaria una valutazione del comportamento della struttura nel suo complesso o almeno di una sottostruttura significativa, capace
di tenere in considerazione le interazioni tra i singoli elementi che vengono a determinarsi
a causa delle deformazioni e delle dilatazioni causate dall’incremento di temperatura e parzialmente contrastate dall’iperstaticità strutturale.
Bozza 30 novembre 2009
12
CAPITOLO 1
CARATTERISTICHE
DELL’INCENDIO
CARICHI STATICI
Peso Proprio
Permanenti
Accidentali
Vento
Neve
Caratteristiche Termiche Pareti
Combinazione dei Carichi
In Caso di Incendio
Curva di Incendio
Naturale
Carico di Incendio
MISURE ATTIVE
ANALISI PROBABILISTICA
Tempo di Evacuazione
Protezione Attiva
Condizioni di Ventilazione
Geometria del Compartimento
OBIETTIVI DELLA
SICUREZZA
Sicurezza dei Soccorsi
Rischio di Attivazione
di Incendio
Conseguenze
di un Collasso Strutturale
Curva di Incendio
Naturale di Progetto
Analisi Globale
della Struttura
t
nat
fi,d
≥
t
fi,rich
Figura 1.5 Schema generale di approccio prestazionale per la valutazione della sicurezza strutturale in condizioni di incendio (da CEC Agreement 7210, 1999).
Quindi non è in generale consentita una trattazione per singoli elementi, come avviene
nell’applicazione dell’approccio prescrittivo. Questa condizione determina la necessità di
uno studio del comportamento strutturale sicuramente più impegnativo rispetto a quello
correntemente utilizzato nell’ambito dell’approccio prescrittivo. Ma è bene sottolineare
come, in termini generali, è questo l’approccio più affidabile per ottenere una reale conoscenza delle prestazioni della struttura e, quindi, del suo effettivo grado di sicurezza in caso di incendio.
Nell’applicazione di questo approccio la durata della stabilità della struttura portante
nella condizione di incendio viene stabilita in funzione degli obiettivi di sicurezza prefissati. Ad esempio, il Documento Interpretativo n. 2 cita i seguenti casi:
– nessun requisito di resistenza al fuoco per edifici con limitata densità di carico di
incendio o dove le conseguenze di un collasso strutturale possono essere accettate;
– resistenza al fuoco della struttura portante per uno specificato ma limitato periodo
di tempo, che viene definito per consentire la sicurezza degli occupanti e dell’intervento delle squadre di soccorso;
– resistenza al fuoco della struttura portante per un tempo tale da permettere la combustione di tutti i materiali combustibili presenti, senza tenere conto dell’intervento
delle squadre di soccorso.
Nel secondo caso si ha una stabilità strutturale ritenuta necessaria per un limitato periodo di tempo, nel terzo caso una stabilità strutturale che viene mantenuta per tutta la durata
degli scenari di incendio definiti, solitamente comprendente anche la fase di raffreddamento.
Di seguito si fa cenno a due esempi di applicazione dell’approccio prestazionale, ampiamente studiati nell’ambito della ricerca europea, in cui si ritrova l’applicazione dei suddetti obiettivi di resistenza al fuoco.
Il primo esempio è riferito al secondo livello di obiettivo sopra citato. Si tratta di un edificio monopiano adibito ad attività industriale, in cui viene realizzata una compartimentazione longitudinale posta in corrispondenza della fila centrale di colonne. Nella figura
1.6 è rappresentata una sezione trasversale dell’edificio.
Bozza 30 novembre 2009
SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
13
Figura 1.6 Edificio monopiano di tipo industriale – Sezione trasversale.
Nell’ipotesi in cui questo edificio e la sua utilizzazione siano caratterizzati da:
– brevi percorsi a disposizione degli occupanti per uscire dall’edificio,
– distanze dagli edifici vicini sufficienti per impedire la propagazione dell’incendio,
gli obiettivi minimi che, nell’ambito di un approccio prestazionale, devono essere posti
all’analisi strutturale affinché possa ritenersi soddisfatto il requisito di sicurezza in caso di
incendio stabilito dalla Direttiva 89/106/CEE sono:
– la stabilità del compartimento in cui si verifica l’incendio per un tempo sufficiente a
consentire l’uscita degli occupanti;
– garantire che eventuali crolli non mettano a rischio la sicurezza delle squadre di
soccorso durante il loro intervento;
– mantenere l’efficienza della compartimentazione durante l’evento di incendio.
Diamond 2004 for SAFIR
FILE: static3d_2_dyn
NODES: 125
BEAMS: 61
T RUSSES: 0
SHELLS: 0
SOILS: 0
BEAMS PLOT
DISPLACEMENT PLOT ( x 1)
T IME: 1248.391 sec
IPE500.tem
IPE450.tem
IPE500c.tem
IPE450c.tem
Z
Y
X
5.0 E+00 m
0
0
500
1000
0
1500
0
300
600
900
1200
1500
azione assiale [N]
Spost. Orizz. colonna [m]
-10000
-0.1
-0.2
-20000
-30000
-40000
-50000
-0.3
-60000
tempo [sec]
tempo [sec]
Figura 1.7 Risultati dell’analisi strutturale condotta nell’ambito di un approccio prestazionale.
Bozza 30 novembre 2009
14
CAPITOLO 1
Questi obiettivi, una volta definiti gli scenari di incendio più pericolosi per la stabilità
della struttura portante e per la compartimentazione, sono raggiunti se l’analisi strutturale,
nelle condizioni di incendio, è in grado di verificare:
– che la stabilità strutturale sia mantenuta per uno specificato periodo di tempo;
– che l’eventuale crollo delle facciate perimetrali avvenga verso l’interno dell’edificio
(e non verso l’esterno, dove probabilmente si trovano le squadre di soccorso impegnate a spegnere l’incendio);
– che la compartimentazione sia in grado di resistere alle spinte provenienti dalla parte di struttura soggetta ad incendio.
