Rivista ANTINCENDIO, agosto 2008

1. L’
approccio più gene-
rale, completo e coe-
rente, per affrontare il
tema della sicurezza delle costruzio-
ni in presenza di incendio fa riferimento a
quel settore dell’ingegneria definita in termi-
ni anglosassoni come Fire Safety Enginee-
ring. Gli aspetti fondamentali di questa disci-
plina possono essere ritrovati nel manuale
SFPE (The SFPE Handbook of Fire Protec-
tion Engineering, 3rd Edition) [1], mentre una
sintesi in termini più vicini a uno spirito nor-
mativo sono indicati nel documento ISO
13387 [2]. Da quest’ultimo documento, che
anche se non recentissimo conserva la sua
validità, si può partire per illustrare i diversi
punti che devono essere considerati per as-
sicurare la sicurezza di una
costruzione 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 parametri
strutturali non modificabili;
– Stima dei parametri strutturali che posso-
no essere scelti o che devono essere
considerati;
– SS1: definizione dell’innesco e dello svi-
luppo dell’incendio, in altre parole indivi-
duazione degli scenari accidentali;
– SS2: studio del movimento delle fiamme
e dei fumi che si generano per effetto del-
la combustione;
antincendioantincendio 2120 agosto 2008agosto 2008
– SS3: valutazione della risposta strutturale
e della relativa resistenza meccanica;
– SS4: valutazione delle tecniche di indivi-
duazione/localizzazione dell’incendio e
dell’eventuale attivazione di misure di
prevenzione;
– SS5: valutazione della sicurezza degli oc-
cupanti, tenendo conto della loro condi-
zione;
– SS6: stima delle perdite della proprietà e
dei 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 contaminazione
dell’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 sistemica
dell’impostazione della sicurezza strutturale
in caso di incendio. Esistono quindi conside-
razioni e richieste di origine diversa e alle
volte contrastanti che devono essere atten-
tamente valutate e coerentemente armoniz-
zate.
Nel presente articolo, di questo quadro
complessivo si prenderà in considerazione
l’aspetto denominato SS3 che riguarda spe-
cificamente il comportamento strutturale e la
resistenza delle costruzioni soggette ad in-
cendio: in tale punto è racchiuso l’approccio
passivo per la protezione delle strutture e
delle persone dall’incendio, mentre l’approc-
cio attivo è contenuto nel punto SS4.
Il ruolo del comportamento
strutturale nella protezione
passiva 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
Protezionepassivanellecostruzioni
I Franco Bontempi
I Chiara Crosti
I Luisa Giuliani
Il ruolo delle strutture
nella protezione passiva
contro l’incendio
Per definire una strategia
di lotta passiva
all’incendio occorre
un’oculata definizione
del comportamento
meccanico degli elementi
del sistema considerato
e della loro robustezza
attraverso analisi
non lineari complete
sulla capacità portante
della struttura Figura 1- Quadro generale degli aspetti da considerare per la verifica delle costruzioni
in presenza di incendio (adattato da IS0 13387)
05 Bontempi 08.08:. 24-07-2008 9:53 Pagina 20

2. combustibile, avendo raggiunto il cosiddetto
flashover: da questo momento in poi, lo svi-
luppo dell’azione è governato esclusivamen-
te dalla quantità di combustibile o dalla
quantità di ossigeno [5].
È opportuno a questo punto ricordare che
il Progettista, per affrontare un’azione (natu-
rale, antropica o accidentale) che cimenta
l’opera, può considerare le seguenti strate-
gie [6]:
– ridurre la probabilità che l’azione avvenga
o 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 in
grado di sopportare senza danni l’azione;
– limitare il grado di danneggiamento della
struttura 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 possono
essere adottate efficacemente proprio nel
caso 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 si
intende specificatamente l’insieme delle mi-
sure che vengono adottate al fine di ottene-
re lo spegnimento dell’incendio durante la
sua fase iniziale.
agosto 2008 23antincendio
Protezionepassivanellecostruzioni
livelli di sofisticazione, considerando fonda-
mentalmente:
a) modellazione fluidodinamica completa,
con una discretizzazione dello spazio
racchiuso dalla costruzione in esame in
elementi finiti o volumi finiti, che permet-
te di ottenere valori puntuali della soluzio-
ne; il codice FDS è uno degli strumenti
più diffusi ed affidabili, essendo inoltre
gratuitamente distribuito dal NIST (Natio-
nal Institute of Standards and Technology
of the United States Department of Com-
merce) americano [3]; l’utilizzo pratico di
questi codici richiede la manipolazione di
rappresentazioni geometriche che ripro-
ducono i volumi della costruzione in esa-
me, la cui analisi può essere svolta solo
con 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 distribuito
dal NIST [4]; in questo caso, la soluzione
è ottenuta graficamente in modo più
semplice, ma va corretta per tenere con-
to di effetti locali che innalzano in regioni
particolari la temperatura.
