Progettazione Involucro Edilizio - Appunti

Lezione 01 – Normative e materiali

Recladding: processo di rifacimento della facciata

In edilizia si ha a che fare con una grande quantità di materiali, ognuno dei quali obbligatoriamente certificati e validati: a seconda del metodo di realizzazione, la certificazione avverrà in laboratorio (produzione seriale) oppure in opera. Eventuali prototipi devono subire adeguate omologazioni mediante apposite prove.

L’involucro edilizio è una delle parti più costose in un edificio (circa il 20 %), dopo struttura e fondazioni (sia dal punto di vista materiale che energetico); è un elemento molto tutelato dalle normative nazionali e comunitarie. Quelle analizzate sono facciate non strutturali, ovvero provvedono solamente a trasmettere le azioni statiche agli elementi portanti a cui sono connesse (la separazione delle funzionalità nel tempo ha ridotto gli spessori e incrementato le superfici vetrate).

Lezione 02 – Metalli

A seconda delle applicazioni è necessario valutare attentamente le compatibilità chimico-fisiche dei materiali, i possibili scenari legati alle fasi operative e i limiti di applicazione.

Metalli ferrosi e non ferrosi

• Ghisa
• Weathering steel
• Acciaio
• Acciaio inox
• Titanio
• Alluminio
• Zinco
• Stagno
• Rame
• Bronzo (rame + stagno)
• Ottone (rame + zinco)
• Oro
• Argento

Normalmente i metalli possono resistere bene agli agenti ambientali: in particolare oro e argento, metalli molto nobili, sono impiegati per la realizzazione di film interposti nei serramenti per modificarne le proprietà (emissività, selettività, riflessione).

Vantaggi e svantaggi

VANTAGGI: i metalli sono riciclabili, a volte al 100 % (raro) a volte perdendo una piccola frazione per scarti produttivi (95 %).

Prima fusione: il materiale è vergine, per fondere le componenti mineralogiche sono necessarie alte T (altoforno);

Seconda fusione: T e costi inferiori, possibile combinazione con altri metalli. Non sempre si mantiene la destinazione del metallo, anzi solitamente in edilizia non si usa quello rigenerato.

SVANTAGGI: i metalli hanno cattivo comportamento al fuoco, ovvero a T non altissime perdono le proprie capacità meccaniche (plasticità del materiale): alluminio a 300° C, acciaio a 600° C.

Inoltre è necessario fornire una protezione da reazioni di tipo galvaniche, ovvero da corrosione: in generale, conviene separare più possibile tutti gli elementi interponendo uno strato in materiale plastico.

Tipi di lavorazione e applicazione

• Estrusione: compatibile con l’alluminio in quanto questo materiale ha minor densità e resistenza, quindi è necessaria meno pressione.
• Laminazione: lavorazione adatta soprattutto per materiali destinati al rivestimento come lo zinco o il piombo.

Per quanto concerne i materiali non ferrosi, questi vanno valutati in funzione del tipo di applicazione: la densità, ovviamente, incide in modo determinante sulla scelta del metallo; il piombo, molto pesante, è impiegato per rivestimenti o abbinato ad altri materiali per funzionare come possibile isolante acustico (legge della massa). L’alluminio, invece, presenta un ottimo rapporto tra prestazioni meccaniche e densità; inoltre, ha un vasto campo di applicazione grazie alla facilità di lavorazione. Il rame ha una densità non trascurabile; le sue ottime proprietà conduttive e quelle legate alla passivazione, però, lo rendono applicabile per rivestimenti ed accessori, come pluviali.

Caratteristiche dell'alluminio

L’alluminio è un materiale che non esiste in forma naturale: si ricava dalla bauxite (molto diffusa in natura ma l’estrazione è costosa). Bauxite Al₂O₃ (molto reattivo a causa delle 3 molecole di ossigeno quindi si combina facilmente) criolite (riduzione con C) aggiunta di Si e Mg Al.

