Appunti del corso di Progettazione dell'involucro edilizio

Lezione 13/09/2022

Lezioni in presenza

Le lezioni si svolgeranno in presenza, a distanza solo se si presenta una valida motivazione.

Programma del corso

Lezioni dalle 14.15 fino alle 18.15 con alternanza di lezioni e seminari didattici (1 al massimo 2 ore), anche a distanza. Gli argomenti trattati includono il mondo industriale e gli studi di progettazione. Sono previste anche delle esercitazioni.

Organizzazione delle esercitazioni

• Gruppi da 3, 4, massimo 5 persone.
• Date specifiche per le revisioni.
• Ogni gruppo ha un esercitatore.

Involucro edilizio

Il corso tratta solo la parte verticale (no copertura). La pelle dell'involucro verrà studiata attraverso un approccio prestazionale (aspetti energetici, meccanici, luminosi e acustici, funzioni principali). L'involucro deve essere visto come un elemento dinamico, un filtro per far passare i flussi.

Lezioni teoriche

Le prime lezioni sono teoriche, utili per l'inquadramento terminologico e normativo. Possiamo chiamare l'involucro in tanti modi, ci sono molti elementi tecnici, ma hanno un preciso riferimento terminologico. L'edilizia occupa il 70% della normativa, nel mondo delle costruzioni l'involucro è il settore più normato perché è caratterizzato dal maggior numero di tecnologie. La pelle deve essere scomposta in elementi tecnici perché hanno prestazioni differenti (esempio: il potere fonoisolante è una caratteristica che risponde al requisito di isolamento acustico). I requisiti possono essere ambientali o tecnologici.

Materiali

Si parlerà anche di materiali (in particolare acciaio, alluminio, vetro, laterizio, materiale lapideo), messi a sistema nell'involucro, richiamando le proprietà di base (meccaniche, chimiche, fisiche, durabilità e compatibilità chimico-fisica). Alcuni materiali di giunzione sono fondamentali per la compatibilità chimica dei materiali messi a contatto. Un elemento di involucro deve durare per un tempo che dipende dalla tipologia di costruzione; alcuni elementi non hanno una durata compatibile col ciclo di vita previsto per l'edificio (guarnizione, sigillatura). Gli elementi in acciaio che tengono la sottostruttura di una facciata ventilata devono avere una durata pari a quella dell'edificio. Quindi si progetta secondo gerarchia.

Realizzabilità

Si parla anche di realizzabilità poiché ci sono dei vincoli fisici. Dimensioni industriali del vetro: 3m x 6m (posso avere anche vetri più grandi ma sono fuori standard). Il discorso è analogo per i componenti in acciaio.

Richiami di fisica degli edifici

Trasmissione del calore, benessere igrotermico, acustica, illuminazione naturale e benessere ottico-luminoso. Analisi delle principali tecnologie costruttive:

• Sistemi a umido (poco)
• Sistemi a secco
• Serramenti esterni
• Sistemi vetrati in vetro alluminio o in vetro acciaio
• Rivestimenti di facciata ventilati (pietra naturale, metallici, laterizio, gres, misti)

Comportamento al fuoco

Cenni di comportamento al fuoco delle facciate.

Qualità e conformità dei prodotti

La qualità e conformità dei prodotti dell'involucro non sempre c'è un parametro fisico in grado di valutare le prestazioni, che quindi non sempre sono traducibili in termini numerici. Performance mock-up: modelli in scala reale su cui fare le prove (in rari casi, normalmente si usano dei prodotti con prestazioni certificate, ovvero accompagnati da marcatura CE, il produttore emette il logo CE e la dichiarazione di prestazione, DoP). Il DL deve controllare tali aspetti sui prodotti che entrano in cantiere, quindi deve conoscere bene le normative.

Teoria della sostenibilità delle costruzioni

Fondamenti di teoria della sostenibilità delle costruzioni (valutazioni sui materiali per protocollo LEED, ITACA). Il protocollo LEED è americano, ora usato anche in Europa e assegna fino ad un massimo di 100 punti, per arrivare a questo punteggio non solo l'involucro deve essere prestazionale. Tratteremo le facciate verdi e le facciate fotovoltaiche (due approfondimenti per capire come devo modificare una facciata per inserire un elemento di produzione dell'energia ad esempio).

