Legno Fuoco

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prof. ing. Maurizio PiazzaDipartimento di Ingegneria Meccanica e Strutturale - Università degli Studi di Trento

Resistenza al fuoco delle strutturein legno e legno lamellare

Perché scegliere il legno / legno lamellare per una

struttura in cui si richiede "resistenza al fuoco" ?

Legno & Edilizia - Fiera di VeronaProgettare con il legno21 giugno 2002


COMPORTAMENTO AL FUOCO DEL LEGNO

Il legno, materiale combustibile, brucia Le strutture lignee possono bruciare...

• Materiale organico (per più del 50% C)

• Temperatura di accensione ≅ 200 ÷ 250 °C• Grande sviluppo di energia (≅ 4400 kcal/kg)

…ma avere una buona resistenza al fuoco

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Combustione reazione di ossidazione tra un combustibile ed un comburente, con sviluppo di calore, normalmente caratterizzata da fiamma e fumo

Incendio combustione sufficientemente rapida, che si sviluppa senza controllo nel tempo e nello spazio

Elementi necessari (Triangolo del fuoco) :• combustibile• comburente • fonte di innesco

Dinamica di combustione• innesco• propagazione• esaurimento

Tipi di combustione• lenta, viva, esplosiva • completa, incompleta


La combustibilità del legno costituisce davvero illimite più grave al suo impiego come materiale da costruzione?

Probabilmente i degradi collegati agli attacchi da agenti biologicihanno complessivamente provocato, nel corso del tempo, danni economici più gravi di quelli causati dal fuoco,

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ma questi hanno causato conseguenze più pesanti in termini di vite umane, e, soprattutto, si sono manifestati in maniera drammatica.

Per questo, quindi, l’uso del legno nei componenti edilizi, nel nostro paese, è in gran parte confinato alle chiusure interne ed esterne, per la cui realizzazione costituisce, peraltro il materiale principe, e solo in alcune aree non è stato del tutto soppiantato come elemento strutturale nelle partizioni orizzontali e sub-orizzontali.


L’introduzione di nuove tecniche costruttive basate anche sulla disponibilità di materiali ancillari (in particolare resine sintetiche) ha

però ricondotto il legno all’attenzione di progettisti e costruttori.

Questo rinnovato interesse ha determinato indagini approfondite su:1. i meccanismi secondo i quali avviene la combustione del legno;2. le tecniche per ostacolare questi meccanismi, cioè per “migliorare” il

comportamento al fuoco del legno.

I risultati di queste indagini hanno influenzato la redazione di sistemi di regolesu come utilizzare il legno nei vari aspetti della vita civile, in particolare nell’edilizia.

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Per quanto riguarda il primo punto occorre considerare tre aspetti:

1a) il meccanismo della combustione;1b) il meccanismo della trasmissione del calore;1c) l’evoluzione delle caratteristiche meccaniche del legno con T.

Sorgente di calore

Assenza d’aria

Presenza d’aria

Pirolisi+

residuo carbonioso

Combustione viva+

ceneri

Meccanismo della combustione Bilancio energetico

⇐ Negativo

⇐ Fortemente positivo


Perdita d’acqua 100°C

Inizio degrado (plastificazione della lignina) 120°C

Inizio della pirolisi 170°C

Innesco 200°C

Meccanismo della combustione

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Il comportamento dei materiali e dei componenti utilizzati in edilizia è valutato sulla base di parametri convenzionalila cui conoscenza consente di formulare ipotesi sulla sicurezza dei manufatti in cui tali materiali o componenti sono impiegati

la reazione al fuoco riguarda il comportamento dei materiali

la resistenza al fuoco riguarda il comportamento dei manufatti


Reazione al fuoco è il grado di partecipazione di un materiale combustibile al fuoco al quale è esposto.Essa dipende da intensità e durata dell’azione della sorgente di calore alla quale il materiale è esposto.

Giuridicamente la materia è regolata dal DM del 26/06/84, che stabilisce le prove ed i criteri di valutazione dei risultati, in base ai quali i materiali si suddividono in 6 classi: classe 0 per i materiali incombustibili, classe da 1 a 5 per i materiali combustibili come il legno.Usualmente il legno rientra nella classe 3, ma alcune particolari specie legnose possono rientrare in classe 1.

