La velocità di carbonizzazione in strutture in legno protette e non protette | Ingegneri.info

La velocità di carbonizzazione in strutture in legno protette e non protette

Come varia la velocità di carbonizzazione in strutture in legno protette e non protette esposte al fuoco? La parola agli esperti

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La velocità di carbonizzazione del legno è senza dubbio la proprietà più importante per l’effettuazione delle verifiche strutturali a caldo, e in funzione del suo valore varia lo spessore di carbonizzazione dell’elemento ligneo. Abbiamo visto come si comportano le strutture in legno in caso di incendio all’azione del fuoco: oltre la zona carbonizzata, passando attraverso la cosiddetta zona di processo o di pirolisi, si ritrova il legno integro. Ma come varia lo spessore di carbonizzazione del legno?

La velocità di carbonizzazione in un elemento ligneo è rappresentata dalla variazione nel tempo (mm/min) della distanza tra la superficie esterna dell’elemento prima dell’inizio della carbonizzazione e la superficie di carbonizzazione stessa, considerata in corrispondenza dell’isoterma a 300 °C.
Occorre considerare la velocità di carbonizzazione sia per le superfici esterne direttamente esposte all’incendio sia per quelle che, nonostante la presenza di una protezione, sono soggette allo stesso fenomeno.

Per la determinazione della velocità di carbonizzazione prendiamo in considerazione delle procedure analitiche valide per un attacco termico rappresentato dall’incendio nominale standard. Possiamo trovarci nell’ipotesi di strutture di legno protette o nell’ipotesi di strutture prive di rivestimenti.
Nel caso di strutture non protette, il progettista può optare per una procedura rigorosa che tenga conto del reale avanzamento della linea di carbonizzazione, compreso il fenomeno di arrotondamento degli spigoli, oppure per una procedura approssimata che trascuri il suddetto fenomeno in virtù di una presunta maggiore profondità dello strato carbonizzato.
La prima procedura è anche detta ad avanzamento monodimensionale, la seconda ad avanzamento nominale.

Consideriamo il caso di avanzamento monodimensionale. L’incremento nel tempo (t) dello spessore di legno carbonizzato durante l’incendio è fornito dalla relazione:

dchar,0(t) = ß0 ∙ t

dove ß0 è la velocità monodimensionale di carbonizzazione.

Nel caso di avanzamento nominale è fornita l’espressione:

dchar,n(t) = ßn ∙ t

dove ßn è la velocità nominale di carbonizzazione.

Nel caso di avanzamento monodimensionale la velocità di carbonizzazione deve essere minore rispetto al caso nominale, dove si trascura la carbonizzazione degli spigoli.
La scelta della modalità monodimensionale o nominale non è del tutto libera, in quanto il progettista deve effettuare un controllo sulla dimensione minima della sezione trasversale residua: se essa risulta superiore a un limite minimo prefissato (bmin), si deve utilizzare l’approccio monodimensionale. In tale caso il raggio r di curvatura di carbonizzazione degli spigoli è assunto pari allo spessore di carbonizzazione. dchar,0.

Il calcolo della minima dimensione (bmin) necessario per l’individuazione del metodo di calcolo dello spessore di carbonizzazione è fornito dalle seguenti espressioni:

bmin = 2 dchar,0 + 80 per dchar,0 ≥ 13 mm,
bmin = 8,15 dchar,0 per dchar,0 < 13 mm.

Consideriamo ora una struttura in legno protetta sottoposta a incendio. Quali fenomeni possiamo osservare? Qual è il contributo dato dall’aggiunta del protettivo? Come varia la velocità di carbonizzazione? Mettiamo a fuoco quelli che sono i fenomeni che caratterizzano una struttura lignea protetta soggetta al fuoco.

Nel caso in cui l’elemento di legno soggetto al fuoco sia protetto da un rivestimento, si osservano in genere i seguenti fenomeni:
• la carbonizzazione del legno inizia con un certo ritardo;
• dopo un determinato intervallo di tempo, si assiste al collasso del rivestimento protettivo;
• l’inizio della carbonizzazione del legno può avvenire prima del collasso del rivestimento protettivo e se ciò avviene l’avanzamento della linea di carbonizzazione, in presenza di rivestimento, è rallentato;
• dopo il collasso del rivestimento protettivo, la velocità di carbonizzazione raggiunge valori superiori a quelli di norma, ma fino all’istante in cui lo spessore di materiale carbonizzato dell’elemento protetto eguaglia lo spessore che risulterebbe carbonizzato se lo stesso non fosse protetto (e comunque dopo i 25 mm di avanzamento);
• dopo tale istante la velocità di carbonizzazione del legno assume i valori propri della specie di legno non protetto.

Da quanto sopra evidenziato, appare chiaro che per determinare il contributo del protettivo alla resistenza al fuoco dell’elemento di legno, occorre valutare i seguenti parametri:
• l’istante di inizio della carbonizzazione del legno protetto (tch);
• l’istante di collasso del protettivo (tf);
• l’istante in cui la velocità di carbonizzazione risulta “indisturbata” (ta);
• la velocità di carbonizzazione nell’intervallo di tempo fra tch e tf2);
• la velocità di carbonizzazione nell’intervallo di tempo compreso fra tf e ta3).

Per la determinazione dei parametri suddetti occorrono specifiche indagini sperimentali oggi descritte da norme di prova armonizzate. In alternativa, ma soltanto per un numero ristretto di rivestimenti protettivi, l’Eurocodice EN 1995-1-2 fornisce una serie di espressioni adeguatamente conservative. Di queste espressioni si dà di seguito una sintetica elencazione rimandando alla lettura dell’Eurocodice citato per una corretta applicazione.

Per il calcolo dell’istante di inizio della carbonizzazione (tch) vengono utilizzate una serie di espressioni che variano al variare del protettivo utilizzato (pannelli di legno, lastre in gesso, protettivi in lana di vetro o di roccia), sempre in funzione dello spessore del protettivo.

Per il calcolo del tempo di collasso del protettivo (tf), si utilizzano le espressioni:
tf = tch = hp0 nel caso di rivestimenti in legno, e tf = tch = 2,8 hp – 14 per rivestimenti in gesso tipo A o H.
Per il calcolo dell’istante ta in cui la velocità di carbonizzazione diventa pari a quella del legno non protetto (istante di “equilibrio”), bisogna controllare se lo spessore di carbonizzazione supera i 25 mm o se lo spessore carbonizzato eguaglia quello che si avrebbe qualora il materiale non fosse protetto. In entrambi i casi, dopo il raggiungimento di uno dei due limiti di cui sopra, la velocità di carbonizzazione diventa pari a quella dell’essenza non protetta.

Per il calcolo della velocità di carbonizzazione del legno protetto negli istanti compresi tra quello di inizio carbonizzazione e quello di equilibrio si utilizzano le espressioni:
per tch ≤ t ≤ tf ß2 = k2∙ß0 oppure ß2 = k2∙ßn (k2 ≤ 1), essendo:
k2 = 1-0,018 hp

per lastre di gesso di tipo F, e
k2 = 1 per his = 20 mm
k2 = 1 – [0,4 (his – 20)] / 25 → per 20 ≤ his ≤ 20 mm
k2 = 0,6 per his > 45 mm

per lana di vetro o di roccia entro i 1000 °C essendo his lo spessore dell’isolante (in mm),
per tf < t ≤ ta ß3 = k3∙ß0 oppure ß3 = k3∙ßn (k3 = 2).

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