Verifica al fuoco di strutture in legno: metodo semplificato e analisi FEM secondo EN 1995-1-2

Le strutture esposte all’incendio sono soggette ad un decadimento delle prestazioni che deve essere valutato dal progettista al fine di garantire la capacità portante della struttura per un certo intervallo temporale. Le norme prevedono la considerazione di tre aspetti: la resistenza (requisito R), l’ermeticità (requisito E), e l’isolamento al fuoco (requisito I).

Le più recenti norme tecniche per le costruzioni italiane (D.M. 17-01-2018) per la valutazione della capacità portante in condizioni di incendio si riferiscono agli Eurocodici, i quali forniscono criteri di progettazione per le diverse tipologie di struttura. I requisiti di verifica delle strutture in legno soggette all’incendio sono trattati nella norma EN1995-1-2.

Il tecnico può eseguire queste analisi con metodi manuali o mediante l’uso di appositi software. Un prodotto adatto è ThermoCAD di Concrete che consente analisi per diversi materiali con la redazione di appositi report.

Per le sezioni in legno soggette all’incendio, ThermoCAD 7, la nuova versione aggiornata, permette di scegliere tra due metodi di verifica:

• Metodo semplificato
• Metodo avanzato con analisi FEM.

Carbonizzazione del legno e riduzione sezionale: i criteri della EN 1995-1-2

Metodo Semplificato

Un elemento in legno a seguito dell’esposizione al fuoco carbonizza la parte superficiale. Tale carbonizzazione funge da protezione per la parte più interna che, mantenendosi a temperature inferiori, resiste alle sollecitazioni esterne.

Il metodo di verifica semplificato implementato da ThermoCAD è il metodo della sezione trasversale ridotta, descritto al §4.2.2 della EN1995-1-2.

In tale metodo si considera che il fuoco carbonizzi le superfici esposte con una certa velocità di penetrazione, funzione della loro geometria e degli eventuali rivestimenti protettivi e che si calcoli una sezione efficace di verifica, al netto di queste parti carbonizzate. Tale sezione deve essere considerata reagente con resistenze del materiale pari alle resistenze che lo stesso avrebbe a temperatura ambiente.

Rivestimenti protettivi e velocità di carbonizzazione del legno

ThermoCAD implementa il metodo considerando anche la presenza dei rivestimenti protettivi che, in accordo a quanto previsto dall’Eurocodice, riducono la velocità di carbonizzazione delle superfici a cui sono applicati.

È possibile applicare rivestimenti in pannelli di legno, di cartongesso di varie tipologie, di lana di roccia, anche in più strati. È poi disponibile un rivestimento di tipo generico, il cui contributo è calcolato in funzione del tempo di inizio della carbonizzazione t_ch, del tempo di rottura del rivestimento t_f e del fattore moltiplicativo della velocità di carbonizzazione per istanti temporali compresi tra t_ch e t_f.

Verifiche a pressoflessione e taglio sulla sezione ridotta

Definita la geometria della sezione, i rivestimenti e le condizioni di esposizione al fuoco, il programma calcola per ogni istante temporale la sezione trasversale ridotta e conduce le verifiche a pressoflessione e a taglio con le regole dell’Eurocodice 5 per sezioni non esposte al fuoco.

Analisi FEM per il comportamento termico e meccanico delle sezioni in legno esposte al fuoco

Utilizzando il metodo avanzato con analisi ad elementi finiti, la sezione ed i rivestimenti protettivi vengono preliminarmente discretizzati in elementi finiti quadrangolari. Successivamente, il solutore calcola in ogni istante temporale di verifica l’andamento della temperatura all’interno della sezione.

Mappatura delle temperature e riduzione delle proprietà meccaniche

La verifica a pressoflessione viene condotta calcolando, in ogni nodo di ogni elemento finito, le tensioni dovute a flessione e a sforzo normale secondo i due assi principali. Il calcolo delle tensioni considera la diversa temperatura in ogni elemento e quindi un diverso modulo elastico: elementi con temperature maggiori saranno quindi soggetti a tensioni inferiori con minore resistenza, come quelli prossimi alla carbonizzazione.

Verifica a taglio e formule dell’Eurocodice 5 con resistenze ridotte

La verifica a taglio viene condotta calcolando, per un elevato numero di posizioni ortogonali allo sforzo di taglio, le tensioni tangenziali utilizzando una formula di Jourawsky opportunamente adattata per considerare che la distribuzione non uniforme delle tensioni tangenziali in una generica corda.

Note le tensioni normali e tangenziali sui vari elementi, la verifica viene condotta con le formule contenute nell’Eurocodice 5 per le sezioni non esposte al fuoco, considerando però le resistenze ridotte in funzione della temperatura secondo la figura B.4 della EN1995-1-2. Risulta interessante notare come la norma abbia previsto tali coefficienti riduttivi solo per il legno di conifere e non di latifoglie, per le quali è consigliabile l’uso del metodo di verifica semplificato.

RIFERIEMNTI NORMATIVI
UNI EN 1995-1-2:2005
Eurocodice 5 - Progettazione delle strutture di legno - Parte 1-2: Regole generali - Progettazione strutturale contro l’incendio.
UNI EN 1991-1-2:2024
Eurocodice 1 - Azioni sulle strutture - Parte 1-2: Azioni sulle strutture esposte al fuoco.
UNI EN 13501-2:2023
Classificazione al fuoco dei prodotti e degli elementi da costruzione - Parte 2: Classificazione in base ai risultati delle prove di resistenza al fuoco e/o controllo dei fumi, esclusi i sistemi di ventilazione.

