Gli elementi di fabbrica e costruttivi Parte 2a

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1 Università degli Studi di Cagliari _ Facoltà di Ingegneria _ Dipartimento di Architettura Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE Il sistema edilizio Gli elementi di fabbrica e costruttivi Parte 2a A.A. 2009/2010 Martina Basciu

2 elementi di fabbrica e costruttivi 1. Requisiti degli elementi costituenti l'involucro e degli elementi che separano due unità abitative 2. Richiamo dei concetti base di termotecnica 2.1 conducibilità termica 2.2 trasmittanza 2.3 inerzia ia termica 2.4 formazione di condensa 3. Le chiusure orizzontali 4.1 le possibili alternative e le prestazioni ottenibili (materiali, stratigrafia ) 4. Le chiusure verticali 5.1 le possibili alternative e le prestazioni ottenibili (materiali, stratigrafia ) 5. Gli infissi 6.1 le possibili alternative e le prestazioni ottenibili (materiali, stratigrafia ) 6.2 ottimizzazione dell'illuminazione naturale 6. Richiamo dei concetti base di acustica Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 2

3 Involucro e partizioni Requisiti degli elementi costituenti l'involucro: Sicurezza statica Isolamento termico Isolamento acustico Illuminamento Salubrità (assenza di condensa, muffe ) Requisiti degli elementi che separano due unità abitative: Sicurezza statica Isolamento termico Isolamento acustico Illuminamento Salubrità (assenza di condensa, muffe ) Stessa classe di requisiti ma la prestazione richiesta è diversa comportamento dell elemento misurato attraverso una ben determinata prova ES: Isolamento termico elemento involucro (CV) trasmittanza 0,42 W/m 2 K Isolamento termico CV tra due unità abitative trasmittanza 0,8 W/m 2 K Isolamento acustico CV tra due unità abitative R w > 50 db Isolamento acustico elemento involucro (CV) D 2mnTw > 40 db Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 3

4 Coperture inclinate isolamento termico, acustico e impermeabilizzazione Partizioni interne isolamento termico e acustico Chiusure orizzontali intermedie isolamento termico e acustico Chiusure verticali verso l esterno o verso locali non riscaldati isolamento termico e acustico Coperture piane isolamento termico, acustico e impermeabilizzazione PARTIZIONI INTERNE NELLA STESSA UNITA IMMOBILIARE UNITA IMMOBILIARI DIVERSE SCALA SGABUZZINO Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10

5 CHIUSURE VERTICALI CHIUSURE ORIZZONTALI DI COPERTURA PIANE E INCLINATE CHIUSURE ORIZZONTALI INTERMEDIE NELLA STESSA UNITA IMMOBILIARE UNITA IMMOBILIARI DIVERSE SGABUZZINO SCALA Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 5

6 termotecnica Concetti base Due fenomeni fisici che influenzano le scelte costruttive sono: la trasmissione del calore la diffusione del vapore Questi fenomeni fisici sono legati a caratteristiche specifiche dei materiali utilizzati: La trasmissione del calore Conduttività termica Capacità termica la diffusione del vapore Permeabilità al vapore conduttività termica capacità termica permeabilità al vapore trasmittanza inerzia termica formazione di condensa Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 6

7 termotecnica La verifica termoigrometrica Elementi di fabbrica che separano l interno dall esterno 1. Trasmittanza - verifica trasmittanze secondo tabelle allegato C Dlgs 192/05 (solo nel metodo prescrittivo) 2. Condensa - Verifica assenza di condensa interstiziale e superficiale 3. Inerzia termica - Verifica massa superficiale > 230 Kg/m 2 (solo nelle CV) Si parte dal presupposto che una grande quantità di massa garantisca una buona inerzia termica 4. Inerzia termica - Trasmittanza termica periodica (sostituisce la verifica della massa) Elementi di fabbrica che separano due unità abitative 1. Trasmittanza - verifica trasmittanze < 0,8 W / m 2 K Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 7

8 materiali Caratteristiche termofisiche Trasmissione del calore Calore una forma di energia trasferita da un corpo a un altro a temperatura differente, secondo processi di: Conduzione; Convezione; Irraggiamento. La quantità di calore scambiato è proporzionale p alla differenza di temperatura. Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 8

