School and the environment

A cura di: Ing.Phd. Federico Mattia Visconti

Con la tecnologia prefabbricata si assiste al proliferare di soluzioni tecnologiche, relative principalmente all’impiego di partizioni leggere stratificate, che dal punto di vista della “Fisica Tecnica” rispondono alle diverse sollecitazioni
(termica, igrometrica ed acustica) sfruttando proprietà fisiche proprie, con caratteristiche prestazionali anche molto
diverse rispetto alle tecnologie tradizionali basate sull’impiego di calcestruzzo e mattone. Rinunciando a prender posizione su determinate tecnologie rispetto ad altre, questo articolo vuole essere uno scritto a preludio di successivi
approfondimenti che prenderanno in esame le diverse tematiche della fisica tecnica relativamente ai sistemi di involucro.
Grande enfasi verrà riservata al confronto delle diverse tecnologie in relazione agli specifici contesti ambientali ed alle
differenti esigenze di utilizzo, sottolineando le differenze tra soluzioni prefabbricate “tipo” e soluzioni tradizionali basate sul mattone. Un’attenzione particolare sarà posta sull’importante questione della sinergia tra i vari elementi costituenti il “sistema involucro”, che risulta essere cruciale per la comparsa di ponti termici ed acustici in grado di inficiare pesantemente la qualità dell’intero edificio. È possibile individuare tre macrotematiche di approfondimento, relative al solo ambito disciplinare della “Fisica Tecnica”, scegliendo di non considerare gli ambiti specifici della statica e dell’ergotecnica:
1. trasmissione del calore;
2. trasporto del vapore in mezzi porosi;
3. acustica.
Tutte e tre le istanze contemplano la medesima partizione e dunque la medesima stratigrafia di elementi.
Il successo di una tecnologia sta proprio nel riassumere nello stesso “pacchetto” alte prestazioni in ognuno dei campi sopra citati, relativamente alle specificità di utilizzo considerate. In questo testo vengono sintetizzate le modalità di comportamento di alcune tecnologie di riferimento, concernenti i sistemi di chiusura verticale opachi, focalizzando l’attenzione sul ruolo di alcuni materiali largamente diffusi. Questioni più specifiche saranno oggetto dei successivi approfondimenti.

In alto: museo alf lechner a ingolstadt – architetto fischer.
Il padiglione degli anni ’50, originariamente usato per la produzione di
Automobili, è stato trasformato in spazio espositivo. Su tre lati la facciata originaria è stata rivestita in pannelli di alluminio con intercapedine per gli impianti; sul lato nord, dove si trova l’accesso principale, all’originaria facciata
senza bucature è stata anteposta una struttura in vetro e acciaio.
Sotto: curve di temperatura in una parete tradizionale in mattoni
(a sinistra) e in una parete leggera prefabbricata (a destra). Le trasmittanze termiche specifiche sono pari rispettivamente a 0,443 e 0,233 w/m2k. Sebbene lo spessore della parete prefabbricata sia inferiore di 10 cm
rispetto alla parete in mattone, la sua trasmittanza termica è circa pari alla metà.

Trasmissione del calore

Isolamento termico

In base al secondo principio della termodinamica l’energia termica si trasferisce spontaneamente da un ambiente
caldo ad un ambiente freddo.
L’energia termica trasmessa per unità di tempo è direttamente proporzionale alla differenza di temperatura tra i due
ambienti ed è inversamente proporzionale alla resistenza termica fornita dal setto di separazione.
Le modalità di trasmissione dell’energia termica in una chiusura opaca, come noto, comprendono i fenomeni della
“conduzione”, della “convezione” e dell’ “irraggiamento”, che coesistono tutti o in parte in una chiusura opaca.
Una delle tipologie di chiusura più comunemente utilizzate nella prassi edilizia “tradizionale” è costituita da:
• una tramezza interna in mattoni (forati) intonacata su uno o su entrambi i lati;
• un’intercapedine d’aria eventualmente riempita di materiale isolante (lana di vetro, lana di roccia, ecc.);
• una tramezza interna in mattoni (forati) intonacata su un lato o su entrambi i lati.
Per questa definizione tipologica, per gli spessori comunemente utilizzati, il contributo maggiore di riduzione della
potenza termica è dato dallo strato di materiale isolante.
Esso possiede una “trasmittanza termica” [W/m2K] circa 10 volte inferiore rispetto al mattone forato. Questo significa
che per ottenere con il solo mattone il medesimo isolamento termico offerto dallo strato di isolante, il suo spessore
deve essere 10 volte superiore. Per chiusure tipo costituite da 12+8 cm di mattone e 5 cm di isolante, la “resistenza
termica specifica” [m2K/W] dello strato di isolante è quasi tre volte quella degli strati in mattoni. È dunque immediatamente possibile considerare come, esclusivamente dal punto di vista dell’isolamento termico, sia possibile
sostituire i 20 cm di mattone con 2 cm di materiale isolante, risparmiando ben 18 cm. Rinunciando all’utilizzo del mattone e sostituendolo con rivestimenti leggeri (cartongesso, legno, ecc.), i sistemi prefabbricati possono conseguire
isolamenti termici importanti con spessori di gran lunga inferiori rispetto ai sistemi “tradizionali”.