Verifica di isolamento al fuoco: limiti di temperatura e durata della prestazione

Un’altra novità di ThermoCAD 7 è la verifica di isolamento al fuoco delle sezioni in legno, in calcestruzzo e in muratura.

Per quanto riguarda il legno, la EN1995-1-2 al punto 2.1.2(3) afferma che il requisito di isolamento possa ritenersi soddisfatto dove l’aumento medio di temperatura sull’intera superficie non esposta è limitato a 140 K, e l’aumento massimo di temperatura in ciascun punto di quella superficie non ecceda i 180 K.

Qualora richiesto nelle preferenze, ThermoCAD calcola gli incrementi di temperatura massimo e medio delle superfici non esposte al fuoco, permettendo di conoscere quindi la durata temporale per cui il requisito di isolamento risulta soddisfatto dalla sezione.

Verifica strutturale a fuoco del legno: dal calcolo analitico al report tecnico

Quando è richiesta la verifica strutturale a fuoco di tipo analitico, il tecnico ha a disposizione uno strumento di calcolo raffinato, in grado di valutare non solo la diffusione delle temperature ma anche vere e proprie verifiche.

La nuova versione di ThermoCAD migliora la produttività velocizzando l’inserimento dei dati e integrando nuove verifiche, diventando uno strumento ancora più flessibile della versione precedente.

Scopri come ThermoCAD 7 supporta la verifica al fuoco delle sezioni in legno e la redazione di report tecnici conformi alle esigenze progettuali.
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Che cos'è la verifica al fuoco di una sezione in legno secondo EN 1995-1-2?

La EN 1995-1-2 (Eurocodice 5 – Progettazione delle strutture di legno – Parte 1-2: Regole generali – Progettazione strutturale contro l'incendio) definisce i metodi per valutare la capacità portante degli elementi lignei esposti al fuoco. La norma richiede di verificare che la struttura mantenga il requisito R (resistenza meccanica) per la durata al fuoco prevista in progetto, modellando la riduzione della sezione resistente causata dalla carbonizzazione superficiale e, nei metodi avanzati, la variazione delle proprietà meccaniche con la temperatura. I requisiti E (ermeticità) e I (isolamento) riguardano invece gli elementi di compartimentazione.

In quali contesti si applica l'analisi al fuoco delle strutture in legno?

La verifica è obbligatoria in tutti i progetti soggetti alla normativa antincendio italiana (D.Lgs. 81/2008, D.M. 3 agosto 2015 e relative regole verticali) che prevedano strutture portanti in legno con requisiti REI assegnati. Si applica a coperture, solai, pareti portanti, travi e colonne in legno massiccio, lamellare GL, LVL e CLT. È richiesta anche nei piani di riqualificazione di edifici esistenti con elementi lignei originali o nuovi, e nelle costruzioni ibride acciaio-legno o calcestruzzo-legno.

Qual è la differenza tra il metodo semplificato e il metodo FEM secondo EN 1995-1-2?

Il metodo semplificato (§4.2.2 EN 1995-1-2) calcola una sezione trasversale ridotta sottraendo lo strato carbonizzato e un ulteriore strato di zero-strength layer, e conduce le verifiche con le resistenze a temperatura ambiente. È applicabile a sezioni semplici esposte su più lati. Il metodo FEM (Appendice B EN 1995-1-2) discretizza la sezione in elementi finiti, calcola la distribuzione termica istante per istante e applica i coefficienti riduttivi delle proprietà meccaniche (kfi) in funzione della temperatura locale: è più accurato, richiede maggiore onere computazionale ed è applicabile a sezioni complesse, rivestimenti multipli e geometrie non standard. Per le latifoglie, la norma non fornisce coefficienti kfi: è consigliato il metodo semplificato. [Verificare specifica tecnica/norma per le specie lignee non coperte da B.4 EN 1995-1-2].

Quali vantaggi offre ThermoCAD 7 rispetto al calcolo manuale?

ThermoCAD 7 automatizza sia la fase termica (mappatura delle temperature via FEM) sia quella meccanica (verifica a pressoflessione e taglio con formula di Jourawsky adattata alla distribuzione non uniforme delle tensioni tangenziali). Integra la gestione dei rivestimenti protettivi con i parametri tch (tempo di inizio carbonizzazione) e tf (tempo di rottura), riduce il rischio di errori manuali nelle iterazioni temporali, e produce report conformi alle richieste delle autorità competenti. La nuova versione 7 ha migliorato l'interfaccia di inserimento dati e aggiunto la verifica del requisito di isolamento (I) per legno, calcestruzzo e muratura.

Come si modellano i rivestimenti protettivi in ThermoCAD?

Il software consente di applicare alla sezione lignea rivestimenti in pannelli di legno, lastre di cartongesso (più tipologie), lana di roccia, in mono o multi-strato. Per ciascun rivestimento il programma calcola la riduzione della velocità di carbonizzazione in accordo con i criteri EN 1995-1-2. È disponibile un tipo di rivestimento generico parametrizzabile tramite tch, tf e un fattore moltiplicativo della velocità di carbonizzazione nell'intervallo temporale compreso tra tch e tf