In entrambi i casi, è possibile determinare
un andamento realistico della temperatura
nelle varie parti della costruzione, ottenendo
una rappresentazione che è detta, proprio
per questo carattere, naturale.
c) Esiste poi un approccio elementare, che
mantiene una sua valenza ingegneristica,
che considera la’assegnazione diretta
della curva che rappresenta l’andamento
in funzione del tempo della temperatura
dei gas di combustione nell’intorno della
superficie degli elementi strutturali sog-
getti ad incendio.
In questo caso, l’andamento della tempe-
ratura può avere una certa somiglianza con
l’andamento reale, e può essere ottenuto da
formulazioni che sintetizzano lo sviluppo del-
l’incendio, ovvero può avere andamento
semplificato e carattere convenzionale;
esempi di questo ultimo tipo, sono le cosid-
dette curve ISO834 (standard, degli idrocar-
buri, o degli incendi esterni) riportate dalla
diverse normative. In termini generali, men-
tre le curve (Temperatura – Tempo) realisti-
che o naturali permettono una simulazione e
quindi un’analisi realistica della risposta
strutturale come richiesta dall’approccio
prestazionale al progetto strutturale, le curve
convenzionali 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 di
sviluppo, fino all’istante in cui l’incendio è
completamente esteso a tutto il materiale
22 antincendio
Protezionepassivanellecostruzioni
agosto 2008
FFrraannccoo BBoonntteemmppii - Professore ordinario di Tecnica delle
Costruzioni nella Facoltà di Ingegneria dell’Università di
Roma “La Sapienza”. Si occupa di analisi strutturale e pro-
gettazione prestazionale di edifici alti e ponti, coordinando
un gruppo di ricerca tra i più attivi nel settore del calcolo
automatico e della modellazione strutturale. Negli ultimi
anni, è stato membro della Commissione per il Testo Unico
delle Norme Tecniche delle Costruzioni presso il Ministero
delle Infrastrutture e del Comitato Scientifico per il Ponte
sullo Stretto di Messina. Fa parte della Commissione
Tecnica per la Sicurezza delle Costruzioni in Acciaio in caso
di Incendio. Svolge attività di consulenza per strutture spe-
ciali.
CChhiiaarraa CCrroossttii è allieva del Dottorato di Ricerca in
Ingegneria Strutturale presso l’Università di Roma “La
Sapienza”, 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 in
Ingegneria Strutturale presso l’Università di Roma “La
Sapienza”, dove si occupa di robustezza strutturale e anali-
si del rischio. Attualmente, svolge ricerca presso la
Technische Universität Hamburg – Harburg in Germania.
IIInngg..FF..BBoonntteemmppiiIIInngg..CC..CCrroossttiiIIInngg..LL..GGiiuulliiaannii
05 Bontempi 08.08:. 24-07-2008 9:53 Pagina 22

3. – mantenimento della totale funzionalità.
I livelli di prestazione [7] comportano clas-
si di capacità portante stabilite per i diversi
tipi di costruzioni in base al rischio e alle
strategie antincendio stabilite di concerto
dal Committente e dal Progettista.
In ogni caso, tenendo conto delle specifi-
cità delle situazioni, si deve adottare una
progettazione strutturale orientata all’intero
sistema 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 temperatura
delle caratteristiche geometriche degli
elementi strutturali e delle proprietà dei
materiali.
Situazioni semplici, in un approccio essen-
zialmente prescrittivo, possono essere con-
dotte analizzando:
– singolarmente ciascun elemento costrut-
tivo, nelle sue condizioni di vincolo e di
carico;
– parti significative della struttura.
I caratteri generali
del comportamento strutturale
La sicurezza e le prestazioni di una co-
struzione, o di una parte di essa, devono
essere valutate in relazione agli Stati Limi-
te che si possono verificare durante la vita
nominale. Con il termine Stato Limite si in-
tende la condizione superata la quale la
struttura non soddisfa più le esigenze per le
quali è stata progettata. In termini generali, la
sicurezza e le prestazioni devono verificarsi
nei 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 e
sociali;
– Stati Limite Esercizio, che comportano la
fuori uscita dal regolare funzionamento
della costruzione, impedendone le pre-
stazioni previste per le condizioni di
esercizio.
Inoltre, la costruzione deve dimostrare di
possedere adeguata robustezza nei confron-
ti di azioni accidentali, ovvero mostrare la
capacità di evitare danni sproporzionati ri-
spetto all’entità delle cause innescanti, che
possono essere azioni di incendio, esplosio-
ni, urti o, anche, errori umani in fase di pro-
getto, costruzione, manutenzione e utilizzo.
agosto 2008 25antincendio
Protezionepassivanellecostruzioni
Tali misure comprendono sia l’impiego
d’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 di
scelte 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 misure
strutturali, dette anche misure di protezione
passiva. La c) prevede un comportamento
nominale e reversibile della struttura sotto
l’azione, mentre la d) ammette lo sviluppo di
crisi locali e proporzionali all’intensità dell’in-
cendio: questa correlazione positiva fra ef-
fetto (danno) e causa (incendio) è legato alla
cosiddetta robustezza strutturale.