Inerzia termica

Una questione di grande importanza, che raramente viene considerata in maniera sufficientemente esauriente anche a causa della relativa complessità dei modelli matematici atti a descrivere il fenomeno, è quella dell’inerzia termica di un elemento tecnico, ovvero la capacità che ha un elemento di ritardare nel tempo la sua risposta alla sollecitazione termica. Lo sfasamento temporale che può essere fornito da un materiale dipende dalla sua Capacità Termica, parametro [J/K]. Essa è il prodotto tra il Calore Specifico [J/kgK] di un materiale (rappresentativo dell’energia che
deve essere fornita ad un kg di materia per aumentarne la temperatura di un grado) e la sua Massa [kg].
È evidente come lo sfasamento temporale offerto da un elemento sia tanto maggiore quanto più alti sono il Calore
Specifico e la Massa del materiale che ne è costituente.
Le condizioni climatiche dei paesi del sud Europa e dell’Africa hanno tradizionalmente favorito lo sviluppo di sistemi edilizi concepiti per sfruttare appieno le proprietà inerziali degli elementi costituenti.
Tra gli innumerevoli esempi si pensi ad una chiesa romanica, caratterizzata da muratura piena di notevole spessore
e da poche finestre, ai Dammusi di Pantelleria o agli edifici berberi scavati nella roccia, che sfruttano l’enorme inerzia
termica fornita dal terreno. Negli esempi considerati, sfruttando il comportamento inerziale delle chiusure, è possibile
conseguire condizioni di benessere in luoghi molto caldi.
Al contrario chiunque possegga una casa in pietra in una zona montana sa quanto sia lento ed oneroso riscaldare l’edificio, a causa proprio dell’elevata inerzia termica dei muri, che necessitano anche dei giorni per poter essere opportunamente riscaldati. Inoltre un muro in pietra abbisogna di uno spessore notevole per conseguire il livello di isolamento termico raggiunto da un sistema leggero di ben più piccolo spessore.
Relativizzando il problema alle tipologie costruttive attuali, i sistemi leggeri prefabbricati sono generalmente dotati di un comportamento inerziale trascurabile, che rende queste tecnologie particolarmente adatte per località montane e per tutti quei contesti (sia residenze che uffici, che industrie) in cui sia gradita un’immediatezza di risposta alla sollecitazione termica unitamente ad elevati standard di isolamento; è il caso questo di contesti in cui sia previsto un uso importante dell’impianto di condizionamento, per cui sia necessario massimizzare l’isolamento dell’edificio per minimizzare il consumo di energia.

Trasporto del vapore in mezzi porosi

Dipendentemente dall’umidità relativa, il vapor d’acqua contenuto nell’aria è caratterizzato da una determinata
pressione detta pressione parziale di vapore.
La differenza di pressione del vapor d’acqua tra un ambiente interno e l’esterno determina il noto fenomeno fisico della “migrazione del vapore”, fenomeno di trasporto della massa di vapore dall’ambiente caratterizzato dalla maggiore pressione di vapore a quello a minor pressione di vapore. La migrazione del vapore può interessare fenomeni di condensa nella misura in cui la pressione parziale di vapore all’interno della muratura, o su una delle superfici, eguagli il valore della pressione di saturazione alla temperatura considerata.
È questo un problema che caratterizza solitamente la condizione invernale, in quanto si raggiungono differenze notevoli tra la temperatura dell’ambiente interno e quella esterna e dunque tra le pressioni parziali di vapore corrispondenti. La legge matematica che caratterizza il fenomeno migratorio è analoga alla legge di Fourier della conduzione termica.
Per pareti piane, in assenza di condensazione, la pressione parziale di vapore diminuisce dunque linearmente
all’interno del continuo solido. Se la diminuzione di temperatura all’interno della parete è tale da far sì che la pressione di saturazione del vapore a quella temperatura superi il valore calcolato tramite la legge di migrazione, si ha formazione di condensa.
Fenomeni di condensa si presentano con maggiore facilità in pareti multistrato caratterizzate da materiali dal coefficiente conduttivo molto diverso, soprattutto nella misura in cui i gradienti di temperatura più significativi avvengono negli strati più vicini all’ambiente interno. Il cosiddetto isolamento “a cappotto” consente di minimizzare il problema della condensa, cosiccome l’utilizzo di tecnologie dotate di un volume isolante molto maggiore rispetto agli strati di rivestimento (come è il caso delle strutture leggere prefabbricate).

