Sistema costruttivo in profili sottili formati a freddo

L’attuale richiesta del mercato delle costruzioni ruota intorno al concetto di casa sicura, efficiente e confortevole, in una parola “tecnologica”.
In seguito all’avvicendarsi di eventi naturali straordinari è andata sviluppandosi una maggior sensibilità rispetto al tema della sicurezza strutturale. Per questo il comportamento della struttura specie nei confronti dei carichi orizzontali ed in particolare del sisma è materia di ricerca sia in campo industriale che accademico.
La sinergia tra questi due settori permette di sviluppare nuove tecnologie. Su questa linea si porgono soluzioni costruttive innovative come l’impiego strutturale di profili in acciaio formati a freddo (CFS).
I vantaggi offerti dall’utilizzo di questa tipologia di elementi quali la leggerezza, l’elevata efficienza strutturale, la durabilità, la rapidità e la semplicità di montaggio si traducono nell’offerta di un sistema costruttivo estremamente competitivo e versatile. Ne risulta una tecnologia costruttiva che consente la costruzione di fabbricati di piccole-medie dimensioni e la realizzazione di sopraelevazioni ed ampliamenti.
La massima integrabilità dei profili in cold-formed con i prodotti dell’edilizia “a secco” permette inoltre di realizzare involucri altamente prestazionali ed energeticamente efficienti.

UN INNOVATIVO SISTEMA COSTRUTTIVO IN PROFILI SOTTILI FORMATI A FREDDO*
IL SISTEMA STRUTTURALE
a cura del Prof. Ing. Riccardo Zandonini - Università degli Studi di Trento

Il sistema strutturale proposto si basa sull’impiego di componenti strutturali ottenuti mediante piegatura a freddo di lamiere sottili, opportunamente collegati tra loro per la realizzazione di sistemi intelaiati portanti. La particolarità di tale sistema sta nell’utilizzare un unico profilo per la realizzazione di ciascuna delle sue componenti strutturali (Fig. 1 e Fig.2).

Fig. 1 - Il profilo utilizzato per la realizzazione dei componenti strutturali

Tuttavia la novità e la complessità d’utilizzo di elementi formati a freddo in ambito strutturale richiede un’esaustiva caratterizzazione del comportamento meccanico del sistema ottenibile solo mediante prove sperimentali.

Fig. 2 - Il sistema costruttivo

Per questo motivo l’Università degli Studi di Trento, in collaborazione con il produttore*, sta conducendo da alcuni anni delle campagne sperimentali che interessano le diverse componenti di questa tipologia strutturale.
In particolare le fasi della ricerca hanno riguardato:

lo studio della geometria del profiloal fine di indagare le problematiche relative ai fenomeni di instabilità e pervenire alla definizione della sezione ottimale;
le prove a compressione (3) condotte su profili singoli di diverse altezze per poter caratterizzare il comportamento degli elementi verticali sottoposti a carico di punta;
le prove a flessione su quattro puntisu profili singoli e binati per determinare l’inerzia della sezione;
le prove condotte sui pannelli di parete( 4) per poter analizzare la risposta del sistema nei confronti dei carichi verticali e orizzontali sia in campo statico che ciclico;
leprove a flessione su quattro punti su travi reticolari;
le prove a taglio sulle lastre di rivestimentoper poter definire le caratteristiche meccaniche dei materiali componenti le stesse;
le prove a taglio sulle connessioni lastra-ossatura metallicaal fine di determinare la rigidezza dei connettori in funzione del passo di fissaggio;
le prove a trazione sui dispositivi anti-ribaltamento(hold-down) per conoscerne la rigidezza e il carico di collasso.

A sinistra: Fig. 3 - Prova a compressione
A destra: Fig. 4 - Setup di prova con sistema di applicazione del carico verticale ed orizzontale

La progettazione nei confronti dell’azione orizzontale (sismica e vento) è un aspetto molto importante. Si è quindi ritenuto opportuno studiare diverse configurazioni di pannelli di parete.
Lo studio ha riguardato sistemi di controvento realizzati sia con travature reticolari di acciaio, sia mediante elementi diagonali a croce, ma anche il contributo di tipologie differenti di lastre di rivestimento a base di fibro-cemento e di gesso-fibrato.
L’interazione lastra-ossatura metallica fornisce un notevole incremento alla capacità della parete di resistere all’azione orizzontale agente (Fig. 5).
Proprio per quantificare questo contributo ciascuna prova di parete è stata condotta sia sulla sola intelaiatura metallica, sia sul sistema lastra-ossatura.
Attualmente la sperimentazione è entrata nella fase conclusiva che prevede di condurre una prova ciclica su un modulo full-scale con pianta rettangolare 5mx10m e due piani.