In altre parole, le tecniche di protezione
passiva 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 durante
la fase di incendio generalizzato intervenen-
do sulla resistenza della struttura e sul suo
comportamento strutturale.
Le tecniche di protezione attiva, invece,
sono implicite nell’aspetto SS4, poiché sono
quelle tecniche che prevedono l’individua-
zione, la segnalazione e quindi la relativa
estinzione dell’incendio durante la sua fase
iniziale: il loro corretto funzionamento riduce
l’andamento della temperatura T in funzione
del tempo t dalla curva rossa alla curva blu
di figura 2. Dal punto di vista normativo [7] è
obbligatorio che la progettazione di strutture
soggette ad incendio, a prescindere dalle
tecniche di protezione impiegate, debba co-
munque evidenziare la capacità del sistema
strutturale di:
– garantire la sicurezza degli occupanti du-
rante tutta la loro permanenza prevista
nella costruzione;
– garantire la sicurezza delle squadre di
soccorso 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 della
struttura, ove richiesto.
I punti a) e b) riguardano le persone; i pun-
ti c) e d) la struttura durante l’incendio; il
punto e) la costruzione dopo la fine dell’in-
cendio.
In relazione a questi obiettivi di sicurezza,
sono introdotti, in funzione dell’importanza
della costruzione, i seguenti differenti livelli di
prestazioni:
– assenza di requisiti specifici;
– resistenza all’incendio per un tempo suf-
ficiente per l’evacuazione;
– non raggiungimento del collasso;
– limitato danneggiamento;
agosto 200824 antincendio
Protezionepassivanellecostruzioni
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 devono
considerare gli stati limite
ultimi e di esercizio oltre
alla robustezza nei confronti
di eventi accidentali
05 Bontempi 08.08:. 24-07-2008 9:53 Pagina 24

4. A proposito delle verifiche previste per gli
Stati Limite Ultimi, è interessante osservare i
livelli di verifica previsti facendo riferimento
alla Figura 3, dove è riportato il caso ideale
di 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 segno
di danno, al crescere del carico fino al valo-
re PI in almeno un punto all’interno del volu-
me della struttura si raggiungono le capacità
massime del materiale con conseguente in-
nesco del danneggiamento. Si è quindi rag-
giunta la crisi in un punto all’interno della
struttura, come previsto ad esempio dal for-
mato di verifica alle tensioni ammissibili. Se
la struttura è composta di materiale fragile,
questa crisi puntuale si propaga più o meno
velocemente a porzioni significative e perfi-
no all’intero organismo strutturale, compor-
tandone quindi il collasso, anche in maniera
istantanea.
È intuitivo però pensare che a questa crisi
localizzata, in generale, non corrisponda il
collasso dell’intera struttura: questo è, in ef-
fetti, vero se il materiale ha un minimo grado
di 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 di
sollecitazione si ridistribuisce nell’intorno del
punto materiale che ha raggiunto la sua
massima capacità resistente.
Livello di sezione
In assenza di fragilità materiale, al cresce-
re del carico, si perviene al valore PII in cui le
crisi puntuali si sono accumulate in almeno
una sezione provocandone il collasso.
In questa sezione non possono quindi es-
sere equilibrati valori maggiori delle varie
sollecitazioni: ad esempio, se il collasso è di
natura flessionale, si è aggiunto il massimo
momento flettente sopportabile da quella
sezione. Questo livello di crisi è quello usual-
mente contemplato dal formato di verifica
agli stati limite mediante coefficienti parziali
di 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
agosto 200826 antincendio
Protezionepassivanellecostruzioni
Figura 3 - Livelli di verifica della crisi strutturale
05 Bontempi 08.08:. 24-07-2008 9:53 Pagina 26

5. Il comportamento sezionale preso isolata-
mente può non essere pertinente. Questo
può avvenire perché:
– può non comportare automaticamente
una 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 negativi
che si possono avere nel complesso del-
l’elemento strutturale cui appartiene: è
questo un caso di interazione negativa fra
comportamento 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 e
contemplando invece le fragilità locali e la
possibile propagazione delle rotture.
Mentre i livelli precedenti possono essere
valutati con approcci semplificati, questo li-
vello richiede un’analisi completa e coerente
in campo non lineare.
Quest’ultimo livello di verifica è essenziale
per l’analisi delle costruzioni soggette ad
azioni accidentali, perché contiene in sé la
visione sistemica della struttura in esame,
che trascende i singoli aspetti puntuali, se-
zionali o di elemento, integrandoli in forma
corretta e coerente nella risposta strutturale
complessiva, come idealizzata nel diagram-
ma riportato in Figura 4.
