Il legno è un materiale di origine vegetale dotato di specifiche caratteristiche che da sempre ne consentono un largo utilizzo. Viene impiegato molto nel mondo delle costruzioni in quanto è facilmente lavorabile ed ha una elevata resistenza meccanica, oltre ad essere esteticamente bello da vedere. D’altra parte, però, è un materiale estremamente combustibile e per questo potenzialmente pericoloso in ambito edilizio, soprattutto quando viene impiegato in opere pubbliche.
Negli ultimi anni, fortificato anche dal notevole progresso tecnico-tecnologico raggiunto e sostenuto nei suoi crescenti usi da una consapevolezza ambientale maggiore, il legno lamellare ha avuto un grande successo. Il legno lamellare è un materiale composito, costituito essenzialmente di legno naturale, di cui mantiene i pregi (tra i principali ricordiamo l’elevato rapporto tra resistenza meccanica e peso ed il buon comportamento in caso di incendio), ma è anche un prodotto nuovo, realizzato su scala industriale, che attraverso un procedimento tecnologico di incollaggio a pressione riduce i difetti propri del legno massiccio, garantendo una buona capacità resistente, leggerezza e ottime prestazioni termo-acustiche. È un regolatore naturale di umidità e un eccellente moderatore acustico. Ha una robustezza e una elasticità di prim’ordine.
Bisogna quindi sfatare la credenza che un edificio in legno sia il più pericoloso in caso di incendio. Pur essendo realizzate con un materiale combustibile, le strutture in legno lamellare hanno una resistenza al fuoco superiore a quella delle strutture in acciaio o in calcestruzzo armato. Per rispondere correttamente a questa domanda, infatti, basterebbe conoscere le proprietà fisiche-meccaniche del legno, materiale naturale per definizione che, anzi, affascina profondamente per la sua versatilità, la sua duttilità, la sua ecologicità.
Comportamento del Legno in Caso di Incendio: Reazione e Resistenza al Fuoco
Prima di utilizzare il legno nelle varie costruzioni bisogna fare una serie di valutazioni circa il comportamento del materiale nelle varie fasi dell'incendio, la resistenza all'azione delle fiamme e i mezzi per migliorare le prestazioni in caso di incendio. Per prevenire un incendio bisogna tener in considerazione 2 aspetti:
- la reazione al fuoco che esprime la partecipazione del materiale all’incendio;
- la resistenza al fuoco ossia l’attitudine di un elemento a conservare la resistenza meccanica (R), la tenuta (E) e l’isolamento termico (I).
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 combustione; quelli di classe 0 sono non combustibili, come l’acciaio ed il calcestruzzo. Il legno (massiccio o quello costituito da particelle e pannelli di fibre) ha un alto grado di partecipazione al fuoco. Tenendo in considerazione le classi di reazione al fuoco italiane, il legno si colloca tra la 3 e la 5.
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Ricordiamo brevemente che la resistenza al fuoco di un elemento o di una struttura è la capacità dello stesso di conservare stabilità (R), tenuta (E), isolamento termico (I) per un determinato periodo di tempo. Questa verifica viene fatta attraverso una prova di resistenza al fuoco: sottoporre il prodotto ad un processo di riscaldamento che segue la curva standard temperatura-tempo. Con il simbolo REI viene identificato un elemento costruttivo che deve garantire tutti i requisiti della resistenza al fuoco.
Per quanto riguarda la resistenza al fuoco, essa dipende dalla combustione del materiale, nello specifico dalla velocità di carbonizzazione. Essa dipende a sua volta dalla tipologia legnosa considerata, dai fattori ambientali e dalla ventilazione.
