L’APPROFONDIMENTO: RESISTENZA AL FUOCO

Il legno è un materiale che, quando è usato a fini strutturali, solleva il pensiero del progettista alla seguente equazione: legno = fuoco, poiché è spontaneo collegare la capacità del materiale di ardere e di bruciare fino alla sua totale combustione e al pericolo di crollo (il legno è un prodotto organico di origine vegetale). Tuttavia il suo utilizzo in Italia è in continua espansione.
Si deve porre anzitutto attenzione al fatto che il rischio d'incendio è influenzato in larga misura dal comportamento
al fuoco dei materiali presenti nel compartimento.
Difatti l’incendio si può suddividere principalmente in due fasi:
1. Fase d'innesco (reazione al fuoco).
2. Fase d'incendio e propagazione del fuoco che incide sulle caratteristiche di stabilità e di tenuta dei materiali da costruzione (resistenza al fuoco).
Di qui le seguenti definizioni:
Resistenza al fuoco: attitudine a mantenere la capacità portante sotto l’azione di un incendio “normalizzato”. Per materiali strutturali si misura in minuti primi R15, R30, R45, R60, R90, R120, R180.
Reazione al fuoco: grado di partecipazione al fuoco di un materiale. Per materiali complementari, di finitura o rivestimento classe0, classe1, classe2, classe3, classe4, classe5 viene fornito un certificato di omologazione del
Ministero dell’Interno, rilasciato su prove sperimentali. Il fondamentale concetto che ha determinato uno sviluppo esponenziale delle costruzioni in legno si riassume nel fatto che per i materiali strutturali è importante la resistenza al fuoco.
Il legno è un materiale combustibile, ma resistente al fuoco. In caso di incendio la resistenza meccanica non è influenzata dall’aumento di temperatura nella sezione residua (<100°).
L’acciaio, pur essendo incombustibile (classe di reazione “0”) perde le sue caratteristiche di portanza già a 400°C. Questa temperatura è raggiunta dopo 5 minuti d’incendio standard. Il cemento armato, con gli usuali copriferro (2,5 cm), cede per perdita di capacità portante delle armature soggette a fortissime dilatazioni.
Il fenomeno è più evidente per il c. a. precompresso.
La combustione è una reazione chimica tra un combustibile (legno) - la cellulosa e la lignina sono costituite dal 48% di carbonio - e un comburente (ossigeno) e avviene in presenza di calore nei modi descritti di seguito. Nel legno ciò avviene sulla base di alternanza di reazioni endotermiche ed esotermiche.
La Reazione endotermica (200°-300°) è una fase di pirolisi o carbonizzazione ed avviene in assenza di aria; è una decomposizione termica con emissione di gas infiammabili CO2.
La Reazione esotermica (300°-500°) è una combustione viva ed è caratterizzata dalla presenza di fiamma o incandescenza; la temperatura d’ignizione è di circa 280- 300°C (l’accensione spontanea del legno si verifica normalmente fra i 250 – 280°C).

GRAFICO TRATTO DA ARTICOLO ING. MORUZZI, MARZO 1977, ORDINE INGG. MILANO

Più in dettaglio il processo di combustione si può sintetizzare in tre fasi:
1. dagli 0 ai 200°C: il legno si riscalda con evaporazione dell’acqua contenuta, con emissione dei gas non combustibili CO2; la capacità resistente rimane inalterata se non maggiorata.
2. dai 200 ai 300°C: le reazioni sono ancora endotermiche, ma comincia a svilupparsi, oltre ai gas non infiammabili,
anche l’ossido di carbonio.
3. dai 300 ai 500°C: iniziano le reazioni esotermiche con notevole produzione di calore e gas altamente infiammabili; in tale fase avviene il processo di carbonizzazione e successivo incenerimento; oltre i 500°C le reazioni producono emissioni di gas. Il procedere della combustione dipende anche dall’ossigeno presente, dalla velocità con la quale il calore si trasmette dall’esterno all’interno. Il mantenimento della capacità resistente del legno dipende sostanzialmente dal fatto che le caratteristiche meccaniche (E, s, t) del materiale non sono influenzate grandemente fino a 100°C, temperatura che viene raggiunta all’interno della sezione di legno non prima di un’ora. Solo per piccoli elementi è stato osservato un calo del modulo di elasticità (E secco) pari al 10-15%.
La velocità di carbonizzazione diviene quindi un valore fondamentale per il calcolo della capacità portante di una
struttura di legno e viene determinata con indagini perimetrali.
I valori riscontrati sperimentalmente variano da 0.5-1.1 mm/min e dipendono da massa volumica e contenuto
di umidità del legno. Il legno da costruzione normalmente viene essiccato fino a ottenere nelle fibre una
umidità variabile dal 7% al 18%; nella fase di preriscaldamento- evaporazione viene espulsa l’acqua residua ancora
contenuta nelle fibre; ne consegue che più il legno è secco più è alta la velocità di carbonizzazione.
La velocità di carbonizzazione tuttavia è indipendente da:
- orientamento delle lamelle (per il L.L.);
- incollaggio e tipo di colla;
- orientamento delle lamelle.
Altre caratteristiche positive del legno verso il fuoco sono:
- scarsa infiammabilità dovuta all’impiego per le orditure strutturali di grosse sezioni resistenti con basse superfici
specifiche. (sup. spec = superficie/volume);
- basso coefficiente di dilatazione termica: ? L/L = 0.00005; ne conseguono allungamenti trascurabili dei tiranti e delle catene, dei sistemi a spinta eliminata (capriate, reticolari, incavallature) e quindi senza rischio di cedimenti, riduzione dei giunti, o stati di coazione;
- basso coefficiente di conducibilità termica, 0.13 Kcal/mq h °C, che riduce notevolmente la propagazione del calore all’interno della sezione;
- sicurezza nell’intervento dei Vigili del Fuoco, in quanto i segnali acustici preventivi al cedimento costituiscono
un efficace avviso alle squadre che possono così operare anche all’interno.