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Le prove cui va assoggettato un materiale come il legno sono: l’esposizione al

pannello radiante(CSE RF3/77)

L’esposizione alla piccola fiamma (CSE RF 1(o 2)/75/A)


Per quanto riguarda la resistenza al fuoco R essa si può definire come:

la capacità di un manufatto di svolgere le funzioni per cui è stato realizzato per un certo tempo dopo l’inizio dell'incendio

Essa è quindi convenzionalmente espressa in minuti

Le funzioni da garantire sono diverse a seconda che si tratti di elementi :

Ø separanti:la resistenza al fuoco esprime il grado di isolamento termico I, cioè la capacità di un elemento di impedire o rallentare la trasmissione del calore dal lato esposto al lato non esposto al fuocoØ compartimentanti: la resistenza al fuoco esprime il grado di tenuta al fuoco E, cioè la capacità di un elemento sottoposto all’azione del fuoco su un lato di impedire il passaggio di fiamme,vapori o gas e fumi caldi sul lato non esposto

Ø portanti: la resistenza al fuoco riguarda esclusivamente la stabilità R, cioè la capacità dell'elemento di conservare la propria resistenza meccanica sotto l’azione del fuoco

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Il legno è un cattivo conduttore del calore

La propagazione del calore nel legno avviene per trasferimento di massa,in pratica per diffusione di gas caldi.

Il fronte di avanzamento di questi gas determina l’innalzamento della temperatura fino a valori che innescano la demolizione termica del legno, con l’insorgere della carbonizzazione.

La velocità di carbonizzazione può essere e, di fatto, viene assunta come un indice della (minor) capacità del legno di resistere al fuoco

Valori sperimentali: ≈ 0,5 ÷ 0.8 mm/minuto

La temperatura del legno rimane invariata appena al di sotto della superficie che limita la zona interessata dalla combustione !


Quindi si possono considerare le caratteristiche meccaniche della parte del legno non interessata dalla combustione (quella al di là del fronte di carbonizzazione) praticamente costanti

In realtà al di là del fronte di carbonizzazione, in uno strato di profondità limitata la temperatura si porta, a valori che pur non innescando la carbonizzazione alterano le proprietà del legno: tenere conto o meno di questo fatto porta a differenti provvedimenti normativi.

Evoluzione delle caratteristiche meccaniche del legno con la temperatura

Thunell ha ricavato teoricamente l’andamento della resistenza a trazione dell’abete rosso nel campo 20/50 °C: essa non varia in modo importante. I valori sperimentali ricavati da Kollmann e Schultz sono in buon accordo con le previsioni teoriche.

Variazioni praticamente trascurabili

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Definizioni

Incendio normalizzato situazione in cui la relazione temperatura tempo è regolata dalla curva di riscaldamento teorica media (prEN 1363 - 6.1.1)

Linea di carbonizzazione confine tra strato carbonizzato e sezione trasversale residua

Sezione trasversale residua sezione trasversale originaria ridotta dello strato carbonizzato

Sezione trasversale efficace sezione trasversale originaria ridotta dello strato carbonizzato e di un successivo strato per cui si considerano resistenza e rigidezza nulli

Tt= 345 log10 (8 t + 1) + 20


In definitiva il meccanismo di degrado termico del legno si può schematizzare come segue:

def

d0

dchar

Superficie iniziale dell'elemento

Limite della sezione trasversale residua

Limite della sezione trasversale efficace

d char

Superficie iniziale dell'elemento Limite della sezione trasversale

r

b r

h r

r

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UNI-VV.F. 9504 Procedimento analitico per valutare la resistenza al fuoco degli elementi costruttivi di legno

Riguarda singoli elementi strutturali (legno massiccio o lamellare) sottoposti all'incendio normalizzato, non protetti oppure trattati con prodotti ignifughi o protetti con idonei rivestimenti continui/aderenti

prevede

- la valutazione della velocità di carbonizzazione

- la determinazione di una sezione residua

- il calcolo della capacità portante (per rottura o per instabilità) allo statolimite ultimo di collasso, secondo il metodo semiprobabilistico agli stati limite nella sezione efficace ridotta più sollecitata


