Capannoni in legno e resistenza al fuoco

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L’utilizzo del legno come materiale strutturale è andato negli ultimi anni sempre più diffondendosi non solo nella realizzazione delle normali abitazioni, ma anche in quella di altri tipi di costruzioni, quali i capannoni prefabbricati, in particolare ma non unicamente, in quelli ad uso agricolo.

Un tempo relegato, nelle costruzioni di determinate tipologie e dimensioni, ed eccettuato rari casi, quasi solamente a semplice materiale decorativo o isolante, ma comunque non portante, attualmente il legno sta guadagnando terreno anche in quelle, come vero materiale utilizzato nelle strutture portanti. Il fenomeno è dovuto essenzialmente a tre motivi.

Una certa influenza la ha senza dubbio il trend ecologista, diffuso a livello mondiale e sostenuto anche da famosi architetti, che predilige i materiali più “naturali” quali appunto il legno.
Una seconda ragione la si trova nello sviluppo di nuovi sistemi costruttivi impieganti il legno, quali ad esempio l’X-LAM, e nel perfezionamento e nella evoluzione di sistemi già esistenti.
La terza e ultima ragione, probabilmente la più significativa, è dovuta all’adozione, almeno in Europa e a partire dagli anni ’90, di una normativa meno restrittiva e più permissiva nei riguardi dei comportamenti dei materiali strutturali di fronte al fuoco, a cui qui, per mancanza di spazio possiamo solo accennare.

Dato questo trend ascendente del legno come materiale portante, e data l’influenza che esso può avere nei riguardi dei capannoni prefabbricati, ci sembra importante dedicare un approfondimento a quello che da sempre è forse l’argomento più forte ed utilizzato contro le strutture portanti in legno, in particolare in costruzioni di grandi dimensioni e/o multipiano. Ci riferiamo al comportamento di questo materiale in caso di incendi e a quella che sembra essere ancora una opinione abbastanza diffusa, secondo la quale il legno, in tali eventualità, costituirebbe un grave pericolo evitabile solo rinunciando al suo impiego portante.

Iniziamo con il chiarire che nella questione del comportamento del legno negli incendi ci sono da considerare due aspetti. Il primo ha a che fare con i tempi di resistenza delle strutture al fuoco. Il secondo riguarda invece la stabilità delle strutture ad incendio concluso. Sono due aspetti che benché interagenti, comportano, in particolare proprio per quanto riguarda il legno, una analisi in parte differenziata. Per questo li esamineremo separatamente.

TEMPO DI COMBUSTIONE E RESISTENZA AL FUOCO

Riguardo agli incendi, sia per i capannoni in legno che per quelli in acciaio o calcestruzzo, la caratteristica più importante è la resistenza della struttura al fuoco, solitamente indicata con ‘R’. Tale variabile indica per quanto tempo la struttura in questione è in grado di resistere ad un incendio, mantenendo invariate la sue caratteristiche meccaniche. Se un determinato capannone ha ad esempio una R120, sarà teoricamente in grado di resistere per 120 minuti ad un incendio prima di subire un collasso strutturale.

E’ chiaro come la resistenza sia estremamente importante, dato che indica, seppure con le generalizzazioni e astrazioni inevitabili, il tempo disponibile dall’inizio dell’incendio per sgomberare la costruzione dalle persone eventualmente presenti oppure per effettuare altre azioni necessarie, quali ad esempio permettere l’arrivo dei vigli del fuoco e lo spegnimento dell’incendio, prima che la struttura collassi. Per questo motivo le resistenze minime sono regolate dalla normativa a seconda di varie caratteristiche della costruzione, quali superficie, numero di piani, etc.

Per quanto riguarda la resistenza è bene sottolineare una differenza essenziale tra le strutture in legno da una parte e quelle in cemento armato o acciaio dall’altra.
Con il legno ilcarico di incendio” e cioè il materiale che alimenta l’incendio, è costituito non solo di elementi quali scorte di magazzino, l’arredamento, gli infissi e quanto altro, ma anche degli stessi elementi della struttura. Detto diversamente, il fuoco si nutre delle strutture stesse. In termini tecnici si dice che il fuoco “carbonizza” man mano gli elementi della struttura in legno.

Test di carbonizzazione di pannello di legno a strati incrociati di 85 mm di spessore, svolta presso il laboratorio prove del CNR-IVALSA, che mostra come a fine test solo 2 dei 5 strati siano stati carbonizzati. Il grafico a destra mostra invece l'aumento di temperatura della faccia non carbonizzata durante la carbonizzazione. Si può vedere che la temperatura sulal faccia non esposta al fuoco è aumentata solo di una decina di gradi.

Test di carbonizzazione di pannello di legno a strati incrociati di 85 mm di spessore, svolta presso il laboratorio prove del CNR-IVALSA, che mostra come a fine test solo 2 dei 5 strati siano stati carbonizzati. Il grafico a destra mostra invece l’aumento di temperatura della faccia non carbonizzata durante la carbonizzazione. Si può vedere che la temperatura sulla faccia non esposta al fuoco è aumentata solo di una decina di gradi mentre l’altra faccia stava carbonizzando.

