Reliability of Mass Timber Buildings in Fire: A performance-based design method and its application to office buildings

Il legno sta facendo un ritorno silenzioso ma potente nei profili delle città moderne. Per decenni, l'industria delle costruzioni ha favorito l'acciaio e il cemento, materiali che non bruciano, mentre il legno veniva relegato a strutture più piccole. Oggi, tuttavia, gli ingegneri si rivolgono sempre più al legno massiccio (mass timber), un materiale ottenuto sovrapponendo pannelli di legno massiccio per creare travi e pareti abbastanza resistenti da sostenere edifici alti. Questo cambiamento è guidato dal desiderio di ridurre l'impronta di carbonio delle costruzioni, poiché il legno immagazzina carbonio invece di emetterlo durante la produzione. Eppure, una domanda fondamentale rimane: se un edificio fatto di legno prende fuoco, come si comporta? A differenza dell'acciaio, che si indebolisce quando viene riscaldato, il legno brucia in modo prevedibile, formando uno strato carbonizzato sulla sua superficie che può isolare il nucleo interno e permettere alla struttura di restare in piedi per molto tempo. La sfida per i regolatori della sicurezza è determinare esattamente quanto di questo legno possa rimanere esposto all'aria all'interno di una stanza senza compromettere la sicurezza delle persone all'interno o degli edifici vicini.

Un team di ricercatori provenienti da Francia, Canada e Svezia ha affrontato questa questione sviluppando un nuovo modo per calcolare la sicurezza antincendio per queste strutture in legno. Invece di affidarsi a regole rigide e universali che spesso richiedono di coprire tutto il legno con intonaco resistente al fuoco, hanno utilizzato una simulazione al computer per modellare migliaia di diversi scenari di incendio. Hanno trattato l'incendio non come un evento singolo, ma come un evento casuale che dipende da molte variabili: quanto mobilio e carta ci sono nella stanza, quanto sono grandi le finestre, se i vigili del fuoco arrivano rapidamente e quanto legno rimane nudo rispetto a quanto sia coperto. Eseguendo queste simulazioni ripetutamente, sono stati in grado di calcolare la probabilità statistica che un edificio sopravviva a un incendio senza crollare o senza che le fiamme si propaghino all'esterno. Il loro lavoro si concentra specificamente sugli uffici, una tipologia comune in cui il bilanciamento tra sicurezza e il desiderio di un'estetica del legno esposto è oggetto di maggiore dibattito.

I ricercatori hanno costruito uno strumento digitale che imita la fisica di un incendio in una stanza. Hanno iniziato riconoscendo che l'incendio è imprevedibile. Nelle loro simulazioni, hanno variato la quantità di combustibile, la dimensione della stanza e il tempo necessario affinché i vigili del fuoco arrivassero. Hanno anche tenuto conto del comportamento unico del legno massiccio. Quando il legno brucia, carbonizza, e questo strato di carbonizzazione agisce come uno scudo. Tuttavia, se il legno è coperto da pannelli protettivi come il gesso, tale protezione può fallire se i pannelli cadono a causa del calore. Il modello del team traccia questo processo con attenzione, calcolando quando lo strato protettivo potrebbe cedere e quanto il legno esposto contribuirebbe quindi all'intensità dell'incendio. Hanno inoltre incluso il ruolo degli sprinkler, che possono controllare l'incendio prima che diventi troppo grande, e l'azione dei vigili del fuoco, la cui capacità di estinguere un incendio diminuisce man mano che l'incendio diventa più caldo e intenso.

Per testare il loro metodo, il team lo ha applicato a un compartimento d'ufficio standard. Hanno eseguito 15.000 simulazioni separate per ogni scenario, chiedendo effettivamente al computer di immaginare 15.000 incendi diversi che accadono in quella stanza durante l'intera vita dell'edificio. Hanno stabilito un obiettivo di sicurezza rigoroso: la probabilità che l'edificio fallisca deve essere inferiore a una soglia specifica considerata accettabile per la sicurezza pubblica. Questa soglia corrisponde a un livello di sicurezza utilizzato in tutta Europa per gli edifici dove si radunano le persone. Hanno testato tre diversi livelli di resistenza al fuoco strutturale, che rappresentano quanto tempo l'edificio deve rimanere in piedi durante un incendio: 60 minuti, 90 minuti e 120 minuti. Per ogni livello, hanno testato diverse quantità di legno esposto, che vanno dal 30 al 90 percento della superficie della parete, con e senza sprinkler.

