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Resistenza al fuoco di solai in legno lamellare incrociato

Massimo Fragiacomo*, Agnese Menis*, Isaia Clemente**

*Università degli Studi di Sassari, Dipartimento di Architettura, Design e Urbanistica, Alghero

**Università degli Studi di Trieste, Dipartimento di Ingegneria e Architettura, Trieste

L’articolo presenta uno studio sulla resistenza al fuoco di solai in legno lamellare incrociato

(“crosslam”). L’obiettivo della ricerca è la previsione analitica e numerica della resistenza

di tali elementi strutturali in condizione d’incendio, ed il confronto con prove sperimentali in

grande scala. Una serie di prove sperimentali a temperatura ambiente e in condizione

d’incendio sono state eseguite su pannelli in crosslam, protetti e non, presso l’Istituto Cnr-

Ivalsa di San Michele all’Adige (TN). La resistenza al fuoco è determinata analiticamente

utilizzando il metodo semplificato della sezione residua efficace proposto dalla normativa

europea. La valutazione numerica è condotta implementando una modellazione agli elementi

finiti nel codice di calcolo Abaqus. I risultati numerici e le previsioni analitiche mostrano

buone approssimazioni dei dati sperimentali.

INTRODUZIONE

I pannelli in legno lamellare incrociato (“crosslam”) trovano sempre maggiore impiego nel

campo delle costruzioni, civili e non, grazie alla loro capacità resistente, alla leggerezza, alla

possibilità di prefabbricazione, alle prestazioni termiche e acustiche. I pannelli sono formati

da strati di tavole disposti ortogonalmente tra loro (figura 1); gli strati sono denominati

“paralleli”, se le fibre delle tavole seguono la direzione principale del pannello, e

“ortogonali”, se invece le fibre sono disposte perpendicolarmente alla stessa [1]. Il numero di

strati e lo spessore variano a seconda del produttore.

Gli elementi strutturali in legno, nonostante la nota combustibilità del materiale, hanno un

buon comportamento al fuoco se la loro sezione trasversale non è di ridotte dimensioni. A

seguito dell’esposizione al fuoco, il legno degrada perdendo la propria capacità resistente. Al

raggiungimento della temperatura di carbonizzazione, fissata dalla normativa europea [2] in

300°C, la resistenza e la rigidezza del materiale diventano nulle determinando così la

riduzione della sezione resistente degli elementi strutturali. Lo strato di materiale carbonizzato

presenta tuttavia proprietà isolanti, che permettono di rallentare la propagazione del calore

nella sezione rimanente. Le proprietà termiche, fisiche e meccaniche del legno variano in

funzione della temperatura e diverse leggi di variazione sono state proposte da vari autori [3].

Attualmente l’Eurocodice 5, parte 1-2 [2] prevede due metodi di calcolo analitico per la

previsione della resistenza al fuoco di sezioni in legno massiccio e lamellare. L’uso di tali

metodi per i pannelli in crosslam porterebbe a previsioni in sfavore di sicurezza, perciò è stato

2

recentemente proposto un approccio alternativo [4]. Lo scopo di questa ricerca è quello di

verificare, mediante prove in grande scala su pannelli crosslam inflessi ed esposti al fuoco, il

grado di approssimazione ottenibile con le previsioni analitiche. È stato inoltre implementato

un modello numerico agli elementi finiti per la previsione della resistenza al fuoco, che

potrebbe rappresentare un’alternativa alle costose prove sperimentali per analizzare le

prestazioni di pannelli con diversi spessori, diversamente caricati e protetti.

Figura 1 – Esempio di pannello in legno lamellare incrociato a 5 strati (dimensioni in mm).

PROVE SPERIMENTALI

La ricerca è finalizzata alla valutazione della resistenza al fuoco di pannelli in crosslam da

utilizzare per la realizzazione di solai, elementi quindi soggetti a flessione e taglio. A tal

proposito si è svolta una campagna sperimentale con prove a rottura a temperatura ambiente e

in condizione d’incendio su pannelli di spessore totale 150 mm costituiti da cinque strati

incollati di spessore 42-19-28-19-42 mm (figura 1). Tutte le prove sperimentali sono state

eseguite presso i laboratori dell’Istituto per la Valorizzazione del Legno e delle Specie

Arboree (Cnr-Ivalsa) a San Michele all’Adige (TN).