Il comportamento meccanico di una gene-
rica struttura [8] può essere rappresentato in
un piano in cui la grandezza presente sull’as-
se delle ordinate può rappresentare il carico
o una qualsiasi azione esterna, mentre la
grandezza in ascissa può rappresentare un
parametro che misura la risposta strutturale
come lo spostamento di un punto generico
della struttura.
Osservando la risposta strutturale ideale
OABL 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
agosto 2008 29antincendio
Protezionepassivanellecostruzioni
Figura 4 - Risposta strutturale complessiva
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05 Bontempi 08.08:. 24-07-2008 9:53 Pagina 28

6. quindi fenomeni catastrofici. Questa defini-
zione di robustezza strutturale può essere
formalizzata in questo modo [10]:
– si indica con E l’evento negativo la cui
entità è misurata con ∆E,
– si indica con Q la qualità in esame e ∆Q
risulta la misura della variazione della
stessa 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 il
concetto di robustezza strutturale. In ordina-
ta si trova la misura della qualità in esame:
tale grandezza può essere, ad esempio, la
capacità portante rispetto ad una condizione
di carico, rappresentata dal moltiplicatore di
carico; in generale, in ordinata si può riporta-
re una qualsiasi capacità prestazionale o una
grandezza rappresentativa della sicurezza
strutturale. In ascissa, si riporta l’entità del-
l’evento negativo, che può essere pensato
come un danno strutturale o nel caso dell’in-
cendio, la quantità di energia implicata.
Delle due strutture in esame, si nota come
quella indicata col colore verde sia di qualità
migliore nelle condizioni integre, o nominali,
rispetto a quella indicata col colore blu: la
stessa è però meno robusta della seconda,
come si vede dal maggior degrado di quali-
tà, a parità di danno, che risulta addirittura
inferiore al livello minimo richiesto.
Un esempio elementare è un pilastro in ce-
mento armato cerchiato con spirale (caso
verde) rispetto a quello di un pilastro quadra-
to staffato (caso blu): nella configura zione
nominale, a parità di area di conglomerato, il
primo è più resistente, ma a parità di entità di
evento 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 tratto
più lungo del pilastro rispetto al cedimento di
una singola staffa nel caso di pilastro qua-
drato staffato. Il pilastro quadrato e staffato
singolarmente è quindi più robusto del pila-
stro cerchiato con una spirale continua.
Riconducendosi alla suddivisione gerar-
chica delle diverse parti strutturali indicata
nel paragrafo precedente, l’esempio di robu-
stezza ora portato era riferito alla robustezza
di 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 della
struttura nel suo complesso.
È bene precisare che robustezza struttura-
le non è sinonimo di invulnerabilità della
struttura. La definizione di robustezza preci-
sa, infatti, che la struttura non deve essere
danneggiata in maniera sproporzionata ri-
spetto alla causa.
Una struttura non dotata di adeguata robu-
stezza, infatti, può subire, in caso di eventi
eccezionali, un collasso progressivo [11], ca-
ratterizzato dalla perdita di capacità portan-
te di una porzione relativamente piccola del-
la struttura, che determina il collasso di
un’altra porzione di struttura fino a estender-
si così con un effetto domino a gran parte o
a tutta la struttura stessa.
In una progettazione globale il requisito di
robustezza può essere valutato verificando
per esempio che la rimozione di un singolo
elemento, di una parte limitata della struttu-
ra o l’insorgenza di un accettabile livello di
danno locale si risolva al più in un collasso
localizzato.
Si devono in altre parole garantire dei per-
corsi alternativi di carico e pertanto un buon
grado di duttilità, iperstaticità e ridondanza,
diffuso su tutta la struttura, può costituire
una garanzia di un buon grado di robustezza
strutturale.
Strategie di progetto
nel caso di azioni accidentali
La resistenza al fuoco è una delle fonda-
mentali strategie di protezione da perseguire
per garantire la sicurezza strutturale in con-
dizioni di incendio, come visto precedente-
mente.
agosto 2008 31antincendio
Protezionepassivanellecostruzioni
O e che termina in A; successivamente, al
crescere del carico, il comportamento si
scosta da quello idealmente lineare indicato
dalla retta 1, diventando marcatamente non
lineare, con progressiva perdita di rigidezza,
fino al livello massimo rappresentato dalla
retta orizzontale 2; il punto B rappresenta la
massima risposta strutturale, ovvero la mas-
sima capacità portante del sistema struttura-
le ideale.
Nella Figura 4 è rappresentato anche un
altro 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 avvia
verso una cosiddetta deformata critica. Nel
punto H, la risposta significativa segue quin-
di il percorso OHI e non quello OHB, con una
risposta massima pari al più a Pcr, rispetto al
livello Pmax.
