Il comportamento al fuoco delle strutture di legno

Concetti generali
È noto che il legno è un materiale combustibile, questo però non significa che le strutture di legno non possiedano resistenza al fuoco e che siano più vulnerabili rispetto alle strutture di acciaio o di calcestruzzo armato specie se precompresso.

Raramente le strutture di legno contribuiscono in modo sostanziale ad alimentare un incendio ma anzi ne subiscono più spesso le conseguenze, manifestando al riguardo un comportamento almeno non peggiore se non addirittura migliore rispetto a strutture realizzate con altri materiali.

Solaio di legno non crollato a seguito di un incendio. - Trave di legno sottoposta ad incendio.
Sotto lo strato carbonizzato il legno è ancora efficiente dal punto di vista meccanico.

A riprova di quanto sopra analizziamo gli aspetti salienti del comportamento di un elemento strutturale di legno soggetto ad incendio:

• il legno brucia lentamente, la carbonizzazione procede dall’esterno verso l’interno della
sezione;
• il legno non ancora carbonizzato rimane efficiente dal punto di vista meccanico anche se la sua temperatura è aumentata;
• la rottura meccanica dell’elemento avviene quando la parte della sezione non ancora carbonizzata è talmente ridotta da non riuscire più ad assolvere alla sua funzione portante.

Pertanto la perdita di efficienza di una struttura di legno avviene per riduzione della sezione e non per decadimento delle caratteristiche meccaniche.
Il processo di carbonizzazione può portare alla rottura dell’elemento strutturale in un tempo compreso fra alcuni minuti primi e alcune ore, ciò in dipendenza della specie legnosa ma soprattutto delle dimensioni originarie della sezione.

Se poi si confronta il comportamento del legno con quello di altri materiali da costruzione più tradizionalmente utilizzati nel nostro paese, verso i quali normalmente non c’è alcun pregiudizio rispetto alla loro resistenza nei confronti dell’incendio non essendo materiali combustibili, si capisce ancora meglio perché il legno non parta svantaggiato, ma anzi al contrario dell’opinione comunemente diffusa possa essere considerato addirittura preferibile:

• gli elementi strutturali di acciaio non bruciano ma il materiale subisce un rapido decadimento delle caratteristiche meccaniche in funzione della temperatura;
• nelle costruzioni di calcestruzzo armato la resistenza al fuoco è determinata dallo spessore del rivestimento delle armature metalliche (copriferro);
• nelle strutture di legno i punti deboli sono le unioni che presentano elementi metallici a vista come scarpe, piastre, ecc.; queste, se non protette, sono le prime a cedere durante l’incendio.

Resistenza e reazione al fuoco
La resistenza e la reazione al fuoco sono due aspetti molto diversi della sicurezza al fuoco, si ritiene utile richiamarne le definizioni.

Resistenza al fuoco
(D.M.Int. 09/03/2007)
“la capacità portante in caso di incendio, per una struttura, per una parte di struttura o per un elemento strutturale nonché la capacità di compartimentazione rispetto all’incendio per gli elementi di separazione sia strutturali, come muri e solai, che non strutturali, come porte e tramezzi”:

R stabilità: attitudine di un elemento da costruzione a conservare la resistenza meccanica
sotto l’azione del fuoco;

E tenuta: attitudine di un elemento da costruzione a non lasciar passare né produrre - se
sottoposto all’azione del fuoco su un lato - fiamme, vapori o gas caldi sul lato non esposto;

I isolamento termico: attitudine di un elemento da costruzione a ridurre, entro un dato limite, la trasmissione del calore.

Alle strutture a sviluppo lineare (travi e pilastri) generalmente è richiesto il solo requisito R; alle strutture a sviluppo superficiale (solai e pareti), quando queste delimitano un compartimento, sono richiesti anche i requisiti E ed I.
La resistenza al fuoco è una proprietà della struttura e non del materiale che la compone, dipende dalla geometria, dai carichi agenti e dalle condizioni di esposizione; pertanto è una caratteristica che va valutata caso per caso con opportuni procedimenti di seguito esposti.

Reazione al fuoco
La reazione al fuoco è il grado di partecipazione di un materiale combustibile al fuoco al quale è sottoposto. In relazione a ciò i materiali sono assegnati alle classi 0, 1, 2, 3, 4 e 5 con l’aumentare della loro partecipazione alla combustione1; quelli di classe 0 sono non combustibili, come l’acciaio ed il calcestruzzo. Il legno ed i prodotti a base di legno hanno reazione al fuoco 3 o 4.