Questo tipo di obiettivi può essere verificato mediante un approccio di tipo prestazionale o ingegneristico (nella figura 1.7 sono riportati alcuni risultati significativi di questo tipo
di analisi, tratti da Cajot et Al., 2004), mentre difficilmente possono essere verificati
nell’ambito di un ordinario approccio di tipo prescrittivo.
Il secondo esempio è riferito al terzo livello di obiettivo sopra citato. Si tratta di un edificio multipiano fuori terra adibito ad autorimessa, di tipo aperto, ossia dotato di ampia
ventilazione naturale lungo le facciate (figura 1.8).
Questa tipologia di costruzione è stata sottoposta a numerose ricerche finalizzate a verificare il comportamento delle tipiche soluzioni strutturali adottate, in particolare quelle realizzate in struttura composta acciaio-calcestruzzo. Le analisi statistiche condotte su edifici
esistenti e le prove di incendio realizzate su prototipi di edifici in scala reale (figura 1.9)
hanno permesso l’individuazione degli scenari di incendio più pericolosi per la stabilità
della struttura portante (figura 1.10 tratta dal documento tecnico INERIS, 2001).
Nell’ambito di un approccio di tipo ingegneristico, centrando l’attenzione su ognuno
degli scenari di incendio così individuati, l’obiettivo dell’analisi strutturale correntemente
adottato per questo tipo di edifici è quello di trovare le soluzioni della struttura portante
che verificano le condizioni di stabilità per tutta la durata dell’incendio, compresa la fase di
raffreddamento fino al ritorno alla temperatura ambiente. In tal caso, facendo riferimento
alle funzioni che la struttura deve svolgere per gli obiettivi fissati dalla Direttiva
89/106/CEE, la sicurezza in caso di incendio è senz’altro verificata.
Figura 1.8 Autorimessa di tipo aperto realizzata in Lussemburgo con struttura
composta acciaio-calcestruzzo.
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SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
15
Figura 1.9 Prove sperimentali di incendio in scala reale (CTICM, 2001).
Questo tipo di verifiche strutturali, previste nell’ambito dell’approccio ingegneristico,
sono oggi possibili grazie all’impiego di codici di calcolo definiti per questo scopo e che a
questo titolo sono stati opportunamente validati. Esse, se ben condotte, permettono di ottenere livelli di sicurezza la cui affidabilità non è inferiore rispetto a quella ottenuta mediante
una verifica condotta in ambito prescrittivo. Evidenza di queste conclusioni si ha analizzando la recente evoluzione della normativa (Ministère de l’Intérieur et de l’Aménagement
du Territoire, 9-06-2006), che regola la progettazione e l’esercizio di questi edifici in
Francia. Essa prevede la possibilità di una progettazione strutturale basata su un approccio
prescrittivo (R60 per edifici monopiano, R90 per quelli multipiano) oppure, in alternativa,
su un approccio prestazionale i cui obiettivi siano quelli sopra citati.
1.4 Criteri generali di progettazione nell’ambito del quadro
normativo nazionale
La normativa vigente in ambito nazionale in tema di sicurezza strutturale in caso di incendio disciplina le fasi della progettazione, della costruzione e di esercizio di diverse categorie di edifici. Schematicamente possiamo distinguere tre diversi settori di regolamenti:
a) norme che definiscono il livello di prestazione della struttura portante;
b) norme tecniche di riferimento per la progettazione strutturale;
c) norme di qualificazione dei prodotti da costruzione che contribuiscono al raggiungimento della prestazione di resistenza al fuoco della struttura portante.
Le norme di tipo a) sono emanate dal Ministero dell’Interno, attraverso la pubblicazione di decreti riferiti alle specifiche attività a cui sono adibiti gli edifici. Facendo riferimento ai rischi associati al caso di incendio in ogni attività, queste sono distinte in due categorie: una prima categoria di attività per le quali è fissato un livello minimo prescrittivo della
resistenza al fuoco delle strutture portanti, una seconda categoria per le quali il legislatore
ha definito un metodo convenzionale per determinare il livello minimo della resistenza al
fuoco delle strutture portanti (figura 1.11).
Per quanto riguarda la prima categoria di attività, il legislatore, attraverso la pubblicazione di specifici decreti, definisce la regola tecnica di prevenzione incendi, che, tra l’altro,
individua i livelli minimi di resistenza al fuoco della struttura portante.
Bozza 30 novembre 2009
16
CAPITOLO 1
Figura 1.10 Scenari di incendio in un’autorimessa areata definiti dal Doc. Tecn. INERIS (2001).
Esempi di questo tipo di attività sono: gli ospedali, le scuole, i locali di pubblico spettacolo, gli alberghi, ecc.. Per gli edifici in cui si svolgono queste attività, la possibilità di
progettare la sicurezza strutturale in caso di incendio secondo un approccio prestazionale o
ingegneristico è prevista solo mediante l’apposita procedura di deroga, che deve essere
sottoposta al parere del competente Comando dei Vigili del Fuoco. In tal caso, nell’ambito
della progettazione strutturale, si deve dimostrare che gli obiettivi della sicurezza in caso di
incendio, trattati al paragrafo precedente, siano stati raggiunti. Per la regolamentazione di
questa procedura è stato pubblicato il D.M. 09/05/07.