Nel caso di struttura non più ideale, ma ca-
ratterizzata dalle inevitabili imperfezioni con-
nesse con il mondo reale, il comportamento
strutturale 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 equilibrio
che 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 al
punto di biforcazione Pcr.
Risulta quindi necessario, dal punto di vi-
sta ingegneristico, considerare sempre la
presenza 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 della
costruzione, è necessario esplorare come
tale 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 di
una costruzione di mostrare una perdita di
qualità proporzionata all’evento negativo ori-
ginante tale perdita. In tal modo, se la strut-
tura è robusta, esiste una relazione continua
e regolare fra la causa innescante il decadi-
mento e il conseguente effetto [9], evitando
agosto 200830 antincendio
Protezionepassivanellecostruzioni
Figura 5 - Definizione di robustezza strutturale
05 Bontempi 08.08:. 24-07-2008 9:53 Pagina 30

7. – in mezzo, di un aereo di linea che nel-
l’aprile 1988, a seguito della coalescenza
di numerose microfratture nella parte
centrale superiore della fusoliera, ha su-
bito un’esplosione per decompressione:
la parte di carlinga collassata è stata de-
limitata dalla presenza di longheroni ed
elementi di cerchiatura presenti nella fu-
soliera;
– in basso, è infine riportata un’illustrazione
pertinente alla concezione delle navi che
presentano compartimenti stagni, per
evitare l’eventuale propagarsi dell’allaga-
mento che sia avvenuto in uno di essi.
Da questi semplici esempi, è evidente
come 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 nel
codice genetico della costruzione.
In particolare, la robustezza risulta esse-
re una proprietà sistemica, in quanto emer-
ge da come le varie parti della costruzione
sono connesse e da come si comportano
mutuamente 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 strutture
compartimenti antincendio cioè parti della
costruzione delimitata da elementi costrut-
tivi idonei a garantire, sotto l’azione del
fuoco e per un dato intervallo di tempo, la
capacità di compartimentazione, così da
localizzare l’incendio ed evitare la sua pro-
pagazione.
Un’altra forma di strategia di progetto
particolarmente interessante per strutture
soggette ad incendio è quella presentata
da O’Meagher et al. (1992) [12], [13]. In
questo contributo è evidenziata l’importan-
za di garantire modi di collasso favorevoli:
uno di questi è illustrato in figura 7, dove
per un edificio monopiano è illustrata l’im-
plosione dell’edificio stesso, in modo tale
che le costruzioni adiacenti non vengono
in nessun modo coinvolti e si trovano così
in condizioni di sicurezza.
Da questo semplice esempio si nota come
garantire la sicurezza di una struttura sog-
getta all’azione accidentale dell’incendio
consiste non solo nella verifica di resistenza
sviluppata con l’opportuno scenario di cari-
co, ma anche nella simulazione del collasso
per giudicarne le modalità.
In questo senso, la mera verifica dei singo-
agosto 2008 33antincendio
Essa riguarda la capa-
cità portante in caso d’in-
cendio, per una struttura,
per una parte della strut-
tura o per un elemento
costruttivo, nonché la ca-
pacità di compartimenta-
zione rispetto all’incendio
per gli elementi di sepa-
razione sia strutturali, co-
me muri e solai, sia non
strutturali, come porte e
tramezzi.
La capacità portante in caso d’incendio è
l’attitudine della struttura, di una parte della
struttura o di un elemento a conservare una
sufficiente resistenza meccanica sotto l’azio-
ne del fuoco con riferimento alle altre azioni
agenti.
La capacità di compartimentazione in caso
d’incendio invece è l’attitudine di un elemen-
to costruttivo a conservare, sotto l’azione del
fuoco, (oltre alla propria stabilità strutturale)
un sufficiente isolamento termico e una suf-
ficiente tenuta ai fumi e ai gas caldi della
combustione.
Tra tutte le costruzioni, per gli edifici è par-
ticolarmente stringente il requisito della ro-
bustezza, essendo tale categoria di strutture
soggette a essere occupate da un alto nu-
mero di persone ed essendo sede delle più
disparate attività, svolte frequentemente in
modo non organizzato e non controllato.
Per tale scopo, gli edifici devono essere
progettati in modo che il sistema strutturale
principale possa sopportare danneggiamen-
ti locali senza subire un collasso totale; gli
edifici devono avere un degrado delle pre-
stazioni di resistenza proporzionale alla cau-
sa che lo ha provocato.
Questo requisito deve essere raggiunto
essenzialmente attraverso un’organizzazio-
ne degli elementi strutturali che mantenga
resistenza e stabilità allo schema principale
attraverso un trasferimento dell’azione da
qualunque regione strutturale danneggiata a
quelle vicine: ciò può essere raggiunto for-
nendo sufficiente continuità, iperstaticità,
duttilità alle parti che com-
pongono l’edificio. In questo
modo si dovrà anche evitare
la diffusione del danneggia-
mento da una regione limitata
della struttura a una parte ri-
levante o addirittura a tutto
organismo strutturale, secon-
do la cosiddetta modalità di
collasso progressivo. Tale
modo di collasso, e in gene-
rale la propagazione del dan-
no, sarà raggiunto anche attraverso oppor-
tuna compartimentazione dell’organismo
strutturale.