Il Fenomeno della Carbonizzazione: Il Segreto della Resistenza del Legno Lamellare
Il segreto del legno, sia nella versione massello sia lamellare, risiede nel fenomeno della carbonizzazione. Solo quando la temperatura di combustione supera i 240°C inizia un processo di carbonizzazione dello strato più esterno che protegge quello più interno con la sezione resistente che non si riduce se non in tempi lunghi. Va sottolineato che non è propriamente il legno a bruciare, ma i vapori del legno nella giusta concentrazione con l’ossigeno nell’aria. Prima di bruciare il legno deve eliminare inizialmente tutta l’acqua in esso contenuta, sotto forma di umidità.
Nel legno, durante un incendio, si possono distinguere 3 strati distinti:
- La zona carbonizzata è quella più esterna che viene perciò investita prima e maggiormente dalle fiamme e quindi dal calore ed è lo strato più interessato al processo di combustione.
- La zona alterata è lo strato centrale e rappresenta il fronte di avanzamento del processo di combustione e da un progressivo aumento della temperatura che può superare anche i 300 gradi.
- La zona inalterata è lo strato più interno che non viene toccato subito dalle fiamme, ma comunque soggetto ad un aumento di temperatura fino a 100 gradi.
La carbonizzazione avviene in modo omogeneo, non ci sono fessure e si crea uno strato protettivo che ritarda la propagazione della fiamma verso l’interno. La combustione causa una riduzione del materiale, ma non il peggioramento delle sue caratteristiche meccaniche. Contrariamente ad altri materiali, il legno non cede improvvisamente, ma lentamente e gradualmente.
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Vantaggi del Legno Lamellare nella Resistenza al Fuoco
Il legno lamellare ha una eccellente resistenza al fuoco in quanto sviluppa il fenomeno della “carbonatazione del legno” che inizia attorno alla temperatura di circa 250 °C. Lo strato più esterno inizia a carbonizzarsi proteggendo in tal modo gli strati interni e mantenendo per un tempo consistente la sezione resistente. Pur essendo realizzate con un materiale combustibile, le strutture in legno lamellare possono avere una resistenza al fuoco pari o superiore a quella di strutture in acciaio o in calcestruzzo armato.
Infatti, nel legno lamellare, grazie al buon isolamento termico realizzato dallo strato superficiale carbonizzato, la combustione avviene lentamente: ad un aumento molto lento della temperatura corrisponde una variazione quasi trascurabile della resistenza meccanica delle fibre di legno della sezione non carbonizzata. La struttura cede o crolla solo quando la parte della sezione non ancora carbonizzata è talmente diminuita da non riuscire più ad assolvere alla sua funzione portante.
Tale comportamento, che deriva dalle caratteristiche fisiche-meccaniche del materiale, contribuisce a fotografare nitidamente la realtà: il collasso delle strutture in legno per incendi è una probabilità remota, potendo avvenire solo per la progressiva riduzione della sezione, dall’esterno verso l’interno e in tempi decisamente lunghi, e non per il decadimento delle caratteristiche meccaniche o per i cedimenti vincolari dovuti alla deformazione delle strutture come avviene per l’acciaio e il calcestruzzo. Proprio grazie al fatto di essere un pessimo conduttore di calore, il legno risulta inoltre un eccellente isolante naturale e fornisce condizioni di microclima ambientale regolari e stabili.
Questo perché la temperatura superficiale delle pareti appena inferiore a quella del locale garantisce una naturale regolazione termo-igrometrica dell’ambiente, dunque un’aria più sana, e per di più con pochissima dispersione di calore (non è un caso se la maggior parte delle case ecosostenibili sono in legno).
Calcolo della Resistenza al Fuoco e Velocità di Carbonizzazione
La resistenza al fuoco di un elemento strutturale in legno lamellare dipende dalla velocità di carbonizzazione, che è possibile calcolare sperimentalmente o analiticamente per diverse specie legnose. Premesso che come tutte le caratteristiche del legno anche la velocità di carbonizzazione è soggetta a grande variabilità, l’unica fonte documentale formalmente valida per questo tipo di calcoli è la tabella 3.1 dell’Eurocodice 5 (UNI EN 1995-1-2).