Bozza 30 novembre 2009
SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
17
Attività soggette al controllo
dei Vigili del fuoco
Attività regolate
da norma tecnica
che prescrive
valori minimi di R
per le strutture portanti
Attività non regolate
da norma tecnica
che prescrive
valori minimi di R
per le strutture portanti
(Deroga)
Applicazione
regola tecnica
prescrittiva
Applicazione approccio
ingegneristico
+
valori minimi di R
(tab. 5 D.M.09/03/07)
Regola tecnica
prescrittiva ai sensi
di D.M. 09/03/07
Applicazione approccio
ingegneristico
+
valori minimi di R
(tab. 5 D.M.09/03/07)
Figura 1.11 Procedure per la valutazione della resistenza al fuoco (D.M. 09/03/07).
Per la seconda categoria di attività (attività senza regola tecnica prescrittiva) il Ministero dell’Interno, con la pubblicazione del D.M. 09/03/07, ha definito le richieste di prestazione in caso di incendio per le strutture portanti di una costruzione (figura 1.11). Queste sono classificate in 5 livelli:
livello I) nessun requisito specifico di resistenza al fuoco dove le conseguenze della
perdita dei requisiti stessi siano accettabili o dove il rischio di incendio sia
trascurabile;
livello II) mantenimento dei requisiti di resistenza al fuoco per un periodo sufficiente
all’evacuazione degli occupanti in luogo sicuro all’esterno della costruzione;
livello III) mantenimento dei requisiti di resistenza al fuoco per un periodo congruo
con la gestione dell’emergenza;
livello IV) requisiti di resistenza al fuoco tali da garantire, dopo la fine dell’incendio,
un limitato danneggiamento della costruzione;
livello V) requisiti di resistenza al fuoco tali da garantire, dopo la fine dell’incendio, il
mantenimento della totale funzionalità della costruzione stessa.
Ogni livello di prestazione, da scegliere in funzione degli obiettivi di sicurezza, comporta l’adozione di una determinata classe di resistenza al fuoco delle strutture portanti,
determinabili sulla base dei criteri riportati nel decreto stesso. Questi criteri saranno trattati
nel paragrafo 3.4.3, dove, tra l’altro, si vedrà come essi siano basati su un metodo non applicabile alle strutture composte acciaio-calcestruzzo.
Lo stesso decreto fornisce poi indicazioni per associare i diversi livelli di prestazione
alla generica attività: il livello I è compatibile con le sole attività non soggette al controllo
dei Vigili del Fuoco, il livello II alle attività non aperte al pubblico che rispettano opportune condizioni poste dal decreto stesso, il livello III alle restanti attività, i livelli IV e V a
quelle attività in cui specifiche condizioni di sicurezza sono definite sulle basi di specifiche
richieste del committente o di capitolati.
Infine è da ricordare come le Norme Tecniche per le Costruzioni, emanate dal Ministero delle Infrastrutture con il D.M. 14/01/08, definiscono le richieste di prestazione in caso
Bozza 30 novembre 2009
18
CAPITOLO 1
di incendio delle strutture portanti di una costruzione in maniera praticamente coincidente
con quanto previsto dal decreto emanato dal Ministero dell’Interno.
Esempi di questa seconda categoria di attività sono alcune tipologie di edifici industriali, di depositi, di uffici di piccole dimensioni, ecc. In pratica tutte le attività soggette al controllo dei Vigili del Fuoco per le quali non esistono livelli minimi della resistenza al fuoco
delle strutture portanti fissati da specifica regola tecnica. Per gli edifici in cui si svolgono
queste attività è possibile progettare la sicurezza strutturale in caso di incendio anche secondo un approccio prestazionale o ingegneristico, senza il ricorso alla procedura della deroga, purché siano rispettati i limiti previsti dal D.M. 09/03/07. Anche in tal caso,
nell’ambito della progettazione strutturale, si deve dimostrare che gli obiettivi della sicurezza in caso di incendio siano stati raggiunti, facendo riferimento alle disposizioni contenute nel D.M. 09/05/07.
Le norme di tipo b) sono riconducibili a due documenti principali, il D.M. Ministero
dell’Interno 16/02/2007 ed il D.M. Ministero delle Infrastrutture 14/01/2008.
Nel primo documento sono definite le modalità con cui si può procedere alla determinazione della resistenza al fuoco della struttura portante di una costruzione o di un suo
componente: mediante prove sperimentali, condotte esclusivamente ai sensi di norme EN
o, in caso di assenza, prEN o ENV; mediante valutazioni analitiche, esclusivamente ai sensi delle parti fuoco degli Eurocodici (o, fino alla pubblicazione delle Appendici Nazionali,
ai sensi delle norme UNI 9502 e UNI 9503); mediante le tabelle allegate al decreto medesimo.
Nel secondo documento l’azione incendio è inserita esplicitamente tra le azioni, di tipo
eccezionale, agenti sulle strutture, mentre i criteri di valutazione sono definiti conformemente alle parti fuoco degli Eurocodici, a meno di alcuni parametri definiti nelle corrispondenti Appendici Nazionali.
Infine le norme di tipo c), nell’ambito della progettazione delle strutture di acciaio e
composte acciaio-calcestruzzo, sono principalmente costituite dai regolamenti che definiscono il contributo alla resistenza al fuoco dei sistemi protettivi delle strutture di acciaio.
Come già ricordato, ai sensi di quanto stabilito dal D.M. Interno 16/02/07, questi sono
esclusivamente i regolamenti armonizzati tra i Paesi europei di tipo EN o, in caso di assenza, di tipo prEN o ENV, a meno di alcune proroghe, valide fino al 2010, previste per alcune categorie di prodotti (come meglio specificato nel paragrafo 4.5.3).
