Strategie di progettazione per la resistenza al fuoco di elementi strutturali in legno

Il legno è un materiale combustibile: tale proprietà ha spesso contribuito a generare dubbi ed equivoci sulla possibilità di un suo utilizzo in edilizia (per elementi strutturali e non) a causa di una presunta inadeguatezza a garantire la resistenza al fuoco delle opere di cui è parte. Al contrario, gli edifici con struttura in legno garantiscono livelli prestazionali di sicurezza paragonabili agli edifici realizzati con altri materiali, purché siano adottate scelte progettuali idonee. Negli ultimi decenni, diversi gruppi di lavoro, sia a livello italiano sia europeo, hanno condotto numerose attività di ricerca sul comportamento al fuoco delle strutture in legno, volte a fornire dati e informazioni di base per un uso corretto di questo materiale. Le attuali conoscenze, sviluppate sulla base di test e di modellazioni con software dedicati, hanno contribuito a migliorare l’approccio alla progettazione al fuoco delle strutture lignee, anche in diretta correlazione con lo sviluppo di tecniche innovative. In generale, la prevenzione e la sicurezza in caso di incendio sono garantite da un insieme integrato di misure di protezione di tipo attivo e passivo. La protezione attiva definisce quell’insieme di misure adottate al fine di ottenere lo spegnimento dell’incendio nella sua fase iniziale. Esempi in tal senso sono i sistemi di rivelazione automatica e di allarme, gli evacuatori di fumo, gli idranti e gli impianti di estinzione o sprinkler. La protezione passiva invece costituisce quell’insieme di misure adottate al fine di ridurre al minimo i danni dell’edificio durante la fase di incendio generalizzato, e si basano sui principi di resistenza al fuoco, reazione al fuoco e compartimentazione dell’edificio.

Partendo dalla conoscenza degli aspetti fondamentali del comportamento di un elemento strutturale in legno soggetto a incendio, se ne può comprendere l’effettiva capacità di resistenza al fuoco e quindi la vasta possibilità di impiego in sicurezza in un campo di applicazioni molto ampio.

Comportamento al fuoco delle strutture in legno
La combustione del legno avviene dalla superficie verso l’interno della sezione esposta e la demolizione del materiale procede con velocità pressoché costante. Il processo di carbonizzazione è molto lento, con velocità comprese in un intervallo di 0,55-1,0 mm/min a seconda della specie legnosa, della densità e del tipo di materiale o prodotto a base di legno, tanto da poter definire dei valori costanti normalizzati per conifere e latifoglie (Tabella 1).
Il legno mantiene praticamente inalterate le sue caratteristiche meccaniche fino a temperature dell’ordine di 110-120 °C. Inoltre, è un pessimo conduttore di calore e lo strato di carbone che si forma sulla superficie esposta al fuoco “protegge” dall’attacco termico la massa sottostante. La perdita di efficienza di una struttura in legno avviene quindi non per decadimento delle proprietà meccaniche ma per riduzione della sezione utile fino a quando non riesce più ad assolvere il compito per il quale è stata dimensionata.

Tabella 1 - Velocità di carbonizzazione di progetto β0 e βn per legno, LVL, rivestimenti di legno e pannelli a base di legno, in conformità alla norma UNI EN 1995-1-2.

Per quanto riguarda il problema della resistenza al fuoco degli elementi di legno e della struttura lignea, il metodo da normativa si basa sul calcolo di una sezione efficace ottenuta riducendo la sezione iniziale di una profondità di carbonizzazione “effettiva”. La sezione trasversale di un elemento strutturale ligneo, ipotizzato esposto al fuoco su tre lati, può essere schematizzata come riportato in Figura 1, nella quale si può distinguere:

• una zona carbonizzata di larghezza soggetta a temperature superiori a 300 °C, priva di qualsiasi resistenza residua (d_char);
• una zona di transizione, di larghezza d_0 con temperature comprese fra 120 e 280 °C e proprietà meccaniche assai inferiori, seppur non nulle, rispetto a quelle iniziali. In questa zona, detta zona di pirolisi, l’aumento di temperatura causa la decomposizione del legno;
• una sezione efficace residua nella quale le temperature sono tali da poter ritenere che il materiale conservi inalterate le proprie caratteristiche di resistenza e di rigidezza.

Figura 1 – Schematizzazione degli effetti dell’esposizione al fuoco sulla sezione trasversale di un elemento strutturale in legno.

ALL'INTERNO DELL'ARTICOLO SI APPROFONDISCE INOLTRE:

• Resistenza e reazione al fuoco
• Approcci di progetto per la sicurezza antincendio
• Descrizione di alcuni test eseguiti
• Descrizione di progetti esemplari