RESISTENZA AL FUOCO DELL’XLAM — PROVE E STANDARD TEDESCHI

Un aspetto chiave che distingue l’XLAM dagli altri materiali da costruzione nel contesto della sicurezza antincendio è il processo naturale di carbonizzazione. Sotto l’effetto delle alte temperature, gli strati superficiali del legno si carbonizzano, formando uno strato carbonizzato protettivo che agisce da isolante. Questo strato rallenta notevolmente l’ulteriore propagazione del fuoco e la penetrazione del calore verso gli strati portanti interni della struttura XLAM. La velocità di carbonizzazione per le specie di conifere solitamente utilizzate nell’XLAM è di circa 0,6-0,8 mm/min, secondo la EN 1995-1-2 (Eurocodice 5, parte 1-2: Progettazione delle strutture in legno – Regole generali – Progettazione strutturale contro l’incendio). Ciò consente agli ingegneri di calcolare con precisione la sezione residua della struttura e la sua capacità portante per un dato tempo di incendio.

La struttura multistrato dell’XLAM, in cui le lamelle sono disposte perpendicolarmente tra loro, contribuisce ulteriormente ad aumentare la resistenza al fuoco. In caso di combustione di uno strato, la sua funzione viene parzialmente assunta dagli strati adiacenti, orientati in un’altra direzione. Ciò garantisce l’integrità strutturale della costruzione per un periodo prolungato, un aspetto fondamentale per un’evacuazione sicura e per il lavoro dei vigili del fuoco. Ad esempio, i pannelli XLAM in abete di spessore 140-160 mm possono raggiungere classi di resistenza al fuoco REI 90 o persino REI 120, conformi ai requisiti per gli edifici multipiano, secondo la EN 13501-2.

Un esame dettagliato del meccanismo di carbonizzazione richiede la comprensione delle proprietà termofisiche del legno. A una temperatura di circa 280-350°C inizia la pirolisi, mentre a 500-600°C si forma uno strato carbonioso stabile. La conduttività termica dello strato carbonizzato è notevolmente inferiore a quella del legno non combusto, il che crea una barriera efficace alla trasmissione del calore. Gli studi dimostrano che per raggiungere la classe REI 60 spesso sono sufficienti pannelli di spessore a partire da 100 mm, garantendo uno strato protettivo di legno residuo e consentendo alla struttura di mantenere la capacità portante, l’integrità e le proprietà di isolamento termico. Questo meccanismo naturale è alla base della progettazione ingegneristica della sicurezza antincendio degli edifici in XLAM.

A differenza del metallo, che perde rapidamente la capacità portante alle alte temperature (circa 550°C), o del cemento armato, che può subire il fenomeno dello spalling esplosivo, l’XLAM mostra un comportamento prevedibile. I modelli di calcolo approvati dall’Eurocodice 5 consentono di prevedere con precisione il tempo durante il quale una struttura in XLAM manterrà la propria funzionalità in caso di incendio, tenendo conto del carico, dello spessore dei pannelli e della specie legnosa. Ciò offre un vantaggio significativo nella progettazione, consentendo di ottimizzare le dimensioni degli elementi e di scegliere i rivestimenti protettivi necessari. In questo modo, la carbonizzazione non si limita a prevenire un rapido collasso, ma è un elemento attivo della sicurezza antincendio passiva.

Nell’Unione Europea, la sicurezza antincendio delle strutture edilizie è regolata dal sistema degli Eurocodici, in particolare dalla EN 1995-1-2 per le strutture in legno, e dallo standard generale di classificazione EN 13501-2. Questi documenti definiscono i metodi di prova e i criteri per l’assegnazione delle classi di resistenza al fuoco, come R (capacità portante), E (integrità) e I (isolamento termico), con il relativo valore numerico in minuti (ad esempio REI 60, REI 90, REI 120).

