Ricerca e innovazione || giovedì 24 marzo 2022
Con una corretta progettazione e stratigrafie adeguate, le strutture in legno sono in grado di garantire resistenze al fuoco molto elevate e in molti casi da preferire rispetto ad altri materiali da costruzione. La sicurezza della struttura può essere ottenuta in due modi:
Da un punto di vista normativo bisogna valutare la reazione al fuoco e la resistenza al fuoco. Le due definizioni precisano concetti e caratteristiche differenti.
Per reazione al fuoco si intende il grado di partecipazione di un materiale combustibile al fuoco al quale è sottoposto. Ogni materiale, se sottoposto al fuoco, reagisce in maniera differente e per questo motivo la normativa (UNI EN 13501-1) definisce delle sigle per indicare alcune caratteristiche che determinano la reazione.
In particolare viene definito se il materiale è combustibile o meno, se genera del fumo se sottoposto all’incendio e se si genera un gocciolamento incandescente che può portare alla propagazione dell’incendio. Nelle dichiarazioni di prestazione dei materiali viene quindi riportata la sigla che ne identifica la classe di reazione al fuoco. La reazione al fuoco non dice però niente riguardo alla resistenza al fuoco, la quale viene definita anch’essa da un punto di vista normativo da un insieme di sigle che servono a definire la capacità di un elemento di mantenere per un tempo prefissato alcuni parametri.
Nella normale progettazione solitamente si fa riferimento ai seguenti tre parametri R, E, I che definiscono il mantenimento nel tempo di:
R = resistenza meccanica
E = ermeticità al passaggio dei fumi
I = isolamento termico
Per quanto riguarda la resistenza meccanica del materiale sottoposto al fuoco è interessante fare un confronto tra cemento armato, acciaio e legno. Le strutture in cemento armato presentano generalmente delle elevate resistenze. Il calcestruzzo subisce prima un rigonfiamento, con l’aumento della temperatura, e poi una contrazione con l’evaporazione dell’acqua interstiziale. Pertanto, all’aumentare della temperatura, si ha un decadimento delle caratteristiche meccaniche.
L’acciaio è un materiale molto performante dal punto di vista strutturale, in virtù del suo rapporto resistenza/massa per unità di volume. Si tratta quindi di strutture snelle che permettono grande versatilità strutturale. Nel momento in cui la struttura comincia a essere sottoposta ad alte temperature, i vantaggi del materiale non agiscono però in maniera favorevole. Poca massa e alta conducibilità termica implicano incrementi di temperature, veloce decadimento delle caratteristiche meccaniche e prematuro collasso della struttura. Basti pensare che, a una temperatura di 600 °C, la resistenza dell’acciaio allo snervamento risulta dimezzata rispetto a temperatura ambiente.
Il legno ha un comportamento differente dai due materiali analizzati in precedenza. Si tratta di un materiale organico che in caso di incendio partecipa al fenomeno perdendo massa. Una sezione di legno sottoposta a incendio si presenta con uno strato esterno carbonizzato mentre al di sotto di tale strato il materiale risulta intatto e con capacità meccaniche invariate. Il legno per sua natura è un ottimo materiale isolante e per questo motivo, durante un incendio, si forma superficialmente uno strato carbonizzato di circa 4 cm, che funge da “protezione”, sotto il quale la sezione lignea si presenta intatta. Le caratteristiche del legno in presenza di incendio sono parte integrante della progettazione strutturale; infatti la riduzione di sezione in modo costante,prevedibile e controllata porta a definire questo materiale come un buon materiale in caso di incendio.
Nella progettazione di sezioni resistenti al fuoco il metodo più utilizzato è quello della sezione ridotta.
La normativa UNI EN 1995-1-2 fornisce le velocità di carbonizzazione da considerare per la valutazione della sezione residua. Una volta determinata la resistenza in minuti che si vuole ottenere, la normativa fornisce la formula per il calcolo della sezione ridotta da verificare.
Per quanto riguarda pareti e solai prefabbricati, che sono a tutti gli effetti degli assemblati con materiali e stratigrafie differenti a seconda della destinazione d’uso, del produttore e delle caratteristiche che si vogliono ottenere, la normativa fornisce le formulazioni per la progettazione di elementi fino a una resistenza massima REI60 (sezione 5 UNI EN 1995-1-2).