Esempio di dimensionamento elemento (R=60)

Esposizione su 4 lati

β= 0,7 mm/min

Sezione resistente al t=60'

b = 220-(2x0,7x60) =136 mm

h = 1000-(2x0,7x60)=916 mm

Valutazione allo stato limite ultimo

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Circolare 91 Ministero dell'Interno - Direzione Generale dei Servizi Antincendi(14/09/1961): "Norme di sicurezza per la protezione contro il fuoco dei fabbricati a struttura in acciaio destinati ad uso civile",

- con UNI - VV. F. 9504 (1989): "Procedimento analitico per valutare la resistenza al fuoco degli elementi costruttivi di legno"

- con UNI CNR 192 (1999): "Progettazione di costruzioni resistenti al fuoco"

- con UNI 9723: "Resistenza la fuoco di porte ed altri elementi di chiusura. Prove e criteri di classificazione"

coprono al momento le esigenze del settore


Dal punto di vista delle procedure di prova, la differenza più significativa è quella della curva temperatura tempo, che nella Circolare 91 non è quella fissata da ISO 834, ma una relazione empirica

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

0 3 0 6 0 90 120 150 180

Tempo in minuti

Tem

pera

tura

in

grad

i ce

ntig

radi

b

a

c

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Prevede tre diverse metodologie di calcolazione :

Ø metodo della sezione efficace

Ø metodo della resistenza e rigidezza ridotte

Ø metodi generali di calcolo in cui

Norma Europea sperimentale UNI-ENV 1995-1-2 (a)

la capacità portante e la rigidezza della sezione sono calcolatitenendo conto di:• profondità di carbonizzazione (appendice A della norma)• profilo della temperatura nella sezione residua• gradiente di umidità nella sezione residua• proprietà di resistenza e rigidezza in funzione di temperatura e umidità


Metodo della sezione efficace ENV 1995-1-2 (b)

d d k def char= + ⋅0 0

dchar = profondità di carbonizzazione, dchar=β0·t, k0 = coefficiente variabile tra 0 ed 1;d0 = 7 mm (max. differenza tra sez. residua ed efficace)

Materiale β0

(mm/min.)

a) Conifere Legno massiccio con massa volumica caratteristica ≥290 kg/m

3

ed una dimensione minima di 35 mm 0.8 Legno lamellare incollato con massa volumica caratteristica ≥ 290 kg/m

3 0.7

Pannelli di legno con massa volumica caratteristica di 450 ed una dimensione minima di 20 mm 0.9

b) Latifoglie (legno massiccio o legno lamellare incollato) con mas-sa volumica caratteristica ≥450 kg/m3 e quercia 0.5

c) Latifoglie (legno massiccio o legno lamellare incollato) con mas-sa volumica caratteristica ≥290 kg/m

3 e quercia

0.7

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Metodo della sezione efficace ENV 1995-1-2 (c)

- per la verifica della capacità portante:

f k kf

fi,d mod,fi fik

M,fi

=γ

;

E k kE

fi,d mod,fi fik,05

M,fi

=γ

;

- per le verifiche di deformazione: E kE

fi,d mod, fimean

M,fi

=γ

.

dove: fk è la resistenza caratteristica T normaleEmean è il modulo di elasticità medio T normalekfi× fk = f0,2 è il frattile 20%

kfi=1.25 (legno massiccio)kfi= 1.15 (legno lamellare) e pannelli

γM,f i=1.0kmod,fi=1.0 .


