Le strutture in legno e la loro resistenza al fuoco | Ingegneri.info

Le strutture in legno e la loro resistenza al fuoco

Qual è la resistenza al fuoco che possiamo considerare nel progetto di strutture in legno in caso di incendio?

image_pdf

Una interessante questione relativa alle strutture in legno riguarda la loro resistenza al fuoco. Vediamo come reagiscono le strutture realizzate con elementi lignei in caso di incendio.

Il legno è un materiale organico combustibile. E se per alcuni aspetti possiamo osservare un funzionamento strutturale concettualmente riconducibile a strutture realizzate con altri materiali, è in condizioni di incendio che si registrano le maggiori differenze con gli altri materiali da costruzione. In caso di incendio, infatti, il legno partecipa alla combustione perdendo massa dalla superficie esposta al fuoco verso l’interno, con velocità dipendente dalla specie legnosa e dalle condizioni igroscopiche.

Ma che cosa succede oltre lo strato carbonizzato? Al di sotto dello strato carbonizzato si può individuare la zona di processo (o zona di pirolisi) di spessore variabile tra i 20 e i 40 mm nella quale si concentrano le trasformazioni di rottura dei legami molecolari. Mentre allo strato di legno carbonizzato non si associa convenzionalmente alcuna caratteristica meccanica, per lo strato di processo si ipotizza una progressiva ripresa delle caratteristiche meccaniche a mano a mano che si riduce la temperatura procedendo verso l’interno. In questo strato si ritiene che la temperatura decresca passando dai 300 °C del livello più esterno – la minima temperatura in corrispondenza della quale il legno si ritiene carbonizzato – fino alla temperatura iniziale del legno in corrispondenza del livello più interno.

Per descrivere l’andamento della temperatura al di sotto della linea di carbonizzazione è disponibile la relazione seguente (da Buchanan):

T = Ti + (Tp – Ti) ∙ (1 – x/a)2,

dove T è la temperatura nello strato di processo; Tp è la temperatura nel livello più esterno dello strato di processo (generalmente pari a 300 °C); x è l’ascissa all’interno dello strato di pirolisi; a è lo spessore dello strato interessato dal riscaldamento (generalmente pari a 40 mm).
Nei calcoli per semplicità e a favore di sicurezza, si assume in genere che una porzione ridotta dello strato di pirolisi non sia in grado di offrire alcuna proprietà meccanica al pari dello strato di legno carbonizzato, mentre, per la restante parte, si assume che essa mantenga inalterate le proprie caratteristiche meccaniche iniziali come lo strato di legno integro.

Andamento della temperatura al di sotto della linea di carbonizzazione del legno (Disegno Luca Ponticelli e Mauro Caciolai)

Torniamo alla struttura esposta al fuoco. La demolizione del legno produce una riduzione delle sezioni resistenti degli elementi con conseguente aumento di temperatura degli strati interni. Questo fenomeno, molto negativo dal punto di vista strutturale, presenta tuttavia due aspetti che consentono di annoverare le strutture in legno tra quelle che manifestano un buon comportamento in caso di incendio e cioè: la velocità di carbonizzazione bassa e costante nel tempo e il relativamente modesto aumento di temperatura che si registra. Vediamo più in dettaglio.
• La velocità di carbonizzazione in presenza di combustione, sia viva che in carenza di ossigeno, è sostanzialmente costante nel tempo. Per il legname utilizzato in campo strutturale tale velocità è relativamente bassa (valori inferiori al millimetro per minuto) in quanto lo strato carbonizzato superficiale riduce l’afflusso di ossigeno agli strati sottostanti. (Attenzione però: quanto indicato per il legname utilizzato in ambito strutturale non trova applicazione nel caso del legname per finiture e arredi per il quale dovranno essere considerati parametri differenti.)
• Il modesto aumento di temperatura che si registra negli strati di legno sottostanti lo strato di pirolisi è l’altro aspetto particolarmente favorevole. Tale fenomeno è connesso alle proprietà intrinseche del legno, in particolare alla sua ridotta conducibilità termica, all’elevato calore specifico e al consistente contenuto di umidità. Si osservi che al raggiungimento dei 100 °C una parte del contenuto di umidità presente nel legno migra verso l’esterno della sezione trasformandosi in vapore d’acqua, mentre una parte migra verso l’interno andando a saturare i pori presenti. Questa caratteristica consente di ritenere gli strati interni della sezione (al di sotto dello strato di pirolisi) sostanzialmente inalterati dal punto di vista meccanico in quanto i valori assunti dalla temperatura sono prossimi a quelli iniziali.

Si può quindi affermare che in un elemento strutturale in legno la perdita della capacità portante è principalmente associabile alla riduzione della sezione e in misura assai minore, in genere trascurabile, alla riduzione delle caratteristiche meccaniche conseguenti all’aumento della temperatura. Inoltre si può affermare che nel legname per uso strutturale la velocità di carbonizzazione è sufficientemente bassa in relazione alle esigenze di stabilità strutturale e sostanzialmente costante nel tempo. Queste due condizioni consentono di ritenere che la prestazione di resistenza al fuoco di un elemento strutturale di legno sia ascrivibile direttamente al materiale stesso e che solo in casi estremi sia necessario ricorrere a sistemi protettivi.

Leggi anche: Il comportamento strutturale dell’XLAM

Copyright © - Riproduzione riservata
L'autore
L'autore
Le strutture in legno e la loro resistenza al fuoco Ingegneri.info