Sicurezza strutturale in caso di incendio: perché non basta più verificare il singolo elemento

Il crollo delle Twin Towers ha mostrato con particolare evidenza quanto possa essere riduttivo valutare la sicurezza di una struttura in incendio considerando separatamente i singoli elementi. In condizioni eccezionali, infatti, il comportamento dell’edificio dipende dall’interazione tra travi, colonne, solai e collegamenti, dalla redistribuzione delle sollecitazioni e dalla capacità dell’intero sistema di trovare percorsi resistenti alternativi.

Durante un incendio il problema diventa ancora più complesso. Le dilatazioni termiche impedite generano azioni indirette, le rigidezze e le resistenze cambiano nel tempo, le sollecitazioni possono modificarsi anche radicalmente e, a grandi deformazioni, possono attivarsi meccanismi che normalmente non vengono considerati nelle verifiche convenzionali, come l’effetto catenaria nelle travi e l’azione di membrana nei solai.

In questo quadro assumono un ruolo decisivo anche i collegamenti, che devono garantire continuità, duttilità e capacità rotazionale durante l’intero ciclo termico. La loro crisi può interrompere i percorsi di trasferimento dei carichi e trasformare un danneggiamento locale in un fenomeno di collasso progressivo.

È in questa prospettiva che acquistano particolare rilievo la Structural Fire Engineering e le analisi termo-meccaniche globali, oggi impiegate soprattutto per edifici alti, strutture strategiche, grandi luci, geometrie complesse e scenari d’incendio non convenzionali. Questi strumenti consentono di seguire l’intera sequenza incendio–riscaldamento–deformazione–ridistribuzione delle azioni, individuando i possibili meccanismi di crisi dell’organismo strutturale.

A venticinque anni dall’11 settembre, la vera evoluzione culturale consiste quindi nel passare dalla domanda “quanto resiste il singolo elemento?” a una domanda più ampia: “come reagisce l’intera struttura quando viene danneggiata e sottoposta all’incendio?”

È su questo cambio di prospettiva che si concentra l’intervista al professor Emidio Nigro, Ordinario di Tecnica delle Costruzioni all'Università Napoli Federico II, che ripercorre l’evoluzione della progettazione strutturale in condizioni di incendio soffermandosi sui limiti delle verifiche riferite ai singoli elementi, sul ruolo dei collegamenti, sulle grandi deformazioni e sui meccanismi di catenaria e di membrana, fino alle analisi termo-meccaniche globali e agli approcci prestazionali. Ne emerge una visione della sicurezza al fuoco sempre più integrata, nella quale il comportamento dell’intero sistema strutturale e il ruolo del progettista strutturale diventano centrali.

La lezione delle Twin Towers: uno scenario multi-hazard, non un incendio convenzionale

A 25 anni dall’11 settembre, quale ritiene sia il principale insegnamento lasciato dal crollo delle Twin Towers?

L’11 settembre ha rappresentato un punto di svolta nella riflessione sulla sicurezza dei grandi edifici nei confronti degli eventi eccezionali. L’insegnamento più importante non riguarda esclusivamente la vulnerabilità delle strutture, in questo caso di acciaio, alle alte temperature, ma la necessità di valutare la risposta della struttura come sistema unitario.

Quello delle Twin Towers fu uno scenario multi-hazard eccezionale, nel quale agli impatti iniziali, al danneggiamento di elementi strutturali e alla compromissione delle protezioni attive e passive seguirono incendi estesi su più piani. Non sarebbe pertanto corretto interpretare quei crolli come la conseguenza di un incendio convenzionale o della semplice perdita di resistenza degli elementi strutturali.