Confronti tra normative

0 10 20 30 40 50 60 t (minuti)

UNIEC5-EEC5-NEC5-S

0.0

0.5

1.0MR,t/ MR,0 Legno lamellare di conifera 220×297 mm

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Sezioni "tozze" e "snelle"(200×230 mm e 153×263 mm)

EC5-N

0 30 60 t (minuti)

1.0

0.5

0.0

Sezione tozza

Sezione snella

EC5-E

0 30 60 t (minuti)

0.5

1.0

0.0

Sezione tozza

Sezione snella

MR,t/MR,0 MR,t/MR,0


dchar,0=β0 t

dchar,n=βn t

prEN 1995-1-2 Final draft (2002-02-28)

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Collegamenti prEN 1995-1-2 (Final draft 2002-02-28) (a)

Ø Collegamenti "meccanici" sono parti essenziali per la statica strutturale

Ø Prestazione del collegamento sotto azione dell'incendio

Ø Collegamenti con elementi metallici (o le parti metalliche) sono spessoil vero punto debole

Ø La parte metallica costituisce:- elemento di trasmissione di calore anche all'interno del legno- presenta deformazioni a caldo incompatibili con il resto della struttura(i.e. controventi, elementi tesi in genere, ecc.)


Tali unioni, purché a comportamento statico globalmente simmetrico, sono considerate dalla normativa europea come soddisfacenti a classi R 15 - 20

Collegamenti non protetti (prEN 1995-1-2) (b)

Il metodo semplificato di riduzione della resistenza si può applicare ma fino ai valori indicati.

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Collegamenti non protetti prEN 1995-1-2 (c)

Oltre il valore tfi ,d (ma max R 30) sono necessari requisiti aggiuntivi:- spessore e larghezza dell'elemento ligneo collegato- distanza dai bordi del mezzo di collegamento (chiodo o spinotto)

da incrementare della quantità:

afi = βn kflux (treq - tfi ,d)kflux = 1,5


Si considera "scontato" 0,5 tf i,d per lastre cartongesso A H (devono rimanere fino a tch ), quindi tch ≥ treq - 0,5 tfi,d

ovvero 1,2 tf i,d per lastre cartongesso F (devono rimanere fino a treq ), quindi tch ≥ treq - 1,2 tfi,d

essendo tf i,d = resistenza collegamento non protettotch = tempo inizio carbonizzazione elemento

Collegamenti protetti prEN 1995-1-2 (d)

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Protezioni prEN 1995-1-2 (e)


Perché scegliere il legno per realizzare elementi costruttivi, sia strutturali che per partizioni, quando è necessario assicurare una determinata resistenza al fuoco ?

Consideriamo l’evoluzione dei parametri meccanici di alcuni materiali da costruzione esposti ad incendio normalizzato

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I trattamenti in grado di modificare alcuni aspetti del processo di combustione del legno, definiti come trattamenti ignifughi o igniritardanti, consistono solitamente nell’applicazione nella massa o in superficie di sostanze capaci di impedire o comunque ritardare l’accensione del materiale.

PROTEZIONE DEL LEGNO DAL FUOCO ?

Si utilizzano fondamentalmente: Ø sistemi di protezione passivaØ trattamenti che agiscono direttamente sul processo di combustione

del materiale

I sistemi di protezione passiva consistono in rivestimenti incombustibili e compatti che esplicano esclusivamente un’azione isolante, in modo da proteggere il legno dall’azione del calore.


Trattamenti in grado di modificare alcuni aspettidel processo di combustione del legno

L’ azione delle sostanze utilizzate si esplica generalmente secondo i seguenti meccanismi:

svolgimento di gas incombustibili che diluendo i gas infiammabili derivanti dalla degradazione termica del legno ne impediscono l’accensione. Esempio: i fosfati ammonici, riscaldati oltre determinate temperature, si decompongono e sviluppano gas, quali l’ammoniaca, che alterando la composizione della miscela combustibile/aria, rendendo impossibile la propagazione di fiamma

inibizione delle reazioni di ossidazione in fase gassosa mediante la neutralizzazione di radicali in grado di combinarsi rapidamente con l’ossigeno , tipo H⋅, OH⋅ e altri, e liberazione di radicali inerti.Esempio tipico di tali sostanze sono i derivati degli alogeni, in particolare composti del Br:H⋅ + R Br → HBr + R⋅ HBr + OH⋅ → H2O + Br⋅

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Trattamenti superficiali sul legno

Prodotti non intumescenti composti da sostanze che sotto l’azione del calore liberano gas non infiammabili o radicali in grado di bloccare le reazioni di ossidazione in fase gassosa estinguendo in tale modo le fiamme

Prodotti intumescenti essenzialmente costituiti da:

§ una sostanza filmogena, avente la funzione di garantire la necessaria adesioneal supporto

§ sostanze che, sotto l’azione del calore, si degradano in un residuo incombustibilee acqua.