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Di seguito, una tabella che riporta parte dei valori di velocità di carbonizzazione:
| Materiale | Densità caratteristica | b0 mm/min | bn mm/min |
|---|---|---|---|
| Conifere e faggio legno lamellare incollato | ≥ 290 kg/m³ | 0,65 | 0,7 |
| legno massiccio | ≥ 290 kg/m³ | 0,65 | 0,8 |
| Latifoglie legno massiccio o lamellare incollato | < 290 kg/m³ | 0,65 | 0,7 |
| legno massiccio o lamellare incollato | ≥ 450 kg/m³ | 0,50 | 0,55 |
| LVL LVL | ≥ 480 kg/m³ | 0,65 | 0,7 |
| pannelli pannelli in legno | (vedere nota a) | 0,9a | --- |
| legno compensato | (vedere nota a) | 1,0a | --- |
| altri pannelli a base di legno | (vedere nota a) | 0,9a | --- |
| Nota: a valori validi per uno spessore dei pannelli di 20 mm e densità caratteristica di 450 kg/m³, per altri spessori e altre densità vedere EN 1995 1.2, par. | |||
Gli elementi di legno lamellare incollato devono essere conformi alla EN 14080. Per il legno lamellare incollato con sezione rettangolare, l’altezza di riferimento negli elementi inflessi o la larghezza di riferimento negli elementi tesi è 600 mm. Per altezze a flessione o larghezze a trazione nel legno lamellare incollato minori di 600 mm i valori caratteristici per fm,k e ft,0,k possono essere aumentati tramite il coefficiente kh, dato da:
kh = (600/h)^0.1 * k_mod (dove h è l’altezza degli elementi sollecitati a flessione o la larghezza degli elementi sollecitati a trazione, in millimetri, e k_mod è un fattore di modifica).
Per determinare il requisito della resistenza al fuoco si possono seguire fondamentalmente due tipi di approcci: uno prescrittivo basato sulle normative antincendio studiate in relazione alle differenti possibili utilizzazioni, ed uno prestazionale basato sull’applicazione di modelli di calcolo decisamente complessi.
Calcolo Carico di Incendio Specifico di Progetto
Per capire come si calcola il carico di progetto dobbiamo far riferimento al codice di prevenzione incendi (D.M. 3 agosto 2015). Nel capitolo S.2.9 viene illustrata la procedura per il calcolo del carico di incendio specifico di progetto. Il valore del carico d’incendio specifico di progetto (qf,d) è determinato secondo la seguente relazione:
qf,d = δq1 · δq2 · δn · qf
dove:
- qf,d è il carico d’incendio specifico di progetto [MJ/m²];
- δq1 è il fattore che tiene conto del rischio di incendio in relazione alla dimensione del compartimento, i valori sono definiti dalla normativa;
- δq2 è il fattore che tiene conto del rischio di incendio in relazione al tipo di attività svolta nel compartimento, i valori sono definiti nella normativa;
- δn = ∏i δn i è il fattore che tiene conto delle differenti misure antincendio del compartimento (i valori sono definiti nella tabella S.2-6 del codice di prevenzione incendi);
- δni è il fattore che tiene conto delle differenti misure antincendio del compartimento, i valori sono definiti nella normativa;
- qf è il valore nominale del carico d’incendio specifico da determinarsi secondo la formula:
qf = (∑i gi · Hi · mi · Ψi) / A
dove:
- gi è la massa dell’i-esimo materiale combustibile [kg];
- Hi è il potere calorifico inferiore dell’i-esimo materiale combustibile;
- mi fattore di partecipazione alla combustione dell’i-esimo materiale combustibile, pari a 0,80 per il legno e altri materiali di natura cellulosica e 1,00 per tutti gli altri materiali combustibili;
- A è la superficie lorda del piano del compartimento [m²];
- Ψi è il fattore di limitazione della partecipazione alla combustione dell’i-esimo materiale combustibile pari a:
- 0 per i materiali contenuti in contenitori appositamente progettati per resistere al fuoco per un tempo congruente con la classe di resistenza al fuoco e comunque classe minima almeno EI 15 (es. armadi resistenti al fuoco per liquidi infiammabili, …);
- 0,85 per i materiali contenuti in contenitori non combustibili, che conservano la loro integrità durante l’esposizione all’incendio e non appositamente progettati per resistere al fuoco (es. fusti, contenitori o armadi metallici, …);
- 1 in tutti gli altri casi (es. barattoli di vetro, bombolette spray, …).