Esercitazioni

Un progetto di involucro, che deve essere studiato dal punto di vista dei particolari costruttivi, delle verifiche di calcolo. Recuperare progetti di corsi vecchi, base per ingegnerizzare, livello esecutivo, arrivare a definire le specifiche tecniche. Analisi del comportamento meccanico dei principali materiali (alluminio, acciaio, vetro). L'involucro deve essere leggero, poco massivo. Per quanto riguarda il vetro si farà un'analisi del comportamento meccanico mediante elementi finiti (SW apposito). Tutte queste parti di esercitazione di calcolo saranno accompagnate da una parte manuale, da normativa.

Analisi del comportamento termico

• Vetri
• Serramenti
• Sistemi di involucro vetrati
• Sistemi di rivestimento ventilati

SW: THERM.

Visite

Possibile visita in cantiere (Milano). Oppure visita presso un laboratorio di prove (San Giuliano Milanese). Oppure visita in azienda. Le visite potrebbero non essere nell'orario normale.

Programma dell'esercitazione

Circa 2 ore a settimana. Alla fine dell'orario ci sarà un giorno completamente dedicato alla revisione finale.

Esame orale

Base di partenza: giudizio del progetto. Giudizio qualitativo (0, - (23-24), -- (18-21), + (26-27), ++ (da 28)). Nello stesso gruppo i componenti possono avere un voto diverso in base alla partecipazione. Il progetto va consegnato 10 giorni prima dell'appello, in modo che il tutor abbia il tempo necessario per esprimere un giudizio. Le domande dell'esame possono essere relative al progetto ed alla teoria del corso. Per questo bisogna essere preparati su tutto il progetto. L'esame è singolo, presentarsi con una copia fisica dei disegni e delle relazioni (non si guarda a PC), avere più di una copia per gruppo dell'elaborato stampato.

Presentazione del progetto

Ogni gruppo deve presentare uno o più progetti di partenza (base utile per la definizione della geometria, dei venti, della zona climatica). Non interessa la struttura (devono essere presenti solo per poter attaccare la facciata) e la distribuzione interna. Disegnare dei dettagli delle tecnologie costruttive (sezioni al 10, al 20 e particolari in scala al 5 o 2), nei dettagli è importante far vedere l'interfaccia tra struttura e facciata. Non interessa il materiale della struttura. All'esame può essere richiesto anche di disegnare (a mano).

Analisi specifiche

• Analisi termica: output con flussi termici.
• Analisi meccanica: analisi del comportamento meccanico dei telai (è sufficiente un foglio elettronico, formule della scienza delle costruzioni, oppure si può usare un modellatore come abacus, midas). Questa cosa non può essere fatta sui vetri, che si comportano come piastre. Per il dimensionamento delle facciate non vanno bene le NTC, seguire l'EC e le norme specifiche.
• Un altro tema sarà il fuoco, alla luce delle normative attuali (circolare 5093).
• Manutenzione.
• Capitolato descrittivo prestazionale (tenuta all'aria, tenuta all'acqua, resistenza agli urti, all'effrazione). I risultati ottenuti dalle prove consentono di fare una classificazione (non sempre i risultati sono numerici).

Cosa consegnare

• Relazione (calcoli delle prestazioni, specifiche tecniche).
• Elaborati architettonici di inquadramento (ambiente circostante, come si accede all'edificio pensando anche a manutenzione e incendio).
• Prospetti (utili per l'analisi del vento, per far capire cosa c'è intorno).
• Pianta della copertura.
• Piano tipo (analisi acustica).
• Nodo al piede (entrambe le sezioni, verticale e orizzontale per tutti i nodi).
• Nodo al piano tipo.
• Nodo copertura.
• Nodi in cui si hanno interfacce (finestre-facciata ventilata,...).

Gli elaborati grafici vanno in formato A3 (comodi da leggere), all'orale vanno presentati rilegati, no disegni sciolti. Eventualmente, se necessario, si può piegare un A2.

Normalmente carica le lezioni in anticipo su webeep (in parte non è in italiano).

Lezione 20/09

Vetro

Vetro colato tipicamente usato nelle chiese, vetro artistico.

Fibre di vetro materiali usati per l'isolamento termico.

Vetro float tipicamente usato per le finestre, di spessore sottile, si differenzia in base al tipo di trattamento superficiale (coatings: vetri cotizzati, ovvero vetri rivestiti da un sottile deposito di ossidi metallici che danno proprietà riflessive, modificando le caratteristiche fotospettrometriche). Il coating non modifica le caratteristiche meccaniche, ma solo quelle fisiche. Attraverso processi termici otteniamo modifiche di caratteristiche meccaniche (toughened: vetri temperati). Non riusciamo però a modificare le caratteristiche di frammentazione, per ottenere un vetro che ha ottime caratteristiche meccaniche, di trasmissione solare e di frammentazione dobbiamo prendere i vetri temperati.