1.5 La verifica di resistenza al fuoco delle strutture
1.5.1
Criteri generali
Nell’ambito delle costruzioni il concetto di resistenza al fuoco è riferito alla capacità degli
elementi, siano essi singoli componenti, parti di struttura o intere strutture, di garantire, secondo un programma termico stabilito e per un determinato periodo di tempo, le seguenti
funzioni:
– la stabilità o capacità portante (R), ossia la capacità di sopportare specifiche azioni;
– la tenuta o integrità (E), ossia la capacità di prevenire il passaggio di gas caldi o
l’ignizione al di là della superficie esposta;
– l’isolamento termico (I), ossia la capacità di prevenire un’eccessiva trasmissione di
calore.
Bozza 30 novembre 2009
SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
19
Mentre i due requisiti E ed I sono solitamente richiesti a specifici elementi superficiali,
muri o solai che hanno funzione di separazione, alla struttura portante di un edificio o a
suoi singoli elementi in generale è richiesto il requisito R.
Questo volume, così come i criteri di calcolo riportati nella parte fuoco dell’Eurocodice
3 (EN 1993-1-2, 2005) e gran parte di quelli riportati nella parte fuoco dell’Eurocodice 4
(EN 1994-1-2, 2005), tratta essenzialmente il requisito R di una struttura portante o di suoi
componenti. La funzione di separazione degli elementi deve spesso essere verificata mediante specifici test sperimentali. Solo in casi particolari, come quelli trattati nella parte
fuoco dell’Eurocodice 4, il volume tratta anche i requisiti E ed I di solai realizzati in struttura composta acciaio-calcestruzzo.
Il requisito di sicurezza in caso di incendio di una costruzione, come definito nella Direttiva 89/106/CEE, richiama direttamente il concetto di stabilità di una costruzione, mentre non è strettamente legato a criteri di deformabilità della struttura.
Nel caso dei modelli di calcolo avanzato (vedi par. 4.3.3 di EN 1993-1-2, par. 4.4.3 di
EN 1994-1-2) è raccomandato che le deformazioni siano limitate al fine di assicurare la
compatibilità tra le varie parti della struttura e che sia verificato lo stato limite per il quale
le deformazioni comportano la rottura della struttura per il mancato funzionamento dei
vincoli in qualche elemento.
Il controllo delle deformazioni è richiamato tra i criteri fissati nelle basi progettuali
(vedi. par. 2.1.1(2) EN 1993-1-2, par. 2.1.1(3) EN 1994-1-2) in due specifici casi:
– quando i sistemi di protezione adottati, ad esempio i sistemi protettivi della struttura
di acciaio, possono perdere la loro efficacia a causa di eccessiva deformazione della
struttura;
– quando elementi di separazione, ad esempio specifici muri o solai a cui è assegnata
questa funzione, possono essere danneggiati a causa di eccessiva deformazione della struttura portante.
A questo proposito viene precisato come la verifica di deformabilità possa essere trascurata, nel primo caso se l’efficienza del sistema protettivo sia stata verificata secondo le
norme pertinenti (ENV 13381-2, ENV 13381-4), nel secondo caso se il requisito degli elementi di separazione sia stato verificato rispetto alla curva di incendio standard ISO 834.
1.5.2
Valutazione della probabilità di collasso in caso di incendio
Analogamente alle usuali verifiche in condizioni normali, la valutazione della sicurezza
strutturale in caso di incendio va intesa come valutazione del livello di affidabilità della
struttura mediante la stima della probabilità di collasso o crisi con riferimento al prefissato
stato limite ed il confronto con un livello di rischio ritenuto accettabile:
Pf (Probabilità di collasso) ≤ Pt (Probabilità obiettivo)
(1.5)
Come illustrato nel Report di un’attività di ricerca coordinata da J.B. Schleich (CEC
Agreement 7210, 1999) e nel documento del DIFISEK+ (“DIssemination of FIre Safety
Engineering Knowledge +, 2008), nella sicurezza in caso di incendio si assume generalmente che la probabilità obiettivo sia uguale al valore della probabilità che si verifichi il
collasso strutturale in condizioni normali, Pt = 7,23 × 10–5 (EN 1990, 2002).
Si richiamano di seguito alcuni concetti sintetici di affidabilità strutturale, rimandando
per i necessari approfondimenti a testi specialistici sull’argomento (si consulti, ad esempio,
Pinto et Al., 2004).
Bozza 30 novembre 2009
20
CAPITOLO 1
In generale, la valutazione della probabilità di collasso Pf tiene conto delle varie aleatorietà associate ai carichi, alle resistenze dei materiali, al modello di calcolo,
all’esecuzione della struttura (Faella, 2008; Migliacci & Mola, 1985). Nell’approccio probabilistico completo, definite S ed R le variabili aleatorie delle sollecitazioni e delle resistenze della struttura ed assegnato lo stato limite sotto osservazione, la probabilità di collasso Pf coincide con la probabilità che la disuguaglianza critica
S≤R
(1.6)
sia violata almeno una volta nell’intervallo di vita della struttura.
Pertanto, definita la variabile aleatoria Z = R – S , chiamata margine di sicurezza, la
probabilità di collasso Pf è calcolata come integrale di convoluzione:
Pf = Pr (Z < 0) = Pr (R − S < 0)=
∫
(1.7)
f S , R ( s, r )dSdR
[R < S ]
essendo fS,R(s,r) la funzione densità di probabilità congiunta.
