Calcolo Resistenza Al Fuoco Legno Excel

Calcola la resistenza al fuoco del legno secondo gli standard europei EN 1995-1-2. Inserisci i parametri richiesti per ottenere risultati precisi.

Introduzione alla Resistenza al Fuoco del Legno

Il legno è un materiale da costruzione sempre più popolare grazie alle sue proprietà ecologiche e alla sua versatilità. Tuttavia, uno dei principali dubbi che sorgono quando si considera il legno per applicazioni strutturali riguarda la sua resistenza al fuoco. Contrariamente a quanto si possa pensare, il legno ha un comportamento al fuoco prevedibile e spesso superiore ad altri materiali come l’acciaio in determinate condizioni.

Secondo lo studio “Wood as a Building Material: A Guide for Designers and Builders” del USDA Forest Service, il legno mantiene la sua capacità portante più a lungo dell’acciaio non protetto in caso di incendio, grazie alla formazione di uno strato carbonizzato che isola e protegge il nucleo interno.

Normative di Riferimento

In Europa, la resistenza al fuoco del legno è regolamentata principalmente dalle seguenti normative:

• EN 1995-1-2 (Eurocodice 5): Progettazione delle strutture di legno – Parte 1-2: Regole generali – Progettazione strutturale contro l’incendio
• EN 13501-2: Classificazione al fuoco dei prodotti e degli elementi da costruzione
• EN 1991-1-2: Azioni sulle strutture – Azioni generali – Azioni in caso di incendio

Negli Stati Uniti, il riferimento principale è l’International Building Code (IBC), mentre in Italia si fa riferimento al DM 16/02/2007 (Norme tecniche per le costruzioni) e al DM 03/08/2015 (Approvazione di norme tecniche di prevenzione incendi).

Metodologia di Calcolo

1. Velocità di Carbonizzazione (β)

La velocità di carbonizzazione (β) è il parametro fondamentale per determinare la resistenza al fuoco del legno. Essa rappresenta la velocità con cui il legno si consuma durante l’incendio, espressa in mm/min. I valori tipici sono:

• Legno massiccio: β₀ = 0.65 mm/min (per densità ρ ≥ 290 kg/m³)
• Legno lamellare incollato: β₀ = 0.7 mm/min
• Legno con densità < 290 kg/m³: β₀ = 0.8 mm/min

La velocità di carbonizzazione effettiva (β_n) si calcola con la formula:

β_n = β₀ · (1 + k_p · (w – 12)/100)

Dove:

• β₀ = velocità di carbonizzazione di base
• k_p = 1.0 per legno massiccio, 1.5 per legno lamellare
• w = contenuto di umidità (%)

2. Tempo di Resistenza (t_d)

Il tempo di resistenza al fuoco (t_d) si calcola in base allo spessore efficace residuo della sezione. Per elementi soggetti a flessione o compressione, la formula è:

t_d = (d_ef – d_char,n) / β_n

Dove:

• d_ef = spessore efficace iniziale (mm)
• d_char,n = spessore carbonizzato (mm) = β_n · t_req
• t_req = tempo richiesto di resistenza al fuoco (min)

3. Spessore Residuo Efficace

Lo spessore residuo efficace (d_res) dopo un tempo t è:

d_res = d₀ – β_n · t

Dove d₀ è lo spessore iniziale della sezione.

Fattori che Influenzano la Resistenza al Fuoco

Fattore	Effetto sulla Resistenza al Fuoco	Valori Tipici
Densità del legno	Maggiore densità → minore velocità di carbonizzazione	290-700 kg/m³
Contenuto di umidità	Maggiore umidità → maggiore velocità di carbonizzazione	8-20%
Rapporto di carico (η)	Minore rapporto → maggiore resistenza	0.3-0.7
Protezione superficiale	Ritarda l’innesco e riduce β	0-30 min aggiuntivi
Dimensione della sezione	Sezioni più grandi → maggiore resistenza	50-500 mm

Confronti con Altri Materiali

Il seguente tavolo confronta le prestazioni al fuoco del legno con altri materiali da costruzione comuni:

Materiale	Tempo di Resistenza R30 (min)	Tempo di Resistenza R60 (min)	Tempo di Resistenza R90 (min)	Comportamento al Fuoco
Legno massiccio (200×200 mm)	45-60	75-90	105-120	Carbonizzazione prevedibile, mantiene capacità portante
Acciaio non protetto (HEB 200)	10-15	20-25	30-35	Perde resistenza rapidamente (550°C)
Calcestruzzo armato (200×200 mm)	30-40	60-70	90-100	Buona resistenza, rischio di esplosione (spalling)
Legno lamellare (GL24h, 200×200 mm)	50-65	80-95	110-125	Carbonizzazione uniforme, elevate prestazioni

Come si può osservare, il legno (soprattutto in sezioni massicce o lamellari) offre prestazioni comparabili o superiori ad altri materiali in termini di resistenza al fuoco, soprattutto se si considera il comportamento post-flashover.

