Il Comportamento al Fuoco del Legno Lamellare: Sicurezza e Progettazione Antincendio

Quando si parla di edifici in legno, uno dei pregiudizi più diffusi riguarda la resistenza al fuoco. Il legno come materiale costruttivo porta con sé un pregiudizio atavico: se il legno brucia, come può un edificio in legno essere sicuro in caso di incendio? È vero, il legno brucia. Ma lo fa in maniera più controllata e prevedibile rispetto ad altri materiali. 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. Con il crescente interesse verso i temi dell’ecologia e della sostenibilità, il legno da costruzione sta velocemente conquistando la sua fetta di mercato, e le moderne tecnologie di produzione del legno lamellare offrono soluzioni costruttive di elevata sicurezza.

Comportamento al Fuoco del Legno: Il Processo di Carbonizzazione

Il legno è da sempre il combustibile più utilizzato in natura. Ne sono prova le frequenti immagini di roghi e incendi che distruggono interi territori. Sul fatto che il legno bruci non ci sono dubbi. Tuttavia, 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. Sottoposto a fiamma diretta inizia a bruciare e, raggiunti i 240-300°C, ha inizio il processo di carbonizzazione dello strato più esterno del materiale.

Il segreto di questo materiale, sia nella versione massello sia lamellare, risiede nel fenomeno della carbonatazione: solo quando la temperatura di combustione supera i 240°C inizia un processo di carbonizzazione dello strato più esterno. Questo strato protettivo rallenta il progredire della combustione e preserva, isolandole, le parti del legno non ancora investite dal fuoco, consentendo alla sezione resistente di non ridursi se non in tempi lunghi. La resistenza del legno è legata essenzialmente al modo in cui avviene la combustione di questo materiale. Essa inizia interessando l’elemento ligneo dalla superficie esterna esposta al calore per poi propagarsi successivamente sempre più in profondità. Non è un processo istantaneo e procede con una determinata velocità, chiamata velocità di carbonizzazione.

In realtà, il legno resiste piuttosto bene al fuoco e impiega del tempo per bruciare in modo significativo. Dopo che un elemento in legno è stato sottoposto ad un carico di incendio, si possono individuare tre strati distinti:

• Una zona carbonizzata che corrisponde allo strato di legno ormai completamente interessato dal processo di combustione. È quella più esterna e maggiormente investita dalle fiamme e dal calore.
• 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. Rappresenta il fronte di avanzamento del processo di combustione con 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. È lo strato più interno che non viene toccato subito dalle fiamme, ma comunque soggetto ad un aumento di temperatura fino a 100 gradi.

Il collasso della struttura avviene per la progressiva riduzione della sezione e non per un degrado delle caratteristiche meccaniche del materiale, come invece accade nel caso di strutture in acciaio o in calcestruzzo. Questo comportamento deriva dalle caratteristiche fisiche-meccaniche del materiale: in particolare, la ridotta dilatazione termica, per cui gli elementi strutturali lignei si deformano molto poco; e la bassa conducibilità termica, per cui il legno protegge i connettori metallici e gli impianti inseriti nelle murature lignee.

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Reazione al Fuoco e Resistenza al Fuoco: Parametri Fondamentali

Quando si parla del comportamento al fuoco del legno (sia lamellare che massiccio) è opportuno considerare due parametri importanti. Il primo è la reazione al fuoco, che esprime il grado di partecipazione all’incendio. Il legno (massiccio o quello costituito da particelle e pannelli di fibre) ha un alto grado di partecipazione al fuoco. Secondo le classi previste dalla normativa italiana, il legno si colloca tra la classe 3 e la classe 5 (la più alta), in funzione della specie legnosa.

Il secondo parametro è la resistenza al fuoco, che esprime la capacità del materiale a conservare la resistenza meccanica (R), la tenuta a fiamme vapore o gas caldi (E), e l’isolamento termico (I) per un determinato periodo di tempo. 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. Con il simbolo REI viene identificato un elemento costruttivo che deve garantire tutti i requisiti della resistenza al fuoco. Sulla base del Decreto del Ministero dell’Interno del 9/3/2007, nel quale vengono definite sia la resistenza sia la reazione al fuoco, possiamo asserire che edifici realizzati sia in legno massello sia in legno lamellare garantiscono un R.E.I. adeguato.