Allo stato semipuro ha una consistenza soffice e debole; l’anodizzazione su questo materiale risulta naturale, quindi gode di una buona resistenza a corrosione.

• Gruppo 5000 o “per alluminoso”: prevalenza di Mg;
• Gruppo 6000 o “anticorodal”: contiene Si e Mg, buona resistenza a corrosione e ottima lavorabilità;
• Gruppo 7000: contiene zinco, resistenza meccanica elevata (possibili applicazioni strutturali).

Solitamente abbiamo a che fare con profili estrusi di lunghezze massime comprese tra i 6,5-7,5 m per evitare effetti di torsione o sbandamento (genererebbero difetti, causerebbero difficoltà di trasporto).

Lezione 03 – Protezione dei metalli

La zincatura, o galvanizzazione, è il processo più adatto per la protezione dei metalli: a seconda del tempo di immersione abbiamo una generazione di un film di spessore variabile; in particolare si preferisce l’immersione a caldo per favorire una certa uniformità di ricoprimento, soprattutto per laminati e forme cave. È necessario prestare attenzione alle alte temperature, in quanto è possibile che alcune parti del profilo si raffreddino prima rispetto al resto della struttura, generando una deformazione o una torsione.

La superficie deve essere adatta a ricevere questo tipo di trattamento: pertanto questa verrà trattata sgrassando e decapando (con soluzioni acide vengono eliminate le scaglie di laminazione o residui metallici/ruggine derivanti dalla lavorazione), purificazione chimica.

La differenza di potenziale fornisce, in questo caso, la soluzione sacrificale con cui sopperire ad eventuali difetti di corrosione: in aree superficiali con carenze di zinco vi sono fenomeni di corrosione puntuale o pit corrosion.

L’anodizzazione è un processo che tende a potenziare l’effetto naturale già presente nell’alluminio: vengono inserite delle rastrelliere (a cui sono connessi gli elementi in alluminio) all’interno di una vasca di acciaio rivestita di antiacido all’interno della quale vi è un bagno elettrolitico. La vasca permette di ottimizzare il processo in quanto può ospitare più profili contemporaneamente. Prima dell’immersione le parti da anodizzare devono subire i vari trattamenti superficiali esposti in precedenza; attraverso questa immersione si instaurano reazioni di ossidoriduzione:

Barre (catodo) liberano H dissocia l’acido solforico (vasca) libera O formazione di ossidi di Al passivazione Al.

La passivazione, quindi, deriva dal ricoprimento con film di ossidi: questo garantisce maggior resistenza rispetto alla zincatura, in quanto l’aderenza alla superficie più porosa dell’alluminio risulta maggiore (acciaio è più liscio). È necessario, inoltre, installare delle serpentine di raffreddamento, in quanto il processo è fortemente esotermico.

Se si aggiungono dei pigmenti metallici al bagno elettrolitico possiamo avere un processo di elettrocolorazione: si utilizzano polveri di poliestere, poliuretani e polivinilidenfluoruro (PVDF) che mediante lo sviluppo di calore aderiscono alla superficie.

Lezione 04 – Vetro

Il vetro è principalmente composto da silice (SiO₂); la sua struttura atomica si viene a formare da un raffreddamento brusco della sua matrice, generando una fase intermedia tra liquido e solido (solido amorfo), definito stato vetroso metastabile, in quanto la struttura non ha avuto il tempo di generare un reticolo cristallino (velocità di reazione 0); per vetri colorati aggiungere ossidi metallici.

La produzione consiste in una fusione, floating (galleggiamento), ricottura e raffreddamento ad aria libera. Il vetro ha ottime proprietà fotometriche, ovvero è trasparente alla luce ed al calore. Questo è molto pesante, ottima resistenza a compressione, resistenza a flessione dipendente dal trattamento subìto (maggiore se temperati), fragilità assoluta (instabilità della struttura), elevata elasticità (mai plasticità), bassa dilatazione termica, fragilità rispetto alle variazioni di temperatura (generazione di sollecitazioni interne che possono portare a delle fratture). Per questo motivo prestare attenzione alle temperature superficiali, soprattutto in funzione degli eventuali coating inseriti (T_INT - T_EXT non alta).