Fig. 5 - Grafico con risposta ciclica di una parete con controvento a croce e lastre di rivestimento su ambedue i lati

IL SISTEMA DI FINITURA
a cura del Prof. Rossano Albatici - Università degli Studi di Trento

La tecnologia strutturale presa in esame consente di essere agevolmente completata con tutti i sistemi di coibentazione termica e acustica forniti dal mondo dell’edilizia “a secco”. Il prodotto di questa interazione è unsistema stratificato complesso in cui ciascuno strato assolve a una specifica funzione.
La scelta dei materiali e la loro giustapposizione è tuttavia determinante al fine del raggiungimento di alti standard energetico-ambientali. Per tale motivo il produttore* ha approfondito questa tematica in collaborazione con l’Università degli Studi di Trento – Dipartimento di Ingegneria Civile Ambientale e Meccanica.
In una prima fase, l’attività di ricerca ha riguardato la definizione di opportuni pacchetti di parete e di solaioconsiderando due differenti aspetti: da un lato la prestazione energetica in esercizio, dall’altro la sostenibilità in termini di impatto sull’ambiente durante l’intero ciclo di vita.
Sono state quindi studiate le prestazioni degli elementi in regime stazionario sia invernale, con la definizione del valore di trasmittanza termica, sia estivo, considerando la trasmittanza termica periodica, lo sfasamento orario e l’attenuazione dell’onda termica (Fig. 6).

STUDIO DELLE SUPERFICI OPACHE

Fig. 6 - Calcolo delle prestazioni in regime stazionario

E’ stata effettuata inoltre un’analisi di tipo LCA-LifeCycleAssessment mediante l’utilizzo del software ECOSOFT 4.0 della IBO (Österreichisches Institut für Baubiologie und Bauökologie), il quale determina il valore dell’indice ecologico OI3Kon sulla base del carico ambientale di ciascun materiale se si considera la sola fase di costruzione dell’elemento oppure se si considera anche la fase di manutenzione dello stesso.
In questo modo è stato possibile mettere a confronto le prestazioni in termini di sostenibilità ambientale di pacchetti di parete e di solaio realizzati con materiali differenti, pur mantenendo costante il loro valore di trasmittanza termica, ossia a parità di prestazione energetica (Fig. 7). Il fine è stato quello di pervenire all’ottimizzazione delle varie soluzioni proposte sia dal punto di vista energetico sia da quello, spesso poco valutato, di impatto ambientale (Fig. 8).

ANALISI LCA

Fig 7 - Il calcolo dell'indice OI3Kon per la fase di costruzione del pacchetto rappresentato

Fig. 8 - Il grafico mostra come nella fase di costruzione e manutenzione un materiale insolante di origine naturale apporti una riduzione del carico ambientale e quindi dell'indice OI3Kon

In una seconda fase è stato studiato il comportamento di un modulo residenziale tipo costituito con gli elementi precedentemente analizzati. Con l’utilizzo di un software di analisi agli elementi finiti (COMSOL Multiphysics), sono stati valutati i principali ponti termici ed è stato calcolato il valore di temperatura sulle superfici interne delle pareti per verificare che non ci fosse formazione di condensa superficiale (Fig. 9).

CALCOLO DEI PONTI TERMICI

Fig. 9 - I ponti termici geometrici calcolati rispetto alla superficie interna ed esterna

Infine è stata condotta una simulazione energetica dell’edificio per valutare la classe energetica di riferimento e i relativi consumi al variare di alcuni parametri significativi quali le prestazioni dei serramenti, dei pannelli vetrati e del sistema impiantistico. La simulazione è stata svolta sia in regime stazionario (condizione invernale) sia in regime dinamico (condizione estiva).
Attraverso quest’ultima analisi è stato possibile valutare l’andamento delle temperature interne estive e quindi le condizioni di comfort dell’utente simulandone in maniera realistica il comportamento soprattutto in termini di numero di ricambi di aria (ventilazione naturale) e di utilizzo dei sistemi di ombreggiamento delle superfici esposte a irraggiamento solare diretto. I risultati ottenuti hanno evidenziato come un edificio leggeroopportunamente progettato sia in grado non solo di raggiungere elevati standard energetici, ma anche di garantire un ottimo livello di comfort ai suoi occupanti in tutto il periodo dell’anno (Fig. 10).

Fig. 10 - Il grafico mostra l'andamento delle temperature interne all'unità residenziale ubicata nel comune di Trento durante il periodo estivo, ipotizzando un apporto di ricambi d'aria pari a 4vol/h e delle veneziane esterne ad alta efficienza.