Vetro composito

Due strati, ad esempio, separati da una intercapedine d'aria. In tal caso migliorano le caratteristiche termiche.

Vetro stratificato

Accoppiando due vetri e interponendo un materiale elastoplastico con capacità di trattenere i pezzi di vetro tra loro in caso di rottura. Si tratta quindi di un vetro di sicurezza. Componendo più strati di vetro miglioro le proprietà di resistenza, in particolare la resistenza all'effrazione. Modificando l'intercalare otteniamo vetri resistenti al fuoco.

Trattamenti del vetro

Posso infine sabbiare il vetro ottenendo un vetro traslucido (operazione di abrasione fino ad ottenere che una delle superfici del vetro è diventata opaca). Con questo meccanismo limito la vista attraverso il vetro ma senza limitare l'ingresso di luce. Posso avere anche un trattamento con degli acidi, è un'azione chimica a differenza della sabbiatura, che è meccanica, ma ottengo lo stesso risultato. Serigrafia: deposito sulla superficie del vetro delle vernici ceramiche che realizzano il disegno. La radice ceramica passa attraverso dei fogli, ceramizza sulla superficie del vetro. Questa tecnica ha una funzione in molti casi estetica ma viene usata anche come tecnica di schermatura solare, in quanto l'ossido ceramico impedisce alla luce di entrare a prescindere dal colore dello stesso.

Quindi queste sono le grandi famiglie del vetro, che hanno svariati utilizzi. Il settore automobilistico e quello edilizio sono i settori principali di utilizzo del vetro.

Aziende

• Saint Gobain
• Pilkington

In tutto sono 4 società, che si dividono il mercato globale del vetro.

Proprietà fisiche

La densità del vetro è paragonabile a quella del calcestruzzo. Il vetro pesa 2,5 kg/mq per mm di spessore. Ci sono vetri fino a 19 mm di spessore, a partire da 3 mm. Resistenza a compressione elevatissima (circa 1000 MPa). Ma il vetro non viene usato a compressione, viene usato come una piastra, quindi viene sfruttata la resistenza a trazione, che varia tra 40 e 120 MPa (per i vetri temperati). Il diagramma di comportamento è un diagramma elastico, quindi ha una rottura fragile che può avvenire per valori di resistenza molto più bassi. Il vetro non è una lastra integra, il taglio nel vetro introduce delle fratture ai bordi della lastra che induce zone di rischio di fessure nel vetro. Se un vetro urta uno spigolo su sollecitazioni molto modeste è facile che il vetro si rompa (anche per valori di 40 MPa).

Il vetro accetta deformazioni molto forti, il modulo elastico è molto importante. Coefficiente di dilatazione molto basso, confrontandolo coi materiali metallici, con cui viene a contatto. Quindi al vetro non piace il contatto diretto con altri materiali lungo i bordi ma soprattutto teme il contatto con materiali che hanno un coefficiente di dilatazione molto diverso, tipicamente i telai dei serramenti.

Produzione e lavorazione del vetro

Nell'ultimo anno il vetro ha avuto un aumento del prezzo altissimo (4 o 5 volte) perché la produzione del vetro passa attraverso l'utilizzo dei forni a gas, che devono fondere delle materie prime. I forni fondono la sabbia (silice) a temperature tra i 1500-1600°C. Queste materie prime sono contenute in grandi silos e vengono pesate per ottenere un materiale che sia idoneo.

Dalla fusione passiamo alla realizzazione del vetro float mediante un raffreddamento progressivo fino ad arrivare a 600°C, quando passa attraverso un tunnel. Questa fase viene chiamata ricottura. Il vetro viene chiamato float perché il vetro passa sopra un bagno di stagno, che ha una densità molto più grande, permettendo al vetro di galleggiare (to float). Sui nastri trasportatori viaggia uno spessore di vetro, il cui spessore dipende dalla velocità dei nastri (più vanno piano maggiore sarà lo spessore). Questo metodo, chiamato floating, è stato inventato negli anni 50. Prima il vetro veniva ottenuto per colatura o per stiratura, questo secondo metodo era limitato perché la stiratura può avvenire fino ad un certo punto.