§ sostanze che, sotto l’azione del calore, si decompongono svolgendo gas inerti che diluiscono i gas infiammabili provenienti dalla degradazione del legno,impedendone l’accensione e fanno espandere il residuo formando una schiuma(intumescenza o meringa) che solidificando funge da isolante

§ composti di sostanze che sotto l’azione del calore liberano gas non infiammabilio radicali in grado di bloccare le reazioni di ossidazione in fase gassosaestinguendo in tale modo le fiamme


Comportamento al fuoco di elementi strutturali lignei.Il contributo della ricerca alla definizione dell’approccio normativo

Prove di resistenza al fuoco su elementi lignei protettiConsiderazioni sui risultati della sperimentazione fisica

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Relazione Spostamento – Tempo durante la prova fisica

PEJff

l0t0tt

t3

t0

)()( ; == ⋅−

== ηη

η

ft : valore freccia in mezzeria (al tempo t di esposizione al fuoco)(EJ)t=0 : rigidezza flessionale misurata prima dell’esposizioneP : valore di uno dei due carichi applicatiL : distanza fra gli appoggi

η t : parametro indipendente da rigidezza iniziale e dal valore di carico(con determinata configurazione di prova)

η0 : parametro adimensionale


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Diagrammi η0 – Tempo (s) in funzione di “spread rate”

-0,025

-0,020

-0,015

-0,010

-0,005

0,0000 500 1000 1500 2000 2500 3000 (s)

600400200

0

12001000800



Andamento di η0 in funzione dello "spread rate“

a differenti tempi di esposizione

-0,025

-0,020

-0,015

-0,010

-0,005

0,0000 200 400 600 800 1000 1200 (g/m2)

t = 40' t = 35'

t = 30' t = 25'


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Spread rate (g/m2)

0 200 400 600 800 1000 1200 ∆t (t=20') 0,00 2,8 9,0 8,3 9,3 10,3 12,6 ∆t (t=30') 0,00 6,8 10,3 10,5 10,5 11,9 13,3

Ritardo ∆t (minuti) necessario per raggiungere la freccia

che la trave non trattata presenta a t=20’ e t=30’



Valori MoE prima e dopo l’esposizione al fuoco

Valori MoR dopo l’esposizione al fuoco

Spread rate (g/m2) MoE (MPa) prima della prova

MoE (MPa) dopo la prova

MoR (MPa)

reference 10250 -- 39,0 0 10686 10421 23,8

200 10637 10739 28,4 400 9865 9854 27,1 600 9740 9591 35,1 800 10628 10478 32,0

1000 10337 10294 21,6 (*) 1200 10960 10778 37,0

(*) la carbonizzazione ha messo in evidenza una lamella interna fortemente difettata


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Circ. Min. Interno, Direzione Generale dei Servizi Antincendi, 14/09/1961, n. 91Norme di sicurezza per la protezione contro il fuoco dei fabbricati a struttura in acciaio destinati ad uso civile

Art. 2 - Modalità delle prove in forno per l'omologazione dei materiali protettivi….2.4 Dimensioni degli elementi di prova. Gli elementi di prova devono essere di caratteristiche equivalenti agli elementi di effettivo impiego nella costruzione.…..2.5 Condizioni di carico. Tutti gli elementi portanti, in prova per l'omologazione dei materiali protettivi, devono essere sottoposti a prova sotto il carico per essi ammissibile.



prENV 13381-7 Test methods for determining the contribution to the fire resistance of structural members - Part 7: Applied protection to timber members

15.2 Large scale testing ……15.2.2 Beams and columns…Load/Stress: The results from testing a fire protection system applied to a loaded timber beam or column may be applied to beams or columns with applied load less than tested provided that the resultant level of stress is no greater than tested. It may be applied to beams or columns with load greater than tested …, provided that the resultant level of stress is not greater than tested.