La Germania, come uno dei paesi leader nello sviluppo dell’edilizia in legno, applica attivamente e integra gli standard europei con norme e linee guida nazionali proprie. In particolare, un ruolo importante è svolto dalla DIN 4102 ‘Comportamento al fuoco dei materiali e degli elementi da costruzione’, che definisce le classi di resistenza al fuoco degli elementi edilizi (ad esempio F30, F60, F90) e le classi di combustibilità dei materiali (A – incombustibili, B – combustibili). Sebbene la EN 13501-2 sia lo standard di classificazione principale, la DIN 4102-4 fornisce valori tabellati per gli elementi edilizi standard, comprese le strutture in legno utilizzate nei progetti.

Per i pannelli XLAM, le prove secondo la EN 1363-1 ‘Requisiti generali per le prove di resistenza al fuoco’ sono fondamentali. Queste prove vengono condotte in forni di prova speciali, in cui i campioni della struttura vengono sottoposti a un regime termico standardizzato (curva ‘temperatura-tempo’ secondo la ISO 834-1). Parallelamente, ai campioni viene applicato un determinato carico, che simula le condizioni reali di esercizio. Durante la prova vengono monitorati costantemente tre criteri principali: la capacità portante (R), determinata dal mantenimento della capacità di sopportare il carico; l’integrità (E), che consiste nell’assenza di fiamme o gas caldi in grado di causare l’accensione sul lato non esposto; e l’isolamento termico (I), misurato limitando l’aumento della temperatura sulla superficie opposta al fuoco. Per l’XLAM è particolarmente importante la valutazione REI, poiché i pannelli svolgono spesso contemporaneamente funzioni portanti, di compartimentazione e di isolamento.

Le norme edilizie tedesche (Landesbauordnungen) possono avere requisiti specifici per l’uso dell’XLAM in edifici di diverso tipo e altezza. Ad esempio, per gli edifici in legno multipiano (classi 4 e 5 secondo la Muster-Bauordnung) possono essere richieste classi di resistenza al fuoco più elevate e misure aggiuntive, come sistemi sprinkler o un rivestimento supplementare in cartongesso. Pertanto, la certificazione dei pannelli XLAM in Germania richiede non solo la conformità alla EN 13501-2, ma anche il rispetto delle specificità normative nazionali, garantendo un approccio completo alla sicurezza antincendio.

Le prove antincendio su scala reale sono una fase fondamentale per determinare la resistenza al fuoco effettiva dei pannelli XLAM e la loro conformità ai requisiti normativi. Queste prove vengono condotte in laboratori accreditati utilizzando forni specializzati in grado di riprodurre regimi termici standardizzati, come la curva ISO 834, che prevede un rapido aumento della temperatura fino a 800°C in 30 minuti e fino a 925°C in 60 minuti. I campioni di pannelli XLAM esaminati, che possono essere elementi di parete o di solaio, vengono installati nel forno secondo la loro posizione di progetto e sottoposti al carico di calcolo.

Durante la prova vengono monitorati costantemente i parametri chiave. La capacità portante (R) viene valutata misurando le deformazioni e le frecce sotto carico costante. La prova viene interrotta se il campione perde la capacità di sopportare il carico. L’integrità (E) viene controllata sul lato non esposto al fuoco mediante ispezione visiva per rilevare la presenza di fessure attraverso cui potrebbero penetrare fiamme o gas caldi, nonché mediante un tampone di cotone applicato sulla superficie per rilevare l’accensione. Le proprietà di isolamento (I) vengono misurate mediante termocoppie posizionate sulla superficie non esposta al fuoco, registrando l’aumento della temperatura. L’aumento medio della temperatura non deve superare 140 K, e il massimo in qualsiasi punto 180 K rispetto alla temperatura iniziale.

Particolare attenzione viene dedicata ai nodi di collegamento, potenziali punti deboli in qualsiasi struttura. Vengono eseguite prove sia sui pannelli XLAM stessi, sia sui loro collegamenti reciproci e con altri elementi strutturali (ad esempio con fissaggi in acciaio, calcestruzzo). Per l’XLAM si utilizzano spesso fissaggi nascosti, che offrono una migliore protezione dal fuoco poiché si trovano all’interno del legno che si carbonizza. L’uso di rondelle, piastre o viti speciali, incassate a una certa profondità, consente di mantenere la capacità portante dei collegamenti per un lungo periodo.