Il Ruolo Critico delle Connessioni Metalliche e l'Alluminio

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. Tuttavia, le esigenze di posa e le tolleranze di installazione possono far nascere una fessura tra gli elementi in legno, con potenziali implicazioni sulla sicurezza.

Campagne Sperimentali e Risultati sul Campo: Il Caso LOCK T MIDI

Le normative, da sole, non bastano. Serve mettere alla prova soluzioni e nodi attraverso campagne sperimentali. Ecco perché in Rothoblaas sono stati condotti test approfonditi su questo tema, inclusi quelli eseguiti dopo la ricerca originale 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.

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Campagna Sperimentale sul Connettore LOCK T MIDI

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.

Prove con Carico

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. I risultati hanno evidenziato l'importanza dei "gap" (spazi vuoti) nella connessione:

• Con un gap di 6 mm, il collasso si è verificato a 87 minuti (ben oltre i 60 minuti target).
• Con un 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 in legno lamellare.

Strategie di Progettazione Antincendio e Calcolo

Una progettazione antincendio attenta ai dettagli costruttivi rappresenta la via per aumentare il livello di sicurezza e affidabilità strutturale in caso di incendio. La scelta ottimale dipende dalle esigenze specifiche del progetto, dal tipo di carico previsto e dal livello di resistenza al fuoco richiesto. Ecco alcune strategie fondamentali:

• Minimizzare i gap: 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.
• Integrare materiali intumescenti: 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.
• Progettazione al fuoco: 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.

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. Gli elementi di legno lamellare incollato devono essere conformi alla EN 14080.

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Calcolo del 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.
• 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.
• qf è il valore nominale del carico d’incendio specifico da determinarsi secondo la formula: (∑ (gi · Hi · mi · Ψi)) / A.

Nello specifico per qf:

• 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.

Calcolo della Resistenza al Fuoco delle Strutture in Legno

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:

1. Si individua la classe del compartimento al netto della presenza degli elementi strutturali lignei; tale classe non è inferiore a 15 minuti.
2. 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.
3. 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.

Approccio Normativo e Classi di Resistenza al Fuoco

Per determinare il requisito della resistenza al fuoco si possono seguire fondamentalmente due tipi di approcci: uno prescrittivo e uno prestazionale. L'approccio di tipo prescrittivo è basato su una serie di norme antincendio in funzione della destinazione d'uso dell'edificio.

L'approccio di tipo prestazionale si affianca al quadro normativo nazionale di tipo sostanzialmente prescrittivo, consentendo di determinare le prestazioni di resistenza al fuoco che devono possedere le costruzioni nelle attività soggette al controllo del Corpo nazionale dei vigili del fuoco. Secondo tale approccio, la classe di resistenza al fuoco (15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240, 360) di un edificio è determinata attraverso l'individuazione di alcune caratteristiche dell'edificio tra cui il carico di incendio ed i livelli di prestazione dell'edificio. Il livello di prestazione è la prestazione da richiedere ad una costruzione, in funzione degli obiettivi di sicurezza, mentre il carico di incendio è un parametro quantitativo che deve essere determinato in funzione del potenziale termico netto della totalità dei materiali combustibili contenuti in uno spazio corretto in base ai parametri indicativi della partecipazione alla combustione dei singoli materiali. Il carico di incendio è espresso in MJ; convenzionalmente 1 MJ è assunto pari a 0,054 chilogrammi di legna equivalente.

Esistono inoltre dei fattori correttivi per determinare il carico di incendio che tengono conto della dimensione del compartimento, del fattore di rischio in funzione dell'attività svolta all'interno del compartimento, delle differenti misure di protezione. L'approccio di tipo prestazionale è di fatto obbligatorio per le attività soggette al controllo dei vigili del fuoco e non regolate da specifiche disposizioni antincendio. Nell'approccio di tipo prestazionale l'utilizzo di elementi strutturali costituiti da materiale combustibile può influire nella determinazione della classe di resistenza al fuoco. Ma è veramente così? No. Non è così. E non può essere così perché la causa principale di un incendio non è mai la struttura, ma gli elettrodomestici o i tendaggi e le stoffe in genere. Per rispondere correttamente a questa domanda, infatti, basterebbe conoscere le proprietà fisiche-meccaniche del legno.