Le specifiche normative che regolano ciascuna attività fissano la classe massima di reazione al fuoco dei rivestimenti in funzione dell’uso dei locali e della posizione, ad esempio il DM 26/08/1992 “Norme di prevenzione incendi per l’edilizia scolastica” prescrive che nei passaggi quali atrii, corridoi e scale è consentito il rivestimento in classe 1 in ragione del 50% della superficie totale (pareti + soffitto + pavimento), la restante superficie dei rivestimenti deve essere di classe 0.
Il grado di reazione al fuoco è una proprietà del materiale che dipende dalla sua stessa natura e dal trattamento superficiale.

Valutazione della resistenza al fuoco
Il requisito di resistenza al fuoco per le strutture generalmente è limitato alla sola stabilità R; esso corrisponde al tempo che trascorre dall’inizio dell’incendio al crollo della struttura ed è espresso in minuti primi. Il requisito di reazione al fuoco non è richiesto per gli elementi strutturali quali travi e pilastri (L.C. Min. Int. 9/5/89 “Pilastri e travi di legno – Reazione al fuoco”).

Per la verità la Lettera Circolare dice: “limitatamente alle travi e pilastri in legno massiccio o lamellare, non deve essere richiesta la classificazione ai fini della reazione al fuoco”, non contempla quindi le pareti ed i solai a pannello continuo per i quali attualmente non ci sono chiare indicazioni. È opinione dello scrivente che le superfici degli elementi strutturali a sviluppo superficiale (pareti e solai a pannello), costituiscano una importante frazione della superficie totale del compartimento, debbano essere trattate sia come struttura (resistenza) che come rivestimento (reazione) qualora esistano dei requisiti a riguardo in funzione della categoria d’uso e delle dimensioni dell’edificio.

La resistenza al fuoco di un elemento strutturale di legno può essere valutata in tre modi (D.M.Int. 09/03/2007):
• prove (metodo sperimentale)
• calcoli (metodo analitico)
• confronti con tabelle (metodo tabellare)

Il metodo sperimentale (prove) prevede le prove in forno su elementi di caratteristiche equivalenti agli elementi di effettivo impiego nella costruzione dello stesso tipo e dimensioni e soggetti agli stessi carichi di progetto.

Pannello a strati incrociati da 85 mm sottoposto a prova di incendio su forno verticale della durata di 60 min nel 2007 presso il laboratorio di prove al fuoco del CNR-IVALSA a San Michele all’Adige diretto dalla Dott.ssa Giovanna Bochicchio. Nella foto la sezione del pannello al termine della prova; il pannello è formato da 5 strati ognuno di 17 mm, come si nota al termine della prova sono rimasti 3 strati praticamente intatti, pertanto sì è avuta una carbonizzazione di 35-40 mm. Nel grafico a destra la variazione di temperatura durante la prova sulla superficie non esposta; mentre sulla faccia esposta al fuoco le temperature sono arrivate quasi a 1000 °C; sulla faccia non esposta si è avuto un aumento di temperatura di soli 7 °C.

Il metodo analitico (calcoli) si basa su valori di calcolo noti; tali valori sono la velocità di carbonizzazione e la resistenza meccanica, essendo il calcolo da eseguirsi allo stato limite ultimo di collasso.

Nel calcolo analitico della resistenza al fuoco le ipotesi di base sono (per EN 1995-1-2 le ipotesi sono leggermente diverse):

• la carbonizzazione procede perpendicolarmente alle superfici esposte con velocità costante;
• il legno conserva inalterate le proprie caratteristiche di resistenza e rigidezza nella parte non ancora combusta;
• la valutazione della capacità portante viene fatta sulla sezione resistente residua trascurando l’arrotondamento degli spigoli;
• il calcolo viene eseguito allo stato limite ultimo di collasso utilizzando quindi le tensioni di rottura.

I valori da assumersi nel calcolo analitico sono espressi in vari documenti (L.C.M.Int. 26/11/90 per la resistenza meccanica e D.M.Int. 8/3/85 per la velocità di carbonizzazione; norma UNI 9504 “Procedimento analitico per valutare la resistenza al fuoco degli elementi costruttivi di legno”), tuttavia i documenti citati devono considerarsi superati in quanto il DM Int. 16/02/2007 nell’allegato C prescrive l’utilizzo degli Eurocodici, in particolare le norme EN 1991-1-2 (Eurocodice 5) “Azioni generali – Azioni sulle strutture esposte al fuoco” e EN 1995-1-2 “Progettazione delle strutture di legno – Progettazione strutturale contro l’incendio”.

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All'interno dell'articolo si trattano i seguenti argomenti

• I trattamenti ignifughi e le protezioni
• Il carico di incendio per i locali a struttura di legno
  
• Sicurezza antincendio per gli edifici a civile abitazione
  
• Comportamento al fuoco di edifici X-Lam
  
• Il progetto SOFIE

 Articolo a cura di promo_legno