I dati ottenuti consentono di determinare la classe di resistenza al fuoco della struttura, ad esempio REI 60, REI 90 o REI 120. Questi risultati vengono poi utilizzati per sviluppare soluzioni progettuali che garantiscano la conformità dell’edificio alle norme di sicurezza antincendio. Il rapporto di prova contiene una descrizione dettagliata del campione, della metodologia di prova, i grafici di temperatura e deformazione, nonché le conclusioni sulla conformità della struttura ai criteri stabiliti. Questo approccio garantisce una valutazione scientificamente fondata della sicurezza antincendio delle strutture in XLAM.

La precisione di produzione dei pannelli XLAM, ottenuta grazie all’uso di macchinari a controllo numerico (CNC), svolge un ruolo fondamentale nell’aumento della sicurezza antincendio complessiva degli edifici in legno. Le tecnologie CNC consentono di realizzare pannelli con tolleranze minime (fino a ±1 mm su pannelli di grandi dimensioni), garantendo un’aderenza perfetta degli elementi in cantiere. Questa precisione è fondamentale per la formazione di giunti ermetici e solidi, essenziali per la resistenza al fuoco.

Tenuta dei giunti: Le tolleranze minime tra i pannelli lavorati a CNC riducono notevolmente il rischio di penetrazione di fiamme, gas caldi e fumo nelle cavità interne o sulle superfici non protette della struttura. Ciò influisce direttamente sull’indicatore di integrità (E) della struttura durante un incendio. A differenza dei metodi costruttivi tradizionali, dove l’adattamento manuale può causare fessure significative, la produzione CNC garantisce stabilità di qualità e uniformità dei giunti su tutta la superficie dell’edificio. Eventuali fessure non sigillate possono diventare vie di propagazione del fuoco, oltre a causare un riscaldamento più rapido e il collasso degli elementi portanti.

Protezione degli elementi di fissaggio: Grazie all’elevata precisione del CNC è possibile creare intagli e scanalature speciali per fissaggi nascosti. Ciò consente di posizionare i collegamenti metallici all’interno del corpo ligneo del pannello, proteggendoli dall’esposizione diretta alle fiamme. Poiché il metallo perde rapidamente la capacità portante alle alte temperature, la sua protezione dal fuoco è un compito prioritario. Grazie ai fissaggi nascosti, il legno intorno ad essi si carbonizza, formando uno strato protettivo che aiuta a mantenere la funzionalità dei collegamenti per il tempo di incendio previsto dal calcolo. Ad esempio, in Germania per le strutture in legno multipiano si utilizzano spesso speciali piastre metalliche perforate, completamente incassate nel legno e fissate con viti lunghe, riducendo al minimo la loro esposizione al fuoco.

Controllo di qualità: Il processo di produzione dell’XLAM su macchinari CNC è integrato con sistemi di controllo qualità che riducono al minimo il fattore umano e garantiscono la conformità di ogni pannello a standard rigorosi. Ciò include il controllo dell’umidità del legno, della qualità dell’incollaggio e della precisione geometrica. Un elevato livello di controllo in fase di produzione si traduce direttamente in affidabilità e prevedibilità del comportamento della struttura in caso di incendio. Inoltre, nella fase di progettazione degli edifici in legno e di produzione, è possibile integrare strati aggiuntivi di protezione antincendio, ad esempio pannelli speciali, anch’essi lavorati con alta precisione per un’aderenza perfetta.

Nel 2017, in Germania, è stata condotta una prova antincendio completa su un modello in scala reale di un edificio a sette piani, costruito con la tecnologia XLAM, nell’ambito del progetto di ricerca ‘Timber Tower’. L’obiettivo non era solo confermare la conformità dell’XLAM agli standard vigenti, ma anche dimostrare le potenzialità del legno nell’edilizia in altezza, dove i requisiti di sicurezza antincendio sono i più rigorosi. La prova è stata condotta presso il poligono speciale dell’Istituto Statale di Scienza dei Materiali (MPA) di Stoccarda.