Prove di rottura a temperatura ambiente

Le prove di rottura a temperatura ambiente sono state condotte per caratterizzare

meccanicamente i pannelli crosslam da testare successivamente in condizione d’incendio.

Sono stati sottoposti a flessione otto provini, appoggiati alle estremità, con luce libera di 5000

mm e larghezza di 600 mm (figura 2a). Il carico, applicato mediante due attuatori ai terzi della

luce, è stato incrementato monotonicamente fino al raggiungimento del collasso, che si è

verificato per rottura a trazione dello strato inferiore e per ‘rolling shear’ negli strati

ortogonali dei pannelli (figura 2c). Figura 2b presenta lo spostamento rilevato in mezzeria dei

provini in funzione del carico applicato e la curva media dei valori sperimentali. Dai risultati

3

sperimentali si sono ricavati i valori medi di resistenza a flessione e modulo elastico,

rispettivamente pari a 41.79 N/mm2 e 12564 N/mm

2 [5]. Tali valori vengono utilizzati nelle

verifiche flessionali trascurando il contributo degli strati di tavole ortogonali alla direzione

della campata, in quanto in tali strati la sollecitazione è ortogonale alla fibratura lungo la

quale i valori di resistenza e di modulo elastico sono significativamente inferiori rispetto alla

direzione parallela alla fibratura.

0 25 50 75 100 125 150

Deflection [mm]

0

20

40

60

80

100

120

140

To

tal

Lo

ad

[kN

]

experimental curve

mean curve

(a) (b)

(c)

Figura 2 – (a) Provino prima della prova a flessione; (b) risultati sperimentali delle prove; (c) provino

al termine di una prova a flessione.

Prove di rottura in condizioni di incendio

In un forno orizzontale, avente larghezza e lunghezza interne rispettivamente di 3 e 5 m, sono

state condotte tre prove di resistenza al fuoco in grande scala. I provini, di dimensioni

5600×600 mm, sono stati uniformemente caricati a flessione e poi esposti alla curva

d’incendio standard ISO 834 [6] sulla superficie inferiore (figura 3a). In ogni pannello sono

state inserite nove termocoppie tipo ‘K’ per la rilevazione della temperatura a metà dei tre

strati più prossimi all’esposizione al fuoco, in particolare alle profondità di 21, 52 e 75 mm

dal lato inferiore. Inoltre, sulla superficie non esposta, sono state posizionate tre termocoppie

che hanno registrato durante tutta la durata delle prove sempre temperature prossime a quella

ambientale. Due prove sono state condotte fino al collasso dei provini avvenuto quando, a

causa dell’esposizione all’incendio e della conseguente riduzione di sezione dovuta alla

carbonizzazione, i pannelli non sono stati più in grado di resistere alla sollecitazione di

4

flessione indotta dal carico esterno (figura 3b). La durata della prova dall’inizio dell’incendio

fino alla rottura del pannello fornisce la resistenza al fuoco. La superficie esposta di un

provino è stata rivestita con cartongesso tipo ‘F’ di spessore 15 mm per conferire maggiore

resistenza al fuoco. Tale rivestimento ha perso la propria funzione protettiva dopo circa 40

minuti di esposizione, causando un rilevante incremento della temperatura nella sezione

lignea come registrato dalle termocoppie. La terza prova è stata invece interrotta dopo 61

minuti di esposizione al fuoco, prima del collasso del provino, consentendo così la

misurazione della sezione residua del pannello, risultata essere circa il 64% della sezione

originale (figura 4), e il calcolo della velocità di carbonizzazione.

In tabella 1 si riassumono alcuni dati relativi alle tre prove. Si può notare che la resistenza al

fuoco del pannello crosslam protetto con 15 mm di cartongesso risulta incrementata di circa il

10% rispetto allo stesso pannello ugualmente caricato ma non protetto.

(a) (b)

Figura 3 – (a) Provino caricato durante una prova al fuoco; (b) provino prossimo al collasso.

Sezione trasversale

Porzione sezione longitudinale

(a) (b)

Figura 4 – (a) Provino al termine della prova al fuoco (Test 3); (b) rilievo delle sezioni residue

trasversali e longitudinali.

