Metodi orientati alle prestazioni nella protezione antincendio

Fin dai primi tempi dell'ETK, i componenti edilizi in legno sono stati inclusi nelle indagini sulla resistenza al fuoco, sebbene le prime classificazioni dei componenti (Ministero dei Lavori Pubblici 1948) differissero per quanto riguarda i criteri di combustibilità del materiale. Gli elementi di protezione antincendio ulteriormente sviluppati distinguono tra il comportamento al fuoco dei prodotti edilizi (l'infiammabilità è suddivisa in diverse classi) e la resistenza al fuoco dei componenti edilizi (integrità funzionale della resistenza al carico R, della chiusura dello spazio E e dell'effetto isolante I), che viene testata e verificata indipendentemente dalla classe di comportamento al fuoco.

Nel corso di numerosi progetti di ricerca e prove di resistenza al fuoco, è stato dimostrato che i requisiti (R-E-I) possono essere raggiunti tenendo conto della combustione dei componenti in legno. I risultati delle prove di resistenza al fuoco sono stati utilizzati per lo sviluppo di metodi di calcolo, che possono essere trovati nell'Eurocodice 5 (CEN 2004) e nei manuali (ad esempio Östman et al. 2010) e costituiscono anche la base per i documenti svizzeri sullo stato dell'arte (Lignum 2014). Il grande vantaggio dei metodi di calcolo generali è la flessibilità acquisita per poter utilizzare una varietà di costruzioni per la verifica senza l'esistenza di risultati di prova.

Critica internazionale

Dopo il successo dell'introduzione sul mercato del legno a strati incrociati (CLT), si sono aperte possibilità inimmaginabili per le costruzioni in legno.

Il CLT presenta superfici apprezzabili dal punto di vista architettonico, è dimensionalmente stabile, può essere prefabbricato con precisione, è relativamente leggero, consente di trasferire grandi carichi verticali e orizzontali ed è un metodo di costruzione rapido e asciutto. Con elementi di spessore corrispondente, si possono ottenere anche elevate durate di resistenza al fuoco.

Da un lato, i critici hanno riconosciuto nell'incollaggio superficiale un punto debole e hanno visto minato il concetto dei test in forno, dal momento che l'energia fornita dal combustibile (petrolio o gas) è solo il 50% circa di quella che sarebbe necessaria per i componenti in calcestruzzo (Schmid et al. 2018). I componenti in legno visibili rappresentano quindi un carico strutturale aggiuntivo, sia nel forno di prova che negli incendi. La critica relativa all'alterazione della dinamica del fuoco negli incendi a causa delle superfici in legno esposte è stata affrontata solo con prove di incendio isolate su compartimenti e facciate fino a circa il 2010. L'intensità tipicamente più elevata delle fiamme sulla facciata negli incendi controllati dalla ventilazione è stata solitamente affrontata in modo qualitativo (ad esempio Östman et al. 2010, 2018). Il nocciolo della critica riguarda la corretta gestione del carico d'incendio strutturale difficilmente quantificabile dovuto all'esposizione al fuoco dei componenti in legno che, a seconda della progettazione del locale o della struttura di supporto, può teoricamente raggiungere un multiplo del carico d'incendio mobile e quindi influenzare fortemente l'evento incendio.

Sfondo

Per elaborare le risposte alle critiche formulate sopra, è utile discutere il contesto del concetto di resistenza al fuoco R-E-I, ad esempio una resistenza al fuoco R60 (60 minuti di capacità portante sotto ETK). La Fig. 1 mostra l'idea di base del concetto R-E-I.

La combustione di un carico di fuoco definito può provocare incendi lunghi con temperature relativamente basse (ad esempio, la curva blu nella Fig. 1) o incendi brevi e molto violenti (ad esempio, la curva rossa nella Fig. 1). La curva cumulativa temperatura-tempo (area grigia nella Fig. 1) è utilizzata come proxy della quantità di energia a cui sono esposti i componenti; è la stessa per tutte le curve nella Fig. 1. Pertanto, in ogni caso, per la quantità di carico d'incendio definita (in questo caso: spazi abitativi), si può presumere che non vi sia alcun pericolo derivante da un possibile cedimento strutturale per le persone nelle unità d'uso adiacenti, per i vigili del fuoco che combattono l'incendio o per le parti adiacenti dell'edificio. Ciò significa che è prevedibile che le strutture possano sopravvivere a un incendio fino all'esaurimento del carico di fuoco. Questa idea di base era un obiettivo di protezione implicito definito nello sviluppo del concetto di resistenza al fuoco R-E-I. Serve sia alla protezione delle persone (utenti) che alla protezione dell'edificio. Serve sia per la protezione delle persone (utenti, vigili del fuoco) sia per la protezione dei beni (edifici o parti di edifici, unità vicine). Altri requisiti nei regolamenti edilizi, ad esempio R90, sono stati introdotti intuitivamente per altri carichi di incendio o anche in base alla tipologia e all'uso degli edifici. In alcuni regolamenti edilizi europei, il tempo di resistenza strutturale da dimostrare è effettivamente determinato dalla quantità totale di carico d'incendio (Finlandia, Estonia). Mentre il carico d'incendio dei rivestimenti in legno può essere quantificato abbastanza bene e, secondo l'Eurocodice 1 (CEN 2021), in futuro dovrà essere considerato separatamente in aggiunta al carico d'incendio mobile, la procedura per i componenti strutturali in legno non è chiaramente definita.