Nel caso siano richieste resistenze superiori a REI60 è necessario sottoporre l’elemento prefabbricato a una prova di laboratorio. Da un punto di vista economico, per gli elementi prefabbricati, risulta vantaggioso studiare una protezione passiva in grado di garantire da sola il raggiungimento dei requisiti di prova. Di conseguenza il calcolo della struttura portante può essere eseguito a freddo.
In generale si può dire che la normativa fornisce delle formulazioni molto cautelative e pertanto, se il prodotto viene immesso sul mercato in grandi quantità, risulta conveniente eseguire delle prove di laboratorio anche per resistenze inferiori a REI60.
Le prove di laboratorio consistono nella chiusura dell’elemento da testare in un forno all’interno del quale si sviluppa un incendio con un andamento normato delle temperature. La prova si interrompe nel momento in cui uno dei requisiti di prova risulti non soddisfatto.
Di seguito si riporta l’esempio di una prova eseguita presso i laboratori della Holzforschung Austria di Vienna su di una parete a telaio in legno classificata a seguito della prova come REI120. Tale prova è stata eseguita da Wolf Haus per avere delle pareti con elevata resistenza al fuoco che trovano solitamente utilizzo in ambiti particolari in cui tale resistenza viene prevista dal progetto antincendio.
Temperatura rilevata dai sensori nel forno di prova.
Una delle difficoltà maggiori nella progettazione del campione di prova consiste nel definire il carico verticale agente sul campione. Tale carico è fondamentale per la definizione delle sezioni della struttura portante in legno.
Una volta certificata, per poter essere utilizzata, la parete dovrà essere realizzata con le stesse sezioni strutturali e la stessa stratigrafia del certificato di classificazione.
Definendo un carico troppo basso si corre il rischio di non poter utilizzare il certificato in molti progetti. Utilizzando un carico troppo elevato si corre il rischio di sovradimensionare la struttura portante e, di conseguenza, di avere dei costi elevati in tutti quei progetti in cui il carico agente risulti essere molto inferiore. Visto il target di utilizzo, per la prova REI120, il carico di prova è stato definito pari a 50 kN/m. Tale carico è stato scelto valutando vari edifici scolastici e case di riposo realizzate negli anni passati. Per raggiungere la resistenza REI120 con la parete in legno, è stata studiata una stratigrafia ad hoc in modo da ottimizzare gli spessori di protezione passiva. Lo strato di protezione passiva è stato realizzato con materiali non combustibili o poco combustibili.
Prima della prova sono stati posizionati molti sensori in modo da rilevare l’andamento delle temperature nei diversi strati e in diverse posizioni. Durante la prova le temperature rilevate dai sensori variavano principalmente in base all’altezza e profondità di posizionamento dei sensori stessi e dal distacco localizzato di materiale sullo strato esterno esposto al fuoco. Sempre durante la prova, analizzando i dati dei sensori negli strati intermedi, ovvero tra i montanti, veniva rilevata dopo 120 minuti una temperatura massima di 85 °C.
Tale temperatura risulta essere molto inferiore alla temperatura di accensione del legno (circa 250 °C). In virtù di questo dato, prima di interrompere la prova ci si aspettava di trovare una struttura portante ancora perfettamente intatta.
Per verificare lo stato della struttura dopo 120 minuti d’incendio si è deciso, una volta raggiunto il target necessario per la certificazione REI120, di interrompere la prova e visionare i singoli strati. Il doppio strato in cartongesso risultava essere completamente consumato lungo tutto lo sviluppo della parete. Lo strato in lana di legno cementizzata risultava essere ancora presente per circa il 50% del suo spessore totale. Rimosso tale strato, si è mostrato il pannello di controventamento completamente intatto.
Il lato interno della lana di legno cementizzata si presentava con la sua colorazione originale, a indicare che non vi era stato passaggio di fumi. Dopo avere rimosso una parte del pannello di controventamento, si verificava che i montanti del telaio in legno risultavano non essere stati attaccati dalle fiamme, così come le lane isolanti interne poste tra i montanti non avevano avuto nessuna variazione.
La stratigrafia utilizzata è risultata essere molto performante e ha permesso di superare facilmente la prova e ottenere la certificazione REI120. L’aspetto visivo dei materiali post prova fa pensare che la parete avesse ancora una resistenza tale da garantire ancora molti minuti prima del collasso.
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