9 materiali Caratteristiche termofisiche la conducibilità termica Riduzione del flusso di calore per trasmissione attraverso una CV o una CO Q d = U x S x (ti-te) U = coefficiente globale di trasmissione o trasmittanza unitaria della parete (W/m 2 K) S = superficie della parete (m 2 ) Ti = temperatura interna (K) Te = temperatura esterna (K) Ridurre flusso di calore Ridurre trasmittanza U S n = spessore strato (m) λ = conducibilità termica (W/mK) α = adduzione Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 9

10 materiali Caratteristiche termofisiche la conducibilità termica Ridurre trasmittanza Aumentare S n o diminuire λ La trasmittanza U dipende dalla conduttività e dallo spessore dei materiali che costituiscono i singoli strati di un elemento costruttivo. La conduttività termica è specifica per ogni materiale Nella scelta del materiale è fondamentale controllare che abbia una conduttività termica bassa Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 10

11 materiali Caratteristiche termofisiche l inerzia termica Estate - lo smorzamento ΔTi/ ΔTe possibilità di ridurre il dimensionamento dell onda termica max (0,23) dell impianto termico - lo sfasamento min 8h 40 ritardo dell onda termica Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 11

12 materiali Caratteristiche termofisiche l inerzia termica Equazione di Fourier λ /ρc è la diffusività termica ρc è la capacità termica volumica ρ [kg/m 3 ] densità o massa volumica c [J/kgK] calore specifico Risolvendo l'equazione di F. per un moto oscillatorio (andamento della temperatura giornaliera) si trova che l'oscillazione delle temperatura interna della parete diminuisce al diminuire della diffusività la diffusività diminuisce λ diminuisce ρc aumenta Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 12

13 materiali Caratteristiche termofisiche l inerzia termica Inverno L edificio accumula calore negli elementi massivi grazie alla sua capacità termica: impianto i di riscaldamento acceso gli elementi massivi accumulano calore impianto di riscaldamento spento gli elementi massivi rilasciano il calore accumulato Attenzione! Generalmente negli edifici la massa è concentrata per il 75% negli elementi interni e solo per il 25% in quelli dell'involucro Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 13

14 materiali Caratteristiche termofisiche Conducibilità termica + inerzia termica Le caratteristiche dell involucro influenzano la temperatura interna della parete Controllare la temperatura interna della parete è fondamentale perché influisce sulla temperatura operante e in generale sul benessere Temperatura dell'ambiente ( temperatura operante t o ): la media tra la temperatura dell'aria nell'ambiente stesso t a e la temperatura media radiante delle pareti t mr, ciascuna pesata con il rispettivo i coefficiente i di scambio termico T o = (h r t mr + h c t a )/(h r + h c ) h r coeff per irraggiamento tra superficie esterna degli abiti e superfici circostanti, dipende da una differenza di temperature ed è un fattore di proporzionalità diretta h c coeff per convezione tra superficie esterna degli abiti e aria, per bassa velocità dell aria("aria ferma") il trasporto di calore avviene per convezione naturale e h C è funzione della differenza di temperatura, per velocità più alte, esiste convezione forzata e diventa allora funzione della velocità Per bassa velocità dell aria e temperature medie radianti non molto elevate risulta h c h r, per cui T o = (t mr + t a )/2 Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 14

15 materiali Caratteristiche termofisiche Conducibilità termica + inerzia termica Il benessere dipende in primo luogo dalla temperatura operante non dalla temperatura dell aria Spesso la situazione di disagio si attribuisce alla bassa temperatura dell aria, in realtà può essere causato: da una temperatura operante troppo bassa dovuta ad una bassa temp. radiante delle pareti costituenti l involucro ad una diversità di cessione termica dell organismo rispetto a pareti diverse che hanno temp. radianti diverse (es. un tramezzo e una tamponatura dell involucro) Il controllo delle caratteristiche ti dell involucro l è fondamentale per: La riduzione dei flussi di calore Il benessere Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 15

