Resistenza al fuoco di solai in legno lamellare incrociato

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1 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 1

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 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 2

3 Total Load [kn] sperimentali si sono ricavati i valori medi di resistenza a flessione e modulo elastico, rispettivamente pari a N/mm 2 e 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 experimental curve mean curve Deflection [mm] (c) Figura 2 Provino prima della prova a flessione; 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 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 3

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. Figura 3 Provino caricato durante una prova al fuoco; provino prossimo al collasso. Sezione trasversale Porzione sezione longitudinale Figura 4 Provino al termine della prova al fuoco (Test 3); rilievo delle sezioni residue trasversali e longitudinali. 4

5 Tabella 1 Dati relativi alle prove al fuoco Test Carico applicato [kn/m 2 ] % carico a temperatura ambiente Presenza di rivestimento protettivo no si no Collasso si si no Durata [min] 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 termomeccaniche 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]. 5

6 Distance from fire [mm] Distance from fire [mm] Figura 5 Variazioni della resistenza e del modulo elastico 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 initial time failure time intermediate time initial time failure time intermediate time Temperature [ C] Stress [N/mm 2 ] Figura 6 Stato termico e tensionale nella sezione di mezzeria del pannello non protetto in funzione del tempo di esposizione. 6

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 d char (figura 7a) con la seguente formula: d char= βt 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 d ef ipotizzando, in prossimità della linea di carbonizzazione della sezione residua, la presenza di uno strato nominale di materiale riscaldato a resistenza nulla (figura 7a): d = d k d ef char 0 0 nella quale k 0 d 0 è lo spessore dello strato nominale con d 0 pari a 7 mm e k 0 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 J res di tale sezione, così da calcolarne il momento resistente ultimo in condizione d incendio M RU con la formula: f J m res M RU = h res y nella quale f m e h res sono rispettivamente la resistenza a flessione a temperatura ambiente e l altezza della sezione residua considerata. Il contributo meccanico degli strati ortogonali alla 7

8 Load-bearing capacity ratio [-] 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 Analytical Numerical Time [min] Figura 7 Sezione residua efficace [2]; 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 t ch è stimabile anche con la seguente formula proposta dall Eurocodice 5, parte 1-2 per elementi protetti con cartongesso tipo F: t = 2.8h - 14 ch nella quale h p 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 p 8

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 t ch 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 d 0 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 9

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. BIBLIOGRAFIA [1] Progetto Sofie - Sistema costruttivo Fiemme. Relazione scientifica, Istituto per la Valorizzazione del Legno e delle Specie Arboree (Cnr-Ivalsa) e Provincia Autonoma di Trento, Italia, [2] European Committee for Standardization (CEN). Eurocode 5. Design of timber structures. Part 1-2: General Structural fire design, EN Brussels, Belgium, [3] Buchanan A.H. Structural design for fire safety. J. Wiley & Sons Ldt., Chichester, England, [4] Schmid J., König J., Köhler J. Fire-exposed cross-laminated timber Modelling and tests. 11 th World Conference on Timber Engineering (WCTE), Riva del Garda, Italy, [5] Menis A. Fire resistance of laminated veneer lumber (LVL) and cross-laminated timber (XLAM) elements. Tesi di Dottorato, Università di Cagliari, [6] International Organization for Standardization. Fire-resistance tests. Elements of building construction. Part 1: General requirements, ISO Geneva, Switzerland, [7] Abaqus v Hibbitt D., Karlsson B. and Sorensen P. Dassault Systèmes S.A., [8] Frangi A., Schleifer V., Fontana M., Hugi E. Experimental and numerical analysis of gypsum plasterboards in fire. Fire Technology, 46(1): , [9] Fragiacomo M., Menis A., Clemente I., Bochicchio G., Ceccotti A. Fire resistance of 10

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