Gli studi successivi hanno però mostrato con grande evidenza che il danneggiamento locale può evolvere attraverso la ridistribuzione delle azioni, la perdita di rigidezza, le grandi deformazioni e l’interazione tra elementi riscaldati e parti più fredde della struttura. La sicurezza in condizioni di incendio non coincide quindi con la sola capacità resistente di travi e colonne considerate isolatamente, ma dipende dalla robustezza dell’intero sistema: continuità, ridondanza, duttilità, efficacia dei collegamenti e disponibilità di percorsi alternativi per il trasferimento dei carichi.

I limiti della verifica elemento per elemento

Perché la verifica del singolo elemento non è sempre sufficiente?

La verifica del singolo elemento strutturale rappresenta una procedura convenzionale consolidata e, per molte strutture ordinarie, adeguata. Essa non riesce tuttavia a descrivere tutti i fenomeni che si manifestano in un edificio reale, nel quale travi, colonne, solai e collegamenti interagiscono continuamente, anche in condizioni di incendio.

Durante un incendio, il riscaldamento è generalmente non uniforme nello spazio e variabile nel tempo. Alcuni elementi si riscaldano e perdono rigidezza più rapidamente di altri, mentre le parti più fredde continuano a esercitare un’azione di vincolo. Di conseguenza, la risposta di ciascun componente dipende non soltanto dalla propria temperatura e dal proprio carico, ma anche dalla rigidezza, dalla resistenza e dalla capacità deformativa degli elementi circostanti.

Un elemento strutturale che, considerato isolatamente, raggiunge una condizione limite può continuare a contribuire alla stabilità globale attraverso l’attivazione di meccanismi alternativi. Al contrario, un elemento apparentemente verificato può trasmettere azioni elevate ai collegamenti ed agli altri elementi (travi e colonne), compromettendo altre parti della costruzione; parimenti la reazione degli altri elementi strutturali alle distorsioni termiche dell’elemento riscaldato altera il regime di sollecitazioni di quest’ultimo.

La prestazione del singolo componente non coincide quindi necessariamente con quella dell’intero edificio.

Dilatazioni impedite e azioni indirette: perché il calcolo elastico non basta

Come incidono dilatazioni termiche, vincoli e ridistribuzione delle sollecitazioni nella risposta globale di una struttura ?

Un elemento strutturale riscaldato, sia esso di acciaio, di calcestruzzo armato o di altra tipologia, tende a dilatarsi. Se tale deformazione avvenisse liberamente, come in un elemento “isostatico”, non produrrebbe variazioni di sollecitazioni apprezzabili. In un edificio, tuttavia, l’espansione termica, ad esempio di una trave, è contrastata dai collegamenti, dalle colonne, dai solai e dalle campate adiacenti. Possono così svilupparsi elevate forze di compressione nella trave stessa, momenti aggiuntivi e spinte sulle colonne, nonché momenti aggiuntivi dovuti alle curvature termiche, con effetti potenzialmente rilevanti sulla loro stabilità.

Questo richiede modelli di analisi termomeccanica avanzati, capaci di considerare le interazioni tra i fenomeni termici e le sollecitazioni variabili nel tempo (azioni indirette). Tale aspetto deve essere affrontato non più mediante un calcolo elastico, ma attraverso un’analisi non lineare, sia dal punto di vista meccanico che geometrico, considerando anche le possibili ridistribuzioni delle sollecitazioni dovute alla duttilità dei materiali e della struttura.

La risposta cambia inoltre nel corso dell’incendio. Nelle fasi iniziali prevalgono generalmente le conseguenze della dilatazione impedita; con l’aumento della temperatura, la riduzione della rigidezza e della resistenza determina inflessioni sempre maggiori e una progressiva ridistribuzione delle azioni. A grandi deformazioni, lo stato di sollecitazione delle travi può passare dalla compressione alla trazione, determinando l’attivazione dell’effetto catena.

È importante considerare anche il raffreddamento. Quando gli elementi iniziano a contrarsi, possono svilupparsi rilevanti forze di trazione nei collegamenti e nelle parti circostanti. Il raggiungimento della massima temperatura non coincide quindi necessariamente con il momento di maggiore vulnerabilità: alcune rotture possono verificarsi durante la fase di raffreddamento.