Se le variabili aleatorie S ed R sono indipendenti risulta:
f S , R ( s, r ) = f S ( s ) ⋅ f R ( r )
(1.8)
essendo fS(s) e fR(r) rispettivamente le funzioni densità di probabilità delle v.a. S ed R
(figura 1.12), e quindi la probabilità di collasso si scrive:
∞
⎡s
⎤
⎢
⎥
Pf =
f R (r )dr f S ( s )ds = FR ( s ) f S ( s )dS
⎢
⎥
−∞ ⎣ −∞
−∞
⎦
∞
∫ ∫
∫
(1.9)
dove FR ( s ) = Pr ( R ≤ s ) è la probabilità di crisi condizionata, cioè la probabilità di crisi di
una struttura soggetta ad un ben determinato valore s della sollecitazione, che coincide con
la funzione di distribuzione cumulata (CDF) della v.a. R calcolata per il valore s della sollecitazione.
Nel caso in cui le variabili aleatorie R ed S sono normali gaussiane ed indipendenti, il
problema risulta semplificato, in quanto anche la funzione margine di sicurezza Z = R − S è
una v.a. normale gaussiana. Graficamente la probabilità di crisi è l’area sottesa alla curva
fZ(Z) per z ≤ 0. Da tale rappresentazione si definisce la variabile β pari al rapporto tra il valore medio μΖ della variabile Z ed il suo scarto quadratico medio σΖ :
β=
μ −μ
μZ
1
= 2 R 2 S 1/2 =
VZ
σ Z (σ S + σ R )
(inverso del coefficiente di variazione di Z) (1.10)
Il parametro β è chiamato indice di affidabilità, in quanto la sua entità definisce direttamente la probabilità di crisi e misura in unità di deviazione standard la distanza tra il
punto medio della variabile margine di sicurezza Z ed il contorno della regione di crisi
(figura 1.13). L’indice di affidabilità β dipende dal valor medio μΖ e dalla deviazione standard σΖ della v.a. Z, cioè dai primi due momenti delle distribuzioni di probabilità R ed S,
per cui l’approccio probabilistico basato sulla definizione dell’indice di affidabilità rientra
nei metodi di II livello (figura 1.14). Risulta dalle (1.9) e (1.10) (vedi ad es. Pinto et Al.,
2004):
⎛
μ −μ
Pf = Pr( Z < 0) = FZ (0) = Φ (− β ) = Φ ⎜ − 2 R 2 S 1/2
⎜ (σ + σ )
R
S
⎝
Bozza 30 novembre 2009
⎞
⎟
⎟
⎠
(1.11)
SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
21
dove FZ (0) è la funzione di distribuzione cumulata (CDF) della v.a. Z calcolata per il valore z=0 , esprimibile mediante il valore della funzione di distribuzione cumulata Φ della
v.a. gaussiana standardizzata calcolato nella condizione di crisi (argomento della CDF pari
a −β ).
Ai fini delle verifiche di sicurezza strutturale, l’indice di affidabilità β viene confrontato con un valore di riferimento prefissato, che cresce al diminuire della probabilità di crisi
Pf . L’Eurocodice (EN1990, 2002) fissa per strutture appartenenti alla Classe di Affidabilità 2 (RC2), associata alla Classe di Conseguenze CC2 (conseguenze medie in termini di
perdita di vite umane e conseguenze considerevoli in termini economici, sociali ed ambientali), il valore β = 3,8 (corrispondente ad una probabilità obiettivo pari a Pt = 7,23 × 10–5)
relativamente alle verifiche di stato limite ultimo e ad un periodo di riferimento di 50 anni.
Figura 1.12 Funzione di densità di probabilità delle sollecitazioni e della resistenza.
Figura 1.13 Funzione di densità di probabilità della variabile esito Z=R-S e definizione
dell’indice di affidabilità β.
Bozza 30 novembre 2009
22
CAPITOLO 1
Figura 1.14 Quadro dei metodi di affidabilità strutturale (EN1990, 2002).
1.5.3
Calibrazione dei coefficienti parziali per il metodo semiprobabilistico
agli Stati Limite
Dal punto di visto operativo la verifica di sicurezza delle strutture soggette ad incendio
viene sviluppata applicando il metodo semiprobabilistico agli stati limite, con riferimento a
condizioni di stato limite ultimo. La calibrazione dei fattori parziali delle azioni e delle resistenze viene effettuata sulla base di metodi probabilistici più accurati (di II o III Livello),
tenendo conto di alcune peculiarità dell’azione incendio.
Lo schema generale dei metodi di affidabilità strutturale è riportato nel prospetto della
figura 1.14. Il metodo basato sull’indice di affidabilità, illustrato nel paragrafo precedente,
prende il nome di Metodo FORM (First Order Reliability Method) ed appartiene ai metodi
di II livello, che con l’introduzione di alcune ben definite approssimazioni conducono a
risultati sufficientemente accurati in gran parte delle applicazioni strutturali.
Il metodo FORM è espressamente suggerito dall’Eurocodice (EN1990, 2002) per la calibrazione dei coefficienti parziali da applicare ai materiali (γM) ed alle azioni (γF) al fine di
tener conto delle varie incertezze associate alle proprietà dei materiali, ai valori dei carichi
ed ai modelli di calcolo, fissato il valore obiettivo dell’indice di affidabilità (figura 1.15).
Come è noto, i coefficienti parziali consentono di definire i valori di progetto delle resistenze e delle sollecitazioni, da utilizzare per la verifica della sicurezza strutturale.