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Tabella 1 – Dati relativi alle prove al fuoco

Test 1 2 3

Carico applicato [kN/m2] 10 10 5

% carico a temperatura ambiente 21 21 11

Presenza di rivestimento protettivo no si no

Collasso si si no

Durata [min] 99 110 61

SIMULAZIONI NUMERICHE

Modellazione numerica

Il comportamento al fuoco di elementi strutturali in legno può essere simulato con l’ausilio di

codici di calcolo agli elementi finiti. I metodi di calcolo avanzato della resistenza al fuoco si

basano sulla teoria della trasmissione del calore e considerano le variazioni delle proprietà

termiche e meccaniche del materiale in funzione della temperatura. Le simulazioni numeriche

sono state condotte con modelli implementati nel codice di calcolo Abaqus [7].

La modellazione è stata inizialmente validata sulla base dei risultati sperimentali delle prove a

flessione a temperatura ambiente descritte in precedenza. Successivamente sono state eseguite

analisi sequenziali accoppiate, risolvendo prima la problematica della trasmissione del calore

e poi quella meccanica, poiché il comportamento meccanico di un elemento strutturale ligneo

in condizione d’incendio è dipendente dal proprio stato termico, mentre non sussiste la

dipendenza inversa. Nelle analisi termiche il materiale è stato descritto mediante la densità, il

calore specifico e la conduttività, implementando le leggi di variazione in funzione della

temperatura presentate nell'Eurocodice 5, parte 1-2 [2]. Nelle successive analisi termo-

meccaniche sono stati implementati un legame elasto-fragile per la trazione e un legame

elasto-plastico per la compressione adottando i valori di resistenza e modulo elastico ottenuti

con le prove sperimentali a temperatura ambiente, e le rispettive riduzioni in funzione della

temperatura in accordo con l’Eurocodice 5, parte 1-2 (figura 5). Nella modellazione si sono

presi a riferimento i valori di resistenza e modulo elastico ottenuti con le prove sperimentali a

temperatura ambiente. Nella simulazione della seconda prova sperimentale (Test 2), il

rivestimento in cartongesso è stato modellato definendo le sue proprietà termiche in funzione

della temperatura [8] e considerando la perdita della sua funzione protettiva dopo un certo

tempo di esposizione al fuoco. Ulteriori dettagli sulla modellazione termica e meccanica degli

elementi protetti e non sono riportati in [9,10].

6

(a) (b)

Figura 5 – Variazioni della resistenza (a) e del modulo elastico (b) in funzione della temperatura [2].

Risultati numerici

Le analisi termiche e meccaniche descrivono, in funzione del tempo di esposizione al fuoco,

le distribuzioni di temperature e tensioni negli elementi caricati. Si riportano i risultati relativi

alla sezione di mezzeria del pannello crosslam non protetto, caricato con il 21% del carico

ultimo a temperatura ambiente e esposto al fuoco al lembo inferiore (figura 6). In figura 6a si

può notare che fino al raggiungimento del collasso (“failure time”) la parte di sezione più

distante dal fuoco (dai 100 ai 150 mm) mantiene sempre una temperatura prossima a quella

ambientale (20°C). In figura 6b è evidente che, all’avanzare della carbonizzazione, le tensioni

si ridistribuiscono internamente alla sezione resistente residua determinando un aumento di

intensità degli sforzi, come è visibile al lembo superiore compresso. Invece, in prossimità

della superficie esposta, le tensioni diminuiscono nel tempo poiché resistenza e modulo

elastico del legno degradano con la temperatura fino a diventare nulle al raggiungimento dei

300°C. Negli strati ortogonali le sollecitazioni sono pressoché nulle.

0 150 300 450 600 750 900 1050 1200

Temperature [°C]

0

25

50

75

100

125

150

Dis

tan

ce f

rom

fir

e [m

m]

initial time

failure time

intermediate time

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

Stress [N/mm2]

0

30

60

90

120

150

Dis

tan

ce f

rom

fir

e [m

m]

initial time

failure time

intermediate time

(a) (b)

Figura 6 – Stato termico (a) e tensionale (b) nella sezione di mezzeria del pannello non protetto in

funzione del tempo di esposizione.

7

PREVISIONI ANALITICHE

L’Eurocodice 5, parte 1-2 [2] propone due metodi semplificati per determinare la resistenza al

fuoco di elementi strutturali lignei: il metodo della sezione residua efficace, che adotta nei

calcoli una sezione resistente inferiore a quella realmente residua, e il metodo delle proprietà

ridotte, che considera l’effettiva sezione residua applicando però dei fattori riduttivi alle

proprietà meccaniche del materiale.