Quest’ultima osservazione è espressiva
perché indica due strategie per ottenere la
robustezza strutturale. Tali strategie, in un
certo senso una duale dell’altra, sono:
– aumentare la connessione delle varie
parti strutturali, introducendo un elevato
grado di continuità, in modo che le azioni
si possano trasferire dalla parte collassa-
ta a quelle adiacenti, ovvero la costruzio-
ne abbia al suo interno una ridondanza di
percorsi 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 sono
tradizionalmente utilizzate in settori dell’In-
gegneria come quello Aeronautico o quello
Navale. In Figura 6 alla pag. seguente, si ri-
portano, ad esempio, i casi:
– in alto, di un bombardiere B17 Fortezza
Volante, che durante la Seconda Guerra
Mondiale dopo aver subito una collisione
in volo con un altro velivolo, è riuscito co-
munque ad atterrare; questa capacità di
incassare un collasso strutturale (collap-
se resistant structure), è legata alla con-
formazione altamente iperstatica della fu-
soliera di questo tipo di aereo;
agosto 200832 antincendio
Protezionepassivanellecostruzioni
Gli edifici devono
essere progettati
in modo
che il sistema strutturale
principale
possa sopportare
danneggiamenti 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 caso
delle navi, in basso, compartimentazione
B-17F/Bf-109 midair
collision on February 1
1943 over Tunisia
B-17 flew 90 minutes
and landed safely.
(Usa Museum photograf)
Centroid of mean
water plane C.F.
Mean
water plane
Centroid of
lost buoyancy
Protezionepassivanellecostruzioni
05 Bontempi 08.08:. 24-07-2008 9:53 Pagina 32

8. zione della resistenza al fuoco di una qual-
siasi struttura può essere articolata sulla ba-
se del diagramma di flusso che si riporta in
Figura 9: tale diagramma fissa i principali
passi da compiere per il calcolo della capa-
cità portante. In tale processo, ruolo centra-
le è assegnato all’analisi quantitativa ovvero
alla 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 modellazione
dell’incendio, dalla quale si genera la tra-
smissione di calore, fino ad arrivare alla
realizzazione del modello strutturale sul
quale 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 è
individuare gli scenari d’incendio, ovvero
localizzare l’incendio come riportato in Fi-
gura 10 alla pag. successiva.
La determinazione degli scenari, che poi
saranno impiegati nelle analisi strutturali,
dipende essenzialmente dalla probabilità
che alcune circostanze avvengano, come
ad esempio l’estinzione dell’incendio da
parte dagli occupanti dell’edificio stesso,
l’estinzione da parte di opportuni sistemi di
rilevamento, l’arrivo delle squadre Vigili del
fuoco 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’azione
accidentale come il fuoco e la loro elenca-
zione ordinata e coerente nei cosiddetti
scenari di continenza, è la parte forse più
impegnativa dal punto di vista concettuale
al fine di garantire la sicurezza strutturale.
La scelta di considerare tre circostanze
porta alla determinazione di 12 scenari, in-
dividuati in Figura 11, ciascuno dei quali
con una probabilità di accadimento: nella
Tabella 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 di
contingenza si modella lo sviluppo dell’in-
cendio con i livelli di approccio introdotti in
precedenza. In particolare, il livello più ele-
mentare consiste nell’applicare alle parti
strutturali coinvolte l’azione mediante delle
curve che legano al progressivo scorrere
del tempo la relativa temperatura dei gas
caldi che si generano durante l’incendio
[15].
agosto 2008 35antincendio
li elementi strutturali attraverso l’individua-
zione delle combinazioni di carico previste
dal formalismo agli stati limite non appare
sufficientemente adeguata a garantire la si-
curezza strutturale.
Bisogna, infatti, cercare di essere in grado
di giudicare il tipo di collasso, cosa che può
essere 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 illustrato
schematicamente in Figura 8: si tratta di un
telaio a due piani (interpiani 4 m e 5 m) con
quattro campate uguali (luce 6 m).
In riferimento alla ISO 13387 [2], la valuta-
agosto 200834 antincendio
Protezionepassivanellecostruzioni
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 nella
zona A
Concrete
wall panel
Stell roof
Fire spread
Stell portal
frame
Edge tie member
Rafter subject
to increased loads
Rafter subject
to increased loads
Protezionepassivanellecostruzioni
05 Bontempi 08.08:. 24-07-2008 9:53 Pagina 34

9. Dal punto di vista meccanico, si passa ora
alla costruzione del modello strutturale e al
relativo settaggio delle non linearità che
l’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 di
temperatura. L’effetto della temperatura
prodotta dall’incendio, genera, infatti, nei
materiali coinvolti, delle alterazioni delle
caratteristiche 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 acciaio
è implementato nel modello strutturale come
materiale termo-plastico, in grado cioè di te-
nere in conto della variazione dei parametri
meccanici al crescere della temperatura; tali
variazioni, fornite nelle normative europee
[15], sono riportate in Tabella 2.