Anche l’azione incendio è da considerare una variabile aleatoria. Infatti, per la determinazione degli effetti di un incendio in un compartimento (in termini di valori e distribuzione delle temperature raggiunte) è necessaria la conoscenza di numerosi parametri. La principale caratteristica, il carico di incendio, dipendente dalla quantità di materiale combustibile, è generalmente funzione dell’attività e può non essere costante durante la vita dell’edificio. Altri parametri che influiscono sullo sviluppo e la propagazione dell’incendio sono
fissati in base alle caratteristiche geometriche e fisiche del compartimento (dimensioni geometriche, proprietà termiche e di tenuta delle pareti e dei solai, grado di ventilazione,
Bozza 30 novembre 2009
SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
23
etc.). Inoltre, le misure di protezione attiva (impianti di spegnimento automatici o manuali,
impianti automatici di rilevazione) contribuiscono talvolta significativamente a ridurre i
possibili effetti dell’incendio, evitando che lo stesso possa svilupparsi pienamente. Il carico
di incendio deve essere, pertanto, definito come una distribuzione statistica, analogamente
a quanto si fa per il progetto strutturale a freddo relativamente alle azioni meccaniche, come il peso proprio, i sovraccarichi, il vento, la neve, etc..
L’insieme delle considerazioni precedenti fa comprendere che nel caso di strutture soggette ad incendio le incertezze dovute alle azioni di tipo meccanico (carichi permanenti,
accidentali, etc.) sono decisamente meno rilevanti rispetto all’estrema variabilità della “azione incendio”. Inoltre, appare poco probabile che i carichi della combinazione di stato
limite ultimo siano presenti contemporaneamente all’incendio. Per questi motivi l’azione
incendio, introdotta nelle Norme Tecniche per le Costruzioni (D.M 14/01/2008) come una
azione eccezionale (nella terminologia degli Eurocodici si definisce “situazione accidentale”), si considera concomitante a livelli di carico di esercizio, definiti con piccole differenze da normativa a normativa: nelle Norme Tecniche del 2008 si fa riferimento alla combinazione di carico “quasi permanente” (vedi capitolo 3), che equivale ad assumere fattori
parziali γF delle azioni di valore unitario e la frazione ψ2 delle azioni variabili in funzione
della destinazione d’uso dell’edificio.
Analogamente, nella valutazione della capacità portante delle strutture soggette ad incendio si assumono valori unitari delle resistenze dei materiali (γM = 1), ovvero si fa riferimento, all’inizio dell’incendio, ai valori caratteristici delle resistenze dei materiali. Infatti, l’incendio, interessando l’intera struttura o l’intero elemento strutturale, determina un
danneggiamento piuttosto omogeneo dei materiali, che fa passare in secondo piano
l’iniziale difettosità locale dei materiali stessi (Buchanan, 2001).
In sostanza, per le strutture soggette ad incendio, in conseguenza della estrema variabilità dell’azione incendio rispetto alle altre variabili aleatorie coinvolte, si assumono i valori
caratteristici delle azioni meccaniche e delle resistenze dei materiali, mentre la calibrazione dei coefficienti parziali, fissato il valore obiettivo di probabilità di collasso (ovvero
dell’indice di affidabilità), riguarda essenzialmente la definizione del valore di progetto del
carico di incendio.
A tal fine, come illustrato nel Report di un’attività di ricerca coordinata da J.B.
Schleich (CEC Agreement 7210, 1999) e nel documento del DIFISEK+ (“DIssemination
of FIre Safety Engineering Knowledge +, 2008) già citati in precedenza, è stata condotta
un’ampia indagine statistica in modo da determinare la probabilità di un evento di incendio, il cui innesco è funzione dell’attività svolta nell’edificio. Tra i dati statistici provenienti dai diversi paesi Europei è stata riscontrata una buona correlazione. Una volta che
l’incendio è iniziato, può verificarsi un collasso strutturale solo se esso si sviluppa raggiungendo condizioni severe. È necessario, pertanto, definire la probabilità che l’incendio
evolva effettivamente in un incendio severo ed è in questa fase che assumono un ruolo importante le misure di protezione attiva presenti, gli occupanti e l’intervento dei Vigili del
Fuoco. Ciò significa che, in un gran numero di casi, questi fattori possono determinare uno
spegnimento dell’incendio prima che esso diventi pienamente sviluppato.
L’applicazione del metodo FORM suggerito dall’Eurocodice e la disponibilità della distribuzione statistica del carico di incendio per varie tipologie di attività hanno portato alla
valutazione dei coefficienti parziali da applicare al carico di incendio, che consentono di
definire il carico di incendio di progetto in funzione della probabilità obiettivo fissata e
tenendo conto dell’attività svolta nell’edificio, dell’intervento dei Vigili del Fuoco o di
squadre di emergenza, dei sistemi di protezione passiva (compartimentazione) e delle mi-
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CAPITOLO 1
sure di protezione attiva presenti (sprinkler, sistemi di rilevazione, ecc.). L’applicazione
del metodo e la calibrazione dei coefficienti parziali sono illustrati sinteticamente nel capitolo 3.
1.5.4
Verifiche nel dominio del tempo, della resistenza e della temperatura
Nell’ambito delle normative vigenti (Norme Tecniche per le Costruzioni, 2008) il caso di
incendio è assunto come una “situazione di progetto eccezionale” e la verifica di resistenza
al fuoco, intesa come requisito R, viene condotta allo stato limite ultimo.
Per una struttura nel suo complesso o per un suo componente, essa può in generale essere effettuata:
a) nel dominio del tempo:
t fi , d ≥ t fi , richiesto
(tempo di resistenza al fuoco di progetto ≥ tempo di resistenza al fuoco richiesto);
b) o nel dominio della resistenza:
R fi ,d ,t ≥ E fi ,d ,t
(resistenza di progetto dell’elemento in esame in condizioni di incendio al tempo t ≥
valore di progetto della sollecitazione in condizioni di incendio al tempo t);
c) o nel dominio della temperatura:
θ d ,t ≤ θcr ,d
(valore di progetto della temperatura dell’elemento al tempo t ≤ valore di progetto
della temperatura critica dell’elemento, corrispondente alla perdita di capacità portante dell’elemento).