Il Legno Lamellare nelle Costruzioni Moderne: Soluzioni Avanzate

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. Le proprietà del legno, precedentemente descritte, sono ulteriormente enfatizzate in quello lamellare che, infatti, presentando sezioni trasversali di non ridotte dimensioni, fornisce elevate garanzie in caso di incendio, ma anche in caso di sisma. Il legno lamellare, già impiegato per serramenti e porte-finestre, oggi è utilizzato 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.

La struttura stratificata del legno lamellare a strati incrociati LIGNO® permette di reagire in modo flessibile alle esigenze di protezione antincendio, ricoprendo il corpo dell'elemento, se necessario, di strati aggiuntivi efficaci o strati a vista pretrattati per la protezione antincendio. La resistenza al fuoco dei solai nervati in legno lamellare a strati incrociati a vista è garantita al di là della combustione teorica del legno. Per la necessaria resistenza al fuoco, gli elementi per solai LIGNO® Rippe vengono configurati con strati supplementari nella sezione trasversale (i cosiddetti strati z: _z26, _z53, _z80). Con il tipico materiale di riporto (breccia di calce) tra le nervature, si crea un componente privo di cavità ai sensi della protezione antincendio.

Gli elementi strutturali configurabili «made of LIGNO®» per soffitti/strutture portanti e di copertura, possono essere realizzati in conformità alla certificazione di collaudo generale (abP) fino alla classe REI 90 secondo la norma EN 13501-2. La particolarità: a tale scopo la superficie di intradosso del soffitto in vero legno non richiede alcun rivestimento in cartongesso. Le superfici in legno pregiate, per le quali sono noti gli elementi costruttivi di Lignotrend, possono quindi rimanere visibili anche nelle costruzioni a più piani. Numerose sovrastrutture sono predefinite anche per gli elementi strutturali della parete di Lignotrend, che risultano essere resistenti al fuoco fino a REI 90.

Con LIGNO® structure X, è possibile considerare con precisione anche i requisiti di resistenza al fuoco per solai e coperture made of LIGNO®. Le classi di resistenza al fuoco R 30, R 60 e R 90 sono integrate nel processo di calcolo strutturale digitale. In questo modo, portanza, usabilità e protezione antincendio vengono valutate in un unico passaggio progettuale.

Dettagli Intelligenti e Soluzioni per la Sicurezza

La protezione antincendio strutturale è garantita anche da soluzioni intelligenti per i dettagli costruttivi:

• Soluzioni di sigillatura per singola linea fino a EI 90: Insieme al produttore HILTI, sono state testate un'ampia varietà di passaggi cavi negli elementi strutturali “made of LIGNO®”. I singoli cavi vengono provvisti ad esempio di mastice sigillante o bende antifuoco.
• Soluzioni di sigillatura combinate per l’installazione a secco: Il passaggio combinato di più cavi attraverso elementi strutturali di separazione viene testato, ad esempio con il mattone antifuoco HILTI. Si installa a secco e senza rivestimento dei bordi interni dell'apertura con gesso.
• Sigillatura di installazioni a parete a partire da EI 60: Per i punti in cui il rivestimento in cartongesso viene penetrato da installazioni elettriche, è stata testata una soluzione antincendio separata all'interno della parete.

Protezione Antincendio Speciale per Luoghi di Riunione

Quando si costruiscono locali atti a contenere un gran numero di persone, in conformità alle disposizioni vigenti in materia dei luoghi di incontro, spesso i controsoffitti e i rivestimenti devono essere costruiti con superfici ignifughe difficilmente infiammabili. Per le superfici dei pannelli acustici LIGNO® Akustik light e LIGNO® Akustik Sport sono state quindi sviluppate delle varianti, a loro volta testate per la loro ignifugazione (classificazione fino a B-s1-d0 secondo EN, sostituisce B1 secondo DIN 4102).

La superficie a vista degli elementi, del tipo di legno in abete bianco e abete rosso profilato con giunti larghi 4 e 6 mm, può essere dotata di agenti ignifughi innocui per la salute, al fine di evitare la propagazione del fuoco. Affinché tale trattamento del legno rimanga invisibile e non modifichi il colore delle superfici chiare in vero legno, Lignotrend utilizza una nuova soluzione di impregnazione a base d'acqua senza boro. Con le due varianti di prodotto 3S_33 e 3G_33, ciascuna con uno spessore di 33 mm, si possono raggiungere le classi di resistenza al fuoco C-s2,d0 o B-s2,d0 secondo EN 13501-1 - esecuzioni speciali addirittura la classe B-s1-d0.

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