Dalla Tabella 2 si nota in particolare come
il decadimento della tensione di snervamen-
to (σy) avvenga a partire da 400°C, valore
che si ottiene quando le fiamme investono
direttamente l’elemento, mentre il decadi-
mento del modulo di elasticità (E) avviene a
partire 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 collasso
della struttura può essere raggiunto sia per
la formazione di cerniere plastiche che al
crescere 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 per
la modellazione strutturale ad elementi finiti
consentono però di cogliere l’aspetto termo-
plastico dei materiali [18]: tra questi, sono
agosto 2008 37antincendio
Protezionepassivanellecostruzioni
Queste curve possono essere:
– nominali, che sono le curve
adottate per la classificazione
delle costruzioni e per le veri-
fiche di resistenza al fuoco di
tipo convenzionale, tra que-
ste sono note: la curva stan-
dard, ISO834, quella degli
idrocarburi e quella esterna;
– naturale, determinate in ba-
se a modelli d’incendio e a
parametri 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, poiché
ciò che si desidera qui valu-
tare è la resistenza al fuoco
della struttura e la relativa ca-
pacità portante. La curva
ISO834 è applicata solo agli
elementi 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 che
permettono di localizzare, in
un modo per certi versi fitti-
zio, l’incendio.
agosto 200836 antincendio
Protezionepassivanellecostruzioni
Figura 10 - Localizzazione dell’incendio Figura 11 - Determinazione degli scenari
Tabella 2 - Caratteristiche meccaniche del materiale Acciaio Fe360/S235 in funzione della temperatura
05 Bontempi 08.08:. 24-07-2008 9:53 Pagina 36

10. di sezioni HEA300 per le colonne.
Si ipotizza la durata dell’azione incendio
presente nella struttura pari a 3000 s. Oltre
tale tempo, sulla configura zione così dan-
neggiata, al fine di valutarne la capacità resi-
dua, si applicano delle forze orizzontali con
risultante iniziale pari al 10% della risultante
dei carichi verticali, che vengono fatte cre-
scere attraverso un moltiplicatore funzione
del tempo come illu-
strato in Figura 12 e
Figura 13.
Attraverso il codice
di calcolo a elementi
finiti ADINA si condu-
cono pertanto analisi
non stazionarie con
non linearità di mate-
riale e di geometria
che prevedono fino ai
3000 s la presenza di
azioni verticali e lo svi-
luppo dell’incendio at-
traverso l’assegnazio-
ne di storie di tempe-
ratura agli elementi in
acciaio di volta in vol-
ta considerati, mentre
oltre i 3000 s, sulla
configurazione ormai
danneggiata dall’in-
cendio, si procede
con analisi non lineari,
note come analisi di
push-over, con le qua-
li è possibile stimare la
capacità portante resi-
dua della struttura
danneggiata.
Si riportano le curve
(moltiplicatore di cari-
co - spostamento oriz-
zontale) per i tre sce-
nari in esame, con-
frontando il tutto con
la 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 tale
tempo, l’applicazione delle forze orizzontali
con moltiplicatori crescenti come sopra illu-
strato. In tutti i casi, l’analisi è condotta fino
all’istante τf, diverso caso per caso, in cui si
raggiunge i collasso della struttura per man-
canza di equilibrio sotto i carichi applicati.
agosto 2008 39antincendio
particolarmente diffusi ed affidabili
ANSYS [19], ADINA [20], NeiNA-
STRAN [21].
Un altro aspetto essenziale da
assegnare nelle analisi strutturali è
la maniera di modellazione delle
non linearità di geometria. Tra i vari
e successivi gradi di modellazione,
si devono considerare senz’altro gli
spostamenti che la struttura subi-
sce, che non possono essere con-
siderati piccoli. Per considerare i
fenomeni d’instabilità che possono
generarsi è, infatti, necessario scri-
vere le equazioni di equilibrio te-
nendo conto dell’influenza degli
spostamenti: la scrittura delle
equazioni di equilibrio deve essere
fatta perciò necessariamente nella
configura zione deformata. Inoltre,
in considerazione delle deformazio-
ni che sono sviluppate dagli ele-
menti strutturali durante lo sviluppo
dell’incendio, le deformazioni do-
vrebbero essere considerate gran-
di: nella Tabella 2, ad esempio, va
notato come la deformazione ulti-
ma arriva al 20%.