Il programma di prova comprendeva scenari che simulavano incendi in tipici ambienti residenziali con elevato carico d’incendio. Sono stati simulati incendi in appartamenti a diversi piani, registrando il tempo di sviluppo dell’incendio, la temperatura, la concentrazione di fumo e il comportamento delle strutture portanti in XLAM, nonché delle aperture per finestre e porte. Gli oggetti principali dello studio erano i pannelli XLAM di parete e di solaio di spessore compreso tra 140 mm e 200 mm, i collegamenti tra i pannelli e gli elementi di protezione antincendio.

I risultati delle prove sono stati notevoli. Nonostante l’intensità dell’incendio, le strutture in XLAM hanno dimostrato un’elevata resistenza. È stato confermato che il meccanismo di carbonizzazione protegge efficacemente gli strati portanti dei pannelli. Ad esempio, le pareti in XLAM rivestite con cartongesso di tipo F da 12,5 mm hanno resistito senza problemi fino a 90 minuti di esposizione al fuoco, mantenendo la capacità portante e l’integrità. La temperatura sul lato non esposto al fuoco dei pannelli XLAM è rimasta notevolmente inferiore ai valori critici, confermando le elevate proprietà di isolamento (criterio I). Le deformazioni sono state controllate e non hanno superato i valori ammissibili. Anche i collegamenti tra i pannelli, realizzati con fissaggi metallici nascosti e sigillanti speciali, hanno superato con successo le prove, mantenendo la loro integrità strutturale per tutta la durata dell’incendio.

Particolare attenzione è stata dedicata alla propagazione del fumo. Grazie alla tenuta della struttura, garantita dall’elevata precisione della produzione CNC e da una sigillatura di qualità dei giunti, la diffusione del fumo tra gli ambienti è stata minima. Ciò ha consentito di garantire vie di evacuazione sicure. Le prove hanno anche dimostrato che i sistemi di ventilazione correttamente integrati con serrande tagliafuoco sono efficaci per il controllo del regime del fumo. Grazie al superamento con successo di queste prove, il progetto ‘Timber Tower’ è diventato un esempio emblematico del fatto che l’XLAM può essere utilizzato in sicurezza nell’edilizia in altezza, rispettando i requisiti di sicurezza antincendio più rigorosi stabiliti in Germania e nell’UE.

La progettazione di edifici in XLAM resistenti al fuoco richiede un approccio completo, che combina calcoli ingegneristici, scelta dei materiali appropriati e integrazione di sistemi di protezione antincendio attivi e passivi. La base è la determinazione della classe di resistenza al fuoco necessaria (R, E, I) per ciascun elemento strutturale in base alla sua funzione e posizione nell’edificio, secondo la EN 13501-2 e le norme nazionali, come le Landesbauordnungen tedesche.

La protezione antincendio passiva dei pannelli XLAM si basa su diversi principi chiave: aumento dello spessore dell’XLAM: aggiungere uno spessore del pannello superiore a quello necessario per la capacità portante fornisce uno strato di legno maggiore per la carbonizzazione, prolungando il tempo di mantenimento dell’integrità strutturale. Il calcolo della sezione residua del legno con il metodo della riduzione della sezione (secondo la EN 1995-1-2) è fondamentale per determinare lo spessore minimo necessario. Ad esempio, per raggiungere REI 60, può essere necessario uno strato aggiuntivo di legno di circa 40 mm (tenendo conto della velocità di carbonizzazione).

Rivestimento protettivo: Il metodo più diffuso ed efficace per aumentare la resistenza al fuoco dell’XLAM è l’uso di strati aggiuntivi, come lastre di cartongesso (tipo F, a resistenza al fuoco maggiorata), pannelli in cemento-truciolare o pannelli antincendio speciali. Questi materiali non solo ritardano l’accensione del legno, ma posticipano anche l’inizio della carbonizzazione, aumentando notevolmente il tempo complessivo di resistenza al fuoco. Ad esempio, un rivestimento con due strati di cartongesso da 12,5 mm ciascuno può aumentare la resistenza al fuoco del pannello XLAM fino a REI 120 e oltre, a seconda del suo spessore proprio.

Dettagli dei collegamenti: Particolare attenzione viene dedicata alla progettazione dei nodi. Tutti i fissaggi metallici, a rischio di rapido riscaldamento e perdita della capacità portante, devono essere protetti – nascosti all’interno del pannello XLAM oppure coperti con materiali antincendio. L’uso di nastri sigillanti speciali e sigillanti nei giunti tra i pannelli è obbligatorio per garantire l’integrità (E) e prevenire la propagazione del fumo.