16 IGROMETRIA: 1. DIFFUSIONE DEL VAPORE 2. CONDENSAZIONE SUPERFICIALE E INTERSTIZIALE 3. VERIFICA IGROMETRICA (UNI 13788) DIFFUSIONE DEL VAPORE Nell aria è sempre presente una certa quantità di acqua sotto forma di vapore che ha una certa pressione parziale L aria è come un contenitore che ha una certa temperatura può contenere al massimo una certa quantità di vapore Se (a temperatura costante) la percentuale di vapore presente nell aria aumenta si può arrivare all orlo del contenitore cioè alla PRESSIONE DI VAPORE SATURO il contenitore trabocca cioè il vapore condensa Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10

17 DIFFUSIONE DEL VAPORE La dimensione del contenitore dipende dalla temperatura, più la temperatura si abbassa più il contenitore rimpicciolisce Se la temperatura scende troppo si raggiunge nuovamente la PRESSIONE DI VAPORE SATURO e il contenitore trabocca cioè il vapore condensa La temperatura temperatura a cui il vapore condensa si chiama TEMPERATURA DI RUGIADA normalmente l aria non è in condizione di saturazione, ma contiene una certa quantità di vapore x r a pressione P r inferiore a quella di saturazione x s il rapporto P r / P s, èl umidità relativa e si misura in % l umidità relativa arriva al 100% quando la temperatura scende fino alla TEMPERATURA DI RUGIADA e il vapore condensa Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10

18 materiali Caratteristiche termofisiche La permeabilità al vapore due ambienti a temperatura e umidità relativa differente hanno differenti pressioni parziali di vapore la parete che si trova tra i due ambienti sarà attraversata da un flusso di vapore dipendente dalla permeanza e dalla differenza di pressione parziale interno CV esterno V è il flusso di vapore [Kg/m 2 s],cioèlaquantitàdi p vapore che attraverso un m 2 1 passa ave di parete nell unità di tempo p 2 V = Π (p 1 p 2 ) Flusso di vapore Π permeanza al vapore [Kg/m 2 spa] La permeanza dipende dalla permeabilità al vapore dei materiali che costituiscono la parete Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 18

19 materiali Caratteristiche termofisiche La permeabilità al vapore δ = (V s)/(p 1 p 2 ) δ permeabilità al vapore = Flusso di vapore attraverso un materiale di spessore s con differenza di pressione di vapore agli estremi p 1 -p 2 [Kg/msPa] I valori delle permeabilità al vapore dell aria sono tabellate nella norma UNI δ aria = Kg/msPa aria μ = δ aria / δ materiale Le resistenze it si possono sommare permeabilità al vapore dell aria Coefficiente di resistenza alla diffusione di vapore di un materiale R* v = μ s R v = s / δ materiale resistenza alla diffusione di vapore di uno strato di spessore s R* vtot = Σ μ s = / Π V = δ aria (p 1 p 2 ) / R* vtot Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 19

20 DIFFUSIONE DEL VAPORE Studiare il flusso di vapore attraverso una parete è fondamentale per controllare: I fenomeni di condensa interstiziale I fenomeni di condensa superficiale sul lato interno La condensa si forma quando il vapore incontra una superficie con una temperatura inferiore alla sua temperatura di rugiada, cioè quando la pressione relativa raggiunge la pressione di vapore saturo gli strati di materiale bloccano il vapore in base al loro µ QUINDI attraversando la parete la pressione parziale del vapore diminuisce ATTENZIONE! La temperatura diminuisce e quindi diminuisce la pressione di vapore saturo bisogna evitare che la PRESSIONE DI VAPORE SATURO diventi più bassa DELLA PRESSIONE RELATIVA Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10

21 materiali Caratteristiche termofisiche La diffusione del vapore Si può calcolare la variazione della pressione parziale di vapore e di temperatura da uno strato all altro utilizzando il diagramma p,t del vapore d acqua I T I = 20 C Φ I = 55% T E = 3 C Φ E = 70% E Se si conoscono: il μ dei materiali che formano la parete La pressione parziale di vapore interna e esterna Le temperature interna e esterna L umidità relativa interna e esterna Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 21

22 materiali Caratteristiche termofisiche La diffusione del vapore Se si suppone che flusso di vapore e di calore sono costanti: ti = R Ti ( t I t E ) / R Ttot pi = R* Vi ( p I p E ) / R* Vtot I E Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 22

23 materiali Caratteristiche termofisiche La diffusione del vapore Strati di adduzione Isolante Calcestruzzo Formazione di condensa Barriera al vapore I I E E Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 23

