Resistenza al Fuoco del Legno Lamellare: Scopri Come la Carbonatazione Protegge e i Metodi di Calcolo Essenziali

Quando si parla di edifici in legno, uno dei pregiudizi più diffusi riguarda la resistenza al fuoco. Il legno si sta dimostrando sempre di più un ottimo materiale da costruzione tanto che negli ultimi anni il suo utilizzo si è ampiamente diffuso. Bisogna quindi sfatare la credenza che un edificio in legno sia il più pericoloso in caso di incendio. 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. Tuttavia, il legno brucia in maniera più controllata e prevedibile rispetto ad altri materiali. Questo fattore però non prescinde dalla necessità di un’attentissima progettazione antincendio nelle costruzioni in legno lamellare, come in quelle ibride, in calcestruzzo o altri materiali.

Il legno lamellare è un materiale composito, costituito essenzialmente da legno naturale, che attraverso un procedimento tecnologico di giunzione e incollaggio a pressione riduce i difetti propri del legno massiccio, garantendo una buona capacità resistente, leggerezza e ottime prestazioni termo-acustiche. Nelle costruzioni, il legno lamellare possiede caratteristiche uniche che lo rendono resistente al fuoco. A differenza di materiali come l’acciaio, che può perdere resistenza già a basse temperature, il legno brucia lentamente e mantiene a lungo la sua capacità portante. Cavanna Group adotta tecnologie avanzate e rispetta i più severi standard antincendio per garantire la sicurezza delle proprie opere. Questo è un valore delle nostre costruzioni: unire la bellezza e la sostenibilità del legno con la massima sicurezza. 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.

Il Fenomeno della Carbonatazione e la Resistenza al Fuoco del Legno

Prima di bruciare il legno deve eliminare inizialmente tutta l’acqua in esso contenuta, sotto forma di umidità. Va sottolineato che non è propriamente il legno a bruciare, ma i vapori del legno nella giusta concentrazione con l’ossigeno nell’aria. 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.

Un elemento in legno a seguito dell’esposizione al fuoco carbonizza la parte superficiale. Lo strato più esterno inizia a carbonizzarsi proteggendo in tal modo gli strati interni e mantenendo per un tempo consistente la sezione resistente. Tale carbonizzazione funge da protezione per la parte più interna che, mantenendosi a temperature inferiori, resiste alle sollecitazioni esterne. 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.

Se si osserva la sezione di un elemento in legno, dopo che è stato sottoposto ad un carico di incendio, si possono individuare 3 strati:

una zona carbonizzata che corrisponde allo strato di legno ormai completamente interessato dal processo di combustione; questa 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;
una zona alterata non ancora carbonizzata ma che ha subito aumenti di temperatura oltre i 100°C, che si assume abbia resistenza residua pari a zero; questo 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;
una sezione residua che mantiene intatte le proprietà di resistenza e di rigidezza iniziali; questo 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 combustione causa una riduzione del materiale, ma non il peggioramento delle sue caratteristiche meccaniche nella sezione residua. Contrariamente ad altri materiali il legno non cede improvvisamente, ma lentamente e gradualmente. Nel caso dell’impiego di abete lamellare, la velocità di penetrazione della carbonatazione è di 0,7 mm/minuto e quindi il collasso delle strutture in legno, causata da incendi, è un’ipotesi abbastanza remota.

La Normativa e la Verifica di Resistenza al Fuoco (REI)

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. Per prevenire un incendio bisogna tener in considerazione 2 aspetti: la reazione al fuoco che esprime la partecipazione del materiale all’incendio e la resistenza al fuoco ossia l’attitudine di un elemento a conservare la resistenza meccanica (R), la tenuta (E) e l’isolamento termico (I).

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. Per quanto riguarda invece 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.

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. Le norme prevedono la considerazione di tre aspetti: la resistenza (requisito R), l’ermeticità (requisito E), e l’isolamento al fuoco (requisito I).

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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. 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.

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.

Metodi di Valutazione della Capacità Portante in Caso di Incendio

La verifica al fuoco di strutture in legno secondo EN 1995-1-2 richiede una valutazione con metodi semplificati o avanzati. Il tecnico può eseguire queste analisi con metodi manuali o mediante l’uso di appositi software.

Metodo della Sezione Trasversale Ridotta (Semplificato)

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. 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.

Metodo Avanzato a Elementi Finiti (FEM)

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. 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. 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.

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L'Uso di Software Specializzati: ThermoCAD 7

ThermoCAD 7 implementa il metodo della sezione trasversale ridotta per carbonizzazione e una analisi ad elementi finiti per la determinazione della distribuzione termica e della riduzione delle resistenze. Un prodotto adatto è ThermoCAD di Concrete che consente analisi per diversi materiali con la redazione di appositi report. Utilizzando il metodo avanzato con analisi ad elementi finiti, la sezione ed i rivestimenti protettivi vengono preliminarmente discretizzati in elementi finiti quadrangolari. 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. Un’altra novità di ThermoCAD 7 è la verifica di isolamento al fuoco delle sezioni in legno, in calcestruzzo e in muratura. Scopri come ThermoCAD 7 supporta la verifica al fuoco delle sezioni in legno e la redazione di report tecnici conformi alle esigenze progettuali.