Un ulteriore aspetto relativo alla
non linearità di geometria che la
modellazione deve cogliere è il co-
siddetto bowing effect: questo ef-
fetto rappresenta l’avvicinamento
che i due estremi di un’asta subi-
scono per effetto del momento flet-
tente. Il bowing effect influenza
particolarmente la risposta della
struttura quando il comportamento
flessionale provoca grandi rotazio-
ni, [22].
Nel caso in esame, per la model-
lazione degli elementi strutturali,
travi e colonne, attraverso il codice
di calcolo ADINA, sono stati utiliz-
zati elementi isoparametrici (isobe-
am) [23], definendo caratteristiche
geometriche equivalenti a quelle di
sezioni IPE400 per le travi e quelle
agosto 200838 antincendio
Protezionepassivanellecostruzioni
Figura 12 - Combinazione di carico
Figura 13 - Applicazione dei carichi agenti sulla struttura nel tempo
Figura 15 - Risposta strutturale per le configurazioni danneggiate indagate, in
funzione del tempo di applicazione dei carichi
Figura 14 - Risposta strutturale per le configurazioni danneggiate indagate, in
funzione del tempo di applicazione dei carichi; per confronto, è riportata la
configurazione nominale, in assenza di incendio
Protezionepassivanellecostruzioni
05 Bontempi 08.08:. 24-07-2008 9:53 Pagina 38

11. mente la resistenza della struttura. Nel caso
in questione ad esempio, avendo focalizzato
gli 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.
Considerazioni
conclusive
Il problema della sicu-
rezza delle costruzioni
soggette ad azioni acci-
dentali quale, nello specifi-
co l’incendio, è oggi un te-
ma di grande interesse.
Anche se la probabilità di
accadimento di tali eventi
estremi può essere alle
volte estremamente ridot-
ta, le conseguenze posso-
no essere talmente gravi
da 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 di
robustezza strutturale.
Il requisito di robustezza
quindi, coerentemente ad
un comportamento strut-
turale opportunamente
progettato, rappresenta si-
curamente la base per le
tecniche di protezione
passiva che possono es-
sere impiegate per garan-
tire la sicurezza di una
struttura all’incendio.
Dall’esempio riportato
nel presente articolo, si è
visto come lo svolgimento
di analisi non lineari su
configurazioni diversamente danneggiate
dall’incendio, permette l’individuazione degli
scenari critici e la localizzazione degli even-
tuali interventi strutturali per migliorare il
comportamento globale della struttura sog-
getta a incendio.
È quindi possibile capire il comportamento
di una struttura soggetta a fuoco e interveni-
re nei suoi punti critici aumentandone la ro-
bustezza.
agosto 2008 41antincendio
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 moltiplicatore
minimo 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 robustezza
della 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 riduzione
maggiore di capacità portante: nel presente
caso, appare evidente che gli elementi critici
sono quelli coinvolti dallo scenario B.
Il progettista ha quindi indicazioni di dove
poter intervenire per aumentare eventual-
agosto 200840 antincendio
Protezionepassivanellecostruzioni
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
Protezionepassivanellecostruzioni
05 Bontempi 08.08:. 24-07-2008 9:53 Pagina 40

12. Va infine rilevato come la sicurezza struttu-
rale debba considerare il quadro più ampio
della Fire Safety Engineering, come ricorda-
to all’inizio del presente articolo. Questo è,
infatti, l’ambito sistemico in cui ricondursi al
fine di ottenere una sicurezza strutturale che
sia sostanziale.
Ringraziamenti
Gli autori ringraziano sinceramente per il continuo
supporto e gli importanti spunti di riflessione i col-
leghi Ingg. Gioacchino Giomi, Mauro Caciolai,
Claudio De Angelis, Stefano Marsella, del Corpo
Nazionale dei Vigili del Fuoco.
Bibliografia
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20 www.adina.com
21 www.neinastran.com
22 F. Bontempi, C. Crosti, F. Petrini, L. Giulia-
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stazionali di strutture in acciaio in presenza di in-
cendio”. XXI Congresso Catania, Costruire con
l’Acciaio. Catania 1-3 Ottobre 2007.
23 K.J. Bathe, “Finite Element Procedures”,
Prentice Hall 1996.
agosto 200842 antincendio
Protezionepassivanellecostruzioni
Per approfondire l’argomento trattato
in questo articolo si può consultare anche:
Antincendio - Maggio 2008
Costruzioni in acciaio secondo
l’approccio ingegneristico di progetto
F. Bontempi, C. Crosti
Antincendio - Febbraio 2007
Realizzazione e gestione efficace
dei compartimenti antincendio
L. Ponticelli
Antincendio - Agosto 2004
Protezioni passive: così si difende
l’edificio dal rischio di incendi
M. Marchini
Gli articoli citati e le intere annate
di Antincendio, dal 1994 al 2007,
sono consultabili su www.insic.it
il portale per gli specialisti della sicurezza,
nella sezione LETTERATURA
antincendio
lliinnkk
05 Bontempi 08.08:. 24-07-2008 9:53 Pagina 42