24 VERIFICA IGROMETRICA I maggiori rischi di condensa si hanno con muratura a cassetta e isolamento dall interno Nel caso di formazione di condensa bisogna inserire una barriera al vapore sul lato caldo Muratura Muratura con Muratura con Muratura a cassetta senza isolamento isolamento interno isolamento a cappotto Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10

25 U = 0,403 W/m 2 K Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10

26 L utilizzo dei blocchi isolanti evita la formazione di condensa anche con il cappotto interno In generale anche nei casi di isolamento interno di murature di laterizio, se le condizioni non sono estreme, non si forma condensa La condensa si forma nei ponti termici perché in corrispondenza di variazioni geometriche o di materiale la temperatura si abbassa U = 0,514 W/m 2 K Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10

27 CONDIZIONI ESTREME Vetro cellulare Resistenza al flusso di vapore (µ)= λ= 0,04 W/mK Condizioni interne 26 C U.R. 90% Temperatura esterna 0 C Condizioni di questo genere si possono verificare in bagno durante la doccia e in una giornata molto fredda U = 0,528 W/m 2 K Ma attenzione! In bagno ci sono le mattonelle proprio in previsione di casi simili Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10

28 OPPURE Polistirene sinterizzato Resistenza al flusso di vapore (µ)= 60 λ= 0,034 W/mK Condizioni i i interne 20 C U.R. 52% Temperatura esterna 3 C MURATURA DI PIETRA Resistenza al flusso di vapore (µ)= Attenzione! Se la permeabilità dell isolante interno è molto alta e invece la muratura è impermeabile è sicuro che si formerà condensa interstiziale Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 28

29 Soluzioni progettuali isolamento dell involucro 20 C isolamento esterno massima efficienza 20 C 20 C isolamento interno ideale per i recuperi Ambiente riscaldato separato dall esterno da due vani non riscaldati Ottimi risultati estivi e invernali Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 29

30 Strategie progettuali Chiusure verticali: stessa trasmittanza 1 possibile Rapidità di messa a regime Rapidità di raffreddamento una volta spento il riscaldamento Risposta inerziale estiva minima Massimo risparmio in caso di utilizzo non continuativo (es. uffici) Rischio di condensa, necessità di scelta accurata dei materiali e ibil necessità di utilizzo di barriera al vapore Metodo ideale per isolare gli edifici esistenti Riduzione superficie utile interna Necessità di soluzioni aggiuntive per risolvere i ponti termici 2 Messa a regime lenta Raffreddamento lento una volta spento il riscaldamento Risposta inerziale estiva massima Massimo risparmio in caso di utilizzo continuativo (es. abitazioni) Metodo migliore per risolvere i ponti termici Eliminazione di condensa e muffe Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 30

31 Strategie progettuali Chiusure verticali: stessa trasmittanza 3 Comportamento inerziale medio Protegge l isolamento degli agenti atmosferici Rischio di condensa interstiziale Necessità di soluzioni aggiuntive per risolvere i ponti termici 4 Necessità Blocchi porizzati con buona inerzia termica Messa a regime lenta Raffreddamento lento una volta spento il riscaldamento, ma il calore tende a fluire verso l esterni Risposta inerziale estiva massima Necessità di soluzioni aggiuntive per risolvere i ponti termici Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 31

32 Strategie progettuali Parete isolata a cappotto + intercapedine ventilata Inverno Protezione isolamento esterno Facile soluzione dei ponti termici Eliminazione di condensa e muffe Eliminazione del vapore acqueo prodotto all'interno dell'edificio grazie alla ventilazione Migliore isolamento acustico Chiusure verticali: facciata ventilata Attenzione L effetto camino nell intercapedine d inverno innesca moti convettivi i che fanno aumentare la trasmittanza del muro Estate Il paramento esterno evita il surriscaldamento delle murature dovuto all insolazione diretta L effetto camino che si innesca nell intercapedine riduce il flusso di calore dall esterno all interno Migliora l inerzia termica del muro Attenzione Gli effetti positivi di questo tipo di sistema non sono quantificabili con metodi di calcolo codificati Non sempre si ottengono gli effetti sperati L ideale sarebbe integrare con una ventilazione trasversale dal lato nord al lato sud dell edificio E sconsigliata per la facciata Nord Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 32