Nella pagina precedente: esempio di parete esterna ad elevato isolamento acustico. L’accoppiamento di materiali massivi eterogenei, unitamente alla presenza di elementi porosi e guaine smorzanti, garantisce prestazioni acustiche di rilievo (potere fonoisolante superiore a 60 db).
Nella pagina precedente: dettaglio di facciata della bayerische
Vereinsbank. Stoccarda, behnish & partner.
Il progetto di ristrutturazione che ha comportato il rifacimento
Della facciata principale ha avuto come obiettivi principali:
- il miglioramento del microclima interno
- la diminuzione dei consumi energetici
- un buon livello di luce diurna
Per conservare il carattere della vecchia facciata, ovvero un manto di vetro con una facciata di vetro che diffonda la luce, gli architetti
Hanno voluto la ricostruzione di una facciata sempre a doppia pelle. Il livello esterno è composto da lamelle in vetro regolabili ed apribili.
Sul guscio interno i parapetti esistenti in elementi prefabbricati in calcestruzzo sono stati isolati e rivestiti con lamelle orizzontali in legno; sopra di essi sono stati inserite imposte di legno apribili.

Acustica

La capacità di una partizione di conseguire un determinato isolamento dai rumori aerei, è funzione di una complessità di fenomeni fisici interagenti tra di loro.
Il modello matematico più noto per lo studio dell’isolamento acustico è la cosiddetta “legge della massa”, secondo la quale la percentuale di energia acustica abbattuta da una partizione monostrato è direttamente proporzionale alla sua massa ed è tanto maggiore quanto più alta è la frequenza considerata.
La legge della massa cade in condizioni di risonanza (ad esempio quando è raggiunta la frequenza di coincidenza),
per frequenze discrete in corrispondenza delle quali il potere fonoisolante si riduce sensibilmente.
La legge della massa non è inoltre applicabile per pareti multistrato; in questo caso l’abbattimento dell’energia
sonora è determinato dalla sinergia tra i vari strati, che contempla fenomeni di mutua risonanza e la cui previsione dal punto di vista analitico necessita di modelli di calcolo complessi.
Con le strutture prefabbricate leggere è possibile conseguire isolamenti opportuni con masse inferiori rispetto ai sistemi “tradizionali”.
Una partizione leggera ben progettata dal punto di vista acustico deve prevedere un notevole disaccoppiamento
acustico tra le masse in gioco, tramite l’utilizzo di materiali eterogenei, caratterizzati dalle frequenze di risonanza (e di coincidenza) il più possibile diverse. L’utilizzo dell’isolamento termico consente inoltre un significativo smorzamento dell’energia sonora in transito nelle intercapedini. Studi recenti dimostrano come sia solitamente più efficace riempire l’intercapedine con materiale poroso solamente parzialmente, a beneficio di un’ulteriore mezzo (l’aria) che grazie alla differente impedenza consente il verificarsi di ulteriori fenomeni di riflessione interessati dunque dalla dissipazione di energia principalmente da parte del materiale isolante stesso.

Conclusioni

La gestione delle tre macrotematiche riassunte in questo articolo presenta una complessità tale che il reale successo
di una tecnologia costruttiva si rende possibile solamente tramite un approccio olistico, finalizzato sin dal principio alla gestione di tutte le problematiche (con l’inclusione del problema statico e di quello ergotecnico).
Tanto più alte sono le richieste prestazionali quanto più attento deve essere lo studio di sistemi atti a riassumere,
in un pacchetto apparentemente semplice, una pluralità considerevole di istanze. Le moderne tecnologie della prefabbricazione rendono possibile il raggiungimento di risultati buoni o ottimi, che devono comunque essere valutati alla luce delle specifiche esigenze dell’utenza.
Il progredire della tecnologia prefabbricata lascia prevedere direzioni di sviluppo tali da far fronte alle esigenze di un’utenza sempre più diversificata. È il caso della questione dell’inerzia termica, per cui è possibile pensare ad
una tecnologia della prefabbricazione che ricorra all’utilizzo di elementi dotati di buona capacità termica o che preveda
l’ibridazione dei sistemi leggeri con tecnologie più tradizionali (anche recuperando concettualmente le logiche costruttive antiche riscontrabili nell’architettura vernacolare, con lo scopo di beneficiare dei punti di forza di una varietà di filosofie costruttive).