Implementazione in Excel

Per implementare questi calcoli in Excel, seguire questi passaggi:

1. Creare la struttura del foglio:
   • Colonna A: Parametri di input (tipo legno, dimensioni, umidità, etc.)
   • Colonna B: Valori inseriti dall’utente
   • Colonna D: Risultati (tempo resistenza, classe fuoco, etc.)
2. Inserire le formule:
   • Velocità di carbonizzazione: =SE(B2="conifere"; 0,65; SE(B2="lamellare"; 0,7; 0,8))*(1+(SE(B2="lamellare";1,5;1)*(B5-12)/100))
   • Tempo di resistenza: =((B3-MIN(B3;B4))-B6*D2)/D1
   • Classe di resistenza: =SE(D3>=90;"R90";SE(D3>=60;"R60";SE(D3>=30;"R30";"R15")))
3. Creare un grafico:
   • Selezionare i dati di tempo vs spessore residuo
   • Inserire un grafico a linee con marcatori
   • Aggiungere assi e titoli descrittivi
4. Validazione dei dati:
   • Usare la validazione dati per limitare i valori di input (es. umidità tra 5% e 30%)
   • Aggiungere messaggi di errore per valori non validi

Un esempio di foglio Excel ben strutturato può essere scaricato dal sito del Forest Products Laboratory del USDA, che offre risorse gratuite per il calcolo della resistenza al fuoco del legno.

Casi Studio Reali

1. Stadio Olimpico di Tokyo (2020)

Il tetto dello stadio olimpico di Tokyo, progettato da Kengo Kuma, utilizza legno lamellare di larice siberiano con sezioni fino a 1.2 metri di altezza. Nonostante le dimensioni imponenti, il progetto ha ottenuto una classificazione di resistenza al fuoco R120 grazie a:

• Sezioni sovradimensionate (fino a 30% in più del necessario)
• Sistemi di protezione passiva con lastre di gesso
• Giunti metallici protetti con materiali intumescenti

2. Mjøstårnet (Norvegia, 2019)

Con i suoi 85.4 metri, Mjøstårnet è attualmente l’edificio in legno più alto del mondo. La struttura portante in legno lamellare ha ottenuto una classificazione R90 attraverso:

• Uso di CLT (Cross-Laminated Timber) con spessori fino a 300 mm
• Sistemi di protezione attiva con sprinkler
• Analisi avanzate con modelli CFD (Computational Fluid Dynamics)

Questi casi dimostrano come il legno possa essere utilizzato in sicurezza anche per strutture di grandi dimensioni, purché vengano applicati i principi corretti di ingegneria del fuoco.

Errori Comuni da Evitare

1. Sottostimare l’importanza del contenuto di umidità: Un legno con umidità >20% può avere una velocità di carbonizzazione fino al 30% superiore.
2. Ignorare la direzione del carico: Le proprietà del legno sono anisotrope; la resistenza è diversa lungo le fibre rispetto a perpendicolarmente.
3. Non considerare le connessioni: Spesso il punto debole non è l’elemento in legno ma i giunti metallici, che possono cedere per temperature inferiori.
4. Usare valori di β generici: La velocità di carbonizzazione varia significativamente tra specie legnose e trattamenti.
5. Dimenticare la protezione passiva: Anche 10 mm di gesso possono aumentare la resistenza al fuoco del 20-30%.

Strumenti e Software per il Calcolo

Oltre a Excel, esistono diversi strumenti professionali per il calcolo della resistenza al fuoco del legno:

• TIMcalc (sviluppato da FPInnovations) – Software gratuito per il calcolo di elementi in legno
• FireCalc (OneTree Software) – Analisi avanzata con modelli a zone
• SAFI (Structural Analysis of Fire Exposure) – Software FEM per analisi termomeccaniche
• OZone (Ove Arup) – Strumento per la modellazione del fuoco in ambienti confinati

Per applicazioni professionali, si consiglia di utilizzare questi strumenti in combinazione con le verifiche manuali secondo l’Eurocodice 5.

Risorse Addizionali

Per approfondire l’argomento, consultare le seguenti risorse autorevoli:

• Council on Tall Buildings and Urban Habitat (CTBUH) – Linee guida per edifici alti in legno
• NIST Fire Research – Ricerche sul comportamento al fuoco dei materiali
• Building Research Establishment (BRE) – Test e certificazioni di resistenza al fuoco

Conclusione

Il calcolo della resistenza al fuoco del legno è un processo complesso che richiede la considerazione di numerosi fattori, dalla specie legnosa alle condizioni di carico, dalla protezione superficiale alle dimensioni della sezione. Tuttavia, con gli strumenti giusti e una corretta applicazione delle normative, il legno può offrire prestazioni eccellenti in termini di sicurezza antincendio, spesso superiori a materiali tradizionalmente considerati “più sicuri” come l’acciaio.

L’utilizzo di fogli Excel per questi calcoli rappresenta un ottimo punto di partenza per progettisti e ingegneri, permettendo una valutazione rapida delle prestazioni al fuoco. Per progetti complessi, si raccomanda sempre di affiancare queste analisi semplificate con software specializzati e, quando necessario, con test sperimentali.

Con l’aumento dell’utilizzo del legno in edilizia e le sempre più stringenti normative sulla sostenibilità, la comprensione approfondita della resistenza al fuoco di questo materiale diventa un elemento chiave per la progettazione di edifici sicuri, efficienti e a basso impatto ambientale.