Effetto catena e azione di membrana: le riserve di resistenza a grandi deformazioni

Quale ruolo assumono grandi deformazioni, effetto catena e azione di membrana?

Le grandi deformazioni non devono essere associate automaticamente all’imminenza del collasso. Se la struttura possiede adeguata continuità e capacità deformativa, esse possono consentire l’attivazione di risorse resistenti non considerate nelle verifiche tradizionali.

Quando una trave perde progressivamente la propria capacità flessionale, può trasferire i carichi attraverso forze assiali di trazione, comportandosi come un elemento sospeso: è il cosiddetto effetto catena, tipico delle membrature metalliche. Analogamente, nei sistemi di solaio, in particolare in quelli composti acciaio-calcestruzzo, può svilupparsi un’azione di membrana capace di ridistribuire i carichi verso le parti perimetrali più rigide o meno esposte.

Questi meccanismi possono aumentare significativamente la robustezza dell’edificio e ritardare il collasso. La loro efficacia, tuttavia, dipende dalla disponibilità di adeguati ancoraggi, dalla continuità delle armature e, soprattutto, dalla capacità dei collegamenti di sostenere grandi rotazioni e rilevanti forze di trazione.

Non basta quindi dimostrare che un meccanismo resistente alternativo possa teoricamente svilupparsi: occorre verificare che tutte le componenti necessarie alla sua attivazione siano in grado di accompagnarlo senza rotture fragili o premature.

I collegamenti: il punto in cui il danno locale diventa collasso progressivo

Quanto sono determinanti i collegamenti?

I collegamenti trave-colonna e trave-trave rappresentano un elemento fondamentale della risposta globale. Essi garantiscono la continuità del sistema, consentono la ridistribuzione delle azioni e rendono possibile l’attivazione dei meccanismi a catenaria e di membrana. La perdita di un nodo può invece interrompere il percorso dei carichi e trasformare un danneggiamento locale in un collasso progressivo.

La loro prestazione non può essere espressa esclusivamente in termini di resistenza ultima. Devono essere valutate anche la rigidezza, la capacità rotazionale, la duttilità, la capacità di sostenere azioni combinate e l’attitudine ad accomodare le deformazioni imposte dalla dilatazione e dalla successiva contrazione termica.

Anche il campo termico del collegamento merita particolare attenzione. Piatti, bulloni, saldature e zone di contatto possono raggiungere temperature diverse da quelle delle travi, generalmente più basse, e presentare differenti velocità di riscaldamento e raffreddamento. Una rappresentazione eccessivamente semplificata della temperatura del nodo può quindi condurre a valutazioni non realistiche della risposta globale.

La storia di carico dei nodi: dalla compressione alla trazione, fino al raffreddamento

Come cambiano le sollecitazioni sui nodi durante l’incendio?

A temperatura ordinaria, i collegamenti sono progettati per determinate combinazioni di taglio, momento e forza assiale. Durante l’incendio, invece, l’entità e persino il segno di queste sollecitazioni possono modificarsi più volte.

Nella fase iniziale, l’espansione delle travi può generare compressioni e spinte sui nodi e sulle colonne. Successivamente, l’aumento delle inflessioni e l’attivazione della catenaria possono produrre elevate forze di trazione. Durante il raffreddamento, la contrazione termica può incrementare ulteriormente tali azioni.

Il collegamento deve quindi sostenere una storia di carico complessa e variabile mentre le proprietà dei materiali si degradano e le deformazioni aumentano. In tale contesto, capacità rotazionale e duttilità possono risultare importanti quanto la resistenza. Un collegamento molto resistente ma fragile può perdere prematuramente la propria funzionalità; un nodo adeguatamente duttile può invece accompagnare le deformazioni e preservare la continuità strutturale.