Da un lato gli elementi strutturali di legno possono partecipare alla composizione del carico di incendio, d’altra parte lo scopo del calcolo del carico di incendio è determinare la classe di compartimento in base alla quale si verifica successivamente la resistenza al fuoco degli elementi strutturali lignei. Il contributo degli elementi strutturali di legno si determina con il seguente procedimento:
- si individua la classe del compartimento al netto della presenza degli elementi strutturali lignei; tale classe non è inferiore a 15 minuti;
- si passa al calcolo dello spessore di carbonizzazione degli elementi strutturali di legno in relazione alla classe precedentemente individuata, adottando come valori di riferimento della velocità di carbonizzazione quelli contenuti nella norma UNI EN 1995-1-2;
- si può determinare la classe del compartimento, tenendo anche conto del carico di incendio specifico relativo alle parti di elementi strutturali di legno corrispondenti allo spessore precedentemente calcolato che hanno partecipato alla combustione.
Produzione e Vantaggi del Legno Lamellare
Il legno lamellare è un materiale composito, che si produce con diverse assi di legno, dette lamelle. Il lamellare viene prodotto riducendo il tronco in assicelle - ovvero lamelle - generalmente di larghezza non superiore ai 20 cm (per prevenire eccessive deformazioni causate dal fenomeno del ritiro) e ricomponendo le lamelle tramite incollaggio a caldo e sotto pressione, posizionandole tra loro con venatura contrapposta per garantire una maggior uniformità nella resistenza della trave. Le specie più utilizzate sono le conifere: abete rosso, abete bianco, larice, pino e douglasia.
Il principale vantaggio del legno lamellare è la possibilità di realizzare strutture con una luce molto maggiore rispetto a quelle ottenibili con il legno massiccio, permettendo la costruzione di ponti, cupole, tetti e torri. Una normale trave in legno massello ha una sezione quadrata, circolare o rettangolare (ma con scarsa differenza tra altezza e base); una trave lamellare, invece, generalmente ha sezioni rettangolari il cui rapporto tra base e altezza è molto sbilanciato verso l’altezza. Il vantaggio di avere una sezione più alta che larga sta nel fatto che influisce maggiormente su questo valore di resistenza.
Tra gli altri vantaggi, il legno lamellare offre:
- Proprietà antisismiche: grazie a leggerezza, elasticità e resistenza meccanica, il legno assorbe le sollecitazioni e sopporta le deformazioni.
- Alta resistenza al fuoco: la velocità di carbonizzazione, in caso di incendio, è di circa 0,7 mm/min. Ciò permette alle strutture di stare in piedi più a lungo rispetto ad acciaio e cemento, e quindi di facilitare la messa in salvo di persone e cose.
Sempre più utilizzato in edilizia e arredamento, quindi sia per le strutture che per i mobili, il legno lamellare è un’alternativa più ecologica, affidabile, esteticamente pregevole e sicura ad acciaio e cemento armato. Il legno lamellare, già impiegato per serramenti e porte-finestre, oggi è impiegato anche nella realizzazione di grandi strutture come auditorium o piscine proprio per i benefici assicurati dalle sue caratteristiche che lo rendono materiale altamente performante e decisamente duttile.
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