La verifica nel dominio della resistenza è nella sostanza l’estensione al caso dell’incendio della classica verifica di sicurezza a freddo (Rd ≥ Ed), dovendo tener conto in generale del degrado della capacità portante per effetto del riscaldamento dei materiali e delle
sollecitazioni presenti in condizioni di incendio, diverse rispetto a quelle in condizioni
normali di temperatura sia per la differente combinazione di carico considerata (par. 0) sia
per gli effetti iperstatici indotti dalle dilatazioni termiche contrastate.
La verifica nel dominio del tempo richiede la definizione del tempo di collasso della
struttura o dell’elemento strutturale con riferimento al modello di incendio assunto, da confrontare con il tempo di resistenza al fuoco richiesto, generalmente riferito all’incendio
standard.
Figura 1.15 Relazione tra i singoli coefficienti parziali (EN1990, 2002).
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SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
FASE 1: Definizione dell’incendio di progetto
? Costruzione – Geometria dei locali – Ventilazione
? Attività – Materiali combustib ili
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Modello
di inc endio
Azione
Termica
Modello di
tras mis sione
del c alore
T emperatura
della st ruttura
Modello
di c alcolo
strut turale
Capacità
portante
? Misure di p rotezione attiva
FASE 2: Analisi termica della struttura
? Posizione e geometria degli elementi
? Proprietà termiche dei materiali della struttura
? Contributo di eventuali sistemi protettivi
FASE 3: Analisi st rutturale
? Schematizzazione strutturale
? Analisi dei carichi meccanici
? Proprietà meccaniche dei materiali
Figura 1.16: Schema generale della verifica strutturale condizioni di incendio.
La verifica nel dominio della temperatura è basata sulla definizione della temperatura
che può provocare il collasso di un elemento strutturale, chiamata “temperatura critica”,
da confrontare con la temperatura raggiunta nello stesso elemento per effetto dell’incendio.
Il metodo è utilizzato per la verifica di elementi strutturali di acciaio nei casi in cui la temperatura si possa ritenere abbastanza uniforme nell’elemento ed anche per elementi con
funzioni di isolamento termico o compartimentazione (ad esempio per la verifica della isolamento termico di solai composti acciaio-calcestruzzo).
1.6 La progettazione delle strutture di acciaio in condizioni di
incendio
Come visto nei precedenti paragrafi, la verifica del requisito di sicurezza in caso di incendio di una costruzione, a meno di casi particolari, richiede la valutazione del comportamento della struttura portante principale in condizioni di incendio. Facendo riferimento ai metodi previsti dalle normative vigenti, questa valutazione può essere condotta con metodologie diverse a seconda degli obiettivi fissati dal progettista. Qualunque sia l’approccio
scelto, esso deve essere condotto dando soluzione a tre principali aspetti del problema
(figura 1.16):
1) definire l’azione termica che descrive il fenomeno dell’incendio;
2) individuare il regime di temperatura degli elementi strutturali coinvolti;
3) valutare le condizioni di stabilità della struttura portante principale durante
l’evoluzione dell’evento considerato, ossia in presenza delle temperature raggiunte
dagli elementi strutturali e dei carichi meccanici agenti.
Sulla base delle caratteristiche dell’opera che si sta analizzando e del rischio di incendio determinato dall’attività che in essa si svolge, ognuno di questi passi può essere risolto
con procedure differenti, utilizzando metodologie semplificate che forniscono risultati di-
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CAPITOLO 1
retti o impiegando analisi più complesse, proprie di un vero e proprio approccio ingegneristico, che forniscono risultati molto più accurati e affidabili.
Come chiaramente evidenziato dal Documento Interpretativo n. 2, la scelta che più
condiziona la valutazione del comportamento di una struttura in condizioni di incendio è il
metodo adottato per individuare l’azione termica che descrive il fenomeno dell’incendio.
La strada più semplice è quella di considerare uno degli incendi di tipo convenzionale
indicati nelle norme vigenti. Questa analisi richiede solo di individuare il valore del tempo
di stabilità della struttura portante necessario per garantire la sicurezza in caso di incendio,
valore che, in molti casi, viene indicato dalle norme vigenti in funzione delle caratteristiche
dell’edificio, in particolare la sua altezza, e dell’attività che in esso si svolge.
In maniera più approfondita questa analisi può essere condotta individuando uno o più
incendi naturali di progetto, intendendo per questi un evento che ha una certa probabilità di
verificarsi nell’edificio che si sta considerando, in particolare quello o quelli che determinano i peggiori effetti nei confronti della stabilità strutturale. A tal fine è necessario estendere l’analisi alle caratteristiche della costruzione e al tipo di attività che in essa si svolge,
con particolare riguardo alla quantità e qualità di materiali combustibili e alle condizioni di
ventilazione naturale che possono essere presenti.
Anche il secondo aspetto del problema, ossia l’individuazione del regime di temperatura degli elementi strutturali durante il fenomeno dell’incendio, può essere condotto con
differente livello di accuratezza. Uno studio approfondito del problema deve considerare la
geometria degli elementi strutturali e la loro posizione rispetto al luogo in cui si sviluppa
l’incendio, oltre che le proprietà termiche dei materiali coinvolti nel fenomeno della trasmissione del calore.