I risultati hanno offerto una via chiara per i progettisti. Per gli edifici che richiedono una resistenza al fuoco di 60 minuti, le simulazioni hanno dimostrato che lasciare il 30 percento della superficie della parete come legno esposto era sicuro, anche senza sprinkler. Se venivano aggiunti gli sprinkler, questa percentuale poteva essere aumentata al 60 percento. Per gli edifici che richiedono 90 minuti di resistenza, il limite sicuro per il legno esposto saliva al 60 percento senza sprinkler e al 75 percento con essi. Il caso più complesso era il requisito dei 120 minuti, tipico degli edifici molto alti. In questo caso, i ricercatori hanno scoperto che lasciare il 75 percento della superficie della parete esposta era sicuro, a condizione che fossero presenti gli sprinkler. Senza sprinkler, il rischio che l'incendio si propaghi all'esterno dell'edificio diventava una preoccupazione, ma con gli sprinkler, il sistema reggeva i target di sicurezza.

Un risultato critico dello studio è stato che il rischio di propagazione dell'incendio agli edifici vicini o lungo il lato dell'edificio era generalmente basso, a condizione che la quantità di legno esposto rimanesse entro questi limiti calcolati. Nelle simulazioni per gli edifici più alti, il calore irradiato dalle finestre raggiungeva occasionalmente un livello tale da poter incendiare le strutture vicine, ma ciò accadeva solo in scenari estremi e rari in cui l'incendio era eccezionalmente grande e gli sprinkler non riuscivano a controllarlo. Quando i ricercatori hanno regolato la distanza a un valore più realistico di 15 metri per gli edifici alti, il rischio è sceso a un livello accettabile. Ciò suggerisce che le attuali regole rigide, che spesso richiedono che tutto il legno sia coperto, potrebbero essere più conservative del necessario. Lo studio indica che, con la giusta combinazione di sprinkler e una quantità calcolata di legno esposto, i grandi edifici in legno possono soddisfare gli stessi elevati standard di sicurezza delle strutture tradizionali.

I ricercatori sono stati attenti a sottolineare che il loro lavoro si basa su modelli informatici, non su test fisici di fuoco in ogni singolo scenario. Hanno validato il loro strumento confrontandolo con 54 esperimenti reali di incendio condotti in tutto il mondo, e le previsioni del computer hanno corrisposto da vicino ai risultati del mondo reale, spesso tendendo all'eccesso di cautela. Questo conferisce fiducia nei loro risultati, ma hanno anche identificato aree per futuri miglioramenti. Ad esempio, hanno notato che il comportamento dei pannelli protettivi e il modo in cui il calore si muove attraverso il legno durante la fase di raffreddamento di un incendio potrebbero essere modellati in modo ancora più preciso. Hanno anche suggerito che le regole future dovrebbero considerare fattori come la velocità del vento e la posizione specifica dell'incendio all'interno di un edificio, che potrebbero influenzare la rapidità con cui i vigili del fuoco possono intervenire.

In definitiva, questo studio fornisce una base scientifica per un approccio più flessibile alla costruzione in legno. Dimostra che la sicurezza non richiede di nascondere il materiale; richiede piuttosto di comprendere come il materiale si comporta sotto stress. Utilizzando metodi probabilistici, gli ingegneri possono ora progettare edifici che espongono una parte maggiore del bellissimo e sostenibile legno pur garantendo che la struttura non fallirà e che l'incendio non si propagherà. Il lavoro suggerisce che per gli uffici è possibile lasciare una parte significativa delle pareti e dei soffitti in legno esposti, purché siano in atto misure di sicurezza attive come gli sprinkler e che la progettazione segua i limiti specifici calcolati con questo nuovo metodo. Ciò apre la porta agli architetti per creare spazi che risultino più caldi e naturali, senza sacrificare i rigorosi standard di sicurezza che proteggono il pubblico.