In una progettazione prestazionale, la domanda non è soltanto quale forza massima il collegamento possa sopportare, ma quali combinazioni di forza e deformazione sia in grado di sostenere durante l’intero ciclo termico, tenendo conto del degrado della sua capacità resistente.

Quando serve davvero l'analisi termo-meccanica globale

Quando è opportuno ricorrere a un’analisi termo-meccanica globale?

Le verifiche semplificate conservano un ruolo essenziale nella pratica professionale. L’analisi globale diventa però opportuna quando le interazioni tra gli elementi, la complessità dello scenario o le conseguenze di un eventuale collasso non possono essere rappresentate adeguatamente mediante verifiche di elementi strutturali singoli.

Ciò avviene soprattutto per edifici alti, strategici o caratterizzati da elevato affollamento; strutture con grandi luci o geometrie non convenzionali; incendi localizzati, naturali o in movimento; sistemi nei quali si voglia tenere conto dell’effetto catenaria o dell’azione di membrana; verifiche di robustezza e collasso progressivo; strutture esistenti con configurazioni o protezioni passive non standard.

L’analisi termo-meccanica globale consente di simulare la sequenza incendio–riscaldamento–deformazione–ridistribuzione delle azioni e di individuare i possibili meccanismi di crisi. Non deve, tuttavia, essere intesa come un esercizio numerico fine a se stesso. La complessità del modello deve essere proporzionata agli obiettivi e supportata da una corretta definizione degli scenari d’incendio, delle proprietà dei materiali, dei collegamenti, delle condizioni al contorno e dei criteri prestazionali.

Ricerca, Eurocodici e pratica professionale: a che punto siamo

A che punto siamo oggi nell’applicazione della Structural Fire Engineering?

Negli ultimi venticinque anni la ricerca ha compiuto progressi rilevanti. Oggi disponiamo di strumenti avanzati per descrivere gli incendi naturali e localizzati, il trasferimento di calore e la risposta termo-meccanica non lineare di interi sistemi strutturali. Sono stati approfonditi il comportamento dei collegamenti, l’effetto catenaria, l’azione di membrana dei solai, il collasso progressivo e la risposta durante il raffreddamento.

Anche la normativa si è evoluta. Gli Eurocodici già nella loro prima formulazione consentono l’impiego di modelli avanzati e approcci prestazionali, mentre la seconda generazione degli Eurocodici sta rafforzando ulteriormente l’attenzione verso la risposta del sistema, i collegamenti e la robustezza.

Nella pratica ordinaria permane però una distanza significativa rispetto alle conoscenze sviluppate dalla ricerca e nelle applicazioni progettuali di avanguardia. Le verifiche elemento per elemento, spesso riferite alla curva nominale d’incendio, rimangono predominanti, mentre le analisi globali sono impiegate soprattutto per opere complesse o di particolare rilevanza.

Occorre ancora lavorare sulla modellazione dei collegamenti, sulla fase di raffreddamento, sugli incendi localizzati e di lunga durata, sul possibile danneggiamento delle protezioni passive e sull’interazione tra incendio, danno iniziale e collasso progressivo. Sono inoltre necessari criteri prestazionali globali più condivisi, procedure trasparenti per la validazione dei modelli e un maggiore impiego delle analisi probabilistiche, in modo da considerare esplicitamente le incertezze relative agli scenari, ai materiali e ai modelli.

Un ulteriore passaggio fondamentale riguarda la formazione. La Structural Fire Engineering richiede l’integrazione di competenze proprie dell’ingegneria strutturale, della dinamica dell’incendio e della progettazione antincendio. La sua diffusione non dipenderà tanto o soltanto dalla disponibilità di software più avanzati, ma soprattutto dalla capacità di formare professionisti in grado di comprendere criticamente i modelli, verificarne le ipotesi e interpretarne i risultati.