33 Strategie progettuali Chiusure orizzontali : stessa trasmittanza 1 Coperture A. tegole B. impermeabilizzazione C. solaio D. isolante E. barriera al vapore tradizionali 1 Isolamento all intradosso 1. Ideale per i recuperi 2. Difficile posa 3. Risposta inerziale minima 4. Rischio di condensa interstiziale, barriera al vapore obbligatoria 2. Isolamento all estradosso 1. Ottimo comportamento inerziale Rischio di condensa legato al tipo di materiale usato per l impermeabilizzazione 3. Lenta messa a regime 3. Solaio di legno 1. Rischio di condensa legato al tipo di materiale usato per l impermeabilizzazione 2. Massa superficiale < 230 Kg/m 2 3. La leggerezza è anche un pregio perché comporta carichi inferiori sulla muratura Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 33

34 Strategie progettuali Chiusure orizzontali : stessa trasmittanza Se si usa un impermeabilizzazione traspirante nelle soluzioni 2 e 3 la barriera al vapore non è necessaria Le soluzioni costruttive con solaio di legno non raggiungono l inerzia termica minimo è necessario sopperire con soluzioni alternative, ad es. notevoli spessori di isolanti a base di fibre di legno 4 ventilate Coperture ventilate analogamente alle facciate ventilate i tetti ventilati migliorano le prestazioni estive analogamente al caso delle facciate ventilate Gli effetti positivi di questo tipo di sistema non sono quantificabili con metodi di calcolo codificati il tetto ventilato non garantisce il raggiungimento dei livelli minimi di inerzia termica 5 A. tegole B. impermeabilizzazione C. solaio D. isolante E. barriera al vapore Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 34

35 Strategie progettuali Chiusure orizzontali : stessa trasmittanza Tetto giardino Ottima soluzione per migliorare l inerzia termica Notevole aumento dei carichi 6 Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 35

36 PONTI TERMICI Ponte termico corretto = è quando la trasmittanza termica della parete fittizia (il tratto di parete esterna in corrispondenza del ponte termico) non supera per più del 15% la trasmittanza termica della parete corrente Calcolo trasmittanza parete fittizia: U f =(y X l ) / A f Se U f 1,15 U lim y [W/mK] è la trasmittanza lineica del ponte termico l [m] è la lunghezza del ponte termico A f è la superficie esterna corrispondente al ponte termico (parete fittizia) allora il ponte termico è corretto Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10

37 PONTI TERMICI E se U f > 1,15 U lim allora Calcolo trasmittanza media parete corrente ponte termico: U m =[(U c X A c )+(y X l )] / (A f + A c ) U c è la trasmittanza della parete corrente A c è la superficie della parete corrente È sufficiente che U m U lim Calcolo trasmittanza parete di spessore ridotto (sottofinistre ): U=[(U p X A p )+(U rid X A rid )] / (A p + A rid ) U p [W/m 2 K] è la trasmittanza della parete A p è la superficie della parete U rid [W/m 2 K] è la trasmittanza della porzione di parete con spessore ridotto A rid è la superficie della porzione di parete con spessore ridotto Se U U lim allora il ponte termico è corretto MEGLIO VERIFICARE Decreto Legislativo n. 192 che prevede l assenza di condensazione superficiale con condizioni fisse di temperatura dell aria interna, Ti = 20 C, e di umidità relativa URi = 65 %. In queste condizioni la temperatura di saturazione corrisponde a 13,2 C. Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10

38 Ponte termico corretto Ponte termico non corretto Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10 38

39 Ponte termico corretto Ponte termico non corretto Il rischio di condensazione superficiale viene valutato facendo riferimento alle condizioni previste dal Decreto Legislativo n. 192 che prevede l assenza di condensazione superficiale con condizioni fisse di temperatura dell aria interna, Ti = 20 C, e di umidità relativa URi = 65 %. In queste condizioni la temperatura di saturazione corrisponde a 13,2 C. Se la temperatura superficiale del ponte termico ha un valore minore di 13.2 C C si è in presenza del rischio di condensazione superficiale. La correzione pertanto è considerata sufficiente se la temperatura superficiale interna risulta essere Tsi 13,2 C ai fini della condensazione. Corso di PROGETTAZIONE INTEGRALE - A.A. 2009/10