Verifiche di resistenza al fuoco di elementi strutturali. Capitolo 01.

Ruolo dei Rivestimenti Protettivi

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. 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.

Dettagli Costruttivi e Connessioni Metalliche

È essenziale prestare particolare attenzione ai dettagli costruttivi relativi ai giunti e alle connessioni metalliche, poiché il metallo può perdere gran parte della sua capacità portante quando sottoposto ad alte temperature. L’alluminio, in particolare, presenta una sensibilità termica più pronunciata rispetto all’acciaio. Questo significa che, in un incendio, la resistenza e la rigidezza dell’alluminio possono decadere rapidamente, mettendo a rischio la stabilità dell’intera struttura in legno se i dettagli costruttivi non sono progettati con criterio. Per ottimizzare la progettazione antincendio, è fondamentale conoscere il comportamento dell’alluminio a temperature elevate. Oltre i 200-250 °C, la resistenza dell’alluminio cala sensibilmente; superati i 300 °C, la sua capacità portante si riduce in modo ancora più drastico. Parallelamente, il legno tende a carbonizzare formando uno strato superficiale isolante, ma eventuali spazi vuoti (gap) attorno ai connettori consentono all’aria calda di penetrare più in profondità, favorendo un innalzamento termico del metallo. Posizionando il connettore all’interno della sezione residua è possibile raggiungere la prestazione al fuoco richiesta dal progetto. Ma le esigenze di posa e le tolleranze di installazione possono far nascere una fessura tra gli elementi in legno.

Campagne Sperimentali e Soluzioni Ottimizzate

Nel contesto della progettazione antincendio, le normative internazionali come EN 1995-1-2 (legno) forniscono linee guida per valutare la resistenza al fuoco e la corretta applicazione di dispositivi di protezione passiva e sistemi intumescenti. Le normative però da sole non bastano. Serve mettere alla prova soluzioni e nodi attraverso campagne sperimentali. Ecco perché in Rothoblaas abbiamo condotto test approfonditi su questo tema, inclusi quelli eseguiti dopo la ricerca originale qui citata, condotta da ricercatori dell'Istituto Danese di Tecnologia Antincendio e Sicurezza (DBI) e dell'Università Tecnica della Danimarca (DTU) presso le strutture di prova del DBI.

I test condotti su LOCK T 75215 hanno previsto prove sia su piccola scala (senza carico) sia su larga scala (con carico), così da valutare il suo comportamento in varie situazioni di incendio standard (curva ISO 834). La trave testata è stata progettata per 60 minuti di resistenza al fuoco, valore target in tutte le configurazioni. Quando i test sono stati condotti su campioni a grandezza quasi reale, sottoposti a un carico meccanico, LOCK T MIDI ha mostrato cedimenti in corrispondenza di temperature intorno ai 315 °C:

Gap di 6 mm: il collasso si è verificato a 87 minuti (ben oltre i 60 minuti target).
Gap di 22 mm: il collasso è avvenuto molto prima, a 32 minuti, (una tempistica comunque buona considerando che la connessione era completamente esposta).

Ciò conferma che un gap eccessivo porta a un riscaldamento più rapido e a un conseguente crollo anticipato della capacità portante dell’alluminio. Inoltre, la capacità portante dei connettori si riduce significativamente all'aumentare della temperatura. Le verifiche sperimentali su LOCK T MIDI mostrano con chiarezza quanto la gestione dei gap incida sul comportamento al fuoco dell’alluminio all’interno di sistemi legno lamellare. Per minimizzare i gap è fondamentale mantenere uno spazio il più possibile ridotto tra il connettore in alluminio e la superficie in legno. La scarsa disponibilità di aria ostacola il riscaldamento rapido del metallo, prolungando la resistenza dell’elemento in condizioni di incendio. Se, per ragioni costruttive o di tolleranze, non è possibile evitare un gap più ampio, l’impiego di FIRE STRIPE GRAPHITE può ridurre drasticamente la temperatura massima raggiunta dal connettore. Nei calcoli di progettazione antincendio la valutazione di una connessione ha come punto di partenza la verifica a temperatura ambiente nei riguardi degli stati limite ultimi (ULS). È buona norma progettare la connessione per un tasso di lavoro inferiore all’unità. La scelta ottimale dipende dalle esigenze specifiche del progetto, dal tipo di carico previsto e dal livello di resistenza al fuoco richiesto. Una progettazione antincendio attenta ai dettagli costruttivi rappresenta la via per aumentare il livello di sicurezza e affidabilità strutturale in caso di incendio.

Calcolo del Carico di Incendio Specifico di Progetto

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. 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;
δq2 è il fattore che tiene conto del rischio di incendio in relazione al tipo di attività svolta nel compartimento;
δn = ∏i δn i è il fattore che tiene conto delle differenti misure antincendio del compartimento;
δni è il fattore che tiene conto delle differenti misure antincendio del compartimento;
qf è il valore nominale del carico d’incendio specifico da determinarsi secondo la formula:

qf = Σi (gi · Hi · mi · Ψi) / A