Sistemi di spegnimento attivi: Negli edifici multipiano in XLAM, in particolare in Germania, è spesso richiesta l’installazione di sistemi sprinkler automatici. Essi svolgono un ruolo chiave nell’individuazione rapida e nella limitazione dell’incendio, riducendone al minimo l’impatto sulle strutture. L’integrazione di moderni sistemi di evacuazione del fumo e di ventilazione con serrande tagliafuoco garantisce anche il controllo del regime del fumo e il mantenimento di vie di evacuazione sicure. Queste misure consentono non solo di aumentare il livello di sicurezza, ma anche di ottimizzare le dimensioni delle strutture, poiché alcuni enti regolatori consentono di ridurre i requisiti di protezione passiva in presenza di sistemi attivi efficaci.

Il confronto della resistenza al fuoco dell’XLAM con altri materiali e tecnologie costruttive è fondamentale per una valutazione obiettiva dei vantaggi di questo materiale. Sebbene le strutture in legno siano tradizionalmente percepite come facilmente infiammabili, le moderne soluzioni ingegneristiche, in particolare l’XLAM, sfatano questi stereotipi.

XLAM contro altre strutture in legno: Rispetto alla costruzione a telaio tradizionale, dove elementi in legno più sottili (travetti, tavole) bruciano più rapidamente, i pannelli XLAM, grazie alla loro struttura massiccia, dimostrano una resistenza al fuoco molto più elevata. Le pareti a telaio richiedono obbligatoriamente un rivestimento in cartongesso o altri materiali antincendio per raggiungere anche le classi minime di resistenza al fuoco (ad esempio REI 30). L’XLAM, invece, grazie alla carbonizzazione, può raggiungere REI 60 o REI 90 anche senza protezione esterna aggiuntiva, o con uno strato minimo. Una resistenza simile all’XLAM è dimostrata dal legno lamellare di grandi sezioni, dove agisce anch’esso il principio della formazione dello strato carbonizzato, tuttavia l’XLAM ha il vantaggio di una capacità portante bidirezionale e di una tenuta migliori, importanti per i criteri E e I.

XLAM contro strutture in acciaio: Le strutture in acciaio sono incombustibili, ma la loro capacità portante diminuisce drasticamente al raggiungimento di temperature critiche (circa 550°C), il che può causare un rapido collasso dell’edificio. Per raggiungere la resistenza al fuoco necessaria, gli elementi in acciaio richiedono una protezione antincendio significativa – vernici speciali, lana minerale o rivestimenti. L’XLAM, al contrario, mantiene la propria capacità portante per un lungo periodo grazie alla carbonizzazione, che forma uno strato protettivo. Il comportamento dell’XLAM è più prevedibile durante un incendio, il che offre un vantaggio nella progettazione dei tempi di evacuazione e nella lotta al fuoco.

XLAM contro strutture in cemento armato: Il cemento armato è incombustibile e ha un’elevata resistenza al fuoco. Tuttavia, può subire il fenomeno dello spalling esplosivo alle alte temperature a causa della dilatazione dell’acqua all’interno del calcestruzzo, il che può causare un rapido collasso degli elementi portanti e l’esposizione dell’armatura. Per prevenire ciò si utilizzano additivi speciali o protezioni aggiuntive. L’XLAM, invece, mostra un degrado lineare e prevedibile, che consente di calcolarne con precisione il comportamento. Inoltre, l’XLAM ha un peso molto inferiore, il che riduce il carico sulla fondazione e le forze sismiche, oltre ad accelerare il montaggio.

In generale, l’XLAM è un materiale competitivo dal punto di vista della sicurezza antincendio e, sotto molti aspetti, supera persino i materiali tradizionali, in particolare considerando la velocità di costruzione, l’efficienza energetica e la sostenibilità ambientale. Una progettazione che tenga conto degli standard moderni e l’applicazione di misure di protezione integrate rendono l’XLAM una scelta sicura e affidabile per la costruzione.