Dalla resistenza dell'elemento alla robustezza dell'edificio: il ruolo del progettista strutturale

A venticinque anni dall’11 settembre, il cambiamento culturale più importante consiste nel riconoscere che la sicurezza nei confronti degli eventi eccezionali non può essere affidata unicamente alla resistenza dei singoli componenti. Deve essere ricercata nella capacità dell’intero edificio di tollerare il danneggiamento, ridistribuire le sollecitazioni, anche grazie al comportamento in campo non lineare ed alla duttilità, e mantenere percorsi resistenti alternativi senza sviluppare collassi sproporzionati e rispettando i requisiti richiesti dai livelli di prestazione considerati.

La domanda progettuale non riguarda soltanto quando un elemento attinge il limite della propria capacità resistente, ma come l’intera struttura reagisce al danneggiamento e all’incendio e per quanto tempo riesce a conservare la propria capacità portante globale (livello di prestazione III) e/o ad esibire un limitato danneggiamento, come richiesto ad esempio dai livelli di prestazione IV e V.

L’approccio ingegneristico, con la conseguente modellazione termo-meccanica avanzata, rappresenta in generale la direzione da seguire: nelle costruzioni in acciaio, esso permette di sfruttare riserve di resistenza che l’approccio convenzionale non riesce a considerare.

Il futuro della progettazione delle strutture in acciaio sembra orientato pertanto sempre più verso un’impostazione prestazionale. In questo scenario, i materiali protettivi assumono un ruolo rilevante, ma è necessario caratterizzarli accuratamente anche rispetto alle curve di incendio naturali ovvero verificare la possibilità di estendere alle curve di incendio naturali la caratterizzazione effettuata con riferimento alle curve nominali.

Va poi sottolineato che la responsabilità della sicurezza strutturale in caso di incendio non ricade sul tecnico della prevenzione incendi, pur rivestendo quest’ultimo un ruolo essenziale nella gestione della sicurezza antincendio nel suo complesso. La figura centrale per la sicurezza delle strutture soggette all’azione del fuoco rimane il progettista strutturale.

Non è concepibile una progettazione delle strutture in condizioni di incendio che sia disgiunta o separata dal progetto strutturale generale: la sicurezza strutturale in caso d’incendio costituisce parte integrante e imprescindibile della progettazione strutturale complessiva.

Ad esempio, nel caso di un livello di prestazione IV, occorre garantire, oltre all’assenza di collasso, che gli spostamenti strutturali restino entro limiti accettabili, sia durante lo sviluppo dell’incendio che nel successivo esercizio della struttura. Questo aspetto rientra pienamente nelle competenze e nelle responsabilità del progettista strutturale, che deve verificarne il rispetto nell’ambito della progettazione.

Osservando il diagramma in figura appare evidente come la progettazione strutturale e le fasi esecutive debbano procedere parallelamente alla procedura di prevenzione incendi: non si tratta di due processi distinti, ma di percorsi che devono evolvere in modo coordinato e integrato.

Nel contesto della prevenzione incendi, è certamente necessario definire i requisiti prestazionali attesi per l’opera nel suo complesso, tra cui anche la resistenza al fuoco. Tuttavia, è all’interno della progettazione strutturale che questi requisiti devono trovare concreta attuazione.

Conoscere fin dall’inizio il livello di resistenza all’incendio richiesto permette infatti di scegliere consapevolmente le tipologie strutturali, gli schemi statici e, più in generale, le soluzioni progettuali che già incorporano le esigenze legate alla sicurezza in caso di incendio. Questo approccio consente spesso di evitare l’adozione di protezioni passive posticce o eccessive, che risulterebbero superflue se la struttura fosse concepita fin da subito secondo criteri progettuali più mirati.