IN QUESTA PAGINA: LA PASSERELLA DELLA STAZIONE DI BERNA, OPERA DEGLI ARCHITETTI MATHYS & STÜCHELI .
PAGINA ACCANTO: PASSERELLA SUL RODANO.ING. J.F. PETIGNAT

1. INDICAZIONI PER UNA CORRETTA PROGETTAZIONE ANTINCENDIO
Di fondamentale importanza è la consapevolezza che una corretta progettazione antincendio delle strutture di legno
permette di ottenere alti gradi di sicurezza globale.
Ad esempio, si deve tenere in debito conto che tutti gli elementi strutturali devono appartenere alla stessa classe di resistenza al fuoco.
Quindi anche le connessioni metalliche ed i giunti in acciaio devono possibilmente essere incassati nel legno
oppure protetti da vernici intumescenti:
- le controventature vanno realizzate in legno o in tondino rivestito;
- le orditure minute (correntini e moraletti), se hanno funzione portante ai fini della stabilità globale, vanno ignifugate;
- gli arcarecci vanno appoggiati all’estradosso delle travi principali, piuttosto che vincolati con scarpette.
È inoltre opportuno agevolare lo smaltimento dei fumi nei modi seguenti:
- predisporre dei camini di ventilazione;
- realizzare zone specifiche dei pacchetti di copertura con materiali combustibili, per facilitare l’evacuazione dei fumi.
E l’uso dei trattamenti protettivi?
Le vernici ignifughe possono essere superficiali (pennello) o profonde (autoclave); in ogni caso migliorano la reazione
al fuoco, ovvero l’infiammabilità. Le vernici intumescenti producono un effetto schiumogeno e rallentano la
combustione alzando la temperatura di ignizione.
Tuttavia è spesso meglio sovradimensionare le sezioni di 2-3 cm. per elevare, senza l’uso di trattamenti, la classe
di resistenza al fuoco. Occorre dunque dire sì ai trattamenti perché migliorano la reazione al fuoco e impediscono che il legno funga da innesco, ma bisogna pronunciarsi per un deciso no a un loro uso esclusivo perché col calore e col tempo perdono efficacia; alcune talvolta hanno un brutto aspetto e sono maleodoranti.

2. INQUADRAMENTO NORMATIVO: CRITERI DI CALCOLO
2.1 Norme Italiane
- Circ. Min. Int. n.16 del 1951, Norme di sicurezza locali pubblico spettacolo.
- Circ. Min. Int. n.91 del 1961, Norme di sicurezza protezione fuoco fabbricati a uso civile.
- LETT. CIRC. del 03.03.1976, Copertura impianti sportivi in legno lamellare.
- Circ. Min. Int. n.1212 del 17.05.1980, Reazione al fuoco dei materiali in edilizia.
- Circ. Min. Int. n.16 del 16.06.1980, Modifiche e cambiamento circolare 16 del 1951.
- Circ. Min. Int. del 06.07.1983, Norme sul comportamento al fuoco delle strutture e materiali nei locali di pubblico spettacolo.
- Decr. Min. Int del 06.03.1986
- Decr. Min. Int del 06.03.1986
- Decr. Min. Int del 09.04.1994 (alberghi)
- Decr. Min. Int del 26.08.1992 (scuole)
- Decr. Min. Int del 18.03.1996 (imp. sportivi)
- Decr. Min. Int del 19.08.1996 (locali di pubblico spettacolo)
- Decr. Min. Int del 10.03.98 (criteri generali)
- Decr. Min. Int del 04.05.98 (presentazione domande)