Nella valutazione del comportamento al fuoco dei pannelli crosslam sono da considerare due

casi limite riscontrati sperimentalmente [11,12]: (i) gli strati carbonizzati proteggono quelli

più interni rallentando così la trasmissione del calore nel pannello; (ii) gli strati carbonizzati

cadono lasciando il materiale ligneo soprastante direttamente esposto al fuoco. Nel primo

caso i pannelli crosslam possono essere considerati dal punto di vista termico degli elementi

lignei omogenei; nella seconda ipotesi, invece, avviene quanto rilevato anche per gli elementi

lignei inizialmente protetti, ossia un aumento della carbonizzazione quando lo strato di

rivestimento perde la propria funzione protettiva.

Per stimare la durata delle prove sperimentali, descritte in precedenza, è stato utilizzato il

metodo della sezione residua efficace, in quanto l’altro metodo semplificato non è applicabile

ai solai lignei [13]. Si è determinata inizialmente la profondità di carbonizzazione dchar (figura

7a) con la seguente formula:

chard = β t

nella quale e t sono rispettivamente la velocità di carbonizzazione e il tempo di esposizione

al fuoco in minuti. Trattandosi di un’esposizione al fuoco monodimensionale, si è adottato il

valore 0 = 0.65 mm/min proposto dall’Eurocodice 5, parte 1-2 per il legno massiccio e il

legno lamellare, in quanto attualmente non propone alcun valore per il crosslam. In seguito si

è calcolata la profondità di carbonizzazione efficace def ipotizzando, in prossimità della linea

di carbonizzazione della sezione residua, la presenza di uno strato nominale di materiale

riscaldato a resistenza nulla (figura 7a):

ef char 0 0d = d k d

nella quale k0d0 è lo spessore dello strato nominale con d0 pari a 7 mm e k0 coefficiente

funzione del tempo di esposizione. Quest’ultimo è pari a 1 per tempi uguali o superiori a 20

minuti, mentre varia linearmente per esposizioni inferiori ai 20 minuti. Nota la sezione

residua efficace ad un generico istante di esposizione al fuoco t, si sono determinati la

posizione del baricentro y e il momento di inerzia Jres di tale sezione, così da calcolarne il

momento resistente ultimo in condizione d’incendio MRU con la formula:

m res RU

res

f JM =

h y

nella quale fm e hres sono rispettivamente la resistenza a flessione a temperatura ambiente e

l’altezza della sezione residua considerata. Il contributo meccanico degli strati ortogonali alla

8

direzione principale del solaio è stato trascurato. La previsione analitica di resistenza al fuoco

del solaio in crosslam non protetto oggetto di studio (150 mm e 5 strati di diverso spessore) è

rappresentata in figura 7b in termini di tempo di esposizione al fuoco necessario per portare

alla rotura il solaio in funzione del rapporto tra il carico applicato sul solaio e il carico di

rottura a temperatura ambiente. La capacità resistente di tale solai si riduce sensibilmente

(circa del 65%) già nei primi 30 minuti di esposizione, quando carbonizza il primo strato

parallelo del pannello crosslam. La resistenza rimane invece invariata (plateau in figura 7b),

quando la carbonizzazione interessa gli strati ortogonali del pannello. Oltre alla curva

analitica, in figura 7b è riportata la previsione numerica di resistenza al fuoco ottenuta con il

modello implementato in Abaqus e descritto in precedenza.

0 30 60 90 120 150 180 210 240

Time [min]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Lo

ad-b

eari

ng c

apac

ity

rat

io [

-]

Analytical

Numerical

(a) (b)

Figura 7 – (a) Sezione residua efficace [2]; (b) previsioni, analitica e numerica, di resistenza al fuoco

di solai in crosslam non protetti.

Per gli elementi lignei inizialmente protetti, la carbonizzazione della sezione può iniziare

prima o dopo la perdita della funzione protettiva da parte del rivestimento. I dati sperimentali

registrati dalle termocoppie durante la prova al fuoco del provino protetto (Test 2) hanno

rilevato, dopo circa 40 minuti di esposizione al fuoco, la contemporaneità tra il collasso del

rivestimento in cartongesso predisposto sul pannello e l’inizio della carbonizzazione della

sezione crosslam. L’istante d’inizio della carbonizzazione tch è stimabile anche con la

seguente formula proposta dall’Eurocodice 5, parte 1-2 per elementi protetti con cartongesso

tipo F:

2.8 - 14ch pt = h

nella quale hp è lo spessore del rivestimento in mm, in questo caso pari a 15 mm. Quando la

protezione viene a mancare, la velocità di carbonizzazione è pari al doppio di quella

indicata dalla normativa europea per gli elementi non protetti. Successivamente invece,

quando lo spessore del materiale carbonizzato è pari a 25 mm, si adottano i valori di

normativa per elementi non protetti. Nel caso in esame, si stima che la carbonizzazione inizi

9

dopo 28 minuti e che nei seguenti 19 minuti venga raggiunta la profondità di carbonizzazione

presa a riferimento (25 mm).