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Codice XYZ "Vernice trasparente XYZ“

Certificato di prova della trave protetta da Vernice trasparente XYZ" Finalità della provaLa finalità della prova consiste nella verifica del tempo entro cui il campione in esame conserva la stabilità "R" definita dal D.M. 30/11/1983, paragrafo 1.11.

Descrizione del campione** secondo le dichiarazioni del Committente e in base a controlli effettuati da personale dell'Istituto di certificazione

Il campione sottoposto a prova è costituito da una trave in legno di abete massiccio, lunghezza 4500 mm, sezione 260 x 220 mm e peso 26 kg/m circa, protetta con rivestimento intumescente denominato "VERNICE TRASPARENTE XYZ (cod. xyz)", quantità …, prodotto dal Committente e applicato su tutti i lati a cura del Committente stesso presso il proprio stabilimento secondo il seguente ciclo di trattamento: ….Di seguito è riportato il disegno schematico del campione sottoposto a prova.



Certificato di prova della trave protetta da Vernice trasparente XYZ

Riferimenti normativiLa prova è stata eseguita secondo le prescrizioni della Circolare n. 91 del Ministero dell'Interno - Direzione Generale dei Servizi Antincendi del 14/09/1961 "Norme di sicurezza per la protezione contro il fuoco dei fabbricati a struttura in acciaio destinati ad uso civile".

Apparecchiatura di prova

Modalità della prova…..

Il campione è stato sottoposto per l'intera durata della prova ad un sovraccarico capace di provocare, assieme al peso proprio e al peso dei pannelli in fibra ceramica, il momento flettente massimo M=12,1 kN m, che riproduce le stesse sollecitazioni di esercizio previste dal Committente, corrispondenti ad una sollecitazione di servizio σ = 4,9 N/mm2…


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Certificato di prova della trave protetta da Vernice trasparente XYZ

Classificazione

Dall'esame dei risultati emersi dalla prova eseguita sulla trave in legno d'abete massiccio protetta con rivestimento ìntumescente "VERNICE TRASPARENTE XYZ", sopra descritta e presentata dalla ditta PPPP, si deduce che la durata di resistenza al fuoco della trave protetta stessa è stata di 127 minuti nei confronti del parametro "R".Pertanto, secondo quanto riportato nella Circolare n. 91 del Ministero dell'Interno -Direzione Generale dei Servizi Antincendi del 14/09/1961 e nel D.M. 30/11/1983,

il campione in prova viene classificato R 120

e quindi il campione stesso può essere impiegato in compartimenti antincendio di Classe non superiore a R 120, purché le condizioni di carico non comportino il superamento del momento flettente massimo realizzato durante la prova, pari a M=12,1 kN m, cui corrisponde la sollecitazione unitaria massima σ = 4,9 N/mm2 .



Modalità di prova

secondo la nuova

proposta di normativa europea

prENV 13381-7: Test methods for determining the contribution to the fire resistance of structuralmembers - Part 7: Applied protection to timber members


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⇒ Gli elementi lignei presentano buona resistenza al fuoco

⇒ La resistenza al fuoco non è una caratteristica dei materialima esprime una prestazione dell'elemento (strutturale o non)

⇒ La resistenza al fuoco è convenzionalmente correlata alcomportamento della struttura durante l'esposizione ad un fuoco-modello (ambiente gassoso a T crescente)

⇒ Essa è quindi convenzionale, ma presenta il vantaggio diprodurre risultati "omogenei" e confrontabili, anche perstrutture diverse e diversamente sollecitate

Resistenza al fuoco delle strutture in legno e legno lamellare

Considerazioni conclusive (1)


⇒ Le proprietà della sezione residua non risultano ridotte,in modo significativo, dopo l’esposizione al fuoco

⇒ I sistemi intumescenti possono aumentare R di travi lignee, anche se di pochi minuti (10 ÷ 15)

⇒ Esiste la possibilità che l’incendio esponga difetti inizialmentepresenti (in zone di sezione a minore impegno statico), quindioccorre migliorare la classe resistente anche di lamelle "interne"

⇒ La resistenza della "struttura lignea" non coincide con quella dei singoli "elementi" che la compongono

Considerazioni conclusive (2)

Resistenza al fuoco delle strutture in legno e legno lamellare

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