Test comparativo di resistenza al fuoco di trave in legno e trave in acciaio

Le procedure seguite per la preparazione della prova sono le seguenti:
– le dimensioni delle membrature utilizzate in legno ed acciaio, devono essere sufficientemente assimilabili agli elementi impiegati usualmente per la realizzazione di un solaio tipo;
– le due travi sottoposte alla prova devono essere esposte simultaneamente alle medesime condizioni d’incendio, pur garantendo per entrambe, la possibilità di avere un comportamento di reazione al fuoco indipendente;
– i carichi sono applicati prima dell’inizio della prova, e le travi dimensionate in modo da possedere la medesima capacità portante;
– per la prova è impiegata una curva normalizzata tempi-temperatura come specificato dall’american Society for Testing Materials Designation E-119.
La prova viene condotta presso il South-West Research Institute (TEXAS), in una sala, appositamente allestita, con dimensioni in pianta 6 x 18 m circa. Strutturalmente è realizzata da un telaio multiplo ad un piano, in calcestruzzo armato, e chiusa da muratura in blocchi di calcestruzzo, munita di apposita apertura per l’inserimento di bruciatori a gas e delle ventole per il controllo della combustione.
La metà superiore della muratura della camera di prova è ricoperta da uno strato di mattoni refrattari di 5 cm di spessore.
Lo schema statico adottato è quello di una trave semplicemente appoggiata, ad una campata. La luce netta di inflessione è di circa 13 metri, ed ogni trave viene caricata in modo da sopportare la metà del carico di prova totale, applicato sulla copertura.
La trave in acciaio è del tipo 16WF40 (designazione U.S.A. American Institute of Steel Construction) mentre la trave in legno lamellare è di dimensioni 18 x 53 cm, realizzata con colla alla caseina senza trattamenti chimici superficiali, concordemente con quanto stabilito dall’American Institute of Timber Construction.
Entrambe le travi sono realizzate con una controfreccia di 5 cm. Per consentire alle travi un comportamento indipendente l’una dall’altra,
viene realizzato sulla copertura un giunto longitudinale flessibile e coibentato.
La trave lamellare, viene sottoposta ad una tensione di calcolo indotta, pari a 109 kg/cm2, con un’inflessione corrispondente pari a 5,89 cm ovvero l/224. Il valore di questa inflessione rientra tra quelli comunemente ammessi dalla norma per le strutture di copertura.
La trave in acciaio è scelta tra quelle di produzione comune disponibile in catalogo, compatibilmente alla capacità portante richiesta.
La tensione indotta di calcolo a cui è sottoposta la trave 16WF40 vale 881 kg/cm2 circa con inflessione teorica relativa pari a 3,83 cm ovvero l/344.
I carichi totali di progetto, da disporre all’estradosso della copertura dalla camera di prova, consistono nell’applicare un carico equivalente uniformemente distribuito pari a 146 kg/m2 oltre naturalmente ai pesi e della struttura di copertura e delle singole travi.
Ciò consente di valutare il carico complessivo, agente sulla trave in legno, pari a 5600kg e 5630 per la trave in acciaio. Questa lieve differenza è dovuta alla diversità tra i pesi propri delle due travi.
Operativamente il carico viene applicato gradualmente deponendo sacchi di sabbia sulla copertura fino al raggiungimento dei carichi di progetto.
Il calore è applicato per mezzo di dodici bruciatori industriali a gas posizionati sei per lato in modo omogeneo, gettanti verso l’interno della camera di prova.
Il controllo della temperatura è collocato in prossimità dell’apparecchio di registrazione della temperatura che viene rilevata per mezzo di termocoppie. Questo sistema consente di intervenire in tempo reale per modificare il flusso del combustibile, al fine di ottenere i necessari aggiustamenti della temperatura per poter seguire rigorosamente la curva Tempi-Temperature.
Le termocoppie sono collocate lungo l’asse longitudinale delle travi e posizionate ad una distanza di 15 cm.
La misurazione dell’inflessione consiste nel posizionare sul tetto, in corrispondenza della mezzeria di ogni trave, un’asta graduata verticale calibrata, riscontrata da un’asta orizzontale svincolata dalle precedenti, che serve da riferimento.
Un apposito sistema di funicelle consente di veder registrati a terra i rilevamenti d’inflessione effettuati.
La prova inizia con l’accensione dei bruciatori a gas. Il sistema di controllo è predisposto in modo da poter rispettare la curva tempitemperrature.
