Computational Analysis of Cross-Laminated Timber (CLT) Under Elevated Temperatures

Sintesi Tecnica: Analisi Computazionale del Legno Lamellare Incrociato (CLT) sotto Temperature Elevate

Problematica
Il legno lamellare incrociato (CLT) sta vivendo una crescita esponenziale nel settore delle costruzioni grazie alla sua sostenibilità, stabilità dimensionale e ai vantaggi della prefabbricazione. Tuttavia, la mancanza di una comprensione completa del suo comportamento termomeccanico in condizioni di incendio ne ostacola l'ampia applicazione. Sebbene il legno formi naturalmente uno strato protettivo di carbonizzazione che isola il nucleo interno, le prestazioni del CLT sono complesse a causa della sua struttura a strati ortogonali, delle proprietà degli adesivi e dell'uso di connettori metallici (viti, chiodi), che possono agire come ponti termici. Quando esposti a temperature elevate, i collegamenti metallici perdono resistenza, compromettendo potenzialmente l'intero sistema strutturale. Gli attuali standard di progettazione, come l'Eurocodice 5, forniscono metodi di calcolo per la carbonizzazione, ma richiedono un'ulteriore validazione riguardo l'interazione tra la variazione dello spessore degli strati, il trasferimento di calore e l'integrità dei collegamenti.

Metodologia
Questo studio ha impiegato una simulazione computazionale tramite il software Ansys per analizzare il comportamento termomeccanico di pannelli CLT per solai sotto esposizione al fuoco. La ricerca ha utilizzato il Metodo degli Elementi Finiti (FEM) con i seguenti parametri:

• Campioni: Tre configurazioni di pannelli (P1, P2, P3) con rispettivamente 3, 5 e 7 strati. Gli spessori totali erano di 10 cm, 16 cm e 22 cm. I pannelli sono stati modellati utilizzando Pinus spp. (Classe di resistenza C24) con adesivi a base di poliuretano.
• Geometria e Carico: I pannelli misuravano 40x60 cm. Un carico uniformemente distribuito (che tiene conto del peso proprio e dei carichi accidentali) è stato applicato, variando leggermente in base allo spessore del pannello (da 6,19 a 6,86 kN/m²).
• Connettori: Sono state utilizzate viti HBS ø 10TX80, distanziate a intervalli di 10 cm, assumendo un contatto aderente tra l'acciaio e il legno per simulare l'interazione meccanica e il trasferimento di calore.
• Esposizione al Fuoco: Le simulazioni hanno seguito la curva temperatura-tempo dello standard ISO 834-1. I pannelli sono stati esposti a temperature comprese tra 200°C e 1200°C per una durata di 60 minuti (3600 secondi).
• Fasi di Analisi: È stata eseguita un'analisi sequenziale in due fasi: prima, un'analisi termica transitoria per determinare la distribuzione della temperatura; seconda, un'analisi meccanica che incorpora il campo di temperatura risultante per valutare spostamenti e tensioni.
• Monitoraggio: Nove punti nodali sono stati definiti attraverso lo spessore del pannello (esterno, interno e centrale) per tracciare i gradienti di temperatura e la penetrazione del calore.

Risultati Chiave

• Penetrazione Termica e Carbonizzazione: All'aumentare della temperatura, è stata osservata una trasmissione del calore verso l'interno della sezione trasversale. Il pannello a 3 strati (P1) ha mostrato una significativa penetrazione del calore, con le temperature interne che si avvicinavano alla soglia di carbonizzazione (circa 300°C) al minuto 45. Al contrario, i pannelli a 5 strati (P2) e 7 strati (P3) hanno mostrato un'evoluzione termica limitata; gli strati esterni carbonizzati hanno isolato efficacemente il nucleo interno, mantenendo le temperature interne significativamente più basse (ad esempio, i punti interni di P3 rimanevano al di sotto di 70°C anche con un'esposizione esterna a 1200°C).
• Temperature dei Connettori: Le viti metalliche hanno agito come ponti termici, ma il numero di strati circostanti ha influenzato significativamente la loro temperatura. In P1, le temperature delle viti hanno raggiunto un massimo di 162,3°C. In P2 e P3, le temperature massime delle viti sono state rispettivamente di 126,3°C e 175,9°C (notando che il valore massimo di P3 si è verificato nella punta più vicina al fuoco, sebbene il testo indichi che P1 presentava generalmente un'interferenza interna maggiore). Fondamentalmente, in tutti i casi, le temperature delle viti sono rimaste al di sotto della soglia di 200°C spesso citata come limite per mantenere le proprietà del connettore, sebbene lo studio rilevi che gli effetti termici indiretti possono comunque influenzare la capacità meccanica.
• Spostamenti: Sotto il carico indotto dal fuoco, tutti i pannelli hanno mostrato una crescita lineare dello spostamento. P1 (3 strati) ha dimostrato la maggiore deflessione, con uno spostamento superiore del 6,3% rispetto a P2 e dell'8,2% rispetto a P3. Lo spostamento verticale massimo per P1 è stato di 6,15x10⁻¹ mm, mentre P3 ha mostrato il minor movimento (5,33x10⁻¹ mm).
• Movimento delle Viti: Gli spostamenti orizzontali e verticali delle viti sono stati minimi a causa delle condizioni di vincolo fissate. Le variazioni orizzontali massime sono state dell'ordine di 10⁻² mm. Gli spostamenti verticali hanno mostrato un effetto di "estrazione" (pull-out) per le viti esterne e un movimento verso l'interno per le viti interne dovuto alle tensioni di flessione, con P1 che mostrava nuovamente le deflessioni maggiori.

Significatività e Conclusioni
Lo studio conclude che l'aumento dello spessore e del numero di strati nei pannelli CLT migliora significativamente le prestazioni termomeccaniche in condizioni di incendio. Le configurazioni più spesse (5 e 7 strati) forniscono un isolamento superiore, ritardando il trasferimento di calore al nucleo e proteggendo i collegamenti metallici dal raggiungimento di temperature critiche che potrebbero compromettere l'integrità strutturale.

La ricerca valida il fatto che, sebbene i pannelli CLT subiscano una riduzione della sezione a causa della carbonizzazione, la struttura multistrato mantiene la stabilità strutturale meglio delle configurazioni più sottili. I risultati suggeriscono che gli elementi CLT più spessi riducono la degradazione della rigidezza e della resistenza del legno durante l'esposizione al fuoco e ritardano l'insorgenza del cedimento nelle zone di connessione. Tuttavia, gli autori sostengono che la risposta termica rimane fortemente dipendente dall'intensità e dalla durata dell'esposizione al fuoco. Lo studio rafforza l'utilità della simulazione computazionale nel prevedere tali comportamenti, offrendo dati che si allineano con le osservazioni sperimentali riguardanti le proprietà isolanti degli strati carbonizzati e il ruolo protettivo dell'aumento dello spessore del pannello.