Risposte alla ricerca

Molto rapidamente, l'industria del legno, insieme alla ricerca, è riuscita a trovare le prime risposte per contrastare la caduta degli strati di CLT carbonizzati in caso di incendio. Per descrivere la ridotta resistenza al carico dovuta all'aumento della combustione, è stato presentato il modello a scala per il CLT come applicazione diretta dell'Eurocodice (es. Frangi et al. 2009). Negli ultimi anni sono state acquisite esperienze sul comportamento dei sistemi adesivi e sono state create norme di prodotto che includono i requisiti per il CLT (ANSI/APA 2017). Inoltre, la descrizione di questa proprietà del prodotto in funzione dell'adesivo mediante prove nel forno di cottura è prevista dall'Eurocodice 5 (CEN 2021b).

La validità delle prove in forno per i materiali da costruzione combustibili può essere dimostrata facendo corrispondere le condizioni di prova tipiche con gli incendi a ventilazione controllata da simulare (Schmid et al. 2018). In entrambi i casi, le concentrazioni di ossigeno nei compartimenti antincendio sono basse, per cui l'eventuale aggiunta di ulteriore carico di fuoco non determina un ulteriore rilascio di energia (combustione) nel compartimento antincendio. Tuttavia, sulla base delle prove al forno, non è possibile fare alcuna dichiarazione sulla durata dell'incendio o sul burnout in un locale antincendio indipendentemente dalla combustibilità del materiale da costruzione. I limiti di applicabilità del concetto di resistenza al fuoco discusso in precedenza sono dati dagli obiettivi di protezione implicitamente fissati con l'ammontare del carico d'incendio totale; gli effetti del loro superamento devono essere studiati in dettaglio.

Il contenuto energetico totale dei componenti strutturali può essere facilmente determinato tenendo conto del potere calorifico e della massa. Per i singoli componenti lineari (ad esempio una colonna), il contributo al carico d'incendio totale può essere infinitesimale. Tuttavia, va notato che la combustione completa di un componente implica il collasso della struttura. Un approccio basato sulle prestazioni può utilizzare un'analisi di burnout per determinare se si può prevedere che il burnout si verifichi prima del cedimento strutturale o se è necessario modificare la progettazione del compartimento antincendio. I primi metodi di verifica sono stati presentati di recente (CEN 2021b, Wade et al. 2018, Brandon 2018, Schmid et al. 2021). Questo fornisce all'ingegnere antincendio un metodo per verificare la protezione di persone e cose in conformità agli obiettivi di protezione del concetto di resistenza al fuoco R-E-I nelle costruzioni in legno e per supportare l'intervento dei vigili del fuoco in modo semplice.

Nei metodi orientati alle prestazioni, vengono esaminati gli scenari specifici del progetto per gli incendi di progettazione. Tutti gli elementi rilevanti del concetto di protezione antincendio (strutturale, tecnico, organizzativo) sono inclusi in un potenziale pericolo. La sequenza di eventi può essere rappresentata con alberi decisionali (event-trees) o con il cosiddetto modello Swiss Cheese (Fig. 2), in cui il danno si verifica solo se c'è permeabilità attraverso tutti gli elementi (fette di formaggio).

Più un elemento è affidabile, meno fori ha il disco. L'analisi del burnout rappresenta ora un elemento aggiuntivo (riquadro rosso nella Fig. 2). Con la sua applicazione, è possibile controllare e verificare l'obiettivo di protezione implicito del concetto di resistenza al fuoco. Ciò diventa importante quando si tratta di edifici più alti (Frangi et al. 2008) o di edifici o usi per i quali non sono disponibili valori empirici degli incendi (dati statistici).

Ulteriori letture

• Standard ANSI/APA PRG 320 per il legno lamellare a strati incrociati ad alte prestazioni, 2017.
• Brandon, D. Metodi ingegneristici per la progettazione strutturale antincendio di edifici in legno: integrità strutturale durante un incendio naturale completo. Brandforsk, 2018.
• Frangi, A. et al. Fire Design Concepts for Tall Timber Buildings, Structural Engineering International, 2008.
  Frangi, A. et al. Analisi sperimentale di pannelli di legno a strati incrociati in caso di incendio. Rivista sulla sicurezza antincendio. 2009 Novembre 1; 44(8):1078-87.
• CEN 2004. EN 1995-1-2: Eurocodice 5: Progettazione di strutture in legno Parte 1-2: Generale - Progettazione strutturale antincendio. Standard europeo, Bruxelles.
• CEN 2021a. prEN 1991-1-2: Eurocodice 1: Azioni sulle strutture. Parte 1-2: Azioni generali - Azioni su strutture esposte al fuoco, settembre 2021.
• CEN 2021b. prEN 1995-1-2: Eurocodice 5 (progetto di revisione): Progettazione di strutture in legno Parte 1-2: Generalità - Progettazione strutturale antincendio. Standard europeo, Bruxelles.
• Lignum. Documentazione tecnica sulla protezione antincendio nelle costruzioni in legno (10 parti), Lignum, Zurigo, 2015.
• Schmid, J. et al. Effetti del fuoco sui componenti in legno nel forno di prova e in incendi reali. Bautechnik. 2018 agosto; 95(8):524-34.
• Schmid, J. et al. Il legno strutturale negli incendi di compartimenti - il modello di carbonizzazione del legno e di accumulo di calore. Ingegneria aperta. 2021 Jan 1; 11(1):435-52.
• Östman, B. (a cura di). Sicurezza antincendio negli edifici in legno. Linea guida tecnica per l'Europa. SP, 2010:19.
• Östman, B. (a cura di). Guidance on Fire Safety of Bio-Based Facades, Azione COST FP1404, Zurigo, Svizzera, 2018. DOI: 10.3929/ethz-b-000319579.
• Wade, C. et al. Prevedere la dinamica dell'incendio di superfici in legno esposte in compartimenti utilizzando un modello a due zone. Tecnologia del fuoco, 54(4):893-920, 2018.

Questo articolo tecnico è apparso nell'edizione stampata di SicherheitsForum 2-2022.

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