I vetri sodico-calcici si ottengono dalla miscelazione della soda, sabbia silicica e carbonato di calcio: l’ossido di Ca e quello di Na, interponendosi nella struttura, neutralizzano le cariche negative dell’O₂ conferendo maggior stabilità.

I vetri float vengono ottenuti per galleggiamento: la differenza di densità con lo stagno produce una perfetta planarità inferiore. I vetri stratificati presentano l’interposizione di un film plastico o polimerico (solitamente in polivinilbutirrale PVB) di 0,38 mm (se 33.2 allora hai 2 vetri da 3 mm con 2 film); sfruttano l’effetto massa-molla-massa per incrementare il potere fonoisolante.

I vetri coatizzati, invece, godono di un trattamento superficiale (sviluppo della nanotecnologia) con sottili strati di ossidi metallici (coating) che modificano le proprietà di riflessione, selettività (separazione delle componenti della radiazione) e self cleaning (autopulenti, cambiano le caratteristiche idrofiliche della superficie).

I vetri possono subire dei trattamenti speciali: la tempra consiste nel brusco raffreddamento da 600° C a 300° C che garantisce maggiori resistenze (la rottura genera frammenti non taglienti); questa azione fa sì che la superficie si raffredda prima, generando sforzi di compressione (trazione interna) aumentando la resistenza a flessione. Si possono avere dei trattamenti superficiali, come la sabbiatura (erosione superficiale mediante abrasione), spazzolatura, satinatura (superficie resa opaca), serigrafia ceramica (ossidi metallici fusi che si depositano sulla superficie).

Finiture del vetro

• Sfilettatura: spigoli smussati;
• Molatura: lavorazione sulla superficie di taglio (lucida o industriale = opaca).

Circa l’89 % dell’energia solare incidente sulla facciata viene trasmessa all’ambiente interno. A livello energetico possiamo vedere solo il 53 % delle radiazioni incidenti; l’UV (10 % della radiazione) non ha grande importanza ma l’infrarosso sì, quindi il 37 % (infrarosso) della radiazione, seppur non visibile, trasmette calore. Si definisce fattore solare: FS = E_τ + (k E_α) / E_TOT con k che rappresenta la frazione di energia assorbita trasmessa all’ambiente interno.

Conviene numerare le facce delle superfici a partire dall’esterno; per avere dei buoni valori di trasmittanza termica, oltre ad interporre gas nel vetro camera, si utilizzano i cosiddetti vetri basso emissivi che possiedono un coating di ossidi metallici sulla faccia 3 in grado di riflettere all’interno le radiazioni che vogliono fuoriuscire dall’ambiente interno (bassa riemissione verso l’esterno rispetto a quanto assorbito). Questo tipo di soluzione non è adatto in ambito estivo in quanto esalta l’effetto serra.

Per il controllo solare, invece, si usano vetri selettivi con un coating di ossidi metallici sulla faccia 2 in modo da limitare la radiazione assorbita/trasmessa all’interno (spessore maggiore rispetto ai coating basso emissivi): queste facciate, però, sono caratterizzate dalla facilità di attrazione di sporco (dovuto all’ossidazione, attrazione elettrostatica); per questo motivo si predilige il deposito magnetico che sfrutta l’attrazione elettrostatica per applicare gli ossidi (la superficie ha carica opposta). A seconda del metallo utilizzato abbiamo un’alterazione cromatica: oro, argento, cobalto (blu). È possibile avere dei vetri selettivi che riflettono l’energia ma non tutta la luce: a tal proposito si definisce il rapporto di selettività RS = FS / E_τVISIBILE (se RS < 1/2 il materiale ha un buon comportamento di selettività).

Non applicare mai il coating sulle facce estreme, in quanto...