 

La parte di legno carbonizzata perde completamente le sue proprietà meccaniche, mentre la parte ancora integra, benché surriscaldata, continua a mantenerle. Il collasso strutturale avviene quando la parte ancora integra degli elementi è ormai così sottile da non riuscire a sostenere il peso della struttura stessa e degli altri elementi che vi poggiano.

Molto diversa è la situazione con le strutture in cemento armato o acciaio, in cui sono i vari elementi presenti nel capannone e diversi dalla struttura stessa (arredi, infissi, etc.) a costituire il carico di incendio e quindi ad alimentare il fuoco. Man mano che il tempo passa, sotto l’azione del calore gli elementi della struttura aumentano sempre più di temperatura. Il collasso strutturale in questo caso avviene quando la temperatura degli elementi è tale da comprometterne le proprietà meccaniche e quindi la capacità di sopportare i pesi che su essi gravano.

Tornando al legno, dato che il collasso strutturale si verifica quando una determinata parte della struttura è stata carbonizzata, diventa essenziale tenere in conto in quanto tempo tale processo avviene. Il tempo in questione è direttamente dipendente da quello che viene chiamato “tempo di combustione“, che indica la velocità con la quale un dato materiale, nel nostro caso il legno, brucia. Maggiore sarà tale velocità, minore a parità di dimensionamento della struttura e degli altri parametri di calcolo, sarà la resistenza al fuoco.

La velocità di combustione del legno, al contrario di quello che verrebbe forse da pensare, non è però particolarmente alta e cambia a seconda dell’albero e del tipo di lavorazione. Come valore di esempio possiamo prendere quello dei 0,7 mm al minuto, valido per diversi tipi di legno. Per questo è possibile ottenere resistenze quali la R120 (due ore teoriche).

Stando così le cose, si può dire che per quanto riguarda il fattore resistenza, le costruzioni in legno si comportano in ultima analisi in maniera soddisfacente. Il che significa che è possibile, senza grandi difficoltà, dimensionare opportunamente la struttura affinché il capannone abbia una R120, che per molti capannoni, essendo questi generalmente ad un unico piano, è più che sufficiente per lo sgombero della costruzione dalle persone presenti e per l’effettuazione di altri interventi quali le operazioni di spegnimento.

SITUAZIONE DELLA STRUTTURA A FINE INCENDIO

La possibilità di mettere in salvo le persone da una costruzione che subisce un incendio è, riguardo al fuoco, il primo fattore che deve essere preso in considerazione, per ovvi motivi. Di estrema importanza è però anche il comportamento della struttura quando l’incendio si sarà esaurito. Cosa ne sarà della struttura e quindi dell’intero capannone, una volta che, dopo aver sgomberato tutte le persone, l’incendio avrà progredito e alla fine si sarà esaurito?

Fondamentalmente le possibilità sono due. O il capannone sarà ancora in piedi, con qualche eventuale danno strutturale, che non ne compromette l’integrità, oppure sarà crollato o comunque quasi totalmente inagibile per pericolo di cedimenti. E’ chiaro come la cosa dipenda essenzialmente dal tempo che il fuoco ha avuto per continuare a bruciare e quindi per oltrepassare il tempo di resistenza del capannone. Un capannone con R120 (due ore teoriche di resistenza) che ha subito un incendio durato tre ore, sarà probabilmente crollato o avrà subito gravi danni strutturali. Per questo motivo l’altro essenziale parametro da tenere in considerazione è la durata prevista di un possibile incendio, che è direttamente dipendente dalla quantità di materiale presente nel capannone e disponibile ad alimentare l’incendio, quello che abbiamo chiamato carico di incendio.

Prendiamo ad esempio un capannone adibito allo stoccaggio di pedane di legno e, in corrispondenza di diversi fattori ammettiamo che il tempo che tutte le pedane virtualmente immagazzinabili nel capannone impiegano per bruciare sia di due ore. Un incendio in quel capannone durerà quindi al massimo due ore. Questo dato ci dice che sicuramente il capannone dovrà avere un tempo di resistenza al fuoco superiore alle due ore affinché a fine incendio la struttura non accusi cedimenti meccanici.

Ed è qui che la differenza tra capannoni in legno e capannoni in acciaio o cemento armato diventa evidente. Il motivo è quello a cui si accennava più sopra, e cioé il fatto che nei capannoni in legno, è anche la struttura stessa ad alimentare l’incendio. Di conseguenza mentre in un capannone in cemento armato quando il carico di incendio è esaurito, la struttura, se non è stato sorpassato il tempo di resistenza, rimane in piedi, non si può dire la stessa cosa per un capannone in legno. In questo, essendo il carico di incendio costituito anche dalla stessa struttura, gli elementi di questa continuano a bruciare sino a che c’è legno disponibile, cosa che porta chiaramente al collasso strutturale del capannone. E non potrebbe essere altrimenti essendo il legno un materiale particolarmente infiammabile.