Lo svolgimento della prova è evidenziato nel grafico della medesima, ed il fenomeno principale che si nota è l’accentuarsi dell’inflessione nella trave in acciaio, visibile anche dal grafico di confronto. L’inflessione dell’acciaio si manifesta con andamento continuo e uniforme per i primi 20 minuti. A questo punto si ha un rapido incremento nella progressione dell’inflessione fino a giungere al collasso plastico delle strutture.
Dopo 29 minuti di esposizione al fuoco la trave di acciaio registra un inflessione di 91,4 cm pari a l/13. Dopo 30 minuti raggiunge il collasso.
Per la trave in legno, dopo lo stesso tempo di esposizione, si riscontra un inflessione di soli 5,8 cm, con la conservazione delle stesse caratteristiche di resistenza del materiale.
Quando i bruciatori vengono spenti, la fiamma, che si era autoinnescata sulla trave di legno, si spegne prontamente senza intervento
alcuno dall’esterno. La semicopertura di sinistra della camera è completamente crollata a causa del collasso della trave di acciaio, mentre l’altra metà, sorretta dalla trave in legno mantiene la sua capacità portante.
Questa prova propone il confronto per la resistenza al fuoco tra una trave in legno lamellare (non protetta) e una trave in acciaio, avente la stessa capacità portante.
I risultati indicano che l’esposizione al fuoco può considerarsi conforme alla curva standard delle norme ASTM.
Sebbene le temperature registrate in prossimità della trave in acciaio non rappresentano un andamento rigorosamente fedele della suddetta curva (come accade invece per la trave in legno lamellare), tuttavia i valori registrati, sono contenuti nei limiti di accettabilità (??10% definiti dalla norma ASTM E-119).
Dalla prova sono emersi tre risultati significativi relativi a:
– l’inflessione della trave in acciaio;
– la quantità di legno incombusto rimasto al momento del collasso della trave in acciaio;
– la resistenza ed il comportamento delle due travi sottoposte al carico di progetto.
L’analisi e lo studio di questi risultati ha condotto alle seguenti conclusioni:
1) dopo sei minuti dall’inizio della prova, la temperatura in prossimità della trave di acciaio è di 478 °C e l’inflessione di 5 cm.
Dopo 14 minuti, quando la temperatura sale a 645 °C, si riscontra un’inflessione di 20,9 cm. Come si è visto, l’inflessione continua a crescere uniformemente fino a 20 minuti di esposizione al fuoco, quando raggiunge 29,8 cm con una temperatura di 692 °C.
Dopo tale tempo, la velocità d’inflessione, cresce rapidamente fino a raggiungere i 91,4 cm dopo 29 minuti con una temperatura di 772 °C.
Sebbene la copertura raggiunge il collasso dopo 30 minuti, è evidente che la sua integrità strutturale, a causa delle rilevantissime deformazioni, viene fortemente compromessa, già molto tempo prima del collasso.
La relazione inflessione temperatura, indicata dai risultati sono in accordo con l’ormai ben conosciuto comportamento, di un elemento strutturale in acciaio esposto al fuoco. L’acciaio non protetto inizia a perdere resistenza intorno ai 400 °C, e non riuscirà a sopportare correttamente i carichi per i quali è stato progettato oltre i 648 °C.
2) La trave in legno lamellare continua a sopportare il carico, per il quale è progettata, durante tutta la durata della prova, con un’inflessione massima dopo 30 minuti di 5,7 cm (l/228).
A prova ultimata, la trave in legno lamellare viene sezionata al fine di valutarne la profondità di carbonizzazione che risulta di circa 1,6 ??1,9 cm per ogni faccia esposta al fuoco.
La relativa velocità di carbonizzazione è stata pari a 0,53 ??o,63 mm/min.
L’uniformità dell’aumento della trave in legno lamellare dimostra che l’integrità dell’adesivo alla caseina si conserva durante tutta l’esposizione al fuoco; così dopo 30 min. di esposizione al fuoco il 75% della sezione in legno rimane inalterata.
3) le condizioni di esposizione al fuoco durante le prove sono state identiche per entrambe le travi.Entrambe le travi provenivano da una produzione di serie, ed erano prive di trattamenti protettivi.
I risultati delle prove dimostrano chiaramente che la resistenza al fuoco di travi in legno lamellare è sostanzialmente migliore di quella di travi paragonabili in acciaio.

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