Il progettista strutturale, quindi, non è semplicemente coinvolto, ma è il protagonista e responsabile della progettazione della struttura anche in relazione all’azione dell’incendio. Questo approccio consente una visione più completa e ottimizzata del progetto. Infatti, le strutture, se progettate adeguatamente fin dal principio anche nei confronti degli effetti dell’incendio, potrebbero soddisfare i requisiti di resistenza al fuoco (sia nell’ambito dell’approccio convenzionale che di quello ingegneristico-prestazionale) tramite opportune scelte di ottimizzazione degli schemi statici e degli elementi strutturali, tenendo conto anche delle peculiarità di ciascuna tipologia strutturale.

Un’ultima considerazione riguarda la definizione degli scenari di incendio, che costituisce un elemento fondamentale nell’analisi della sicurezza antincendio, in particolare per l’approccio ingegneristico, poiché consente di modellare realisticamente le condizioni che potrebbero manifestarsi in una costruzione. Gli scenari dipendono in maniera significativa dalla tipologia, dalla quantità e dalla distribuzione dei materiali combustibili presenti, oltre che dalla configurazione geometrica e funzionale degli spazi. Tali fattori possono determinare condizioni termiche più o meno gravose rispetto a quelle rappresentate dalle curve di incendio standard.

In questo contesto, un aspetto importante è rappresentato dalla protezione passiva delle strutture. La capacità portante delle strutture in condizioni di incendio può essere garantita in modo intrinseco, ovvero grazie alle proprietà termiche e meccaniche dei materiali che le compongono, oppure tramite l’adozione di sistemi di protezione passiva, come pannelli isolanti o intonaci protettivi, finalizzati a limitare l’incremento di temperatura durante l’esposizione al fuoco. Alla protezione passiva si affiancano i sistemi di protezione attiva, tra cui rientrano gli impianti di spegnimento automatico (ad esempio, impianti sprinkler), il cui obiettivo è quello di controllare o estinguere l’incendio nelle sue fasi iniziali, limitando la diffusione di fumi e calore e migliorando le condizioni per l’esodo degli occupanti e l’intervento delle squadre di soccorso.

Tuttavia, l’integrazione tra sistemi di protezione attiva e la verifica strutturale richiede un’attenta valutazione, in particolare per quanto riguarda le modalità con cui tali sistemi influenzano le strategie di analisi e progettazione della risposta strutturale in caso di incendio. Alcuni approcci metodologici, in particolare nell’ambito del Fire Risk Assessment, suggeriscono di tenere in considerazione la probabilità di malfunzionamento degli impianti attivi. Pur essendo statisticamente bassa, tale probabilità non può essere trascurata, in quanto le conseguenze di un eventuale guasto possono essere critiche, determinando un livello di rischio elevato a fronte di una bassa frequenza.

Di conseguenza, il progettista strutturale è tenuto a valutare esplicitamente lo scenario di incendio in assenza di funzionamento dell’impianto sprinkler, soprattutto ai fini della verifica agli Stati Limite Ultimi (SLU), dove l’obiettivo primario è garantire l’integrità strutturale e prevenire il collasso.

Per le verifiche agli Stati Limite di Danno (SLD), invece, è possibile considerare lo scenario in cui l’impianto sprinkler è correttamente attivo, modulando così i requisiti prestazionali in funzione delle probabilità di intervento efficace del sistema.

Questo approccio consente, in primis, di garantire l’integrità strutturale in caso di malfunzionamento dei sistemi di protezione attiva, attraverso le verifiche allo Stato Limite Ultimo (SLU); dall’altro, nei casi in cui si assume il corretto funzionamento di tali sistemi, di condurre le verifiche allo Stato Limite di Danno (SLD), ottimizzando così le prestazioni strutturali in funzione dello scenario considerato.

È evidente che l’adozione di tale strategia da parte dei progettisti strutturali porta a risultati coerenti e integrati nel quadro della sicurezza antincendio. Diversamente, si osserva che i progettisti impiantistici tendono spesso a focalizzarsi sulla sola efficacia della protezione attiva, affrontando in modo generalmente inadeguato le verifiche strutturali.