Al fine di mettere in evidenza la differenza del comportamento del legno rispetto ad altri materiali, stiamo qui riferendoci ad un caso di incendio non controllato, nel quale cioè non intervengono i vigili del fuoco a spegnere le fiamme. Nella realtà i vigili del fuoco sono in grado in molti casi di intervenire prima che l’incendio intacchi in maniera pesante la struttura del capannone. Ma questo non sempre accade. Al riguardo basti pensare all’incendio del 1987 al mercato dei fiori di San Remo, in cui l’intera copertura del mercato, che avrebbe dovuto tra l’altro garantire una R60, crollò completamente in una ventina di minuti.

Riassumendo quanto detto sino ad ora, la differenza essenziale tra strutture di legno e altri materiali, riguardo al comportamento in un incendio, è che benché entrambe siano in grado di garantire resistenze adeguate allo sgombero delle persone, quelle di legno, nel caso l’incendio non venga spento con un apposito intervento, continuano a bruciare sino alla completa carbonizzazione.

PROTEZIONI ANTI-INCENDIO

La soluzione più ovvia ed efficace per evitare che durante l’incendio il fuoco vada ad intaccare le stesse strutture portanti di legno, è quella di utilizzare delle apposite protezioni. La soluzione dei soli trattamenti ignifughi infatti, benché non del tutto inutile, risulta alla fine di poco rilievo, perché ottiene il solo effetto di ritardare l’accensione della struttura di legno, di un tempo sempre troppo breve per avere un effetto decisivo sulla reale evoluzione dell’incendio.

Quale efficace materiale protettivo il cartongesso sembra essere uno dei più promettenti. Al riguardo è stato eseguita una ricerca sperimentale in seno al progetto SOFIE, una iniziativa sponsorizzata dalla provincia di Trento e portata avanti dal CNR-IVALSA.
La ricerca sperimentale ha visto la realizzazione di una prova di incendio reale presso il Building Research Institute di Tsukuba, Giappone.

prova-resistenza-fuoco-ivalsa-struttura-prefabbricata-in-legnoNella prova è stata utilizzata una costruzione di tre piani, interamente costruita con pannelli di legno massiccio a strati incrociati. I pannelli erano protetti all’esterno da normale intonaco e all’interno da uno strato di lana di vetro e da due strati sovrapposti di cartongesso, il primo dei quali di tipo normale, il secondo di tipo “resistente al fuoco”.
L’incendio è stato creato al primo piano, facendo bruciare una quantità di legna all’incirca pari a quella che alimenterebbe un incendio di un’ora. L’incendio, dopo 55 minuti, è stato spento dai vigili del fuoco, anche se iniziava già a diminuire da sé. L’esperimento voleva mostrare come con normali materiali costruttivi quali lana di vetro e cartongesso, sia facilmente ottenibile una R60 con una struttura portante di legno.

L’esperimento sembra aver dato risultati soddisfacenti. A incendio spento infatti l’edificio presentava solo danni di piccola entità e la struttura di legno non era stata neppure intaccata.
Bisogna comunque dire che parte del cartongesso era caduto sotto il calore dell’incendio e lo stesso stava accadendo alla lana di vetro. Considerando il fatto poi che l’incendio non si è completamente esaurito da sé, ma è stato spento dai vigili del fuoco, resta da chiedersi se in un incendio reale la struttura non avrebbe potuto iniziare ad essere intaccata dalle fiamme. Considerando comunque che l’esperimento era concepito per provare una resistenza di 60 minuti, e che tale tempo era difatti passato quando l’azione di spegnimento stava iniziando, i risultati sembrano essere certamente interessanti.

CONCLUSIONI

Si può dire che il dibattito sulle strutture di legno e la loro resistenza al fuoco, in particolare rispetto alle strutture in altri materiali, assomigli un po’ a quello tra i fautori del cemento armato e quelli dell’acciaio, a cui abbiamo accennato negli altri articoli sulle strutture dei capannoni prefabbricati. In entrambi, i partigiani di un particolare materiale portano avanti le proprie tesi, anche con argomenti ragionati e con una serie di dati utili, ma senza arrivare a una conclusione definitiva. Anche se bisogna dire che anche in questo, e cioé nel dibattito tra le diverse posizioni, il legno negli ultimi anni sembra aver fatto dei discreti progressi.

Ma affinché il lettore possa toccare con mano il dibattito in questione, proponiamo agli utenti che vogliono approfondire la questione e avere la possibilità di confrontare direttamente le due tesi, due articoli sostenenti le opposte posizioni:

Resistenza al fuoco, palla al piede delle strutture in legno
Il comportamento al fuoco delle strutture di legno

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