La tabella 2 riporta i tempi sperimentali di collasso e le previsioni, analitiche e numeriche, di

resistenza al fuoco dei pannelli crosslam, protetti e non, caricati con il 21% del carico ultimo a

temperatura ambiente. La resistenza al fuoco del pannello protetto aumenterebbe di circa il

10% se si considerasse l’istante di inizio della carbonizzazione tch rilevato sperimentalmente

(40 minuti) invece del valore conservativo calcolato in accordo alla normativa europea (28

minuti).

Tabella 2 – Resistenza al fuoco

Previsione Analitica Numerica Sperimentale

Pannello non protetto 103 min 101 min 99 min

Pannello protetto 112 min 109 min 110 min

Recenti studi sul comportamento dei pannelli in crosslam esposti al fuoco, hanno evidenziato

che l’adozione di uno strato nominale a resistenza nulla con d0 pari a 7 mm, come indicato

dall’Eurocodice 5, parte 1-2, non è adeguata se applicata a questi prodotti lignei derivati [4].

Per i pannelli crosslam tale parametro dipende infatti dal numero di strati, dallo spessore della

sezione, dal tipo di sollecitazione agente sulla superficie esposta, dal tipo di elemento

strutturale (parete o solaio) e dalla presenza o meno di rivestimenti protettivi, come

dimostrato da prove sperimentali eseguite su provini piccoli e in scala reale [4,12].

Recentemente sono state quindi proposte specifiche formule per la determinazione di tale

parametro [14] ottenendo così previsioni analitiche della resistenza al fuoco a favore di

sicurezza. In ogni caso, la tabella 2 dimostra che l’utilizzo delle formule dell’Eurocodice 5,

parte 1-2, riferite al caso del legno lamellare incrociato porta ad una previsione accettabile

della resistenza al fuoco in quanto le differenze con i valori sperimentali sono dell’ordine del

2-4%.

CONCLUSIONI

Le prove sperimentali in grande scala eseguite presso il Cnr-Ivalsa hanno fornito importanti

indicazioni sulle capacità resistenti in condizione d’incendio dei solai realizzati con pannelli

in crosslam. In particolare, hanno dimostrato che con pannelli non protetti di spessore 150

mm è possibile raggiungere resistenze al fuoco elevate dell’ordine dei 100 minuti. Inoltre

hanno evidenziato un incremento della resistenza al fuoco di 10 minuti (10%) per effetto del

rivestimento in cartongesso predisposto sui pannelli. Tale strato protettivo ha infatti rallentato

la trasmissione del calore ritardando la carbonizzazione della sezione lignea.

La resistenza al fuoco dei pannelli crosslam può essere valutata analiticamente con il metodo

semplificato della sezione residua efficace, proposto dall’Eurocodice 5, parte 1-2, o mediante

10

modellazioni numeriche. Rispetto ai dati sperimentali, la previsione analitica in accordo con

la normativa europea sovrastima leggermente la capacità resistente dell’elemento strutturale

in crosslam. Stime a favore di sicurezza si otterrebbero considerando le formule modificate

recentemente proposte per adattare tale metodo semplificato ai pannelli crosslam. Le

simulazioni numeriche con Abaqus hanno fornito accurate previsioni di resistenza al fuoco.

Tale modellazione agli elementi finiti può essere utilizzata per stimare la resistenza di altri

pannelli in crosslam diversamente caricati (es. nel piano) e con diverse configurazioni (es.

numero e spessore degli strati).

RINGRAZIAMENTI

Si ringraziano il Direttore del Cnr-Ivalsa, Ing. Ario Ceccotti, la dott.ssa Giovanna Bochicchio

e il personale del laboratorio di Comportamento al Fuoco del Cnr-Ivalsa per l’esecuzione

delle prove sperimentali. Gli autori sono inoltre grati a Knauf Italia, Magnifica Comunità di

Fiemme, Rothoblaas e Stora Enso per la fornitura dei materiali utilizzati durante le prove.

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