2.2 Normativa UNI 9504 (verifica analitica strutture di legno)
L'aspetto innovativo della UNI 9504 risiede nel fatto che, per la prima volta in Italia, si considera il legno come un
materiale da costruzione le cui caratteristiche possono essere determinate con grande affidabilità, con metodi probabilistici. Lo strumento tecnico d'immediata applicazione si riferisce al fatto che la norma fornisce i valori utili al calcolo di resistenza al fuoco in alternativa a quelli determinabili sperimentalmente con prove in forno.
2.3 Eurocodice 5 -- UNI ENV 1995 Parte 1\2 Fuoco
La parte 1-2 dell'Eurocodice 5 è strutturata in quattro capitoli centrali che introducono le regole di base per risolvere le tre alternative di calcolo esposte, seguiti da cinque appendici, tre di tipo normativo e due di tipo informativo,
che forniscono tutti gli elementi supplementari necessari per la soluzione di analisi più complesse.
Nel Capitolo I. Generalità, viene specificato il campo di applicazione delle procedure descritte, i riferimenti normativi,
i simboli e le definizioni utili ad inquadrare il problema della progettazione contro l'incendio.
Nel Capitolo 2. Principi fondamentali, sono esposte, in funzione delle richieste di prestazione strutturale in caso
di incendio, le corrispondenti azioni e i valori di calcolo da introdurre nelle tre procedure di progetto proposte.
Nel Capitolo 3. Materiali, vengono analizzati gli effetti sui materiali e le relative variazioni delle proprie prodotte
sulle strutture a causa della presenza di fuoco insieme all'influenza positiva prodotta dall'applicazione di eventuali
protettivi contro l'incendio.
Le norme sopra elencate suggeriscono alcuni valori della velocità di carbonizzazione da adottare: velocità di carbonizzazione secondo D.M. 8\03\1985
- travi: estradosso e laterali 0.8 mm\min, intradosso 1.1mm/min pilastri
- altre membrature orizzontali 1.1 mm/min velocità di carbonizzazione secondo UNI 9504
- legno massiccio: 0,9 mm/min.
- legno lamellare: 0,7 mm/min. velocità di carbonizzazione secondo EC5 parte 1-2
- legno di conifere con massa > 290 kg\mc : 0,8 mm/min
- legno lamellare incollato con massa > 290 kg\mc: 0,7 mm/min
- legno di latifoglia con massa >350 kg\mc : 0,7 mm/min.
In tutti i casi la profondità della combustione viene perciò calcolata in relazione alla velocità di combustione con la
formula: spessore carbonizzato= tempox velocità di carbonizzazione.
Di seguito viene indicato un metodo di calcolo di resistenza al fuoco di un elemento pressoinflesso di legno secondo il metodo semiprobabilistico agli stati limite per elementi strutturali in legno: norma UNI 9504:
Valutazione di tipo analitico.
Le verifiche vengono condotte con il metodo analitico della "sezione efficace ridotta" che è alternativo a tutti gli effetti alla valutazione sperimentale per mezzo delle prove al forno UNI 7677 e 7678. Vengono impiegati i metodi e i valori di resistenza Rd indicati nella norma UNI 9504 che per comodità riassumeremo di seguito:
1. velocità di penetrazione alla carbonizzazione:
- legno massiccio: 0.9 mm./min.
- legno lamellare: 0.7 mm./min.
2. resistenze di progetto: (per il legno lamellare)
- flessione //: 240 kg/cmq
- compressione //: 210 kg/cmq
- trazione //: 190 kg/cmq
- taglio: 15 kg/cmq
- modulo elasticità: 100.000 kg/cmq
Nel caso in esame si hanno le seguenti ipotesi di carico per la struttura in esercizio (con esclusione dalle azioni sismiche):
Gk = carichi permanenti (p.p.+manto): kg/mq 25
Q1k = carichi accidentali di lunga durata (sovraccarico di esercizio): non agente
Q2k = carichi accidentali di breve durata (neve ): kg/mq 130.
L'azione di calcolo Sd viene determinata nel modo seguente:
Sd = Gk + Q1k + 0.7 x Q2k.
Lo stato tensionale della sezione ridotta dopo un tempo in minuti pari alla classe calcolata dovrà quindi risultare per ogni elemento strutturale inferiore ai valori di resistenza di progetto.

Lo stato tensionale, dopo un tempo in minuti di esposizione al fuoco pari alla classe R, è inferiore ai valori di
resistenza di progetto di cui alla UNI 9504. Pertanto, all'elemento strutturale oggetto della presente verifica è
possibile assegnare la classe di resistenza al fuoco R 30.

A SINISTRA: L’ASCENSORE DI ACCESSO ALLA PASSERELLA DELLA STAZIONE DI BERNA, OPERA DEGLI ARCHITETTI MATHYS & STÜCHELI