Infine, per quanto riguarda il terzo passo dell’analisi, analisi strutturale in condizioni di
incendio, per i diversi materiali impiegati per la realizzazione della struttura portante delle
opere, sono disponibili molteplici metodologie di calcolo per valutarne le condizioni di
stabilità in caso di incendio.
Si va da semplici tabelle, che tramite l’individuazione di pochi parametri forniscono soluzioni caratterizzate da definiti livelli di resistenza al fuoco, a metodologie più approfondite che permettono di individuare con precisione le condizioni di stabilità delle strutture.
Questi approcci, detti di tipo avanzato, richiedono di effettuare in maniera opportuna una
schematizzazione della struttura principale, di individuare il livello dei carichi agenti
quando essa si trova nelle condizioni critiche e di conoscere il comportamento meccanico
dei materiali a temperatura elevata.
È importante sottolineare il differente livello della schematizzazione strutturale, con la
conseguente analisi strutturale, possibile per i diversi approcci: generalmente essa può essere
molto semplice, analisi di singoli elementi strutturali estratti opportunamente dall’intera struttura, nel caso dei metodi semplificati impiegati nell’ambito dell’approccio prescrittivo, oppure più complessa, in modo tale da poter valutare la mutua interazione tra i diversi elementi
durante l’evoluzione dell’incendio (una rappresentazione è riportata nella figura 1.17), nel
caso dei metodi avanzati impiegati nell’ambito dell’approccio prestazionale.
Le strutture di acciaio a volte sono considerate una soluzione poco adatta per ottenere i
massimi livelli di sicurezza in caso di incendio dei nostri edifici. L’applicazione dell’approccio ingegneristico ai casi reali della pratica costruttiva può dimostrare come questa
conclusione sia affrettata. Questa considerazione assume maggiore importanza quando la
scelta della struttura di acciaio si dimostra essere la più adatta per raggiungere le migliori
prestazioni nei confronti di altre azioni eccezionali, che più frequentemente mettono in crisi la sicurezza delle nostre costruzioni, come ad esempio gli eventi sismici.
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SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
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Figura 1.17 Schema delle deformazioni della struttura di un edificio multipiano conseguenti al
caso di incendio che si verifica al primo piano dell’edificio.
Nelle figure riportate nelle pagine seguenti sono rappresentati esempi di strutture di acciaio impiegate per la realizzazione della struttura portante di edifici costruiti per lo svolgimento di svariate attività, comprendenti anche alcune caratterizzate da elevato rischio in
caso di incendio. Tra essi si noti il frequente risultato di una soluzione strutturale libera da
rivestimenti protettivi, che ha reso possibile l’architettura voluta dal progettista. È chiaro
come questi risultati siano possibili solo grazie ad una corretta ed efficace applicazione
dell’approccio ingegneristico per la valutazione del comportamento delle strutture di acciaio in caso di incendio e ad un quadro normativo che ne prevede l’impiego ed il controllo
dell’applicazione.
1.7 Contenuti del volume
I contenuti di questo volume sono stati organizzati seguendo il percorso tracciato nel paragrafo 1.6 per la progettazione di una struttura di acciaio o composta acciaio-calcestruzzo in
condizioni di incendio.
Nel capitolo 2 viene presentata una panoramica delle ricerche teoriche e sperimentali
inerenti il comportamento in condizioni di incendio di strutture di acciaio e composte acciaio-calcestruzzo effettuate negli ultimi anni.
Il capitolo 3 tratta le metodologie previste dalle norme vigenti per la definizione dell’azione termica, solitamente una curva temperatura-tempo, che descrive il fenomeno dell’incendio. Nel capitolo 4 sono esposti i criteri di valutazione del fenomeno di trasmissione del
calore, mediante i quali si ottiene la risposta termica della struttura, ossia il regime delle
temperature degli elementi strutturali durante l’evento di incendio considerato. Il capitolo 5
è dedicato alla trattazione generale della risposta meccanica di una struttura in caso di incendio, vale a dire ai criteri di valutazione delle sue condizioni di stabilità in presenza di
temperature elevate.
Nel capitolo 6 sono esposti i metodi di calcolo disponibili per la valutazione della risposta meccanica delle strutture di acciaio in condizioni di incendio, mentre nel capitolo 7
quelli applicabili per le strutture composte acciaio-calcestruzzo. Infine il capitolo 8 è dedicato all’applicazione di modelli di calcolo avanzati per le analisi strutturali in condizioni
d’incendio, con riferimento sia a schemi strutturali semplici che a strutture intelaiate in sistema composto acciaio-calcestruzzo, analizzati in differenti condizioni di incendio (standard e naturale).
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CAPITOLO 1
The New York Times Building, 2007 – Altezza (m): copertura (228), antenna (319).
Kansai airport, Osaka (Giappone)
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SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Centre Pompidou – Parigi, 1965 (costruzione), 2001 (ristrutturazione).
Padiglione espositivo di Bologna Fiere S.p.A. – Bologna, 2001.
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CAPITOLO 1
L’aeroporto di Toronto (Canada)
Edificio scolastico Gallieni– Tolosa, 2001.
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SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Centro direzionale Il Sole 24 Ore – Milano (I)
Centro direzionale ArcelorMittal – Lussemburgo
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CAPITOLO 1
Centro direzionale Bayer - Germania
Centro di produzione Volkswagen - Glaserne (D)
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SICUREZZA STRUTTURALE IN CASO DI INCENDIO
Centro direzionale City Gate - Dusseldorf (D)
Centro direzionale Torno Internazionale - Milano (I)
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CAPITOLO 1
Parcheggio multipiano per 1500 posti auto – Tolosa, 2006.
Centro logistico di Alenia S.p.A. – Taranto, 2006.
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