Dimensioni

Dimensioni: 3,2 m x 6 m (la x lu). Queste dimensioni sono quelle che si possono ottenere oggi grazie al metodo industriale. La dimensione trasversale è data dalla dimensione dei rulli: devo assicurarmi che il vetro sia piano. La lunghezza di 6 m è legato al trasporto, mediante camion speciali, con un piano ribassato (le lastre vengono messe in costa perché sono alte 3,2 m e devono passare nei sottopassi). Prima venivano trasportati con Boeing 747, detti Jambo. Le dimensioni del forno dipendono dalla capacità produttiva dello stesso. Ci sono degli affinanti, elementi che permettono di evitare la formazione di bolle d'aria durante la fase di raffreddamento. Circa a 600°C, dopo il bagno di stagno, entra nella fase di ricottura ed esce a temperatura ambiente, dove viene preso mediante delle ventose. In Italia c'è un solo forno di produzione del vetro. I forni non vengono mai spenti e hanno una durata media tra i 10 e 15 anni. I forni sono stati spenti solo in occasione del Covid perché hanno delle temperature altissime e ci vuole molta energia per riaccenderli.

Lavorazione

• Laminazione
• Tirato
• Stratificato inizialmente questo processo era poco affidabile, non si riteneva che il vetro avrebbe garantito la completa adesione.

Una volta il parabrezza delle automobili era realizzato in vetro temperato, oggi in vetro stratificato, che non permette il passaggio di corpi esterni e questo garantisce un maggior livello di sicurezza. Il tema della sicurezza è un tema guida anche nell'ambito dell'edilizia, ma in alcuni casi è sufficiente il vetro temperato.

Tempra

Prova di taglio su un vetro float: vado a sollecitare la flessione, il diagramma sarà perfettamente a farfalla. Attraverso il processo di tempra prendo il vetro float, lo riporto a 600°C in un forno e lo raffreddo bruscamente. Questo avviene attraverso i cosiddetti forni di tempra, dove ci sono dei soffioni che soffiano aria fredda sulla superficie superiore ed inferiore. Il vetro di nuovo viaggia su dei rulli, si raffreddano prima le facce e poi il nucleo centrale, quindi la tempra dà una sorta di precompressione al vetro. Quindi la tempra implica una compressione ed una riduzione di volume; per questo quando si spacca esplode, si verifica un rilascio di tensioni, che provoca una frammentazione con forme arrotondate. (i cristalli laterali delle automobili sono fatti in vetro temperato, che si frammenta in vetri molto piccoli e non acuminati). Il vetro float si rompe in lance acuminate e per questo è considerato più pericoloso.

Il diagramma risultante vede una zona fortemente compressa: per questo il vetro temperato ha una resistenza a compressione notevolmente maggiore di un vetro float. Il processo di indurimento è analogo, l'unica differenza è che il processo di raffreddamento è meno veloce. Il vetro indurito si rompe in pezzi troppo grossi, per questo non è considerato un vetro di sicurezza dalle normative ma ha una resistenza meccanica maggiore del vetro float. I rulli lasciano delle impronte, per questo se il vetro si raffredda molto velocemente rimane la curva dei rulli e dà quindi un'immagine leggermente distorta (svantaggio del vetro temperato). Inoltre il vetro temperato può rompersi anche improvvisamente a causa della presenza di microinclusioni non visibili ad occhio nudo. In tal senso il vetro indurito è considerato una valida alternativa al vetro temperato.

Vetro profilato ad U

Usato in alcuni capannoni, ma sono stati presto abbandonati perché non garantiscono un adeguato livello di comfort termico.

Vetro armato

C'è una rete metallica stampata all'interno, una volta era usato come vetro di sicurezza in quanto la maglia metallica tende a tenere insieme i pezzi di vetro in caso di rottura. Oggi non è più usato come vetro di sicurezza.

Lavorazione del bordo

Il vetro viene tagliato al filo cosiddetto grezzo, è tagliente.

• Lavorazione standard: finitura che può andare bene per l'edilizia quando il bordo è nascosto nel telaio.
• Bordo molato: viene fatta una molatura che rende liscio il bordo del vetro e toglie la maggior parte di imperfezioni.
• Bordo lucido: non solo viene molato ma viene anche lucidato, quindi diventa anche trasparente (usato nell'arredamento e nell'edilizia). Si tratta di una finitura più spinta e quindi più costosa perché devo filettare il vetro, molarlo e infine lucidarlo. Le diverse tecniche possono influire sulle prestazioni meccaniche del vetro.

Comportamento termico

Il vetro ha avuto un'evoluzione nel processo di industrializzazione, si sono aggiunte molte lavorazioni, quindi il vetro in edilizia può essere usato anche per superfici molto grandi. Il vetro è il materiale manifesto dell'architettura contemporanea (the less is more).